机电一体化系统机械技术

1、单元二单元二 机电一体化机械技术机电一体化机械技术 2.1 2.1 概述 2.2 2.2 机械传动结构 2.3 2.3 机械导向结构 2.4 2.4 机械的支承结构 2.5 2.5 机械执行结构 牛牛文库文档分享 学习目标 1.了解机电一体化系统的功能组成、 构成要素、机械执行机构 2.掌握机电一体化系统的机械传动机 构、机械支承结构 3.重点掌握机电一体化系统的机械运 动要求、螺旋传动、机械导向结构和 支承件的设计原则 牛牛文库文档分享 3 门座起重机主要由金属结构、 工作机构(起升、运行、变幅 及回转机构)、动力装置和控 制系统组成，门座起重机可 实现环形圆柱体空间货物的 升降、移动，并可

2、调整整机 的工作位置，故可在较大的 作业范围内满足货物的装卸 门座起重机 牛牛文库文档分享 2.1 2.1 概述 传动 机构 导向 机构 执行 机构 传递转矩 与转速 支撑和限制运动 部件，使之按给 定的运动要求和 运动方向运动 完成操作 任务 牛牛文库文档分享 5 机构：由若干运动副组成的具有确定运动的装置。常用的 机械机构有连杆机构、凸轮机构、间歇机构。 相关知识 机电一体化产品的运动包括沿特定轴旋转的旋转运动、沿 规定直线的直线运动以及平面运动等，比如机器人和数控机 床等。 牛牛文库文档分享 机械系统设计要求 在机械系统设计时，除考虑一般机械设计要求外，还必 须考虑机械结构因素与整个伺服

3、系统的性能参数、电气参数 的匹配，以获得良好的伺服性能。 传统机械系统一般是由动力件、传动件、执行件三部分加上电 气、液压和机械控制等部分组成，而机电一体化中的机械系统 是由计算机协调和控制的，用于完成包括机械力、运动和能量 流等动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统组成。 其核心是由计算机控制的，包括机、电、液、光、磁等技术的 伺服系统。这就对执行器提出了更高的要求，存在机械装置、 执行器及驱动器之间的协调与匹配问题。 从总体上讲，机电一体化中的机械系统除了满足一般机械设 计的要求外，还必须满足以下几种特殊要求。 牛牛文库文档分享 l 高精度 精度是机电一体化产品的重要性能指标，对其

4、 机械系统设计主要是执行机构的位置精度，其 中包括结构变形、轴系误差和传动误差，另外 还要考虑温度变化的影响。 l 小惯量 传动件本身的转动惯量会影响系统的响应速度 及系统的稳定性。 l大刚度 机电一体化机械系统要有足够的刚度，弹性变 形要限制在一定范围之内。 机械系统设计要求 牛牛文库文档分享 8 机电一体化机械系统设计一样有传动设计和结构设计部分， 只是由于机电一体化的特征决定了在机械系统设计过程中有 它自身的特点。 机械传动 设计 机械结构 设计 机械传动设计的任务 是把动力机产生的机 械能传递到执行机构 上去，机电一体化系 统中机械传动系统的 设计就是面向机电伺 服系统的伺服机械传 动

5、系统设计。 综合考虑各个零部件 的制造、安装精度， 结构刚度，稳定性以 及动作的灵敏性和易 控性。 牛牛文库文档分享 2.2 2.2 机械传动机构 u机械传动机构基本要求:转动惯量小、刚度大、阻尼合 适，此外还要求摩擦小、抗振性好、间隙小，特别是其动态 特性与伺服电动机等其他环节的动态特性相匹配。 牛牛文库文档分享 2.2 2.2 机械传动机构 2.2.1 齿轮传动 提高传动精度的结构措施有以下几种。 适当提高零部件本身的精度。 合理设计传动链，减少零部件制造、 装配误差对传动精度的影响。 采用消隙机构，以减少或消除空程 牛牛文库文档分享 u圆柱齿轮传动 1.偏心轴套调整法。 简单的偏心轴套式

6、消隙结构。 电机1是通过偏心轴套2装到壳体 上，通过转动偏心轴套的转角， 就能够方便地调整两啮合齿轮的 中心距，从而消除了圆柱齿轮正、 反转时的齿侧隙。 1-电动机;2-偏心轴套 图7-26 偏心轴套式消除间隙结构 1-电动机 2-偏心轴套 2 1 牛牛文库文档分享 u圆柱齿轮传动 (2)锥度齿轮调整法。 用带有锥度的齿轮来消除间隙的 机构。在加工齿轮1和2时，将假 想的分度圆柱面改变成带有小锥 度的圆锥面，使其齿厚在齿轮的 轴向稍有变化(其外形类似于插齿 刀)。装配时只要改变垫片3的厚 度就能调整两个齿轮的轴向相对 位置，从而消除了齿侧间隙。但 如增大圆锥面的角度，则将使啮 合条件恶化。 1

