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机械技术

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第六章机械技术
第一节概述机电一体化系统的机械系统是由计算机信息网络协调与控制的,与一般的机械系统相比、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.一个典型的机电一体化系统通常由控制部件,接口电路,功率放大电路,执行元件,机械传动部件,导向支承部件,以及检测传感部件等部分组成.这里所说的机械系统,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.为确保机械系统的传动精度和工作稳定性,通常对机电一体化系统提出以下要求:
(1) 高精度精度直接影响产品的质量,尤其是机电一体化产品、其技术性能,工艺水平和功能比普通的机械产品都有很大的提高,因此机电一体化机械系统的高精度是其首要的要求.如果机械系统的精度不能满足要求,则无论机电一体化产品其它系统工作怎样精确,也无法完成其预定的机械操作.
(2) 快速响应性即要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的任务之间的时间间隔短、这样控制系统才能及时根据机械系统的运行状态信息,下达指令,使其准确地完成任务.
(3) 良好的稳定性即要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响、抗干扰能力强.
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.
本章将机电一体化机械系统分成机械传动和支承部件两大部分,分别介绍较典型的传动部件,旋转和导向支承部件等的总体布局、机构选型,结构设计的优化等基本问题.
第二节机械传动同步带传动同步带传动早在1900年已有人研究并多次提出专利,但其实用化却是在二次世界大战以后.由于同步带是一种兼有链,齿轮,三角胶带优点的传动零件,随着二次大战后工业的发展而得到重视,于1940年由美国尤尼罗尔(Unirayal)橡胶公司首先加以开发.1946年辛加公司把同步带用于缝纫机针和缠线管的同步传动上,取得显著效益,并被逐渐引用到其他机械传动上.同步带传动的开发和应用,至今仅60余年,但在各方面已取得迅速进展.
(一)分类
1.按用途分(1) 一般工业用同步带传动即梯形齿同步带传动(图6-1).它主要用于中、小功率的同步带传动,如各种仪器,计算机、轻工机械中均采用这种同步带传动.
(2) 高转矩同步带传动又称HTD带(High Torque Drive)或STPD带传动(Super Torque Positive Drive).由于其齿形呈圆弧状(图6-2),在我国通称为圆弧齿同步带传动.它主要用于重型机械的传动中、如运输机械(飞机、汽车),石油机械和机床,发电机等的传动.
图6-1 同步带传动(3) 特种规格的同步带传动这是根据某种机器特殊需要而采用的特种规格同步带传动,如工业缝纫机用的,汽车发动机用的同步带传动.
(4) 特殊用途的同步带传动即为适应特殊工作环境制造的同步带.
2.按规格制度分(1) 模数制同步带主要参数是模数m(与齿轮相同)、根据不同的模数数值来确定带的型号及结构参数.在60年代该种规格制度曾应用于日,意,苏等国,后随国际交流的需要、各国同步带规格制度逐渐统一到节距制.目前仅前苏联及东欧各国仍采用模数制.
图6-2 同步带截面形状Pb节距ht齿厚hs带厚(2) 节距制即同步带的主要参数是带齿节距、按节距大小不同、相应带,轮有不同的结构尺寸.该种规格制度目前被列为国际标准.
由于节距制来源于英,美,其计量单位为英制或经换算的公制单位.
(3) DIN米制节距DIN米制节距是德国同步带传动国家标准制定的规格制度.其主要参数为齿节距、但标准节距数值不同于ISO节距制,计量单位为公制.在我国,由于德国进口设备较多,故DIN米制节距同步带在我国也有应用.
随着人们对齿形应力分布的解析,开发出了传递功率更大的圆弧齿(图6-3b),紧接着人们根据渐开线的展成运动,又开发出了与渐开线相近似的多圆弧齿形,使带齿和带轮能更好的啮合(图6-3c),使得同步带传动啮合性能和传动性能得到进一步优化,且传动变得更平稳,精确,噪音更小.三种齿形传递能力、噪音水平,打滑扭矩的比较如图6-4.
图6-3 同步带齿形的变迁a梯形齿b圆弧齿c近似渐开线齿图6-4 三种齿形比较(二) 同步带传动的优缺点
1.工作时无滑动,有准确的传动比同步带传动是一种啮合传动,虽然同步带是弹性体,但由于其中承受负载的承载绳具有在拉力作用下不伸长的特性,故能保持带节距不变,使带与轮齿槽能正确啮合,实现无滑差的同步传动,获得精确的传动比.
2.传动效率高,节能效果好由于同步带作无滑动的同步传动,故有较高的传动效率,一般可达0.98.它与三角带传动相比、有明显的节能效果.
3.传动比范围大,结构紧凑同步带传动的传动比一般可达到l0左右,而且在大传动比情况下,其结构比三角带传动紧凑.因为同步带传动是啮合传动,其带轮直径比依靠摩擦力来传递动力的三角带带轮要小得多,此外由于同步带不需要大的张紧力、使带轮轴和轴承的尺寸都可减小.所以与三角带传动相比、在同样的传动比下,同步带传动具有较紧凑的结构.
4.维护保养方便,运转费用低由于同步带中承载绳采用伸长率很小的玻璃纤维,钢丝等材料制成,故在运转过程中带伸长很小,不需要像三角带,链传动等需经常调整张紧力.此外,同步带在运转中也不需要任何润滑,所以维护保养很方便,运转费用比三角带,链,齿轮要低得多.
5.恶劣环境条件下仍能正常工作尽管同步带传动与其它传动相比有以上优点、但它对安装时的中心距要求等方面极其严格,同时制造工艺复杂,制造成本高.
(三) 同步带的结构和尺寸规格
1.同步带结构如图6-5所示、同步带一般由承载绳,带齿,带背和包布层组成.工业用同步带带轮及截面形状如图6-6,图6-7所示.图6-5 同步带结构1带背2承载绳3带齿4包布带图6-6 常用同步带轮结构a)RPP同步带b)梯形齿同步带c)圆弧齿同步带d)梯形齿双面同步带e)圆弧齿双面同步带f)交错双面齿同步带图6-7 常用同步带结构
2.同步带规格型号根据国标GBTGBT我国同步带型号及标记方法分别如表6-1和图6-8所示.
(四) 同步带的设计计算
1.失效形式和计算准则
同步带传动主要失效形式有:
(1) 承载绳断裂原因是带型号过小和小带轮直径过小等.表6-1 同步带型号型号名称节距mminMXL(Minima Extra Extra Light)XL(Extra Extra Heavy)最轻型超轻型特轻型轻型重型特重型最重型
12.700
22.225
31.750
0.5(12)
1.25 图6-8 同步带标记举例(a) 单面齿同步带标记(b) 双面齿同步带标记(2) 爬齿和跳齿原因是同步带传递的圆周力过大,带与带轮间的节距差值过大,带的初拉力过小等.
(3) 带齿的磨损原因是带齿与轮齿的啮合干涉、带的张紧力过大等.
(4) 其他失效方式带和带轮的制造安装误差引起的带轮棱边磨损,带与带轮的节距差值太大和啮合齿数过少引起的带齿剪切破坏,同步带背的龟裂,承载绳抽出和包布层脱落等.
在正常的工作条件下,同步带传动的设计准则是在不打滑的条件下,保证同步带的抗拉强度.在灰尘杂质较多的条件下,则应保证带齿的一定耐磨性.
2.同步带传动的设计计算步骤
设计同步带传动的已知条件为:Pm 需要传递的名义功率;n1,n2 主从动轮的转速或传动比;传动部件的用途、工作环境和安装位置等.根据以上条件,按以下步骤进行设计计算,详细设计过程请参照相关手册.
(1) 确定带的设计功率;
(2) 选择带型和节距;
(3) 确定带轮齿数和节圆直径;
(4) 确定同步带的节线长度,齿数及传动中心距;
(5) 校验同步带和小带轮的啮合齿数;
(6) 确定实际所需同步带宽度;
(7) 带的工作能力验算.
二、齿轮传动(一) 齿轮传动系统的总传动比及其分配设计机电一体化齿轮传动系统,主要是研究它的动力学特性,从而获得高精度,高稳定性,高速性,高可靠性和低噪声的齿轮传动系统.
1.最佳总传动比首先把传动系统中的工作负载,惯性负载和摩擦负载综合为系统的总负载,方法有:
(1) 峰值综合:若各种负载为非随机性负载,将各负载的峰值取代数和.
(2) 均方根综合:若各种负载为随机性负载,取各负载的均方根.
负载综合时,要转化到电机轴上,成为等效峰值综合负载转矩或等效均方根综合负载转矩.使等效负载转矩最小或负载加速度最大的总传动比、即为最佳总传动比.
