機電一體化技術(shù)(第2版)課件：機械系統(tǒng)設(shè)計理論

機械系統(tǒng)設(shè)計理論目錄12.1概述22.3傳動機構(gòu)32.2機械系統(tǒng)建模42.4導(dǎo)向機構(gòu)52.5執(zhí)行機構(gòu)2.1概

述

機電一體化機械系統(tǒng)是由計算機信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)與控制的，用于完成包括機械力、運動和能量流等動力學(xué)任務(wù)的機械及機電部件相互聯(lián)系的系統(tǒng)。

機電一體化系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)主要包括執(zhí)行機構(gòu)、傳動機構(gòu)和支承部件。在機械系統(tǒng)設(shè)計時，除考慮一般機械設(shè)計要求外，還必須考慮機械結(jié)構(gòu)因素與整個伺服系統(tǒng)的性能參數(shù)、電氣參數(shù)的匹配，以獲得良好的伺服性能。2.1.1機電一體化對機械系統(tǒng)的基本要求1、高精度

精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，尤其是機電一體化產(chǎn)品，其技術(shù)性能、工藝水平和功能比普通的機械產(chǎn)品都有很大的提高，因此機電—體化機械系統(tǒng)的高精度是其首要的要求。2.1.1機電一體化對機械系統(tǒng)的基本要求2、快速響應(yīng)

機電一體化系統(tǒng)的快速響應(yīng)即是要求機械系統(tǒng)從接到指令到開始執(zhí)行指令指定的任務(wù)之間的時間間隔短。3、良好的穩(wěn)定性

機電一體化系統(tǒng)要求其機械裝置在溫度、振動等外界干擾的作用下依然能夠正常穩(wěn)定的工作。既系統(tǒng)抵御外界環(huán)境的影響和抗干擾能力強。2.1.1機電一體化對機械系統(tǒng)的基本要求2.1.2機械系統(tǒng)的組成主要包括三大部分機構(gòu)1、傳動機構(gòu)

機電一體化機械系統(tǒng)中的傳動機構(gòu)不僅僅是轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變換器，而是已成為伺服系統(tǒng)的一部分，它要根據(jù)伺服控制的要求進行選擇設(shè)計，以滿足整個機械系統(tǒng)良好的伺服性能。因此傳動機構(gòu)除了要滿足傳動精度的要求，而且還要滿足小型、輕量、高速、低噪聲和高可靠性的要求。2、導(dǎo)向機構(gòu)

導(dǎo)向機構(gòu)的作用是支承和導(dǎo)向，為機械系統(tǒng)中各運動裝置能安全、準(zhǔn)確地完成其特定方向的運動提供保障，一般指導(dǎo)軌、軸承等。3、執(zhí)行機構(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)是用以完成操作任務(wù)的直接裝置。執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)操作指令的要求在動力源的帶動下，完成預(yù)定的操作。2.1.2機械系統(tǒng)的組成機電一體化的機械系統(tǒng)設(shè)計主要包括兩個環(huán)節(jié)：靜態(tài)設(shè)計和動態(tài)設(shè)計。1、靜態(tài)設(shè)計

靜態(tài)設(shè)計是指依據(jù)系統(tǒng)的功能要求，通過研究制定出機械系統(tǒng)的初步設(shè)計方案。該方案只是一個初步的輪廓，包括系統(tǒng)主要零、部件的種類，各部件之間的聯(lián)接方式，系統(tǒng)的控制方式，所需能源方式等。2.1.3機械系統(tǒng)的設(shè)計思想2.1.3機械系統(tǒng)的設(shè)計思想2、動態(tài)設(shè)計

動態(tài)設(shè)計是研究系統(tǒng)在頻率域的特性，是借助靜態(tài)設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過建立系統(tǒng)組成各環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型和推導(dǎo)出系統(tǒng)整體的傳遞函數(shù)，利用自動控制理論的方法求得該系統(tǒng)的頻率特性（幅頻特性和相頻特性）。

系統(tǒng)的頻率特性體現(xiàn)了系統(tǒng)對不同頻率信號的反應(yīng)，決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、最大工作頻率和抗干擾能力。2.2機械系統(tǒng)性能分析

為了保證機電一體化系統(tǒng)具有良好的伺服特性，我們不僅要滿足系統(tǒng)的靜態(tài)特性，還必須利用自動控制理論的方法進行機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)分析與設(shè)計。2.2.1數(shù)學(xué)模型建立

機械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分析的是輸入（如電機轉(zhuǎn)子運動）和輸出（如工作臺運動）之間的相對關(guān)系。等效折算過程是將復(fù)雜結(jié)構(gòu)關(guān)系的機械系統(tǒng)的慣量、彈性模量和阻尼（或阻尼比）等機械性能參數(shù)歸一處理，從而通過數(shù)學(xué)模型來反映各環(huán)節(jié)的機械參數(shù)對系統(tǒng)整體的影響。2.2.1數(shù)學(xué)模型建立圖2-1數(shù)控機床傳動系統(tǒng)2.2.1數(shù)學(xué)模型建立

機械裝置的質(zhì)量（慣量）、彈性模量和阻尼等機械特性參數(shù)對系統(tǒng)的影響是線性疊加關(guān)系，因此在研究各參數(shù)對系統(tǒng)影響時，可以假設(shè)其它參數(shù)為理想狀態(tài)，單獨考慮特性關(guān)系。下面就基本機械性能參數(shù)，分別討論轉(zhuǎn)動慣量、彈性模量和阻尼的折算過程。2.2.1數(shù)學(xué)模型建立1、轉(zhuǎn)動慣量的折算

轉(zhuǎn)動慣量J表示具有轉(zhuǎn)動動能的部件屬性。一個給定的轉(zhuǎn)動慣量取決于部件相對于轉(zhuǎn)軸的幾何位置和部件的密度。

機械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量過大致會產(chǎn)生以下不利的影響：（1）使機械負(fù)載增加，功率消耗大；（2）系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，靈敏度降低；（3）系統(tǒng)的固有頻率下降，容易產(chǎn)生諧振；

因此在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，機械部件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量應(yīng)盡可能小。

在一個機械系統(tǒng)中經(jīng)常同時由數(shù)個具有一定質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量的直線和旋轉(zhuǎn)部件組成，而且他們對被研究的元件參數(shù)都將有不同程度的影響，故需要將各運動元件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)化到被研究的元件上。2.2.1數(shù)學(xué)模型建立轉(zhuǎn)化原則：轉(zhuǎn)化前后系統(tǒng)的瞬時動能保持不變，即:如果需要將系統(tǒng)向轉(zhuǎn)動元件i轉(zhuǎn)化，則其瞬時動能為：如果需要將系統(tǒng)向移動元件j轉(zhuǎn)化，則瞬時動能為：2.2.1數(shù)學(xué)模型建立2.2.1數(shù)學(xué)模型建立

把軸I、Ⅱ、Ⅲ上的轉(zhuǎn)動慣量和工作臺的質(zhì)量都折算到軸I上。2.2.1數(shù)學(xué)模型建立為系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量（或質(zhì)量）折算到軸I上的總等效轉(zhuǎn)動慣量。

分別為Ⅱ、Ⅲ軸轉(zhuǎn)動慣量和工作臺質(zhì)量折算到I軸上的折算轉(zhuǎn)動慣量。2.2.1數(shù)學(xué)模型建立2、粘性阻尼系數(shù)的折算

機械系統(tǒng)工作過程中，相互運動的元件間存在著阻力，并以不同的形式表現(xiàn)出來，如摩擦阻力、流體阻力以及負(fù)載阻力等，這些阻力在建模時需要折算成與速度有關(guān)的粘滯阻尼力。

