机电一体化第2章-机械系统设计(2滚珠丝杠.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2,机械系统设计,-,机械传动装置滚珠丝杠副,第二章 机电一体化系统的机械系统部件的选择与设计,了解伺服控制对机械传动系统的要求,了解系统传动精度的主要影响因素和减小传动误差的主要措施,了解机械系统数学模型的建立方法，,掌握惯量、阻尼、刚度、间隙等参数对机械传动系统特性的影响,掌握机电一体化系统中，常用传动机构的特点及其选用和设计方法。,重点,学习,怎样为系统选择合理的传动方案、合适的传动元件，而不是具体传动元件的结构设计。,学习目的与要求,2.6,2.5,2.4,2.3,2.2,机械传动部件的选择与设计,2.1,机械系统的选择与设计要求,本 章 内 容,导向支承部件的选择与设计,旋转支承部件的选择与设计,轴系部件的选择与设计,机电一体化系统的机座或机架,1.,机械系统,机械系统,一般由减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向支承部件、旋转支承部件、轴系及架体等机构组成。,2.1,机械系统的选择与设计要求,2.,机械系统的组成,1,）传动机构,不仅是转速和转矩的变换器,而且已成为伺服系统的一,部分,它要根据伺服控制的要求进行选择设计,以满足整个机械系统良好的伺服性能。,2,）导向机构,导向机构的作用是支承和导向,它为机械系统中各运动装置能安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障,一般指导轨、轴承等。,3,）执行机构,执行机构是用来完成操作任务的直接装置。执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下,完成预定的操作。,导轨设计,支承装置,主轴组件设计,机械设计技术,机械传动装置设计,机械结构设计,滚珠丝杠传动,无侧隙齿轮传动,谐波齿轮传动,同步齿形带传动,膜片弹性联轴器,3.,对机械系统的要求,除要求具有,较高的定位精度,之外，还应具有良好的,动态响应特性,，就是说,响应要快、稳定性要好,。,在设计中，常提出,无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比,等要求。,此外还要求机械系统具有较大的刚度，良好的耐磨、减摩性和可靠性，消震和低噪音，重量轻、体积小、寿命长。,4.,满足要求的措施,1),采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件。,2),缩短传动链，提高传动与支承刚度。,3),选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。,4),缩小反向死区误差。,5),改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声。,常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动、各种非线性传动部件等。,其主要功能是,传递转矩,和,转速,，因此，它实质上是一种转矩、转速变换器，其目的是使执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。,应设计和选择传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。,2.2,机械传动部件的选择与设计,一、机械传动部件及其功能要求,传动机构的技术要求：,1),精密化,对某种特定的机电一体化系统,(,或产品,),来说，应根据其性能的需要提出适当精密度要求。,2),高速化,产品工作效率的高低，直接与机械传动部件的运动速度相关。,3),小型化、轻量化,提高运动灵敏度,(,快速响应性,),、减小冲击、降低能耗。为与微电子部件的微型化相适应，也要尽可能做到使机械传动部件短小轻薄化。