陳前紅機電一體化系統(tǒng)中第三章機械設計

1、第第3章章 機電一體化系統(tǒng)中的機械設計機電一體化系統(tǒng)中的機械設計 n3.1 概述概述 n3.2 傳動部件設計傳動部件設計 n3.3 支撐部件設計支撐部件設計 n3.4 精密機械的精度設計和誤差分配精密機械的精度設計和誤差分配 機電一體化系統(tǒng)中的機械系統(tǒng)機電一體化系統(tǒng)中的機械系統(tǒng) 傳統(tǒng)機械系統(tǒng)一般是由動力件、傳動件、執(zhí)行件三部分加上電器、傳統(tǒng)機械系統(tǒng)一般是由動力件、傳動件、執(zhí)行件三部分加上電器、 液壓和機械控制等部分組成的，而機電一體化中的機械系統(tǒng)是由計液壓和機械控制等部分組成的，而機電一體化中的機械系統(tǒng)是由計 算機協(xié)調控制的，用于完成包括機械力、運動和能量流等動力學任算機協(xié)調控制的，用于完成包

2、括機械力、運動和能量流等動力學任 務的機械和（或）機電部件相互聯(lián)系的系統(tǒng)組成的。務的機械和（或）機電部件相互聯(lián)系的系統(tǒng)組成的。 n在構成機電一體化系統(tǒng)的要素中，機械部分是主體，而且系統(tǒng)的主功能必在構成機電一體化系統(tǒng)的要素中，機械部分是主體，而且系統(tǒng)的主功能必 須由機械裝置來完成，并且是在控制系統(tǒng)的協(xié)調控制下完成主功能的。須由機械裝置來完成，并且是在控制系統(tǒng)的協(xié)調控制下完成主功能的。 3.1 概述概述 為確保機械系統(tǒng)的傳動精度和工作穩(wěn)定性，為確保機械系統(tǒng)的傳動精度和工作穩(wěn)定性， 通常對機電一體化系統(tǒng)提出以下要求：通常對機電一體化系統(tǒng)提出以下要求： (1)(1)高精度高精度 精度精度直接影響產品的

3、質量直接影響產品的質量，尤其是機電，尤其是機電 一體化產品，其技術性能、工藝水平和功一體化產品，其技術性能、工藝水平和功 能比普通的機械產品都有很大的提高，因能比普通的機械產品都有很大的提高，因 此機電一體化機械系統(tǒng)的高精度是其首要此機電一體化機械系統(tǒng)的高精度是其首要 的要求。如果機械系統(tǒng)的精度不能滿足要的要求。如果機械系統(tǒng)的精度不能滿足要 求，則無論機電一體化產品其它系統(tǒng)工作求，則無論機電一體化產品其它系統(tǒng)工作 怎樣精確，也無法完成其預定的機械操作。怎樣精確，也無法完成其預定的機械操作。 (2)(2)高剛度高剛度 采用高剛性支撐或架體，以減小產品本體的振動，降低噪采用高剛性支撐或架體，以減小

4、產品本體的振動，降低噪 聲；為高精度的執(zhí)行機構提供良好的支撐，保證執(zhí)行精度。聲；為高精度的執(zhí)行機構提供良好的支撐，保證執(zhí)行精度。 (3) (3) 低摩擦低摩擦 導向和轉動支撐部分采用低摩擦阻力部件，以降低機械導向和轉動支撐部分采用低摩擦阻力部件，以降低機械 系統(tǒng)阻力，提高系統(tǒng)的快速響應性。系統(tǒng)阻力，提高系統(tǒng)的快速響應性。 (4) (4) 良好的穩(wěn)定性良好的穩(wěn)定性 即要求機械系統(tǒng)的工作性能受外界環(huán)境的影響小，抗干即要求機械系統(tǒng)的工作性能受外界環(huán)境的影響小，抗干 擾能力強。擾能力強。 此外要求：慣量?。ㄌ岣邫C構響應速度和靈敏度）、摩擦小此外要求：慣量?。ㄌ岣邫C構響應速度和靈敏度）、摩擦小(提高機構

