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机电一体化系统设计第二章机械系统部件的选择与设计——郭世伟一、机械系统部件的设计要求1、机械传动系统的分析与特性传统机械一般由动力件、传动件和执行件组成。信息控制等因素的引入，使作为动力源的传统电机转换为具有动力、变速和执行等多功能的伺服电机，其变速功能可在很大程度上代替机械传动中的“调速装置”，取代了几个执行件之间的传动联系，大大减少了传动件的数目，缩短了传动链，简化了机构，使动力件、传动件与执行件朝着合为一体的最小系统进行。典型如控制电机对负载的“直接驱动”等。机电一体化系统中的机械传动装置，不仅是转矩和转速的变换器，而是成为伺服系统的组成部分，要根据伺服控制的要求进行选择设计。影响传动链的动力学性能的因素一般有：负载的变化，传动链惯性，传动链的固有频率，间隙、摩擦、润滑和温度变化等。机电一体化机械系统要求机械传动部件满足转动惯量小、摩擦小、刚度大、振动特性好、阻尼合理、间隙小，还要求机械系统的动态特性与电机速度环的动态特性相匹配等。（1）转动惯量大的转动惯量会使机械系统的负载增加，反应灵敏度降低，系统固有频率下降而容易产生谐振，也使电气驱动部件的谐振频率降低，而阻尼增大。各种传动部件的等效转动惯量的计算。（2）刚度有构件基本变形的刚度和两接触面的接触刚度。静刚度和动刚度。系统刚度越大：伺服系统的失动量（传动死区）越小；系统固有频率越高，超出系统的频带宽度，不易产生共振；增加闭环系统的稳定性等。（3）谐振频率包括机械传动部件在内的弹性系统，若不计阻尼，可简化为质量-弹簧系统，为多自由度系统，有第一谐振频率和高阶谐振频率等。当外界传来的激振频率接近或等于系统固有频率时，系统产生谐振，不能正常工作。还有电气驱动部件的谐振频率。（4）摩擦摩擦分为粘性摩擦、库仑摩擦和静摩擦。实际机械导轨的摩擦特性随材料和表面状态的不同有很大的不同。滑动摩擦导轨易产生爬行现象，低速运动稳定性差；滚动摩擦导轨和静压摩擦导轨无爬行，但有微小超程；摩擦力与传动部件的弹性变形产生位置误差，运动反向时，位置误差形成反转误差（回差）。（5）阻尼机械部件振动时，机构材料内摩擦、运动副如导轨的摩擦阻尼等。实际的摩擦阻尼一般简化为粘性摩擦的线性阻尼，精确分析系统动力学时可用非线性阻尼特性。阻尼对弹性系统的振动特性的影响：黏性阻尼摩擦越大，系统的稳态误差增加，精度降低；粘性阻尼大，可减小振幅和衰减振动。（5）间隙机械传动系统中，间隙的存在会产生反转回差，增加轮廓误差，影响伺服系统的稳定性。间隙类型有：齿轮传动的齿侧间隙，丝杠螺母的传动间隙，丝杠轴承的轴向间隙，联轴器的扭转间隙等。齿轮传动的齿侧间隙的消除，有：a.刚性消隙法，调整后齿侧间隙不能自动补偿，但可提高传动刚度。如调整两齿轮的中心距来消除齿侧间隙；锥度齿轮轴向位移来消隙；斜齿圆柱齿轮消隙等。b.柔性消隙法，调整后齿侧间隙可以自动补偿，对齿轮的齿厚、齿距精度要求可下降，但会影响传动平稳性，且传动刚度低，结构较复杂。如有双齿轮错齿式消隙机构，碟形弹簧消隙机构等。丝杠螺母间隙的调整：2、机械系统部件的设计要求与一般的机械系统设计要求相比，机电一体化系统的机械系统要求定位精度高，动态响应特性好（即响应要快，稳定性要好），为达到要求，在设计中常提出无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。为达到上述要求，主要从以下几方面采取措施：1)低摩擦采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，如采用滚珠丝杠副，滚动导向支承、动（静）压导向支承；2)缩短传动链（如电机与丝杠螺母副直接连接，以减少中间传动机构等），提高传动与支承刚度（预紧的方法）；3)选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力；4)缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支承变形的措施；5)提高刚度改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声。选材上；结构轻型化、紧密化。这些措施反映了机电一体化系统设计的基本特点。