第四章 机电一体化机械传动系统

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mn i 1 2 P ai
4.2 精密机械的精度设计 和误差分配
二、误差分配方法 3. 公差调整
（1）经济公差极限 （2）生产公差极限 （3）技术公差极限
当系统误差的公差等级比随机误差的高，补偿环节 少而经济效果显著时，即认为是合格的。
4.2 精密机械的精度设计 和误差分配
二、误差分配方法 4. 误差补偿
齿轮齿条传动消除间隙原理
2. 滚珠丝杠螺母传动
一、特点
•磨损小、传动效率高、传动平稳
•寿命长、精度高、温升低等优点；
•结构复杂、成本高；
•传动的距离和速度有限。
二、结构类型
a)
b)
滚珠丝杠螺母副结构类型
a)外循环插管式 b)内循环反向器式
端盖式外循环
三、螺纹滚到型面（法向）的形状
螺纹滚道法向截面形状
1. 重量最轻原则
i1 i2 i3 n i
各级传动比一般应以“先小后大”的原则
2. 输出轴转角误差最小原则
max k / i( kn)
n i
在设计中，最末两级的传动比应取大一些，并 尽量提高最末一级齿轮副的加工精度。 3. 等效转动惯量最小原则
结论
1.
对于要求体积小，重量轻的齿轮传动系统可用 重量最轻原则。 对于要求运动平稳、起停频繁和动态性能好的 伺服系统的减速齿轮系统个，可按最小等效转 动惯量和总转角误差最小的原则来处理。对于 变负载的传动齿轮系统的各级传动比最好采用 不可约的比数，避免同期啮合以降低噪声和振 动。
4.
四、齿轮副间隙的调整
1、刚性调整法
调整中心距法、选择装配法、带锥度齿轮法和斜齿轮法。
调整中心距法结构
带锥度齿轮法结构
斜齿轮法结构
2、柔性调整法
通过双齿轮中间加入弹性元件，使双齿轮分别贴紧其啮合 齿轮的两侧，以消除齿轮的间隙。
拉簧消除间隙结构
碟形弹簧消除间隙结构
压簧消除间隙结构
单面接触消除间隙结构
•传动比范围大； •同时啮合的齿数多、运动精度高、承载能力大； •运动平稳、噪声低； •实现差速运动；
二、工作原理
构件1——刚轮， 构件2——柔轮， 3（H）——谐波发生器
谐波齿轮减速器
三、谐波齿轮传动速比的计算
H i21 H 2 H 1
2 H Z1 1 H Z 2
1. 精度设计中的主要原理与原则 2. 精度设计中的基本概念 3. 随机误差和系统误差 4. 误差的综合和分配 5. 数控机床的精度分析和精度指标
4.3 机械传动系统
学习内容：
1. 齿轮传动系统 2. 滚珠丝杠螺母传动 3. 谐波齿轮传动 4. 同步带传动 5. 间歇运动机构
传动机构的技术要求
例如，立式加工中心有下列几何精度指标
工作台面的平面度
各坐标方向移动的相互垂直度 X坐标方向移动时，工作台面的平行度 Y坐标方面移动时，工作台面的平行度 X坐标方面移动时，工作台面T形槽侧面的平行度 主轴的轴向窜动 主轴孔的径向跳动 主轴箱沿Z坐标方面移动时，主轴轴心线的平行度 主轴回转轴心线对工作台面的垂直度 主轴箱在Z坐标方面移动的直线度
式中， E——钢的弹性模量为 2.110
5
S——丝杠的最小截面积（cm2）
M——扭矩（N.cm）
I ——丝杠的最小直径d1的截面惯性矩
±——表示“+”受拉伸，“-”受压
缩
八、滚珠丝杠副支承方式
单推—单推式
双推—双推式
双推—简支式
九、滚珠丝杠副的密封
防护套示例
3. 谐波齿轮传动
一、特点
•结构简单、体积小、重量轻；
•精密化； •高速化；
•小型、轻量化；
1. 齿轮传动系统
特点
•传递功率范围大； •传动效率高；
•传动比准确；
•使用寿命长；
•工作安全可靠等。
1. 齿轮传动系统
一、常用齿轮传动方式 （1）平面齿轮机构
n1 z2 i12 n2 z1