,丝杠螺母机构,又称,螺旋传动机构。,主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。,以,传递能量,为主的有螺旋压力机、千斤顶等,以,传递运动,为主的有工作台的进给丝杠，,还有,调整零件之间相对位置,的螺旋传动机构等。,二、,丝杠螺母机构基本传动形式,（,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。,（,4,）丝杠螺母传动的类型,图,2-1,丝杠螺母机构基本传动形式,图,2-2,丝杠螺母机构差动传动的工作原理,1,反向器,2,螺母,3,丝杆,4,滚珠,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。,为了在滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。,为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。,三、滚珠丝杠副传动部件,1.,滚珠丝杠副的特点,传动效率高,运动平稳,工作寿命长,定位精度和重复定位精度高,同步性好,可靠性高,不能自锁,制造工艺复杂,2.,滚珠丝杠副的典型结构类型,从螺纹,滚道的截面形状,、,滚珠的循环方式,和,消除轴向间隙的调整方法,进行区别。,(,1,),螺纹滚道型,面,(,法向,),的形状及主要尺寸,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,圆弧滚道,单圆弧滚道,(2),滚珠的循环方式,内循环：,滚珠在循环过程中始终与丝杆表面保持接触,优点,是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。,缺点,是反向器加工困难、装配调整也不方便。,图,2-6,浮动式反向器内循环方式,外循环：,滚珠在循环返向时，离开丝杆螺纹滚道，在螺母体内或体外作循环运动。可分螺旋帽式、插管式、端盖式。,优点,是结构简单、工艺性好。,缺点,是滚道吻接和弯曲处四角不易准确制作而影响其性能，故应用较少。常以单螺母形式用作升降传动机构。,图,2-8,插管式外循环,图,2-9,端盖式外循环,3.,滚珠丝杠副的主要尺寸参数,图,2-10,主要尺寸参数,公称直径,d,0,：,滚珠与螺纹滚道在理论接魁角状态时包络滚珠球心的圆柱直径。它是滚珠丝杠副的特征尺寸。,基本导程,P,h,(,或螺距,t,),：,丝杆相对螺母旋转,2,弧度时，螺母上基准点的轴向位移。,行程,l,：,丝杆相对于螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点的轴向位移。,此外还有,丝杆螺纹外径,d,1,、,丝杆螺纹底径,d,2,、,滚珠直径,D,w,、,螺母螺纹大径,D,2,、,螺母螺纹小径,D,3,、,丝杆螺纹全长,l,s,等。,4.,滚珠丝杠的精度等级及标注方法,主要尺寸,标称直径、导程、螺旋升角等。,精度等级,标准规定分为,7,个等级：,1,、,2,、,3,、,4,、,5,、,7,、,10,级），,1,级最高，,10,级最低。,标注方法,国标。按图,2-11,给定顺序标注,5.,滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧,滚珠丝杠副的轴向间隙是承载时在滚珠与滚道型面接触点的弹性变形所引起的,螺母位移量,和,螺母原有间隙,的总和。,当丝杠改变转动方向时，间隙会使运动产生空回，从而影响机构的传动精度和系统稳定性。通常采用,双螺母预紧,或,单螺母（大滚珠、大导程）,的方法，减小或消除轴向间隙，提高滚珠丝杠副的刚度。,(1,),双螺母螺纹预紧调整式,螺母,3,的外端有凸缘，而螺母,4,的外端虽无凸缘，但制有螺纹，并通过二个圆螺母固定。调整时旋转圆螺母,2,消除轴向间隙并产生一定的预紧力，然后用锁紧螺母,1,锁紧。预紧后两个螺母中的滚珠相向受力，从而消除轴向间隙。