1、 第2章 機電一體化中機械系統部件的選擇與設計 2.1概述 2.2傳動機構 2.3導向及支撐結構 2.4機械執行機構 與一般機械系統比較，機電一體化機械系統的要求： 定位精度要高 響應速度要快 穩定性高 常常提出：無間隙、低摩擦、低慣量、高剛度、高諧振頻率、適當的阻尼比 機電一體化機械系統的三大結構 傳動機構：考慮與伺服系統相關的精度、穩定性、快速響應等伺服特性 導向機構：考慮低速爬行現象 執行機構：考慮靈敏度、精確度、重復性、可靠性 2.2傳動機構1、傳動機構的種類：齒輪傳動機構、滾珠絲杠副、滑動絲杠副、同步帶傳動副、間歇機構、繞性傳動機構2、傳動機構的特點：傳動精度要高、 響應速度要快、穩

2、定性高 3、傳動機構的基本要求： 在不影響系統剛度的條件下，傳動機構的質量和轉動慣量要小；轉動慣量大會對系統造成機械負載增大（T電=T負+J）；系統響應速度變慢，靈敏度降低；系統固有頻率下降，產生諧振；使電氣部分的諧振頻率變低P20。 剛度越大，伺服系統動力損失越小；剛度越大，機器的固有頻率越高，不易振動( )；剛度越大，閉環系統的穩定性越高。 機械系統產生共振時，系統中阻尼越大，最大振幅就越小，且衰減越快；但阻尼大會使系統損失動量，增大穩態誤差，降低精度，故應選合適阻尼。 靜摩擦力要小，動摩擦力要小的正斜率；或者會出現爬行。JKn 4、摩擦摩擦力可分為三種： 靜摩擦力、庫侖摩擦力和粘性摩擦力

3、（動摩擦力=庫侖摩擦力+粘性摩擦力）。 負載處于靜止狀態時，摩擦力為靜摩擦力，隨著外力的增加而增加，最大值發生在運動前的瞬間。運動一開始，靜摩擦力消失，靜摩擦力立即下降為庫侖摩擦力，大小為一常數F=mg，隨著運動速度的增加，摩擦力成線性的增加，此時的摩擦力為粘性摩擦力（與速度成正比的阻尼稱為粘性阻尼）。 摩擦對機電一體化伺服系統的主要影響是：降低系統的響應速度；引起系統的動態滯后和產生系統誤差；在接近非線性區，即低速時產生爬行。 根據經驗，克服摩擦力所需的電機轉矩Tf與電動機額定轉矩TK的關系為0.2TKTf0.3 TK 在使用中應盡可能減小靜摩擦力與動摩擦力的差值，并使動摩擦力盡可能小且為正

4、斜率較小的變化 。 5、爬行 當絲杠1作極低的勻速運動時，工作臺2可能會出現快一慢或跳躍式的運動，這種現象稱為爬行。 1）產生爬行的原因和過程 勻速運動的主動件1，通過壓縮彈簧推動靜止的運動件3，當運動件3受到的逐漸增大的彈簧力小于靜摩擦力F時，3不動。直到彈簧力剛剛大于F時，3才開始運動，動摩擦力隨著動摩擦系數的降低而變小，3的速度相應增大，同時彈簧相應伸長，作用在3上的彈簧力逐漸減小，3產生負加速度，速度降低，動摩擦力相應增大，速度逐漸下降，直到3停止運動，主動件1這時再重新壓縮彈簧，爬行現象進入下一個周期。 由上述分析可知，低速進給爬行現象的產生主要取決于下列因素： 靜摩擦力與動摩擦力之

5、差，這個差值越大，越容易產生爬行。 進給傳動系統的剛度K越小、越容易產生爬行。 運動速度太低。 （適當的增加系統的慣性J和粘性摩擦系數f） 2）不發生爬行的臨界速度 臨界速度可按下式進行估算（m/s）式中 F-靜、動摩擦力之差（N）； K-傳動系統的剛度（Nm）； -阻尼比； m-從動件的質量（kg）。 以下兩種觀點有利于降低臨界速度： 適當的增加系統的慣性J和粘性摩擦系數f，有利于改善低速爬行現象，但慣性增加會引起伺服系統響應性能降低；增加粘性摩擦系數也會增加系統的穩態誤差，設計時應優化處理。KmFVK4 3）消除爬行現象的途徑（實際做法） 提高傳動系統的剛度a在條件允許的情況下，適當提高各