2.总传动比分配齿轮系统的总传动比确定后,根据对传动链的技术要求,选择传动方案,使驱动部件和负载之间的转矩,转速达到合理匹配.若总传动比较大,又不准备采用谐波,少齿差等传动,需要确定传动级数,并在各级之间分配传动比.单级传动比增大使传动系统简化,但大齿轮的尺寸增大会使整个传动系统的轮廓尺寸变大.可按下述三种原则适当分级,并在各级之间分配传动比.
(1) 最小等效转动惯量原则利用该原则所设计的齿轮传动系统,换算到电机轴上的等效转动惯量为最小.
图6-9 二级减速传动设有一小功率电机驱动的二级齿轮减速系统,如图6-9所示.设其总传动比为.若先假设各主动小齿轮具有相同的转动惯量,各齿轮均近似看成实心圆柱体,齿宽,比重均相同、其转动惯量为、如不计轴和轴承的转动惯量,则根据系统动能不变的原则,等效到电机轴上的等效转动惯量为:
(6-1)因为、所以,即,(6-2)令,则,得到当时,
对于级齿轮传动系作同类分析可得:
其中、(2) 重量最轻原则对于小功率传动系统,使各级传动比、即可使传动装置的重量最轻.由于这个结论是在假定各主动小齿轮模数,齿数均相同的条件下导出的,故所有大齿轮的齿数,模数也相同、每级齿轮副的中心距离也相同.上述结论对于大功率传动系统是不适用的,因其传递扭矩大,故要考虑齿轮模数,齿轮齿宽等参数要逐级增加的情况,此时应根据经验、类比方法以及结构紧凑之要求进行综合考虑.各级传动比一般应以先大后小原则处理.
(3) 输出轴转角误差最小原则为了提高机电一体化系统中齿轮传动系统传递运动的精度,各级传动比应按先小后大原则分配、以便降低齿轮的加工误差,安装误差以及回转误差对输出转角精度的影响.设齿轮传动系统中各级齿轮的转角误差换算到末级输出轴上的总转角误差为、则(6-3)
式中:第个齿轮所具有的转角误差;
第个齿轮的转轴至第级输出轴的传动比.比如对于一个四级齿轮传动系统,设各齿轮的传动误差分别为、则换算到末级输出轴上的总转角误差为:
(6-4)上述计算对小功率传动比较符合实际、而对于大功率传动,由于转矩较大,需要按其它法则进行计算.
综上所述,设计定轴齿轮传动系统,在确定总传动比、确定传动级数和分配传动比时,要根据系统的工作条件和功能要求,在考虑上述三个原则的同时,考虑其可行性和经济性,合理分配传动比.
(二) 齿轮传动间隙的调整方法常用的调整齿侧间隙的方法有以下几种.
1.圆柱齿轮传动(1) 偏心套(轴)调整法如图6-10所示、将相互啮合的一对齿轮中的一个齿轮4装在电机输出轴上,并将电机2安装在偏心套1(或偏心轴)上,通过转动偏心套(偏心轴)的转角,就可调节两啮合齿轮的中心距、从而消除圆柱齿轮正,反转时的齿侧间隙.特点是结构简单,但其侧隙不能自动补偿.
图6-10 偏心套式间隙消除机构1偏心套2电动机3减速箱4,5减速齿轮(2) 轴向垫片调整法如图6-11所示、齿轮1和2相啮合,其分度圆弧齿厚沿轴线方向略有锥度,这样就可以用轴向垫片3使齿轮2沿轴向移动,从而消除两齿轮的齿侧间隙.装配时轴向垫片3的厚度应使得齿轮1和2之间既齿侧间隙小,运转又灵活.特点同偏心套(轴)调整法.
图6-11 圆柱齿轮轴向垫片间隙消除机构(3) 双片薄齿轮错齿调整法这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个做成宽齿轮,另一个用两片薄齿轮组成.采取措施使一个薄齿轮的左齿侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左,右两侧,以消除齿侧间隙,反向时不会出现死区、具体调整措施如下:
周向弹簧式(图6-12) 在两个薄片齿轮2和4上各开了几条周向圆弧槽,并在齿轮3和4的端面上有安装弹簧2的短柱1.在弹簧2的作用下使薄片齿轮3和4错位而消除齿侧间隙.这种结构形式中的弹簧2的拉力必须足以克服驱动转矩才能起作用.因该方法受到周向圆弧槽及弹簧尺寸限制,故仅适用于读数装置而不适用于驱动装置.
可调拉簧式(图6-13) 在两个薄片齿轮1和2上装有凸耳3,弹簧的一端钩在凸耳3上,另一端钩在螺钉7上.弹簧4的拉力大小可用螺母5调节螺钉7的伸出长度,调整好后再用螺母6锁紧.
图6-12 薄片齿轮周向拉簧错齿调隙机构图6-13 可调拉簧式调隙机构
2.斜齿轮传动消除斜齿轮传动齿轮侧隙的方法与上述错齿调整法基本相同、也是用两个薄片齿轮与一个宽齿轮啮合,只是在两个薄片斜齿轮的中间隔开了一小段距离,这样它的螺旋线便错开了.图6-14a是薄片错齿调整机构,其特点是结构比较简单,但调整较费时,且齿侧间隙不能自动补偿,图6-14b是轴向压簧错齿调整机构,其特点是齿侧隙可以自动补偿,但轴向尺寸较大,结构欠紧凑.
(a) 薄片错齿调隙机构(b) 轴向压簧错齿调隙机构图6-14 斜齿轮调隙机构
1,2薄片齿轮3宽齿轮4调整螺母5弹簧6垫片
3.锥齿轮传动(1) 轴向压簧调整法轴向压簧调整法原理如图6-15,在锥齿轮4的传动轴7上装有压簧5,其轴向力大小由螺母6调节.锥齿轮4在压簧5的作用下可轴向移动,从而消除了其与啮合的锥齿轮l之间的齿侧间隙.
(2) 周向弹簧调整法周向弹簧调整法原理如图6-16,将与锥齿轮3啮合的齿轮做成大小两片(1,2),在大片锥齿轮1上制有三个周向圆弧槽8,小片锥齿轮2的端面制有三个可伸入槽8的凸爪7.弹簧5装在槽8中、一端顶在凸爪7上,另一端顶在镶在槽8中的镶块4上.止动螺钉6装配时用,安装完毕将其卸下,则大小片锥齿轮1,2在弹簧力作用下错齿,从而达到消除间隙的目的.
图6-15 锥齿轮轴向压簧调隙机构图6-16 锥齿轮周向弹簧调隙机构
1,4锥齿轮2,3键5压簧6螺母7轴1大片锥齿轮2小片锥齿轮3锥齿轮4镶块5弹簧6止动螺钉7凸爪8槽
4.齿轮齿条传动机构在机电一体化产品中对于大行程传动机构往往采用齿轮齿条传动,因为其刚度,精度和工作性能不会因行程增大而明显降低,但它与其它齿轮传动一样也存在齿侧间隙,应采取消隙措施.
当传动负载小时,可采用双片薄齿轮错齿调整法,使两片薄齿轮的齿侧分别紧贴齿条的齿槽两相应侧面,以消除齿侧间隙.
当传动负载大时,可采用双齿轮调整法.如图6-17所示、小齿轮1,6分别与齿条7啮合,与小齿轮1,6同轴的大齿轮2,5分别与齿轮3啮合,通过预载装置4向齿轮3上图6-17 齿轮齿条的双齿轮调隙机构
1,6小齿轮2,5大齿轮3齿条4预载装置7齿条预加负载,使大齿轮2,5同时向两个相反方何转动,从而带动小齿轮1,6转动,其齿面便分别紧贴在齿条7上齿槽的左,右侧,消除了齿侧间隙.
三、谐波齿轮传动谐波齿轮传动具有结构简单,传动比大(几十~几百),传动精度高,回程误差小,噪声低,传动平稳,承载能力强、效率高等优点、故在工业机器人、航空、火箭等机电一体化系统中日益得到广泛的应用.
(一)谐波齿轮传动的工作原理谐波传动是建立在弹性变形理论基础上的一种新型传动,它的出现为机械传动技术带来了重大突破.图6-18所示为谐波齿轮传动的示意图.它由三个主要构件所组成,即具有内齿的刚轮l,具有外齿的柔轮2和波发生器3.这三个构件和少齿差行星传动中的中心内齿轮,行星轮和系杆相当.通常波发生器为主动件,而刚轮和柔轮之一为从动件,另一个为固定件.当波发生器装入柔轮内孔时,由于前者的总长度略大于后者的内孔直径,故柔轮变为椭圆形,于是在椭圆的长轴两端产生了柔轮与刚轮轮齿的两个局部啮合区;同时在椭圆短轴两端,两轮轮齿则完全脱开.至于其余各处,则视柔转方向的不同、或处于啮合状态、或处于非啮合状态.当波发生器连续转动时,柔轮长短轴的位置不断交化,从而使轮齿的啮合处和脱开处也随之不断变化,于是在柔轮与刚轮之间就产生了相对位移,从而传递运动.