5、的提高機構的 靈敏度靈敏度)、抗振性好、抗振性好(提高機構的穩(wěn)定性提高機構的穩(wěn)定性)、間隙小、間隙小(保證機構的傳動精保證機構的傳動精 度度)，適當阻尼等。，適當阻尼等。 機械部分的組成機械部分的組成 n電一體化機械系統(tǒng)功能上可以分為傳動、導向和執(zhí)行三大機電一體化機械系統(tǒng)功能上可以分為傳動、導向和執(zhí)行三大機 構。構。 n 傳動機構傳動機構 機電一體化機械系統(tǒng)傳動機構的主要功能是傳遞動力和運動。因機電一體化機械系統(tǒng)傳動機構的主要功能是傳遞動力和運動。因 此，它實際上是一種力、速度、加速度等的變換器。此，它實際上是一種力、速度、加速度等的變換器。 支撐與導向機構支撐與導向機構 其作用是為機械系統(tǒng)中

6、其作用是為機械系統(tǒng)中 各運動裝置安全、準確地完各運動裝置安全、準確地完 成其特定方向的運動提供支成其特定方向的運動提供支 撐和導向。撐和導向。 機械部分的組成機械部分的組成 機械部分的組成機械部分的組成 執(zhí)行機構執(zhí)行機構 根據(jù)操作指令的要求，在動根據(jù)操作指令的要求，在動 力源的驅動下，完成預定的操作。力源的驅動下，完成預定的操作。 一般要求它具有較高的靈敏度、一般要求它具有較高的靈敏度、 精確度、重復性和可靠性等。精確度、重復性和可靠性等。 實際上機械系統(tǒng)的組成包括：減速裝置、實際上機械系統(tǒng)的組成包括：減速裝置、 絲桿螺母副、蝸輪蝸桿副等各種線性傳絲桿螺母副、蝸輪蝸桿副等各種線性傳 動部件以及

7、連桿機構、凸輪機構等非線動部件以及連桿機構、凸輪機構等非線 性傳動部件、導向支承部件、旋轉支承性傳動部件、導向支承部件、旋轉支承 部件、軸系及機架或箱體等。部件、軸系及機架或箱體等。 3.2 機械傳動部件設計機械傳動部件設計 （棉繩索、麻繩索、滌綸繩索、鋼絲繩索）（棉繩索、麻繩索、滌綸繩索、鋼絲繩索） 機機 械械 傳傳 動動 帶傳動帶傳動 繩傳動繩傳動 （定傳動比和變傳動比摩擦輪、（定傳動比和變傳動比摩擦輪、 定傳動比摩擦輪又分圓柱平、定傳動比摩擦輪又分圓柱平、 圓柱槽和圓錐摩擦輪）圓柱槽和圓錐摩擦輪） 摩擦輪傳動摩擦輪傳動 齒輪傳動齒輪傳動 （短節(jié)距滾子鏈、雙節(jié)距滾子鏈、（短節(jié)距滾子鏈、雙節(jié)

8、距滾子鏈、 鏈傳動鏈傳動 套筒鏈、重載傳動用彎板滾子鏈、套筒鏈、重載傳動用彎板滾子鏈、 齒形鏈、銷合鏈、無級變速鏈）齒形鏈、銷合鏈、無級變速鏈） 螺旋傳動螺旋傳動 （滑動螺旋傳動、滾動螺旋傳動）（滑動螺旋傳動、滾動螺旋傳動） 諧波傳動諧波傳動 （波發(fā)生器（波發(fā)生器+ +柔輪柔輪+ +剛輪）剛輪） 多點嚙合柔性傳動多點嚙合柔性傳動 摩摩 擦擦 傳傳 動動 嚙嚙 合合 傳傳 動動 （直齒（直齒、斜齒斜齒、人字齒人字齒、曲線齒）曲線齒） （V V帶傳動、平帶傳動、同步帶傳動、多楔帶傳動）帶傳動、平帶傳動、同步帶傳動、多楔帶傳動） 3.2 機械傳動部件設計機械傳動部件設計 n一、齒輪傳動一、齒輪傳動

