1、機械與電子工程學院1第第 二二 章章 機械系統部件選擇與設計機械系統部件選擇與設計機械與電子工程學院2 與一般的機械系統相比，機電一體化系統的機與一般的機械系統相比，機電一體化系統的機械系統除要求具有較高的定位精度之外，還應具有械系統除要求具有較高的定位精度之外，還應具有良好的動態響應特性，就是說響應要快、穩定性要良好的動態響應特性，就是說響應要快、穩定性要好。一個典型的機電一體化系統，通常由好。一個典型的機電一體化系統，通常由控制部件、控制部件、接口電路、功率放大電路、執行元件、機械傳動部接口電路、功率放大電路、執行元件、機械傳動部件、導向支承部件，以及檢測傳感部件件、導向支承部件，以及檢測

2、傳感部件等部分組成。等部分組成。 第一節第一節 機械系統部件的設計要求機械與電子工程學院3機械系統 傳動部件傳動部件：（1 1）線性：齒輪、絲杠螺母、渦輪蝸）線性：齒輪、絲杠螺母、渦輪蝸桿、諧波齒輪；（桿、諧波齒輪；（2 2）非線性：連桿機構，凸輪機）非線性：連桿機構，凸輪機構構 支承部件支承部件：導向支承、旋轉支承：導向支承、旋轉支承 軸系軸系： 架體架體：機架、箱體：機架、箱體為確保機械系統的傳動精度和工作穩定性，在設計中，常為確保機械系統的傳動精度和工作穩定性，在設計中，常提出提出無間隙、低摩擦、低慣量、高剛度、高諧振頻率、適無間隙、低摩擦、低慣量、高剛度、高諧振頻率、適當的阻尼比當的阻

3、尼比等要求。為達到上述要求，等要求。為達到上述要求，機械與電子工程學院4主要從以下幾方面采取措施：主要從以下幾方面采取措施： 1) 1) 采用低摩擦阻力的傳動部件和導向支承部件；采用低摩擦阻力的傳動部件和導向支承部件； 2) 2) 縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度；縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度； 3) 3) 選用最佳傳動比，以達到提高系統分辨率、減少等效選用最佳傳動比，以達到提高系統分辨率、減少等效 到執行元件輸出軸上的等效轉動慣量，盡可能提高加到執行元件輸出軸上的等效轉動慣量，盡可能提高加 速能力；速能力； 4) 4) 縮小反向死區誤差，如采取消除傳動間隙、減少支承縮小反向死區誤差，如采取消

4、除傳動間隙、減少支承 變形的措施；變形的措施； 5) 5) 改進支承及架體的結構設計以提高剛性、減少振動、改進支承及架體的結構設計以提高剛性、減少振動、 降低噪聲。降低噪聲。 機械與電子工程學院5第二節第二節 機械傳動部件的選擇與設計機械傳動部件的選擇與設計 一、機械傳動部件及其功能要求一、機械傳動部件及其功能要求 常用的機械傳動部件有螺旋傳動、齒輪傳常用的機械傳動部件有螺旋傳動、齒輪傳動、同步帶傳動、高速帶傳動、各種非線性傳動、同步帶傳動、高速帶傳動、各種非線性傳動部件等。其主要功能是傳遞轉矩和轉速。因動部件等。其主要功能是傳遞轉矩和轉速。因此，它實質上是一種轉矩、轉速變換器，其目此，它實質

5、上是一種轉矩、轉速變換器，其目的是使執行元件與負載之間在轉矩與轉速方面的是使執行元件與負載之間在轉矩與轉速方面得到最佳匹配。得到最佳匹配。機械與電子工程學院6 機械傳動部件對伺服系統的伺機械傳動部件對伺服系統的伺服特性有很大影響，特別是其傳動服特性有很大影響，特別是其傳動類型、傳動方式、傳動剛性以及傳類型、傳動方式、傳動剛性以及傳動的可靠性對機電一體化系統的精動的可靠性對機電一體化系統的精度、穩定性和快速響應性有重大影度、穩定性和快速響應性有重大影響。因此，應設計和選擇傳動間隙響。因此，應設計和選擇傳動間隙小、精度高、體積小、重量輕、運小、精度高、體積小、重量輕、運動平穩、傳遞轉矩大的傳動部件

