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机电一体化系统设计机电一体化系统设计主要参考书曾励主编，机电一体化系统设计，高等教育出版社教学内容第0章总论第1章机械系统设计第2章检测系统设计第3章控制系统设计第4章伺服系统设计第5章计算机控制机电系统设计第1章机械系统设计第一节概述第二节常用传动支承系统设计第三节机械系统载荷的类型及确定第四节机械系统的参数设计09:32:44第1章机械系统设计5传统机械系统组成：动力件、传动件、执行件、电气、机械控制现代机械：由计算机信息网络协调与控制的、用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和(或)机电部件一体化的机械系统，是机电一体化机械系统。核心是由计算机控制的、包括机、电、液、光等技术的伺服系统。第一节概述一、机械系统的定义第1章机械系统设计61.高精度：精度直接影响产品的质量，机电一体化产品的技术性能、工艺水平和功能比普通的机械产品有很大的提高，因此机电一体化机械系统的高精度是其首要的要求。二、机电一体化对机械系统的基本要求2.快速响应：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。3.良好的稳定性：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。此外，还要求机械系统具有较大的刚度、良好的可靠性和重量轻、体积小、寿命长。第1章机械系统设计71.传动机构：如，齿轮传动机构、蜗杆蜗轮传动机构、丝杠传动机构、链传动、带传动等。要求：满足整个机械系统良好的伺服性能；要满足传动精度的要求；满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性的要求。三、机械系统的组成2.导向机构：作用是支承和导向，为机械系统中各运动装置能安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障。如，滚动导轨、滑动导轨等。3.执行机构：根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的操作。如，电动机、液压缸、气缸、液压马达、以及各种电磁铁、或机械手等等。要求：具有较高的灵敏度、精确度，良好的重复性和可靠性。第1章机械系统设计8进给系统的机械传动结构1、进给系统的功用协助完成加工表面的成形运动，传递所需的运动及动力。2、进给系统机械部分的组成传动机构+运动变换机构+导向机构+执行件（工作台）传动机构:齿轮传动、同步带传动运动变换：丝杠螺母副、蜗杆齿条副、齿轮齿条副等导向机构：导轨（滑动导轨、滚动导轨、静压导轨）第1章机械系统设计9工作台导轨副第1章机械系统设计103、主要要求(1)减小摩擦力采用摩擦力及动静摩擦力差值较小的传动件及导轨.(2)提高传动精度和刚度消除传动间隙,增加传动系统刚度.(3)减小运动惯量快速响应.减小运动部件质量.第1章机械系统设计11即：精度高、快速响应性和稳定性好。第二节常用传动支承系统设计传动机构性能要求1)具有良好的伺服性能；2)传动部分与伺服电机的动态特性相匹配。第1章机械系统设计12对传动机构要求1.转动惯量小1)转动惯量大会对系统造成不良影响，机械负载增大；2)转动惯量大系统响应速度降低，灵敏度下降；3)转动惯量大系统固有频率减小，容易产生谐振。在不影响机械系统刚度的前提下，传动机构的质量和转动惯量应尽量减小。第1章机械系统设计132.刚度大①伺服系统动力损失随之减小；②机构固有频率高，超出机构的频带宽度，使之不易产生共振；③增加闭环伺服系统的稳定性。刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用力。3.阻尼合适阻尼越大，其最大振幅就越小且衰减也越快；阻尼大使系统的稳态误差增大、精度降低。第1章机械系统设计14一、无侧隙齿轮传动机构齿轮传动机构的特点：1)瞬时传动比为常数；2)传动精确度高；3)可做到零侧隙无回差；4)强度大能承受重载；5)结构紧凑；6)摩擦力小和效率高功用：转矩匹配；惯量匹配；脉冲当量匹配；降速第1章机械系统设计151.偏心轴套调整法结构如图2.1所示。转动偏心轴套2调整两啮合齿轮的中心距，消除齿侧间隙及其造成的换向死区。