第2章机械系统设计技术.doc
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第2章机械系统设计技术
机械设计概述
1
传动机构的设计
支撑导向部件的设计
执行机构的设计
部件应用实例
2
3
4
53
本章学习目标
1、了解机械设计的基本知识
2、常用机械零件设计的基本理论和基本方法
3、相关标准、规范的选用选择
4、机械零件优化设计的思维模式
2.1机械设计概述
n机电一体化对机械系统的要求
Ø高精度
精度直接影响产品的质量，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
工作再精确，也无法完成其预定的机械操作。
Ø快速响应
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。
Ø良好的稳定性
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。
2.1机械设计概述
n机械系统的组成
Ø传动机构
Ø导向机构
Ø执行机构
2.1机械设计概述
n机械系统的组成
Ø传动机构
传统的机械传动是一种把动力机产生的运动和动
力传递给执行机构的中间装置，是一种扭矩和转
速的变换器，其目的是使驱动电动机与负载之间
在扭矩和转速上得到合理的匹配。
在机电一体化
系统中，普遍采用计算机控制和具有动力、变速
与执行等多重功能的伺服电动机。
2.1机械设计概述
n机械系统的组成
Ø导向机构
不仅要支承、固定和联接系统中的其它零部件，
还要保证这些零部件之间的相互位置要求和相对
运动的精度要求，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。
Ø执行机构
最终完成操作任务的部分。
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。
与传统的执行机构相比，机电一体化系统的简化
了机械执行机构，而充分发挥计算机的协调和控
制功能。
2.1机械设计概述
n机械参数对系统性能的影响
Ø刚度：
减小产品本体的振动，降低噪声，保证执行精度。
Ø惯量：
转动惯量大会对系统造成不良影响，机械负载增大，
系统响应速度降低，灵敏度下降；系统固有频率减小，容易
产生谐振。
Ø摩擦：
降低机械系统阻力，提高系统的快速响应性。
Ø传动误差
Ø谐振频率
2.2传动机构的设计
n传动结构设计要求
传动类型、传动方式、传动刚性以及传动的可靠性对系
统的精度、稳定性和快速响应性有重大影响。
Ø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。
Ø高刚度
采用高刚性支撑或架体，以减小产品本体的振动，
降低噪声；为高精度的执行机构提供良好的支撑，
保证执行精度。
2.2传动机构的设计
n传动结构设计要求
Ø低摩擦
导向和转动支撑部分采用低摩擦阻力部件，以降
低机械系统阻力，提高系统的快速响应性。
Ø良好的稳定性
即要求机械系统的工作性能受外界环境的影响小，
抗干扰能力强。
Ø高速化
Ø小型化、轻量化
2.2传动机构的设计
n机械传动装置
传统的机械传动是一种把动力机产生的运动和动力传递给执
行机构的中间装置。
常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带、高
速带传动以及各种非线性传动部件等。
实质上是转矩、转速变换器，使动力元件与负载之间在转
矩与转速方面得到最佳匹配。
2.2传动机构的设计
n传动结构分类
联轴器
减速器
齿轮传动
滚珠丝杠传动机构
带传动
2.2传动机构的设计
n带传动——组成及原理
主动轮、从动轮、张紧在两轮上的环型传动带。
原动机驱动主动轮转动时，由于带和带轮间的摩擦（或啮
合），便拖动从动轮一起转动，并传递一定动力。
2.2传动机构的设计
n带传动——类型
2.2传动机构的设计
n带传动——特点
（1）优点
传动平稳，噪声小；过载时，起安全保护作用；适用于两轴
中心距较大的场合；结构简单，制造、安装和维护方便，成
本低。
（2）缺点
带在带轮上有相对滑动，不能保证准确的传动比；传动
效率较低，寿命短；传动的外廓尺寸大；带传动需要张紧，
支撑带轮的轴和轴承受力较大；带传动中的摩擦会产生电
火花，不宜用于易燃、易爆等场合。
动画
动画
2.2传动机构的设计
n带传动——参数及计算
包角α、基准长度Ld、中心距a及带轮直径dd1、dd2。
e=v1-v
2´100%
滑动率e：
v1
pdn1
式中：
v1为主动轮圆周速度v1=
60´1000m/s
d1
pdn
2
v2=60´1000
m/s
v2为从动轮圆周速度
d2
n
dd2
带传动的实际传动比i
==
1
ndd1（1-e）
2
2.2传动机构的设计
n带传动——张紧装置
2.2传动机构的设计
n同步带传动
同步带传动是综合了带传动、齿轮传动、链传动
特点的一种新型传动。
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。
2.2传动机构的设计
n同步带分类
Ø按用途分
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。
大转矩同步带传动
又称HTD带（HighTorqueDrive）或STPD带传动
（SuperTorquePositiveDrive）。
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。
2.2传动机构的设计
n同步带分类
Ø按用途分
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。
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。
2.2传动机构的设计
n同步带分类
Ø按规格制度分
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、前苏联等国，
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。
目前仅俄罗斯及东欧各国采用模
数制。
2.2传动机构的设计
n同步带分类
Ø按规格制度分