7、、2-齿轮;3-热片图7-27 带锥度齿轮的消除间隙结构 1、2-齿轮 3-垫片 2 1 3 牛牛文库文档分享 u圆柱齿轮传动 (3)双向薄齿轮错齿调整 法。 采用这种消除齿侧隙的一对啮 合齿轮中，其中一个是宽齿轮， 另一个由两相同齿数的薄片齿 轮套装而成，两薄片齿轮可相 对回转。装配后，应使一个薄 片齿轮的齿左侧和另一个薄片 齿轮的齿右侧分别紧贴在宽齿 轮的齿槽左、右两侧，这样错 齿后就消除了齿侧隙，反向时 不会出现死区。 图7-28 圆柱薄片齿轮可调拉簧错齿调整法 1、2-齿轮 3、8-凸耳 4-弹簧 5、6-螺母 7-螺钉 35467 2 1 3 8 1、2-齿轮;3、8-凸耳;4-弹簧

8、;5、6-螺母;7-螺钉 牛牛文库文档分享 u斜齿轮传动 左图是垫片错齿调整法，薄片 齿轮由平键和轴连接，互相不 能相对回转。斜齿轮1和2的齿 形拼装在一起加工。装配时， 将垫片厚度增加或减少t，然 后再用螺母拧紧。这时两齿轮 的螺旋线就产生了错位，其左 右两齿面分别与宽齿轮的齿面 贴紧，从而消除了间隙。 垫片错齿调整法图7-29 斜齿薄片齿轮垫片错齿调整法 薄片斜齿轮2 宽齿轮 薄片斜齿轮1 垫片 t 牛牛文库文档分享 u斜齿轮传动 右图是轴向压簧错齿调整法， 其特点是齿侧隙可以自动补 偿，但轴向尺寸较大，结构 不紧凑。 轴向压簧错齿调整法 图7-30 斜齿薄片齿轮轴向压簧错齿调整法 调压螺

9、母 宽齿轮 薄片斜齿轮2 薄片斜齿轮1 轴向压簧 牛牛文库文档分享 2.2 2.2 机械传动机构 2.2.2 带传动 u普通带传动 优点:运行平稳无噪声;过载时将引 起带在带轮上打滑，因而可防止其他零 件损坏;制造和安装精度不像啮合传 动那样严格;可增加带长以适应中心 距较大的工作条件(可达15m)。 缺点:带与带轮的弹性滑动使传动比 不准确，效率较低，寿命较短;传递 同样大的圆周力时，外廓尺寸和轴上的 压力都比啮合传动大;不宜用于高温、 易燃等场合。 牛牛文库文档分享 2.2.2 带传动 l带传动张紧装置 (1)定期张紧装置:调节中心距使带重新张紧。 (a)移动式 (b)摆动式 1-滑轨;a

10、-螺母;3-调节螺钊 牛牛文库文档分享 (2)自动张紧装置:常用于中小功率的传动。下图所示是将 装有带轮的电动机安装在摆架上，而利用电动机和摆架的 重量，自动保持张紧力。 2.2.2 带传动 l带传动张紧装置 牛牛文库文档分享 (3)使用张紧轮的张紧装置:当中心距不能调节时，可使 用张紧轮把带张紧，如图所示。张紧轮一般应安装在松边 内侧，使带只受单向弯曲，以减少寿命的损失;同时张紧 轮还应尽量靠近大带轮，以减少对包角的影响。张紧轮的 使用会降低带轮的传动能力，在设计时应适当考虑。 2.2.2 带传动 l带传动张紧装置 牛牛文库文档分享 2.2.2 带传动 同步带传动是一种啮合型带传动，兼有带传

11、 动和齿轮传动的特点。同步带传动工作时无 相对滑动，能保证准确的传动比。传动功率 较大(数百千瓦)、传动效率高(达0.98)，传 动比较大(i2m/s，缺点：若加工安装精度差，传动噪音 大，磨损大。 典型用途：大版面钢板、玻璃数控切割机， 建筑施工升降机可达30层楼高。 u特点： 牛牛文库文档分享 2.2.3 齿轮齿条传动机构 1.双片薄齿轮错齿调整法：适用于小传动负载。 2.双齿轮调整法：适用于大传动负载。如图所示，小齿轮1, 6分别与齿条7啮合， 与小齿轮1, 6同轴的大齿轮2, 5分别与齿轮3啮合，通过预载装置4向齿轮3上预加 负载，使大齿轮2, 5同时向两个相反方向转动，从而带动小齿轮

12、1, 6转动，其齿 便分别紧贴在齿条7上齿槽的左、右侧，消除了齿侧间隙。 u消除齿隙方法： 1、6-小齿轮;2、5-大齿轮; 3-齿轮;4-预载装置;7-齿条 牛牛文库文档分享 2.2.4 螺旋传动 牛牛文库文档分享 2.2.4 螺旋传动 （b）压力机 螺旋传动的功用： 利用螺杆和螺母实现传递运动和动力。 FN T FN T 它既能将回转运动转变为直线运动，又能将直线运动转变为 回转运动。 （a）千斤顶 （c）进给机构 F 牛牛文库文档分享 u 丝杠螺母机构的分类 1）按功能分 a) 传递力/能量为主（传力螺旋） 千斤顶 压力机 2.2.4 螺旋传动 特点： 低速、间歇 工作，传递 轴向力大、