9、n二、滾珠螺旋傳動二、滾珠螺旋傳動 n三、同步帶傳動三、同步帶傳動 n四、諧波齒輪傳動四、諧波齒輪傳動 3.2.1、齒輪傳動、齒輪傳動 由于齒輪傳動的瞬時傳動比為常由于齒輪傳動的瞬時傳動比為常 數(shù)，傳動精確度高，可做到零側數(shù)，傳動精確度高，可做到零側 隙無回差，強度大能承受重載，隙無回差，強度大能承受重載， 結構緊湊，摩擦力小和效率高等結構緊湊，摩擦力小和效率高等 原因，齒輪傳動副成為在機電一原因，齒輪傳動副成為在機電一 體化機械系統(tǒng)中使用最多的傳動體化機械系統(tǒng)中使用最多的傳動 機構。機構。 兩個最基本要求：兩個最基本要求： 1、齒輪傳動比齒輪傳動比 i 應滿足驅動部件與負載之間的位移及轉矩、

10、應滿足驅動部件與負載之間的位移及轉矩、 轉速的匹配要求。轉速的匹配要求。 傳動比：傳動比： 2、當齒輪傳動系統(tǒng)傳遞轉矩時，要求要有足夠的剛度，其當齒輪傳動系統(tǒng)傳遞轉矩時，要求要有足夠的剛度，其 轉動慣量盡量小，精度要求較高。轉動慣量盡量小，精度要求較高。 主 從 從 主 z z n n i 齒輪傳動設計應滿足的基本要求齒輪傳動設計應滿足的基本要求 3.2.1、齒輪傳動設計、齒輪傳動設計 機電一體化系統(tǒng)的齒輪傳動設計主要包機電一體化系統(tǒng)的齒輪傳動設計主要包 括括傳動比及其分配傳動比及其分配兩部分。兩部分。 1. 齒輪傳動系統(tǒng)的總傳動比齒輪傳動系統(tǒng)的總傳動比 （所有主動輪積） 所有從動輪積） z

11、z n n i k ( 1 3.2.1、齒輪傳動設計、齒輪傳動設計 1.總傳動比的確定總傳動比的確定 在伺服系統(tǒng)中，通常采用在伺服系統(tǒng)中，通常采用負載角加速度負載角加速度 最大最大原則選擇總傳動比，以提高伺服系統(tǒng)原則選擇總傳動比，以提高伺服系統(tǒng) 的響應速度。的響應速度。 不計摩擦有： J J m L i 電機轉子轉動慣量 負載轉動慣量 : : m L J J 轉動慣量：轉動慣量：轉動慣量是描述剛體在轉動中的慣性大小的物理量。它與剛體轉動慣量是描述剛體在轉動中的慣性大小的物理量。它與剛體 的形狀、質量分布以及轉軸的位置有關。表達示：的形狀、質量分布以及轉軸的位置有關。表達示： 2 mrJ 2傳動

12、鏈的級數(shù)和各級傳動比的分配傳動鏈的級數(shù)和各級傳動比的分配 齒輪系統(tǒng)的總傳動比確定后，根據(jù)對傳動鏈的技術齒輪系統(tǒng)的總傳動比確定后，根據(jù)對傳動鏈的技術 要求，選擇傳動方案：要求，選擇傳動方案： 若若i小：可單級傳動。?。嚎蓡渭墏鲃?。 若若i大：需要多級傳動。大：需要多級傳動。 多級傳動，則需確定傳動級數(shù)，并在各級多級傳動，則需確定傳動級數(shù)，并在各級 之間分配傳動比。使驅動部件和負載之間的轉之間分配傳動比。使驅動部件和負載之間的轉 矩、轉速達到合理匹配。矩、轉速達到合理匹配。 分配原因：分配原因： n 2傳動鏈的級數(shù)和各級傳動比的分配傳動鏈的級數(shù)和各級傳動比的分配 n傳動比的三種分配方法：傳動比的三

13、種分配方法： (1) 等效轉動慣量最小原則等效轉動慣量最小原則 (2) 質量最小原則質量最小原則 (3) 輸出軸轉角誤差最小原則輸出軸轉角誤差最小原則 n(1) 等效轉動慣量最小原則等效轉動慣量最小原則 n 小功率傳動裝置小功率傳動裝置 n 利用該原則所設計的齒輪傳動系統(tǒng)，換算到電利用該原則所設計的齒輪傳動系統(tǒng)，換算到電 機軸上的等效轉動慣量為最小。機軸上的等效轉動慣量為最小。 2 2 2 1 4 2 1 32 1 ii J i JJ JJ e 電動機驅動的兩級齒輪系電動機驅動的兩級齒輪系 4 131 32 d g B JJ 4 22 32 d g B J 4 44 32 d g B J 4