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。
2.2传动机构的设计
n同步带分类
Ø按规格制度分
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。
2.2传动机构的设计
n同步带传动的优缺点
Ø传动比准确，传动效率高；
Ø工作平稳，能吸收振动；
Ø无需润滑，耐油、水、高温、腐蚀、维护保养方
便；
Ø中心距要求严格，安装精度要求高；
Ø制造工艺复杂，成本高。
2.2传动机构的设计
n同步带的结构
同步带一般由承载绳、
带齿、带背和包布层组
成。
带背和包布层
承载绳
带齿
工业用同步带带轮形状
2.2传动机构的设计
n谐波齿轮传动——特点及应用
特点：
结构简单、传动比大（几十到几百）、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。
应用领域：
工业机器人、航空、火箭等机电一体化系统。
2.2传动机构的设计
n谐波齿轮传动——工作原理
谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似。
它
是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对
错齿来传递动力和运动的。
谐波齿轮传动由波形发
生器（H）和刚轮、柔轮组成。
2.2传动机构的设计
n谐波齿轮传动——工作原理
谐波传动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。
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
柔轮回转方向的不同，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。
2.2传动机构的设计
n谐波齿轮传动主要优点
Ø传动速比大
单级谐波齿轮传动速比范围为70~320，在某
些装置中可达到1000，多级传动速比可达30000
以上。
它不仅可用于减速，也可用于增速的场合。
Ø承载能力高
这是因为谐波齿轮传动中同时啮合的齿数多，
双波传动同时啮合的齿数可达总齿数的30%以上，
而且柔轮采用了高强度材料，齿与齿之间是面接
触。
2.2传动机构的设计
n谐波齿轮传动主要优点
Ø传动精度高
这是因为谐波齿轮传动中同时啮合的齿数多，
误差平均化，即多齿啮合对误差有相互补偿作用，
故传动精度高。
在齿轮精度等级相同的情况下，
传动误差只有普通圆柱齿轮传动的1/4左右。
同
时可采用微量改变波发生器的半径来增加柔轮的
变形使齿隙很小，甚至能做到无侧隙啮合，故谐
波齿轮减速机传动空程小，适用于反向转动。
2.2传动机构的设计
n谐波齿轮传动主要优点
Ø传动效率高、运动平稳
由于柔轮轮齿在传动过程中作均匀的径向移
动，因此，即使输入速度很高，轮齿的相对滑移
速度仍是极低（故为普通渐开线齿轮传动的百分
之—），所以，轮齿磨损小，效率高（可达
69%~96%）。
又由于啮入和啮出时，齿轮的两侧都
参加工作，因而无冲击现象，运动平稳。
Ø结构简单、零件数少、安装方便
仅有三个基本构件，且输入与输出轴同轴线，
所以结构简单，安装方便。
2.2传动机构的设计
n谐波齿轮传动主要优点
Ø体积小、重量轻
与一般减速机比较，输出力矩相同时，谐波
齿轮减速机的体积可减小2/3，重量可减轻1/2。
Ø可向密闭空间传递运动
利用柔轮的柔性特点，轮传动的这一可贵优
点是现有其他传动无法比拟的。
2.2传动机构的设计
n谐波齿轮传动主要缺点
Ø柔轮周期性地发生变形，因而产生交变应力，
使之易于产生疲劳破坏。
Ø转动惯量和起动力矩大，不宜用于小功率的跟
踪传动。
Ø不能用于传动速比小于35的场合。
Ø采用滚子波发生器（自由变形波）的谐波传动，
其瞬时传动比不是常数。
Ø散热条件差。
2.2传动机构的设计
nRV（Rot-Vector）摆线针轮传动减速器
是20世纪80年代日本研制用于机器人关节的
传动装置。
由渐开线圆柱齿轮行星减速机构和摆线针轮
行星减速机构二部分组成。
渐开线行星轮2与曲
柄轴3连成一体，作为摆线针轮传动部分的输入。
2.2传动机构的设计
nRV减速器优点
Ø传动比范围大i=31-171
Ø运动精度高、回差小、刚度大、抗冲击能力强
Ø体积小、结构紧凑
Ø传动效率高（h=0.85-0.92）
RV减速器的缺点
是重量重，外形
尺寸较大
日本住友重机械株式会社（SumitomoDriveTechnologies）是目前世界上生产摆
线针轮减速器规模最大的企业之一。
2.2传动机构的设计
n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。
2.2传动机构的设计
n滚珠螺旋传动特点
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：
Ø传动效率高
一般滚珠丝杠副的传动效率达85％~98％。
Ø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。
Ø能够预紧
预紧后可消除间隙产生过盈，提高接触刚度和传动
精度。
2.2传动机构的设计
n滚珠螺旋传动特点
Ø工作寿命长
滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度、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。
Ø定位精度和重复定位精度高
由于滚珠丝杠副摩擦小、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。
2.2传动机构的设计
n滚珠螺旋传动特点
Ø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。
Ø可靠性高
润滑密封装置结构简单，维修方便。
Ø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。
Ø成本较高
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。
2.2传动机构的设计
n滚珠螺旋传动——组成
