机电一体化概论2-1机械单元课件

机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 第第2章章 机电一体化的系统组成机电一体化的系统组成 2.1 机械机械单单元元2.2 伺服与伺服与驱动单驱动单元元2.3 检测单检测单元元2.4 控制控制单单元元2.5 接口技接口技术术机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 第第2章章 机电一体化的系统组成机电一体化的系统组成 机机电一体化系一体化系统主要由机械主要由机械单元、元、检测单元、控制元、控制单元、伺服与元、伺服与驱动单元等元等组成。成。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1 机械单元机械单元2.1.1 机械机械单元基元基础 2.1.2 执行元件行元件 2.1.3 传动与与导向元件向元件手表的精确定时是靠机械传动实现的手表的精确定时是靠机械传动实现的机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.1 机械单元（机械单元（Mechanical unit）基础基础l机械单元是机电一体化系统的基础，是系统中所有功能单元机械单元是机电一体化系统的基础，是系统中所有功能单元的安装骨架和支撑结构，同时还具有传递动力和运动的作用的安装骨架和支撑结构，同时还具有传递动力和运动的作用l线性传动元件：减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等；线性传动元件：减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等；l非线性传动元件：连杆机构、凸轮机构等；非线性传动元件：连杆机构、凸轮机构等；l导向支承元件、旋转支承元件导向支承元件、旋转支承元件l轴系及架体等轴系及架体等机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.1 机械单元（机械单元（Mechanical unit）基础基础基本要求：精度高，惯量小，刚度大基本要求：精度高，惯量小，刚度大基本组成：基本组成：l 执行元件（执行元件（Executive componentExecutive component）l 机械执行元件，液压缸、气缸等；机械执行元件，液压缸、气缸等；l电气执行元件，如电动机、电磁阀、电磁开关、电磁离合电气执行元件，如电动机、电磁阀、电磁开关、电磁离合器等器等l 传动与导向元件（传动与导向元件（Transmission and guide componentsTransmission and guide components）l 传动带、传动链、传动齿轮、传动轴等。传动带、传动链、传动齿轮、传动轴等。l 导轨、导向键等导轨、导向键等l 机座元件机座元件机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.2 执行元件执行元件 机械执行元件是机器的直接工作部分，它是将动力和运机械执行元件是机器的直接工作部分，它是将动力和运动转化为克服有效外载、对外做功、完成人们设计任务的元动转化为克服有效外载、对外做功、完成人们设计任务的元件。件。如，汽车驱动轮、夹持机器人手指等。如，汽车驱动轮、夹持机器人手指等。机电一体化系统中，执行元件主要包括：机械执行机电一体化系统中，执行元件主要包括：机械执行元件、电磁执行元件、机械手末端执行器等。元件、电磁执行元件、机械手末端执行器等。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.2 执行元件执行元件1.1.机械执行元件机械执行元件 微动机构是机电一体化系统中广泛应用的执行元件微动机构是机电一体化系统中广泛应用的执行元件 机械式：机械式：精密丝杠、精密杠杆、齿轮机构、凸轮机构以及精密丝杠、精密杠杆、齿轮机构、凸轮机构以及弹性机构等。弹性机构等。机电式：机电式：电热式、电磁式、压电式、电致伸缩式、磁致伸电热式、电磁式、压电式、电致伸缩式、磁致伸缩式等。缩式等。（1 1）螺旋微动机构）螺旋微动机构 万能工具显微镜工作台的螺旋微动装置万能工具显微镜工作台的螺旋微动装置机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.2 执行元件执行元件（2 2）蜗轮）蜗轮-凸轮微动机构凸轮微动机构 （3 3）齿轮）齿轮-杠杆微动机构杠杆微动机构扇形齿轮扇形齿轮（杠杆）（杠杆）机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.2 执行元件执行元件（4 4）热变形式微动机构）热变形式微动机构机构原理示意图机构原理示意图 热变形微动机构热变形微动机构机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.2 执行元件执行元件（5 5）磁致伸缩式微动机构）磁致伸缩式微动机构机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.2 执行元件执行元件2.2.电磁执行元件（电磁执行元件（Electromagnetic actuatorElectromagnetic actuator）利用电磁感应现象驱动被控对象。利用电磁感应现象驱动被控对象。电磁阀电磁阀 电磁马达电磁马达 电磁离合器电磁离合器机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.2 执行元件执行元件2.2.电磁执行元件（电磁执行元件（Electromagnetic actuatorElectromagnetic actuator）左端电线圈通电左端电线圈通电 右端电线圈通电右端电线圈通电二位五通电磁阀工作原理二位五通电磁阀工作原理机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.3 传动与导向元件传动与导向元件1.1.