直齿圆柱齿轮传动 斜齿圆柱齿轮传动 人字齿轮传动 圆弧齿轮传动
（2）机床调整误差 在数控机床调“零点”及“机外”调刀时产生的。 （3）自动换刀误差 换刀原理、换刀装置的结构特点及它们的制造、 装配质量
4.2 精密机械的精度设计 和误差分配
三、数控机床的误差源和精度分析 2. 机床本身的误差 （1）机床几何形状误差（几何精度） 综合反映该机床关键机械零部件和 组装后的几何形状误差。 （2）弹性变形引起的误差 刚度不足造成的误差。
四、滚柱丝杠副间隙的消除及预紧方法
双螺母齿差式预紧结构
双螺母螺纹式预紧结构
1、2—螺母 3—丝杠 4—套筒 5—平键 6—圆螺母
a)
b)
双螺母垫片式预紧结构
a)压紧式 b)拉紧式
单螺母变位导程自预紧结构
1—螺母 2—丝杠 3—滚球
五、精度等级
滚珠丝杠副的精度根据JB3162-91,可以分为7个精度等级： 1、2、3、4、5、7、10，其中1级最高，依次递减。 不同精度等级参数(μm)
运动、动力 动力机 执行机构 满足要求：小型、高速、低噪声、高可靠性
（2）导向机构 （3）执行机构
4.2 精密机械的精度设计 和误差分配
精度分配 精度设计 误差补偿
4.2 精密机械的精度设计 和误差分配
一、产品精度分配依据和步骤 1、 精度分配依据 （1）使用性能要求和有关精度标准 （2）工作原理、机械结构装配图及 有关零部件图 （3）技术水平，使用的环境条件 （4）经济性要求 （5）公差技术标准
工艺补偿方法 误差补偿 设计补偿方法 误差值补偿 分级补偿 连续补偿 自动补偿
误差传递系统补偿
综合补偿
4.2 精密机械的精度设计 和误差分配
三、数控机床的误差源和精度分析 1. 加工前的误差源 2. 机床本身的误差 3. 运行时的误差
4.2 精密机械的精度设计 和误差分配
三、数控机床的误差源和精度分析 1. 加工前的误差源 （1）编程误差 圆整误差、近似计算误差和过去值误差构成
2 2
式中，
Pk ——实际承受载荷的能力 fk ——压杆稳定的支承系数
——钢的弹性模量 ——丝杠小径d1的截面惯性矩 ——压杆稳定安全系数
wk.baidu.com
E
I
K
l s ——基本导程
3、刚度的验算
在工作负载P和扭矩M的共同作用下，引起每一导程的变形量 为：
Pl 0 Ml 2 L (cm) ES 2 Ie
对机床各运动大部件 对执行切削运动主要部件主轴的 工作台面平面度与T形槽侧面的平行度
4.2 精密机械的精度设计 和误差分配
三、数控机床的误差源和精度分析 3. 运行时的误差
定位误差 运行误差 运行速度下误差 中速运行过程 缓慢速度运动过程 快速运行过程
4.2 精密机械的精度设计 和误差分配
应该掌握的内容：
它是一种在带的工作面及带轮的外周上均制有啮 合齿，由带齿与轮齿的相互啮合实现传动 。
1、同步带传动的特点
• 传动比准确，传动效率高；
• 工作平稳，能吸收振动； • 不需要润滑、耐油水、耐高温、耐腐蚀，维护保养方便； •中心距要求严格，安装精度要求高； •制造工艺复杂，成本高。
2、带和带轮的结构和主要参数
在运转过程中至少有一个齿轮几何轴线的位置不固 定， 而是绕其它齿轮轴线回转的轮系。
（3）轮系传动