14、1 4 1 2 1 2 i d d J J 4 1 4 2 4 3 4 4 1 4 1 4 3 4 )/(iii d d d d J J J J 4 112 iJJ 4 11 4 214 )/( iiJiJJ ) 1 1 ( 4 1 2 2 1 2 11 i i i iJJ e 0 1 i J e 2 1 4 1 2 i i n對于n級齒輪系作同類分析可得： n 12 1 122 12 1 2 n n n ii n 12 2 2 1 2 2 n k n k i i （K=2n） 確定小功率傳動級數(shù)的曲線確定小功率傳動級數(shù)的曲線 為減小齒輪為減小齒輪 系的轉動慣系的轉動慣 量，過多增量，過多增

15、加傳動級數(shù)加傳動級數(shù)n 是沒有意義是沒有意義 的，反而會的，反而會 增大傳動誤增大傳動誤 差，并使結差，并使結 構復雜化。構復雜化。 n大功率傳動裝置大功率傳動裝置 大功率傳動裝置傳遞扭矩大，各級齒輪副的模數(shù)、齒寬、大功率傳動裝置傳遞扭矩大，各級齒輪副的模數(shù)、齒寬、 直徑等參數(shù)逐級增加。直徑等參數(shù)逐級增加。 n 傳動比分配的基本原則仍為傳動比分配的基本原則仍為“前小后大前小后大”。 根據(jù)下面兩圖根據(jù)下面兩圖 確定傳動級數(shù)及各級傳動比。確定傳動級數(shù)及各級傳動比。 用于大功用于大功 率傳動確率傳動確 定傳動級定傳動級 數(shù)的曲線數(shù)的曲線 100 50 10 256100010010 n=5 n=4

16、n=3 n=2 n=1 Je/J1 i i1 i n=5 n=4 n=3n=2n=1 100010010 10 8 6 4 2 0 ik B A 2 4 6 88 6 4 2 1 ik - 1 1 01 2 3 4 6 81 0 1 0864321 用于大功率傳動用于大功率傳動 確定確定第一級第一級傳動傳動 比的曲線比的曲線 用于大功率傳動用于大功率傳動 確定確定第一級齒輪第一級齒輪 副以后各級副以后各級傳動傳動 比的曲線比的曲線 例題例題3-2 n設有設有i=256 的大功率傳動裝置，試按等效轉動慣的大功率傳動裝置，試按等效轉動慣 量最小原則分配傳動比。量最小原則分配傳動比。 解：查圖3-4

17、，得n= 3，70/ 1 JJe n= 4， 35/ 1 JJe n= 5， 26/ 1 JJe （確定傳動級數(shù)）（確定傳動級數(shù)） 查圖3-5，得 1i =3.3。 查圖3-6， 2 i=3.7； 3 i =4.24； 4 i =4.95。 （確定各級傳動比）（確定各級傳動比） 驗算： 4321 iii ii =256.26?？捎每捎?小結 n無論傳遞的功率大小如何，按無論傳遞的功率大小如何，按等效轉動等效轉動 慣量最小慣量最小原則分配，從高速級到低速級，原則分配，從高速級到低速級， 各級各級傳動比總是逐級增加的傳動比總是逐級增加的，而且級數(shù)，而且級數(shù) 越多，總等效慣量越小。但級數(shù)增加到越多，

18、總等效慣量越小。但級數(shù)增加到 一定數(shù)量后，總等效慣量的減少并不明一定數(shù)量后，總等效慣量的減少并不明 顯，而從結構緊湊、傳動精度和經(jīng)濟性顯，而從結構緊湊、傳動精度和經(jīng)濟性 等方面考慮，等方面考慮，級數(shù)不能太多級數(shù)不能太多。 n(2) 質量最小原則質量最小原則 n小功率傳動裝置小功率傳動裝置 n 各齒輪的質量之和為各齒輪的質量之和為 2 4 2 3 2 2 2 1 2222 DDDD bW 假設D1=D3，而 21i ii 2 1 2 2 1 2 1 2 4 i i iD b W 令 0/iW得 2 2 1 1 iii 同理，對于n級傳動，可得如下結果： n iiii 321 大功率傳動裝置大功率