當(dāng)工作臺均速轉(zhuǎn)動時，軸Ⅲ的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T3完全用來克服粘滯阻尼力的消耗?？紤]到其它各環(huán)節(jié)的摩擦損失比工作臺導(dǎo)軌的摩擦損失小得多，故只計工作臺導(dǎo)軌的粘性阻尼系數(shù)C。根據(jù)工作臺與絲杠之間的動力平衡關(guān)系有：2.2.1數(shù)學(xué)模型建立

即絲杠轉(zhuǎn)一周T3所作的功，等于工作臺前進一個導(dǎo)程時其阻尼力所作的功。根據(jù)力學(xué)原理和傳動關(guān)系有：式中：Ｃ′——工作臺導(dǎo)軌折算到軸I上的粘性阻力系數(shù)2.2.1數(shù)學(xué)模型建立3、彈性變形系數(shù)的折算

機械系統(tǒng)中各元件在工作時受力或力矩的作用，將產(chǎn)生軸向伸長、壓縮或扭轉(zhuǎn)等彈性變形，這些變形將影響到整個系統(tǒng)的精度和動態(tài)特性。建模時要將其折算成相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)或軸向剛度系數(shù)。2.2.1數(shù)學(xué)模型建立

應(yīng)先將各軸的扭轉(zhuǎn)角都折算到軸I上來，絲杠與工作臺之間的軸向彈性變形會使軸Ⅲ產(chǎn)生一個附加扭轉(zhuǎn)角，也應(yīng)折算到軸I上，然后求出軸I的總扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)。同樣，當(dāng)系統(tǒng)在無阻尼狀態(tài)下，T1

、T2

、T3等輸入轉(zhuǎn)矩都用來克服機構(gòu)的彈性變形。圖2-2彈性變形的等效圖2.2.1數(shù)學(xué)模型建立1）軸向剛度的折算

當(dāng)系統(tǒng)承擔(dān)負(fù)載后，絲杠螺母副和螺母座都會產(chǎn)生軸向彈性變形，上圖是它的等效作用圖。在絲杠左端輸入轉(zhuǎn)矩T3的作用下，絲杠和工作臺之間的彈性變形為δ，對應(yīng)的絲杠附加扭轉(zhuǎn)角為

。根據(jù)動力平衡原理和傳動關(guān)系，在絲杠軸Ⅲ上有：2.2.1數(shù)學(xué)模型建立式中K′——附加扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)由于絲杠和工作臺之間軸向彈性變形使軸Ⅲ附加了一個扭轉(zhuǎn)角

，因此軸Ⅲ上的實際扭轉(zhuǎn)角

為

將

、

值代入，則有:2.2.1數(shù)學(xué)模型建立（2）扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)的折算設(shè)

、

、

分別為軸I、Ⅱ、Ⅲ在輸入轉(zhuǎn)矩T1

、T2、、T3的作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角。根據(jù)動力平衡原理和傳動關(guān)系有:2.2.1數(shù)學(xué)模型建立2.2.1數(shù)學(xué)模型建立

將各軸的扭轉(zhuǎn)角折算到軸I上，得軸I的總扭轉(zhuǎn)角:式中—折算到軸I上的總扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)2.2.1數(shù)學(xué)模型建立4、建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)以上的參數(shù)折算，建立系統(tǒng)動力平衡方程和推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型。

設(shè)輸入量為軸I的輸入轉(zhuǎn)角Xi；輸出量為工作臺的線位移Xo。根據(jù)傳動原理，把Xo折算成軸I的輸出角位移

。在軸I上根據(jù)動力平衡原理有:2.2.1數(shù)學(xué)模型建立這就是機床進給系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，它是一個二階線性微分方程。其中

、C’、

均為常數(shù)。通過對式進行拉氏變換求得該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：2.2.1數(shù)學(xué)模型建立式中

——系統(tǒng)的固有頻率，

ξ——系統(tǒng)的阻尼比，

和ξ是二階系統(tǒng)的兩個特征參量，它們是由慣量（質(zhì)量）、摩擦阻力系數(shù)、彈性變形系數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的。對于電氣系統(tǒng)，

和ξ則由R、C、L物理量組成，他們具有相似的特性。2.2.1數(shù)學(xué)模型建立

將S=jω代入上式，可求出A（ω）和Φ（ω），即該機械傳動系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性。由A（ω）和Φ（ω）我們可以分析出系統(tǒng)輸入輸出之間不同頻率的輸入（或干擾）信號對輸出幅值和相位的影響,從而反映了系統(tǒng)在不同精度要求狀態(tài)下的工作頻率和對不同頻率干擾信號的衰減能力。2.2.1數(shù)學(xué)模型建立2.2.2機械性能參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響

通過以上的分析可知，機械傳動系統(tǒng)的性能與系統(tǒng)本身的阻尼比ξ、固有頻率

有關(guān)。

、ξ又與機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)。因此，機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對伺服系統(tǒng)性能有很大影響。1、阻尼的影響一般的機械系統(tǒng)均可簡化為二階系統(tǒng)。（1）當(dāng)阻尼比ξ＝0時，系統(tǒng)處于等幅持續(xù)振蕩狀態(tài)，因此系統(tǒng)不能無阻尼。（2）當(dāng)ξ≥1時，系統(tǒng)為臨界阻尼或過阻尼系統(tǒng)。此時，過渡過程無震蕩，但響應(yīng)時間較長。（3）當(dāng)0<ξ<1時，系統(tǒng)為欠阻尼系統(tǒng)。

因此，在系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)綜合考其性能指標(biāo)，一般取0.5<ξ<0.8的欠阻尼系統(tǒng)，既能保證振蕩在一定的范圍內(nèi)，過渡過程較平穩(wěn)，過渡過程時間較短，又具有較高的靈敏度。2.2.2機械性能參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響2.2.2機械性能參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響圖2-3二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線2、摩擦的影響

當(dāng)兩物體產(chǎn)生相對運動或有運動趨勢時，其接觸面要產(chǎn)生摩擦。摩擦力可分為粘性摩擦力、庫侖摩擦力和靜摩擦力三種，方向均與運動趨勢方向相反。2.2.2機械性能參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響

摩擦對伺服系統(tǒng)的影響主要有：引起動態(tài)滯后，降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，導(dǎo)致系統(tǒng)誤差和低速爬行。2.2.2機械性能參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響

在圖2-4所示機械系統(tǒng)中，設(shè)系統(tǒng)的彈簧剛度為K。如果系統(tǒng)開始處于靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)輸入軸以一定的角速度轉(zhuǎn)動時，由于靜摩擦力矩T的作用，在

范圍內(nèi)，輸出軸將不會運動，

值即為靜摩擦引起的傳動死區(qū)。在傳動死區(qū)內(nèi)，系統(tǒng)將在一段時間內(nèi)對輸入信號無響應(yīng)，從而造成誤差。2.2.2機械性能參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響圖2-4力傳遞與彈性變形示意圖

當(dāng)輸入軸以恒速

繼續(xù)運動，在

后，輸出軸也以恒速運動，但始終滯后輸入軸一個角度。式中

是粘滯摩擦引起的動態(tài)滯后；

是庫侖摩擦所引起的動態(tài)滯后；

即為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。2.2.2機械性能參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響低速爬行：通過壓縮彈簧推動靜止的運動件3，當(dāng)運動件3受到的逐漸增大的彈簧力小于靜摩擦力F時，3不動。直到彈簧力剛剛大于F時，3才開始運動，動摩擦力隨著動摩擦系數(shù)的降低而變小，3的速度相應(yīng)增大，同時彈簧相應(yīng)伸長，作用在3上的彈簧力逐漸減小，3產(chǎn)生負(fù)加速度，速度降低，動摩擦力相應(yīng)增大，速度逐漸下降，直到3停止運動，主動件1這時再重新壓縮彈簧，爬行現(xiàn)象進入下一個周期。2.2.2機械性能參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響

