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机电一体化系统设计 第二章 机电一体化系统 机械部件选择与设计 张建民 编著 高等教育出版社 讲授：何庆中 机 电 工 程 系 第二章 机电一体化系统机械系统部件的选择与设计 机电一体化系统的构成基础——机械构件及其传动部件 控制部件、接口电路、功率放大电路、执行元件、机械传动部件、导向支承件以及传感元件等 部分均与机械部分相关，而最主要的是机械传动部件，导向支承件部件。 机电一体化机械系统的特殊要求 机电一体化的机械系统与一般机械系统相比，具有一定的特殊要求： （1）较高的定位精度。 （2）良好的动态响应特性。 ——响应快、稳定性好。 （3）无间隙、低摩擦、低惯量、大刚度。 （4）高的谐振频率、合理的阻尼比。 这表明了机械系统部件选择与设计时的特点和要求。 在机电一体化机械系统设计中的主要措施和手段 要达到上述要求，在机电一体化系统机械系统设计中，可采取的主要措施： （1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑件。如：滚珠丝杠副、滚动导向和支承、动静压导向和支承。 （2）缩短传动链，提高传动与支承刚度。如：大扭矩、宽调速的伺服电动机；轴端预紧或预拉伸、滚珠丝杠副或滚动导轨副预紧消除间歇提高刚度。 （3）选择合理（最佳）传动比，提高系统分辨率，减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能的提高系统的加速能力。 （4）尽可能地减小或消除传动误差和反转误差、减少支承变形，最终缩小反向四区误差。 （5）改进和合理设计支承件和机架结构，提高刚度、减少振动和噪音。 第2.1节 机械传动部件的选择与设计 2.1.1 机械传动部件及其主要功能 常用传动部件：螺旋传动、齿轮传动、同步齿形传动、高速带传动，其它非线性传动元件。 主要功能：传递力/转矩和速度/转速——力/转矩、速度/转速变换器。 机械传动部件的作用和要求 主要作用或目的——使执行元件与负载之间在转矩和转速方面达到合理（最佳）的匹配。 基本要求——传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传动转矩大。 可按传动部件的用途——工作机或信息机的主要功用而确定目标指标和参量。 机电一体化机械传动部件的发展方向 ——精密化，高速化，小型化，轻量化。 2.1.2 丝杠螺母机构传动形式与特点 （1）丝杠螺母机构的主要构成 丝杠、丝杠螺母和减摩介质或滚动体（回珠装置）。 功能：实现旋转运动与直线运动之间相互转换或调整。 作用：用于机构之间能量的传递和运动形式的传递。 分类：滑动和滚动丝杠螺母机构。 （2）丝杠螺母机构传递运动的基本条件 1）滑动丝杠螺母机构传递运动基本条件： 应有足够的滑移间隙和充分地润滑，热胀冷缩补偿空间；因而，存在一定的空回间隙。 2）滚珠丝杠螺母机构传递运动的基本条件： 应有足够的润滑储油空间和热胀冷缩弹性补偿能力，可实现无间隙工作；因而，存在一定的表面应力；为了实现连续运转，需一滚珠的回珠装置（内或外）。 （3）丝杠螺母机构的特点 滑动丝杠螺母机构：结构简单、加工方便、成本低，且有自锁功能，但摩擦阻力较大、传动效率低(30%~40%)。 滚动丝杠螺母机构：结构复杂、成本高、无自锁功能，但摩擦阻力小、传动效率高（92%~98%）、传动精度高。 丝杠螺母机构差动传动的工作原理 2.1.3 滚珠丝杠传动部件 （1）滚珠丝杠副的组成 由带螺旋槽的丝杆、螺母、滚动元件滚珠/滚柱、回珠装置等组成。 各元件的作用： （2）滚珠丝杠传动的特点 具有传动阻力小； 传动效率高（92%~98%）； 轴向刚度高（适当预紧消除丝杠与螺母之间的轴向间隙或预拉丝杠）； 传动平稳； 传动精度高； 不易磨损、使用寿命长等优点； 但不能自锁； 因而用于高精度传动和升降传动时，需制动定位装置。 （3）滚珠丝杠副的典型结构类型 主要按螺纹滚道截面形状、滚珠的循环方式、消除轴向间隙的调整与预紧方式三种形式进行分类。 1）按螺纹滚道截面形状分类： 分单圆弧型和双圆弧型两类。 单圆弧滚道和双圆弧滚道的结构特点 单圆弧滚道：结构简单，传递精度由加工质量保证，轴向间隙小，无轴向间隙调整和预紧能力，加工困难，加工精度要求高，成本高，一般在轻载条件下工作。 双圆弧滚道：结构简单，存在轴向间隙，加工质量易于保证，在使用双螺母结构的条件下，具有轴向间隙调整和预紧能力，传递精度高。 2）按滚珠的循环方式分类： 内循环方式和外循环方式两类。a）内循环方式 浮动式反向器内循环方式 b）外循环方式 端盖式外循环 插管式外循环 3）消除轴向间隙的调