二、机械传动部件的选择与设计机械传动部件的主要功能是传递转矩和转速，它实质上是一种转矩、转速变换器，其目的是使执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。（一）机械传动部件的功能要求及常用的传动部件机械传动部件的传动类型、传动方式、传动刚性以及传动可靠性对机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性有重要影响。机电一体化系统设计时，需要选择传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。具体讲有三个方面：1)精密化—要适应产品的高定位精度等性能的要求，对机械传动机构的精密度要求也越来越高。2)高速化—产品工作效率的高低，直接与机械传动部件的运动速度相关。因此，机械传动机构应能适应高速运动的要求。3)小型化、轻量化—机电一体化系统(或产品)精密化、高速化的发展，必然要求其传动机构的小型、轻量化，以提高运动灵敏度(快速响应性)、减小冲击、降低能耗。为与微电子部件的微型化相适应，也要尽可能做到使机械传动部件短、小、轻、薄化。对工作机中的传动机构，要求实现运动和动力的变换，对信息机中的传动机构，主要是运动的变换功能。常用机械传动部件及其运动、动力变换功能列表如下：（二）丝杠螺母传动机构1、基本传动形式丝杠螺母机构为螺旋传动机构，主要实现旋转运动与直线运动间的相互变换，应用于能量传递（传力螺旋）、运动传递（传动螺旋）和零件相对位置的调整（调整螺旋）等。根据丝杠和螺母相对运动的组合情况，其基本传动形式有四种类型：（1）螺母固定、丝杠转动并移动；（2）丝杠转动、螺母移动；（3）螺母转动、丝杠移动；（4）丝杠固定、螺母转动并移动。分别见图a、b、c、d丝杠螺母机构的基本传动形式差动传动方式，多用于微动机构中。2、滚珠丝杠副丝杠螺母机构有滑动摩擦机构和滚动摩擦机构之分。滚珠丝杠副为一种新型的螺旋传动机构，有适当数目的滚珠作为丝杠与螺母间的中间传动元件，变滑动摩擦为滚动摩擦。为防止滚珠从滚道端面掉出，螺母螺旋槽两端设置滚珠回程引导装置，构成滚珠循环返回流动的闭合通道。滚珠丝杠螺母机构具有以下特点：（1）摩擦阻力矩小，摩擦损失小，传动效率高，功率消耗是常规的滑动丝杠螺母副的1/4～1/3；（2）适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区，定位精度高，刚度好；（3）启动力矩小，运动平稳，无爬行现象，传动精度高；（4）有运动可逆性，丝杠、螺母均可作为主动件；（5）不易磨损，使用寿命长等优点，精度保持好。在机电一体化系统中应用广泛。同时它结构复杂，加工精度要求高，制造成本高；无自锁功能，作升降传动机构时，需采取制动措施。3、滚珠丝杠副的典型结构类型滚珠丝杠副的结构形式可以从螺纹滚道的截面形状、滚珠的循环方式和消除轴向间隙的调整方法进行区别。（1）螺纹滚道型面形状单圆弧型双圆弧型滚道圆弧半径R，滚道圆弧偏心距e，接触角α（2）滚珠的循环方式有内循环和外循环两种方式。①内循环方式时，滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触。利用反向器引导滚珠越过丝杠的螺纹顶部进入相邻滚道，形成一个循环回路。内循环固定式；内循环浮动式（借助碟簧片的弹力，始终给反向器一个径向推力）。②外循环方式时，滚珠在循环返向时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外作循环运动。a）螺旋槽式循环回路由螺母2上的螺纹凹槽3，经两个通孔，与螺纹滚道相通。挡珠器4，套筒1b）插管式循环回路由弯管1，经弯管端部，与螺纹滚道5相通。弯管端部作挡珠器，压板2c）端盖式：循环回路由螺母体1上的纵向孔，经螺母端盖2上的回程道口，与螺纹滚道相通。滚珠丝杠副的型号格式（旧标准标识）：包含其结构、规格、精度和螺纹旋向等特征。4、滚珠丝杠副的主要尺寸参数公称直径（d0）:它指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径。它是滚珠丝杠副的特征（或名义）尺寸。基本导程(Ph)(或螺距t)：它指丝杠相对于螺母旋转6.28弧度时，螺母上基准点的轴向位移。