由以上分析可知，當(dāng)靜摩擦大于庫侖摩擦，且系統(tǒng)在低速運行時（忽略粘性摩擦引起的滯后），在驅(qū)動力引起彈性變形的作用下，系統(tǒng)總是啟動、停止的交替變化之中運動，該現(xiàn)象被稱為低速爬行現(xiàn)象，低速爬行導(dǎo)致系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。爬行—般出現(xiàn)在某個臨界轉(zhuǎn)速以下，而在高速運行時并不出現(xiàn)。

2.2.2機械性能參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響由上述分析可知，低速爬行現(xiàn)象的產(chǎn)生主要取決于下列因素：①靜摩擦力與動摩擦力之差，這個差值越大，越容易產(chǎn)生爬行。②進給傳動系統(tǒng)的剛度K越小、越容易產(chǎn)生爬行。③運動速度太低。2.2.2機械性能參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響

設(shè)計機械系統(tǒng)時，應(yīng)盡量減少靜摩擦和降低動、靜摩擦之差值，以提高系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)性。

因此，機電一體化系統(tǒng)中，常常采用摩擦性能良好的導(dǎo)軌——金屬滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌、滾珠絲杠、靜、動壓導(dǎo)軌；靜、動壓軸承、空氣軸承、磁軸承等新型傳動件和支承件，并進行良好的潤滑。

2.2.2機械性能參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響3、彈性變形的影響

機械傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)彈性變形是引起系統(tǒng)不穩(wěn)定和產(chǎn)生動態(tài)滯后的主要因素，穩(wěn)定性是系統(tǒng)正常工作的首要條件。當(dāng)伺服電動機帶動機械負(fù)載按指令運動時，機械系統(tǒng)所有的元件都會因受力而產(chǎn)生程度不同的彈性變形。

由式可知，其固有頻率與系統(tǒng)的阻尼、慣量、摩擦、彈性變形等結(jié)構(gòu)因素有關(guān)。當(dāng)機械系統(tǒng)的固有頻率接近或落入伺服系統(tǒng)帶寬之中時，系統(tǒng)將產(chǎn)生諧振而無法工作。因此為避免機械系統(tǒng)由于彈性變形而使整個伺服系統(tǒng)發(fā)生結(jié)構(gòu)諧振。2.2.2機械性能參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響

一般要求系統(tǒng)的固有頻率ωn要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于伺服系統(tǒng)的工作頻率。通常采取提高系統(tǒng)剛度、增加阻尼、調(diào)整機械構(gòu)件質(zhì)量和自振頻率等方法來提高系統(tǒng)抗振性，防止諧振的發(fā)生。

采用彈性模量高的材料，合理選擇零件的截面形狀和尺寸、對軸承、絲杠等支承件施加預(yù)加載荷等方法均可以提高零件的剛度。

另外，在不改變機械結(jié)構(gòu)固有頻率的情況下，通過增大阻尼也可以有效地抑制諧振。因此，許多機電一體化系統(tǒng)設(shè)有阻尼器以使振蕩迅速衰減。2.2.2機械性能參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響4、慣量的影響

轉(zhuǎn)動慣量對伺服系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性、動態(tài)響應(yīng)都有影響。

慣量大，系統(tǒng)的機械常數(shù)大，響應(yīng)慢。慣量大，會使系統(tǒng)的固有頻率下降，容易產(chǎn)生諧振，因而限制了伺服帶寬，影響了伺服精度和響應(yīng)速度。

慣量的適當(dāng)增大只有在改善低速爬行時有利。因此，機械設(shè)計時在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，應(yīng)盡量減小慣量。2.2.2機械性能參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響5、傳動間隙對系統(tǒng)性能的影響

機械系統(tǒng)中存在著許多間隙，如齒輪傳動間隙，螺旋傳動間隙等。這些間隙對伺服系統(tǒng)性能有很大影響，下面以齒輪間隙為例進行分析。

2.2.2機械性能參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響

圖2-5為一典型旋轉(zhuǎn)工作臺伺服系統(tǒng)框圖。圖中所用齒輪根據(jù)不同要求有不同的用途，有的用于傳遞信息（G1、G3），有的用于傳遞動力（G2、G4），有的在系統(tǒng)閉環(huán)之內(nèi)（G2、G3），有的在系統(tǒng)閉環(huán)之外（G1、G4）。由于它們在系統(tǒng)中的位置不同，其齒隙的影響也不同。2.2.2機械性能參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響圖2-5典型轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)框圖1、閉環(huán)之外的齒輪G1、G4的齒隙，對系統(tǒng)穩(wěn)定性無影響，但影響伺服精度。由于齒隙的存在，在傳動裝置逆運行時造成回程誤差，使輸出軸與輸入軸之間呈非線性關(guān)系，輸出滯后于輸入，影響系統(tǒng)的精度。2、閉環(huán)之內(nèi)傳遞動力的齒輪G2的齒隙，對系統(tǒng)靜態(tài)精度無影響，這是因為控制系統(tǒng)有自動校正作用。閉環(huán)之內(nèi)動力傳遞齒輪的齒隙對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有影響。2.2.2機械性能參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響3、反饋回路上數(shù)據(jù)傳遞齒輪G3的齒隙既影響穩(wěn)定性，又影響精度。

因此，應(yīng)盡量減小或消除間隙，目前在機電一體化系統(tǒng)中，廣泛采取各種機械消隙機構(gòu)來消除齒輪副、螺旋副等傳動副的間隙。

2.2.2機械性能參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響2.3傳動機構(gòu)

機械傳動是一種把動力機產(chǎn)生的運動和動力傳遞給執(zhí)行機構(gòu)的中間裝置，是一種扭矩和轉(zhuǎn)速的變換器，其目的是在動力機與負(fù)載之間使扭矩得到合理的匹配，并可通過機構(gòu)變換實現(xiàn)對輸出的速度調(diào)節(jié)。2.3.1機電一體化系統(tǒng)對機械傳動的要求

機電一體化機械系統(tǒng)應(yīng)具有良好的伺服性能（即精度高，快速響應(yīng)性和穩(wěn)定性高），從而要求傳動機構(gòu)滿足以下幾個方面:

1.轉(zhuǎn)動慣量小

在不影響系統(tǒng)剛度的前提下，傳動機構(gòu)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量應(yīng)盡量減小。否則，轉(zhuǎn)動慣量大會對系統(tǒng)造成不良影響，機械負(fù)載增大；系統(tǒng)響應(yīng)速度降低，靈敏度下降；系統(tǒng)固有頻率減小，容易產(chǎn)生諧振。所以在設(shè)計傳動機構(gòu)時應(yīng)盡量減小轉(zhuǎn)動慣量。2.剛度大

剛度是彈性體產(chǎn)生單位變形量所需的作用力。大剛度對機械系統(tǒng)是有利的：①伺服系統(tǒng)動力損失隨之減小。②機構(gòu)固有頻率高，超出機構(gòu)的頻帶寬度使之不易產(chǎn)生共振。③增加閉環(huán)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以在設(shè)計時應(yīng)先用大剛度機構(gòu)。

3.阻尼合適

機械系統(tǒng)產(chǎn)生共振時系統(tǒng)阻尼越大，其最大振幅就越小且損減也越快，但大阻尼也會使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差增大。所以在設(shè)計時應(yīng)選用大剛度的機構(gòu)。2.3.1機電一體化系統(tǒng)對機械傳動的要求2.3.2無側(cè)隙齒輪傳動機構(gòu)

