1、機電一體化系統(tǒng)設計,揚州大學機械工程學院 主講：曾 勵 2011.912,教學內(nèi)容,第0章 總 論 第1章 機械系統(tǒng)設計 第2章 檢測系統(tǒng)設計 第3章 控制系統(tǒng)設計 第4章 機電一體化接口設計 第5章 伺服系統(tǒng)設計 第6章 典型機電一體化系統(tǒng)設計與分析,第1章 機械系統(tǒng)設計,1.1 概述 1.2 機械系統(tǒng)的結構設計 1.3 機械系統(tǒng)的主要動力參數(shù)計算 1.4 機械系統(tǒng)部件的選擇計算 1.5 機械系統(tǒng)執(zhí)行電動機的選擇計算 1.6 機械系統(tǒng)動力學特性分析,1.1 概述,1.傳動機構： 齒輪傳動機構、蝸桿蝸輪傳動機構、絲杠傳動機構、鏈傳動、帶傳動等。 2.導向機構 ：作用是支承和導向，為各運動裝置安

2、全、準確地完成其特定方向的運動提供保障。滾動導軌、滑動導軌等。 3.執(zhí)行機構 ：根據(jù)操作指令的要求，在動力源的帶動下，完成預定的操作。電動機、液壓缸、氣缸、液壓馬達、以及各種電磁鐵、或機械手等等。,一、機械系統(tǒng)的組成,1.1 概述,4 .軸系: 齒輪傳動機構、蝸桿蝸輪傳動機構、絲杠傳動機構、鏈傳動、帶傳動等。 5 .機座或機架 伺服電動機的伺服變速功能，縮短了傳動鏈，大大減少了傳動件的數(shù)量，簡化了機構，使動力件、傳動件與執(zhí)行件朝著合為一體的方向發(fā)展。,一、機械系統(tǒng)的組成,1.1 概述,1.高精度： 精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，機電一體化產(chǎn)品的技術性能、工藝水平和功能比普通的機械產(chǎn)品有很大的提高，因

3、此機電一體化機械系統(tǒng)的高精度是其首要的要求。 2.快速響應： 要求機械系統(tǒng)從接到指令到開始執(zhí)行指令指定的任務之間的時間間隔短。 3.良好的穩(wěn)定性： 要求機械系統(tǒng)的工作性能不受外界環(huán)境的影響，抗干擾能力強。 此外，還要求機械系統(tǒng)具有剛度高、可靠性好和重量輕、體積小、壽命長。,二、對機械系統(tǒng)的基本要求,1.2 機械系統(tǒng)的結構設計,齒輪傳動機構的特點： 1)瞬時傳動比為常數(shù)；2)傳動精確度高； 3)可做到零側(cè)隙無回差；4)強度大能承受重載； 5)結構緊湊；6)摩擦力小和效率高 功用： 轉(zhuǎn)矩匹配； 慣量匹配；脈沖當量匹配；降速,一、無側(cè)隙齒輪傳動機構,消除傳動間隙 作用：消除反向間隙，提高傳動精度 方

4、法：使嚙合狀態(tài)輪齒的兩側(cè)均處于接觸狀 實現(xiàn)：偏心軸調(diào)整、軸向墊片調(diào)整 （剛性） 軸向壓簧調(diào)整、周向壓簧調(diào)整（柔性） 徑向（中心矩）調(diào)隙法；軸向調(diào)隙法；周向(切向）調(diào)隙法,一、無側(cè)隙齒輪傳動機構,轉(zhuǎn)動偏心軸套2調(diào)整兩嚙合齒輪的中心距，消除齒側(cè)間隙及其造成的換向死區(qū)。 特點：結構簡單，側(cè)隙調(diào)整后不能自動補償。,(一)直齒圓柱齒輪傳動機構 1.偏心軸套調(diào)整法,2.錐度齒輪調(diào)整法,改變墊片3的厚度就能調(diào)整兩個齒輪的軸向相對位置，從而消除齒側(cè)間隙。 特點:結構簡單，能傳遞較大扭矩，傳動剛度較好，但齒側(cè)隙調(diào)整后不能自動補償， 以上兩種方法又稱為剛性調(diào)整法。,3.雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法,調(diào)節(jié)兩薄片齒輪l、2的

5、相對位置，達到錯齒以消除齒側(cè)間隙，反向時也不會出現(xiàn)死區(qū)。 特點：齒側(cè)間隙可自動補償，但結構復雜。,(二)斜齒輪傳動機構 1.墊片調(diào)整法,在兩薄片斜齒輪1、2中間加墊片3，改變兩薄片斜齒輪之間的軸向距離，使薄片斜齒輪1、2的螺旋線錯位。 特點：1)結構簡單；2)齒側(cè)間隙不能自動補償。3) 使用時需要反復測試齒輪的嚙合情況，反復調(diào)節(jié)墊片的厚度。,2軸向壓簧調(diào)整法,調(diào)節(jié)彈簧3的軸向力改變兩薄片斜齒輪1、2之間的軸向距離達到錯位的目的。 特點：齒側(cè)間隙可以自動補償，但軸向尺寸較大，結構不緊湊。,（三）錐齒輪傳動機構 1.軸向壓簧調(diào)整法,調(diào)節(jié)壓簧5軸向力大小，使錐齒輪4沿其軸向移動，從而消除嚙合錐齒輪之

6、間的齒側(cè)間隙。,2.周向彈簧調(diào)整法,大小片錐齒輪1、2在彈簧力作用下錯齒，從而消除間隙。,（四）齒輪齒條傳動機構,用于行程較長的大型機床上，易于得到高速直線運動。 1.雙片簿齒輪調(diào)整法 分別與齒條齒槽的左、右兩側(cè)貼緊，從而消除齒側(cè)間隙（傳動負載小時采用）。 2.雙厚齒輪傳動的結構 進給運動由軸5輸入，該軸上裝有兩個螺旋線方向相反的斜齒輪，當在軸5上施加軸向力F 時，能使斜齒輪產(chǎn)生微量的軸向移動。此時，軸1和軸4便以相反的方向轉(zhuǎn)過微小的角度，使齒輪2和齒輪3分別與齒條齒槽的左、右兩側(cè)貼緊而消除了間隙。,齒輪齒條消隙結構 1、4、5.軸 2、3.齒輪,1.2 機械系統(tǒng)的結構設計,滾珠絲杠副 是在絲

7、桿和螺母間以鋼球為滾動體的螺旋傳動元件。它可將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，或者將直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。,二、滾珠絲杠傳動機構,(4)運動平穩(wěn)，滾動摩擦系數(shù)幾乎與運動速度無關，摩擦阻力小，靜摩擦阻力及動靜摩擦阻力差值小 (5)使用壽命長。壽命約為滑動絲杠副的4l0倍以上。 (6)可靠性高。潤滑密封裝置結構簡單，維修方便。 (7)不能自鎖、有可逆性,（一）工作原理、特點及類型 當絲杠旋轉(zhuǎn)時，滾珠在封閉滾道內(nèi)既自轉(zhuǎn)又沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動。因而迫使螺母(或絲桿)軸向移動。 特點： (1)傳動效率高：0.90到0.96 (2)傳動精度高、剛度好，可消除間隙 (3)定位精度和重復定位精度高,三、滾珠絲杠傳動機構,

