091125第4章 机电一体化机械系统设计

Ft
t
AE Lu
d
4 2
t E
4
E——弹性模量 2.1×105Mpa（即2.1×105N/mm2）； d2——丝杠底径（mm）； Δt——温升（一般取2～4℃）
（5） 基本额定载荷Coa
轴向基本额定静载荷Coa——滚珠丝杠副在承受最大接触应 力处产生不大于0.0001倍的钢球直径的永久变形时，所能承 受的最大轴向载荷 轴向基本额定动载荷Ca——一组（相当数量）相同参数的 滚珠丝杠副，在相同的条件下，运转10e6转时，90%的滚珠 丝杠副的螺纹滚道的表面或钢球的表面不发生疲劳点蚀所能 承受的最大轴向载荷。
• 根据摩擦副不同：滑动摩擦丝杠、滚动摩擦丝 杠；
• 根据丝杠和螺母相对运动方式不同： 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 ；⑤差动传动方式
丝杠和螺母相对运动方式
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
循环
滚珠 外
循环
间隙 调整
与 预紧
单圆弧形
双圆弧形
固定反向器式 浮动反向器式
螺旋槽式 插管式
双螺母垫片预 紧
单螺母变位预 紧
单螺母增大滚 珠直径预紧
接触角随轴向载荷而变化，易加工成精度 高，成本低
接触角不随轴向载荷而变化，不易加工成 精度高，成本高
循环回路短，流畅性好，效率高，螺母径 向尺寸小；反向器加工难，装配调整不 便，不适合重载
公称导程 Ph/mm 4 5 6 8 10 12 16 20
余程 Le/mm
16 20 24 32 40 45 50 60
热变形的补偿
• 行程偏差与预拉伸力
• 行程偏差C——目标行程和公称行程之差，为 了补偿热变形的影响，行程偏差C=δt并取负值。
• 预拉伸——固定-固定安装方式时，还可以采 用预拉伸丝杠的方法来进一步补偿热变形，预 拉伸力Ft：
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
• 机电一体化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，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。
• 机电一体化中的机械系统需使伺服电机和负载之间的 转速、转矩及惯量得到匹配，即在满足伺服系统高精 度、高响应速度、良好稳定性的前提下，还应该具有 较大的刚度、较高的可靠性和重量轻、体积小、寿命 长等特点。
机械系统设计特点
• （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
递等 • （2） 机械结构设计的特点 • 满足伺服系统对其稳、准、快的要求 • 精密化、高速化、小型化和轻量化 • 应综合考虑各个零部件的制造安装精度、结构
刚度、稳定性以及动作的灵敏性和易控性，对 具体零部件的设计提出了更高、更严的要求
• 作用——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
• 作用——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
• 作用——承重、支撑、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
Ka不是样本上的数值时
Ka
K
Fp
Ca
1/3
(12) 滚珠丝杠副的转矩
• （13） 滚珠丝杠副的安装方式 • （14） 滚珠丝杠副传动系统的轴向刚性 • （15） 滚珠丝杠副的许用转速、Dn值 • （16） 滚珠丝杠副的临界压缩载荷、强度计算 • （17） 滚珠丝杠副传动系统转矩计算 • （18） 交流伺服电机选择 • （19） 步进电机选择 • （20） 设计计算流程
• 功能——是传递动力和运动 • 作用——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 的可靠性对系统的精度、稳定性和快速性有很大影响。
（2） 支承与导向机构
• 作用——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承和导向。