13、 能自锁。 牛牛文库文档分享 b) 传递运动为主（传动螺旋） 机床工作台的进给丝杠 特点： 速度高、连续工作、精度高。 2.2.4 螺旋传动 牛牛文库文档分享 c) 调整位置（调整螺旋） 特点：受力较小且不经常转动 。 虎钳 微调螺旋 2.2.4 螺旋传动 牛牛文库文档分享 2）按摩擦方式分 滑动丝杠螺母机构： 优点： a) 结构简单 b) 加工方便 c) 成本低 d)具有自锁功能 缺点： a) 摩擦阻力较大 b)传动效率低(30%40%) u 丝杠螺母机构的分类 2.2.4 螺旋传动 （a）滑动螺旋 牛牛文库文档分享 滚动丝杠螺母机构： 优点： a) 传动效率高（92%98%） b) 摩擦阻

14、力小 c) 传动精度高 缺点： a) 结构复杂 b)成本高 c)无自锁功能 2）按摩擦方式分 u 丝杠螺母机构的分类 2.2.4 螺旋传动 （b）滚动螺旋 牛牛文库文档分享 2.2.4 螺旋传动 u滑动螺旋传动的形式与应用 三大类： 1.其中一个固定不动，另一个即 作回转运动，又作直线移动。 2.（两个件都动）；其中一个作 回转运动，另一个作直线移动。 3.差动螺旋传动。 牛牛文库文档分享 （1）、螺母固定不动，螺杆既回转又 作直线移动 牛牛文库文档分享 （2）、 螺杆固定不动、螺母既回转 又作直线运动 牛牛文库文档分享 螺纹千斤顶 牛牛文库文档分享 （3）、 螺杆（一个）回转，螺母 （另一个

15、）作直线运动 牛牛文库文档分享 2.2.4 螺旋传动 u滑动螺旋传动的形式与应用 1、2-螺母;3-螺杆 差动螺旋传动；由两个螺旋副组成的使 活动螺母与螺杆产生差动的螺旋传动。 说明：组合螺杆由两段螺距或旋向不同的螺杆组合为一体， 分别与活动螺母和固定螺母配合，组成两组螺旋副。当螺杆 回转时，螺杆相对于固定螺母、活动螺母相对于螺杆均有直 线运动，最终体现为活动螺母的运动，形成一种差动关系。 牛牛文库文档分享 2.2.4 螺旋传动 u例：普通机床丝杠螺母传动的类型和特点 1）螺母固定，丝杠转动并移动： 特点：结构简单，传动精度较高，螺母支撑杆可消除附加轴向 窜动，刚性较差。 牛牛文库文档分享 2

16、）丝杠转动，螺母移动： 特点：结构紧凑，丝杆刚性高。要限制螺母 转动，故需导向装置。 2.2.4 螺旋传动 u例：普通机床丝杠螺母传动的类型和特点 牛牛文库文档分享 3）螺母转动，丝杠移动： 特点：结构复杂，占用空间大，传动时需限 制螺母移动和丝杠转动。 2.2.4 螺旋传动 u例：普通机床丝杠螺母传动的类型和特点 牛牛文库文档分享 4）丝杠固定，螺母转动并移动： 特点：结构简单，紧凑，丝杆刚性较高，但 使用不方便，应用较少。 2.2.4 螺旋传动 u例：普通机床丝杠螺母传动的类型和特点 牛牛文库文档分享 2.2.4 螺旋传动 u螺旋副零件与滑板连接结构的确定。 1.刚性连接结构。 2.弹性连

17、接结构。 1-转动手轮;2-丝杠;3-活动螺母;4-弹簧; 5-支承钢珠;6-端盖;7-片簧;8-工作台 牛牛文库文档分享 2.2.4 螺旋传动 u螺旋副零件与滑板连接结构的确定。 3.活动连接结构。 1-滑板;2-螺杆;3-中间杆 u影响螺旋传动精度的因素及提高传动精度的措施。 螺纹参数误差 螺杆轴向窜动误差 偏斜误差 温度误差 牛牛文库文档分享 2.2.4 螺旋传动 u消除螺旋传动空回的方法。 利用单向作用力 利用调整螺母 利用塑料螺母 径向调整法 轴向调整法 开槽螺母结构 卡簧式螺母结构 对开螺母结构 紧定螺钉螺母结构 当螺旋机构中存在间隙，若螺杆 的转动方向改变，螺母不能立即 产生反向

18、运动，只有螺杆转动某 一角度后才能使螺母开始反向运 动的现象。 牛牛文库文档分享 滑动丝杠螺母传动存在如下问题： l 接触面间存在着较大的滑动摩擦阻力 l 传动效率低 l 磨损快 l 精度不高 l 使用寿命短 已不能适应机电一体化设备在高速度、高效率、 高精度等方面的要求。 2.2.4 螺旋传动 牛牛文库文档分享 滚珠丝杠螺母传动则是为了适应机电一体 化机械系统的要求而发展起来的一种新型传动 机构。 u滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构 牛牛文库文档分享 在螺杆和螺母制建设有封闭循环的滚道，在滚 道间填充钢珠，使螺旋副的滑动摩擦变为滚动摩擦， 提高传动效率，这种传动称为螺旋传动，又称为滚珠 丝杠副

19、。 u滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构 牛牛文库文档分享 u滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构 （1） 滚珠丝杠螺母的工作原理 牛牛文库文档分享 滚珠丝杠副由丝杠、螺母、滚动体和滚动体循 环装置组成。 工作时，螺母4与需作直线往复运动的零部件相 连，丝杠1旋转带动螺母4作直线往复运动，从而带 动零部件作直线往复运动。 在丝杠1、螺母4和端盖2（滚珠循环装置）上都 制有螺旋槽，由这些槽对合起来形成滚珠循环通道， 滚珠3在此通道内循环滚动。为了防止滚珠3从螺母 中掉出，螺母螺旋槽的两端应封住。 u滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构 （1） 滚珠丝杠螺母的工作原理 牛牛文库文档分享 u滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母