8、1、滾珠絲桿副的組成及特點： （1）定義：滾珠絲桿副是在絲桿和螺母之間以滾珠為中間滾動體的螺旋傳動元件。,類型： 定位滾珠絲杠副(P類) 傳動滾珠絲杠副(T類),通過旋轉(zhuǎn)角度和導 程來控制軸向位移 量的滾珠絲杠副,即與旋轉(zhuǎn)角度無關， 用于傳遞動力的滾 珠絲杠副,外循環(huán)式 內(nèi)循環(huán)式,單圓弧型面 雙圓弧型面,（二）滾珠絲杠副的結構,1)單圓弧型面：接觸角是隨軸向負荷F 的大小而變化； 2)雙圓弧型面：滾珠與滾道只在滾道內(nèi)相切的兩點接觸，接觸角不變。,1螺紋滾道型面的形狀,（2）滾珠循環(huán)方式 按滾珠在整個循環(huán)過程中與螺桿表面的接觸情況不同分為兩種： 1.內(nèi)循環(huán)式：滾珠在循環(huán)過程中始終與絲桿表面保持接

9、觸； 優(yōu)點：滾珠循環(huán)回路短，流暢性好，效率高，螺母徑向尺寸較小。 缺點：反向器加工困難，裝配調(diào)整不方便。,（二）滾珠絲杠副的結構,2滾珠絲杠副的循環(huán)方式 1)外循環(huán): 包括插管式和螺旋槽式。 插管式 被壓板1壓住的彎管2的兩端，插入螺母3上與螺紋滾道相切的兩個孔內(nèi)，引導滾珠4構成循環(huán)回路。 特點：結構簡單，制造方便。但徑向尺寸較大，彎管端部容易磨損。,螺旋槽式 在螺母3的兩個孔內(nèi)裝上反向器，引導滾珠通過螺母外表面的螺旋凹槽形成滾珠循環(huán)路。 特點：徑向尺寸較小，工藝也較簡單。 端面回珠式 在螺母兩端面裝上反向器進行回珠。,（二）滾珠絲杠副的結構,2滾珠絲杠副的循環(huán)方式 2)內(nèi)循環(huán) ：均采用反向器

10、實現(xiàn)滾珠循環(huán)，反向器有兩種型式。 圓柱凸鍵反向器：反向器的圓柱部分嵌入螺母內(nèi)，端部開有反向槽2。反向槽靠圓柱外圓面及其上端的凸鍵1定位，以保證對準螺紋滾道方向。 扁圓鑲塊反向器：反向器為一半圓頭平鍵形鑲塊，鑲塊嵌入螺母的切槽中，其端部開有反向槽3，用鑲塊的外廓定位。,內(nèi)循環(huán)方式原理圖,1.凸鍵 2、3.反向器,（二）滾珠絲杠副的結構,3滾珠絲杠副軸向間隙調(diào)整和預緊方法 軸向間隙：是承載時在滾珠與滾道型面接觸點的彈性變形所引起的螺母位移量和螺母原有間隙的總和。 通常采用雙螺母預緊的方法，把彈性變形控制在最小限度內(nèi)，以減小或消除軸向間隙，并可以提高滾珠絲杠副的剛度。 目的: 消除運動間隙,提高運動

11、精度及傳動剛度。,預緊的基本思想,1)雙螺母墊片式 通過改變墊片厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移。 結構簡單可靠、剛性好，調(diào)整費時，不能在工作中隨意調(diào)整。,2)雙螺母螺紋式,利用螺帽實現(xiàn)預緊。螺母1、2以平鍵與外套相聯(lián)，平鍵可限制螺母轉(zhuǎn)動。鎖緊螺母3、4能使螺母相對絲杠作軸向移動。 結構緊湊工作可靠，調(diào)整方便。但位移量不易精確控制，故預緊力不能準確控制。,3)雙螺母齒差式,在兩個螺母的凸緣上分別有齒數(shù)為z1 、z2的齒輪分別與相應的內(nèi)齒圈相嚙合。內(nèi)齒圈緊固在螺母座上，預緊時脫開內(nèi)齒圈，使兩個螺母同向轉(zhuǎn)過相同的齒數(shù)，然后再合上內(nèi)齒圈。兩螺母的軸向相對位置發(fā)生變化而實現(xiàn)間隙的調(diào)整和施加預緊力。,（二）滾珠

12、絲杠副的結構,4滾珠絲杠副的安裝 一般要求： 滾珠絲杠螺母副相對工作臺不能有軸向竄動； 螺母座孔中心應與絲杠安裝軸線同心； 滾珠絲杠螺母副中心線應平行于相應的導軌 能方便地進行間隙調(diào)整或預緊,4滾珠絲杠副的安裝,(1)支承方式的選擇 為了保證滾珠絲杠副傳動的剛度和精度，應選擇合適的支承方式，選用高剛度、小摩擦力矩、高運轉(zhuǎn)精度的軸承，并保證支承座有足夠的剛度。,一端固定一端自由式支承 1、2.螺母 3、5.軸承 4.支承座,一端固定一端游動式支承 1.螺母 2、8.深溝球軸承 3.擋圈 4.雙向推力球軸承 5.支承座 6.墊圈 7.端蓋 9.擋圈,兩端固定式支承,4滾珠絲杠副的安裝,(2)制動裝

13、 傳動效率高但不能自鎖，用在垂直傳動或高速大慣量場合時需要制動裝置 制動方法： 制動絲桿、制動伺服電機軸。,工作時： 在線圈7作用下，使齒輪8與內(nèi)齒輪9脫開，彈簧受壓縮； 當停機或停電時： 7失電，在彈簧恢復力作用下，齒輪8、9嚙合，齒輪9與電機端蓋為一體，故與電機軸聯(lián)接的絲杠得到制動。,滾珠絲杠處于垂直傳動時制動裝置示意圖,1.2 機械系統(tǒng)的結構設計,1.同步齒形帶傳動機構 利用齒形帶的齒形與帶輪的輪齒依次相嚙合傳遞運動和動力。 能方便地實現(xiàn)較遠中心距的傳動； 傳動過程無相對滑動，平均傳動比較準確，傳動精度高； 齒形帶的強度高，厚度小，重量輕，可用于低速及高速傳動； 帶無需特別張緊，作用在軸

14、和軸承的載荷小，傳動效率高。 在數(shù)控機床、工業(yè)機器人等伺服傳動中得到廣泛應用。,三、其它傳動機構,2. 諧波傳動 諧波傳動由波發(fā)生器3(H) 柔(輪)性件2和剛(輪)性件1組成的機械傳動。傳動是在波發(fā)生器的作用下使柔性件產(chǎn)生彈性變形并與剛性件相互作用而達到傳遞運動或動力的目的。在傳動中波發(fā)生器回轉(zhuǎn)一周柔性件上某一點循環(huán)變形的次數(shù)稱波數(shù)。柔性件的變形過程是一個基本對稱的諧波，故稱為諧波傳動。常用的諧波傳動是雙波傳動。,三、其它傳動機構,諧波齒輪傳動 依靠柔性齒輪所產(chǎn)生的可控制彈性變形波，引起齒間的相對位移來傳遞動力和運動的。,1.2 機械系統(tǒng)的結構設計,1.導軌的作用 導向：直線運動直線導軌；圓