19、傳動裝置 n以例以例3-3、例、例3-4 介紹介紹 各級傳動比的分配各級傳動比的分配 例3-3、例3-4 大功率裝置各級傳動比的分配 n=3,i3 n=3,i2 n=3,i1 n=3,i3 n=3,i2 n=3,i1 2 3 5 7 6 8 9 10 20 30 1002003005001000 1005040302010 i ik n=2,i2 n=2,i1 n=2,i2 n=2,i1 i ik 2 1 3 4 5 7 102030 40 5070100 10754321 10 二級傳動比分配線圖二級傳動比分配線圖 三級傳動比分配線圖三級傳動比分配線圖 （i10時，查圖中的虛線）時，查圖中的

20、虛線） （i1001500.90 1502000.73 2002500.60 c f 二、導軌二、導軌 每根導軌上的滑塊數(shù)每根導軌上的滑塊數(shù) 11.00 20.81 30.72 40.66 50.61 c f 二、導軌二、導軌 a f 精度精度 系數(shù)系數(shù) CDEFGH 1.01.00.90.90.80.7 二、導軌二、導軌 w f 工作條件工作條件 無外部沖擊或振動的低速運動場無外部沖擊或振動的低速運動場 合，速度小于合，速度小于15m/min 11.5 無明顯沖擊或振動的中速運動場無明顯沖擊或振動的中速運動場 合，速度小于合，速度小于60m/min 1.52 有外部沖擊或振動的高速運動場有外

21、部沖擊或振動的高速運動場 合，速度大于合，速度大于60m/min 23.5 w f n（一）支承件設計的基本要求（一）支承件設計的基本要求 n1應具有足夠的剛度和抗振性應具有足夠的剛度和抗振性 n 剛度是抵抗載荷變形的能力。抵抗恒定載荷變剛度是抵抗載荷變形的能力。抵抗恒定載荷變 形的能力稱為形的能力稱為靜剛度靜剛度；抵抗交變載荷變形的能力；抵抗交變載荷變形的能力 稱為稱為動剛度動剛度。 n 機座或機架的靜剛度，主要是指它們的結構機座或機架的靜剛度，主要是指它們的結構 剛度和接觸剛度。動剛度與靜剛度、材料阻尼及剛度和接觸剛度。動剛度與靜剛度、材料阻尼及 固有振動頻率有關。固有振動頻率有關。 三、

22、支承件（床身）三、支承件（床身） n 2應具有較小的熱變形和熱應力應具有較小的熱變形和熱應力 n 設備在工作時由于傳動系統(tǒng)中的齒輪、軸承，設備在工作時由于傳動系統(tǒng)中的齒輪、軸承， 以及導軌等因摩擦而發(fā)熱，電動機、強光燈、加以及導軌等因摩擦而發(fā)熱，電動機、強光燈、加 熱器等熱源散發(fā)出的熱量，都將傳到支承件上，熱器等熱源散發(fā)出的熱量，都將傳到支承件上， 由于熱量分布、散發(fā)的不均勻，支承件各處溫度由于熱量分布、散發(fā)的不均勻，支承件各處溫度 不同，由此產生熱變形、影響系統(tǒng)原有精度。對不同，由此產生熱變形、影響系統(tǒng)原有精度。對 于數(shù)控機床及其它精密機床，熱變形對機床的加于數(shù)控機床及其它精密機床，熱變形對

23、機床的加 工精度有極其重要的影響。在設計這類設備時，工精度有極其重要的影響。在設計這類設備時， 應予以足夠的重視。應予以足夠的重視。 三、支承件三、支承件 n3耐磨性耐磨性 n 為了使設備能持久地保持其精度，支承件上的為了使設備能持久地保持其精度，支承件上的 導軌應具有良好的耐磨性。因此對導軌的材料、導軌應具有良好的耐磨性。因此對導軌的材料、 結構和形狀，熱處理及保護和潤滑等應作周密的結構和形狀，熱處理及保護和潤滑等應作周密的 考慮?？紤]。 n 4結構工藝性及其它要求結構工藝性及其它要求 n 設計支承件時，還應考慮毛坯制造、機械加工設計支承件時，還應考慮毛坯制造、機械加工 和裝配的結構工藝性。