20、副机构 （2） 滚珠丝杠螺母的特点 滚珠丝杠副的特点如下。 传动效率高。 给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时 就可以消除空行程死区，定位精度高，刚度好 运动平稳，无爬行现象，传动精度高 运动具有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也 可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为 主动件。 磨损小，使用寿命长 制造工艺复杂。滚珠丝 杠和螺母等元件的加工精度要求 高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。 不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的作用， 下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需添加制动装置。 牛牛文库文档分享 1）按用途 a) 定位滚珠丝杠 通过 旋转角

21、度 和导程控 制轴向位 移量。 称为 P类 滚珠 丝杠。 u滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构 牛牛文库文档分享 b) 传动滚珠丝杠 用于 传动动力 的滚珠丝 杠。 称为 T类 滚珠 丝杠。 u滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构 牛牛文库文档分享 u滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构 牛牛文库文档分享 a) 单圆弧形 螺纹滚道法向截形 为单圆弧形。 特点：成型比较简 单，易于得到较高的精 度。但接触角转动中不 断变化，因此，效率、 承载能力和轴向刚度均 不够稳定。一般在轻载 条件下工作。 u滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构 牛牛文库文档分享 b) 双圆弧形 螺纹滚道法向截形为 双圆弧形。 特点：接触角在工作

22、 过程中基本保持不变，效 率、承载能力和轴向刚度 稳定，磨损较小，传递精 度高。但双圆弧形砂轮修 整、加工、检验比较困难。 u滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构 牛牛文库文档分享 3）按滚珠循环方式 按滚珠在整个循环过程中与螺杆表面的接触 情况，滚珠的循环方式可分为内循环和外循环两 类。 滚珠在循环过程中始终与螺杆保持接触的循 环叫内循环。 滚珠在返回时与螺杆脱离接触的循环称为外 循环。 u滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构 牛牛文库文档分享 内循环的工作圈 数是一列只有一圈， 因而回路短，滚珠少， 滚珠的流畅性好，效 率高。此外，它的径 向尺寸小，零件少， 装配简单。 内循环的缺点是 反向器的回珠槽

23、具有 空间曲面，加工较复 杂。 a) 内循环 u滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构 牛牛文库文档分享 按结构的不同，外循环可分为： b) 外循环 螺旋槽式 插管式 端盖式 u滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构 牛牛文库文档分享 特点：结构工艺简单，易于制造，螺母径向尺 寸小。缺点是挡珠器刚度较差，容易磨损。 螺旋槽式 u滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构 牛牛文库文档分享 特点：结构简单，工艺性好，适于批量生产。 缺点是弯管突出在螺母的外部，径向尺寸较大，若 用弯管端部作挡珠器，则耐磨性较差。 插管式 u滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构 牛牛文库文档分享 特点：结构紧凑，工艺性好。缺点是滚珠通过 短槽时容易

24、卡住。 端盖式 u滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构 牛牛文库文档分享 4）按消除轴向间隙的调整预紧方法 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 道型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。 u滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构 牛牛文库文档分享 通常采用双螺母预紧或单螺母的方法，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。 常用的双螺母预紧调整方法有三种：垫片调 隙式、螺纹调隙式、齿差调隙式。 u滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构 牛牛文库文档分享

25、 垫片调隙式 u滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构 牛牛文库文档分享 丝杠侧 螺母A 螺母B 调整垫片 预拉方向预拉方向 预紧方向 垫片 预紧方向 u滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构 牛牛文库文档分享 螺纹调隙式 u滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构 牛牛文库文档分享 (3)滚珠丝杠副的精度。 滚珠丝杠副的精度等级为1, 2, 3, 4 , 5、7, 10级精度，代号 分别为1, 2, 3, 4, 5, 7, 10。其中1级为最高，依次逐级降低 (4)滚珠丝杠副的标注方法。 滚珠丝杠副的型号根据其结构、规格、精度和螺纹旋向等特 征按下列格式编写: 负荷滚珠总圈数为1.5, 2, 2.5, 3, 3.5,

26、 4, 4.5, 5圈，代号 分别为1.5、2、2. 5、3、3. 5、4、4. 5、5。 螺旋旋向为左、右旋，只标左旋代号为LH，右旋不标。 滚珠螺纹的代号用GQ表示，标注在公称直径前，如GQ50 x 8-3 u滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构 牛牛文库文档分享 例：CTC63 x 10-3. 5-3. 5/2000 x 1600 表示为插管突出式外循环(CT )， 双螺母齿差预紧(C)的滚珠丝杠副， 公称直径63 mm，基本导程10 mm， 负荷滚珠总圈数3. 5圈，精度等级3. 5级，螺纹旋向为右旋，丝杠全长为2 000 mm ,螺纹长度为1 600 mm u滚动螺旋传动滚珠丝杠螺母副机构

