机电一体化的传动机构设计

     机电一体化系统中的机械设计要遵循机电结合、机电互补的原则，满足高精度、快速响应速度和稳定性的要求。具体包括两大部分的内容：一是机械传动装置的设计，一是机械结构的设计。
     机电一体化对机械系统的基本要求：
     （1）、转动惯量（J）小
     （2）、刚度（K）大
     （3）、阻尼（B）合适
     机械系统的组成：传动机构、导向机构、执行机构。
     传动装置功能：传递运动（速度、位移）和动力（力、力矩）
     滚珠丝杠：丝杠和螺母的螺纹滚道间置滚珠，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，使丝杠和螺母作相对运动时为滚动摩擦。
     在螺母（或丝杠）上有滚珠返回的通道，与螺纹滚道形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内循环。
     滚珠丝杠按滚珠的循环方式不同分为内循环类型和外循环类型
     滚珠丝杠的特点：
    
     1、传动效率高
     2、运动具有可逆性
     3、传动精度高
     4、磨损小，使用寿命长
     5、制造工艺复杂，成本高
     6、不能自锁
     调整滚珠丝杠轴向间隙的结构形式：垫片调隙式、螺纹调隙式、齿差调隙式、 变位螺距调隙式
     滚珠丝杠的主要尺寸：公称直径（滚珠中心圆直径）、导程(或螺距)、螺旋升角、滚珠直径、螺纹滚道半径、丝杠外径、丝杠内径、螺母外径、螺母内径等。
     滚珠丝杠的公差等级：根据JB316.2-91《滚珠丝杠副精度》标准规定分为5个等级：1、2、3、4、5级（有的参考书称7个等级，另外有7、10级），1级最高，5级最低。一般动力传动选4、5级，数控机床、精密机械或仪器选1、2、3级。
     为保证滚珠丝杠副传动的刚度和精度，应选择合适的支承方式，选用轴承组合，一般常用推力轴承和向心球轴承。
     四种典型的支承方式：
     (1)、单推—单推
     (2)、双推—双推
     (3)、双推—简支
     (4)、双推—自由
     滚珠丝杠设计计算：
     (1)、求出计算载荷
     =K Fm K为工况系数 Fm平均工作载荷（N）
     (2)、根据寿命计算出额定动载荷
    
     （3）、查滚珠丝杠副系列中的额定动载荷 ，使 ，初选几个规格（或型号），列出其主要参数
     （4）、验算传动效率、刚度、稳定性等
     滚珠丝杠副传动刚度由三部分组成：滚珠丝杠的拉压刚度、滚珠丝杠与螺母接触刚度、滚珠丝杠轴承与轴承座的支承刚度
     （1）拉压刚度
     a、一端固定，一端自由
    
     b、两端固定
    
     （2）接触刚度KN
    
     （3）支承刚度包括轴承轴向刚度、轴承支座刚度、螺母支座刚度这三部分刚度，一般难以精确计算，根据结构而定。
     滚珠丝杠副传动的力学模型可以简化为如下所示的弹簧质量系统：
    