杆系（杆系（Bar-linkage systemBar-linkage system）示意图示意图 缝纫机下针机构缝纫机下针机构 平面杆系平面杆系 空间杆系空间杆系 空间杆系，若干个连杆机构按照一定的方式组合在一起，空间杆系，若干个连杆机构按照一定的方式组合在一起，可以实现更为复杂的平面平移、角度倾斜、回转等复合运动。可以实现更为复杂的平面平移、角度倾斜、回转等复合运动。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.3 传动与导向元件传动与导向元件2.2.轮系轮系（1）齿轮传动（）齿轮传动（Gear transmission）（2）齿轮齿条传动（）齿轮齿条传动（Gear-rack transmission）机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 1最佳最佳总传动比比 首先把首先把传动系系统中的工作中的工作负载、惯性性负载和摩擦和摩擦负载，综合合为系系统的的总负载，方法有：，方法有：(a)峰峰值综合：若各种合：若各种负载为非随机性非随机性负载，将各，将各负载的的峰峰值取代数和。取代数和。(b)均方根均方根综合：若各种合：若各种负载为随机性随机性负载，取各，取各负载的的均方根。均方根。齿轮传动齿轮传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 1最佳最佳总传动比比 负载综合合时，要，要转化到化到电机机轴上，成上，成为等效峰等效峰值综合合负载转矩或等效均方根矩或等效均方根综合合负载转矩。使等效矩。使等效负载转矩最小或矩最小或负载加速度最大的加速度最大的总传动比，即比，即为最佳最佳总传动比。比。齿轮传动齿轮传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2总传动比分配比分配 齿轮系系统的的总传动比确定后，根据比确定后，根据对传动链的技的技术要求，要求，选择传动方案，使方案，使驱动部件和部件和负载之之间的的转矩、矩、转速达到合理匹配。可按下述三种速达到合理匹配。可按下述三种原原则适当分适当分级，并在各，并在各级之之间分配分配传动比。比。齿轮传动齿轮传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics (1)最小等效最小等效转动惯量原量原则 利用利用该原原则所所设计的的齿轮传动系系统，换算到算到电机机轴上的等效上的等效转动惯量量为最小。最小。齿轮传动齿轮传动 如右图，若不计轴和轴承的转如右图，若不计轴和轴承的转动惯量，则根据系统动能不变的动惯量，则根据系统动能不变的原则，等效到电机轴上的等效转原则，等效到电机轴上的等效转动惯量为：动惯量为：机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 齿轮传动齿轮传动因为：因为：所以：所以：即：即：令令可得可得机电一体化概论An Introduction to Mechatronics (2)重量最重量最轻原原则 对于小功率于小功率传动系系统，使各，使各级传动比比满足，足，即可使即可使传动装置的重量最装置的重量最轻。齿轮传动齿轮传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 上述上述结论对于大功率于大功率传动系系统是不适用的，是不适用的，此此时应根据根据经验、类比方法以及比方法以及结构构紧凑之要求凑之要求进行行综合考合考虑。各。各级传动比一般比一般应以以“先大后小先大后小”原原则处理。理。齿轮传动齿轮传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics (3)输出出轴转角角误差最小原差最小原则 为了提高机了提高机电一体化系一体化系统中中齿轮传动系系统传递运运动的的精度，各精度，各级传动比比应按按“先小后大先小后大”原原则分配，以便降低分配，以便降低齿轮的加工的加工误差、安装差、安装误差以及回差以及回转误差差对输出出转角精度角精度的影响。的影响。设齿轮传动系系统中各中各级齿轮的的转角角误差差换算到末算到末级输出出轴上的上的总转角角误差差为 齿轮传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 3 齿轮传动间隙的隙的调整方法整方法(1)圆柱柱齿轮传动(a)偏心套偏心套(轴)调整法整法 如右如右图所示，将相互所示，将相互啮合合的的一一对齿轮中的一个中的一个齿轮4装在装在电机机输出出轴上，并将上，并将电机机2安安装在偏心套装在偏心套1(或偏心或偏心轴)上上齿轮传动齿轮传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics (b)轴向向垫片片调整法整法 如右如右图所示，所示，齿轮1和和2相相啮合，其分合，其分度度圆弧弧齿厚沿厚沿轴线方向略有方向略有锥度，度，这样就可以用就可以用轴向向垫片片3使使齿轮2沿沿轴向移向移动，从而消除两从而消除两齿轮的的齿侧间隙。隙。齿轮传动齿轮传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics (c)双片薄双片薄齿轮错齿调整法整法 这种消除种消除齿侧间隙的方法是将其中一个做成隙的方法是将其中一个做成宽齿轮，另，另一个用两片薄一个用两片薄齿轮组成。采取措施使一个薄成。采取措施使一个薄齿轮的左的左齿侧和和另一个薄另一个薄齿轮的右的右齿侧分分别紧贴在在宽齿轮齿槽的左、右两槽的左、右两侧，以消除以消除齿侧间隙，反向隙，反向时不会出不会出现死区。死区。齿轮传动齿轮传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics (2)斜斜齿轮传动 消除斜消除斜齿轮传动齿轮侧隙的方法与上述隙的方法与上述错齿调整法基整法基本相同，也是用两个薄片本相同，也是用两个薄片齿轮与一个与一个宽齿轮啮合，只是在两合，只是在两个薄片斜个薄片斜齿轮的中的中间隔开了一小段距离，隔开了一小段距离，这样它的螺旋它的螺旋线便便错开了。开了。