第4章 机电一体化机械系统设计

第4章机电一体化机械系统设计学习目的与要求a.了解机电一体化机械系统的主要内容和设计特点；b.熟悉机械传动、机械支撑与导向、轴系、机座机架等机电一体化常用机械系统；c.重点是以数控机床为例，掌握机电一体化系统主要的机械系统设计步骤和内容；d.了解一些新的机电一体化机械装置。4.1机械系统设计概述4.1.1机电一体化的机械系统主要内容机电一体化系统中的机械系统是由计算机协调控制，用于完成一系列机械运动的机械和机电部件相互联系的系统。在构成机电一体化系统的要素中，机械部分是主体，而且系统的主功能必须由机械装置来完成，并且是在控制系统的协调控制下完成主功能的。机电一体化系统中的机械系统主要包括以下五大部分:①传动机构机电一体化机械系统传动机构的主要功能是传递动力和运动。因此，它实际上是一种力、速度、加速度等的变换器。②支撑与导向机构其作用是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支撑和导向。③执行机构根据操作指令的要求，在动力源的驱动下，完成预定的操作。一般要求它具有较高的灵敏度、精确度、重复性和可靠性等。④轴系由轴、轴承及安装在轴上的齿轮、带轮等传动部件组成。轴系的主要作用是传递转矩及精确的回转运动，它直接承受外力（力矩）。⑤机座机架机座机架是支撑和连接其他零部件的基础部件。它既承受其他零部件的质量和工作载荷，又起保证各零部件相对位置的基准作用。4.1.2机电一体化机械系统设计特点机电一体化机械系统设计与传统的机械系统设计一样有传动设计和结构设计，只是由于机电一体化的特征决定了在机械系统设计过程中有它自身的特点。传统机械系统一般是由动力件、传动件、执行件三部分加上电器、液压和机械控制等部分组成的，而机电一体化中的机械系统是由计算机协调控制的，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）机电部件相互联系的系统组成的。其核心是由计算机控制的，包括机、电、液、光、磁等技术的伺服系统。①机械传动设计的特点传动链短，转动惯量小，线性传递，无间隙传递。采用了调速范围大、可无级调速的伺服电动机，从而节省了大量用于进行变速和换向的齿轮、轴承和轴类零件，减少了产生误差的环节，提高了传动效率，因此使机械传动设计也得到了简化，其机械传动方式也由传统的串联或串并联方式演变为并联的传动方式，即每一个机械运动都由单独的控制电机、传动机构和执行机构组成的子系统来完成，各个运动之间的传动关系则由计算机来统一协调和控制，如并联机器人、并联机床等，极大地简化了机械结构，提高了产品的刚度重量比及精度。②机械结构设计的特点机电一体化的机械结构仍属于传统机械技术的范畴。在满足伺服系统对其稳、准、快要求的前提下，从整体上说应逐步向精密化、高速化、小型化和轻量化的方向发展。4.2机械传动机构机械传动（棉绳索、麻绳索、涤纶绳索、钢丝绳索）（V带传动、平带传动、同步带传动、多楔带传动）带传动绳传动（定传动比和变传动比摩擦轮、定传动比摩擦轮又分圆柱平、圆柱槽和圆锥摩擦轮）摩擦轮传动齿轮传动（短节距滚子链、双节距滚子链、链传动套筒链、重载传动用弯板滚子链、齿形链、销合链、无级变速链）螺旋传动（滑动螺旋传动、滚动螺旋传动）谐波传动（波发生器+柔轮+刚轮）多点啮合柔性传动摩擦传动啮合传动（直齿、斜齿、人字齿、曲线齿）4.2.1机械传动机构性能要求①无（小）传动间隙开环或闭环之外的传动间隙对系统的稳定性无影响，但会造成传动装置道运行时的回程误差，从而影响伺服精度。闭环之内的传动间隙对系统静态精度无影响，因为控制系统有自动校正作用，但对系统的稳定性有影响。若闭环系统的稳定裕度较小，则会使系统产生自激振荡。4.2.1机械传动机构性能要求①无（小）传动间隙②惯量小大惯量会使系统的机械常数增大，固有频率降低，从而使系统负载大，响应慢，灵敏度低，易产生谐振。4.2.1机械传动机构性能要求①无（小）传动间隙②惯量小③摩擦小摩擦会引起系统的动态滞后，降低系统的响应速度，导致系统误差和低速爬行。