由于齒輪傳動的瞬時傳動比為常數(shù)，傳動精確度高，可以做到零側(cè)隙無回差，強度大能承受重載，結(jié)構(gòu)緊湊，摩擦力小和效率高等原因，齒輪傳動副稱為機電一體化機械系統(tǒng)中目前使用最多的傳動機構(gòu)。

機電一體化產(chǎn)品往往要求傳動機構(gòu)具有自動變向功能，這就要求齒輪傳動機構(gòu)必須采取措施消除尺側(cè)間隙，以保證機構(gòu)的雙向傳動精度。1、圓柱齒輪傳動

(1)偏心套(軸)調(diào)整法如圖2-6所示，將相互嚙合的一對齒輪中的一個齒輪4裝在電動機輸出軸上，并將電動機2安裝在偏心套1（或偏心軸）上，通過轉(zhuǎn)動偏心套（偏心軸）的轉(zhuǎn)角，就可調(diào)節(jié)兩嚙合齒輪的中心距，從而消除圓柱齒輪正、反轉(zhuǎn)時的齒側(cè)間隙。本方法特點是結(jié)構(gòu)簡單，但其側(cè)隙不能自動補償。2.3.2無側(cè)隙齒輪傳動機構(gòu)圖2-6偏心軸套式消隙結(jié)構(gòu)

1—偏心軸套2—電動機3—箱體4—小齒輪5—大齒輪(2)軸向墊片調(diào)整法

如圖2-7所示，齒輪1和2相嚙合，其分度圓弧齒厚沿軸線方向略有錐度，這樣就可以用軸向墊片3使齒輪2沿軸向移動，從而消除兩齒輪的齒側(cè)間隙。裝配時軸向墊片3的厚度應(yīng)使得齒輪1和2之間既齒側(cè)間隙小，運轉(zhuǎn)又靈活。特點同偏心軸套調(diào)整法。2.3.2無側(cè)隙齒輪傳動機構(gòu)圖2-7軸向墊片式調(diào)整法1、2—齒輪3—軸向墊片(3)雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法

這種消除齒側(cè)間隙的方法是將其中一個做成寬齒輪，另一個用兩片薄齒輪組成。采取措施使一個薄齒輪的左齒側(cè)和另一個薄齒輪的右齒側(cè)分別緊貼在寬齒輪齒槽的左、右兩側(cè)，以消除齒側(cè)間隙，反向時不會出現(xiàn)死區(qū)。

2.3.2無側(cè)隙齒輪傳動機構(gòu)①周向彈簧法

在兩個薄片齒輪3和4上，各開了幾條周向槽，并在齒輪3和4的斷面上各壓配有安裝彈簧2的短柱1，在彈簧2的作用下使薄片齒輪4和3錯位而消除齒側(cè)隙。圖2-8圓柱薄片齒輪周向彈簧錯齒調(diào)整法1—柱銷2—彈簧3、4—薄片齒輪2.3.2無側(cè)隙齒輪傳動機構(gòu)2.3.2無側(cè)隙齒輪傳動機構(gòu)(3)雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法①可調(diào)拉簧式

在兩個薄片齒輪1和2上裝有螺紋的柱銷3。彈簧4的一端鉤在柱銷上，另一端鉤在螺釘7上。彈簧4所受到的拉力大小可用螺母5來調(diào)節(jié)螺釘7的伸出長度。調(diào)整好后可用螺母6來鎖緊。2.3.2無側(cè)隙齒輪傳動機構(gòu)2.3.2無側(cè)隙齒輪傳動機構(gòu)圖2-9圓柱薄片齒輪可調(diào)拉簧錯齒調(diào)整法1、2—薄片齒輪3—柱銷4—彈簧5、6—螺母7—螺釘(3)雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法2、斜齒輪傳動消除斜齒輪傳動齒輪側(cè)隙的方法與上述錯齒調(diào)整法基本相同，也是用兩個薄片齒輪與一個寬齒輪嚙合，只是在兩個薄片斜齒輪的中間隔開了一小段距離，這樣它的螺旋線便錯開了。2.3.2無側(cè)隙齒輪傳動機構(gòu)

如圖2-10所示，在兩個薄片齒輪3和4的中間，加一個墊片2，這樣一來，薄片齒輪3和4的螺旋線就錯位，而分別與寬齒輪1齒的左右側(cè)面貼緊。2.3.2無側(cè)隙齒輪傳動機構(gòu)2、斜齒輪傳動圖2-10斜齒薄片齒輪墊片錯齒調(diào)整法（1）墊片調(diào)整法

如圖2-11所示，兩個薄片齒輪1和2用滑鍵套在軸上，彈簧5的軸向壓力可用螺母6來調(diào)節(jié)，而使兩薄片齒輪1和2的齒側(cè)面，分別貼緊在寬齒輪3齒槽的左右兩側(cè)面。2.3.2無側(cè)隙齒輪傳動機構(gòu)2、斜齒輪傳動圖2-11斜齒薄片齒輪軸向壓簧調(diào)整法（2）軸向壓簧調(diào)整法3、錐齒輪傳動2.3.2無側(cè)隙齒輪傳動機構(gòu)圖2-12錐齒輪軸向壓簧調(diào)整法1、4—錐齒輪2、3—鍵

5—壓簧6—螺母7—傳動軸

軸向壓簧調(diào)整法原理如圖2-12所示，在錐齒輪4的傳動軸7上裝有壓簧5，其軸向力大小由螺母6調(diào)節(jié)。錐齒輪4在壓簧5的作用下可軸向移動，從而消除了其與嚙合的錐齒輪1之間的齒側(cè)間隙。（1）軸向壓簧調(diào)整法

(2)周向彈簧調(diào)整法如圖2-13所示，將與錐齒輪3嚙合的齒輪做成大小兩片（1、2），在大片錐齒輪1上制有三個周向圓弧槽8，小片錐齒輪2的端面制有三個可伸入槽8的凸爪7。彈簧5裝在槽8中，一端頂在凸爪7上，另一端頂在鑲在槽8中的鑲塊4上。止動螺釘6裝配時用，安裝完畢將其卸下，則大小片錐齒輪1、2在彈簧力作用下錯齒，從而達到消除間隙的目的。2.3.2無側(cè)隙齒輪傳動機構(gòu)圖2-13錐齒輪周向彈簧調(diào)整法3、錐齒輪傳動

大型數(shù)控機床（大型的龍門銑床）工作臺的行程很長。由于絲杠太長容易下垂，變形影響傳動精度及工作性能。

所以對于行程很長的數(shù)控機床，常采用齒輪齒條傳動來實現(xiàn)它的進給運動。

但是齒輪齒條傳動和其他齒輪傳動一樣都存在齒側(cè)隙，也需消除間隙的措施。2.3.2無側(cè)隙齒輪傳動機構(gòu)4、齒輪齒條傳動機構(gòu)4、齒輪齒條傳動機構(gòu)當(dāng)傳動負(fù)載大時，可采用雙齒輪調(diào)整法。通過預(yù)載裝置4向齒輪3上圖2-14齒輪齒條的雙齒輪調(diào)隙機構(gòu)。預(yù)加負(fù)載，使大齒輪2、5同時向兩個相反方何轉(zhuǎn)動，從而帶動小齒輪1、6轉(zhuǎn)動，其齒面便分別緊貼在齒條7上齒槽的左、右側(cè)，消除了齒側(cè)間隙。

2.3.2無側(cè)隙齒輪傳動機構(gòu)