在波发生器转动一周期间,柔轮上一点变形的循环次数与波发生器上的凸起部位数是一致的,称为波数.常用的有两波和三波两种.为了有利于柔轮的力平衡和防止轮齿干涉、刚轮和柔轮的齿数差应等于波发生器波数(即波发生器上的滚轮数)的整倍数,通常取为等于波数.
由于在谐波齿轮传动过程中、柔轮与刚轮的啮合过程与行星齿轮传动类似,故其传动比可按周转轮系的计算方法求得.
图6-18 谐波齿轮啮合原理1刚轮2柔轮3波发生器(二)谐波齿轮传动的传动比计算与行星齿轮轮系传动比的计算相似,由于(6-5)式中、分别为刚轮,柔轮和波形发生器的角速度;,分别为刚轮和柔轮的齿数.
1.当柔轮固定时,则,设,时,则.结果为正值,说明刚轮与波形发生器转向相同.
2. 当刚轮固定时,则(6-7)设,时,则.结果为负值,说明柔轮与波形发生器转向相反.
(三)谐波齿轮减速器产品及选用目前尚无谐波减速器的国标,不同生产厂家标准代号也不尽相同.以XBl型通用谐波减速器为例,其标记代号如图6-19所示.表6-2为XBl型通用谐波减速器产品系列.
例如:XBG:表示单级,卧式安装、具有水平输出轴,机型为120,减速比为l 00,最大回差为6,G表示油脂润滑.
图6-19 谐波齿轮减速器标记示例设计者也可根据需要单独购买不同减速比、不同输出转矩的谐波减速器中的三大构件(如图6-20所示)、并根据其安装尺寸与系统的机械构件相联结.图6-21为小型谐波齿轮减速器结构图.
谐波齿轮减速机选用说明:
1. 样本中的图表参数为标准产品、用户选型时需确定以下三项参数:
(1)传动比或输出转速(rmin)
(2)减速机输入功率(kw)表6-2 XB1谐波减速器部分技术参数机型减速比u输入转速3000 rpm输入转速1500 rpm输入转速1000 rpm输出力矩输出转速n2 rpm额定输入功率p kW
0.1127
0.194 图6-20 谐波减速器三大构件图6-21 谐波减速器结构(3)额定输入转速(rmin)
2. 如减速机输入转速是可调的,则在选用减速机型号时应分别确定:
工作条件为恒功率时按最低转速选用机型;工作条件为恒扭矩时,按最高转速选用机型.订货时须说明是否与电机直联、电机型号及参数.
3. 选用减速机输入功率与输出扭矩的计算:
(6-8)
(6-9)
式中:P 减速机额定输入功率(KW)T减速机额定输出扭矩(Nm)KA 工作情况系数(见表6-3)表6-3 XB1谐波减速器工作情况系数原动机负荷性质每日工作时间(小时)>12>210>1024电动机轻微冲击中等冲击较大冲击或惯性冲击
2.00
4. 减速机输出轴装有齿轮,链轮,三角皮带轮及平皮带轮时,需要校验轴伸的悬臂负荷,校验公式为(6-10)
式中:D齿轮,链轮,皮带轮的节圆直径(m)FR悬臂负荷系数(齿轮FR=1.5;链轮FR=1.2;三角皮带轮FR=2;平皮带轮FR=2.5)当悬臂负荷小于或等于许用悬臂负荷(见表6-4),即时, 即可通过.
表6-4 XB1谐波齿轮减速机轴伸许用悬臂负荷许用悬臂负荷F
17000
5. 如减速机使用在有可能发生过载的工作场合,应安装过载保护装置.
四、滚珠螺旋传动滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量的滚珠,使螺纹间产生滚动摩擦.丝杠转动时,带动滚珠沿螺纹滚道滚动.螺母上设有返向器,与螺纹滚道构成滚珠的循环通道.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.
滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或其它直线运动副相比、有下列特点:
(1)传动效率高一般滚珠丝杠副的传动效率达90~95,耗费能量仅为滑动丝杆的13.
(2)运动平稳滚动摩擦系数接近常数,启动与工作摩擦力矩差别很小.启动时无冲击,预紧后可消除间隙产生过盈,提高接触刚度和传动精度.
(3)工作寿命长滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度(HRC5862),高精度,具有较长的工作寿命和精度保持性.寿命约为滑动丝杆副的4~10倍以上.
(4)定位精度和重复定位精度高由于滚珠丝杆副摩擦小,温升小,无爬行、无间隙,通过预紧进行预拉伸以补偿热膨胀.因此可达到较高的定位精度和重复定位精度.
(5)同步性好用几套相同的滚珠丝杆副同时传动几个相同的运动部件,可得到较好的同步运动.
(6)可靠性高润滑密封装置结构简单,维修方便.
(7)不能自锁用于垂直传动时,必须在系统中附加自锁或制动装置.
(8)制造工艺复杂滚珠丝杆和螺母等零件加工精度,表面粗糙度要求高,故制造成本较高.
(一)工作原理与结构如图6-22所示、丝杠和螺母的螺纹滚道间装有承载滚珠,当丝杠或螺母转动时,滚珠沿螺纹滚道滚动,则丝杠与螺母之间相对运动时产生滚动摩擦,为防止滚珠从滚道中滚出、在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置,它们与螺纹滚道形成循环回路,使滚珠在螺母滚道内循环.
图6-22 滚珠丝杆副结构滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环二种.内循环内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杆表面保持接触,在螺母的侧面孔内装有接通相邻滚道的反向器,利用反向器引导滚珠越过丝杆的螺纹顶部进入相邻滚道,形成一个循环回路.一般在同一螺母上装有2~4个滚珠用反向器,并沿螺母圆周均匀分布.内循环方式的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.其不足之处是反向器加工困难,装配调整也不方便.
外循环外循环方式中的滚珠在循环返向时,离开丝杠螺纹滚道,在螺母体内或体外作循环运动.从结构上看,外循环有以下三种形式,即螺旋槽式,插管式和端盖式.图6-23为端盖式循环和插管循环原理图.由于滚珠丝杠副的应用越来越广,对其研究也更深入,为了提高其承载能力、开发出了新型的滚珠循环方式(UHD)(图6-24b),为了提高回转精度,一种无螺母的丝杠副(图6-24c)被研制成功.
(二)滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法滚珠丝杠副除了对本身单一方向的传动精度有要求外,对其轴向间隙也有严格要求,以保证其反向传动精度.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a) 端盖循环b) 插管循环图6-23 丝杠螺母结构a) 通用方式b) UHD方式c) 新型螺母图6-24 滚珠的排列方式和新型丝杠螺母结构变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和.通常采用双螺母预紧或单螺母(大滚珠,大导程)的方法,把弹性变形控制在最小限度内、以减小或消除轴向间隙,并可以提高滚珠丝杠副的刚度.
双螺母预紧原理双螺母预紧原理如图6-25所示、是在两个螺母之间加垫片来消除丝杠和螺母之间的间图6-25 双螺母预紧原理隙.根据垫片厚度不同分成两种形式,当垫片厚度较厚时即产生预拉应力、而当垫片厚度较薄时即产生预压应力以消除轴向间隙.
单螺母预紧原理(增大滚珠直径法)
单螺母预紧原理如图6-26所示、为了补偿滚道的间隙,设计时将滚珠的尺寸适当增大,使其4点接触,产生预紧力、为了提高工作性能,可以在承载滚珠之间加入间隔钢球.
图6-26 单螺母预紧原理(增大滚珠直径法)单螺母预紧原理(偏置导程法)偏置导程法原理如图6-27所示、仅仅是在螺母中部将其导程增加一个预压量Δ、以达到预紧的目的.
图6-27 单螺母预紧原理(偏置导程法)
(三)滚珠丝杠副的轴向弹性变形滚珠丝杠受轴向载荷后,滚珠和滚道面将产生弹性变形,轴向弹性变形量与轴向载荷之间的关系与滚动轴承的计算相同、根据Herz的点接触理论、和满足下式:单螺母预紧(无预紧)的轴向弹性变形(6-12)
式中: 钢球和滚道的接触角(45°);钢球直径(mm);单个钢球所受载荷(N);钢球数;和精度,结构有关的系数.
2.双螺母预紧时的轴向变形量如图6-28所示、对两个螺母A和B施加预紧力后,螺母A,B均变形至X点.如果这时作用有外力、则螺母A从X点向X1点、螺母B从X点向X2点移动(图6-29).由于和成正比关系,假设其比例系数为k,则有、并且螺母A和B的变形量分别为:
(6-13)
(6-14)图6-28 双螺母预紧图6-29 预压曲线由于在外力作用下螺母A和B的变形量相同(方向相反)、所以(6-15)而且、当仅有外力作用时,随着的增加使接近零时,则外力几乎全被螺母A吸收.