15、運動軸承 支承、承載 2.導軌的組成 1)固定不動的支承導軌（導動軌）； 2)作直線（旋轉(zhuǎn)）運動的動導軌（滑座）。 3.類型 根據(jù)導軌副之間的摩擦情況，分為滑動導軌副、滾動導軌副、懸浮導軌副。,四、支承導向機構設計,4.對導向機構的要求 1）一定的導向精度影響因素：導軌的幾何精度、接觸精度、結構形式、剛度、熱變形、裝配質(zhì)量以及液體動壓和靜壓導軌的油膜厚度、油膜剛度等。 2）良好的摩擦特性 3）阻尼特性好（高速時不振動） 4）良好的精度保持性 5）足夠的剛度和強度 6）結構工藝性,四、支承導向機構設計,（一）滾動直線導軌 工作原理： 在導軌工作面之間安排滾動體,將滑動摩擦替換為滾動摩擦。 結構形

16、式及組成： 滾動導軌塊 直線滾動導軌,四、支承導向機構設計,（一）滾動直線導軌,1滾動直線導軌特點 1)承載能力大 由于滾道采用圓弧形式，增大了滾動體與滾道接觸面積，大大提高了承載能力，可達到平面滾道的13倍。 2)剛性強 由于在該制作時預加載荷，使得導軌系統(tǒng)剛度提高，滾動直線導軌在工作時能承受較大的沖擊和振動。 3)壽命長 由于是純滾動，摩擦系數(shù)為滑動導軌的l50左右，磨損小，因而壽命長，功耗低，便于機械小型化。 4)傳動平穩(wěn)可靠 由于摩擦力小，動作輕便，因而定位精度高，微量移動靈活準確。 5)具有結構自調(diào)整能力 裝配調(diào)整容易，降低了配件精度要求。,（一）滾動直線導軌,2滾動直線導軌的分類

17、(1)按導軌截面形狀 1)矩形截面導軌截面為矩形，四方向等載荷式，即承載時各方向受力大小相等； 2)梯形截面 垂直載承載能力大，其它方向的承載能力較低，但對于安裝基準的誤差調(diào)節(jié)能力較強。,滾動直線導軌的截面形式,導軌的截面形式,（一）滾動直線導軌,(2)按滾道溝槽形狀分 1)單圓弧 二點接觸，運動摩擦小、對安裝基準的誤差平均作用小、靜剛度差； 2)雙圓弧 四點接觸，運動摩擦大、對安裝基準的誤差平均作用大、靜剛度好。,（一）滾動直線導軌,(3)按滾動體的形狀分 1)鋼珠式 2)滾柱式 滾柱式由于為線接觸，故其有較高的承載能力，但摩擦力也較高，同時加工裝配也相對復雜。,滾動直線導軌的滾動體形式,滾

18、動導軌組件 結構、形式,直線滾動導軌,弧形滾動導軌,兩維直線滾動導軌,直線滾動導軌單元,安裝組合形式 標準組合,倒裝組合,側(cè)裝組合之一,側(cè)裝組合之二,混裝組合,導軌防護,（二）其它直線導向裝置,1滾動花鍵導軌副 1)組成：花鍵軸的外圈均勻分布3條凸起軌道，分別放置12條滾珠列，其中6條用于負載，6條用于滾珠循環(huán)退出。,滾珠花鍵軸 1.保持架 2.橡膠密封墊 3.鍵槽 4.外筒 5.油孔 6.負荷滾珠列 7.返回滾珠列 8.花鍵軸,1滾動花鍵導軌副,3)特點： 當花鍵沿花鍵軸做直線運動時，滾珠在滾道和保持架內(nèi)的通道中循環(huán)。 外筒兩端裝有橡皮密封墊防塵，其上開鍵槽用以與其它傳動件聯(lián)接，通過油孔潤滑

19、減少花鍵副的磨損。 花鍵與花鍵軸間通過滾珠還可以傳遞一定的轉(zhuǎn)矩，并自動定心。 可通過選配滾珠的直徑使?jié)L珠花鍵副內(nèi)產(chǎn)生過盈，即預加載荷，以提高接觸剛度，運動精度和抗沖擊能力。所以滾珠花鍵副既可作為高速運動(可達60mmin)機構的導軌，又可用于傳遞轉(zhuǎn)矩的傳動機構。,（二）其它直線導向裝置,2.圓柱形滾動直線導套副 1)組成：圓柱導軌軸；直線運動球軸承，如圖所示，直線運動球軸承由外套筒4、保持架3、滾珠(負載滾珠1和返回滾珠2)、鑲有橡膠密封墊的擋圈5構成。,圓柱形滾動直線導套副 1.負載滾珠 .返回滾珠.保持架.外套筒.擋圈.導軌軸,2.圓柱形滾動直線導套副,2)工作原理： 當其在導軌軸6上做直

20、線運動時，滾珠在保持架3的長環(huán)形通道內(nèi)循環(huán)流動。 3)特點： 軸承只在導軌軸上作軸向直線運動，不轉(zhuǎn)動；滾珠與導軌軸外圓柱面為點接觸。 這種導軌運動輕便、靈活、精度高，價格較低，維護方便，更換容易。但因?qū)赘敝g為點接觸，所以常用于輕載移動、輸送系統(tǒng)。,圓柱形滾動直線導套副 1.負載滾珠 .返回滾珠.保持架.外套筒.擋圈.導軌軸,圓柱滾動導軌,（二）其它直線導向裝置,3.塑料導軌 金屬對塑料型式的滑動導軌， 在短導軌面上附有一層塑料，長導軌面仍為淬火磨削面； 分類：貼塑導軌（聚四氟乙烯軟帶）、涂塑導軌（環(huán)氧樹脂）,塑料導軌的特點 摩擦系數(shù)較小，0.040.06 動靜摩擦系數(shù)之差小，且摩 擦系數(shù)曲

21、線具有上揚特性 剛度高，承載能力強 加工工藝簡單 價格低 應用 數(shù)控化改造機床、重型數(shù)控機床（最高速度：vmax=30 m/min）,1.2 機械系統(tǒng)的結構設計,1.執(zhí)行機構的特點及要求 機電一體化產(chǎn)品的執(zhí)行機構應能快速地完成預期的動作，并具有響應速度快、動態(tài)特性好、動靜態(tài)精度和動作靈敏度高等特點。另外為便于集中控制，他還應滿足效率高、體積小、質(zhì)量輕、自控性強、可靠性高等要求。 機電一體化產(chǎn)品為實現(xiàn)不同的目的功能，需采取不同形式執(zhí)行機構，其中有電動的、機械的、電子的、激光的。本節(jié)主要介紹常用的幾種執(zhí)行機構。,五、執(zhí)行機構設計,2.機械手 機械手是一種自動控制、可重復編程、多自由度的操作機，機械