6、。動平穩、傳遞轉矩大的傳動部件。機械與電子工程學院7傳動機構及其功能（：為選擇）機械與電子工程學院8傳動機構新的技術要求傳動機構新的技術要求 精密化精密化高速化高速化 小型化、輕量化小型化、輕量化機械與電子工程學院9二、二、 絲杠螺母機構絲杠螺母機構基本傳動形式基本傳動形式機械與電子工程學院10差動傳動原理差動傳動原理)(21hhPPn機械與電子工程學院11滾珠絲杠副的組成及特點滾珠絲杠副的組成及特點三、三、 滾珠絲杠傳動部件滾珠絲杠傳動部件機械與電子工程學院12機械與電子工程學院13 滾珠絲杠副的結構類型可以從螺滾珠絲杠副的結構類型可以從螺紋滾道的截面形狀、滾珠的循環方式紋滾道的截面形狀、滾

7、珠的循環方式和消除軸向間隙的調整方法進行區別。和消除軸向間隙的調整方法進行區別。 2. 2. 滾珠絲杠副的典型的結構類型滾珠絲杠副的典型的結構類型機械與電子工程學院14螺紋滾道法向截面形狀螺紋滾道法向截面形狀單圓弧型單圓弧型雙圓弧型雙圓弧型螺紋滾道的截面形狀螺紋滾道的截面形狀機械與電子工程學院15滾珠的循環方式：滾珠的循環方式：內循環和外循環內循環和外循環機械與電子工程學院16 浮動式反向器的內循環浮動式反向器的內循環1-反向器；2-彈簧套；3-絲桿；4-碟簧片機械與電子工程學院17 外循環外循環-外循環方式中的滾珠在循環返向時，離開外循環方式中的滾珠在循環返向時，離開絲杠螺紋滾道，在螺母體內

8、或體外作循環運動。絲杠螺紋滾道，在螺母體內或體外作循環運動。1 1）螺旋槽式：）螺旋槽式：2 2）插管式：）插管式：3) 3) 端蓋式：端蓋式：機械與電子工程學院18機械與電子工程學院19特點特點：（1 1）傳動效率高：）傳動效率高：9095% （2 2）運動可塑性好，正負效率相同）運動可塑性好，正負效率相同 （3 3）剛度高、無爬行、運動平穩性好）剛度高、無爬行、運動平穩性好 （4 4）傳動精度高、溫升變形小）傳動精度高、溫升變形小 （5 5）摩擦小、壽命長）摩擦小、壽命長 （6 6）使用范圍廣）使用范圍廣機械與電子工程學院20 3. 3. 滾珠絲杠副軸向間隙的調整與預緊滾珠絲杠副軸向間隙的

9、調整與預緊 (1)(1)雙螺母螺紋預緊調整式雙螺母螺紋預緊調整式1-1-鎖緊螺母；鎖緊螺母；2-2-調整螺母；調整螺母；3 3、4-4-滾珠螺母滾珠螺母機械與電子工程學院21(2)(2)雙螺母齒差預緊調整式雙螺母齒差預緊調整式( (兩螺母齒數差兩螺母齒數差1 1) )1-1-套筒；套筒；2-2-內齒輪；內齒輪；3-3-螺母；螺母；4-4-絲杠絲杠 機械與電子工程學院22(3) (3) 雙螺母墊片調整預緊式雙螺母墊片調整預緊式雙螺母墊片預緊式雙螺母墊片預緊式1-1-墊片；墊片； 2-2-螺母螺母機械與電子工程學院23（4 4）彈簧式自動調整預緊式）彈簧式自動調整預緊式 彈簧自動調整預緊式彈簧自動

