Детали мехатронных модулей, роботов и их конструирование

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
 
 
 
ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
681.5(07) 
Б431 
 
 
 
 
Л.С. Белевский, В.Р. Гасияров 
 
ДЕТАЛИ МЕХАТРОННЫХ МОДУЛЕЙ,  
РОБОТОВ И ИХ КОНСТРУИРОВАНИЕ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
Челябинск 
2019 
 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Южно-Уральский государственный университет 
Кафедра «Мехатроника и автоматизация» 
 
 
 
 
 
681.5(07) 
Б431 
 
 
 
 
 
Л.С. Белевский, В.Р. Гасияров 
 
ДЕТАЛИ МЕХАТРОННЫХ МОДУЛЕЙ,  
РОБОТОВ И ИХ КОНСТРУИРОВАНИЕ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Челябинск 
Издательский центр ЮУрГУ 
2019 

УДК 681.527.7(075.8) + 007(075.8) 
 Б431 
Одобрено 
Научно-методическим советом 
Южно-Уральского государственного университета 
(национального исследовательского университета) 
 
 
Рецензенты: 
Шошиашвили Михаил Элгуджевич, доктор технических наук, 
профессор кафедры «Мехатроника и гидропневмоавтоматика» 
Южно-Российского государственного политехнического университета 
(НПИ) имени М.И. Платова 
Чиченев Николай Алексеевич, доктор технических наук, 
профессор кафедры «Инжиниринг технологического оборудования» 
Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» 
 
 
 
Б431 
Белевский, Л.С. 
Детали мехатронных модулей, роботов и их конструирование: 
учебное пособие / Л.С. Белевский, В.Р. Гасияров. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2019. – 105 с. 
ISBN 978-5-696-05046-1 
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 15.03.06 «Мехатроника и робототехника» при изучении дисциплины «Детали машин и основы конструирования». 
В пособии даны основные понятия механизмов и машин мехатронных 
модулей, приведены механизмы передачи и преобразования движения, 
передачи винт-гайка, зубчатые, цепные и ременные передачи, вариаторы. 
Представлены материалы по валам, осям, муфтам, подшипникам, упругим элементам, разъемным и неразъемным соединениям деталей мехатронных модулей. Рассмотрены вопросы передачи крутящего момента 
роботов и мехатронных модулей, вопросы конструирования и проектирования деталей и узлов мехатронных модулей. 
Пособие может быть полезно для инженерно-технических работников, занимающихся проектированием наладкой и эксплуатацией деталей 
мехатроных модулей, а также для студентов, обучающихся по направлению подготовки магистров 15.04.06 «Мехатроника и робототехника». 
 
УДК 681.527.7(075.8) + 007(075.8)
 
 
ISBN 978-5-696-05046-1 
 
     © Издательский центр ЮУрГУ, 2019 
 
2 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Мехатронные устройства как объект проектирования. Мехатронные 
устройства как область техники – это образовавшийся в последние десятилетия класс машин или узлов машин, базирующийся на использовании 
достижений точной механики, в том числе микроразмерной и наноразмерной, электропривода, контрольно-измерительных приборов, электроники, 
компьютерного управления. 
Проектирование – это комплекс работ, направленный на изыскание, 
исследование, расчет и конструирование объекта проектирования. Входом 
процесса проектирования является описание потребности в объекте проектирования, выходом – проектная документация, на основании которой 
можно изготовить объект, удовлетворяющий этим потребностям. Объекты 
проектирования – системы и процессы. 
Под мехатронной (в частном случае – робототехнической) системой мы 
будем понимать мехатронное устройство как сборочную единицу (мехатронную машину, мехатронный узел) и связей между ними называют 
структурой системы 
Процессы. Под процессом в мехатронной системе понимается изменение состояния системы как функции времени, например переходный процесс изменения скорости вала двигателя, процесс заполнения базы данных, 
процесс запирания транзистора и т. п. Обоснованный выбор изменяемых 
параметров элементов системы, например с целью получения оптимального по времени переходного процесса, будет являться его проектированием. 
Зависимость одного процесса от другого, допустим, скорости материальной точки V(t) от пути S(t), пройденного материальной точкой, описывается оператором V(t) = d[S(t)]/dt. 
Конструирование – это часть проектирования, включающая компоновку машины и ее сборочных единиц; разработку сборочных чертежей; выполнение электрических, гидравлических, пневматических схем; разработку чертежей деталей; расчеты механических деталей на прочность, жесткость, устойчивость, долговечность и т.п. 
Проектирование возможно без конструирования, например, при создании изделий из типовых блоков (отверточная сборка). 
Типовая структурная схема мехатронного устройства приведена на 
рис. В.1. 
Выходное механическое звено (ВМЗ) – это одноподвижный или многоподвижный механизм, обеспечивающий перемещение одного или нескольких рабочих органов мехатронной машины или других механизмов 
(звеньев). 
 