(6-16)又因为、所以(6-17)
因此,当施加预紧力的3倍的轴向载荷时,预紧滚珠丝杠副变形量仅为无预紧滚珠丝杠副的二分之一、即刚度增加了一倍(见图6-30). 刚度K可写成:
(6-18)
式中:刚度(Nμm);轴向载荷(N);预紧丝杠副的轴向弹性变形量(μm);预紧载荷(N);无预紧丝杠副的轴向弹性变形量(μm).图6-30 弹性变形曲线目前制造的单螺母式滚珠丝杠副的轴向间隙达0.05mm,而双螺母式的经加预紧力调整后基本上能消除轴向间隙.应用该方法消除轴向间隙时应注意以下两点:
(1)预紧力大小必须合适,过小不能保证无隙传动;过大将使驱动力矩增大,效率降低,寿命缩短.预紧力应不超过最大轴向负载的l3.
(2)要特别注意减小丝杠安装部分和驱动部分的间隙,这些间隙用预紧的方法是无法消除的,而它对传动精度有直接影响.
(四)滚珠丝杠副的主要尺寸、精度等级和标注方法
1.主要尺寸滚珠丝杠副的主要尺寸及其计算公式见表6-5.
2. 精度等级JB316.282《滚珠丝杠副精度》标准规定分为六个等级:C,D,E,F,G,H.C级最高,H级最低.滚珠丝杠副精度包括各元件的制造精度和装配后的综合精度,如:丝杠公称直径尺寸变动量,丝杠和螺母的表面粗糙度,丝杠大径对螺纹轴线的径向圆跳动,导程误差等.各等级对各项均有公差要求.表6-6列出了各精度等级的导程公差.
为了提高经济性,按实际使用的导程精度要求,在每一精度等级内再分项、用以规定各精度等级的检查项目(表6-7).项目1~5表示导程精度检验项目的规定内容、未指定的检验项目,其误差值(偏差值)不超过下一等级的规定值,H级不作规定.例如D3表示只检验3个项目,其余2个项目不得超过E级的规定.
数控机床,精密机床和精密仪器用于进给系统时,根据定位精度和重复定位精度的要求,可选用C,D,E级等;一般动力传动,其精度等级偏低,可选用F,G级等.各类型机械精度等级要求,可参考表6-8.
3.标注方法滚珠丝杠副结构,规格,精度的标注方法如图6-31(各制造厂略有不同):
(五)滚珠丝杠副的安装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,丝杠支承表6-5 滚珠丝杠副的主要尺寸及其计算公式主要尺寸符号计算公式标称直径(滚珠中心圆直径)根据承载能力选用导程螺旋升角一般滚珠直径螺纹滚道半径目前、内循环常数取外循环常数取或接触角偏心距丝杠外径丝杠内径螺纹牙顶圆角半径(用于内循环)螺母外径螺母内径(外循环)
(内循环)表6-6 滚珠丝杠副精度等级导程公差项目精度等级CDEFGH基本导程极限偏差2π弧度内导程公差
6 任意300mm内导程公差螺纹全长内导程公差
1.0 导程误差曲线的带宽公差
0.6
注:测量螺纹全长内导程误差时,应在螺纹两端分别扣除长度L0,L0=(2~4)p(p为基本导程).
表6-7 导程精度检验项目序号检验项目选择标号
1 任意300mm螺纹长度内导程误差
√螺纹全长内导程误差导程误差曲线的带宽基本导程偏差2π弧度内导程误差表6-8 种类机械精度等级要求机械种类坐标方向X(横向)Y(立向)Z(纵向)W(刀杆,镗杆)开环系统数控压力机数控绘图机数控车床E,D数控磨床D,C数控线切割机数控钻床E,F数控铣床数控镗床数控坐标镗床自动换刀数控机床坐标镗床,螺纹磨床仪表机床普通机床,通用机床图6-31 南京工艺装备制造厂标记法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.表6-9中列出了四种典型支承方式及其特点.
除表中所列特点外,当滚珠丝杠副工作时,因受热(摩擦及其它热源)而伸长,它对表6-9 滚珠丝杠副支承形式支承方式简图特点支承系数压杆稳定fk临界转速fc单推单推JJ
1.轴向刚度较高;
2.预拉伸安装时,须加载荷较大,轴承寿命比方案2低;
3.适宜中速,精度高,并可用双推单推组合. 双推双推FF
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. 双推简支FS
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. 双推自由FO
1.轴向刚度低,与螺母位置有关;
3.适宜中小载荷与低速,更适宜垂直安装、短丝杠.
1.875
第一种支承方式的预紧轴承将会引起卸载,甚至产生轴向间隙,此时与第三、四种支承方式类似,但对第二种支承方式,其卸载结果可能在两端支承中造成预紧力的不对称,且只能允许在某个范围内、即要严格限制其温升,故这种高刚度,高精度的支承方式更适宜于精密丝杠传动系统.普通机械常用第三、四种方案,其费用比较低廉、前者用于长丝杠,后者用于短丝杠.
(六)滚珠丝杠副的设计计算
设计滚珠丝杠副的已知条件:工作载荷F(N)或平均工作载荷Fm(N),使用寿命(h),丝杠的工作长度(或螺母的有效行程)L(m),丝杠的转速n (平均转速nm或最大转速nmax) (rmin),以及滚道硬度HRC和运转情况.
一般的设计步骤及方法如下:
1.丝杠副的计算载荷Fc(N):
(6-19)
式中:载荷系数,按表6-10选取;硬度系数,按表6-11选取;精度系数,按表6-12选取;平均工作载荷(N).表6-10 载荷系数载荷性质无冲击平稳运转一般运转有冲击和振动运转1~1.2
1.2~1.5
1.5~2.5 表6-11 硬度系数滚道实际硬度HRC≥58表6-12 精度系数精度系数C,D
1.43
2.计算额定动载荷(N)
(6-20)
式中:丝杠副的平均转速(rmin);运转寿命(h);计算载荷(N).
3.根据在滚珠丝杠系列中选择所需要的规格,使所选规格的丝杠副的额定动载荷.
4.验算传动效率,刚度及工作稳定性,如不满足要求则应另选其它型号并重新验算.
5.对于低速传动,只按额定静载荷计算即可. 例6-1 试设计一数控铣床工作台进给用滚珠丝杠副.已知平均工作载荷Fm=3800N,丝杠工作长度l=1.2m,平均转速nm=100rmin,最大转速使用寿命=15000h左右,丝杠材料为CrWMn钢,滚道硬度为58~62HRC,传动精度要求.
解:(1) 求计算载荷Fc(其中、系数由表查得)
(2) 根据寿命条件计算额定动载荷(3) 根据必须的额定动载荷选择丝杠副尺寸、由查表6-13,得如下规格:规格型号公称直径公称导程pd钢球直径dW丝杠底径循环圈数动负荷Ca(KN)
26.4 考虑各种因素,选FFZD5006-5,其中:
公称直径:D0=50mm
导程:p=6mm
螺旋角:λ=arctan(6(50π))=2°11
滚珠直径:d0=4mm
滚道半径:R =0.52d0=0.52×4=2.08mm
偏心距:
丝杠内径:d1=45.9mm(4) 稳定性验算:
①假设为双推简支(FS),因为丝杠较长,所以用压杆稳定性来求临界载荷
式中:丝杠的弹性模量,对于钢丝杠危险截面的轴惯性矩m4长度系数,两端用铰接时,m所以N故(参考表6-14),丝杠是安全的,不会失稳.表6-14 稳定性系数有关系数3~4
2.5~3.3
4.730
注:长度系数;临界转速系数.
②临界转速验证高速运转时,需验算其是否会发生共振的最高转速,要求丝杠最高转速.
临界转速可按公式计算:
(式中参数见表6-14)rminrmin,所以不会发生共振.表6-13 南京工艺装备制造厂FFZD系列滚珠丝杠FFZD型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠副尺寸系列基本额定负荷刚度Kc螺母安装连接尺寸静负荷Coa(KN)BhM
9
注: 1),KC是在预紧力FP为0.1Ca,轴向载荷F为0.3Ca时的理论计算值;
2),当轴向载荷F不等于0.3Ca时,式中K是表中的刚度值,FFZD型滚珠丝杆副正常工作环境温度范围±60.(5)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:A丝杠的截面积,(m2);丝杠的极惯性矩,(m4);G钢的切变模量,对于钢G=83.3GPa;T转矩(Nm),式中为摩擦角,这里取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12,即该丝杠的导程误差满足上式,所以其刚度可满足要求.
(6)效率验算滚珠丝杠副的传动效率为要求在90~95%之间,所以该丝杠副能满足使用要求.经上述计算验证、FFZD5006-5各项性能指标均符合题目要求,可选用.