特点：结构简单，侧隙调整后不能自动补偿。(一)直齿圆柱齿轮传动机构消除传动间隙作用：消除反向间隙，提高传动精度方法：使啮合状态轮齿的两侧均处于接触状实现：偏心轴调整、轴向垫片调整（刚性）轴向压簧调整、周向压簧调整（柔性）径向（中心矩）调隙法；轴向调隙法；周向(切向）调隙法第1章机械系统设计16图2.1偏心轴套式消隙结构1.电动机2.偏心轴套第1章机械系统设计17以上两种方法的特点是结构简单，能传递较大扭矩，传动刚度较好，但齿侧隙调整后不能自动补偿，又称为刚性调整法。2.锥度齿轮调整法结构如图2.2所示。改变垫片3的厚度就能调整两个齿轮的轴向相对位置，从而消除齿侧间隙。第1章机械系统设计18图2.2锥度齿轮消隙结构1、2.齿轮3.垫片第1章机械系统设计19特点：齿侧间隙可自动补偿，但结构复杂。3.双片薄齿轮错齿调整法结构如图2.3所示。调节两薄片齿轮l、2的相对位置，达到错齿以消除齿侧间隙，反向时也不会出现死区。第1章机械系统设计20图2.3双圆柱薄片齿轮错齿调整1、2.薄片齿轮3、4、9.凸耳5.螺钉6、7.螺母8.弹簧第1章机械系统设计21(二)斜齿轮传动机构1.垫片调整法结构如图2.4所示。在两薄片斜齿轮1、2中间加垫片3，改变两薄片斜齿轮之间的轴向距离，使薄片斜齿轮1、2的螺旋线错位。特点：1)结构简单；2)齿侧间隙不能自动补偿。3)使用时需要反复测试齿轮的啮合情况，反复调节垫片的厚度。第1章机械系统设计22图2.4斜齿薄片齿轮垫片调整第1章机械系统设计23(二)斜齿轮传动机构2．轴向压簧调整法结构如图2.5所示。调节弹簧3的轴向力改变两薄片斜齿轮1、2之间的轴向距离达到错位的目的。特点：齿侧间隙可以自动补偿，但轴向尺寸较大，结构不紧凑。第1章机械系统设计24图2.5斜齿薄片齿轮轴向压簧调整第1章机械系统设计25（三）锥齿轮传动机构1.轴向压簧调整法结构如图2.6所示。调节压簧5轴向力大小，使锥齿轮4沿其轴向移动，从而消除啮合锥齿轮之间的齿侧间隙。2.周向弹簧调整法结构如图2.7所示。大小片锥齿轮1、2在弹簧力作用下错齿，从而消除间隙。第1章机械系统设计26图2.6锥齿轮轴向压簧调整第1章机械系统设计27图2.7锥齿轮周向弹簧调整1.大片锥齿轮2.小片锥齿轮3.锥齿轮4.镶块5.弹簧6.止动螺钉7.凸爪8.槽第1章机械系统设计28（四）齿轮齿条传动机构结构如图2.8所示。用于行程较长的大型机床上，易于得到高速直线运动。1.双片簿齿轮调整法分别与齿条齿槽的左、右两侧贴紧，从而消除齿侧间隙（传动负载小时采用）。2.双厚齿轮传动的结构进给运动由轴5输入，该轴上装有两个螺旋线方向相反的斜齿轮，当在轴5上施加轴向力F时，能使斜齿轮产生微量的轴向移动。此时，轴1和轴4便以相反的方向转过微小的角度，使齿轮2和齿轮3分别与齿条齿槽的左、右两侧贴紧而消除了间隙。第1章机械系统设计29图2.8齿轮齿条消隙结构1、4、5.轴2、3.齿轮第1章机械系统设计30结构原理示意图如图2.9所示，当丝杠旋转时，滚珠在封闭滚道内既自转又沿滚道循环转动。因而迫使螺母(或丝杆)轴向移动。二、滚珠丝杠副传动机构滚珠丝杠副:是在丝杆和螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动元件。它可将旋转运动转变为直线运动，或者将直线运动转变为旋转运动。（一）工作原理、特点及类型第1章机械系统设计31图2.9滚珠丝杠副的结构原理示意图特点：(1)传动效率高：0.90到0.96；(2)传动精度高、刚度好：可消除间隙；(3)定位精度和重复定位精度高；(4)运动平稳；(5)摩擦阻力小:静摩擦阻力及动静摩擦阻力差值小；(6)不能自锁、有可逆性。第1章机械系统设计32第1章机械系统设计33第1章机械系统设计34类型：定位滚珠丝杠副(P类)传动滚珠丝杠副(T类)通过旋转角度和导程来控制轴向位移量的滚珠丝杠副即与旋转角度无关，用于传递动力的滚珠丝杠副外循环式内循环式单圆弧型面双圆弧型面第1章机械系统设计351．螺纹滚道型面的形状1)单圆弧型面:接触角是随轴向负荷F的大小而变化，如图2.10a所示；2)双圆弧型面：滚珠与滚道只在滚道内相切的两点接触，接触角不变，如图2.10b所示。（二）滚珠丝杠副的结构图2.10螺纹滚道型面的形状第1章机械系统设计362．滚珠丝杠副的循环方式1)外循环:包括插管式和螺旋槽式。