3 

 
 
Рис. В.1.  Состав мехатронного устройства 
 
4 

К механизмам обеспечения движения (МОД) можно отнести: муфты; 
механизмы преобразования движения (передаточные механизмы); механизмы фиксации положения выходного звена, ограничители движения 
(фиксаторы, упоры, стопоры) выходного звена, тормозные устройства 
(управляемые ограничители). Механизмы обеспечения движения в мехатронном узле существуют всегда, но их сложность может меняться в широких пределах. 
Мехатронное устройство может быть либо машиной, либо узлом (звеном, модулем) машины. Положение выходного механического звена 
(ВМЗ) определяется в системе координат, жестко связанной с корпусом 
мехатронного устройства. ВМЗ может иметь одну или несколько степеней 
свободы относительно корпуса. Такие устройства называют однокоординатными или двух-, трех-, многокоординатными. Эти вопросы изучаются в 
курсе “Теория механизмов и машин (ТММ)”. Мехатронные устройства могут иметь в одном механизме два или более ВМЗ. 
При объединении мехатронные узлы (модули, звенья) образуют мехатронную машину, в которой они обладают возможностью управляемого 
относительного перемещения. В этом случае узел чаще называют звеном, 
например, в робототехнике, или модулем. Объединение мехатронных машин называется системой мехатронных машин. При проектировании макромехатронных устройств в целом используются те же способы и приемы, 
что и в проектировании изделий машиностроения и приборостроения. 
 
1. МЕХАНИЗМ И МАШИНА 
 
Механизмом называется система тел, предназначенная для преобразования движения одного или нескольких твердых тел в требуемые движения 
других твердых тел. (Примечание. В теории механизмов и машин под 
твердыми телами понимают как абсолютно твердые, так и деформируемые 
гибкие тела). 
Машина – это устройство, выполняющее механические движения для 
преобразования энергии и материалов. (Примечание. Под материалами понимаются обрабатываемые предметы, перемещаемые грузы и т.д.). 
Машины, предназначенные для преобразования энергии, называются 
энергетическими. Машина-двигатель (двигатель) – это энергетическая машина, предназначенная для преобразования энергии любого вида в механическую энергию твердого тела. Машиной-генератором (генератор) называют энергетическую машину, предназначенную для преобразования 
механической энергии твердого тела в энергию любого вида. Гидромашина – это энергетическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии твердого тела в механическую энергию жидкости (или 
5 

наоборот). Пневмомашина – энергетическая машина, предназначенная для 
преобразования механической энергии твердого тела в механическую 
энергию газа (или наоборот). Технологическая машина – машина, предназначенная для преобразования обрабатываемого предмета, состоящего в 
изменении его размеров, формы, свойств или состояния. Транспортная 
машина – машина, предназначенная для перемещения людей и грузов. 
 
1.1. Детали и узлы 
 
Любая машина (механизм) состоит из составных частей – деталей 
(в более узком понимании термина – изделий, изготовленных без сборочных операций). Детали могут быть простыми (гайка, шарик подшипника, 
шайба и т.п.) и сложными (коленчатый вал, корпус редуктора, станина 
прокатного стана). Число деталей в машинах может составлять десятки и 
сотни тысяч. Совокупность деталей, объединенных общим назначением, 
называется сборочной единицей (узлом). Характерными примерами узлов 
являются подшипник качения, коробка скоростей, муфта и т.п. Сложные 
узлы могут включать несколько простых узлов (подузлов); например, редуктор включает в себя валы с насаженными зубчатыми колесами, подшипники, масленки и т.п. Узлы одной машины могут изготавливаться на 
разных заводах. 
Знакомство с самыми различными по назначению машинами и механизмами (автомобиль, часы, швейная машина, вертолет, клеть прокатного 
стана и т.д.) позволяет обнаружить, что все они состоят практически из одних и тех же по назначению деталей и узлов: крепежные изделия, различные виды передач (зубчатые, ременные, цепные и др.), валы, оси, подшипники, пружины, муфты и т.д. 
Детали машин делятся на детали общемашиностроительного применения, составляющие большинство, и специфические – для отдельных машин 
(например, устройство для установки и уравновешивания прокатных валков, механизм управления крылом самолета, грузозахватные устройства 
подъемно-транспортных машин и т.п.). В учебниках «Детали машин» 
обычно рассматриваются детали первой группы. 
Детали классифицируют по назначению: соединения, передачи, подшипники, муфты, смазочные и уплотнительные устройства, упругие элементы, корпусные детали и др. 
6 

