02机电一体化系统的机械传动

机电一体化系统设计攀枝花学院张祺第二章机械系统部件的选择与设计（含工业机器人）2.1机械系统部件设计要求1、机电一体化机械系统的特殊要求机电一体化的机械系统与一般机械系统相比，具有一定的特殊要求：(1）较高的定位精度精度直接影响产品的质量，尤其是机电一体化产品，其技术性能、工艺水平和功能比普通的机械产品都有很大的提高，因此机电一体化机械系统的高精度是其首要的要求。（2）良好的动态响应特性—响应快、稳定性好。要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的任务之间的时间间隔短，这样控制系统才能及时根据机械系统的运行状态信息，下达指令，使其准确地完成任务。要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响，抗干扰能力强。(3）无间隙、低摩擦、低惯量、大刚度。（4）高的谐振频率、合理的阻尼比。2、主要措施和手段（1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑件。如：滚珠丝杠副、滚动导向和支承、动静压导向和支承。（2）缩短传动链，提高传动与支承刚度。如：大扭矩、宽调速的伺服电动机；轴端预紧或预拉伸、滚珠丝杠副或滚动导轨副预紧消除间歇提高刚度。（3）选择合理（最佳）传动比，提高系统分辨率，减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能的提高系统的加速能力。（4）尽可能地减小或消除传动误差和反转误差、减少支承变形，最终缩小反向死区误差。（5）改进和合理设计支承件和机架结构，提高刚度、减少振动和噪音。2.2机电一体化系统的机械结构及功能德国的排爆机器人（一）机械系统组成1、传动结构：主要功能是传递能量和运动，是一种力、速度变换器。2、导向机构：支撑和限制运动部件按给定的运动要求和给定的运动方向运动，为机械系统中各运动装置安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障。3、支承件：机座或机架是支承其他零部件的基础部件。它既承受其它零部件的重量和工作载荷，又起保证零件相对位置的基准作用。三者功能总结：实现传递运动和动力，支撑和导向，联系机电一体化系统各部件并实现其构造功能。1、机械传动部件的主要功能是传递转矩和转速；2、它的实质是一种转矩、转速变换器；3、它的目的是使执行部件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。4、对传动件的要求：间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递扭矩大。（二）常见的机械传动装置及功能基本功能传动机构运动的变换动力的变换形式行程方向速度大小形式丝杠螺母√√√齿轮√√√齿轮齿条√√链轮链条带、带轮√√缆绳、绳轮√√√√√杠杆机构√√√连杆机构√√√凸轮机构√√√√摩擦轮√√√万向节软轴√蜗轮蜗杆√√√间歇机构√常见传动机构及功能（三）丝杠螺母机构基本传动形式1、含义2、分类3、特点（优点、缺点）滑动丝杠螺母机构：结构简单、加工方便、成本低，且有自锁功能，但摩擦阻力较大、传动效率低(30%~40%)。滚动丝杠螺母机构：结构复杂、成本高、无自锁功能，但摩擦阻力小、传动效率高（92%~98%）、传动精度高。4、丝杠螺母机构传递运动的基本条件1）滑动丝杠螺母机构传递运动基本条件：应有足够的滑移间隙和充分地润滑，热胀冷缩补偿空间；因而，存在一定的空回间隙。2）滚珠丝杠螺母机构传递运动的基本条件：应有足够的润滑储油空间和热胀冷缩弹性补偿能力，可实现无间隙工作；因而，存在一定的表面应力；为了实现连续运转，需一滚珠的回珠装置（内或外）。5、丝杠螺母传动的类型与特点图a丝杠螺母机构基本传动形式1)螺母固定、丝杆转动并移动如图a所示，该传动形式因螺母本身起着支承作用，消除了丝杆轴承可能产生的附加轴向窜动，结构较简单，可获得较高的传动精度。但其轴向尺寸不易太长，刚性较差。因此只适用于行程较小的场合。2)丝杆转动、螺母移动如图b所示，该传动形式需要限制螺母的转动，故需导向装置。其特点是结构紧凑、丝杆刚性较好。适用于工作行程较大的场合。