22、手主要由手部、運動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。 手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式。 運動機構，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。 機械手的種類： 按驅(qū)動方式可分為：液壓式、氣動式、電動式、機械式； 按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手； 按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手。,五、執(zhí)行機構設計,2.機械手,末端執(zhí)行器因用途不同而機構各異，一般可分為三大類：機械夾持器、特種末端執(zhí)行器、萬能手。 1）機械夾持器 機械夾持器是工業(yè)機械手中最常用的一種末端執(zhí)行器。

23、機械夾持器應具備具有夾持和松開功能。 夾持器夾持工件時，應有一定的力約束和形狀約束，以保證被加工件在移動、停留和裝入過程中，不改變姿態(tài)。 當需要松開工件時，應完全松開。 還應保證工件夾持姿態(tài)再現(xiàn)幾何偏差在給定的公差帶內(nèi)。 機械夾持器常用壓縮空氣作為動力源，經(jīng)過傳動機構實現(xiàn)手指的運動。根據(jù)手指夾持工件時的運動軌跡的不同，機械夾持器分為圓弧開合型、圓弧平行開合型和直線平行開合型。,1）機械夾持器（圓弧平行開合型）,圓弧平行開合型機械夾持器兩手指工作時做平行開和運動，而指端運動軌跡為一圓弧。,機構在夾持時指端前進,機構在夾持時指端后退,1）機械夾持器（直線平行開合型）,直線平行開合型機械夾持器兩手指

24、的運動軌跡為直線，而且兩指夾持面始終保持平行。,1）機械夾持器（手指形機構）,為了抓取特別復雜形狀的工作，還設計有特種手指機機構的夾持器，如多關節(jié)柔性手指夾持器、膨脹式橡膠手袋手指等。,2.機械手,2）特種末端執(zhí)行器 特種末端執(zhí)行器供工業(yè)機器人完成某類特定的作業(yè)。 真空吸附手 通常把真空吸附手與負壓發(fā)生器組成一個工作系統(tǒng)，控制電磁轉(zhuǎn)向閥的開合可實現(xiàn)對工件的吸附和脫開。 它結構簡單，價格低廉；吸附作業(yè)具有一定柔順性，即使工件有尺寸偏差和位置偏差也不會影響吸附手的工作。 常用于小件搬運，也可將多個真空吸附手組合使用。,2）特種末端執(zhí)行器,電磁吸附手 工作原理：利用通電線圈的磁場對可磁化材料的作用力

25、來實現(xiàn)對工件的吸附作用。 特點：結構簡單，價格低廉等特點。吸附過程由極大的柔順狀態(tài)突變到低的柔順狀態(tài)。這種吸附手的吸附力是由通電線圈的磁場提供的，所以可用于搬運較大的可磁化性材料的工件。,2.機械手,3）靈巧手 是一種模仿人手制作的多指多關節(jié)的機器人末端執(zhí)行器。 它可以適應物體外形的變化，對物體進行任意方向、任意大小的夾持力，可以滿足對任意形狀、不同材質(zhì)的物體操作和抓持要求，但其控制、操作系統(tǒng)技術難度較大。,3.微動機構 微動機構就是在很小的行程范圍內(nèi)工作的一種精密機構。 微動機構的實現(xiàn)方法通常有：差動螺旋機構、壓晶體瓷微動機構等。 差動螺旋微動機構的工作原理：機構絲杠上有基本導程不同的兩段螺

26、紋，且旋向相同。當絲杠轉(zhuǎn)動時，可動螺母的移動距離為S=n(Ph1-Ph2)，如果兩基本導程的大小相差較少，則可獲得較小的位移S。 壓電晶體微動機構的工作原理：利用逆壓電效應，當對壓電晶體施加激勵電場，晶體介質(zhì)將產(chǎn)生微小的彈性變形。目前，壓電微動機構已應用于壓電陶瓷馬達、壓電驅(qū)動式針閥等。,五、執(zhí)行機構設計,1.3 機械系統(tǒng)的主要動力參數(shù)計算,一）典型負載綜合方法 1典型負載 在進行機械系統(tǒng)設計時，必須確定機械系統(tǒng)各個部件的負載，然后綜合成系統(tǒng)的總負載。一般把負載分類為摩擦負載、慣性負載、彈性負載、風載等。,一、機械系統(tǒng)的負載計算,1）干摩擦力矩 2）慣性轉(zhuǎn)矩 3）粘性摩擦力矩 4）彈性力矩 5

27、）風阻力矩,2負載的綜合計算,多數(shù)被控對象的運動形態(tài)是隨機性的，很難用簡單的確定的格式來描述，工程上采取近似方法或選取幾個有代表性的工況作定量分析計算，將各零部件負載轉(zhuǎn)化到動力機輸出軸上綜合為系統(tǒng)的總負載。 總負載的綜合計算方法 峰值綜合若各種負載為非隨機性負載，將各負載的峰值取代數(shù)和，折算到電動機軸上，稱為等效峰值綜合負載轉(zhuǎn)矩 方和根綜合若各種負載為隨機性負載，取各負載的方和根折算到電動機軸上，稱為等效方和根綜合負載轉(zhuǎn)矩。,二）等效綜合負載轉(zhuǎn)矩計算,機械系統(tǒng)各零部件所受負載按功能原理折算到電動機輸出軸上的綜合負載稱為等效綜合負載轉(zhuǎn)矩。 等效負載轉(zhuǎn)矩的計算模型及條件如右圖，系統(tǒng)包含有M個轉(zhuǎn)動零

28、件和N個移動零件。 若系統(tǒng)工作一段時間后，其克服所受的力和轉(zhuǎn)矩作的總功應為,二）等效綜合負載轉(zhuǎn)矩計算,電動機所作的總功為 根據(jù)W = WD，則可得等效綜合負載轉(zhuǎn)矩為 考慮機械效率,三）數(shù)控機床進給系統(tǒng)等效綜合負載計算,若機床的進給系統(tǒng)所受負載為非隨機載荷，則可得切削時負載轉(zhuǎn)矩計算公式和快速空載起動時的負載轉(zhuǎn)矩計算公式。 通常要求正常工作負載轉(zhuǎn)矩(如機床切削時負載轉(zhuǎn)矩)不得大于伺服電動機的額定轉(zhuǎn)矩；快速空載起動時的負載轉(zhuǎn)矩不得大于伺服電動機的最大轉(zhuǎn)矩。 （1）切削時的負載轉(zhuǎn)矩計算公式 折算至電動機軸上的最大切削負載轉(zhuǎn)矩為 Fmax為絲杠上的最大軸向載荷，包括進給力和摩擦力 ；采用滾珠絲杠副時，般