（3） 执行机构
轴向刚度K（以Fp/δ为1）
无 Fp δ0
1
增大而减小
约3Fp 2δ0
3/2
有 Fp
δ0 /3 3
是常数
约3Fp δ0
3
2 2 3
② 滚珠丝杠副的轴向接触刚性
a. 不预紧的滚珠丝杠副轴向接触刚性
Ka
K
Fa 0.3Ca
1/3
b. 预紧滚珠丝杠副的轴向接触刚性
Fp Fmax / 3
预紧力 Fp
（6） 滚珠丝杠副的轴向载荷计算
• ① 水平安装
正向运动
铅垂 载荷Fz
质量m
轴向载荷Fx
Ph
• ② 铅垂安装 Famax (mg Fz ) m Fx f
（7） 预期寿命
Lh —用预期运行时间表示（h）。
Ls —用预期运行距离表示（km）
表4-3 常用设备推荐寿命（小时）
机床
20000
（3） 丝杠转速计算
ni
Vi Ph
nj I
（r/min） （ Vi——mm/min）
（4） 行程补偿值
t t Lu
t ——热膨胀系数（12.0×10-6）； ——温升（一般取2～4℃）；
Lu——有效行程 Lu Lx 2La Ln 或 Lu L1 2Le
Lx——机械最大行程； La——安全行程；Ln——螺母长度； L1——螺纹全长；Le——余程
设 计 计 算 流 程
1
2
3
4
5
6
1 改用 NO
滚动
7
导轨
8
7 增大 Ca
NO
9
10
1
增大
11 NO
Ph
12
7 增大 d2
6 改变 安装 方式
1 改用 滚动 导轨
13 NO
14 NO
15
16
17
18
列表：负载 速度 时间 最大行程 位置精度 寿命 电机转速
确定导程Ph≥IVmax/nj 计算丝杠各级转速ni=Vi/Ph
4.2 机械传动机构
4.2.l 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不影响系统稳定性，
但影响伺服精度（逆运行时的回程误差）； • 闭环之内的传动间隙不影响系统静态精度，但
影响稳定性；若闭环系统的稳定裕度较小，则 会使系统产生自激振荡。 • （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
• Fmax——是外加在滚珠丝杠副上的最大 轴向载荷
（11） 滚珠丝杠副的预紧与轴向接触刚性
① 滚珠丝杠副的预紧
预紧——就 是在滚珠丝
20
杠副内，预
1
平行
先施加轴向
载荷
0
滚珠丝杠轴向载
荷与弹性变形： 0
1Baidu Nhomakorabea—无预紧； 2 2
2——有预紧
O
2
Fp
2 2Fp
Fp
表4-6 轴向载荷与弹性变形
有无预紧 Fa δ
生产机械
10000
自动化设备
15000
测试设备
15000
（8） 滚珠丝杠副的当量载荷Fm及当量转速nm
Fm
3
F13 n1 t1 F23 n2 t 2 n1 t1 n2 t 2
Fi3 ni ni ti
ti
nm
n1 t1 n2 t 2 t1 t2
ni ti ti
（3） 摩擦小
• 大摩擦会造成动态滞后，降低系统的响应速度，导致系统 误差和低速爬行
• （4） 刚度大 • 大刚度利于：①减小机构弹性变形，从而减小伺服系统动
力损失； • ②提高机构固有频率，避开机构的伺服带宽，不易产生共
振；
• ③增加闭环伺服系统的稳定性。
（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 传动精度高，使用寿命长：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，丝杠副工作时温升和 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
4.2.3.2 滚珠丝杠副的典型结构类型
• 滚珠丝杠副结构
螺纹 滚道 形状
滚珠 内
90～180透平油，锂基油脂
波纹管，伸缩罩
螺母两端用密封圈
一端固定一端自由式支承
螺母 轴承 支承座
轴承 工作台
一端固定一端游动式支承
推力球 支承 垫 端 螺母 深沟球轴承 轴套 轴承 座 圈 盖
深沟球 轴承 挡圈
工作台
两端固定式支承
丝杠螺母密封
密封圈
伸缩罩
波纹管
4.2.3.3 滚珠丝杠副传动系统设计
润滑 密封
润滑油，润 滑脂