27、 牛牛文库文档分享 67 2.3 机械导向结构 牛牛文库文档分享 68 2.3 机械导向结构 机电系统的支承部件包括导向支承 部件、旋转支承部件和机座机架。 作用：支承和限制运动部件按给定的 运动要求和规定的运动方向运动。 基本组成：定导轨、动导轨、辅助导 轨、间隙调整元件以及工作介质/元 件等组成。 牛牛文库文档分享 （1）按运动轨迹分：直线和圆周运动导轨 （2）按运动性质分： 主运动导轨:动导轨与支承导轨之间，相对运 动的速度较高。 进给运动导轨:动导轨与支承导轨之间，相对 运动的速度较低。 移置导轨：只用于调整部件之间的相对位置， 移置后固定，在加工时没有相对运动。 牛牛文库文档分享 滑

28、动导轨 滚动导轨：在两导轨面间装有球、滚子或滚针等 滚动元件，具有滚动摩擦的性质，广泛地应用于 进给运动导轨和旋转主运动导轨。 静压导轨 ：油膜压强靠液压泵建立， 两导轨面间有一层静压油膜，多用于 进给运动导轨。 动压导轨：当导轨面间的相对滑动速度达 到一定值后，液体的动压效应使导轨油腔处 出现压力油楔，把两导轨面分开，从而形成 液体摩擦。只能用于高速的场合，故仅用作 主运动导轨。 普通滑动导轨 流体介质导轨 牛牛文库文档分享 u三角形导轨：磨损后，能自动补偿间隙，导向精 度随其顶角的减小而提高，但顶角的减小使承载 能力和刚性下降；三角形导轨的制造工艺较复杂。 u矩形导轨：承载能力大，刚性较高

29、，形状规则， 制造和维修方便；但矩形导轨侧面有间隙，导向 精度较低。 u燕尾形导轨：高度尺寸小，结构紧凑，能承受颠 复力矩；但燕尾形导轨磨擦阻力大，制造工艺复 杂。 u圆柱形导轨：导向性好，刚性高；但其制造精度 要求较高，磨损后，导轨间隙调整较困难。 特点： 牛牛文库文档分享 一、导轨的截面形状及其特点 1、直线运动滑动导轨截面形状：主要有三角形、矩形、燕尾 形、圆柱形，都有凹凸之分。 牛牛文库文档分享 二、导轨的基本要求 1、导向精度高。导向精度是指运动件按给定方向作直线运动的准确程度，它主要取决 于导轨本身的几何精度及导轨配合间隙。 u导轨在竖直平面 内的直线度 。 u导轨在水平平面 内的

30、直线度 。 u两导轨面间的 平行度。 牛牛文库文档分享 因此，在设计或选用导轨副时，重点考虑影因此，在设计或选用导轨副时，重点考虑影 响导向精度的主要因素有：响导向精度的主要因素有： u 导轨结构类型。导轨结构类型。 u 导向精度（直线度）和接触精度（平面度和接触面导向精度（直线度）和接触精度（平面度和接触面 积）。积）。 u 导轨运动配合精度（间隙）。导轨运动配合精度（间隙）。 u 油膜厚度和油膜刚度。油膜厚度和油膜刚度。 u 导轨和机架的结构刚度和接触刚度。导轨和机架的结构刚度和接触刚度。 u 导轨和机架的热变形（热敏感性）。导轨和机架的热变形（热敏感性）。 u 装配质量以及液体动压和静压

31、导轨的油膜厚度、油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。膜刚度等。 牛牛文库文档分享 二、导轨的基本要求 2、运动轻便、平稳、低速时无爬行现象。 u消除爬行现象的主要措施： （1）减少动、静摩擦系数的之差和改变动摩擦系数 随速度变化的特性。 用滚动摩擦代替滑动摩擦； 采用卸荷导轨和静压导轨； 采用减摩材料； 采用导轨油。 （2）提高传动机构的刚度。 牛牛文库文档分享 u影响精度保持性的主要因素是磨损。 u必须提高导轨的耐磨性，尽可能减小导轨的磨 损的不均匀程度（沿导轨全长的均匀和不均匀 磨损都会影响其精度），并使磨损后能自动补 偿或调整。 u影响因素：导轨的材料、热处理、加工

32、的工艺 方法、磨擦性质及受力情况（即导轨的比压、 润滑和防护）等有关。 二、导轨的基本要求 3、耐磨性好。 牛牛文库文档分享 u在可能的情况下，应尽量使导轨结构简单，便于制造和维护。 u对于刮研导轨，应尽量减少刮研量。 u对于镶装导轨，应做到更换容易。 二、导轨的基本要求 4、。 牛牛文库文档分享 5、足够的 刚度。 导轨的刚度（要求）导轨的刚度（要求）：导轨抵抗外载荷的能力，从导轨抵抗外载荷的能力，从 而不影响导向部件的导向精度（运动精度）。而不影响导向部件的导向精度（运动精度）。 通常分为：静刚度通常分为：静刚度 抵抗抵抗恒定载荷恒定载荷的能力。的能力。 动刚度动刚度 抵抗抵抗交变载荷交变