齿轮传动齿轮传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics (3)锥齿轮传动(a)轴向向压簧簧调整法整法 轴向向压簧簧调整法原理如整法原理如图6-15，在在锥齿轮4的的传动轴7上装有上装有压簧簧5，其其轴向力大小由螺母向力大小由螺母6调节。锥齿轮4在在压簧簧5的作用下可的作用下可轴向移向移动，从而，从而消除了其与消除了其与啮合的合的锥齿轮l之之间的的齿侧间隙。隙。齿轮传动齿轮传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics (b)周向周向弹簧簧调整法整法 将将与与锥齿轮3啮合的合的齿轮做做成大小两片成大小两片(1、2)，在大片，在大片锥齿轮1上制有三个周向上制有三个周向圆弧槽弧槽8，小，小片片锥齿轮2的端面制有三个可伸入的端面制有三个可伸入槽槽8的凸爪的凸爪7。弹簧簧5装在槽装在槽8中，中，一端一端顶在凸爪在凸爪7上，另一端上，另一端顶在在镶在槽在槽8中的中的镶块4上。止上。止动螺螺钉6装配装配时用，安装完用，安装完毕将其卸下，将其卸下，则大小片大小片锥齿轮1、2在在弹簧力作簧力作用下用下错齿，从而达到消除，从而达到消除间隙的隙的目的。目的。齿轮传动齿轮传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 4 齿轮齿条条传动机构机构 当当传动负载大大时，可采用双，可采用双齿轮调整法。通整法。通过预载装置装置4向向齿轮3上上预加加负载，使大，使大齿轮2、5同同时向两个相反方何向两个相反方何转动，从而，从而带动小小齿轮1、6转动，其，其齿面便分面便分别紧贴在在齿条条7上上齿槽的左、右槽的左、右侧，消除了，消除了齿侧间隙。隙。齿轮传动齿轮传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 谐波波齿轮传动具有具有结构构简单、传动比大比大(几十几十几几百百)、传动精度高、回程精度高、回程误差小、噪声低、差小、噪声低、传动平平稳、承、承载能力能力强、效率高等、效率高等优点，故在工点，故在工业机器机器人、航空、火箭等机人、航空、火箭等机电一体化系一体化系统中日益得到广中日益得到广泛的泛的应用。用。谐波齿轮传动谐波齿轮传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 谐波波传动由三个主要构件所由三个主要构件所组成，即具有内成，即具有内齿的的刚轮l、具有外、具有外齿的柔的柔轮2和波和波发生器生器3。通常波。通常波发生器生器为主主动件，而件，而刚轮和柔和柔轮之一之一为从从动件，另一个件，另一个为固定件。当波固定件。当波发生器装入柔生器装入柔轮内孔内孔时，由于前者的，由于前者的总长度略大于后者的内孔直径，故柔度略大于后者的内孔直径，故柔轮变为椭圆形，于是在形，于是在椭圆的的长轴两两端端产生了柔生了柔轮与与刚轮轮齿的两个局部的两个局部啮合区；同合区；同时在在椭圆短短轴两端，两两端，两轮轮齿则完全脱开。至于其余各完全脱开。至于其余各处，则视柔柔轮回回转方向的不同，或方向的不同，或处于于啮合状合状态，或，或处于非于非啮合状合状态。当波。当波发生器生器连续转动时，柔，柔轮长短短轴的的位置不断交化，从而使位置不断交化，从而使轮齿的的啮合合处和脱开和脱开处也随之不断也随之不断变化，于是在化，于是在柔柔轮与与刚轮之之间就就产生了相生了相对位移，从而位移，从而传递运运动。谐波齿轮传动谐波齿轮传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 在波在波发生器生器转动一周期一周期间，柔，柔轮上一点上一点变形的循形的循环次数次数与波与波发生器上的凸起部位数是一致的，称生器上的凸起部位数是一致的，称为波数。常用的有波数。常用的有两波和三波两种。两波和三波两种。为了有利于柔了有利于柔轮的力平衡和防止的力平衡和防止轮齿干涉，干涉，刚轮和柔和柔轮的的齿数差数差应等于波等于波发生器波数生器波数(即波即波发生器上的生器上的滚轮数数)的整倍数，通常取的整倍数，通常取为等于波数。等于波数。谐波齿轮传动谐波齿轮传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2 谐波波齿轮传动的的传动比比计算算 式中：式中：、分分别为刚轮、柔、柔轮和波和波形形发生器的角速度；生器的角速度；、分分别为刚轮和柔和柔轮的的齿数。数。(1)当柔当柔轮固定固定时，则 三、谐波齿轮传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q(2)当当刚轮刚轮固定固定时时，则则q设设 、q当柔当柔轮轮固定固定时时，q当柔当柔轮轮固定固定时时三、谐波齿轮传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q3.谐波波齿轮减速器减速器产品及品及选用用q常常见的的谐波波齿轮减速器减速器标记代号如下代号如下图三、谐波齿轮传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.3 传动与导向元件传动与导向元件2.2.轮系轮系同步带实物同步带实物 打印机上的字车结构打印机上的字车结构 （3）同步带传动（）同步带传动（Timing-belt transmission）机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 同步同步带是一种兼有是一种兼有链、齿轮、三角胶、三角胶带优点的点的传动零件。由于同零件。由于同步步带是一种兼有是一种兼有链、齿轮、三角胶、三角胶带优点的点的传动零件，于零件，于1940年由美年由美国尤尼国尤尼罗尔(Unirayal)橡橡胶公司首先加以开胶公司首先加以开发。1946年辛加公司把同步年辛加公司把同步带用于用于缝纫机机针和和缠线管的同步管的同步传动上，取得上，取得显著效益，并被逐著效益，并被逐渐引引用到其他机械用到其他机械传动上。上。同步带传动同步带传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q1.分分类类q2.同步同步带带的的优优缺点缺点q3.同步同步带带的的结结构和尺寸构和尺寸结结构构q4.