29、取0.80.9 。,三）數(shù)控機床進給系統(tǒng)等效綜合負載計算,（2）快速空載起動時的負載轉(zhuǎn)矩計算公式 當執(zhí)行部件從靜止以階躍指令加速到最大移動速度時，所需的轉(zhuǎn)矩最大為 tac為系統(tǒng)時間常數(shù)(或加速時間)(s)， tac =（34）tM ； tM為電動機機械時間常數(shù)(s)； Tf為折算到電動機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩(Nm) Ff為摩擦阻力(N)，一般為 Ff = 9.8Wf,三）數(shù)控機床進給系統(tǒng)等效綜合負載計算,（3）電動機最大靜轉(zhuǎn)矩確定 根據(jù)實際啟動情況(空載或有載) 計算出啟動時的負載轉(zhuǎn)矩，然后按工程數(shù)據(jù)表選取啟動時所需電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩Ts1。 根據(jù)電動機正常運行時的受力情況計算出負載轉(zhuǎn)矩，然后按下式

30、計算正常運行時所需電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩Ts2 按Ts1 和Ts2中的較大者選取電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩并要求,表征機械系統(tǒng)特性的參數(shù)主要有系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量、系統(tǒng)固有頻率、系統(tǒng)阻尼以及系統(tǒng)剛度等。在分析計算時需要進行等效計算。 1.機械系統(tǒng)慣量的分析計算 （1）負載轉(zhuǎn)動慣量的計算 通常將系統(tǒng)中的各運動件的轉(zhuǎn)動慣量折算到電動機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量，稱為等效負載轉(zhuǎn)動慣量（簡稱為負載轉(zhuǎn)動慣量）。,1.3 機械系統(tǒng)的主要動力參數(shù)計算,二、機械系統(tǒng)特性參數(shù)的計算,（2）機械系統(tǒng)的慣量匹配 1）慣量匹配的基本原理 慣量匹配是指機電傳動系統(tǒng)負載慣量與伺服電動機轉(zhuǎn)子慣量相匹配。 在驅(qū)動力矩一定的前提下，轉(zhuǎn)動慣量越小，系統(tǒng)的加

31、速性能越好。當進給伺服電動機已經(jīng)選定，則的最大值基本不變，如果希望的變化小，則應使轉(zhuǎn)動慣的變化盡量小些。 慣量由伺服電動機轉(zhuǎn)動慣量JM與機電傳動系統(tǒng)負載慣量JL兩部分組成。 JM是定值， JL則因執(zhí)行部件上裝的夾具、工件或刀具不同而有所變化。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，希望J的變化率小些，則應該使JL所占比例小些。,二、機械系統(tǒng)特性參數(shù)的計算,2）慣量匹配條件 慣量匹配是指機電傳動系統(tǒng)負載慣量與伺服電動機轉(zhuǎn)子慣量相匹配。 步進電動機為了使步進電動機具有良好的起動能力及較快的響應速度，慣量通常應滿足下列關系式 1/4 JM /JL 1 直流伺服電動機JM /JL比值大小對伺服系統(tǒng)的性能影響很大，且與直

32、流伺服電動機的種類及其應用場合有關，通常分為兩種情況：,對于采用慣量較小的直流伺服電動機的伺服系統(tǒng)，應滿足下列關系式 1/3 JM /JL 1 對于采用大慣量直流伺服電動機的伺服系統(tǒng)，應滿足下列關系式 1 JM /JL 4 所謂大慣量是相對小慣量而言的，其數(shù)值JM = 0.10.6kgm2。,2.機械系統(tǒng)剛度的計算 （1）機械系統(tǒng)剛度的等效計算 機械系統(tǒng)的剛度包括線彈性變形引起的線性剛度以及因非線性變形或各種運動副間隙引起的非線性剛度。 對于串聯(lián)部件（例如在同一根軸上），總剛度為 對于并聯(lián)部件（例如同一支承上有幾個軸承），總剛度為,二、機械系統(tǒng)特性參數(shù)的計算,從低速軸上的剛度折算到高速軸上時，

33、等效剛度可采用彈性勢能等效原則轉(zhuǎn)換為 （2）傳動系統(tǒng)剛度計算 在機械系統(tǒng)中，剛度最薄弱的環(huán)節(jié)是絲杠螺母機構，因而傳動系統(tǒng)的剛度主要取決于絲杠螺母機構的剛度。 絲杠螺母機構的剛度由絲杠的拉壓剛度KL、絲杠螺母間的接觸剛度KN以及軸承和軸承座間的支承剛度KB三部分組成。在設計時，通常將絲杠螺母機構的總剛度均勻分配給三個組成部分，即每部分的剛度對總剛度的貢獻各占1/3。,1）查表計算傳動系統(tǒng)剛度,采用不同類型的支承軸承時，支承剛度也不同，一般可按表中所列公式計算。 對于推力球軸承及推力角接觸球軸承，當預緊力為最大軸向載荷的13時，軸承剛度增加1倍且呈線性關系； 對于圓錐滾子軸承，當預緊力為最大軸向載

34、荷的12.2時，軸承剛度增加1倍且呈線性關系。,絲杠螺母副的軸向接觸剛度可直接從絲杠螺母副的產(chǎn)品樣本中查得。,在伺服系統(tǒng)工作過程中，絲杠上的受力點到支承端的距離隨工作臺位置而變化，因此絲杠的拉壓剛度KL (N/m)也隨之變化。 對于一端軸向支承的絲杠，當工作臺位于距絲杠軸向支承端最遠的位置時，即l=L時，絲杠有最小拉壓剛度：,對于兩端軸向支承的絲杠，當工作臺位于兩支承的中間位置時，即時，絲杠有最小拉壓剛度：,絲杠傳動的綜合拉壓剛度與軸向支承形式及軸承是否預緊有關。在KN、KB、KL分別計算出來之后，可按下表所列公式來計算綜合拉壓剛度。 絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度KT(Nm/rad)可按下式計算：,2）查圖

35、計算傳動系統(tǒng)剛度,2）查圖計算傳動系統(tǒng)剛度,3.機械系統(tǒng)阻尼的計算 機械系統(tǒng)在工作過程中，相互運動的元件間存在著阻尼力，并以不同的形式表現(xiàn)出來，如干摩擦阻尼力、流體阻尼力、風阻負載等，均與運動速度及摩擦阻尼系數(shù)有關。 對于干摩擦阻尼、流體阻尼等首先利用功能原理等效轉(zhuǎn)換為線性或非線性的粘性阻尼，然后從低速軸折算到高速軸（動力機軸）按阻尼力做功相等折算后的等效阻尼系數(shù) 對于負載風阻系數(shù)從低速軸折算到高速軸的等效阻尼系數(shù),二、機械系統(tǒng)特性參數(shù)的計算,4.機械系統(tǒng)固有頻率的計算 一般整個機械系統(tǒng)的特性可以用若干相互耦合的質(zhì)量-彈簧-阻尼子系統(tǒng)表示，其中每個子系統(tǒng)的固有頻率可表示為 在為了滿足機電一體化