第三节支承部件
一、轴系的支承部件轴系由轴及安装在轴上的齿轮,带轮等传动部件组成,有主轴轴系和中间传动轴轴系.轴系的主要作用是传递扭矩及传动精确的回转运动,它直接承受外力(力矩).对于中间传动轴轴系一般要求不高.而对于完成主要作用的主轴轴系的旋转精度,刚度,热变形及抗振性等的要求较高.通常在设计轴系时要求:
(1)旋转精度旋转精度是指在装配之后,在无负载,低速旋转的条件下,轴前端的径向跳动和轴向窜动量.其大小取决于轴系各组成零件及支承部件的制造精度与装配调整精度.如高精密金刚石车刀切削加工机床主轴的轴端径向跳动量为0.025时,才能达到零件加工表面粗糙度RaRh1,同时节流器中节流薄膜上凸到虚线位置,节流器液阻Rg2>Pr1,轴的下降位移很小,即油膜刚度很大.
可见液体静压支承的两个特点:若轴重不计,压力油通入先把轴托到轴瓦中心脱离接触,再无机械摩擦启动轴;载荷作用使轴偏离中心、油膜压力有自动调节作用,将轴托向原位.
节流器的作用是调节支承各油腔的压力、使轴受载偏离中心时能自动部分恢复.常用的有小孔节流器,毛细管节流器,薄膜节流器等.
小孔节流器的孔径远大于孔长,油液几乎没有沿程摩擦损失,通过小孔的流量同液体粘度无关,液体流动是紊流.优点是结构简单尺寸小,油腔刚度较大.缺点是温度变化引起的流体粘度变化将影响油腔工作性能.
毛细管节流器的长度远大于孔径,形状有直管,螺旋管和环形管等.优点是温升变化小,油液的流动是层流、工作性能稳定,缺点是轴向长度大.
薄膜节流器如图6-36b所示由两个中间有凸台的圆盒6及两圆盒间的金属弹性簿膜片5组成.油液从簿膜片两边的间隙hg0流入轴承上下油腔、(左,右油腔另有一节流器).当轴不受载荷时,薄膜处于平直状态、两边节流间隙大小相等、油腔压力pr1=pr2,轴与轴承套同心.当轴受载荷后,不仅上下油腔间隙发生变化,同时上下流量发生变化使节流器液阻变化,即pr2>pr1,而且还使薄膜向压力小的一侧弯曲(向上凸起),引起上侧液阻Rgl增大,油压pr1便减小,同时使下侧液阻Rg2减小,油压pr2便增大.这样上下油腔的压力差进一步增大以平衡外载荷,此即薄膜的反馈作用.
3.磁悬浮轴承磁悬浮轴承是利用磁场力将轴无机械摩擦,无润滑地悬浮在空间的一种新型轴承.其工作原理如图6-37所示.径向磁悬浮轴承由转子4(转动部件)和定子6(固定部件)两部分组成.定子部分装上电磁体,保持转子悬浮在磁场中.转子转动时,由位移传感器5检测转子的偏心、并通过反馈与基准信号1(转子的理想位置)进行比较、调节器2根据偏差信号进行调节.并把调节信号送到功率放大器3以改变电磁体(定子)的电流、从而改变磁悬浮力的大小,使转子恢复到理想位置.
径向磁悬浮轴承的转轴(如主轴一般要配备辅助轴承,工作时辅助轴承不与转轴接触,当断电或磁悬浮失控时能托住高速旋转的转轴,起到安全保护作用.辅助轴承与转子之间的间隙一般等于转子与电磁体气隙的一半.轴向悬浮轴承的工作原理与径向磁悬浮轴承相同.
图6-37 磁力轴承1基准信号2调节器3功率放大器4转子5位移传感器6定子(四)典型主轴结构图6-38 精密分度头主轴系统图6-38a为精密分度头主轴系统.它采用的是密珠轴承,主轴由止推密珠轴承2,4和径向密珠轴承1,3组成.这种轴承所用滚珠数量多且接近于多头螺旋排列.由于密集的钢珠有误差平均效应、减小了局部误差对主轴轴心位置的影响、故主轴回转精度有所提高;每个钢珠公转时沿着自己的滚道滚动而不相重复、减小了滚道的磨损,主轴回转精度可长期保持.实践证明,提高钢珠的密集度有利于主轴回转精度的提高,但过多的增加钢珠会增大摩擦力矩.
因此,在保证主轴运转灵活的前提下,尽量增多钢珠数量.图中6-38b为推力密珠轴承保持架孔的分布、图中6-38c为径向密珠轴承保持架孔的分布情况.
二、导轨(一)导轨副的种类及基本要求各种机械运行时,由导轨副保证执行件的正确运动轨迹、并影响执行件的运动特性.导轨副包括运动导轨和支承导轨两部分.支承导轨用以支承和约束运动导轨,使之按功能要求作正确的运动.
1.按导轨副运动导轨的轨迹分类(1)直线运动导轨副支承导轨约束了运动导轨的五个自由度,仅保留沿给定方向的直线移动自由度.
(2)旋转运动导轨副支承导轨约束了运动导轨的五个自由度,仅保留绕给定轴线的旋转运动自由度.
2.按导轨副导轨面间的摩擦性质分类(1)滑动摩擦导轨副;
(2)滚动摩擦导轨副;
(3)流体摩擦导轨副.
3.按导轨副结构分类(1)开式导轨必须借助运动件的自重或外载荷,才能保证在一定的空间位置和受力状态下,运动导轨和支承导轨的工作面保持可靠的接触,从而保证运动导轨的规定运动.开式导轨一般受温度变化的影响较小.
(2)闭式导轨借助导轨副本身的封闭式结构,保证在变化的空间位置和受力状态下,运动导轨和支承导轨的工作面都能保持可靠的接触,从而保证运动导轨的规定运动.闭式导轨一般受温度变化的影响较小.
4.按直线运动导轨副的基本截面形状分类(1)矩形导轨如图6-39所示、导轨面上的支反力与外载荷相等、承裁能力较大.承载面(项面)和导向面(侧面)分开、精度保持性较好.加工维修较方便.矩形导轨分为凸矩形和凹矩形.凹矩形易存润滑油、但也易积灰尘污物,必须进行防护.
(2)三角形导轨如图6-39所示、导轨面上的支反力大于载荷,使摩擦力增大,承载面与导向面重合,磨损量能自动补偿,导向精度较高.顶角在90±30°范围内变化.顶角越小,导向精度越高,但摩擦力也越大.故小顶角用于轻载精密机械,大顶角用于大型机械.凹形与凸形的作用同前、凹形也称V形导轨.
(3)燕尾型导轨如图6-39所示、在承受颠覆力矩的条件下高度较小,用于多坐标多层工作台,使总高度减小,加工维修较困难.凹形与凸形的作用同前.
以上三种导轨形状均由直线组成,称为棱柱面导轨.矩形对称三角形不对称三角形燕尾槽圆形凸形凹形图6-39 导轨的截面形状(4)圆形导轨如图6-39所示、制造方便,外圆采用磨削,内孔经过珩磨,可达到精密配合,但磨损后很难调整和补偿间隙,圆柱形导轨有两个自由度,适用于同时作直线运动和转动的地方.若要限制转动,可在圆柱表面开键槽或加工出平面,但不能承受大的扭矩,亦可采用双圆柱导轨.圆柱导轨用于承受轴向载荷的场合.
5.导轨副的组合形式(1)双矩形组合各种机械执行件的导轨一般由两条导轨组合,高精度或重载下才考虑两条以上的导轨组合.两条矩形导轨的组合突出了矩形导轨的优缺点.侧面导向有以下两种组合:宽式组合,两导向侧面间的距离大,承受力矩时产生的摩擦力矩较小,为考虑热变形,导向面间隙较大,影响导向精度;窄式组合,两导向侧面间的距离小,导向面间隙较小.承受力矩时产生的摩擦力矩较大,可能产生自锁.
图6-40 导轨的结构与组合a) 双矩形b) 双矩形c) 双三角形d) 矩形三角形e) 燕尾形f) 燕尾形g) 三角形燕尾形h) 圆形i) 圆形j) 双圆形(2)双三角形组合两条三角形导轨的组合突出了三角形导轨的优缺点、但工艺性差.用于高精度机械.
(3)矩形三角形组合导向性优于双矩形组合,承载能力优于双三角组合,工艺性介于二者之间,应用广泛.但要注意:若两条导轨上的载荷相等、则摩擦力不等使磨损量不同、破坏了两导轨的等高性.结构设计时应注意,一方面要在二导轨面上摩擦力相等的前提下使载荷非对称布置,一方面要使牵引力通过二导轨面上摩擦力合力的作用线.若因结构布置等原因不能做到,则应使牵引力与摩擦合力形成的力偶尽量减小.