10、調整預緊式 機械與電子工程學院24 （5 5）單螺母變位導程自預緊式）單螺母變位導程自預緊式 和單螺母滾珠過盈預緊式和單螺母滾珠過盈預緊式機械與電子工程學院25 典型支承典型支承方式方式機械與電子工程學院26 1) 1) 單推單推- -單推式單推式 如下圖所示，推力軸承分別裝在滾珠絲杠的兩端并如下圖所示，推力軸承分別裝在滾珠絲杠的兩端并施加預緊力。其特點是軸向剛度較高，預拉伸安裝時，施加預緊力。其特點是軸向剛度較高，預拉伸安裝時，預緊力較大，但軸承壽命比雙推預緊力較大，但軸承壽命比雙推- -雙推式低。雙推式低。機械與電子工程學院27 2) 2) 雙推雙推- -雙推式雙推式 兩端分別安裝推力軸承

11、與深溝球軸承的組合，并施加兩端分別安裝推力軸承與深溝球軸承的組合，并施加預緊力，其軸向剛度最高。該方式適合于高剛度、高轉速、預緊力，其軸向剛度最高。該方式適合于高剛度、高轉速、高精度的精密絲杠傳動系統。但隨溫度的升高會使絲杠的高精度的精密絲杠傳動系統。但隨溫度的升高會使絲杠的預緊力增大，易造成兩端支承的預緊力不對稱。預緊力增大，易造成兩端支承的預緊力不對稱。機械與電子工程學院28 3) 3) 雙推雙推- -簡支式簡支式 一端安裝止推軸承和圓柱滾子軸承的組合，另一端一端安裝止推軸承和圓柱滾子軸承的組合，另一端僅安裝深溝球軸承，其軸向剛度較低，使用時應注意減僅安裝深溝球軸承，其軸向剛度較低，使用時

12、應注意減少絲杠熱變形的影響。雙推端可預拉伸安裝，預緊力小，少絲杠熱變形的影響。雙推端可預拉伸安裝，預緊力小，軸承壽命較高，適用于中速、傳動精度較高的長絲杠傳軸承壽命較高，適用于中速、傳動精度較高的長絲杠傳動系統。動系統。機械與電子工程學院29 4) 4) 雙推雙推- -自由式自由式 一端安裝推力軸承與圓柱滾子軸承的組合，另一端安裝推力軸承與圓柱滾子軸承的組合，另一端懸空呈自由狀態，故軸向剛度和承載能力低，多一端懸空呈自由狀態，故軸向剛度和承載能力低，多用于輕載、低速的垂直安裝的絲杠傳動系統。用于輕載、低速的垂直安裝的絲杠傳動系統。機械與電子工程學院30軸承的組合安裝支承示例軸承的組合安裝支承示

13、例1) 1) 簡易單推簡易單推- -單推式支承單推式支承機械與電子工程學院31 2) 2) 雙推雙推- -簡支支承方式簡支支承方式 機械與電子工程學院32 3) 3) 雙推雙推- -自由式支承自由式支承機械與電子工程學院33制動裝置制動裝置超越離合器超越離合器 1-1-外圈外圈 ； 2-2-星輪星輪 ； 3-3-滾柱：滾柱：4-4-活銷活銷 ； 5-5-彈簧彈簧機械與電子工程學院34 一般內圈為主動件，外圈為從動件。當內圈逆時針轉動時，滾柱被一般內圈為主動件，外圈為從動件。當內圈逆時針轉動時，滾柱被楔緊而帶動外圈轉動，離合器接合；當內圈順時針轉動時，滾柱退入寬槽楔緊而帶動外圈轉動，離合器接合；