36、的高動態(tài)特性，機械系統(tǒng)的各個分系統(tǒng)的固有頻率均應遠高于機電一體化系統(tǒng)的設計固有頻率。各分系統(tǒng)固有頻率最好相互錯開。對于可控硅驅(qū)動裝置，應注意機械系統(tǒng)固有頻率不能與控制裝置的脈沖頻率接近，否則將產(chǎn)生機械噪聲并加速機械部件的磨損。,二、機械系統(tǒng)特性參數(shù)的計算,5機械系統(tǒng)誤差的計算 在機械系統(tǒng)的誤差除了零部件的制造及安裝所引起的，還有由于機械系統(tǒng)的動力參數(shù)(如剛度、慣量、摩擦、間隙等)所引起的誤差。在系統(tǒng)設計時，必須將其控制在允許范圍內(nèi)。 （1）機械系統(tǒng)死區(qū)誤差的等效計算 機械系統(tǒng)誤差的等效計算是將系統(tǒng)中各零部件產(chǎn)生的誤差等效折算到系統(tǒng)的輸出端累計求和得到系統(tǒng)的總誤差。 所謂死區(qū)誤差，又叫失動量，是

37、指啟動或反向時，系統(tǒng)的輸入運動與輸出運動之間的差值。 產(chǎn)生死區(qū)誤差的主要原因：傳動機構中的間隙，導軌運動副間的摩擦力以及電氣系統(tǒng)和執(zhí)行元件的啟動死區(qū)(即不靈敏區(qū))。,二、機械系統(tǒng)特性參數(shù)的計算,由傳動間隙所引起的工作臺等效死區(qū)誤差為 等效到絲桿上為 由摩擦力引起的死區(qū)誤差實質(zhì)上是傳動機構為克服靜摩擦力而產(chǎn)生的彈性變形。于是摩擦死區(qū)誤差為 若采取消除間隙措施，則死區(qū)誤差主要取決于摩擦死區(qū)誤差。,（2）由系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差,影響系統(tǒng)定位誤差的因素很多，這里僅討論由絲杠螺母機構綜合拉壓剛度的變化所引起的定位誤差。 空載條件下，由單一剛度變化所引起的整個行程范圍內(nèi)的最大定位誤差 對于開環(huán)控制的

38、伺服系統(tǒng)，一般應控制在系統(tǒng)允許定位誤差的1/31/5范圍內(nèi)。,1.3 機械系統(tǒng)的主要動力參數(shù)計算,1.阻尼的影響 （1）當阻尼比 =0時，系統(tǒng)處于等幅持續(xù)振蕩狀態(tài)。 （2）當1 時，系統(tǒng)為臨界阻尼或過阻尼系統(tǒng)。無振蕩，但響應慢。 （3）當0 1時，系統(tǒng)為欠阻尼系統(tǒng)，減幅振蕩狀態(tài)，其幅值衰減的快慢，取決于阻尼系數(shù) 和固有頻率n 。在n 確定以后， 愈小，其振蕩愈劇烈，過渡過程越長。相反， 越大，則振蕩越小，過渡過程越平穩(wěn)，系統(tǒng)穩(wěn)定性越好，但響應時間較長，系統(tǒng)靈敏度降低。 應綜合考慮性能指標，一般0.4 0.8的欠阻尼系統(tǒng)，既能保證振蕩在一定的范圍內(nèi)，過渡平穩(wěn)，過渡時間短，又具有較高的靈敏度。,三

39、、特性參數(shù)對機電一體化系統(tǒng)的影響,2.摩擦的影響 當兩物體產(chǎn)生相對運動或有相對運動趨勢時，其接觸面就要產(chǎn)生摩擦。摩擦力可分為粘滯摩擦力、動摩擦力和靜摩擦力三種，方向均與運動方向相反。 摩擦對伺服系統(tǒng)的影響主要有：引起動態(tài)滯后，降低系統(tǒng)的響應速度，導致系統(tǒng)誤差和低速爬行。 （1）摩擦引起動態(tài)滯后和系統(tǒng)誤差 系統(tǒng)從靜止狀態(tài)進入運動時，由于靜摩擦力矩的作用，輸出軸不會立刻運動，會由靜摩擦引起傳動死區(qū)，其大小為,（1）摩擦引起動態(tài)滯后和系統(tǒng)誤差 當輸入軸以恒速繼續(xù)運動，在i|Ts /k |后，輸出軸也以恒速運動，但始終滯后一個角度，即系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。若粘滯阻尼系數(shù)為f，則有： （2）摩擦引起的低速爬行

40、 由于非線性摩擦的存在，機械系統(tǒng)在低速運行時，常常會出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，導致系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。產(chǎn)生爬行的臨界速度為,（2）摩擦引起的低速爬行,設計機械系統(tǒng)時，應盡量減少靜摩擦和降低動、靜摩擦之差值，以提高系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和快速響應性。 適當?shù)脑黾酉到y(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量和粘滯阻尼系數(shù)也有利于改善低速爬行現(xiàn)象，但轉(zhuǎn)動慣量增加將引起伺服系統(tǒng)響應性能的降低；增加也會增加系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，故設計時必須權衡利弊，優(yōu)化處理。,3.結構彈性變形的影響 當伺服電動機帶動機械負載運動時，機械系統(tǒng)所有的元件都會因受力而產(chǎn)生不同程度的彈性變形。 當機械系統(tǒng)的固有頻率接近或落入伺服系統(tǒng)帶寬之中時，系統(tǒng)將產(chǎn)生諧振而無法工作。 根據(jù)伺服控

41、制理論，為避免機械系統(tǒng)發(fā)生結構諧振，該系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)子固定時的固有頻率應大于等于伺服系統(tǒng)帶寬的5倍 通常采取提高系統(tǒng)剛度、合理選擇零件截面形狀和尺寸，對支承件施預加載荷等方法提高零件剛度。在多級傳動中則需提高輸出軸的折算剛度。 在不改變機械結構固有頻率的情況下，通過增大阻尼也可以抑制諧振。,4.轉(zhuǎn)動慣量的影響 轉(zhuǎn)動慣量對伺服系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性、動態(tài)響應都有影響。 轉(zhuǎn)動慣量大，系統(tǒng)的機械常數(shù)大，響應慢。 轉(zhuǎn)動慣量大， 值將減小，使系統(tǒng)振蕩增強，穩(wěn)定性下降； 轉(zhuǎn)動慣量大，會使系統(tǒng)的固有頻率下降，容易產(chǎn)生諧振，影響了伺服精度和響應速度。 轉(zhuǎn)動慣量的適當增大只有在改善低速爬行時有利。,5.間隙的影響 （

42、1）閉環(huán)之外的齒輪齒隙，對系統(tǒng)穩(wěn)定性無影響，但影響伺服精度。齒隙在傳動裝置逆運行時造成回程誤差，影響精度。 （2）閉環(huán)之內(nèi)的齒輪齒隙，對系統(tǒng)靜態(tài)精度無影響。由于齒輪副的嚙合間隙會造成傳動死區(qū)，若閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度較小，則會使系統(tǒng)產(chǎn)生自激振蕩，因此閉環(huán)之內(nèi)的齒隙對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有影響。 （3）反饋回路上的齒輪齒隙既影響穩(wěn)定性，又影響精度。 因此，盡量減小或消除間隙。 目前在機電一體化系統(tǒng)中，廣泛采取各種機械結構來消除齒輪副、螺旋副等傳動副的間隙。,1.4 機械系統(tǒng)部件的選擇計算,1齒輪傳動比的計算 （1）最佳總傳動比計算 傳動機構設計必須滿足系統(tǒng)伺服性能的要求，齒輪副傳動比應盡可能達到使系統(tǒng)響應快