行星轮系传动 整个系统的自由度为1的周转轮系。
（3）轮系传动

差动轮系传动 整个系统的自由度为2的周转轮系。
（3）轮系传动

复合轮系传动（A）
（3）轮系传动

复合轮系传动（B）
在主动轴转 速不变的条 件下，从动 轴可以得到 若干种不同 的转速，这 种传动成为 变速传动。
第四章 机械一体化系统中的 机械设计
本章的学习内容：
4.1 机械部分设计概述 4.2 精密机械的精度设计和误差分配
4.3 机械传动部件的选择与设计
4.4 支承部件的选择与设计
4.5 轴系部件的选择与设计
4.6 机电一体化系统的机座或机架
4.1 机械部分设计概述
一、机电一体化系统中的机械部分的特点
响应快、稳定性好
式中，
3
L ——滚珠丝杠寿命系数
fW
——载荷系数 ——硬度系数 ——最大的工作载荷（或平均工作载荷）
fH
P max
对于低速运转(n<10r／min)的滚珠丝杠，无需计算其最大动载 荷Q值，而只考虑最大静负载是否充分大于最大工作负载即可。
2、压杆稳定性核算
Pk fk EI / (Kls ) P max( N )
二、棘轮传动机构
棘爪往返一次棘轮转过的角度
360o k / z
式中：
—棘轮回转角
k —棘爪每往复一次推过的棘轮齿数
z —棘轮齿数
三、空间凸轮转位机构
n z1 i H1 H n1 z1 z 2
iH 2 nH z2 z1 z 2 n2
四、谐波齿轮减速器的标注方法
例如，XBD 100-125-250-Ⅱ表示柔轮小径为100mm，传动 比为125，输出转矩为250Nm，精度等级为普通级，卧式双 轴伸出型谐波减速器。
4. 同步带传动
4.2 精密机械的精度设计 和误差分配
二、误差分配方法 1. 总系统误差
如果系统仅是某个变量的函数，可用产品的 误差方程表示。 总系统误差≦1/3产品容许的总误差
4.2 精密机械的精度设计 和误差分配
二、误差分配方法 2. 随机误差
一般按均方根法。
（1）等作用分配原则
i nm
（2）不等作用分配原则
带轮的齿形：有渐开线和直线
主要参数：带齿的节距、节线长 度、带轮的齿数
2、带轮
材料一般采用铸铁或钢，有渐开线和直线两种
5. 间歇运动机构
一、槽轮机构
槽轮转动的时间与静止时间之比定义为时间系数Kt：
t Z 2 4 Kt h 1 t0 Z 2 Z 2
作为转位机构：Z=3～12
一般的机械系统设计 较高的定位精度 机电一体化的机械系统 较高的定位精度 良好的动态响应特性
4.1 机械部分设计概述
二、机械部分设计要求
（1）高精度 （2）高刚度 （3）低摩擦 （4）短传动链 （5）最佳传动比 （6）反向死区误差小 （7）良好的稳定性
4.1 机械部分设计概述
三、机械部分的组成 （1）传动机构
1 精度等级 300mm行程 6 2π弧度行程 4
2 8 5
3 4 5 12 16 23 6 7 8
7 10 52 210 -
六、标注方法
七、滚珠丝杠副的主要结构参数及计算
主要参数：公称直径、基本导程、小径、大径、滚动体直径
1、承载能力的计算
计算作用于丝杠轴向最大动载荷Q，选择丝杠的型号
Q= L fHfWP max
2.
三、各级传动比的最佳分配原则
3.
对于以提高传动精度和减小回程误差为主的传 动齿轮系，可按总转角误差最小原则。对于增 速运动，由于增速时容易皮欢传动齿轮系统工 作的平稳性，应在开始几级就增速，并且要求 每级增速比最好小于1:3，以有利于增加轮系刚 度、减小传动误差。 对按较大传动比传动的齿轮系统，往往需要将 定轴轮系和行星轮系巧妙结合为混合轮系。对 于相当大的传动比，并且要求传动精度与传动 效率高、传动平稳、体积小重量轻时，可选用 新型的谐波齿轮传动。
（3）轮系传动

摆线针轮传动 主要实现两平行轴之间运动与动力的传递。
（3）轮系传动

谐波齿轮传动 主要实现两平行轴之间运动与动力的传递。
二、齿轮传动比的最佳匹配选择
二、齿轮传动比的最佳匹配选择
设各齿轮的材料相同， 厚度相同，则： J 3 J1 i14，J 4 J 2 i14
三、各级传动比的最佳分配原则
4.2 精密机械的精度设计 和误差分配
一、产品精度分配依据和步骤 2、 精度分配步骤 （1）明确总精度指标 （2）理论误差和方案误差 （3）原理误差 （4）总精度计算；确定误差补偿方法 （5）编写技术设计说明书
4.2 精密机械的精度设计 和误差分配
二、误差分配方法 产品总误差△s= 总系统误差△e+总随机误差△ ∑
1. 齿轮传动系统
一、常用齿轮传动方式 （2）空间齿轮机构

直齿圆锥齿轮传动 斜齿圆锥齿轮传动 交错轴斜齿轮传动 蜗轮蜗杆传动
1. 齿轮传动系统
一、常用齿轮传动方式
（3）轮系传动

定轴轮系传动 在运转过程中每个齿轮的几何轴线均固定不变的 轮系，又称普通轮系
（3）轮系传动

周转轮系传动