同步同步带带的的设计计设计计算算同步带传动同步带传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 1.分分类(1)按用途分按用途分 (a)一般工一般工业用同步用同步带传动 即梯形即梯形齿同步同步带传动。它主要它主要用于中、小功率的同步用于中、小功率的同步带传动，如各种，如各种仪器、器、计算机、算机、轻工机械工机械中均采用中均采用这种同步种同步带传动。(b)高高转矩同步矩同步带传动 又称又称HTD带(High Torque Drive)或或STPD带传动(Super Torque Positive Drive)。由于其。由于其齿形呈形呈圆弧弧状，状，在我国通称在我国通称为圆弧弧齿同步同步带传动。它主要用于重型机械的。它主要用于重型机械的传动中，如运中，如运输机械机械(飞机、汽机、汽车)、石油机械和机床、石油机械和机床、发电机等机等的的传动。同步带传动同步带传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics (2).按按规格制度分格制度分(a)模数制模数制 同步同步带主要参数是模数主要参数是模数m(与与齿轮相相同同)，根据不同的模数数，根据不同的模数数值来确定来确定带的型号及的型号及结构参数。构参数。在在60年代年代该种种规格制度曾格制度曾应用于日、意、用于日、意、苏等国，后等国，后随国随国际交流的需要，各国同步交流的需要，各国同步带规格制度逐格制度逐渐统一到一到节距制。目前距制。目前仅前前苏联及及东欧各国仍采用模数制。欧各国仍采用模数制。同步带传动同步带传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics (2)节距制距制 即同步即同步带的主要参数是的主要参数是带齿节距，按距，按节距大小不同，相距大小不同，相应带、轮有不同的有不同的结构尺寸。构尺寸。该种种规格制度目前被列格制度目前被列为国国际标准。准。同步带传动同步带传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.同步同步带传动的的优缺点缺点 (1)工作工作时无滑无滑动，有准确的，有准确的传动比比 (2)传动效率高，效率高，节能效果好能效果好 (3)传动比范比范围大，大，结构构紧凑凑 (4)维护保养方便，运保养方便，运转费用低用低 (5)恶劣劣环境条件下仍能正常工作境条件下仍能正常工作同步带传动同步带传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 3.同步同步带的的结构和尺寸构和尺寸规格格 (1)同步同步带结构构如下左如下左图所示，同步所示，同步带一般由承一般由承载绳、带齿、带背和背和包布包布层组成成。工。工业用同步用同步带带轮形状如下右形状如下右图所示。所示。同步带传动同步带传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 4.同步同步带的的设计计算算(1)失效形式和失效形式和计算准算准则 同步同步带传动主要失效形式有：主要失效形式有：(a)承承载绳断裂断裂 原因是原因是带型号型号过小和小小和小带轮直径直径过小小等。等。(b)爬爬齿和跳和跳齿 原因是同步原因是同步带传递的的圆周力周力过大、大、带与与带轮间的的节距差距差值过大、大、带的初拉力的初拉力过小等。小等。(c)带齿的磨的磨损 原因是原因是带齿与与轮齿的的啮合干涉、合干涉、带的的张紧力力过大等。大等。(d)其他失效方式其他失效方式 带和和带轮的制造安装的制造安装误差引起的差引起的带轮棱棱边磨磨损、带与与带轮的的节距差距差值太大和太大和啮合合齿数数过少引起少引起的的带齿剪切破坏、同步剪切破坏、同步带背的背的龟裂、承裂、承载绳抽出和包布抽出和包布层脱脱落等。落等。在正常的工作条件下，同步在正常的工作条件下，同步带传动的的设计准准则是在不打是在不打滑的条件下，保滑的条件下，保证同步同步带的抗拉的抗拉强度。在灰度。在灰尘杂质较多的条多的条件下，件下，则应保保证带齿的一定耐磨性。的一定耐磨性。同步带传动同步带传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics (2)同步同步带传动的的设计计算步算步骤 设计同步同步带传动的已知条件的已知条件为：Pm 需要需要传递的名的名义功率；功率；n1、n2 主从主从动轮的的转速或速或传动比比；(a)确定确定带的的设计功率；功率；(b)选择带型和型和节距；距；(c)确定确定带轮齿数和数和节圆直径；直径；(d)确定同步确定同步带的的节线长度、度、齿数及数及传动中心距；中心距；(e)校校验同步同步带和小和小带轮的的啮合合齿数；数；(f)确定确定实际所需同步所需同步带宽度；度；(g)带的工作能力的工作能力验算。算。同步带传动同步带传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.3 传动与导向元件传动与导向元件3.螺旋传动（螺旋传动（Helix transmission）结构原理图结构原理图 实物实物滚珠丝杠传动滚珠丝杠传动螺纹传动螺纹传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.3 传动与导向元件传动与导向元件滚珠丝杠传动特点滚珠丝杠传动特点摩擦损失小，传动效率高达摩擦损失小，传动效率高达0.920.96，而普通滑动丝，而普通滑动丝 杠的传动效率为杠的传动效率为0.200.40。丝杠螺母之间预紧后，可以完全消除间隙，传动精度高，丝杠螺母之间预紧后，可以完全消除间隙，传动精度高，刚度好。刚度好。摩擦阻力小，且几乎与运动速度无关，动静摩擦力之差摩擦阻力小，且几乎与运动速度无关，动静摩擦力之差极小，不易产生低速爬行现象。保证了运动的平稳性。极小，不易产生低速爬行现象。保证了运动的平稳性。磨损小，寿命长，精度保持性好。磨损小，寿命长，精度保持性好。不能自锁，能实现旋转运动与直线运动的可逆转换，但不能自锁，能实现旋转运动与直线运动的可逆转换，但在立式使用时应增加制动装置。在立式使用时应增加制动装置。制造工艺复杂，成本高。制造工艺复杂，成本高。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q1.