諧波齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動比大(幾十~幾百)、傳動精度高、回程誤差小、噪聲低、傳動平穩(wěn)、承載能力強、效率高等優(yōu)點，故在工業(yè)機器人、航空、火箭等機電一體化系統(tǒng)中日益得到廣泛的應(yīng)用。1、諧波齒輪傳動的工作原理

2.3.3諧波齒輪傳動圖2-15諧波齒輪傳動1—柔輪2—剛輪H—波形發(fā)生器2.3.3諧波齒輪傳動

諧波傳動由三個主要構(gòu)件所組成，即具有內(nèi)齒的剛輪l、具有外齒的柔輪2和波發(fā)生器3。通常波發(fā)生器為主動件，而剛輪和柔輪之一為從動件，另一個為固定件。當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)孔時，由于前者的總長度略大于后者的內(nèi)孔直徑，故柔輪變?yōu)闄E圓形，于是在橢圓的長軸兩端產(chǎn)生了柔輪與剛輪輪齒的兩個局部嚙合區(qū)；同時在橢圓短軸兩端，兩輪輪齒則完全脫開。至于其余各處，則視柔輪回轉(zhuǎn)方向的不同，或處于嚙合狀態(tài)，或處于非嚙合狀態(tài)。當(dāng)波發(fā)生器連續(xù)轉(zhuǎn)動時，柔輪長短軸的位置不斷交化，從而使輪齒的嚙合處和脫開處也隨之不斷變化，于是在柔輪與剛輪之間就產(chǎn)生了相對位移，從而傳遞運動。2.3.3諧波齒輪傳動

在波發(fā)生器轉(zhuǎn)動一周期間，柔輪上一點變形的循環(huán)次數(shù)與波發(fā)生器上的凸起部位數(shù)是一致的，稱為波數(shù)。常用的有兩波和三波兩種。為了有利于柔輪的力平衡和防止輪齒干涉，剛輪和柔輪的齒數(shù)差應(yīng)等于波發(fā)生器波數(shù)(即波發(fā)生器上的滾輪數(shù))的整倍數(shù)，通常取為等于波數(shù)。2.3.3諧波齒輪傳動轉(zhuǎn)臂---波發(fā)生器行星輪---柔輪中心輪----剛輪（1）傳動比大。單級諧波齒輪的傳動比為70～500（2）承載能力大。（3）傳動精度高。（4）可以向密封空間傳遞運動或動力。（5）傳動平穩(wěn)，基本上無沖擊振動。（6）傳動效率較高。單級傳動的效率一般在69%～96%的范圍內(nèi)，壽命長。（7）結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量小。2.3.3諧波齒輪傳動2、諧波齒輪傳動的特點（優(yōu)點）2.3.3諧波齒輪傳動2、諧波齒輪傳動的特點（缺點）（1）柔輪承受較大的交變載荷，對柔輪材料的抗疲勞強度、加工和熱處理要求較高，工藝復(fù)雜；（2）傳動比下限值較高；（3）不能做成交叉軸和相交軸的結(jié)構(gòu)。2.3.3諧波齒輪傳動

諧波齒輪傳動中，剛輪、柔輪和波發(fā)生器這三個基本構(gòu)件，其中任何一個都可作為主動件，其余兩個，一個作為從動件，一個為固定件。3、諧波齒輪的傳動比計算表2-1

單級諧波齒輪傳動的傳動比

設(shè)波形發(fā)生器相當(dāng)于行星輪系的轉(zhuǎn)臂H，柔輪相當(dāng)于行星輪r，剛輪相當(dāng)于中心輪g，則:（2-24）2.3.3諧波齒輪傳動3、諧波齒輪的傳動比計算2.3.3諧波齒輪傳動圖2-16a所示為波形發(fā)生器輸入、剛輪固定、柔輪輸出工作圖，圖2-16b所示為波形發(fā)生器輸入、柔輪固定、剛輪輸出工作圖。圖2-16諧波齒輪的傳動a)波形發(fā)生器輸入、剛輪固定、柔輪輸出b)波形發(fā)生器輸入、柔輪固定、剛輪輸出2.3.3諧波齒輪傳動4、諧波齒輪的應(yīng)用

用于如機器人、無線電天線伸縮器、手搖式諧波傳動增速發(fā)電機、雷達、射電望遠(yuǎn)鏡、衛(wèi)星通信地面站天線的方位和俯仰傳動機構(gòu)、電子儀器、儀表、精密分度機構(gòu)、小側(cè)隙和零側(cè)隙傳動機構(gòu)等。滾珠花鍵—可作靈敏、輕便的相對直線運動，也可以軸帶套或以套帶軸作回轉(zhuǎn)運動。所以滾動花鍵副既是一種傳動裝置，又是一種新穎的直線運動支承。2.3.4滾珠花鍵傳動2.3.4滾珠花鍵傳動1-保持架，2-橡皮密封圈，3-鍵槽，4-外筒，5-油孔，6-負(fù)荷滾珠列，7-退出滾珠列，8-花鍵軸圖2-17滾珠花鍵傳動1、滾珠花鍵工作原理2.3.4滾珠花鍵傳動

如圖2-17所示。在花鍵軸8的外圓上，配置有等分的三條凸緣。凸緣的兩側(cè)，就是花鍵軸的滾道。同樣，花鍵套上也有相對應(yīng)的六條滾道。滾珠就位于花鍵軸和花鍵套的滾道之間。于是滾動花鍵副內(nèi)就形成了六列負(fù)荷滾珠，每三列傳遞一個方向的力矩。當(dāng)花鍵軸8與花鍵套4作相對轉(zhuǎn)動或相對直線運動時，滾珠就在滾道和保持架1內(nèi)的通道中循環(huán)運動。

2.3.4滾珠花鍵傳動如圖所示，滾珠中心圓為d0。滾珠與花鍵套和花鍵軸滾道的接觸角為45°。因此既能承受徑向載荷，又能傳遞力矩。滾珠花鍵傳動主要用于高速場合，運動速度可達60m/min。2.3.4滾珠花鍵傳動

滾珠花鍵傳動目前廣泛地用于鏜床、鉆床、組合機床等機床的主軸部件；各類測量儀器、自動繪圖儀中的精密導(dǎo)向機構(gòu)；壓力機、自動搬運機等機械的導(dǎo)向軸；各類變速裝置及刀架的精密分度軸以及各類工業(yè)機器人的執(zhí)行機構(gòu)等。

滾珠花鍵副1979年榮獲日本發(fā)明振興協(xié)會的“發(fā)明大獎”2、滾珠花鍵的應(yīng)用2.3.4滾珠花鍵傳動滾珠花鍵應(yīng)用案例2.3.5同步帶傳動

同步齒形帶，是一種新型的帶傳動，如圖所示。它是利用同步帶的齒形與帶輪的輪齒依次相嚙合傳遞運動或動力。同步齒形帶傳動在數(shù)控機床、辦公自動化設(shè)備等機電一體化產(chǎn)品上得到了廣泛應(yīng)用。2.3.5同步帶傳動1、同步帶傳動特點（1）傳動過程中無相對滑動，因而可以保持恒定的傳動比，傳動精度較高。（2）工作平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊，無噪音，有良好的減振性能，無需潤滑。（3）無需特別張緊，故作用在軸和軸承上的載荷較小，傳動效率較高，高于V帶10%。（4）制造工藝較復(fù)雜，傳遞功率較小，壽命較低。2

、同步齒形帶的結(jié)構(gòu)