43、、精度高的要求。 最佳總傳動比:在設計時應尋找使等效負載轉(zhuǎn)矩值最小或負載加速度最大的總傳動比，即伺服特性最好的傳動比。,一、齒輪傳動副的選擇計算,如右圖所示傳動系統(tǒng)的計算模型。設 1）負載角加速度最大的總傳動比,按動力學第二定律：,2）等效峰值綜合負載轉(zhuǎn)矩最小的總傳動比 令峰值綜合工作負載轉(zhuǎn)矩和摩擦負載轉(zhuǎn)矩分別為Tcp和Tfp，換算到電動機軸上的等效峰值負載轉(zhuǎn)矩為,3）等效方和根綜合負載轉(zhuǎn)矩最小的總傳動比 令方和根綜合工作負載轉(zhuǎn)矩和摩擦負載轉(zhuǎn)矩分別為TcR和TfR，折算到電動機軸上的等效方和根綜合負載轉(zhuǎn)矩為,最佳總傳動比是滿足伺服動態(tài)性能要求的傳動比，但未必與系統(tǒng)的驅(qū)動伺服電動機及系統(tǒng)所要求的

44、脈沖當量匹配。 數(shù)控機床齒輪傳動副總傳動比與電動機及系統(tǒng)的脈沖當量之間的關系為,（2）與伺服電動機匹配的總傳動比計算,2.總傳動比分配 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。若總傳動比較大，又要采用多級齒輪傳動，需要確定傳動級數(shù)，并在各級之間分配傳動比。 可按下述三種原則適當分級，并在各級之間分配傳動比。 （1）最小等效慣量原則 （2）質(zhì)量最小原則 （3）輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則,一、齒輪傳動副的選擇計算,（1）最小等效慣量原則,1）小功率傳動 以圖示電動機驅(qū)動兩級齒輪傳動為例。第一對齒輪速比為i1，第二對齒輪速比為i2，均大于1。假設各主動小齒輪具有相同的轉(zhuǎn)動慣量J1。各齒輪均

45、為實心圓柱體，且齒寬b、密度及材料均相同，軸與軸承的轉(zhuǎn)動慣量不計，效率為100%。 等效負載轉(zhuǎn)動慣量為 由于齒輪的轉(zhuǎn)動慣量為 故,所以齒輪傳動系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)動慣量為 最小慣量的條件 對于n級齒輪系,2）大功率傳動 大功率傳動的轉(zhuǎn)矩較大，小功率傳動中的各項簡化假設大多不合適?？砂磮D1.43-a的曲線確定傳動級數(shù)。,圖1.43-a確定大功率傳動級數(shù)的曲線,（2）質(zhì)量最小原則,1）小功率傳動 假設同前，且各主動小齒輪的模數(shù)、齒數(shù)、齒寬均相等，則對于級傳動 2）大功率傳動 仍以兩級傳動為例。假設所有主動小齒輪的模數(shù)與所在軸上轉(zhuǎn)矩的三次方根成正比，其分度圓直徑d，齒寬b也與轉(zhuǎn)矩T的三次方根成正比。另假設b

46、1=b2 ， b3=b4,（3）輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則,n級齒輪系輸出軸總的轉(zhuǎn)角誤差為 可見，為提高齒輪系的傳動精度。有輸入端到輸出端，各級傳動比應按“先小后大”原則分配，且最末一級傳動比應盡可能大，并提高最末一級齒輪副的加工精度,2.總傳動比分配,總傳動比的分配原則應根據(jù)具體情況進行綜合考慮： 1）對于傳動精度要求較高的降速齒輪傳動鏈，按輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小的原則設計。若為增速傳動，則開始幾級就增速。 2）對于要求運動平穩(wěn)、啟停頻繁和動態(tài)性能好的降速傳動鏈，按等效轉(zhuǎn)動慣量最小原則或輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則設計。對于負載變化的，各級傳動比最好采用不可約的比數(shù)，避免同時嚙合，使磨損均衡。 3）對于質(zhì)

47、量盡可能小的降速傳動鏈，可按質(zhì)量最小原則設計。,3.提高齒輪傳動精度的措施 （1）齒輪誤差的綜合與分析：建立總誤差的數(shù)學模型，分析各影響因素，控制對誤差影響明顯的單個誤差的大小。 （2）合理布置傳動鏈：縮短傳動鏈，減少傳動副數(shù)；總傳動比確定后，各級傳動比應按“先小后大”原則分配，并提高最末一級齒輪副的加工精度；在不影響整體結構尺寸的前提下，增大小齒輪齒數(shù)，使重合度增大。 （3）采用補償與校正裝置 （4）提高有關零件的精度： 在分析性價比的前提下，進行精度綜合，適當提高有關零件的精度。,1.4 機械系統(tǒng)部件的選擇計算,滾珠絲杠副的承載能力計算包括：強度計算、剛度校核、穩(wěn)定性校核及臨界轉(zhuǎn)速校核。

48、滾珠絲杠傳動副選擇計算的步驟 進行強度計算(計算出軸向載荷)， 根據(jù)強度要求等確定滾珠絲杠副的性能參數(shù)， 選擇滾珠絲杠螺母的類型及型號， 進行必要校核驗算。,二、滾珠絲杠傳動副的選擇計算,特殊情況： 對于傳遞扭矩大、傳動精度要求高的，應校核其剛度； 對于細長受壓的，應核算其壓桿穩(wěn)定性； 對于轉(zhuǎn)速較高、支承距離較大的，應核算其臨界轉(zhuǎn)速。一般絲杠工作轉(zhuǎn)速低于100rmin時無需核算。 為了補償因工作溫升而引起的絲杠伸長量、保證滾珠絲杠副在正常使用時的定位精度和系統(tǒng)剛度，可采取在絲杠軸安裝時進行預拉伸的方法。,1.滾珠絲杠傳動副的選擇計算 （1）強度計算的原則 滾珠絲杠副的強度計算原則與滾動軸承相似

49、，需要防止疲勞點蝕。因此，滾珠絲杠副首先應滿足疲勞強度要求。即根據(jù)其額定動載荷選用一批相同的滾珠絲杠副，在軸向載荷C作用下，運轉(zhuǎn)10轉(zhuǎn)后，其中90%不產(chǎn)生疲勞點蝕，則C稱為這種規(guī)格滾珠絲杠副的額定動載荷。,（2）強度計算 一般情況下，滾珠絲杠副的強度條件是當量動載荷Cm(工作中滾珠絲杠副的最大動載荷)應小于所選用的滾珠絲杠副的額定動載荷Ca，即 CaCm 。 滾珠絲杠副的當量動載荷為 L為工作壽命(以10 r為單位1), 為使用壽命(h)，一般機床可取T=10000h，數(shù)控機床可取15000h；fa為精度系數(shù)，l、2、3級絲杠， fa =1；4、5、6級絲杠， fa =0.9； fw為運轉(zhuǎn)狀態(tài)