滚珠丝杠副是在丝杠和螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动部
件，它可将旋转运动变为直线运动。
d0－公称直径；Dpw－节圆直径；α－接触角；Ph－导程；
φ－螺旋角
2.2传动机构的设计
n滚珠螺旋传动——滚珠的循环方式
滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环两种
在循环过程中滚珠与丝杠脱离接触的方
式。
制造工艺简单，应用广泛；螺母径
在循环过程中滚珠始终保持和丝杠接触的方
式。
结构紧凑，定位可靠，刚性好，不易磨
向尺寸较大；但因用弯管端部作挡珠器，损，返回滚道短，不易产生滚珠堵塞，摩擦
故刚性差、易磨损，且噪声较大。
损失小。
缺点是结构复杂、制造较困难。
2.2传动机构的设计
n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。
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。
2.2传动机构的设计
n双螺母预紧原理
垫片
预拉方向
预拉方向
调整垫片
预紧方向
预紧方向
螺母A
螺母B
丝杠侧
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。
2.2传动机构的设计
n单螺母预紧原理（增大滚珠直径法）
承载滚珠
间隔钢球
螺母侧
螺母侧
丝杠侧
丝杠侧
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。
2.2传动机构的设计
n单螺母预紧原理（偏置导程法）
预拉方向
预拉方向
导程
导程+Δ
导程
螺母侧
丝杠侧
偏置导程法原理如上图所示，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。
2.2传动机构的设计
n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。
以下列出了四种典型支承方式及其特点。
2.2传动机构的设计
n滚珠丝杠副的安装
Ø单推—单推
1.轴向刚度较高；
2．预拉伸安装时，须加载荷较大，轴承寿命比方案2低；
3．适宜中速、精度高，并可用双推—单推组合。
2.2传动机构的设计
n滚珠丝杠副的安装
Ø双推—双推
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。
2.2传动机构的设计
n滚珠丝杠副的安装
Ø双推—简支
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。
2.2传动机构的设计
n滚珠丝杠副的安装
Ø双推—自由
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。
2.3支撑导向部件的设计
n支撑部件——分类
导向支撑部件、轴系支撑部件、旋转支撑部件和机座机架。
框架支撑结构
导向支撑结构
旋转支撑结构
2.3支撑导向部件的设计
n支撑部件设计要求
支撑部件起着定位、承受其它零部件的重量、确保
部件间的相对位置以及保持零部件的相对运动等作
用。
Ø足够的刚度
Ø足够的抗振性
Ø较小的热变形
Ø稳定性
Ø结构工艺性等其他要求
2.3支撑导向部件的设计
n支撑部件设计原则
首先必须保证自身的刚度，同时考虑安装方式、材
料选择、结构工艺性以及节省材料、降低成本和缩
短生产周期等问题。
Ø合理选择截面形状
Ø合理布置隔板和加强筋
Ø提高连接处的局部刚度和接触刚度
Ø控制热源
2.3支撑导向部件的设计
n导向支撑部件——组成
主要由承导件和运动件两部分组成。
2.3支撑导向部件的设计
n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。
Ø按导轨副运动导轨的轨迹分类
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。
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。
2.3支撑导向部件的设计
n导轨副的种类及基本要求
Ø按导轨副导轨面间的摩擦性质分类
滑动摩擦导轨副；
滚动摩擦导轨副；
流体摩擦导轨副。
2.3支撑导向部件的设计
n导轨副的种类及基本要求
Ø按导轨副结构分类
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。
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大。
2.3支撑导向部件的设计
n导轨副的种类及基本要求
Ø按直线运动导轨副的基本截面形状分类
对称三角不对称三
形角形
矩形
燕尾槽圆形
凸形
凹形
2.3支撑导向部件的设计
n导轨副应满足的基本要求
Ø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。
Ø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。
2.3支撑导向部件的设计
n导轨副应满足的基本要求
Ø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。
Ø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。
2.3支撑导向部件的设计
n导轨副应满足的基本要求
Ø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。
Ø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。
2.3支撑导向部件的设计
n导轨副间隙的调整
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。
2.3支撑导向部件的设计
n导轨副间隙的调整
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。
2.3支撑导向部件的设计
n导轨副间隙的调整
对矩形导轨可采用修刮压板、修
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