根據(jù)齒形的不同，同步齒形帶可以分成兩種。一種是梯形齒同步帶，另一種是圓弧齒同步帶。如圖所示是這兩種同步齒形帶的縱向截面，主要由強力層、帶齒和帶背組成，此外在齒面上覆蓋了一層尼龍帆布，用以減小傳動齒與帶輪的嚙合摩擦。圖2-20同步齒形帶（a）梯形齒

（b）圓弧齒

（c）齒形帶的結(jié)構(gòu)1-強力層，2-帶齒，3-帶背2.3.5同步帶傳動

梯形齒同步帶在傳遞功率時，由于應(yīng)力集中在齒根部位，使功率傳遞能力下降。同時由于梯形齒同步帶與帶輪是圓弧形接觸，當(dāng)小帶輪直徑較小時，將使梯形齒同步帶的齒形變形，影響與帶輪齒的嚙合，不僅受力情況不好，而且在速度很高時，會產(chǎn)生較大的噪聲和振動，這對于速度較高的主傳動來說是很不利的。因此，梯形齒同步帶在數(shù)控機床特別是加工中心的主傳動中很少使用，一般僅在轉(zhuǎn)速不高的運動傳動或小功率傳動的動力傳動中使用。2.3.5同步帶傳動

圓弧齒同步齒形帶克服了梯形齒同步帶的缺點，均化了應(yīng)力，改善了嚙合。因此，在加工中心上，無論是主傳動還是伺服進給傳動，當(dāng)需要用帶傳動時，總是優(yōu)先考慮采用圓弧齒同步齒形帶。2.3.5同步帶傳動同步齒形帶的主要參數(shù)是帶齒的節(jié)距t，如圖2-21所示。圖2-21同步齒形帶主要參數(shù)

2.3.5同步帶傳動3、同步齒形帶的主要參數(shù)與規(guī)格（1）節(jié)距t：

節(jié)距是指相鄰兩齒在節(jié)線上的距離。（2）模數(shù)m：

它是節(jié)距t與π之比，即m=t/π，一般取值范圍

為1～10mm。（3）齒形帶的其他參數(shù)和尺寸:

齒數(shù)、寬度、齒距等。2.3.5同步帶傳動2.3.6滾珠絲杠螺母副

滾珠絲杠螺母副是直線運動與回轉(zhuǎn)運動能相互轉(zhuǎn)換的新型傳動裝置。1、工作原理與特點絲杠滾珠螺母滾珠回路圖

滾珠絲杠工作原理圖

在絲杠和螺母上都有半圓弧形的螺旋槽，當(dāng)它們套裝在一起時便形成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠回路管道，當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時，滾珠在滾道內(nèi)既自轉(zhuǎn)又沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動。2.3.6滾珠絲杠螺母副2、滾珠絲杠螺母副特點：（1)摩擦小，效率高，發(fā)熱少；（2)絲杠螺母之間預(yù)緊后，可以完全消除間隙，提高了傳動剛度；（3)運動平穩(wěn)，不易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象；（4)磨損小、壽命長、精度保持性好；（5)不能自鎖，有可逆性，絲杠立式使用時，應(yīng)增加制動裝置。2.3.6滾珠絲杠螺母副3、滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)與調(diào)整2.3.6滾珠絲杠螺母副（1）滾珠絲杠螺母副螺紋滾道的截面形狀

圖

2-24

所示為滾珠絲杠副螺紋滾道的法向截面形狀，其中滾珠與滾道型面接觸點法線與絲杠軸線的垂線間的夾角稱為接觸角

β。

滾道型面是指通過滾珠中心作螺旋線的法截平面與絲杠、螺母螺紋滾道面的交線所在平面。常用的滾道型面有單圓弧和雙圓弧兩種。圖2-24滾珠絲杠副螺紋滾道的法向截面形狀a)單圓弧滾道b)雙圓弧型滾道2.3.6滾珠絲杠螺母副

常用的循環(huán)方式有兩種：滾珠在循環(huán)過程中有時與絲杠脫離接觸的稱為外循環(huán)；始終與絲杠保持接觸的稱內(nèi)循環(huán)。（2）滾珠絲杠螺母副的循環(huán)方式2.3.6滾珠絲杠螺母副特點：結(jié)構(gòu)緊湊，定位可靠，剛性好，返回滾道短，不易發(fā)生滾珠堵塞；缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造較困難，不能用于多頭螺紋1）內(nèi)循環(huán)滾珠在循環(huán)過程中和絲杠始終不脫離接觸的循環(huán)方式稱為內(nèi)循環(huán)2.3.6滾珠絲杠螺母副

1—絲杠2—螺母3—滾珠4—反向回珠器

圖2-25內(nèi)循環(huán)中螺母的結(jié)構(gòu)2）外循環(huán)每一列鋼珠轉(zhuǎn)幾圈后經(jīng)插管回珠器返回。插管式回珠器位于螺母之外。

外循環(huán)有以下三種形式：①螺旋槽式，②插管式，③端蓋式外循環(huán)結(jié)構(gòu)制造工藝簡單，其滾道接縫處很難做得平滑，影響滾珠滾動的平穩(wěn)性，甚至發(fā)生卡珠現(xiàn)象，噪聲也較大。2.3.6滾珠絲杠螺母副圖2-26螺旋槽式外循環(huán)結(jié)構(gòu)1—套筒2—螺母

3—滾珠

4—擋珠器1—螺母

2—蓋板

圖2-28端蓋式外循環(huán)結(jié)構(gòu)2.3.6滾珠絲杠螺母副圖2-27插管式外循環(huán)結(jié)構(gòu)2.3.6滾珠絲杠螺母副101（3）滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊方法

滾珠絲杠螺母預(yù)緊的目的消除反向間隙、提高其剛度。

預(yù)緊方法有三種，基本原理都是使兩個螺母產(chǎn)生軸向位移，以消除它們之間的間隙和施加預(yù)緊力。2.3.6滾珠絲杠螺母副1）雙螺母螺紋預(yù)緊調(diào)整式圖2-29雙螺母螺紋預(yù)緊調(diào)整式1、3—絲杠螺母2—普通螺母4—滑鍵

絲杠螺母1的外端有凸緣，而絲杠螺母3的外端無凸緣，僅制有螺紋，并通過兩個圓螺母固定。調(diào)整時旋轉(zhuǎn)圓螺母2消除軸向間隙并產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，然后用鎖緊螺母鎖緊。2.3.6滾珠絲杠螺母副2）雙螺母齒差預(yù)緊調(diào)整式圖2-30齒差預(yù)緊調(diào)整式1、4—螺母2、3—內(nèi)齒輪2.3.6滾珠絲杠螺母副

兩個螺母的兩端分別制有圓柱齒輪，兩者齒數(shù)相差一個齒，通過兩端的兩個內(nèi)齒輪與上述圓柱齒輪相嚙合并用螺釘和定位銷固定在套筒上。調(diào)整時先取下兩端的內(nèi)齒輪，當(dāng)兩個滾珠螺母相對于套筒同一方向轉(zhuǎn)動同一個齒固定后，則一個滾珠螺母相對于另一個滾珠螺母產(chǎn)生相對角位移，使兩個滾珠螺母產(chǎn)生相對移動，從而消除間隙并產(chǎn)生一定的預(yù)緊力例如：設(shè)絲杠導(dǎo)程L0=10mm，齒輪齒數(shù)Z1=99、Z2=100，如兩齒輪各轉(zhuǎn)過的齒數(shù)n=1時，則兩螺母間相對軸向位移量為：2.3.6滾珠絲杠螺母副3）雙螺母墊片調(diào)整預(yù)緊式圖2-31墊片調(diào)整預(yù)緊式1—螺母2—墊片如圖2-31所示，調(diào)整墊片的厚度，可使兩螺母產(chǎn)生相對位移，以達到消除間隙、產(chǎn)生預(yù)緊拉力之目的。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、剛度好、預(yù)緊可靠，但使用中調(diào)整不方便。2.3.6滾珠絲杠螺母副4）彈簧式自動調(diào)整預(yù)緊式