50、系數(shù)，無沖擊取11.2；一般取1.21.5；有沖擊振動取1.52.5。,（3）滾珠絲杠副設計選用步驟和方法 設計的條件： 最大工作載荷(或平均工作載荷)作用下的使用壽命， 絲杠的工作長度(或螺母的有效行程)， 絲杠的轉(zhuǎn)速n(或平均轉(zhuǎn)速)， 滾道的硬度HRC值及絲杠的運轉(zhuǎn)情況。,設計步驟： 1)計算出作用在滾珠絲杠上的當量動載荷Cm的數(shù)值。 2)從滾珠絲杠系列表(或產(chǎn)品樣本)中找出額定動載荷Ca大于當量動載荷Cm，并與其相近值，同時考慮剛度要求，初選滾珠絲杠副的型號和有關參數(shù)。 3)根據(jù)具體工作類型(定位型或傳動型)、循環(huán)方式、預緊方法及結構特征等方面的要求，從初選的幾個型號中再挑選出比較合適的

51、公稱直徑d0、導程Ph及負荷鋼球圈數(shù)，列數(shù)K以及滾珠圈數(shù)j等，以確定某一型號。 4)根據(jù)所選出的型號驗算其剛度及穩(wěn)定性等是否滿足要求。如不滿足要求，則需另選其他型號，再作上述的計算和驗算直至滿足要求為止。 5)對于低速運轉(zhuǎn)(n10rmin)的滾珠絲杠，無需計算其當量動載荷值，而只考慮其額定靜載荷C0a是否充分地超過了最大工作負載Fmax。,2.滾珠絲杠傳動副的驗算 （1）滾珠絲杠傳動副的穩(wěn)定性驗算 1）失穩(wěn)性驗算 一端固定一端自由的絲杠在工作時可能發(fā)生失穩(wěn)，在設計時應驗算其安全系數(shù)S，其值應大于絲杠允許的安全系數(shù)S。絲杠不發(fā)生失穩(wěn)的最大臨界載荷按下式計算,二、滾珠絲杠傳動副的選擇計算,2）臨界

52、轉(zhuǎn)速驗算 高速長絲杠工作時可能發(fā)生共振，因此需驗算其不會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速臨界轉(zhuǎn)速ncr，要求絲杠最大轉(zhuǎn)速nmaxncr。 3）工作穩(wěn)定性驗算 此外滾珠絲杠副還受D0n值的限制。通常要求D0n7104 mmrmin，其中，D0為絲杠公稱直徑。,（2）滾珠絲杠傳動副的剛度驗算 滾珠絲杠在工作負載F (N)和轉(zhuǎn)矩T (Nm)共同作用下引起每個導程的變形量L0(m)為 絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為 通常要求絲杠的導程誤差應小于其傳動精度的1/2，即,（3）絲杠傳動副的效率驗算 滾珠絲杠副的傳動效率為 要求在9095之間才合格。,1.4 機械系統(tǒng)部件的選擇計算,1滾動直線導軌的選擇程序

53、 在設計選用時，應對其使用條件，包括工作載荷、精度要求、速度、工作行程、預期工作壽命進行研究；還須對其剛度、摩擦特性及誤差平均作用、阻尼特征等進行綜合考慮，從而達到正確合理地選用，以滿足主機技術性能的要求。,三、直線滾動導軌副的選擇計算,滾動直線導軌的選擇程序,2.滾動直線導軌的有關計算 (1)額定動載荷Ca 是指滾動直線導軌的額定長度壽命T50km時，作用在滑座上大小和方向均不變化的載荷。其值可按下式計算： (2)額定靜載荷C0a,三、直線滾動導軌副的選擇計算,2.滾動直線導軌的有關計算 (3)額定行程長度壽命Ts（km） 額定工作時間壽命Th (h),三、直線滾動導軌副的選擇計算,1.5

54、機械系統(tǒng)執(zhí)行電動機的選擇計算,1執(zhí)行電動機選擇計算的依據(jù) 執(zhí)行電動機應能方便的實現(xiàn)連續(xù)地、平滑地、可逆調(diào)速，對控制信號反應快捷。 執(zhí)行電動機必須適應機械系統(tǒng)工作的特點與環(huán)境條件，它的機械結構尺寸、安裝固定方式必須滿足總體的合理配置，以便于安裝調(diào)整和使用維護。,一、執(zhí)行電動機選擇計算步驟,由于不同種類的執(zhí)行電動機調(diào)速方法不同、所需電源不同、驅(qū)動的功率放大裝置更是多種多樣，因此它們的機械特性、調(diào)速特性、過載能力、控制電路的復雜程度、驅(qū)動功率的大小、以及構成系統(tǒng)的總成本，都各不相同，需要認真地具體分析比較確定。 要按前述機械系統(tǒng)參數(shù)的等效折算方法，把多軸傳動折算成等效的單軸傳動。,2 執(zhí)行電動機選擇

55、計算步驟 （1）確定執(zhí)行電動機驅(qū)動負載 執(zhí)行電動機的驅(qū)動負載是前述機械系統(tǒng)中各種運動負載等效折算的綜合總負載與電動機本身摩擦負載和慣性負載等之和。 （2）選擇執(zhí)行電動機 1）單軸傳動執(zhí)行電動機的選擇 電動機軸直接與被控對象（終端執(zhí)行機構）的轉(zhuǎn)軸相聯(lián)稱為單軸傳動。此時電動機承受的總負載只需簡單的相加便可得到。 2）多軸傳動執(zhí)行電動機的選擇 多數(shù)系統(tǒng)執(zhí)行電動機與被控對象之間有減速傳動裝置，減速比i1，這種帶減速傳動裝置的傳動形式稱之為多軸傳動。要按前述參數(shù)的等效折算方法折算成等效的單軸傳動。,（3）執(zhí)行電動機的特性參數(shù)計算 執(zhí)行電動機的種類多、型號多、生產(chǎn)廠家也多，所提供的產(chǎn)品技術參數(shù)也不一致，因

56、此選擇電機時，必須作相應的換算。 1）永磁式直流力矩電動機的特性參數(shù) 電動機輸出參數(shù)：峰值堵轉(zhuǎn)力矩Tmbl、最大空載轉(zhuǎn)速nmo、連續(xù)堵轉(zhuǎn)力矩Tcbl ； 電動機輸入?yún)?shù)：峰值堵轉(zhuǎn)電流Imbl和電壓Um，連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流Icbl和電壓Uc ； 電動機自身參數(shù)：電勢系數(shù)Ce，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量Jr，電磁時間常數(shù)Ti。,永磁式直流力矩電動機機械特性的繪制,電動機的理想空載轉(zhuǎn)速為,根據(jù)理想載轉(zhuǎn)速,和峰值轉(zhuǎn)力矩,可得電動機輸入堵轉(zhuǎn)電壓,機械特性，其空載轉(zhuǎn),為,電動機自身的摩擦力矩為,永磁式直流力矩電動機機械特性的繪制,2）直流伺服電動機的特性參數(shù) 電動機的輸出參數(shù)：額定轉(zhuǎn)矩Tnom、額定轉(zhuǎn)速nnom、額定功率Pnom ； 電動機的輸入?yún)?shù)：電樞額定電壓Unom、額定電流Inom、激勵電壓Uf和激