机械部件选择与设计

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1、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高等教育出版社讲授：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

2、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。（

3、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

4、，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

5、（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。（4）丝杠螺母传动的类型与特点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

6、；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。双圆

7、弧滚道单圆弧滚道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）消除轴向间隙的调整与预紧方式无论是滑动丝杠还是滚动丝杠传动，由于在结构上均存在一定的轴向间隙，以及磨损间隙的存在，为了保证运动传递的连续性和可靠性，消除轴向间隙并实施一定预紧，有利于提高丝杠的传递精度和一定的承载能力。消除和减小丝杠轴向间隙的主要方法：主要分为双螺母螺纹预紧调整、双螺母垫片式预紧调整、双螺母齿差式预紧调整、弹簧式自动预紧调整、单螺母变导程预紧调整四种方式。滚珠丝杠的间隙调整与预紧（3）选择滚珠丝杠副支

8、承方式为了提高滚珠丝杠传