如圖2-32所示，雙螺母中一個活動另一個固定，用彈簧使其之間產(chǎn)生軸向位移并獲得預(yù)緊力。其特點是能消除使用過程中由于磨損或彈性變形產(chǎn)生的間隙，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、軸向剛度低。圖2-32彈簧式自動調(diào)整預(yù)緊式2.3.6滾珠絲杠螺母副5）單螺母消除間隙目前常用的單螺母消隙方法主要是單螺母變位螺距預(yù)加負(fù)荷和單螺母螺釘預(yù)緊兩種。2.3.6滾珠絲杠螺母副圖2-33單螺母變位導(dǎo)程自預(yù)緊式

機電一體化產(chǎn)品要求其機械系統(tǒng)的各運動機構(gòu)必須得到安全的支撐，并能準(zhǔn)確的完成其特定方向的運動，這個任務(wù)就由導(dǎo)向機構(gòu)來完成。機電一體化化產(chǎn)品的導(dǎo)向機構(gòu)是導(dǎo)軌，其作用是支撐和導(dǎo)向。2.4導(dǎo)向機構(gòu)1、導(dǎo)軌的分類一副導(dǎo)軌主要由兩部分組成，在工作時一部分保持固定不動，稱為支撐導(dǎo)軌（或?qū)榆墸诹硪徊糠窒鄬χ螌?dǎo)軌作直線或回轉(zhuǎn)運動，稱為動導(dǎo)軌（或滑座）。根據(jù)導(dǎo)軌副（簡稱導(dǎo)軌）之間的摩擦情況，導(dǎo)軌分為：1．滑動導(dǎo)軌

兩導(dǎo)軌工作面的摩擦性質(zhì)為滑動摩擦?？煞譃槠胀▽?dǎo)軌和液體靜壓導(dǎo)軌。滑動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，剛度好，抗振性高，是機械產(chǎn)品中最廣泛使用的導(dǎo)軌形式。2.滾珠導(dǎo)軌

兩導(dǎo)軌之間為滾動摩擦，導(dǎo)向面之間放置滾珠、滾柱或滾針等滾動體來實現(xiàn)兩導(dǎo)軌無滑動地相對運動。這種導(dǎo)軌磨損小，壽命長，定位精度高，靈敏度高，運動平穩(wěn)可靠，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，幾何精度要求高，抗震性較差，防護要求高，制造困難，成本高。因此在高精度的機電一體化產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛。2.4.1導(dǎo)軌的分類和基本要求

導(dǎo)軌的功用概括為起導(dǎo)向和支承作用，在設(shè)計導(dǎo)軌時應(yīng)考慮以下問題：

1.有一定的導(dǎo)向精度

導(dǎo)向精度是指機床的運動部件沿導(dǎo)軌移動時的直線性(對直線運動導(dǎo)軌)或真圓性(對圓運動導(dǎo)軌)及它與有關(guān)基面之間的相互位置的準(zhǔn)確性。

2.有良好的精度保持性

精度保持性是指導(dǎo)軌能否長期保持原始精度，喪失精度保持性的主要因素是由于導(dǎo)軌的磨損、導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式及支承件材料的穩(wěn)定性有關(guān)。數(shù)控機床常采用滾動導(dǎo)軌，靜壓導(dǎo)軌或塑料導(dǎo)軌。2、對導(dǎo)軌的基本要求2.4.1導(dǎo)軌的分類和基本要求1113.有足夠的剛度導(dǎo)軌的剛度主要決定于其類型、結(jié)構(gòu)形式和尺寸大小點軌與床身的聯(lián)接方式，導(dǎo)軌材料和表面加工質(zhì)量等。數(shù)控機床常采用加大導(dǎo)軌截面積的尺寸，或在主導(dǎo)軌外添加輔助導(dǎo)軌來提高剛度。

4.有良好的摩擦特性導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)要小，而且動、靜摩擦系數(shù)應(yīng)盡量接近，以減小摩擦阻力和導(dǎo)軌熱變形，使運動輕便平穩(wěn)，低速無爬行，這對數(shù)控機床特別重要。

5.導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)工藝性要好，便于制造和裝配，便于檢驗、調(diào)整和維修，有合理的導(dǎo)軌防護和潤滑措施等。2.4.1導(dǎo)軌的分類和基本要求1、普通滑動導(dǎo)軌

普通滑動導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、剛度好、抗振性強等優(yōu)點，常用的導(dǎo)軌截面形狀有矩形、三角形及燕尾形三種，如圖所示。2.4.2滑動導(dǎo)軌（a）為三角形導(dǎo)軌，它具有較高的導(dǎo)向性，而且該導(dǎo)軌面有了磨損時會自動下沉補償磨損量，精度保持性也較高，但是它的當(dāng)量摩擦因數(shù)較高，因而承載能力不如矩形導(dǎo)軌。

（b）為矩形導(dǎo)軌，這種導(dǎo)軌當(dāng)量摩擦因數(shù)小，剛度高，承載能力高，結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，便于加工和維修。該導(dǎo)軌的側(cè)良間隙不能自動補償，需設(shè)置間隙調(diào)整機構(gòu)。

（c）為燕尾形導(dǎo)軌，它結(jié)構(gòu)緊湊自成閉式，可以承受顛覆力矩，也需設(shè)置側(cè)隙調(diào)整機構(gòu)，這種導(dǎo)軌剛度較差，適于受力不大要求結(jié)構(gòu)尺寸比較緊湊的地方。2.4.2滑動導(dǎo)軌2、液態(tài)靜壓導(dǎo)軌

靜壓導(dǎo)軌的滑動面之間開有油腔，將有一定壓力的油通過節(jié)流器輸入油腔，形成壓力油膜，浮起運動部件，使導(dǎo)軌工作表面處于純液體摩擦，不產(chǎn)生磨損。

(一）特點其優(yōu)點是：

(1)精度保持性好；

(2)摩擦系數(shù)也極低(0.0005)，驅(qū)動功率大大降低；

(3)其運動不受速度和負(fù)載的限制，低速無爬行，承載能力大，剛度好；

(4)油液有吸振作用，抗振性好，導(dǎo)軌摩擦發(fā)熱也小。

其缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要有供油系統(tǒng)，油的清潔度要求高。2.4.2滑動導(dǎo)軌115節(jié)流器濾油器溢流閥油箱運動件導(dǎo)軌圖2-35開式靜壓導(dǎo)軌工作原理由于承載的要求不同，靜壓導(dǎo)軌分為開式和閉式兩種。開式靜壓導(dǎo)軌的工作原理，如圖所示。2.4.2滑動導(dǎo)軌

開式靜壓導(dǎo)軌只能承受垂直方向的負(fù)載，承受顛覆力矩的能力差。移動件導(dǎo)軌圖2-36

閉式靜壓導(dǎo)軌工作原理閉式靜壓導(dǎo)軌能承受較大的顛覆力矩，導(dǎo)軌剛度也較高，其工作原理如圖下所示。

靜壓導(dǎo)軌主要用于精密機床的進給運動和低速運動導(dǎo)軌。2.4.2滑動導(dǎo)軌

滾動導(dǎo)軌就是在導(dǎo)軌工作面間安裝滾動件，變滑動摩擦為滾動摩擦。其優(yōu)點是摩擦系數(shù)小、摩擦發(fā)熱小、運動靈活、精度保持性好、低速運動平穩(wěn)。缺點是滾動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，抗震性差。