行程λ：它指丝杠相对于螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点的轴向位移。此外还有丝杠螺纹大径d1、丝杆螺纹底径d2、滚珠直径DW、螺母螺纹底径D2、螺母螺纹内径D3、丝杠螺纹全长λ1等。精度要求高应选用较小的基本导程；一个循环回路的滚珠工作圈数一般取2.5～3.5；滚珠总数N一般不超过150个。尺寸系列，国际标准化组织(ISO／DIS3408-2-1991)和GB/T17587.2-1998中规定：公称直径(mm)：6，8，10，12，16，20，25，32，40，50，63，80，100，125，160及200。公称基本导程(mm)：1，2，2.5，3，4，5，6，8，10，12，16，20，25，32，40。优先选用：2.5，5，10，20及40。5、滚珠丝杠副的精度等级及标注方法1)精度等级：根据GB/T17587.3-1998（与ISO3408-3：1992同）标准，将滚珠丝杠副的精度分成为1、2、3、4、5、7、10共七个等级，最高级为1级，最低级为10级。按实际使用要求，在每一精度等级内指定了导程精度的验收检验项目，未指定的检验项目其导程误差不得低于下一级精度的规定值。推荐采用的精度等级：数控机床、精密机床和精密仪器等用于开环和半闭环进给系统，根据定位精度和重复定位精度的要求可选用1、2、3级，一般动力传动可选用4、5级，全闭环系统可选2、3、4级。新标准标识符号2)标注方法：GB/T17587.1-1998规定滚珠丝杠的标识符号应按下图给定顺序排列的内容标注。6、滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧滚珠丝杠副在有负载作用下，滚珠和滚道面接触点处会产生弹性变形，换向时轴向间隙会引起非连续空回，影响传动精度和系统稳定性。双螺母螺纹预紧调整式1—锁紧螺母，2—调整螺母，3、4—滚珠螺母右图为单螺母变位导程自预紧方式。它是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∆Ph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∆Ph和单列滚珠的径向间隙。其特点是结构简单紧凑，但使用中不能调整，且制造困难。7、滚珠丝杠副的支承方式丝杠的轴承组合及轴承座以及其它零件的连接刚度不足，会严重影响滚珠丝杠副的传动刚度和精度。为提高轴向刚度，常用以推力轴承为主的轴承组合来支承丝杠。简支端——仅有球轴承，自由端——悬空呈自由状态，单推——单个推力轴承，双推——推力轴承与球轴承的组合推力轴承可施加预紧力，实现预拉伸安装。丝杠热变形问题，轴承安装注意远离马达热源和丝杠常用段，以减小丝杠热变形的影响。简易单推-单推式支承（1）单推-单推式可预拉伸安装，预紧力大，轴向刚度较高。（2）双推-双推式轴向刚度最高，适于高刚度、高速、高精度的丝杠传动。对丝杠热变形敏感。（3）双推-简支式预紧力小，寿命长，常用于中速、高精度的长丝杠传动系统。注意丝杠热变形影响。（4）双推-自由式承载能力小，轴向刚度低，多用于短程、轻载、低速的垂直安装。8、滚珠丝杠副的制动方式自锁、制动或重力平衡装置。选购滚珠丝杠时可同时选购相宜的超越离合器，体积小、重量轻，易于安装。超越离合器1-外圈；2-星轮；3-滚柱：4-活销；5-弹簧当主轴7作上、下进给运动时，电磁线圈2通电并吸引铁心1，从而打开摩擦离合器4，此时电动机5通过减速齿轮、滚珠丝杠副6托动运动部件（主轴头）7作垂直上下运动。当电动机断电时，电磁线圈2也同时断电，在弹簧3的作用下摩擦离合器4压紧制动轮，使滚珠丝杠不能自由转动，从而防止运动部件因自重而下降。单推-单推式支承的简易制动装置1-铁心；2-电磁线圈；3-弹簧；4-摩擦离合器；5-电动机；6-滚珠丝杠副；7-主轴头9、滚珠丝杠副的密封与润滑防尘密封圈，防护套密封，防止灰尘及杂质进入滚珠丝杠副。密封圈有接触式、非接触式。防护套的形式有折叠式密封套、伸缩套管和伸缩挡板。下图为防护套示例：润滑剂提高丝杠副的耐磨性和传动效率，维持其精度，延长寿命。润滑油、润滑脂。1-螺旋弹簧钢带式伸缩套管；2-波纹管密封套10、滚珠丝杠副的选择（1）丝杠副结构的选择根据防尘防护条件以及对调隙及预紧