6、傳動件或組件的剛度，減小各傳動軸的跨度，合理布置軸上零件的位置。如適當的加粗傳動絲杠的直徑，縮短傳動絲杠的長度，減少和消除各傳動副之間的間隙。b盡量縮短傳動鏈，減小傳動件數和彈性變形量。c合理分配傳動比，使多數傳動件受力較小，變形也小。d對于絲杠螺母機構，應采用整體螺母結構，以提高絲杠螺母的接觸剛度和傳動剛度。 減少摩擦力的變化a用滾動摩擦、流體摩擦代替滑動摩擦，如采用滾珠絲杠、靜壓螺母、滾動導軌和靜壓導軌等。從根本上改變摩擦面間的摩擦性質，基本上可以消除爬行。b選擇適當的摩擦副材料，降低摩擦系數。c降低作用在導軌面的正壓力，如減輕運動部件的重量，采用各種卸荷裝置，以減少摩擦阻力。d提高導軌的

7、制造與裝配質量，采用導軌油等都可以減少摩擦力的變化。 6、阻尼 在系統設計時，考慮綜合性能指標，一般取0.5 0.8之間。 7剛度 采用彈性模量高的材料，合理選擇零件的截面形狀和尺寸，對齒輪、絲杠、軸承施加預緊力等方法提高系統的剛度。 對于伺服機械傳動系統，增大系統的傳動剛度有以下好處： （1）可以減少系統的死區誤差（失動量），有利于提高傳動精度； （2）可以提高系統的固有頻率，有利于系統的抗振性； （3）可以增加閉環控制系統的穩定性。 8諧振頻率 對于閉環系統，要求機械傳動系統中的最低固有頻率（最低共振頻率）必須大于電氣驅動部件的固有頻率。 對于機械傳動系統，它的固有頻率取決于系統各環節的剛

8、度及慣量，因此在機械傳動系統的結構設計中，應盡量降低慣量，提高剛度，達到提高傳動系統固有頻率的目的。 一般要求機械傳動系統最低固有頻率WOI300rads，其他機械系統WOI600rads。 9間隙 對于系統閉環以外的間隙，對系統穩定性無影響，但影響到伺服精度。 對于系統閉環內的間隙，在控制系統有效控制范圍內對系統精度、穩定性影響較小，但反饋通道上的間隙要比前向通道上的間隙對系統影響較大。 轉動慣量的計算： （單位：kgm2） (1) 圓柱體轉動慣量 (2) 直線移動工作臺折算到絲杠上的轉動慣量 221mRJ 22LmJ (3) 齒輪齒條傳動時工作臺折算到小齒輪軸上的轉動慣量(4) 工作臺折算

9、到鋼帶傳動驅動軸上的轉動慣量 2RmJ2umJ(5) 絲杠折算到電機上的轉動慣量2iJJS例1：絲杠傳動時，傳動系統折算到電機軸上的總轉動慣量 例2：求系統折算到電機上的總傳動比例題2-22.2.4齒輪傳動副齒輪總傳動比的設計原則: 工作時折算到電動機軸上的峰值轉矩最小；等效均方根力矩最小；電機驅動負載加速度最大三種方法計算。 重點介紹負載加速度最大原則:結論:mLJJi 上式表明，齒輪系傳動比的最佳值就是，JL換算到電動機軸上的轉動慣量正好等于電動機轉子的轉動慣量，此時，電動機的輸出轉矩一半用于加速負載，一半用于加速電動機轉子，達到了慣性負載和轉矩的最佳匹配。2iJJLm總傳動比分配 (1)