滾動導(dǎo)軌常用的滾動體有滾珠、滾柱、滾針，特點是：

滾珠導(dǎo)軌的承載能力小，剛度低，適用于運動部件重量不大，切削力和顛覆力矩都較小的機床。

滾柱導(dǎo)軌的承載能力和剛度都比滾珠導(dǎo)軌大，適用于載荷較大的機床。

滾針導(dǎo)軌的特點是滾針尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，適用于導(dǎo)軌尺寸受到限制的機床。2.4.3滾動導(dǎo)軌1、滾動導(dǎo)軌的組成2.4.3滾動導(dǎo)軌

滾動直線導(dǎo)軌副由導(dǎo)軌、滑塊、鋼球、反向器、保持架、密封端蓋及擋板等組成，如圖2-37所示。圖2-37直線導(dǎo)軌副1—滾珠2、6—回珠孔3、9—密封墊4—擋板5、8—滑塊7、10—導(dǎo)軌條

直線滾動導(dǎo)軌副包括導(dǎo)軌條和滑塊兩部分。導(dǎo)軌條通常為兩根，裝在支承件上，如圖2-38所示。每根導(dǎo)軌條上有兩個滑塊，固定在移動件上。如移動件較長，也可在一根導(dǎo)軌條上裝3個或3個以上的滑塊。如移動件較寬，也可用3根或3根以上的導(dǎo)軌條。2.4.3滾動導(dǎo)軌圖2-38直線導(dǎo)軌副的配置2.4.3滾動導(dǎo)軌2、滾動導(dǎo)軌塊

近年來，數(shù)控機床越來越多地采用了由專業(yè)廠生產(chǎn)制造的直線滾動導(dǎo)軌塊或?qū)к壐苯M件。該種導(dǎo)軌組件本身制造精度很高，而對機床的安裝基面要求不高，安裝、調(diào)整都非常方便。圖2-39滾動導(dǎo)軌塊1—螺釘2—支承塊3—移動件4—滾柱5—支承導(dǎo)軌6—擋板2.4.3滾動導(dǎo)軌圖：滾動導(dǎo)軌模組2.4.4空氣軸承/導(dǎo)軌

空氣軸承（又稱為氣浮軸承）指的是用氣體作為潤滑劑的滑動軸承?？諝獗扔驼硿孕?，耐高溫，無污染，因而可用于高速機器、儀器及放射性裝置中，但其負(fù)荷能力比油低?？諝廨S承分為三大類：空氣靜壓軸承、空氣動壓軸承和擠壓膜軸承。在一般工業(yè)中，空氣靜壓軸承用得較廣泛。1、結(jié)構(gòu)由軸承內(nèi)圈和外圈，外圈上有空氣的進出口空，內(nèi)圈上有噴嘴。具體見附圖2、工作原理空氣軸承是利用空氣彈性勢來起支承作用的一種新型軸承。2.4.4空氣軸承/導(dǎo)軌2.4.4空氣軸承/導(dǎo)軌2.4.4空氣軸承3、空氣軸承有很多優(yōu)點，缺點很少！2.4.4空氣軸承2.4.4空氣軸承4、應(yīng)用場合

空氣潤滑高速直線軸承，行程600mm;

速度8m/s;加速度180m/s2;重復(fù)精度0.2μm。這些軸非常適合半導(dǎo)體行業(yè)中快速準(zhǔn)確的拾取和放置應(yīng)用。2.4.4空氣軸承2.4.4導(dǎo)軌的潤滑與防護1、導(dǎo)軌的潤滑（1）潤滑的目的、要求與方式

潤滑的目的是為了降低摩擦力、減少磨損、降低溫度和防止生銹。

潤滑要求供給導(dǎo)軌清潔的潤滑油，油量可以調(diào)節(jié)，盡量采取自動和強制潤滑，潤滑元件要可靠，要有安全裝置。例如，靜壓導(dǎo)軌在未形成油膜之前不能開車和潤滑不正常有報警信號等。

導(dǎo)軌的潤滑方式有：人工定期向?qū)к壝鏉灿?，在運動部件上裝油杯使油沿油孔流或滴向?qū)к壝?，在運動部件上裝潤滑電磁泵等。

導(dǎo)軌常用的潤滑劑有潤滑油和潤滑脂。

滑動導(dǎo)軌用潤滑油。

滾動導(dǎo)軌支承多用潤滑脂潤滑。它的優(yōu)點是不會泄漏，不需經(jīng)常加油；缺點是塵屑進入后易磨損導(dǎo)軌。

因此對防護要求較高。易被污染又難以防護的地方，可用潤滑油潤滑。1、導(dǎo)軌的潤滑（2）潤滑油的選擇2.4.4導(dǎo)軌的潤滑與防護2、導(dǎo)軌的防護2.4.4導(dǎo)軌的潤滑與防護

防止或減少導(dǎo)軌副磨損的重要方法之一，就是對導(dǎo)軌進行防護。據(jù)統(tǒng)計，有可靠防護裝置的導(dǎo)軌，比外露導(dǎo)軌的磨損量可減少60％左右。

常用的防護方式有以下幾種：1）刮板式圖2-40a的耐熱能力好，但只能排除較大的硬粒。圖2-40b除可去除細(xì)小的塵屑之外，還具有良好的吸油能力。圖2-40c的耐熱能力好、防護能力強并有良好的潤滑性。結(jié)構(gòu)稍

復(fù)雜，應(yīng)用很多。2.4.4導(dǎo)軌的潤滑與防護1—金屬刮板2—毛氈刮板133圖2-41伸縮式導(dǎo)軌保護裝置2）伸縮式

圖a軟式皮腔式防護裝置，一般用皮革、帆布或人造革制成，結(jié)構(gòu)簡單，可用于高速導(dǎo)軌。缺點是不耐熱。這種防護裝置多用于磨床和精密機床，如導(dǎo)軌磨床等。但不能用于車床銑床等有紅熱切屑的機床。2.4.4導(dǎo)軌的潤滑與防護圖2-41b層式的各層蓋板均由鋼板制成，耐熱性好，強度高，剛性好，使用壽命長。該防護裝置多用于大型和精密機床，如龍門式機床、數(shù)控機床和坐標(biāo)鏜床等。圖2-41伸縮式導(dǎo)軌保護裝置2.4.4導(dǎo)軌的潤滑與防護135從設(shè)計角度提高耐磨性的基本思路是：盡量爭取無磨損；在無法避免磨損時盡量爭取少磨損、均勻磨損以及磨損后能夠補償，以便提高使用期限。(一)爭取無磨損

磨損的原因是配合面在一定的壓強作用下直接接觸并作相對運動。因此不磨損的條件是配合面在作相對運動時不直接接觸，接觸時則無相對運動。其辦法之一是使?jié)櫥瑒┌涯Σ撩嫱耆指糸_。如靜壓導(dǎo)軌、靜壓軸承或其它的靜壓副。

2.4.5提高導(dǎo)軌耐磨性的措施136

(二)爭取少磨損

爭取無磨損只能在少數(shù)和特殊情況下才能做到。多數(shù)情況只能爭取少磨損以延長工作期限。1．降低壓強

采用加大導(dǎo)軌的接觸面和減輕負(fù)荷的辦法來降低壓強。提高導(dǎo)軌面的直線度和細(xì)化表面粗糙度，均可增加實際接觸面積。2．改變摩擦性質(zhì)

用滾動副代替滑動副，可以減少磨損。在滑動摩擦副中保證充分潤滑避免出現(xiàn)干摩擦或半干摩擦，也可降低磨損。2.4.5提高導(dǎo)軌耐磨性的措施137