1.2. Основные критерии работоспособности  
и расчета деталей машин 
 
Машины должны удовлетворять условию надежности. 
Надежность – это свойство объекта выполнять в течение заданного 
времени (или заданной наработки) свои функции, сохраняя в заданных 
пределах эксплуатационные показатели. Надежность изделий обусловливается их безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью. 
Детали машин выходят из строя по различным причинам, которые определяются условиями эксплуатации деталей. Причины отказа отдельных деталей передач, соединений и т.п. называют критериями работоспособности. Различают следующие основные критерии работоспособности. 
Прочность – способность детали выдерживать приложенные нагрузки 
без разрушения – является обязательным и важнейшим критерием работоспособности деталей машин. 
Жесткость – способность деталей сопротивляться изменению формы 
под действием сил. 
Износостойкость – способность материала деталей оказывать сопротивление изнашиванию. 
Виброустойчивость – сопротивление появлению в машинах вредных 
динамических нагрузок в виде вынужденных колебаний и автоколебаний 
(колебаний, вызываемых ими самими, например, при трении, резании и 
т.п.). 
Коррозионная стойкость – сопротивление металлов химическому или 
электрохимическому разрушению поверхностных слоев и коррозионной 
усталости. 
Точность – свойство машин работать в заданных пределах возможных 
отклонений параметров, например размеров. Точность – один из важнейших показателей качества деталей машин, влияющий на работоспособность и надежность машин и механизмов. Точность диктуется требуемой 
точностью рабочего процесса машины и нормальной работой механизмов. 
 
 
2. СОПРЯЖЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН,  
КОНТАКТНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ 
 
Передача сил между деталями в машинах происходит по сопряженным 
поверхностям (по площадкам контакта). 
Сопряжения деталей машин условно можно разделить по первоначальному контакту (без нагрузки): по поверхности, в точке или по линии. В за7 

висимости от характера взаимного перемещения контактирующих поверхностей под нагрузкой различают неподвижные и подвижные сопряжения 
деталей. 
Задачей расчета сопряжений является определение напряжений и деформаций. Они нужны для расчета деталей на прочность и определения 
жесткости (или податливости) соединений при решении задач динамики. 
Расчет напряжений и деформаций в сопрягаемых деталях называют решением контактной задачи, а напряжения – контактными. В точной общей 
постановке решение контактной задачи связано со значительными трудностями, обусловленными сложной формой деталей, неизвестностью величины площадок контакта, изменением их размеров под нагрузкой и др. Поэтому частные задачи для определенных форм деталей и условий нагружения решают приближенно. 
Неподвижные сопряжения деталей с первоначальным контактом по поверхности (резьбовые, с натягом, шпоночные и шлицевые соединения) 
рассчитывают по простейшим расчетным схемам. При этом напряжение 
смятия (среднее давление) на поверхности принимают равным суммарной 
нормальной силе ܨ
ௌ, деленной на всю поверхность контакта А. Это напряжение смятия не должно превышать допускаемое 
ߪ =
ி
ೞ
஺≤ [ߪ]. 
Допускаемое напряжение [σ], зависящее от материала и условий контакта, определяют экспериментально. При неподвижном сопряжении допускаемое напряжение может быть близким к пределу текучести σТ при растяжении (сжатии) образца. Однако, учитывая, что из-за шероховатости 
контактирующих поверхностей реальная площадь контакта составляет 
30...50% от полной, допускаемое напряжение принимают равным [ߪ] =
(0,3. . .0,5) ߪ். 
При подвижном контакте по поверхности (в подшипниках скольжения, 
направляющих станков и др.) применяют смазочные материалы для 
уменьшения трения и разогрева поверхностей от сил трения и их задира. 
Особый класс задач составляют задачи с первоначальным контактом деталей в точке или по линии. Решения этих задач обычно выполнены для 
неподвижного контакта и используются при расчете на прочность подшипников качения, зубчатых и фрикционных передач. Учитывая, что в 
подшипниках качения и передачах контакт подвижный и часто присутствует смазочный материал в сопряжениях, условие прочности имеет вид 
ߪு≤[ߪ]ு. 
Расчетное напряжение ߪு сравнивают с допускаемым [ߪ]ு, полученным 
экспериментально на реальных образцах. 
8 

Аналитическое решение контактной задачи было впервые получено известным немецким физиком Г. Герцем в 1881 г. (H. Herz), в честь которого 
контактным напряжениям присвоен индекс «H».  
Контакт двух цилиндров с параллельными осями. Первоначальный 
контакт осуществляется по линии (по образующей цилиндров). При сжатии цилиндров распределенными по их длине силами q в результате упругих деформаций образуется площадка контакта в виде полоски шириной 
2b (рис. 2.1). 
Для стальных цилиндров модуль упругости ܧଵ= ܧଶ= ܧ, коэффициент 
Пуансона ߥଵ= ߥଶ= 0,3, напряжения 
, 
ߜு= 0,418ඨݍܧߩଵ+ ߩଶ
ߩଵ∗ߩଶ
где q – нагрузка на единицу длины; ρ1 и ρ2 – радиусы цилиндров. 
 
Рис. 2.1. Схема сжатия двух цилиндров с параллельными осями 
 
    Вопросы 
1. Дайте определения терминов «механизм» и «машина». 
2. Назовите основные виды машин. 
3. Что такое деталь, узел, сборочная единица? 
4. Назовите основные критерии работоспособности и расчета деталей 
машин. Какой критерий принято считать главным? 
5. Что такое надежность? 
6. Какие виды нагрузок действуют в машинах? 
 
 
9