系统传动部件的静摩擦力应尽可能小，动摩擦力应是尽可能小的正斜率，若为负斜率，则易产生爬行，精度降低，寿命减小。因此，要求较高的机电一体化系统经常采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑部件，如采用滚珠丝杆副、滚动导向支撑、动（静）压导向支撑等。4.2.1机械传动机构性能要求①无（小）传动间隙②惯量小③摩擦小④刚度大大刚度对机械系统而言有如下有利影响：a．减小机构弹性变形，从而减小伺服系统动力损失；b．提高机构固有频率，避开机构的伺服带宽，不易产生共振；c．增加闭环伺服系统的稳定性。4.2.1机械传动机构性能要求①无（小）传动间隙②惯量小③摩擦小④刚度大⑤阻尼适中大阻尼能抑制振动的最大振幅，且使振动快速衰减，但同时也会使系统的稳态误差增大，精度降低，因此阻尼要适中。4.2.1机械传动机构性能要求①无（小）传动间隙②惯量小③摩擦小④刚度大⑤阻尼适中⑥缩短传动链采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电动机直接与丝杆螺母副连接，以减少中间传动机构；丝杆的支撑设计中采用两端轴向预紧或预拉伸支撑结构等。4.2.2无侧隙齿轮传动机构消除齿轮传动中齿侧间隙的方法主要有中心距调整消隙法、双圆柱薄齿轮错齿消隙法、齿轮增宽消隙法等。1、中心距调整消隙法中心距调整法中最常用的方式是在电动机定位法兰上安装一个偏心轴套，如图4－1所示。转动偏心轴套，可以调整两啮合齿轮的中心距，从而消除直齿圆柱齿轮传动的齿侧间隙及其造成的换向死区。该方法结构简单，但需反复调试。2、双圆柱薄齿轮错齿消隙法如图4－2所示为双圆柱薄齿轮错齿消隙法。两个啮合的直齿圆柱齿轮中一个采用宽齿轮，另一个由两片可以相对转动的薄齿轮组成。装配时，使一片薄齿轮的齿左侧和另一片的齿右侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左、右两侧，通过两薄片齿轮的错齿，消除齿侧间隙，反向时也不会出现死区。两薄片齿轮上各装入有螺纹的凸耳，螺钉装在凸耳上，螺母可调节螺钉的伸出长度。弹簧一端勾在凸耳上，另一端勾在螺钉上。转动螺母，可改变弹簧的拉力大小，调节两薄齿轮的相对位置，达到错齿。这种错齿调整法的齿侧间隙可自动补偿，但结构复杂。3、齿轮增宽消隙法图4－3齿轮增宽消隙轮增宽消隙，调整垫片的厚度，从而可以调整两薄斜齿轮的轴向宽度，也就间接地调整了齿厚，选择适当垫片的厚度，就可以消除齿侧间隙。垫片的厚度H与齿侧间隙Δ的关系为式中，β为斜齿轮螺旋角。该方式结构简单，但使用时垫片的厚度需要反复调整。斜齿圆柱齿轮、圆锥齿轮传动可以采用齿厚增宽消隙法。4.2.3丝杆螺母传动机构丝杆螺母机构是一种可将旋转运动转变为直线运动，同时又可将直线运动转变为旋转运动的传动装置。有以传递能量为主的（如螺旋压力机、千斤顶等）；也有以传递运动为主的（如机床工作台的进给丝杆）；还有调整零件之间相对位置的回旋传动机构等。丝杆螺母传动机构有滑动摩擦传动机构和滚动摩擦传动机构之分。滑动丝杆螺母机构结构简单、加工方便、制造成本低、具有自锁能力，但其摩擦阻力矩大、传动效率低（30％～40％）。滚珠丝杆螺母传动机构虽然结构复杂、制造成本高，但其最大的优点是摩擦阻力矩小、传动效率高（92％～98％），因此在机电一体化系统中得到广泛应用。根据丝杆和螺母相对运动的组合情况，其基本传动形式有如图4－4所示的5种类型。下面分别介绍：①螺母固定、丝杆转动并移动如图4－4（a）所示，该传动形式因螺母本身起着支撑作用，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。但其轴向尺寸不宜太长，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4－4（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4－4（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。