14、當內圈順時針轉動時，滾柱退入寬槽部位，外圈則不動，離合器分離。如外圈由另一系統帶動與內圈同向轉動部位，外圈則不動，離合器分離。如外圈由另一系統帶動與內圈同向轉動, ,當外圈轉速低于內圈時當外圈轉速低于內圈時, ,離合器即自動接合；若外圈轉速高于內圈，離合離合器即自動接合；若外圈轉速高于內圈，離合器則自動分離。滾柱式超越離合器的滾柱數目較少，元件接觸應力大，故器則自動分離。滾柱式超越離合器的滾柱數目較少，元件接觸應力大，故承載能力低。滾柱能在滾道內自由滾轉，與內、外圈接觸點經常變化，磨承載能力低。滾柱能在滾道內自由滾轉，與內、外圈接觸點經常變化，磨損比較均勻，但內圈制造工藝較復雜，安裝精度要求較

15、高損比較均勻，但內圈制造工藝較復雜，安裝精度要求較高 機械與電子工程學院35 當主軸當主軸7 7作上、下進給運動作上、下進給運動時，電磁線圈時，電磁線圈2 2通電并吸引鐵心通電并吸引鐵心1 1，從而打開摩擦離合器從而打開摩擦離合器4 4，此時電，此時電動機動機5 5通過減速齒輪、滾珠絲杠通過減速齒輪、滾珠絲杠副副6 6托動運動部件（主軸頭）托動運動部件（主軸頭）7 7作作垂直上下運動。當電動機斷電時，垂直上下運動。當電動機斷電時，電磁線圈電磁線圈2 2也同時斷電，在彈簧也同時斷電，在彈簧3 3的作用下摩擦離合器的作用下摩擦離合器4 4壓緊制動壓緊制動輪，使滾珠絲杠不能自由轉動，輪，使滾珠絲杠不

16、能自由轉動，從而防止運動部件因自重而下降。從而防止運動部件因自重而下降。單推單推- -單推式支承的簡易制動裝置單推式支承的簡易制動裝置1-1-鐵心；鐵心； 2-2-電磁線圈；電磁線圈； 3-3-彈簧；彈簧； 4-4-摩擦離合器；摩擦離合器；5-5-電動機；電動機； 6-6-滾珠絲杠滾珠絲杠副；副；7-7-主軸頭主軸頭機械與電子工程學院36 滾珠絲杠副可用防塵密封圈或防護套密封來防止灰塵及雜滾珠絲杠副可用防塵密封圈或防護套密封來防止灰塵及雜質進入滾珠絲杠副，使用潤滑劑來提高其耐磨性及傳動效率，質進入滾珠絲杠副，使用潤滑劑來提高其耐磨性及傳動效率，從而維持其傳動精度，延長其使用壽命。密封圈有接觸式

17、和非從而維持其傳動精度，延長其使用壽命。密封圈有接觸式和非接觸式兩種，將其裝在滾珠螺母的兩端即可。非接觸式密封圈接觸式兩種，將其裝在滾珠螺母的兩端即可。非接觸式密封圈通常由聚氯乙烯等塑料制成，其內孔螺紋表面與絲杠螺紋之間通常由聚氯乙烯等塑料制成，其內孔螺紋表面與絲杠螺紋之間略有間隙，故又稱迷宮式密封圈。接觸式密封圈用具有彈性的略有間隙，故又稱迷宮式密封圈。接觸式密封圈用具有彈性的耐油橡膠或尼龍等材料制成，因此有接觸壓力并產生一定的摩耐油橡膠或尼龍等材料制成，因此有接觸壓力并產生一定的摩擦力矩，但其防塵效果好。常用的潤滑劑有潤滑油和潤滑脂兩擦力矩，但其防塵效果好。常用的潤滑劑有潤滑油和潤滑脂兩類