丝杠
螺母,
结构简单，轴向刚度较两端固定低，压 杆稳定性和临界转速较低，用于较短和 竖直的丝杠
两端与螺母要同轴，结构较复杂，工艺 较困难，刚度同(F-O)相同，压杆稳定性 和临界转速较(F-O)高，用于较长的卧式 安装丝杠
两端与螺母要同轴，结构较复杂，工艺 较困难，轴承无间隙时刚度为(F-S)的4倍， 无压杆稳定性问题，固有频率高，适用 于刚度和精度要求较高的场合
第4章 机电一体化机械系统设计
• 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
• 在构成机电一体化系统的要素中，几个部分并 不是并列的，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
• 构成：传动机构、 支承与导向机构、 执行机 构、 轴系、 机座机架
（l） 传动机构
（9） 额定动载荷下限值Cam的计算
按滚珠丝杠副的预期工作时间Lh
Ca Cam 3 60 nm Lh (Fm fW /100 f a )
按滚珠丝杠副的预期运行距离Ls
Ca
Cam
3
Ls Ph
Fm fW fa
Fm——当量载荷 fa——精度系数 fw——载荷系数
表4-4 精度系数fa
结构简单，容易制造，装配调整方便，适 合重载；循环回路长，螺母径向尺寸大
结构简单，刚度高，预紧可靠
结构简单，相对刚度低，预紧可靠，用于 较小直径丝杠
结构简单，相对刚度低，预紧可靠，用于 较小直径丝杠
支承方 一端固定一 式 端自由 (F-O)
一端固定一 端支承 (F-S)
支承方 两端固定
式
(F-F)
• （1） 滚珠丝杠副的精度
• GB/T17587.3-1998标准:定位滚珠丝杠幅（P）、 传动滚珠丝杠副（T）两类
• 精度：1、2、3、4、5、6、7、10七个等级级，
1级最高，依次降低。
• （2） 丝杠螺母副导程计算
Ph
I
Vmax nj
（mm）
I ——传动比
n j ——电机的最高转速
Vmax ——机械最高运动速度（mm/min）
• （6） 缩短传动链
• 采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝 杠螺母副连接，以减少中间传动机构；丝杠的支承设 计中采用两端轴向预紧或预拉伸支承结构等。
4.2.2 无侧隙齿轮传动机构
• 齿轮传动消齿侧间隙的方法： • 中心距调整法 • 双圆柱薄齿轮错齿消隙法 • 齿轮增宽消隙法等。
中
心
⑤差动传动方式
S n (l01 l02 )
• 微动机构、快进机构
4.2.3.1 滚珠丝杠副的组成及特点
反向器
螺母
丝杠
滚珠
• 滚珠丝杠副结构
滚珠丝杠副特点：
• ① 传动效率高：92％～96％ ，耗费的能 量仅为滑动丝打的l/4～1/3
• ② 运动具有可逆性：需设置制动装置
• ③ 轴向刚度好
计算Fm、nm 估算Ca下限值 按位置精度估算d2下限值 按样本选择滚珠丝杠副的型号规格
计算Dn值 YES
确定预紧力Fp YES
对固定-固定安装情况确定形成补偿C和预拉伸力Ft 计算轴承载荷，确定型号规格
工作图设计
验算nc≥nmax YES
验算P ≥F
c
max
YES
验算传动精度，选定精度等级
YES
确定滚珠丝杠副的形位公差
确定订货代号
距
偏心轴套 电机
调
节
消
隙
法
结构简单，但需反复调试
双 薄齿轮 圆
薄齿轮
柱
薄
齿
轮
错
齿
消
凸耳 凸耳 螺钉 螺母 弹簧 凸耳
隙 • 齿侧间隙可自动补偿，但结构复杂
薄斜齿轮
薄斜齿轮
齿 垫片
轮 增
H sin
宽
• 结构简单，
消
但垫片的厚
隙
度需要反复
法
斜齿轮
调整
4.2.3 丝杠螺母传动机构
• 丝杠螺母机构，可实现旋转运动直线运动运动 方式的转换：传递能量为主（如螺旋压力机、 千斤顶等）、传递运动为主的（如机床工作台 的进给丝杠）、调整零件之间相对位置为主。
精度等级 1、2、3、4、5 6、7
10
精度系数fa
1.0
0.9
0.7
负荷性质 载荷系数fw
表4-5 载荷系数fw
平稳
冲击
1～1.2 1.2～1.5
振动 1.5～2
（10） 额定静载荷下限值Coam
Coa Coam f s Fmax
• fs——安全系数，一般为1.2～2，有冲击、 震动的运动1.5～3