机电一体化系统设计课件——第2章(5)：机械系统的部件选择与设计(轴系)

液体静压轴承工作原理
液体静压轴承工作原理 1、2、3、4-油腔；5-金属薄膜；6-圆盒；7-回油槽；8-轴套
磁悬浮轴承工作原理
磁悬浮轴承是利用磁场力将轴无机械摩擦、无润滑地悬浮在空间的一种新型轴承。其工 作原理如下图所示。径向磁悬浮轴承由转子(转动部件)6和定子(固定部件)5两部分组成。定子 部分装上电磁体，保持转子悬浮在磁场中。转子转动时，由位移传感器4检铡转子的偏心，并 通过反馈与基准信号l(转子的理想位置)进行比较，调节器2根据偏差信号进行调节，并把调节 信号送到功率放大器3以改变电磁体(定子)的电流，从而改变磁悬浮力的大小，使转子恢复到 理想位置。 径向磁悬浮轴承的转轴(如主轴一般要配备辅助轴承，工作时辅助轴承不与转轴接触当断 电或磁悬浮失控时能托住高速旋转的转轴，起到完全保护作用。辅助轴承与转子之间的间隙 一般等于转子与电磁体气隙的一半。轴向悬浮轴承的工作原理与径向磁悬浮轴承相同 。
一、 机座或机架的作用及基本要求
二、 机座或机架的结构设计要点
机座或机架的结构设计必须 保证其自身刚度、连接处刚度和 局部刚度，同时要考虑安装方式、 材料选择、结构工艺性以及节省 材料、降低成本和缩短生产周期 等问题。
肋板及加强肋的形式
面壁开 孔
提高连接刚度
机座的结构工艺性
机座一般体积较大、结构复杂、成本高，尤其要注意其结构工艺性，以便于制造 和成本低，在保证刚度的条件下，应力求铸件形状简单，拔模容易，泥芯要少，便于 支 掌和制造。 机座壁厚应尽量均匀，力求避免截面的急剧变化，凸起过大、壁厚过薄、过长的 分型线和金属的局部堆积等。铸件要便于清砂，为此，必须开有足够大的清砂口，或 几个清砂口。 在同一侧面的加工表面，应处于同一个平面上，以便一起刨出或铣出。如下图所 示，图 b 的结构比图 a 的好。
双列向心短圆柱滚子轴承、 圆锥滚子轴承、双列推力球轴承图
配套应用例
上图为其配套应用实例，双列向心短圆柱 滚子轴承的径向间隙调整，是先将螺母6松开、 转动螺母1,拉主轴7向左推动轴承内圈，利用内 圈涨大以消除间隙或预紧。这种轴承只能承受 径向裁荷。轴向载荷由双列推力球轴承2承受， 用螺母1调整间隙。轴向力的传递见图中箭头所 示，轴向刚度较高。这种推力轴承的制造精度 已达B级，适用于各种精度的主轴轴系。其预紧 力和间隙大小调整用隔套3来实现。外围开有油 槽和油孔4，以利于润滑油进入轴承。
磁悬浮轴承工作原理 1-信号输入；2-调节器；3-功率放大器；4-位移传感器；5-定子；6-转子三、 提Fra bibliotek轴系性能的措施
1. 提高轴系的旋转精度
轴承(如主轴)的旋转精度中的径向跳动主要由①被测表面 的几何形状误差、②被测表面对旋转轴线的偏心、③旋转轴线在 旋转过程中的径向漂移等因素引起。 轴系轴端的轴向窜动主要由①被测端面的几何形状误差、② 被测端面对轴心线的不垂直度、③旋转轴线的轴向窜动等三项误 差引起。 提高其旋转精度的主要措施有：①提高轴颈与架体(或箱体) 支承的加工精度；②用选配法提高轴承装配与预紧精度，③轴系 组件装配后对输出端轴的外径、端面及内孔通过互为基准进行精 加工。
会使轴伸长或使轴系零件间隙发生变化，影响整 个传动系统的传动精度、旋转精度及位置精度。又由 于温度的上升会使润滑油的粘度发生变化，使滑动或 滚动轴承的承载能力降低。
机床主轴传动齿轮空间布置比较
二、 轴(主轴)系用轴承的类型与选择 • 标准滚动轴承 • 深沟球轴承 • 双列向心短圆柱滚子轴承 • 圆锥滚子轴承 • 推力轴承
平 台
加工面要在一个平面上
机座的结构工艺性
机座必须有可靠的加工工艺基面,若因结构原因没有工艺基 准，必须铸出四个或两个“工艺凸台”A，如下图所示(图 b 的结 构比图 a 的好)。加工时，先把凸台加工平，然后以凸台作基面来 加工B面,加工完毕后把凸台割去。
A为工艺凸台
焊接机架的设计
焊接机架具有许多优点：在刚度相同的情况下可减轻重量30％左右；改型 快，废品极少；生产周期短、成本低。 机架常用普通碳素结构钢材(钢板、角钢、槽钢、钢管等)焊接制造。轻型机 架也可用铝制型材连结制成。 对于轻载焊接机架，由于其承受载荷较小，故常用型材焊成立体框架，再装 上面板、底板及盖板。板料型材制成的框架接头型式如图1所示。槽钢制成的框 架的接头型式见图2所示。角铁构成机架的接头形式如图3所示。图4（a—是用薄 钢板折弯成型后、焊接而成的机箱，顶板的连接可采用图b、c所示的接头形式。