18、。潤滑脂一般在裝配時放進滾珠螺母滾道內定期潤滑，而使類。潤滑脂一般在裝配時放進滾珠螺母滾道內定期潤滑，而使用潤滑油時應注意經常通過注油孔注油。用潤滑油時應注意經常通過注油孔注油。 滾珠絲杠副的密封與潤滑滾珠絲杠副的密封與潤滑機械與電子工程學院37 防護套的形式防護套的形式 有折疊式密封套、伸縮套管和伸縮擋板。有折疊式密封套、伸縮套管和伸縮擋板。機械與電子工程學院38滾珠絲杠螺母副是標準系列化的零件，滾珠絲杠螺母副是標準系列化的零件，公稱直公稱直徑徑d d0 0和基本導程和基本導程 確定后就選擇了滾珠絲杠副確定后就選擇了滾珠絲杠副 滾珠絲杠副的選擇方法滾珠絲杠副的選擇方法 結構的選擇結構的選擇

19、結構尺寸的選擇結構尺寸的選擇機械與電子工程學院39滾珠絲杠副的選擇步驟滾珠絲杠副的選擇步驟 在選用滾珠絲杠副時，必須知道實際的工作條件：在選用滾珠絲杠副時，必須知道實際的工作條件：最大的工作載荷最大的工作載荷F Fmax(max(或平均工作載荷或平均工作載荷F Fcp)(N)cp)(N)作用下作用下的使用壽命的使用壽命T T(h)(h)、絲杠的工作長度、絲杠的工作長度( (或螺母的有效行或螺母的有效行程程) (mm) (mm)、絲杠的轉速、絲杠的轉速n n( (或平均轉速或平均轉速n ncp)(rcp)(rmin)min)、滾道的硬度滾道的硬度HRCHRC及絲杠的工況，然后按下列步驟進行及絲杠

20、的工況，然后按下列步驟進行選擇。選擇。機械與電子工程學院401. 1. 計算最大動載荷計算最大動載荷機械與電子工程學院412. 2. 確定公稱直徑及絲杠長度確定公稱直徑及絲杠長度 根據最大動載荷和滾珠絲杠的額根據最大動載荷和滾珠絲杠的額定動載荷值選擇型號和有關結構參數，定動載荷值選擇型號和有關結構參數，確定公稱直徑和長度確定公稱直徑和長度3. 3. 確定導程確定導程 考慮脈沖當量和傳動效率考慮脈沖當量和傳動效率4. 4. 確定支承結構確定支承結構5. 5. 剛度校核剛度校核 接觸剛度和拉壓剛度接觸剛度和拉壓剛度機械與電子工程學院42 滾珠絲杠在軸向力的作用下，將產生伸長或縮短，在滾珠絲杠在軸向

21、力的作用下，將產生伸長或縮短，在扭矩的作用下扭矩的作用下, , 將產生扭轉而影響絲杠導程的變化，從而將產生扭轉而影響絲杠導程的變化，從而影響傳動精度及定位精度，故應驗算滿載時的變形量。影響傳動精度及定位精度，故應驗算滿載時的變形量。機械與電子工程學院436. 6. 預緊力的確定預緊力的確定: : 最大軸向載荷的最大軸向載荷的1/31/37. 7. 絲杠穩定性和臨界轉速絲杠穩定性和臨界轉速機械與電子工程學院44機械系統基本物理量的折算機械與電子工程學院45J J1 1為軸為軸部件和電動機轉子構成的轉動慣量部件和電動機轉子構成的轉動慣量J J2 2為軸為軸部件的轉動慣量部件的轉動慣量J J3 3為

22、軸為軸部件的轉動慣量部件的轉動慣量機械與電子工程學院46機械與電子工程學院47機械與電子工程學院48機械與電子工程學院49機械與電子工程學院50機械與電子工程學院51四、齒輪傳動部件四、齒輪傳動部件 1. 1.齒輪傳動形式及其傳動比的最佳匹配選擇齒輪傳動形式及其傳動比的最佳匹配選擇 齒輪傳動比齒輪傳動比i i應滿足驅動部件與負載之間的位移及轉矩、轉速應滿足驅動部件與負載之間的位移及轉矩、轉速的匹配要求，用于伺服系統的齒輪減速器是一個力矩變換器，其輸的匹配要求，用于伺服系統的齒輪減速器是一個力矩變換器，其輸入電動機為高轉速、低轉矩，而輸出則為低轉速、高轉矩。入電動機為高轉速、低轉矩，而輸出則為低