(4)三角形平面导轨组合.这种组合形式的导轨具有三角形和矩形组合导轨的基本特点、但由于没有闭合导轨装置,因此只能用于受力向下的场合.
对于三角形和矩形,三角形和平面组合导轨,由于三角形和矩形(或平面)导轨的摩擦阻力不相等、因此在布置牵引力的位置时,应使导轨的摩擦阻力的合力与牵引力在同一直线上,否则就会产生力矩,使三角形导轨对角接触,影响运动件的导向精度和运动的灵活性.
(5)燕尾形导轨及其组合燕尾形组合导轨的特点是制造,调试方便;燕尾与矩形组合时,它兼有调整方便和能承受较大力矩的优点、多用于横梁、立柱和摇臂等导轨.
6. 导轨副应满足的基本要求(1)导向精度导向精度主要是指动导轨沿支承导轨运动的直线度或圆度.影响它的因素有:导轨的几何精度,接触精度,结构形式,刚度,热变形,装配质量以及液体动压和静压导轨的油膜厚度,油膜刚度等.
(2)耐磨性是指导轨在长期使用过程中能否保持一定的导向精度.因导轨在工作过程中难免有所磨损,所以应力求减小磨损量,并在磨损后能自动补偿或便于调整.
(3)疲劳和压溃导轨面由于过载或接触应力不均勾而使导轨表面产生弹性变形,反复运行多次后就会形成疲劳点、呈塑性变形,表面形成龟裂,剥落而出现凹坑,这种现象就是压溃.疲劳和压溃是滚动导轨失效的主要原因,为此应控制滚动导轨承受的最大载荷和受载的均匀性.
(4)刚度导轨受力变形会影响导轨的导向精度及部件之间的相对位置,因此要求导轨应有足够的刚度.为减轻或平衡外力的影响、可采用加大导轨尺寸或添加辅助导轨的方法提高刚度.
(5)低速运动平稳性低速运动时,作为运动部件的动导轨易产生爬行现象.低速运动的平稳性与导轨的结构和润滑,动,静摩擦系数的差值,以及导轨的刚度等有关.
(6)结构工艺性设计导轨时,要注意制造,调整和维修的方便,力求结构简单,工艺性及经济性好.
(二)导轨副间隙调整为保证导轨正常工作,导轨滑动表面之间应保持适当的间隙.间隙过小,会增加摩擦阻力;间隙过大,会降低导向精度.导轨的间隙如依靠刮研来保证、要费很大的劳动量,而且导轨经长期使用后,会因磨损而增大间隙,需要及时调整,故导轨应有间隙调整装置.矩形导轨需要在垂直和水平两个方向上调整间隙.
常用的调整方法有压板和镶条法两种方法.对燕尾形导轨可采用镶条(垫片)方法同时调整垂直和水平两个方向的间隙(图6-41).对矩形导轨可采用修刮压板,修刮调整垫片的厚度或调整螺钉的方法进行间隙的调整(图6-42).
图6-41 燕尾导轨及其组合的间隙调整1斜镶条2压板3直镶条图6-42 矩形导轨垂直方向间隙的调整1压板2接合面3调整螺钉4调整垫片(三)导轨副的材料选择滑动导轨常用材料有铸铁、钢,有色金属和塑料等.
1.铸铁铸铁有良好的耐磨性,抗振性和工艺性.常用铸铁的种类有:
(1)灰铸铁一般选择HT200,用于手工刮研、中等精度和运动速度较低的导轨,硬度在HB180以上;
(2)孕育铸铁把硅铝孕育剂加入铁水而得,耐磨性高于灰铸铁;
(3)合金铸铁包括:含磷量高于0.3%的高磷铸铁、耐磨性高于孕育铸铁一倍以上;磷铜钛铸铁和钒钛铸铁、耐磨性高于孕育铸铁二倍以上;各种稀土合金铸铁、有很高的耐磨性和机械性能;
铸铁导轨的热处理方法,通常有接触电阻淬火和中高频感应淬火.接触电阻淬火、淬硬层为0.15~0.2mm.硬度可达HRC55.中高频感应淬火、淬硬层为2~3mm,硬度可达HRC48~55,耐磨性可提高二倍、但在导轨全长上依次淬火易产生变形,全长上同时淬火需要相应的设备.
2.钢镶钢导轨的耐磨性较铸铁可提高五倍以上.常用的钢有等采用表面淬火或整体淬硬处理,硬度为52~58HRC;等渗碳淬火、渗碳淬硬至56~62HRC;38C rMoAlA等采用氮化处理.
3.有色金属常用的有色金属有黄铜HPb59-l,锡青铜ZCuSn6Pb3Zn6,铝青铜ZQAl9-2和锌合金ZZn-Al10-5,超硬铝LC4,铸铝ZL106等、其中以铝青铜较好.
4.塑料镶装塑料导轨具有耐磨性好(但略低于铝青铜),抗振性能好,工作温度适应范围广(-200~260℃)、抗撕伤能力强、动,静摩擦系数低,差别小,可降低低速运动的临界速度,加工性和化学稳定件好,工艺简单,成本低等优点.目前在各类机床的动导轨及图形发生器工作台的导轨上都有应用.塑料导轨多与不淬火的铸铁导轨搭配.
导轨的使用寿命取决于导轨的结构,材料,制造质量,热处理方法,以及使用与维护.提高导轨的耐磨性,使其在较长时期内保持一定的导向精度,就能延长设备的使用寿命.常用的提高导轨耐磨性的方法有:采用镶装导轨,提高导轨的精度与改善表面粗糙度,采用卸荷装置减小导轨单位面积上的压力(即比压)等.
(四)滚动导轨副
1.滚动导轨的特点(1)滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球(图6-43),使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦,大大降低二者之间的运动摩擦阻力、从而获得:
动,静摩擦力之差很小,随动性极好,即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短、有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度;
驱动功率大幅度下降、只相当于普通机械的十分之一;与V型十字交叉滚子导轨相比、摩擦阻力可下降约40倍;适应高速直线运动,其瞬时速度比滑动导轨提高约10倍;能实现高定位精度和重复定位精度;能实现无间隙运动,提高机械系统的运动刚度.
(2)承载能力大其滚道采用圆弧形式,增大了滚动体与圆弧滚道接触面积,从而大大地提高了导轨的承载能力、可达到平面滚道形式的13倍.采用合理比值的圆弧沟槽,接触应力小,承接能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高,滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低.
(3)刚性强在该导轨制作时,常需要预加载荷,这使导轨系统刚度得以提高.所以滚动直线导轨在工作时能承受较大的冲击和振动.
(4)寿命长由于是纯滚动,摩擦系数为滑动导轨的l50左右,磨损小,因而寿命长,功耗低,便于机械小型化.
(5)成对使用导轨副时,具有误差均化效应、从而降低基础件(导轨安装面)的加工精度要求,降低基础件的机械制造成本与难度.
(6)传动平稳可靠由于摩接力小,动作轻便,因而定位精度高,微量移动灵活准确.
(7)具有结构自调整能力装配调整容易,因此降低了对配件加工精度要求.
(8)导轨采用表面硬化处理,使导轨具有良好的耐磨性;心部保持良好的机械性能.
(9)简化了机械结构的设计和制造.
2.滚动直线导轨的分类(1)按滚动体的形状分类有钢珠式和滚柱式两种、如图6-43a,b所示.滚柱式由于为线接触,故其有较高的承载能力、但摩擦力也较大,同时加工装配也相对复杂.目前使用较多的是钢珠式.
图6-43 滚动直线导轨结构(2)按导轨截面形状分类有矩形和梯形两种、见图6-44.其中图6-44a所示为四方向等载荷式,导轨截面为矩形,承载时各方向受力大小相等.梯形截面如图6-44b所示、导轨能承受较大的垂直载荷,而其它方向的承载能力较低,但对于安装基准的误差调节能力较强.
(3)按滚道沟槽形状分类有单圆弧和双圆弧二种、见图6-45.单圆弧沟槽为二点接触,如图6-45a所示.双圆弧沟槽为四点接触,如图6-45b所示.前者运动摩擦和安装基准平均作用比后者要小,但其静刚度比后者稍差.
图6-44 滚动直线导轨的截面形状图6-45 滚动直线导轨截面形式常用的滚动直线导轨如图6-46所示、表6-17为GGB AA 四方向等载荷型滚动直线导轨副基本参数,图6-47为GGB系列直线滚动导轨型号编制规则.