插管式结构如图2.11a所示，被压板1压住的弯管2的两端，插入螺母3上与螺纹滚道相切的两个孔内，引导滚珠4构成循环回路。特点：结构简单，制造方便。但径向尺寸较大，弯管端部容易磨损。螺旋槽式在螺母3的两个孔内装上反向器，引导滚珠通过螺母外表面的螺旋凹槽形成滚珠循环路，如图2.11b所示。特点：径向尺寸较小，工艺也较简单。第1章机械系统设计37a)插管式外循环方式1.压板2.弯管（回珠管）3.螺母4.滚珠b)螺旋槽式外循环方式图2.11外循环方式原理图第1章机械系统设计382．滚珠丝杠副的循环方式2)内循环：均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种型式。如图2.12a所示为圆柱凸键反向器，反向器的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽2。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的凸键1定位，以保证对准螺纹滚道方向。图2.12b为扁圆镶块反向器，反向器为一半圆头平键形镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其端部开有反向槽3，用镶块的外廓定位。图2.12内循环方式原理图1.凸键2、3.反向器第1章机械系统设计39通常采用双螺母预紧的方法，把弹性变形控制在最小限度内，以减小或消除轴向间隙，并可以提高滚珠丝杠副的刚度。目的:消除运动间隙,提高运动精度及传动刚度.(1)轴向间隙轴向间隙：是承载时在滚珠与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。3．滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法减小或消除轴向间隙方法：1)预紧使弹性变形控制在最小限度内；2)提高制造精度、减小丝杠安装部分和驱动部分的间隙。第1章机械系统设计40预紧的基本思想第1章机械系统设计41（2）双螺母预紧方法1)垫片调隙式图2.13所示结构，通过改变垫片厚度，使螺母产生轴向位移。结构简单可靠、刚性好，但调整费时，不能在工作中随意调整。图2.13双螺母垫片调隙式结构图第1章机械系统设计422)螺母调隙式图2.14所示结构，利用螺帽实现预紧，两个螺母1、2以平键与外套相联，平键可限制螺母在外套内转动。用两个锁紧螺母3、4能使螺母相对丝杠作轴向移动。结构既紧凑．工作又可靠，调整也方便。但调整位移量不易精确控制，故预紧力不能准确控制。图2.14双螺母螺帽式结构图1、2.螺母3、4.锁紧螺帽第1章机械系统设计433)齿差调隙式图2.15所示结构。在两个螺母的凸缘上分别有齿数为z1、z2的齿轮分别与相应的内齿圈相啮合。内齿圈紧固在螺母座上，预紧时脱开内齿圈，使两个螺母同向转过相同的齿数，然后再合上内齿圈。两螺母的轴向相对位置发生变化而实现间隙的调整和施加预紧力。图2.15双螺母齿差式结构图第1章机械系统设计444．滚珠丝杠副的安装滚珠丝杠螺母副的安装一般要求：–滚珠丝杠螺母副相对工作台不能有轴向窜动；–螺母座孔中心应与丝杠安装轴线同心；–滚珠丝杠螺母副中心线应平行于相应的导轨–能方便地进行间隙调整或预紧第1章机械系统设计451.同F-S的12.若轴承无间隙，丝杠的轴向刚度为一端固定的4倍3.丝杠不会受压，无压杆稳定问题，固有频率比一端固定高4.可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杠自重的下垂和热补偿膨胀，但需一套预拉伸机构，结构及工艺都比较困难5.要进行预拉伸的丝杠，其目标行程应略小于公称行程，减少量等于拉伸量两端固定(F-F)(1)支承方式的选择为了保证滚珠丝杠副传动的刚度和精度，应选择合适的支承方式，选用高刚度、小摩擦力矩、高运转精度的轴承，并保证支承座有足够的刚度。1.需保持螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难2.丝杠的轴向刚度和F-O相同3.压杆稳定性和临界转速比同长度的F-O型高4.丝杠有热膨胀的余地5.适用于较长的卧式安装丝杠一端固定一端游动(F-S)1.结构简单2.丝杠的轴向刚度比两端固定低3.丝杠的压杆稳定性和临界转速都较低4.设计时尽量使丝杠受拉伸5.适用于较短和竖直的丝杠一端固定一端自由(F-O