24、正確地進行結構設計和必和裝配的結構工藝性。正確地進行結構設計和必 要的計算以保證用最少的材料達到最佳的性能指要的計算以保證用最少的材料達到最佳的性能指 標，并達到縮短生產周期，降低造價，操作方便，標，并達到縮短生產周期，降低造價，操作方便， 搬運裝吊安全等要求。搬運裝吊安全等要求。 三、支承件三、支承件 n（二）支承件的材料選擇（二）支承件的材料選擇 n 支承件的材料，除應滿足上述要求外，還應保支承件的材料，除應滿足上述要求外，還應保 證足夠的強度、沖擊韌性和耐磨性等。目前常用證足夠的強度、沖擊韌性和耐磨性等。目前常用 的材料有鑄鐵、鋼板和型鋼、天然和人造花崗巖、的材料有鑄鐵、鋼板和型鋼、天然

25、和人造花崗巖、 預應力鋼筋混凝土等。預應力鋼筋混凝土等。 n 1鑄鐵鑄鐵 n 鑄造可以鑄出形狀復雜的支承件，存在于鑄鐵鑄造可以鑄出形狀復雜的支承件，存在于鑄鐵 中的片狀或球狀石墨在振動時形成阻尼，抗振性中的片狀或球狀石墨在振動時形成阻尼，抗振性 比鋼高比鋼高3倍。但生產鑄鐵支承件需要制作木模、倍。但生產鑄鐵支承件需要制作木模、 芯盒等，制造周期長，成本高，故適宜于成批生芯盒等，制造周期長，成本高，故適宜于成批生 產。產。 三、支承件三、支承件 n 2鋼板與型鋼鋼板與型鋼 n 用鋼板與型鋼焊接成支承件，生產周期比鑄用鋼板與型鋼焊接成支承件，生產周期比鑄 造快造快1.73.5倍，鋼的彈性模量約為鑄

26、鐵的倍，鋼的彈性模量約為鑄鐵的2 倍，承受同樣載荷，壁厚可做得比鑄件薄，重倍，承受同樣載荷，壁厚可做得比鑄件薄，重 量也輕。但是，鋼的阻尼比只為鑄鐵的約量也輕。但是，鋼的阻尼比只為鑄鐵的約1/3， 抗振性差，結構和焊縫上要采取抗振指施?？拐裥圆睿Y構和焊縫上要采取抗振指施。 三、支承件三、支承件 n3天然和人造花崗巖天然和人造花崗巖 n 天然花崗巖的優(yōu)點很多：性能穩(wěn)定，精度保持天然花崗巖的優(yōu)點很多：性能穩(wěn)定，精度保持 性好。由于經(jīng)歷長期的自然時效，殘余應力極小，性好。由于經(jīng)歷長期的自然時效，殘余應力極小， 內部組織穩(wěn)定；抗振性好，阻尼比鋼大內部組織穩(wěn)定；抗振性好，阻尼比鋼大15倍；耐倍；耐 磨

27、性比鑄鐵高磨性比鑄鐵高510倍；導熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)倍；導熱系數(shù)和線膨脹系數(shù) 小，熱穩(wěn)定性好；抗氧化性強；不導電；抗磁；小，熱穩(wěn)定性好；抗氧化性強；不導電；抗磁； 與金屬不粘合，加工方便，通過研磨和拋光容易與金屬不粘合，加工方便，通過研磨和拋光容易 得到很高的精度和表面粗糙度。目前用于三坐標得到很高的精度和表面粗糙度。目前用于三坐標 測量機和印刷板數(shù)控鉆床等。用作氣浮導軌的基測量機和印刷板數(shù)控鉆床等。用作氣浮導軌的基 底很理想。底很理想。主要缺點是：主要缺點是：結晶顆粒粗于鋼鐵的晶結晶顆粒粗于鋼鐵的晶 粒，抗沖擊性能差，脆性較大，油和水等液體易粒，抗沖擊性能差，脆性較大，油和水等液體易 滲入晶界中，使巖石局部變形脹大，難于制作形滲入晶界中，使巖石局部變形脹大，難于制作形 狀復雜的零件。狀復雜的零件。 三、支