工作原理与工作原理与结结构构滚珠螺旋传动滚珠螺旋传动滚珠丝杆副结构滚珠丝杆副结构端盖循环端盖循环 插管循环插管循环插管循环插管循环机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q 丝杠和螺母的螺杠和螺母的螺纹滚道道间装有承装有承载滚珠，当珠，当丝杠或螺母杠或螺母转动时，滚珠沿螺珠沿螺纹滚道道滚动，则丝杠杠与螺母之与螺母之间相相对运运动时产生生滚动摩擦，摩擦，为防止防止滚珠从珠从滚道中道中滚出，在螺母的螺旋槽两端出，在螺母的螺旋槽两端设有回程有回程引引导装置，它装置，它们与螺与螺纹滚道形成循道形成循环回路，使回路，使滚珠在螺母珠在螺母滚道内循道内循环。q 滚珠珠丝杠副中杠副中滚珠的循珠的循环方式有方式有内循内循环和和外循外循环二种。二种。滚珠螺旋传动滚珠螺旋传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q2.滚珠珠丝杠副杠副轴向向间隙的隙的调整和施加整和施加预紧力的方法力的方法q 滚珠珠丝杠副除了杠副除了对本身本身单一方向的一方向的传动精度有要精度有要求外，求外，对其其轴向向间隙也有隙也有严格要求，以保格要求，以保证其其反向反向传动精度精度。滚珠珠丝杠副的杠副的轴向向间隙是承隙是承载时在在滚珠珠与与滚道型面接触点的道型面接触点的弹性性变形所引起的螺母位移量形所引起的螺母位移量和螺母原有和螺母原有间隙的隙的总和。和。q 通常采用通常采用双螺母双螺母预紧或或单螺母（大螺母（大滚珠、大珠、大导程）程）的方法的方法，把，把弹性性变形控制在最小限度内，以减小或形控制在最小限度内，以减小或消除消除轴向向间隙，并可以提高隙，并可以提高滚珠珠丝杠副的杠副的刚度。度。滚珠螺旋传动滚珠螺旋传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q(1)双螺母双螺母预紧预紧原理原理q根据根据垫垫片厚度不同分成两种形式，当片厚度不同分成两种形式，当垫垫片厚度片厚度较较厚厚时时即即产产生生“预预拉拉应应力力”，而当，而当垫垫片厚度片厚度较较薄薄时时即即产产生生“预压应预压应力力”以消除以消除轴轴向向间间隙。隙。滚珠螺旋传动滚珠螺旋传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q(2)单螺母螺母预紧原理（增大原理（增大滚珠直径法）珠直径法）q 为了了补偿滚道的道的间隙，隙，设计时将将滚珠的尺寸珠的尺寸适当增大，使其适当增大，使其4点接触，点接触，产生生预紧力，力，为了提了提高工作性能，可以在承高工作性能，可以在承载滚珠之珠之间加入加入间隔隔钢球。球。滚珠螺旋传动滚珠螺旋传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q(3)单单螺母螺母预紧预紧原理（偏置原理（偏置导导程法）程法）q q偏置偏置导导程法原理如上程法原理如上图图所示，所示，仅仅仅仅是在螺母中是在螺母中部将其部将其导导程增加一个程增加一个预压预压量量，以达到，以达到预紧预紧的目的目的。的。滚珠螺旋传动滚珠螺旋传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q3.滚珠珠丝杠副的杠副的轴向向弹性性变形形q 滚珠珠丝杠受杠受轴向向载荷后，荷后，滚珠和珠和滚道面将道面将产生生弹性性变形，形，轴向向弹性性变形量形量 与与轴向向载荷荷 之之间的关系与的关系与滚动轴承的承的计算相同，根据算相同，根据Herz的的点接触理点接触理论q(1)单螺母螺母预紧（无（无预紧）的）的轴向向弹性性变形形 滚珠螺旋传动滚珠螺旋传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q式中：式中：钢钢球和球和滚滚道的接触角（道的接触角（45）；）；q 钢钢球直径（球直径（mm）；）；q 单单个个钢钢球所受球所受载载荷（荷（N）；）；q 钢钢球数；球数；q 和精度、和精度、结结构有关的系数。构有关的系数。滚珠螺旋传动滚珠螺旋传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q(2)双螺母双螺母预紧时的的轴向向变形量形量q 对两个螺母两个螺母A和和B施加施加预紧力力 后，螺母后，螺母A、B均均变形至形至X点。如果点。如果这时作用有外力作用有外力 ，则螺母螺母A从从X点向点向X1点、螺母点、螺母B从从X点向点向X2点移点移动由由于和成正比关系，假于和成正比关系，假设其比例系数其比例系数为k，则有有 ，并且螺母，并且螺母A和和B的的变形量分形量分别为：q 由于在外力作用下螺母由于在外力作用下螺母A和和B的的变形量相同（方形量相同（方向相反），所以向相反），所以 四、滚珠螺旋传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q而且，当而且，当仅仅有外力有外力 作用作用时时，q随着随着 的增加使的增加使 接近零接近零时时，则则外力几乎全被螺外力几乎全被螺母母A吸收。吸收。q 当当 时时 q 又因又因为为q q 所以所以 四、滚珠螺旋传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q 目前制造的目前制造的单单螺母式螺母式滚滚珠珠丝丝杠副的杠副的轴轴向向间间隙达隙达0.05mm，而双螺母式的，而双螺母式的经经加加预紧预紧力力调调整后基本整后基本上能消除上能消除轴轴向向间间隙。隙。应应用用该该方法消除方法消除轴轴向向间间隙隙时时应应注意以下两点：注意以下两点：q（1）预紧预紧力大小必力大小必须须合适，合适，过过小不能保小不能保证证无隙无隙传传动动；过过大将使大将使驱动驱动力矩增大，效率降低，寿命力矩增大，效率降低，寿命缩缩短。短。预紧预紧力力应应不超不超过过最大最大轴轴向向负载负载的的1/3。q（2）要特）要特别别注意减小注意减小丝丝杠安装部分和杠安装部分和驱动驱动部分的部分的间间隙，隙，这这些些间间隙用隙用预紧预紧的方法是无法消除的，而的方法是无法消除的，而它它对传动对传动精度有直接影响。精度有直接影响。