其,特点,是结构简单、刚性好、预紧可靠，使用中调整方便，但不能精确定量地进行调整。,(2,),双螺母齿差项紧调整式,两个螺母的两端分别制有圆柱齿轮,3,，二者齿数相差一个齿，通过二端的两个内齿轮,2,与上述圆柱齿轮相啮合并用螺钉和定位销固定在套筒,1,上。调整时先取下二端的内齿轮,2,，当二个滚珠螺母相对于套筒同一方向转动同一个齿后固定后，则一个滚珠螺母相对于另一个滚珠螺母产生相对角位移，使二个滚珠螺母产生相对移动，从而消除间隙并产生一定的预紧力。其,特点,是可实现定量调整即可进行精密微调,(,如,0.002mm),，使用中调整较方便。,(3,),双螺母垫片调整预紧式,调整垫片,l,的厚度，可使两螺母,2,产生相对位移，以达到消除间隙、产生预紧拉力之目的。其,特点,是结构简单刚度高、预紧可靠，但使用中调整不方便。,双螺母中一个活动另一个固定，用弹簧使其间始终具有产生轴向位移的推动力，从而获得预紧力。结构复杂、轴向刚度低，适合用于轻载场合,。,（,4,）,弹簧式自动调隙,(5),单螺母变位导程自顶紧式和单螺母滚珠过盈预紧式,(1),支承方式,6.,滚珠丝杠副支承方式的选择,丝杠的轴承组合及轴承座、螺母座以及其它零件的连接刚性，对滚珠丝杠副传动系统的刚度和精度都有很大影响，需在设计、安装时认真考虑。,为了提高轴向刚度，丝杠支承常用推力轴承为主的轴承组合，仅当轴向载荷很小时，才用向心推力轴承。浮动支承多采用深沟球轴承，,60,角接触推力球轴承应用广泛，其次是滚针和推力滚子组合轴承，多用于大型重型机床。以下列出了四种典型支承方式及其特点。,1,）单推,单推,1,轴向刚度较高；,2,预拉伸安装时，须加载荷较大，轴承寿命比双推,-,双推式低；,3,适宜中速、精度高，并可用双推,单推组合。,两端都装止推轴承，承受轴向载荷,1,轴向刚度最高；,2,预拉伸安装时，须加载荷较小，轴承寿命较高,3,适宜高速、高刚度、高精度。,2,）双推,双推,两端都装止推轴承和向心球轴轴承，承受轴向、径向载荷,1,轴向刚度不高，与螺母位置有关；,2,双推端可预拉伸安装；,3,适宜中速、精度较高的长丝杠。,3,）双推,简支,固定端装深沟球轴承和双向推力轴承，承受径向、轴向载荷；,简支端用深沟球轴承径向约束,1,轴向刚度低，与螺母位置有关；,2,双推端可预拉伸安装；,3,适宜中小载荷与低速，更适宜垂直安装，短丝杠。,4,）双推,自由,固定可以用深沟球轴承和双向推力轴承组合或用圆锥滚子轴承,(2),轴承的组合安装支承示例,(3),制动装置,作用：在垂直安装或在高速移动定位时，防止滚珠丝杠副逆转发生不安全事故或定位不可靠（无自锁能力）。,7.,滚珠丝杠副的密封与润滑,类型：防尘密封圈或防护套密封,润滑剂：润滑油和润滑脂,作用：使用润滑剂来提高其耐磨性及传动效率，从而维持其传动精度、延长其使用寿命。,密封：,接触式密封（动或静密封）和非接触式密封（迷宫式密封）。,防尘与防护：,折叠式防尘套、伸缩式防尘套、伸缩挡板防尘装置等。,8.,滚珠丝杠副的选择方法,根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，可选择适当的结构型式。,(1),滚珠丝杠副结构的选择,单圆弧螺纹滚道的单螺母丝杠副,以动力传动为主，允许传动存在一定间隙，且垂直安装。常用在高精度压力设备上（导向精度由导轨保证）。,单圆弧螺纹滚道的双螺母丝杠副,主要用在传递轻载荷、对传递动力的平稳性和丝杆刚度要求比高（预紧力较小）的小型设备上。,双圆弧螺纹滚道的双螺母丝杠副,主要用于重载，以传递动力和运动为主，对传递动力和运动的平稳性有较高的要求，传递精度高、丝杠刚度大防尘效果好的高精度机器设备上。,(2),滚珠丝杠副结构尺寸的选择,主要依据滚珠丝杠副传递的最大载荷、运动特性（传递速度）和范围（有效行程）、传递精度要求，选定滚珠丝杠副的公称直径、基本导程以及传递精度等级。,公称直径,d,0,应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸系列选择。