3)螺母转动、丝杆移动如图c所示，该传动形式需要限制螺母移动和丝杆的转动，由于结构较复杂且占用轴向空间较大，故应用较少。图丝杠螺母机构基本传动形式4)丝杆固定、螺母转动并移动如图d所示，该传动方式结构简单、紧凑，但在多数情况下，使用极不方便，故很少应用。图差动传动原理该方式的丝杆上有基本导程(或螺距)不同的(如l01、l02)两段螺纹，其旋向相同。当丝杆2转动时，可动螺母1的移动距离为S=n×(l01－l02)，如果两基本导程的大小相差较少，则可获得较小的位移S。因此，这种传动方式多用于各种微动机构中。（5）差动传动方式(四)、滚动螺旋传动1、滚珠丝杠副的组成及特点（1）、滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其螺杆和螺母的螺纹滚道间置滚珠，当螺杆或螺母传动时，滚动沿螺纹滚道滚动，使螺杆和螺母作相对运动时为滚动摩擦，提高了传动效率和传动精度。图滚珠丝杠副的构成原理1-反向器2-螺母3-丝杠4-滚珠（2）、滚珠丝杠结构组成工作说明：滚珠丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚道回程装置，构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠流动的闭合通道。（3）、滚珠丝杠的特点滚珠丝杠副与滑动丝杠副相比有如下特点：优点：①传动效率高（0.9～0.95）；②传动精度高；③摩擦小、不易磨损，寿命长；④运动的可逆性；⑤结构复杂，工艺性差，成本高。⑥轴向刚度高(即通过适当预紧可消除丝杠与螺母之间的轴向间隙)；⑦运动平稳。缺点：不能自锁，传动可逆，在用作升降传动机构时，需要采取制动措施。内循环单螺母式滚珠丝杠副2、滚珠丝杠副的典型结构类型滚珠丝杠副的结构类型可以从①螺纹滚道的截面形状、②滚珠的循环方式和③消除轴向间隙的调整方法进行区别。（1）、螺纹滚道型面(法向)的形状及主要尺寸图螺纹滚道法向截面形状单圆弧滚道和双圆弧滚道的结构特点单圆弧滚道：结构简单，存在轴向间隙，加工质量易于保证，在使用双螺母结构的条件下，具有轴向间隙调整和预紧能力，传递精度高。因此运行特性不够稳定。双圆弧滚道：结构简单，传递精度由加工质量保证，轴向间隙小，无轴向间隙调整和预紧能力，加工困难，加工精度要求高，成本高，一般在轻载条件下工作。接触角在工作过程中基本不变。双圆弧滚道单圆弧滚道（2）、滚珠的循环方式图内循环工作原理在螺母2的侧面孔内装有接通相邻滚道的反向器4，利用反向器引导滚珠3越过丝杆1的螺纹顶部进入相邻滚道，形成一个循环回路。a,内循环方式（始终接触）特点：优：滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。缺：反向器加工困难、装配调整也不方便。结构：实例：浮动式反向器的循环内循环滚珠丝杠副反向器1拱形片簧4弹簧套2优点：是在高频浮动中达到回珠圆弧槽进出口的自动对接，通道流畅、摩擦特性较好，更适用于高速、高灵敏度、高刚性的精密进给系统。b,外循环方式1）螺旋槽式结构：在螺母2的外圆表面上铣出螺纹凹槽，槽的两端钻出两个与螺纹滚道相切的通孔，螺纹滚道内装入两个挡珠器4引导滚珠3通过这两个孔，应用套筒1盖住凹槽，构成滚珠的循环回路。结构的特点：工艺简单、径向尺寸小、易于制造，但是挡珠器刚性差、易磨损。2）插管式结构：用一弯管1代替螺纹凹槽，弯管的两端插入与螺纹滚道5相切的两个内孔，用弯管的端部引导滚珠4进入弯管，构成滚珠的循环回路，再用压板2和螺钉将弯管固定。特点：插管式结构简单、容易制造。但是径向尺寸较大，弯管端部用作挡珠器比较容易磨损。3）端盖式结构：在螺母1上钻出纵向孔作为滚子回程滚道，螺母两端装有两块扇形盖板或套筒2，滚珠的回程道口就在盖板上。滚道半径为滚珠直径的1．4～1．6倍。特点：这种方式结构简单、工艺性好，但滚道吻接和弯曲处圆角不易准确制作而影响其性能，故应用较少。常以单螺母形式用作升降传动机构。3、滚珠丝杠副的主要尺寸参数4、滚珠丝杠副的精度等级及标注方法×螺纹旋向，右旋不标检查项目标号精度等级负载滚珠总圈数基本导程公称直径预紧方式（见各厂代号）循环方式（见各厂代号）外形结构特征（见各厂代号）（1）、精度等级（2）、标注方法3、尺寸系列4、推荐采用的精度等级5、消除间隙和调整预紧1）、双螺母螺纹预紧调整式结构：螺母3的外端有凸缘，而螺母4的外端虽无凸缘，但制有螺纹，并通过二个圆螺母固定。