10、最小等效轉動慣量原則 (2)重量最輕原則(3)輸出軸轉角誤差最小原則一、最小等效轉動慣量原則小功率傳動 以兩級齒輪傳動系統為例。假設傳動效率為100；各主動小齒輪轉動慣量相同為J1；軸與軸承的轉動慣量不計；各齒輪均為同寬度同材料的實心圓柱體。結論：3/ 13/ 12121)2()2()2(iiii2/212ii 對于n級齒輪系分析可得：各級轉動比的分配按“前小后大”次序 121)12(21212nnniin)2(221222/)1(nKiinKnK傳動級數n 確定： 大功率傳動 確定n第一級傳動比確定各級傳動比的確定二、重量最輕原則 小功率傳動 各主動小齒輪轉動慣量相同為J1；軸與軸承的轉動慣

11、量不計；各齒輪均為同寬度同材料的實心圓柱體。 結論：對于n級傳動i1i2i3ini1/n大功率傳動 設設b1b2 ，b3b4 結論：對于三級齒輪傳動 31313131313/iTTbbDDmm1211iii1212ii2/1111) 1122(12iiii1212ii2/1123) 1122(12iii查表求法：各級傳動比是逐漸遞減的即滿足”前大后小”原則.三、輸出軸轉角誤差最小原則四級傳動比分別為i1 、i2 、i3 、i4；齒輪1 8的轉角誤差依次為18，該傳動鏈輸出軸的總轉角誤差為：各級傳動比滿足”前小后大”原則.84764354432321iiiiiiin三種原則的選擇： 對齒輪傳動裝

12、置的設計，應根據具體的工作條件綜合考慮。 1.傳動精度要求較高時采用輸出軸轉角誤差最小原則設計； 2.對于要求運轉平穩、頻繁啟動和動態性能好的傳動裝置，常用最小等效轉動慣量原則和輸出軸轉角誤差最小原則設計； 3.對于有質量要求的其它傳動裝置用重量最輕原則。 齒輪傳動間隙的調整 1直齒圓柱齒輪傳動副（1）偏心套調整法（2）錐度齒輪調整法（3）雙片齒輪錯齒調整法2斜齒圓柱齒輪傳動副（1）軸向墊片調整法（2）軸向壓簧調整法3齒輪齒條傳動滾珠螺旋傳動 滑動螺旋傳動的接觸面間存在著較大的滑動摩擦阻力，傳動效率低，磨損快、精度不高，使用壽命短，已不能適應機電一體化設備在高速度、高效率、高精度等方面的要求。

13、滾珠螺旋傳動則是為了適應機電一體化機械系統的要求而發展起來的一種新型傳動機構。滾珠絲杠副的特點 :(1)傳動效率高、摩擦損失小，傳動效率很高，可達0.920.96（滑動絲杠為0.20.4）(2)傳動的可逆性、不可自鎖性(3) 傳動精度高(4) 磨損小、使用壽命長 螺紋滾道截面的形狀、滾珠循環的方式、軸向間隙的調整及施加預緊力的方法三個方面介紹：1滾珠絲杠螺母副螺紋滾道的截面形狀 2滾珠循環的方式（1）內循環（2）外循環3滾珠絲杠副軸向間隙調整與預緊（1）雙螺母螺紋預緊調整式（2）雙螺母齒差預緊調整式（3）雙螺母墊片調整預緊式（4）彈簧式自動調整預緊式（5）單螺母變位導程自預緊式滾珠絲杠副支承方

14、式的選擇 滾珠絲杠副的選擇1滾珠絲杠副結構的選擇 根據防塵防護條件以及對調隙及預緊的要求，可選擇適當的結構型式。例如，當允許有間隙存在時(如垂直運動)可選用具有單圓弧形螺紋滾道的單螺母滾珠絲杠副；當必須有預緊或在使用過程中因磨損而需要定期調整時，應采用雙螺母螺紋預緊或齒差預緊式結構；當具備良好的防塵條件，且只需在裝配時調整間隙及預緊力時，可采用結構簡單的雙螺母墊片調整預緊式結構。 2滾珠絲杠副的主要尺寸參數 公稱直徑d0、基本導程L0（或螺距t）、行程L； 此外還有絲桿螺紋大徑d、絲桿螺紋小徑d1、滾珠直徑db、螺母螺紋大徑D、螺母螺紋小徑D1、絲桿螺紋全長LS等。3滾珠絲杠副結構尺寸的選擇