滚轮式A滚轮式B圆柱导轨侧面导轨滚轮轴承单元滚珠式图6-46 滚动直线导轨副结构形式
3.滚动直线导轨的有关计算循环式直线导轨副的承载能力用额定动载荷Ca和额定静载荷Coa表示.其额定寿命L用下式计图6-47 GGB系列直线滚动导轨型号编制规则
算:(6-21)
式中:额定寿命(km);行程长度(m);每分钟往复次数;小时为单位的额定寿命.额定寿命L与额定动载荷Ca的关系式可表示为:
(km
其中:实际工作载荷(kN);指数,滚珠,滚子;额定寿命单位、滚珠,滚子;硬度系数;温度系数,查表6-18;接触系数,查表6-19;精度系数,查表6-20;载荷系数,查表6-21;例6-2 如图6-48 所示、中等精度水平安装直线滚动支承系统,工作台质量m=200kg,负载P=6kN,有效行程m,每分钟往复次数,移动速度.常温运行、无明显冲击振动,目标寿命10年,试选择GGB型直线滚动导轨副的规格.
表6-18 温度系数表6-19接触系数工作温度(℃)≤100>100~150>150~200>200~250每根导轨上的滑块数表6-20精度系数表6-21载荷系数工作条件无外部冲击或振动的低速运动场合,速度小于15mmin1~1.5无明显冲击或振动的中速运动场合,速度小于60mmin
1.5~2 有外部冲击或振动的高速运动场合,速度大于60mmin2~3.5
分析:直线运动滚动支承系统所受的负荷,受下列各种因素的影响:配置形式(水平,垂直,横排.等)、移动件的重心和受力点位置,导轨上移动件牵引力的作用点、启动及终止时的惯性力、以及运动阻力等.
按照工程力学可求出每个滑块承受的载荷,便于选用合适的导轨和滑块数.如下图6-49所示、滑块移动的卧式导轨副,W为作用于同一平面内若干套滚动直线导轨副的总载荷,由于作用点不在几何中心、则间有如下关系:本题中、m作用在几何中心、而P不在几何中心、因此计算时应注意.
解:选E级精度,各项系数分别为:寿命按每年工作300天,每天2班、每班8小时,开机率以0.8计.
计算每个滑块的载荷,工作台重力为2kN,工作载荷为6kN.图6-48 直线滚动支承系统图6-49 载荷计算分析取最大值kN计算需要的动载荷因此,从表中选GGB55-AA2P12×2200×E直线滚动导轨副,其.
三、支承件支承件是机电一体化设备中的基础部件.设备的零部件安装在支承件上或在其导轨面上运动.所以,支承件既起支承作用,承受其它零部件的重量及在其上保持相对的运动,又起基准定位作用,确保部件间的相对位置.因此,支承件是设备中十分重要的零部件.
(一)支承件设计的基本要求
1.应具有足够的刚度和抗振性由于支承件的自重和其它零部件的质量以及运动部件惯性力的作用,使其本身或与其它零部件的接触表面发生变形.若变形过大会影响设备的精度或工作时产生振动.为了减小受力变形,支承件应具有足够的刚度.
刚度是抵抗载荷变形的能力.抵抗恒定载荷变形的能力称为静刚度;抵抗交变载荷变形的能力称为动刚度.如果基础部件的刚性不足,则在工件的重力、夹紧力、摩擦力、惯性力和工作载荷等的作用下,就会产生变形,振动或爬行、而影响产品定位精度,加工精度及其它性能.
机座或机架的静刚度,主要是指它们的结构刚度和接触刚度.动刚度与静刚度,材料阻尼及固有振动频率有关.在共振条件下的动刚度可用下式表示:
(6-23)GGB AA 四方向等载荷型滚动直线导轨副导轨副尺寸滑块尺寸油杯尺寸导轨尺寸额定动载静载额定力矩WKTN单根最大长度Φ4GGB20AA6×9.5×8.5GGB25AA7×11×9GGB30AA9×14××20×16GGB55AA16×23×20GGB65AA18×26×22GGB85AA24×35×28
6076.4
12842 表6-17 GGB AA 四方向等载荷型滚动直线导轨副式中:静刚度Nm;
阻尼比;阻尼系数;固有振动频率1s.动刚度是衡量抗振性的主要指标,在一般情况下,动刚度越大,抗振性越好.抗振性是指承受受迫振动的能力.受迫振动的振源可能存在于系统(或产品)内部,为驱动电机转子或转动部件旋转时的不平衡惯性力等.振源也可能来自于设备的外部,如邻近机器设备,运行车辆,人员活动等.
抗振性包括两个方面的含义:①抵抗受迫振动的能力、即能限制受迫振动的振幅不超过允许值的能力;②抵抗自激振动的能力.例如机床在进行切削过程中、由于切削力的变化或外界的激振,使机床产生不允许的振动,影响其加工质量,严重时甚至不能进行工作.设备的刚度与抗振性有一定的关系,如果刚度不足,则容易产生振动.
2.应具有较小的热变形和热应力设备在工作时由于传动系统中的齿轮,轴承,以及导轨等因摩擦而发热、电动机、强光灯,加热器等热源散发出的热量,都将传到支承件上,由于热量分布、散发的不均匀、支承件各处温度不同、由此产生热变形,影响系统原有精度.对于数控机床及其它精密机床,热变形对机床的加工精度有极其重要的影响.在设计这类设备时,应予以足够的重视.
3.耐磨性为了使设备能持久地保持其精度,支承件上的导轨应具有良好的耐磨性.因此对导轨的材料,结构和形状,热处理及保护和润滑等应作周密的考虑.
4.结构工艺性及其它要求设计支承件时,还应考虑毛坯制造,机械加工和装配的结构工艺性.正确地进行结构设计和必要的计算以保证用最少的材料达到最佳的性能指标,并达到缩短生产周期,降低造价,操作方便,搬运装吊安全等要求.
(二)支承件的材料选择支承件的材料,除应满足上述要求外,还应保证足够的强度,冲击韧性和耐磨性等.目前常用的材料有铸铁、钢板和型钢,天然和人造花岗岩,预应力钢筋混凝土等.
1.铸铁铸造可以铸出形状复杂的支承件,存在在铸铁中的片状或球状石墨在振动时形成阻尼,抗振性比钢高3倍.但生产铸铁支承件需要制作木模,芯盒等、制造周期长,成本高,故适宜于成批生产.
常用铸铁的种类有:
(1)一级灰口铸铁HT200 抗拉、弯性能好,可用作带导轨的支承件,但流动性稍差,不宜制作结构太复杂的支承件.
(2)二级灰口铸铁HTl50 铸造性能好,但机械性能稍差,用于制作形状复杂但受载不大的支承件.
(3)合金铸铁需要支承件带导轨时耐磨性好,多采用高磷铸铁、磷铜钛铸铁、钒钛做铁、铬钼铸铁等.耐磨性比灰口铸铁高2~3倍、但成本较高.
铸造支承件不可避免有内应力、引起蠕变,必须进行时效处理,目前常用的处理方法有:
1) 自然时效处理将铸件毛坯或经粗加工后的半成品置放在露天场地,经过数月,数年甚至数十年(精密饥械支承件)的风吹日晒雨淋,使内应力通过变形逐渐消除,形状趋于稳定后再加工.或者加工与时效反复轮流进行.自然时效的时间取决于支承件的尺寸大小,结构形状,铸造条件和机械精度要求等因素.自然时效方法简单,效果好,但占地面积大,周期长,影响资金周转.
2) 人工时效处理将铸件平放在烘炉内的烘板上,以便整体受热均匀、根据铸件的要求和实际条件选择温度的高低和温度变化的速度.一般最高温度在530~550℃、温度过高会降低硬度,过低则内应力消除很慢.高精度机械的支承件加工与时效应轮流反复多次.
3) 振动时效处理以接近铸件固有频率的频率对铸件进行激振或振动,使之逐渐消除内应力.
2.钢板与型钢用钢板与型钢焊接成支承件,生产周期比铸造快1.7~3.5倍、钢的弹性模量约为铸铁的2倍、承受同样载荷,壁厚可做得比铸件薄,重量也轻.但是,钢的阻尼比只为铸铁的约13,抗振性差,结构和焊缝上要采取抗振指施.
3.天然和人造花岗岩
天然花岗岩的优点很多:性能稳定,精度保持性好.由于经历长期的自然时效,残余应力极小,内部组织稳定;抗振性好,阻尼比钢大15倍;耐磨性比铸铁高5~10倍;导热系数和线膨胀系数小,热稳定性好;抗氧化性强;不导电;抗磁;与金属不粘合,加工方便,通过研磨和抛光容易得到很高的精度和表面粗糙度.目前用于三坐标测量机和印刷板数控钻床等.用作气浮导轨的基底很理想.主要缺点是,结晶颗粒粗于钢铁的晶粒,抗冲击性能差,脆性较大,油和水等液体易渗入晶界中、使岩石局部变形胀大,难于制作形状复杂的零件.