④丝杆固定、螺母转动并移动如图4－4（d）所示，该传动方式结构简单、紧凑，但在多数情况下使用很不方便，故很少应用。⑤差动传动方式差动传动方式原理如图4－4（e）所示，该方式的丝杆上有基本导程（或螺距）不同（如l01、l02）的两段螺纹，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。1、滚珠丝杆副的组成及特点丝杆和螺母上均制有圆弧沟状螺纹滚道，滚道间置有滚珠。当丝杆或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，因而丝杆与螺母之间相对运动时的摩擦关系为滚动摩擦。为使滚珠能循环参与滚动，不至于从螺母滚道中滚出，在螺母上设有回程反向器。滚珠丝杆副有如下特点：①传动效率高效率高达92％～96％，耗费的能量仅为滑动丝杆的1／4～1／3。②运动具有可逆性既可将回转运动变为直线运动，又可将直线运动变为回转运动，且逆传动效率几乎与正传动效率相同。丝杆垂直安放时，当运动停止后，螺母所带机构将在重力作用下下滑，故需设置制动装置。③轴向刚度好通过给螺母组件施加预紧力，可获得较高的轴向刚度，能满足各种机械传动要求。④传动精度高，使用寿命长滚珠与丝杆和螺母间的摩擦关系为滚动摩擦，动、静摩擦因数基本相同，且很小。这种摩擦关系使得滚珠丝杆副具有以下特征：低速时无爬行现象，能始终保持运动的平稳性和灵敏性；摩擦小，丝杆副工作时温升和热变形小，可获得较高的传动精度；由于磨损小，长期使用后仍能保持其精度，因而寿命长。⑤制造工艺复杂丝杆和螺母等零件加工时其精度、表面粗糙度要求高，制造成本高。2、滚珠丝杆副的典型结构类型螺纹滚道的截面形状a——双圆弧（接触角随轴向载荷而变化，易加工，成本低）b——单圆弧（接触角不随轴向载荷而变化，不易加工，成本高）滚珠的循环方式内循环：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；反向器加工困难、装配调整也不方便，不适合重载。外循环内循环固定反向器浮动反向器螺旋槽式插管式端盖式外循环：结构简单，容易制造，装配方便，适合重载；循环回路长，螺母径向尺寸大。外循环：螺旋槽式：插管式：端盖式：支撑方式滚珠丝杠副的精度等级根据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。滚珠丝杠副的标注方法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。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。尽可能优先选用：2.5，5，10，20及40。间隙调整与预紧单螺母的预紧方式主要有：1、增大钢球直径预紧；2、变位导程预紧（在螺母螺纹的磨削过程中通过调整导程位移量预紧）。双螺母的预紧方式主要有：1、垫片调整间隙法2、齿差调整间隙法（现在很少用到）3、螺纹调整间隙法密封3、滚珠丝杆副传动系统计算（1）滚珠丝杆副的精度（2）丝杆螺母副导程计算（3）丝杆转速计算（4）行程补偿值（5）基本额定载荷（6）滚珠丝杆副的轴向载荷计算（7）预期寿命（8）滚珠丝杆副的当量载荷Fm及当量转速rm（9）额定动载荷下限值的Cam计算（10）额定静载荷下限值Coam（11）滚珠丝杆副的预紧与轴向接触刚性（12）滚珠丝杆副的转矩（13）滚珠丝杆副的安装方式（14）滚珠丝杆副传动系统的轴向刚性（15）滚珠丝杆副的许用转速、Dn值（16）滚珠丝杆副的临界压缩载荷、强度计算（17）滚珠丝杆副传动系统转矩计算（18）交流伺服电动机选择（19）步进电动机选择跳过详细计算过程3、滚珠丝杆副传动系统计算（1）滚珠丝杆副的精度GB/T17587.3—1998标准根据使用范围及要求，将滚珠丝杆副分为定位滚珠丝杆副（P）和传动滚珠丝杆副（T）两类，精度