四、滚珠螺旋传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q4.滚珠珠丝杠副的主要尺寸、精度等杠副的主要尺寸、精度等级和和标注方法注方法q(1)主要尺寸主要尺寸 标称直径、称直径、导程、螺旋升角等。程、螺旋升角等。q(2).精度等精度等级 JB316.282滚珠珠丝杠副精度杠副精度标准准规定分定分为六个等六个等级：C、D、E、F、G、H。C级最高，最高，H级最低。最低。q(3).标注方法注方法 四、滚珠螺旋传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q5.滚滚珠珠丝丝杠副的安装杠副的安装q 丝丝杠的杠的轴轴承承组组合及合及轴轴承座、螺母座以及其它零承座、螺母座以及其它零件的件的连连接接刚刚性，性，对滚对滚珠珠丝丝杠副杠副传动传动系系统统的的刚刚度和度和精度都有很大影响，需在精度都有很大影响，需在设计设计、安装、安装时认时认真考真考虑虑。为为了提高了提高轴轴向向刚刚度，度，丝丝杠支承常用推力杠支承常用推力轴轴承承为为主主的的轴轴承承组组合，合，仅仅当当轴轴向向载载荷很小荷很小时时，才用向心推，才用向心推力力轴轴承。以下列出了四种典型支承方式及其特点。承。以下列出了四种典型支承方式及其特点。四、滚珠螺旋传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 滚珠螺旋传动滚珠螺旋传动单推单推单推单推1轴向刚度较高；轴向刚度较高；2预拉伸安装时，须加载荷较大，轴承寿命比方案预拉伸安装时，须加载荷较大，轴承寿命比方案 2低；低；3适宜中速、精度高，并可用双推适宜中速、精度高，并可用双推单推组合。单推组合。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q双推双推双推双推四、滚珠螺旋传动1轴向刚度最高；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。适宜高速、高刚度、高精度。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q双推双推简简支支四、滚珠螺旋传动1轴向刚度不高，与螺母位置有关；轴向刚度不高，与螺母位置有关；2双推端可预拉伸安装；双推端可预拉伸安装；3适宜中速、精度较高的长丝杠。适宜中速、精度较高的长丝杠。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q双推双推自由自由滚珠螺旋传动滚珠螺旋传动1轴向刚度低，与螺母位置有关；轴向刚度低，与螺母位置有关；2双推端可预拉伸安装；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，短丝适宜中小载荷与低速，更适宜垂直安装，短丝杠。杠。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 6.滚珠珠丝杠副的杠副的设计计算算 设计滚珠珠丝杠副的已知条件：杠副的已知条件：工作工作载荷荷F(N)或平均工作或平均工作载荷荷Fm(N)，使用寿命，使用寿命 (h)，丝杠杠的工作的工作长度度(或螺母的有效行程或螺母的有效行程)L(m)，丝杠的杠的转速速n（平均（平均转速速nm或最大或最大转速速nmax)(rmin)，以及，以及滚道硬度道硬度HRC和运和运转情况。情况。一般的一般的设计步步骤及方法如下：及方法如下：(1)丝杠副的杠副的计算算载荷荷Fc(N)滚珠螺旋传动滚珠螺旋传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q 载载荷系数，按表荷系数，按表1选选取；取；q 硬度系数，按表硬度系数，按表2选选取；取；q 精度系数，按表精度系数，按表3选选取；取；q 平均工作平均工作载载荷（荷（N）。）。四、滚珠螺旋传动载 荷荷 性性 质无冲无冲击平平稳运运转一般运一般运转有冲有冲击和振和振动运运转11.21.21.51.52.5滚道道实际硬度硬度HRC58555045401.01.111.562.43.85精度系数精度系数C、DE、FGH1.01.11.251.43机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 丝杠副的平均杠副的平均转速（速（r/min）；）；q(2)计算算额定定动载荷荷 滚珠螺旋传动滚珠螺旋传动式中：式中：运运转寿命（寿命（h）；）；计算算载荷（荷（N）。）。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q3根据在根据在滚滚珠珠丝丝杠系列中杠系列中选择选择所需要的所需要的规规格，使格，使所所选规选规格的格的丝丝杠副的杠副的额额定定动载动载荷。荷。q4验验算算传动传动效率、效率、刚刚度及工作度及工作稳稳定性，如不定性，如不满满足足要求要求则应则应另另选选其它型号并重新其它型号并重新验验算。算。q 5对对于低速（于低速（）传动传动，只按，只按额额定静定静载载荷荷计计算即可。算即可。四、滚珠螺旋传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q 例例6-1 试设计一数控一数控铣床工作台床工作台进给用用滚珠珠丝杠杠副。已知平均工作副。