33、载荷的能力。的能力。 每一类刚度都包括：结构刚度、接触刚度、局部每一类刚度都包括：结构刚度、接触刚度、局部 刚度。刚度。 在一般情况下，为减轻或平衡外力的影响，可采在一般情况下，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。用加大导轨尺寸或添加辅助导轨的方法提高刚度。 二、导轨的基本要求 6、对温度变化的不敏感性。 牛牛文库文档分享 三、常见导轨副组合与间隙调整、特点 (1)圆柱面导轨。 优点：导轨面的加工和检验 比较简单， 易于达到较高的精度; 缺点：对温度变化比较敏感 ，间隙不能调整。 1-螺母;2-螺钉;3-支臂; 4-垫块;5-立柱 牛牛文库文档分享 最简单

34、的防转结构是在运动件和承导件的接触表面上作出平面、 凸起或凹槽。图2-30 ( a),(b)、(c)是这种防转结构的几个例子。 利用辅助导向面可以更好地限制运动件的转动图2-30 (d),适当 增大辅助导向面与基本导向面之间的距离，可减小由导轨间的间 隙所引起的转角误差。当辅助导向面也为圆柱面时，即构成双圆 柱面导轨图2-30 (e)，它既能保证较高的导向精度，又能保证 较大的承载能力。 牛牛文库文档分享 （2）棱柱面导轨 特点：特点：两导轨磨损均匀，能自动补偿垂直和水平两导轨磨损均匀，能自动补偿垂直和水平 方向下磨损，接触刚度好，导向和精度保持性高，方向下磨损，接触刚度好，导向和精度保持性高

35、， 但工艺性差，热敏感性较大。主要用于高精机床。但工艺性差，热敏感性较大。主要用于高精机床。 1）双三角形导轨 牛牛文库文档分享 （2）棱柱面导轨 特点：特点：导向精度高、承载能力大的优点，避免了由于热变形所引起的配 合状况的变化，且工艺性比双三角形导轨大为改善，因而应用很广。缺点 是两条导轨磨损不均匀，磨损后不能自动调整间隙。 2）三角形-平面导轨 牛牛文库文档分享 （2）棱柱面导轨 特点：特点：承载能力和刚度较大。优点是结构简 单，制造、检验、修理较易。缺点是磨损后不 能自动补偿间隙，导向精度不如三角形导轨。 3）矩形导轨 牛牛文库文档分享 （2）棱柱面导轨 特点：特点：优点是结构紧凑、调

36、整间隙方便。缺点是 几何形状比较复杂，难以达到很高的配合精度，并 且导轨中的摩擦力较大，运动灵活性较差。 4）燕尾导轨 1、2-零件;3-垫片 牛牛文库文档分享 u导轨接合面之间都存在间隙。 间隙过小，增加运动阻力，加速导轨磨损 间隙过大，降低导向精度，容易产生振动 u调整方法：采用镶条和压板。 牛牛文库文档分享 牛牛文库文档分享 u镶条用来调整矩形导轨和燕尾形导轨的侧隙，以保证导轨面的正常接触。 u常用的有平镶条和斜镶条。 u放在导轨受力较小的一侧 。 （1）平镶条 牛牛文库文档分享 u斜镶条的两个面分别与动导轨和支承导轨均匀接触， 所以比平镶条刚度高。 u斜镶条的斜度为1100140，镶条

37、越长斜度 应越小，以免两端厚度相差太大。 牛牛文库文档分享 u (1)合理选择导轨的材料及热处理。 导轨的材料：铸铁、钢、有色金属、塑料 等。 对导轨材料的主要要求：耐磨性高、工艺 性好、成本低等。 牛牛文库文档分享 1、特点：成本低，有良好的减振性和耐磨性，易于铸造 和切削加工。 2、材料： u灰铸铁HT200。 u孕育铸铁HT300。 u耐磨铸铁 加入合金元素，如高磷铸铁、磷铜钛铸铁、钒 钛铸铁，耐磨性比孕育铸铁高一倍，力学性能好，成本 高，多用于精密机床 3、铸铁导轨的淬火：感应淬火和火焰淬火 。 目的：提高导轨表面的硬度，提高耐磨性。 牛牛文库文档分享 1、应用：镶钢支承导轨。 2、特

38、点：可大幅度地提高导轨的耐磨性。工艺复杂、加工较困 难、成本也较高。 3、常用材料： 45或40Cr，整体淬硬， HRC48。 20Cr，渗碳淬硬， HRC60。 牛牛文库文档分享 1、应用：用有色金属板材用有色金属板材镶装导轨在动导轨上镶装导轨在动导轨上，与铸铁的支承导轨，与铸铁的支承导轨 相搭配。相搭配。 2、特点：耐磨性较高，可以防止撕伤和保证运动的平稳性和提高移耐磨性较高，可以防止撕伤和保证运动的平稳性和提高移 动精度。动精度。 3、材料：锡青铜锡青铜ZQSn6ZQSn66 63 3、铝青铜、铝青铜ZQAl9-4ZQAl9-4、（黄铜、（黄铜H62H62、H68H68）。）。 牛牛文库

39、文档分享 1、应用：在动导轨上镶装塑料软带。与淬硬的铸铁支承导轨和镶钢支承导轨组成 导轨副。 2、特点：摩擦系数低、耐磨性高、抗撕伤能力强、低速时不易出现爬行、加工性 和化学稳定性好、工艺简单、成本低等优点。 3、材料： （1）塑料软带：氟塑料导轨软带 牛牛文库文档分享 u (2)减小导轨面压强。 静压卸载导轨 牛牛文库文档分享 u (2)减小导轨面压强。 水银卸载导轨 1-浮子;2-水银槽 牛牛文库文档分享 u (2)减小导轨面压强。 机械卸载导轨 牛牛文库文档分享 u (3)保证导轨良好的润滑。 u(4)提高导轨的精度。 牛牛文库文档分享 型式运动件和承导件之间放置滚动体（滚珠 、滚柱、滚