螺纹长度,ls,在允许的情况下要尽量短，一般取,ls,d,o,小于,30,为宜；,基本导程,lo,(,或螺距,t,),应按承载能力、传动精度及传动速度选取，,l,o,大承载能力也大，,l,0,小传动精度较高。要求传动速度快时，可选用大导程滚珠丝杠副,。,确定基本参数的原则,公称直径大，承载能力强；反之，承载能力弱。,基本导程大，承载能力强，传动速度快，传动精度降低；反之，承载能力减弱，传动速度慢，传动精度高。,传递精度：决定设备静态定位和运动精度、动态响应特性、动态稳定特性。,(3),滚珠丝杠副的选取步骤,已知条件是：,最大工作载荷,F,max,或平均工作载荷,F,(N);,丝杠副的使用寿命,T,(h),；,丝杠的工作长度（或螺母的有效长度）,l,(mm);,丝杠的转速,n,(r/min);,滚道硬度,HRC,及运转情况。,1),承载能力选择。,计算作用于丝杠轴向最大动载荷,F,Q,，然后根据,F,Q,值选择丝杠副的型号。,式中：,L-,滚珠丝,杠,寿命系数,(,单位为,l 106,转，如,1.5,则为,150,万转,),。,L,60,nT,106,。,(,其中,T,为使用寿命时间,h),，普通机械为,5000,一,10000h,、数控机床及其它机电一体化设备及仪器装置为,15000 h,、航空机械为,1000h;,载 荷 系数,无冲击平稳运转,一般运转,有冲击和振动运转,f,w,11.2,1.21.5,1.52.5,硬度系数,HRC,58,55,50,45,40,f,H,1.0,1.11,1.56,2.4,3.85,F,k,实际承受载荷的能力；,f,k,压杆稳定的支承系数,(,双推,双推时为,4,，单推,-,双推为,1,，双推,简支时为,2,，双推,自由式时为,0.25),；,E,钢的弹性模量,2.1105MPa,；,I,丝杠小径,d,2,的截面惯性矩；,K,压杆稳定安全系数，一般取为,2.5 4,，垂直安装时取小值。,2),压杆稳定性核算,。,3),刚度的验算。,式中：,E,钢的弹性模量，,2.1x105MPa,S,丝杠的最小截面积，,cm2,；,M,扭矩，,Ncm,；,I,丝杠的小径,dl,的截面惯性矩,精度要求；,L,的单位为,cm,；,“”号用于拉伸时，,“,”,号用于压缩时。,在丝杠副精度标准中一般规定每一米弹性变形所允许的基本导程误差值。,例：,试设计一数控机床工作台进给用滚珠丝杠副。已知丝杠副支撑方式为双推,-,双推，受轻度冲击，最大工作载荷,Fmax,4800N,，丝杠工作长度,l,s,1.5m,，平均转速,n,150r/min,，使用寿命,T,14000h,左右，丝杠材料为,CrWMn,钢，滚道硬度为,55HRC,，丝杠的弹性模量 ，传动精度要求,=0.05mm,。,规格型号,公称直径,d,0,（,mm,）,公称导程,p,（,mm,）,丝杠外径,d,1,（,mm,）,钢球直径,d,W,（,mm,）,丝杠底径,d,2,（,mm,）,动负荷,F,Q,(KN),FFZD3210-3,32,10,32.5,7.144,27.3,25.7,FFZD4008-5,40,8,45.9,4,42.9,26.2,FFZD5506-5,55,6,50.9,4,46.8,28.4,解：,1,）承载能力选择,：,选,FFZD5506-5,，其中：,公称直径：,d,0,=50mm,导程：,p,=6mm,丝杠内径：,d,2,=46.8mm,K,压杆稳定系数，一般取,2.5-4,，这里选,3,f,k,压杆稳定支撑系数，双推,-,双推选,4,2),稳定性验算：,丝杠是安全的，不会失稳。,3,）刚度验算：,滚珠丝杠在工作负载,F,（,N,）,和转矩,T,（,Nm,）,共同作用下引起每个导程的变形量 （,m,）,为,式中：,S,丝杠的截面积,M,转矩,（,Nm,）,按最不利的情况，,即取,F=Fm,，,则,丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为,通常要求丝杠的导程误差应小于其传动精度的,1/2,，即,