已知平均工作载荷荷Fm3800N，丝杠工作杠工作长度度l1.2m，平均，平均转速速nm100r/min，最大，最大转速速nmax10000r/min，使用寿命，使用寿命15000h左右，左右，丝杠材料杠材料为CrWMn钢，滚道硬度道硬度为5862HRC，传动精度要求精度要求 q解：解：(1)求求计算算载荷荷Fc 四、滚珠螺旋传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q(2)根据寿命条件根据寿命条件计计算算额额定定动载动载荷荷q(3)根据必根据必须须的的额额定定动载动载荷荷选择丝选择丝杠副尺寸，由杠副尺寸，由查查表表6-13，得如下，得如下规规格：格：四、滚珠螺旋传动规格型号规格型号规格型号规格型号公称导公称导公称导公称导程程程程p p丝杠外丝杠外丝杠外丝杠外径径径径d d钢球直钢球直钢球直钢球直径径径径d dWW丝杠底丝杠底丝杠底丝杠底径径径径d d1 1循环圈循环圈循环圈循环圈数数数数动负荷动负荷动负荷动负荷C Ca a(KN)(KN)FFZD3210-3FFZD3210-33232101032.532.57.1447.14427.327.33 325.725.7FFZD5006-5FFZD5006-550506 648.948.94 445.945.95 526.426.4机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q考考虑各种因素，各种因素，选FFZD5006-5，其中：，其中：q 公称直径：公称直径：D0=50mmq 导程：程：p=6mmq 螺旋角：螺旋角：=arctan(6/(50)=211q 滚珠直径：珠直径：d0=4mmq 滚道半径：道半径：R=0.52d0=0.524=2.08mmq 偏心距：偏心距：丝杠内径：杠内径：d1=45.9mm四、滚珠螺旋传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q(4)稳定性定性验算：算：q 假假设为双推双推简支（支（FS），因），因为丝杠杠较长，所以用所以用压杆杆稳定性来求定性来求临界界载荷荷q式中：式中：E丝杠的杠的弹性模量，性模量，对钢 q 丝杠危杠危险截面的截面的轴惯性矩性矩q q q 长度系数，两端用度系数，两端用铰接接时，m四、滚珠螺旋传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 四、滚珠螺旋传动丝杠是安全的，不会失稳。丝杠是安全的，不会失稳。支承方式支承方式支承方式支承方式有关系数有关系数有关系数有关系数双推双推双推双推自由自由自由自由FOFO双推双推双推双推简简支支支支FSFS双推双推双推双推双推双推双推双推FFFF34342.53.32.53.32 22/32/31.8751.8753.9273.9274.7304.730机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q 临界界转速速 验证 高速运高速运转时，需，需验算其是否会算其是否会发生共振的最高生共振的最高转速，速，要求要求丝杠最高杠最高转速速 。q 临界界转速可按公式速可按公式计算：算：滚珠螺旋传动滚珠螺旋传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics （5）刚度度验算：算：滚珠珠丝杠在工作杠在工作负载F（N）和）和转矩矩T（Nm）共同作用）共同作用下引起每个下引起每个导程的程的变形量形量 （m）为式中：式中：A丝杠的截面杠的截面积，(m2)；丝杠的极杠的极惯性矩，性矩，(m4)；G钢的切的切变模量，模量，对于于钢G=83.3GPa；T转矩（矩（Nm）滚珠螺旋传动滚珠螺旋传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q按最不利的情况，即取按最不利的情况，即取F=Fm，则q 丝杠在工作杠在工作长度上的度上的弹性性变形所引起的形所引起的导程程误差差为q通常要求通常要求丝杠的杠的导程程误差差应小于其小于其传动精度的精度的1/2，即，即 四、滚珠螺旋传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q（6）效率）效率验验算算q 滚滚珠珠丝丝杠副的杠副的传动传动效率效率为为q 要求在要求在90%95%之之间间，所以，所以该丝该丝杠副能杠副能满满足使用要求。足使用要求。q 经经上述上述计计算算验证验证，FFZD5006-5各各项项性能指性能指标标均符合均符合题题目要求，可目要求，可选选用。用。四、滚珠螺旋传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.3 传动与导向元件传动与导向元件4.凸轮传动（凸轮传动（Cam transmission）特点：特点：结构简单、紧凑；结构简单、紧凑；高副接触，易磨损，传力不大；高副接触，易磨损，传力不大；可实现任意要求的从动件运动规律。可实现任意要求的从动件运动规律。原理图原理图 结构示意图结构示意图由凸轮、从动件、机架这三个基本构件组成由凸轮、从动件、机架这三个基本构件组成发动机配气机构的凸轮传动结构发动机配气机构的凸轮传动结构机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.3 传动与导向元件传动与导向元件凸轮微动机构应用凸轮微动机构应用 电机电机1带动长轴带动长轴2转动，长轴转动，长轴2末端与端面凸轮末端与端面凸轮7相连并随之转动，使壳体相连并随之转动，使壳体6和套筒和套筒5沿轴向运动。当凸轮转动到回程时，凸轮推动壳体沿轴向运动。当凸轮转动到回程时，凸轮推动壳体6向右侧运动，向右侧运动，壳体内的弹簧壳体内的弹簧4推动套筒推动套筒5向右运动。反之，当凸轮转动到推程时，套筒右向右运动。反之，当凸轮转动到推程时，套筒右侧的弹簧推动套筒向左运动。套筒和支座上分别焊接了固定销侧的弹簧推动套筒向左运动。套筒和支座上分别焊接了固定销8，微动装置，微动装置就是通过两固定销驱动外固定架的两段沿轴向往复运动，外固定架再通过就是通过两固定销驱动外固定架的两段沿轴向往复运动，外固定架再通过钢钉驱动骨折段微动。钢钉驱动骨折段微动。通过调整微动频率、微动幅度、微动力，对骨折段施加载荷，使骨折通过调整微动频率、微动幅度、微动力，对骨折段施加载荷，使骨折段产生微动，以此来提高患者在术后的治疗效果。段产生微动，以此来提高患者在术后的治疗效果。单侧外固定架单侧外固定架1 1电机电机 2 2长轴长轴3 3支座支座 4 4弹簧弹簧5 5可调节套筒可调节套筒6 6壳体壳体 7 7凸轮凸轮8 8固定销固定销 9 9连接杆连接杆1010固定夹固定夹 11 11钢针钢针机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.3 传动与导向元件传动与导向元件5.