40、动轴承等） 特点 摩擦系数小、运动灵便，不易出现爬行现象； 定位精度高； 磨损较小，寿命长，润滑方便； 结构较为复杂，加工较困难，成本较高； 对脏物及导轨面的误差比较敏感。 牛牛文库文档分享 1.滚珠导轨 滚珠导轨有两种典型结构形式。 1-隔离架;2-限动销 牛牛文库文档分享 滚珠循环式滚动导轨的结构简图 1-运动件;2-滚珠;3-承泞件;4-返回器;5-工作滚道;6-返回滚道 牛牛文库文档分享 2.滚柱导轨和滚动轴承导轨 为了提高滚动导轨的承载能力和刚度，可采用滚柱导轨或滚动轴承 导轨。这类导轨的结构尺寸较大，常用在比较大型的精密机械上。 (1)交叉滚柱V一平导轨。 特点：不用保持架，可增加

41、滚动体数目，提高导轨刚度。 牛牛文库文档分享 2.滚柱导轨和滚动轴承导轨 为了提高滚动导轨的承载能力和刚度，可采用滚柱导轨或滚动轴承 导轨。这类导轨的结构尺寸较大，常用在比较大型的精密机械上。 (2)V一平滚柱导轨。 特点：加工比较容易 牛牛文库文档分享 103 2.4 机械的支承结构 床腿 床腿 床身 牛牛文库文档分享 4支承机械系统其它各部件，承受切削力、重力、惯 性力、摩擦力等静态力和动态力。 4保证各部件之间的相对位置精度和运动部件的相对 运动轨迹的准确关系。 4内部空间可存放冷却液、润滑液、液压油的油箱、 电动机。 一、支承系统的功用 支承件床身、立柱、横梁、摇臂、底座、刀架、 工作

42、台、箱体和升降台等尺寸及重量较大 的零件 大件 2.4 机械的支承结构 牛牛文库文档分享 二、支承件的类型 卧式机座 立式机座 门式机座 环式机座 牛牛文库文档分享 二、支承件的类型 箱体 盖及外罩 框架式机架 珩架式机架 台式机架 基座及基板 牛牛文库文档分享 v梁类一个方向的尺寸比另外两个方向的尺寸大得多的零 件。如机床的床身、立柱、横梁、摇臂、滑枕等。 v板类工作台、刀架等。一个方向的尺寸比另外两个方向 的尺寸小得多的零件。如机床的底座 v箱类三个方向的尺寸大致一样的零件。如机床的箱体、 升降台等。 v框架类如支架、桥架、桁架等。 二、支承件的类型 牛牛文库文档分享 铸造件： 吸振能力强

43、，刚度高， 价格低。 焊接件： 用钢板、槽钢、工字钢。 单件小批，生产周期短。 二、支承件的类型 牛牛文库文档分享 .足够的刚度 v支承件在静载荷作用下抵抗变形的能力称为支承件的 静刚度。 v要求支承件的额定载荷作用下，变形不超过允许值。 v支承件应具有较大的刚度质量比。 .足够的抗振性 v包括较大的动刚度和阻尼； v与其它部件相配合，使整机的各阶固有频率不致与 激振频率重合而产生共振； v不会发生薄壁振动而产生噪声等。 三、支承件的基本要求 牛牛文库文档分享 .较小的热变形 v由于动力系统发热、摩擦热、切削热、环境温度变化等使支 承件产生不均匀热变形和热应力。 v热变形和内应力都将破坏部件间

44、的相互位置关系，降低机械 系统的工作精度。 .小的内应力 v支承件在铸造、焊接和粗加工过程中，材料内部形成内应力； v使用中内应力会重新分布和逐渐消失，引起支承件变形； v结构上要保证内应力最小，时效处理。 .其他应考虑吊运安全，液压、电器布置合理、便于加工和装 配。机床支承件还要考虑便于冷却液、润滑液的回收、 排屑方便。 三、支承件的基本要求 牛牛文库文档分享 常用材料常用材料 u铸铁：材料价格便宜、阻尼大抗振性好、容易获 得复杂的结构。 但铸件需要木模，制造周期长，批量小时成本高， 易产生缩孔与砂眼（气泡）等缺陷。 适用场合：生产批量较大的支承件。 铸铁支承件，如果导轨与支承件铸为一体，则

45、铸铁的 牌号应根据导轨的要求选择；如果导轨是镶装上去的 ，或者支承件上没有导轨，则一般可采用HT150。 四、支承件的材料 牛牛文库文档分享 u钢材焊接：钢材弹性模量大，重量可以轻一点； 添加隔板、加强筋灵活，且容易改型，但钢材的阻 尼小；焊接时易产生变形。 适用场合：单件小批生产的支承件，结构简单，要 求不高的机械。 如果支承件由型钢和钢板焊接，则常用Q235AF或 Q275钢 四、支承件的材料 常用材料常用材料 牛牛文库文档分享 u其他材料：轻合金，钢板外壳的混凝土，包泥芯的铸件，花 岗岩。 预应力钢筋混凝土支承件(主要为床身、立柱、底座等） 近年来有较大的发展。混凝土的比重是钢的1/3，