23、轉速、高轉矩。目的：目的：1 1）轉速、轉矩匹配，）轉速、轉矩匹配，2 2）負載匹配，）負載匹配， 3 3）脈沖當量匹配）脈沖當量匹配機械與電子工程學院522.2.各級傳動比的最佳分配原則各級傳動比的最佳分配原則 重量最輕原則重量最輕原則 對于小功率傳動系統，使各級傳動相等，即可使傳對于小功率傳動系統，使各級傳動相等，即可使傳動裝置的重量最輕。由于這個結論是在假定各主動小齒動裝置的重量最輕。由于這個結論是在假定各主動小齒輪模數、齒數均相同的條件下導出的，故所有大齒輪的輪模數、齒數均相同的條件下導出的，故所有大齒輪的齒數、模數也相同，每級齒輪副的中心距離也相同。齒數、模數也相同，每級齒輪副的中心

24、距離也相同。 上述結論對于大功率傳動系統是不適用的，因其傳上述結論對于大功率傳動系統是不適用的，因其傳遞扭矩大，故要考慮齒輪模數、齒輪齒寬等參數要逐級遞扭矩大，故要考慮齒輪模數、齒輪齒寬等參數要逐級增加的情況增加的情況, ,此時應根據經驗、類比方法以及結構緊湊此時應根據經驗、類比方法以及結構緊湊的要求進行綜合考慮。各級傳動比一般應以的要求進行綜合考慮。各級傳動比一般應以“先大后小先大后小”原則處理。原則處理。機械與電子工程學院53輸出軸轉角誤差最小原則輸出軸轉角誤差最小原則機械與電子工程學院54轉角誤差的計算舉例轉角誤差的計算舉例 已知：有一三級齒輪傳動減速器，如圖所示，已知：有一三級齒輪傳動

25、減速器，如圖所示，z1z z6 6的轉角誤差分別是：的轉角誤差分別是： 1 1=0.06=0.06弧度弧度/sec/sec、 2 2= =3 3=0.03=0.03弧度弧度/sec/sec、 4 4= =5 5=0.015=0.015弧度弧度/sec/sec、6 6=0.01=0.01弧度弧度/sec/sec。 減速比分別為：減速比分別為：i i1 1= =i i2 2=2=2、i i3 3=3=3，則，則i i=12 .=12 . 求其總轉角誤差求其總轉角誤差max max . . 解：解：maxmax= =1 1/ /i i+(+(2 2+ +3 3)/()/(i i2 2i i3 3)+

26、 )+ ( (4 4+ +5 5)/ i)/ i3 3+ +6 6=0.06/12+0.06/6+0.03/3+0.01=0.06/12+0.06/6+0.03/3+0.01 =0.035( =0.035(弧度弧度/sec)/sec)機械與電子工程學院55等效轉動慣量最小原則等效轉動慣量最小原則機械與電子工程學院56機械與電子工程學院57圓柱齒輪圓柱齒輪：（：（1 1）偏心調整法）偏心調整法普通傳動：普通傳動：齒輪嚙合朝齒輪嚙合朝一個方向一個方向伺服傳動：伺服傳動：齒輪嚙合朝齒輪嚙合朝兩個方向兩個方向間隙間隙：（開環）進給系統位：（開環）進給系統位移值滯后于指定值，反向時移值滯后于指定值，反向時出現反向死區；（閉環）滯出現反向死區；（閉環）滯后量可補償，反向時會使伺后量可補償，反向時會使伺服系統產生振蕩而不穩定服系統產生振蕩而不穩定機械與電子工程學院58 （2 2）軸向墊片調整法）軸向墊片調整法1,2 .1,2 .齒輪齒輪3.3.墊片墊片4.4.發動機發動機機械與電子工程學院59（3 3）雙片薄齒輪錯齒調整）雙片薄齒輪錯齒調整軸向彈簧軸向彈簧可調拉簧可調拉