滚动导轨（滚动导轨（Rolling guide）直线滚动导轨（直线滚动导轨（Linear rolling guide）由钢球在滑块与滑轨）由钢球在滑块与滑轨之间作无限滚动循环，使得负载平台能沿着滑轨轻易的以高精之间作无限滚动循环，使得负载平台能沿着滑轨轻易的以高精度作直线运动，其摩擦系数仅为传统滑动导轨的度作直线运动，其摩擦系数仅为传统滑动导轨的1/50，定位精，定位精度可达到度可达到m级。级。实物实物 内部结构内部结构机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q 轴轴系由系由轴轴及安装在及安装在轴轴上的上的齿轮齿轮、带轮带轮等等传动传动部部件件组组成，有主成，有主轴轴轴轴系和中系和中间传动轴轴间传动轴轴系。通常在系。通常在设计轴设计轴系系时时要求：要求：q（1）旋）旋转转精度精度 q（2）刚刚度度 q（3）抗振性）抗振性 q（4）热变热变形形 q（5）轴轴上零件的布置合理上零件的布置合理 一、轴系的支承部件机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q1.轴系用系用轴承的承的类型与型与选择q在在设计轴系系选择轴承承时，我，我们应该考考虑以下几点：以下几点：q（1）满足使用性能要求，包括承足使用性能要求，包括承载能力、旋能力、旋转精精度、度、刚度及度及转速等；速等；q（2）满足安装空足安装空间要求；要求；q（3）维护保养方便；保养方便；q（4）使用）使用环境，如温度、境，如温度、环境气氛境气氛对轴承的影响；承的影响；q（5）性价比。）性价比。一、轴系的支承部件机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q在在选择轴选择轴承承时时，一般的，一般的选择选择流程如流程如图图下下:一、轴系的支承部件确定轴承形式及组合确定轴承形式及组合确定尺寸及精度确定尺寸及精度确定配合及内部间隙确定配合及内部间隙确定润滑及密封确定润滑及密封确定安装尺寸确定安装尺寸确定最终轴承规格确定最终轴承规格机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q1.导轨副的种副的种类及基本要求及基本要求q各种机械运行各种机械运行时，由，由导轨副保副保证执行件的正确运行件的正确运动轨迹，并影响迹，并影响执行件的运行件的运动特性。特性。导轨副包括副包括运运动导轨和支承和支承导轨两部分。支承两部分。支承导轨用以支承用以支承和和约束运束运动导轨，使之按功能要求作正确的运，使之按功能要求作正确的运动。q 1)按按导轨副运副运动导轨的的轨迹分迹分类q（a）直）直线运运动导轨副副 支承支承导轨约束了运束了运动导轨的五个自由度，的五个自由度，仅保留沿保留沿给定方向的直定方向的直线移移动自自由度。由度。q（b）旋）旋转运运动导轨副副 支承支承导轨约束了运束了运动导轨的五个自由度，的五个自由度，仅保留保留绕给定定轴线的旋的旋转运运动自自由度。由度。二、导轨机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q2)按按导轨副副导轨面面间的摩擦性的摩擦性质分分类q（a）滑）滑动摩擦摩擦导轨副；副；q（b）滚动摩擦摩擦导轨副；副；q（c）流体摩擦）流体摩擦导轨副。副。q3)按按导轨副副结构分构分类q（a）开式）开式导轨 必必须借助运借助运动件的自重或外件的自重或外载荷，荷，才能保才能保证在一定的空在一定的空间位置和受力状位置和受力状态下，运下，运动导轨和支承和支承导轨的工作面保持可靠的接触，从而的工作面保持可靠的接触，从而保保证运运动导轨的的规定运定运动。开式。开式导轨一般受温度一般受温度变化的影响化的影响较小。小。q（b）闭式式导轨 借助借助导轨副本身的封副本身的封闭式式结构，构，保保证在在变化的空化的空间位置和受力状位置和受力状态下，运下，运动导轨和支承和支承导轨的工作面都能保持可靠的接触，从而的工作面都能保持可靠的接触，从而保保证运运动导轨的的规定运定运动。闭式式导轨一般受温度一般受温度变化的影响化的影响较小。小。二、导轨机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q4)按直按直线运运动导轨副的基本截面形状分副的基本截面形状分类二、导轨矩形对称三角形不对称三角形燕尾槽圆形凸形凹形机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 二、导轨q5).导轨副副应满足的基本要求足的基本要求q（a）导向精度向精度 导向精度主要是指向精度主要是指动导轨沿支承沿支承导轨运运动的直的直线度或度或圆度。影响它的因素有：度。影响它的因素有：导轨的几何精度、接触精度、的几何精度、接触精度、结构形式、构形式、刚度、度、热变形、装配形、装配质量以及液体量以及液体动压和静和静压导轨的油膜的油膜厚度、油膜厚度、油膜刚度等。度等。q（b）耐磨性）耐磨性 是指是指导轨在在长期使用期使用过程中能否保程中能否保持一定的持一定的导向精度。因向精度。因导轨在工作在工作过程中程中难免有免有所磨所磨损，所以，所以应力求减小磨力求减小磨损量，并在磨量，并在磨损后能后能自自动补偿或便于或便于调整。整。q（c）疲）疲劳和和压溃 导轨面由于面由于过载或接触或接触应力不力不均勾而使均勾而使导轨表面表面产生生弹性性变形，反复运行多次形，反复运行多次后就会形成疲后就会形成疲劳点，呈塑性点，呈塑性变形，表面形成形，表面形成龟裂、裂、剥落而出剥落而出现凹坑，凹坑，这种种现象就是象就是压溃。疲。疲劳和和压溃是是滚动导轨失效的主要原因，失效的主要原因，为此此应控制控制滚动导轨承受的最大承受的最大载荷和受荷和受载的均匀性。的均匀性。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q（d）刚度度 导轨受力受力变形会影响形会影响导轨的的导向精度向精度及部件之及部件之间的相的相对位置，因此要求位置，因此要求导轨应有足有足够的的刚度。度。为减减轻或平衡外力的影响，可采用加大或平衡外力的影响，可采用加大导轨尺寸或添加尺寸或添加辅助助导轨的方法提高的方法提高刚度。度。q（e）低速运）低速运动平平稳性性 低速运低速运动时，作，作为运运动部部件的件的动导轨易易产生爬行生爬行现象。低速运象。低速运动的平的平稳性性与与导轨的的结构和构和润滑，滑，