4.预应力钢筋混凝土主要用于制造不常移动的大型机械的机身、底座,立柱等支承件.预应力钢筋混凝土支承件的刚度和阻尼比较之铸铁大5倍、抗振性好,成本较低.但钢筋的配置对支承件影响较大,应按弹性理论或有限元法所得的主应力方向进行钢筋的配置.制作时混凝土的保养方法也影响性能,混凝土耐腐蚀性差,油渗导致疏松,表面应喷漆或喷涂塑料,脆性也较大.使用条件较为严格方能保持工作寿命.
(三)支承件的结构设计
1.选取有利的截面形状为了保证支承件的刚度和强度,减轻重量和节省材料,必须根据设备的受力情况,选择合理的截面形状.支承件承受载荷的情况虽然复杂,但不外乎拉、压,弯,扭四种形式及其组合.当受弯曲和扭转载荷时,支承件的变形不但与截面面积大小有关,而且与截面形状,即与截面的惯性矩有很大的关系.表6-22是截面积近似地皆为10000mm2的十种不同的截面形状的抗弯和抗扭惯性矩的比较.从中可以看出:
(1)空心结构的刚度要比实心结构的刚度大.因此,用加大横截面的轮廓尺寸.并减小壁厚的方法可以提高刚度.
(2)采用圆形空心截面,对于提高抗弯和抗扭刚度的效果都很好.对于正方形空心截面,提高抗弯刚度效果很好,但提高抗扭刚度效果较差.长方形空心截面,对提高长边方向的抗弯刚度非常显著,但抗扭刚度则减小了.
(3)对于不封闭的截面,它的抗扭刚度极差,从提高刚度的角度出发,大的支承件应做成封闭的截面.但是有些支承件的内部往往需要安装传动机构,电器设备,润滑冷却设备等、必须在大件的壁上开孔、而无法保持其横截面为封闭式.
2.设置隔板和加强筋设置隔板和加强筋是提高刚度的有效方法.特别是当截面无法封闭时,必须用隔板(指联接支承件四周外壁的内板)或加强筋来提高刚度.加强筋的作用与隔板有所不同、隔板主要用于提高机座的自身刚度,而加强筋则主要用于提高局部刚度.
图6-50所示为加强筋和隔板布置实例,其中6-50a所示为带中间隔板的支承件;6-50b为带加强筋,双层壁结构的支承件;6-50c所示为带加强筋的圆形截面支承件.
加强筋常见的有直形筋,十字筋和米字筋四种型式,见图6-51所示.直形筋的铸造工艺最简单,但刚度最小;米字筋的刚度最大,但铸造工艺最复杂.一般负载较小的设备,多采用直形筋.
加强筋的高度可取为壁厚的4~5倍、其厚度可取为壁厚的0.8倍左右.
3.选择合理的壁厚铸造支承件按其长度L,宽度B,高度H(均以m计)计算当量尺寸C:
然后根据表6-23选择最小壁厚.选择的壁厚还应考虑具体工艺条件和经济性.选择出的最小壁厚是基本尺寸、局部受力处还可适当加厚,隔板比基本壁厚减薄1~2mm,筋板可比基本壁厚减薄2~4mm.焊接支承件的壁厚可取铸件的60~80.
4.选择合理的结构以提高联接处的局部刚度和接触刚度在两个平面接触处,由于微观的不平度,实际接触的只是凸起部分.当受外力作用时,接触点的压力增大,产生一定的变形,这种变形称为接触变形.为了提高连接处的接触刚度,固定接触面的表面祖糙度应小于Ra2.5,以便增加实际接触面积;固定螺钉应在接触面上造成一个预压力、压强一般为2MPa,并据此设计固定螺钉的直径和数量,以及拧紧螺母的扭矩.图6-52所示均为提高连接刚度的结构.
图6-50 隔板和加强筋图6-51 加强筋的形状表6-22 各种截面形状的抗弯和抗扭惯性矩(截面积为10000mm2)截面形状惯性矩计算值(cm4)惯性矩相对值抗弯抗扭
注:分母上的值为相对于圆截面的比值.表6-23 根据当量壁厚选择铸铁支承件的最小壁厚当量尺寸C(m)外壁厚(mm)隔板或筋厚(mm)
20 图6-52 提高连接刚度的措施
5.提高阻尼比提高抗振性的途径,除提高静刚度,减轻重量及采取消振和隔振措施外,还可提高阻尼比.在铸件中保留砂芯,在焊接支承件中填砂或混凝土,都可达到提高阻尼比的目的.
6.用模拟刚度试验类比法设计支承设计支承件的尺寸和隔扳,加强筋的布置时,常用模拟刚度试验和实测方法进行类比分析确定.
7.支承件的结构工艺性机座一般体积较大,结构复杂,成本高,尤其要注意其结构工艺性,以便于制造和降低成本.在保证刚度的条件下,应力求铸件形状简单,拔模容易,型芯要少,便于支撑和制造.机座壁厚应尽量均匀、力求避免截面的急剧变化,凸起过大,壁厚过薄,过长的分型线和金属的局部堆积等.铸件要便于清砂,为此,必须开有足够大的清砂口,或几个清砂口.在同一侧面的加工表面,应处于同一个平面上,以便一起刨出或铣出.另外,机座必须有可靠的加工工艺基准面,若因结构原因没有工艺基准,可设计工艺基准,以便于制造.
(四)焊接支承件的设计
焊接机架具有许多优点:在刚度相同的情况下可减轻重量30%左右;改型快、废品极少,生产周期短、成本低.
焊接机架常采用普通碳素结构钢(例如厚,薄钢板,角钢,槽钢,钢管等)制成.现将几种典型的接头型式介绍如下,作为结构设计时的参考.
1.采用减振接头为了解决钢板较薄时易产生薄壁振动的缺点.在结构设计时可采取一些消振的方法.如图6-53所示为双层壁板A和B的减振接头,筋C与壁或筋与筋之间的接触处D不焊.冷却后焊缝收缩使D处压紧.振动发生时,摩擦力可以消耗振动的能量.
图6-54~图6-57为常见的几种典型接头型式.图6-53 减振接头
2.为了制造方便,焊接结构应尽量避免圆角.
3.布置焊接支承件的筋板,除局部截面考虑强度外,主要从刚度的角度进行设计.直形筋板的工艺性好,见图6-58,平行于弯曲平面布置的纵向直形筋对抗扭刚度没有作用.
图6-54 板料接头型式图6-55 槽钢接头型式图6-56 板料接头型式1竖梁2前横梁3左横梁1左横梁2前横梁3竖梁图6-57为板料机箱焊接接头型式1顶板2一右侧板3一左横粱4一前横粱5一左侧板6底板图6-58 直形筋板若要同时提高抗弯和抗扭刚度,可用斜向筋板.如图6-59a所示.而角筋板对提高构件的抗扭刚度效果更为显著,如图6-59b所示.
图6-59 斜向筋板和对角筋板思考题
1 机电一体化系统对机械传动系统的要求是什么
2 机电一体化机械系统由哪几部分机构组成
3 常用的传动机构有哪些
4 同步带传动的优缺点是什么
5 同步带传动的失效形式有哪些并简述设计计算步骤.
6 齿轮传动最佳传动比分配原则是什么输出轴转角误差最小原则的含义是什么
7 齿轮传动的齿侧间隙调整方法有哪些
8 简述谐波齿轮传动的优缺点
9 设有一谐波齿轮减速器,其减速比为100,柔轮齿数为100.试计算刚轮固定时该谐波减速器的刚轮齿数及输出轴的转动方向(相对于输入轴比较).
10 滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或其它直线传动相比有哪些特点
11 滚珠丝杠副轴向间隙的调整预紧方法有哪些
12 简述双螺母预紧时提高轴向刚度的原理
13 试述滚珠丝杠副主要尺寸参数及其涵义
14 试述滚珠丝杠副的精度等级及标注方法
15 试述滚珠丝杠副安装时的支承方式及其特点
16 试述滚珠丝杠副设计计算的一般步骤
17 试述轴系设计时的基本要求有哪些
18 选择轴系轴承时应考虑哪些因素
19 试述导轨的种类及对导轨的基本要求
20 常用的导轨副材料有哪些
21 试述滚动导轨副的特点有哪些
22 试述支承件设计的基本要求有哪些参考文献[1 ] 张建民等.机电一体化系统设计.北京:高考教育出版社,2001.8[2] 郑堤.唐可洪.机电一体化设计基础. 北京:机械工业出版社,1997.7[3] 赵松年.张奇鹏.机电一体化机械系统设计. 北京:机械工业出版社,1996[4] 张君安.机电一体化系统设计. 北京:兵器工业出版社,1997[5] 方文中.同步带传动设计・制造・使用.上海:上海科学普及出版社,1993[6] 光洋精工株式会社编.0がり轴受.工业调0会,19956-

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