机电系统设计 赵先仲第三章

1、1,第3章 机电一体化系统中的机械设计,3.1 机械系统设计基础 3.2 传动系统设计 3.3 机械设计中的基本问题 3.4 机械系统结构特点 3.5 滚动导轨,2,与一般的机械系统相比，机电一体化系统的机械系统除要求具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，就是说响应要快、稳定性要好。一个典型的机电一体化系统，通常由控制部件、接口电路、功率放大电路、执行元件、机械传动部件、导向支承部件，以及检测传感部件等部分组成。,第一节 机械系统设计基础,3,为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，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) 采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件； 2) 缩短传动链，提高传动与支承刚度； 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) 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。,4,第二节 传动系统设计,一、机械传动部

2、件 及其功能要求 常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动、各种非线性传动部件等。其主要功能是传递转矩和转速。因此，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。,5,机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很大影响，特别是其传动类型、传动方式、传动刚性以及传动的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大影响。因此，应设计和选择传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。,6,传动机构及其功能（：为选择）,7,随着机电一体化技术的发展，要求传动机构不断适应新的技术要求。 具体讲有三个方面： 1) 精密化对某种特定的机电一体化系统（或产品）来说，应根据其性能的需要提出适当的精密度要求。虽然不是越精密越好，但由于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、轻量化随着机电一体化系统(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

3、，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。,8,二、 丝杠螺母机构基本 传动形式,9,差动传动原理,10,1. 滚珠丝杠副的组成及特点,三、 滚珠丝杠传动部件,11,滚珠丝杠螺母机构由反向器(滚珠循环反向装置)l、螺母2、丝杠3和滚珠4等四部分组成。 滚珠丝杠副与滑动丝杠副相比，滚珠丝杠副除上述优点外，还具有轴向刚度高(即通过适当预紧可消除丝杠与螺母之间的轴向间隙)、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长等优点。但由于不能自锁，具有传动的可逆性，在用做升降传动机构时，需要采取制动措施。,12,13,14,2. 滚珠丝杠副的典型的结 构类型 滚珠丝杠副的结构类型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。 螺纹滚道型面(法向)的形状及主要尺寸。,15,螺纹滚道法向截面形状,16,滚珠的循环方式有： 滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环两种。,17,如上图所示，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越过丝杠1的螺纹顶部进入相邻滚道，形成一个

4、循环回路。一般在同一螺母上装有24个滚珠用反向器，并沿螺母圆周均匀分布。内循环方式的优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。其不足是反向器加工困难、装配调整也不方便。,18,浮动式反向器的内循环滚珠丝杠副,浮动式反向器的内循环滚珠丝杠副（如下图所示）的结构特点是反向器l上的安装孔有0.010.015mm的配合间隙，反向器弧面上加工有圆弧槽，槽内安装拱形片簧4，外有弹簧套2，借助拱形片簧的弹力，始终给反向器一个径向推力，使位于回珠圆弧槽内的滚珠与丝杠3表面保持一定的压力，从而使槽内滚珠代替了定位键而对反向器起到自定位作用。这种反向器的优点是：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。,19,浮动式反向器的内循环,1-反向器；2-弹簧套；3-丝杆；4-碟簧片,20,外循环-外循环方式中的滚珠在循环返向时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外作循环运动。从结构上看，外循环有以下三种形式：,1）螺旋槽式： 2）插管式： 3) 端盖式：,21,3. 滚珠丝杠副的主要尺寸参数,22,公称直径（d0）:它指

5、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：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、丝杠螺纹全长等。,23,4. 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ISO 3408-3：1992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。 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。,24,新标准标识符号,25,尺寸系列，国际标准化组织(ISODIS3408-2-1991)和GB/T 17587.2-1998中规定： 公称直径(mm)：6，8，10，12，16，

6、20，25，32，40，50，63，80，100，125，160及200。 公称基本导程(mm)：1，2，25，3，4，5，6，8，10，12，16，20，25，32，40。尽可能 优先选用：2.5，5，10，20及40。,26,行程偏差的验收检验项目 （GB/T 17587.3-1998（与ISO3408-3：1992）同）,27,行程偏差和变动量（部分）,28,29,5. 滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧 (1)双螺母螺纹预紧调整式 如下图所示，其中，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，并通过两个圆螺母固定。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。其特点是结构简单、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。,1-锁紧螺母；2-调整螺母；3、4-滚珠螺母,30,(2)双螺母齿差预紧调整式 如下图所示丝杠4的两端的两个螺母分别制有圆柱齿轮的螺母3，两者齿数相差一个齿，通过两端的两个内齿轮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。调整时先取下两

7、端的内齿轮2，当两个滚珠螺母相对于套筒同一方向转动同一个齿后固定，则一个滚珠螺母相对于另一个滚珠螺母产生相对角位移，使两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。其特点是可实现定量调整，即可进行精密微调(如0.002mm)，使用中调整较方便。,1-套筒；2-内齿轮；3-螺母；4-丝杠,31,(3) 双螺母垫片调整预紧式 如下图所示，调整垫片l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。其特点是结构简单、刚度高、预紧可靠，但使用中调整不方便。,双螺母垫片预紧式 1-垫片； 2-螺母,32,（4）弹簧式自动调整预紧式 如下图所示，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。其特点是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，适用于轻载场合。,弹簧自动调整预紧式,33,（5）单螺母变位导程自预紧式 和单螺母滚珠过盈预紧式 下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

8、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。,34,典型支承方式,35,1) 单推-单推式 如下图所示，推力轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧力。其特点是轴向刚度较高，预拉伸安装时，预紧力较大，但轴承寿命比双推-双推式低。,单推-单推式,36,2) 双推-双推式 如下图所示，两端分别安装推力轴承与深沟球轴承的组合，并施加预紧力，其轴向刚度最高。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。,双推-双推式,37,3) 双推-简支式 如下图所示，一端安装止推轴承和圆柱滚子轴承的组合，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。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。,双推-简支式,38,4) 双推-自由式 如下图所示，一端安装推力轴承与圆柱滚子轴承的组合，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。,双推-自由式,39,轴承的组合安装支承示例 1) 简易

9、单推-单推式支承,40,2) 双推-简支支承方式,41,3) 双推-自由式支承,42,制动装置 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。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应的超越离合器(如下图所示)。,超越离合器 1-外圈 ； 2-星轮 ； 3-滚柱：4-活销 ； 5-弹簧,43,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,44,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入滚珠丝杠副，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。密封圈有接触式和非接触式两种，将其装在滚珠螺母的两端即可。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，而使用润滑油时应注意经常通过注油孔注油。,滚珠丝杠副的密封与润滑,45,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。,1-螺旋弹簧钢带式伸缩套管； 2-波纹管密封套,46,滚珠丝杠副的选择方法,根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，可选择适当的结构型式。例如，当允许有间隙存在时(如垂直运动)，可选用具有单圆弧形螺纹滚道的单螺母滚珠丝杠副；当必须有预紧或在

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