46、弹性膜量是 钢的1/101/15，阻尼高于铸铁，适合于制造受载均匀，截 面积大、抗振性要求较高的支承件。 采用钢筋混凝土可节约大量钢材，降低成本。但钢筋混 凝土支承件的变形、侵蚀、导轨与支承件连接刚度不足等问 题，有待进一步研究解决。 四、支承件的材料 常用材料常用材料 牛牛文库文档分享 支承件的结构设计主要是解决刚度问题，包括静刚度和动刚度。因此，要正确选 择截面形状和截面尺寸，合理布置隔板和加强筋，并注意多支承件之间的连接刚 度。 1.提高支承件刚度的一般措施 支承件是一个复杂的受力体，受到拉、压、弯、扣的组合作用。从材料力学 的知识我们知道:物体在受简单的拉压时，其变形与截面积有关而与截

47、面形状无 关;在弯曲或扭转时，则不但与截面积有关而且与截面形状有关。 五、支承件的设计原则 牛牛文库文档分享 4支承件主要是承受力矩、扭矩以及弯扭复合载荷； 4自身刚度主要考虑弯曲刚度和扭转刚度； 4在弯、扭载荷作用下，支承件的变形与截面的抗弯 惯性矩和抗扭惯性矩有关； 4材料和截面积相同而形状不同时，截面惯性矩相差 很大。 （1）正确选择支承件的截面形状 牛牛文库文档分享 （1）正确选择支承件的截面形状 牛牛文库文档分享 （1）正确选择支承件的截面形状 牛牛文库文档分享 在截面积相同的条件下： 1. 空心截面惯性矩比实心的大； 2. 方形截面抗弯能力大，圆形截面抗扭能力强，矩形截面 抗弯能力

48、更好； 3. 封闭截面比非封闭截面的刚度大得多。 （1）正确选择支承件的截面形状 牛牛文库文档分享 隔板（肋板）隔板（肋板） 隔板（肋板）是指布置在支承件两外壁之间并将两外壁连接在一起的内板。 隔板功用把作用于支承件局部地区的载荷传递给其它壁板，从而使整 个支承件各壁板能比较均匀的承受载荷。 当支承件不能采用全封闭截面时，常常布置隔板来提高支承件的自身刚度 。 纵向隔板主要提高抗弯刚度 横向隔板主要提高抗扭刚度 斜向隔板兼有提高抗弯刚度和抗扭刚度的效果 (2)合理设置隔板和加强筋 牛牛文库文档分享 形隔板W形隔板 形隔板半封闭斜向隔板 床身隔板的几种形式床身隔板的几种形式 (2)合理设置隔板和

49、加强筋 牛牛文库文档分享 必须注意隔板的布置方向： 4纵向隔板应布置在弯曲平面内，此时隔板对X轴的惯 性矩为： Jb= ab3/12 4若将隔板布置在与弯曲平面相垂直的平面内时，则 惯性矩为Ja= ba3/12 4由于Ja Jb ，所以图a的 抗弯刚度比图b要大得多 (2)合理设置隔板和加强筋 牛牛文库文档分享 龙门铣床立柱和床身中的肋条 (2)合理设置隔板和加强筋 牛牛文库文档分享 (2)合理设置隔板和加强筋 加强筋加强筋 指配置在支承件内壁上的条状金属，它不连接支承件的 整个断面。 功用主要是为了减少支承件的局部变形和防止薄 壁振动。 牛牛文库文档分享 (3)提高接触刚度 两个平面相接触时

50、，由于平面的宏观不平度和微观不 平度，所以只是一些高点相接触； 支承件各接触面抵抗接触变形的能力接触刚度。 p接触刚度接触刚度 牛牛文库文档分享 (3)提高接触刚度 两个平面相接触时，由于平面的宏观不平度和微观不 平度，所以只是一些高点相接触； 支承件各接触面抵抗接触变形的能力接触刚度。 p接触刚度接触刚度 牛牛文库文档分享 (3)提高接触刚度 提高接触刚度可采用以下措施。 减小表面粗糙度的数值一般应选到Ra 1. 6 um 拧紧固定螺栓，使接触表面有200 N/mm的预压力， 以消除表面不平整的影响，提高接触刚度;预压力应用 测力扳手来控制。 合理选择连接部位的形状，提高局部刚度，以防 止产

51、生局部变形，造成接触不良，降低接触刚度。 牛牛文库文档分享 (3)提高接触刚度 图2-47 (a)为凸缘式，局部刚度较差:采用壁完式图2-47(b) 或局部加强 牛牛文库文档分享 （1）封砂、铸造，即保留铸造件中的砂芯。在支承件内腔充填 泥芯或混凝土等具有高内阻尼的材料。 2.提高阻尼的一般措施 五、支承件的设计原则 牛牛文库文档分享 （2）采用具有阻尼性能的焊接结构。如采用间断焊缝、焊减振接头等来 加大摩擦阻尼。 （）对于弯曲振动结构尤其是薄壁结构，在其表面喷涂一层具有高内阻尼的 粘滞性材料，如沥青基制成的胶泥减振剂、高分子聚合物和油漆腻子等， 或采用石墨纤维的约束带和内阻尼高、剪切膜量极低