15、公稱直徑d0應根據軸向最大載荷按滾珠絲杠副尺寸系列選樣；螺紋長度LS在允許的情況下要盡量短，一般取LSd0小于30為宜；基本導程L0 （或螺距t）的大小應根據機電一體化系統的承載能力、傳動精度要求確定。L0大承載能力也大，L0小傳動精度較高。要求傳動速度快時，可選用大導程滾珠絲扛副。滾珠的工作圈（或列）數和工作滾珠的數量N由試驗可知：第一、第二和第三圈（或列）分別承受軸向載荷的50、30和20左右。因此，工作圈（或列）數一般取2.53.5。滾珠總數N一般不超過150個。4滾珠絲杠副的精度等級 JB3162.291（ ISO34083：1992 ）滾珠絲杠副的驗收技術條件，將滾珠絲杠副的精度分為

16、7個精度等級，即1，2，3，4，5，7，10級。1級精度最高，依次遞減。標準中對各級精度的滾珠絲杠副的行程偏差有多個項目的規定。 5滾珠絲杠副的選擇步驟（1）承載能力選擇（2）壓桿穩定性核算（3）剛度的驗算同步齒形帶傳動同步齒形帶，是一種新型的帶傳動。 （一）同步齒形帶的特點：1、傳動過程中無相對滑動，因而可以保持恒定的傳動比，傳動精度較高。2、同步帶傳動工作平穩，結構緊湊，無噪音，有良好的減振性能，無需潤滑。3、同步帶無需特別緊張，故作用在軸和軸承上的載荷較小，傳動效率較高。4、同步帶傳動的缺點是制造工藝較復雜，傳遞功率較小，壽命較低。（二）同步齒形帶的結構根據齒形的不同，同步齒形帶可以分成

17、兩種。一種是梯形齒同步帶，另一種是圓弧齒同步帶。 1、梯形齒應力集中在齒根部位，與帶輪是圓弧形接觸，當小帶輪直徑較小時，將使梯形齒同步帶的齒形變形，影響與帶輪齒的嚙合，易產生噪聲和振動，這對于速度較高的主傳動來說是很不利的。因此，梯形齒同步帶在數控機床特別是加工中心的主傳動中很少使用，一般僅在轉速不高的運動傳動或小功率傳動的動力傳動中使用。2、圓弧齒同步齒形帶克服了梯形齒同步帶的缺點，均化了應力，改善了嚙合。因此，在加工中心上，無論是主傳動還是伺服進給傳動，當需要用帶傳動時，總是優先考慮采用圓弧齒同步齒形帶。齒形帶的結構1-帶背，2-強力層，3-包布層，4-帶齒。包布層材料：尼龍布帶齒材料：氯

18、丁橡膠為基體強力層材料：鋼絲，玻璃纖維，芳香族聚酰胺纖維（芳綸）對齒形帶的要求：1、有高的抗剪強度和耐磨性；2、有高的耐油性和耐熱性；3、背帶有良好的韌性和耐彎曲疲勞能力；（三）主要參數與規格1、節線長：強力層中心線；2、節距t ：相鄰兩齒在節線上的距離； 3、模數m：是節距t與之比，即m=t/； 4、規格：單面齒、雙面齒（DI型、DII型）；（四）同步帶標記例：800 DI H 300800：長度代號，節線長度查表2032mm; DI:雙面齒的對稱齒形； H：查表2-8,型號,節距12.7mm;300:寬度代號,查表,帶寬76.2mm.(五)同步帶輪1、帶輪的結構材料一般：鑄鐵或鋼；高速、小

19、功率：塑料或輕合金。2、帶輪的標記例：30 L 07530：齒數L：型號，節距9.525mm075:輪寬代號,帶寬19.05mm諧波齒輪減速器1、基本組成柔輪、剛輪、波形發生器2、特點 （1）傳動比大； （2）承載能力強； （3）傳動精度高； （4）齒輪測隙小； （5）傳動平穩；結構簡單3、諧波齒輪傳動比的計算設波形發生器相當于形星輪系的轉臂H，柔輪相當于行星輪r，剛輪相當于中心輪g，則rgHgHrHrgZZi滾珠花鍵pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$r

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