     传动系统的传动刚度为：
    
     齿轮传动作用：用来传递转矩和转速。
     齿轮传动优点：
     1、瞬时传动比恒定，传动精确度高；
     2、强度大能承受重载，结构较紧凑；
     3、满足主轴进给速度要求，增大主轴转矩。
     齿轮传动缺点：
     1、齿侧间隙对传动精度影响；
     2、齿轮的磨损引起反转误差的逐渐扩大。
     齿轮传动的类型：
     1、直齿圆柱齿轮传动
     a 偏心轴套调整法
     b 轴向垫片调整法
     c 双片薄齿轮错齿调整法
     2、斜齿轮传动
     3、齿轮齿条传动
     4、锥齿轮传动
     (a) 轴向压簧调整法
     (b) 周向弹簧调整法
     齿轮传动传动链的级数和级比的选择总原则：尽量采用较大传动比的单级传动。
     多级传动时，遵循如下的原则：
     1、最小等效转动惯量原则
     2、输出轴转角误差最小原则
     3、重量最轻原则
     谐波齿轮传动原理是利用行星轮系传动原理，波发生器转动，迫使柔性齿轮产生可控制的变形波（近似谐波），并和刚轮作用引起齿间相对位移，传递运动和动力。
     谐波齿轮由三个基本构件组成：波发生器、柔轮、刚轮，其实质是一种新型减速器。
     谐波齿轮传动优点：
     1、传动比大：1.002～1.02或50～500；
     2、承载能力高；
     3、传动平稳，精度高；
     4、体积小，噪声低
     谐波齿轮传动缺点：
     1、柔轮周期性变形，易疲劳破坏；
     2、转动惯量和启动力矩大，不适宜于小功率传动；
     3、不能用于传动比较小场合（小于35）；
     4、散热差
     谐波齿轮广泛应用于机电一体化产品中，如机器人、机器仪表、雷达中用作运动传递；在冶金、化工、起重运输设备中传递运动和转矩。
     同步齿形带传动的特点：
     1、传动比比准确，传动效率高；
     2、工作平稳，能吸收振动；
     3、传动比范围大；
     4、中心距严格，成本高；
     5、不需润滑，耐油、耐高温，维护方便。
     同步齿形带由强力层和基体（带齿、带背）组成，强力层的材料为钢丝、玻璃纤维、芳纶，基体材料为聚氨脂橡胶、氯丁橡胶。
     同步齿形带的主要参数和规格:
     带齿的节距t(或):相邻两个齿中心间沿节线距离，t=πm
     节线()：强力层的中心线。节线长度为齿形带的公称长度。
     根据节距不同分为七种规格：
    
     同步带的标记包括长度代号、型号、宽度代号等。
     同步带的按用途分为
     (a)一般工业用同步带传动
     即梯形齿同步带传动。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。
     (b) 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，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
     (c) 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
     (d) 特殊用途的同步带传动
     同步带的按规格制度分为
     (a) 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。
     (b) 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。
     (c) 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。
     同步带轮的材料：铸铁或钢（一般情况）
     塑料或铝合金（高速小功率）
     同步带轮的参数及尺寸规格
     （1）齿形：与梯形齿同步带匹配，齿形有直线形和渐开线形两种。
     （2）齿数：齿数少则结构紧凑，但齿数太少易产生弯曲和疲劳破坏，按国标GB11361-89规定，小带轮应有许用最小齿数（参阅有关标准）。
     同步带轮的标记由带轮齿数、带的型号、轮宽代号表示。例：30 L 075。
     同步带传动的设计准则是根据齿形带的强度准则进行，限制齿形带单位宽度的拉力，防止强力层的疲劳破坏、断裂以及节距改变而爬齿等。
     同步带传动主要失效形式：
     (a) 承载绳断裂 原因是带型号过小和小带轮直径过小等。
     (b) 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。
     (c) 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。
     (d) 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。
     根据强度准则计算齿形带宽度的公式为：
    
     已知条件及设计内容
     初始数据： 功率P、转速n、传动比、空间位置尺寸及工作条件等。
     计算内容为：（1）确定计算功率 ：
     （2）确定模数m：根据、n查表选取m，尽可能选用小模数（因为齿形带柔性好、 啮合齿多、工作平稳）。
     （3）确定小带轮齿数Z1、大带轮齿数Z2及节圆直径D1、D2
     根据小带轮转速n1及所选模数，查有关标准（带轮最少许用齿数表）,选取小带轮的齿数Z1，使，则
     （4）校核带的速度v
    
     为带的最大允许带速（m/s）, 可根据模数m查表确定
     （5）确定中心距a、带长和带齿数Z
     （6）根据设计准则确定齿形带宽度b
     （7）确定作用在轮轴上的力Fs
    
     （8）确定带轮的结构尺寸（结构、参数、材料、尺寸等）