轴系组件有强迫振动和自激振动，前者是由轴系组 件的不平衡、齿轮及带轮质量分布不均匀以及负载变化 引起的，后者是由传动系统本身的失稳引起的。 提高其抗振性的主要措施有：①提高轴系组件的固 有振动频率、刚度和阻尼，通过计算或试验来预测其固 有振动频率，当阻尼很小时，应使其固有振动频率远离 强迫振动频率，以防止共振。一般讲，刚度越高、阻尼 越大，则激起的振幅越小。②消除或减少强迫振动振源 的干扰作用。构成轴系的主要零部件均应进行静态和动 态平衡，选用传动平稳的传动件、对轴承进行合理预紧 等。③采用吸振、隔振和消振装置。
• 旋转精度
是指在装配之后，在无负载、低速旋转的条件下， 轴前端的径向跳动和轴向窜动量。
• 轴系的刚度
反映了轴系组件抵抗静、动载荷变形的能力。
• 轴系的振动
表现为强迫振动和自激振动两种形式。其振动原 因有轴系组件质量不匀引起的动不平衡、轴的刚度及 单向受力等；它们直接影响旋转精度和轴承寿命。
• 轴系的受热
第五节
轴系部件的选择与设计
一. 轴系设计的基本要求
轴系由轴及安装在轴上的齿轮、 带轮等传动部件组成，有主轴轴系和 中间传动轴轴系。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)。对于中间传动轴系 一般要求不高。而对于完成主要作用 的主轴轴系的旋转精度、刚度、热变 形及抗振性等的要求较高。
微型滚动轴承
精 密 分 度 头 主 轴 系 统
上图为一精密分度头主轴系统。它采用的是密 珠轴承，主轴由止推密珠轴承2、4和径向密珠轴承1、 3组成。这种轴承所用滚珠数量多且接近于多头螺旋 排列。由于密集的钢珠有误差平均效应，减小了局 部误差对主轴轴心位置的影响，故主轴回转精度有 所提高；每个钢珠公转时沿着自己的滚道滚动而不 相重复，减小了滚道的磨损，主轴回转精度可长期 保持。实践证明，提高钢珠的密集度有利于主轴回 转精度的提高，但过多地增加钢珠会增大摩擦力矩。 因此，应在保证主轴运转灵活的前提下，尽量增多 钢珠数量。图b为推力密珠轴承保持架孔分布情况， 图c为径向密珠轴承保持架孔的分布情况。
习题与思考题
2-1 设计机械传动部件时，为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，常提出哪些要求？ 2-2 机电一体化系统传动机构的作用是什么？ 2-3 机电一体化系统（产品）对传动机构的基本要求是什么？ 2-4 简述丝杠螺母机构的分类及其特点。 2-5 丝杠螺母机构的传动形式及选择方法是什么？ 2-6 丝杠螺母副的组成要素有哪些？ 2-7 滚珠丝杠副的传动特点有哪些？ 2-8 珠丝杠副的典型结构类型有哪些？各有何特点？ 2-9 滚珠丝杠副消除轴向间隙的调整预紧方法有哪些？ 2-10 现有一双螺母齿差调整预紧式滚珠丝杠，其基本导程为6mm、一端的齿轮齿数为100、 另一端的齿轮齿数为98，当其一端的外齿轮相对另一端的外齿轮转过2个齿时，试问： 两个螺母之间相对移动了多大距离。 2-11 简述滚珠丝杠副的主要尺寸参数及其涵义。 2-12 简述滚珠丝杠副的精度等级及标注方法。 2-13 简述滚珠丝杠副的支承方式及其特点。 2-14 电磁制动装置的工作原理是什么？ 2-15 齿轮传动部件的作用有哪些？ 2-16 各级传动比的分配原则是什么？输出轴转角误差最小原则是什么？ 2-17 已知：4级齿轮传动系统，各齿轮的转角误差为0.005rad，各级减速比相同，即1.5，求： （1）该传动系统的最大转角误差； （2）为缩小其最大转角误差，应采取何种措施？ 2-18 谐波齿轮传动有何特点？传动比的计算方法是什么？ 2-19 设有一谐波齿轮减速器，其减速比为100，柔轮齿数为100。当刚轮固定时，试求该谐波减速器 的刚轮齿数及输出轴的转动方向（与输入轴的转向相比较）。 2-20 齿轮传动的齿侧间隙的调整方法有哪些？ 2-21 简述导轨的主要作用，导轨副的组成、种类及应满足的基本要求。 2-22 导轨的截面形状及其特点是什么？ 2-23 简述旋转支承的种类及其基本要求。 2-24 简述圆柱支承中摩擦转矩及精度的计算方法。 2-25 轴系部件设计的基本要求有哪些？
2. 提高轴系组件的抗振性
第六节 机电一体化系统(产品)的机座或机架
机座或机架是支承其他零部件的基础部件。 其基本要求是： 1. 刚度与抗振性 刚度是抵抗裁荷变形的能力。动刚度是衡量抗振性的主要指标。 为提高机架或机座的抗振性，可采取如下措施：①提高静刚度，即从提高固有 振动频率入手，以避免产生共振；②增加阻尼，增加阻尼对提高动刚度的作用很大， 如液(气)动、静压导轨的阻尼比滚动导轨大，故抗振性能好；③在不降低机架或机 座静刚度的前提下，减轻重量可提高固有振动频率，如适当减薄壁厚、增加筋和隔 板、采用钢材焊接代替铸件等；④采取隔振措施，如加减振橡胶垫脚、用空气弹簧 隔板等。 2.热变形 减小热变形。 3.提高稳定性 除上述要求之外，还应考虑工艺性、经济性及人机工程等方面的要求。