原理：调整时旋转圆螺母2消除轴向间隙并产生一定的预紧力，然后用锁紧螺母1锁紧。预紧后两个螺母中的滚珠相向受力(如图b所示)，从而消除轴向间隙。特点：结构简单、刚性好、预紧可靠，使用中调整方便，但不能精确定量地进行调整。2）、双螺母齿差预紧调整式结构：两个螺母的两端分别制有圆柱齿轮3，二者齿数相差一个齿，通过二端的两个内齿轮2与上述圆柱齿轮相啮合并用螺钉和定位销固定在套筒1上。工作原理：调整时先取下两端的内齿轮2，当二个滚珠螺母相对于套筒同一方向转动同一个齿后固定后，则一个滚珠螺母相对于另一个滚珠螺母产生相对角位移，使二个滚珠螺母产生相对移动，从而消除间隙并产生一定的预紧力。特点：可实现定量调整即可进行精密微调(如0．002mm)，使用中调整较方便。间隙的调整量：3）、双螺母垫片调整预紧式结构与原理：调整垫片1的厚度，可使两螺母2产生相对位移，以达到消除间隙、产生预紧拉力之目的。特点：结构简单刚度高、预紧可靠，但使用中调整不方便。4）、弹簧式自动调整预紧式结构原理：双螺母中一个活动、另一个固定，用弹簧使其间始终具有产生轴向位移的推动力，从而获得预紧力。特点：能消除使用过程中因磨损或弹性变形产生的间隙，但其结构复杂、轴向刚度低，适合用于轻载场合。弹簧5）、单螺母变位导程自预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式结构原理：在滚珠螺母体内的两列循环滚珠链之间，使内螺纹滚道在轴向制作一个的导程突变量，从而使二列滚珠产生轴向错位而实现预紧，预紧力的大小取决于突变量和单列滚珠的径向间隙。特点：结构简单紧凑，但使用中不能调整，且制造困难。图单螺母变位导程预紧式6、滚珠丝杠副支承方式的选择（1）、支承方式1）单推——单推式结构：止推轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧力。特点：轴向刚度较高，预拉伸安装时，预紧力较大；轴承寿命比双推一双推式低；2）双推一双推式结构：两端分别安装止推轴承与深沟球轴承的组合，并施加预紧力，其轴向刚度最高。特点：该方式适合于高刚度、高转速、高精度的精密丝杠传动系统。但随温度的升高会使丝杠的预紧力增大，易造成两端支承的预紧力不对称。3）双推——简支式结构：一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端仅安装深沟球轴承，其轴向刚度较低，使用时应注意减少丝杠热变形的影响。特点：双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速、传动精度较高的长丝杠传动系统。4）双推——自由式结构与特点：一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端悬空呈自由状态，故轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装的丝杠传动系统。（2）、轴承的组合安装支承示例（3）、制动装置图超越离合器1－外圈2－星轮3－滚柱4－活销5－弹簧2）常用的制动装置有体积小、重量轻、易于安装的超越离合器。选购滚珠丝杠副时可同时选购相宜的超越离合器。1）制动原因：因滚珠丝杠传动效率高，无自锁作用，故在垂直安装状态，必须设置防止因驱动力中断而发生逆传动的自锁、制动或重力平衡装置。图电磁——摩擦制动装置原理图3）制动实例A：结构组成B：制动原理运动部件摩擦离合器电磁线圈铁心7、滚珠丝杠副的密封与润滑1-螺旋弹簧钢带式伸缩套管；2-波纹管密封套原因：滚珠丝杠副可用防尘密封圈或防护套密封来防止灰尘及杂质进人滚珠丝杠副，使用润滑剂来提高其耐磨性及传动效率，从而维持其传动精度、延长其使用寿命。密封圈类型：接触式和非接触式两种，其装在滚珠螺母的两端。非接触式密封圈通常由聚氯乙烯等塑料制成，其内孔螺纹表面与丝杠螺纹之间略有间隙，故又称迷宫式密封圈。接触式密封圈用具有弹性的耐油橡胶或尼龙等材料制成，因此有接触压力并产生一定的摩擦力矩，但其防尘效果好。常用的润滑剂有润滑油和润滑脂两类。润滑脂一般在装配时放进滚珠螺母滚道内定期润滑，商使用润滑油时应注意经常通过注油孔注油。防护套的形式有折叠式密封套、伸缩套管和伸缩挡板。其材料有耐油塑料、人造革等。8、滚动螺旋传动的设计计算（1）、滚珠