091125第4章机电一体化机械系统设计.pptx
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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
（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
4.2 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
• （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
• 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
• 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
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
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。
• 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
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
• 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
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
源自文库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。
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
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)
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
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
（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
4.2 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
• （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
• 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
• 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
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
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。
• 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
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
• 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
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
源自文库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。
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
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)
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