机电一体化第二章

1、2022-4-211-1学习目标学习目标 1 1 了解机械系统部件的种类及其各自的类型了解机械系统部件的种类及其各自的类型2 2 掌握常用的机械传动部件的特点及选型设计掌握常用的机械传动部件的特点及选型设计3 3 掌握常用的导向支承部件的选择与设计掌握常用的导向支承部件的选择与设计第第2 2章章 机械系统设计机械系统设计2022-4-211-2 机电一体化系统的机械系统的主要功能是：机电一体化系统的机械系统的主要功能是： 完成一系列机械运动，每一个机械运动可单独由控制完成一系列机械运动，每一个机械运动可单独由控制电动机、传动机构和执行机构组成的子系统来完成，电动机、传动机构和执行机构组成的子系

2、统来完成，而这些子系统要由计算机协调和控制，以完成整个系而这些子系统要由计算机协调和控制，以完成整个系统的功能要求。统的功能要求。 其设计要从系统的角度进行合理化和最优化设计。除其设计要从系统的角度进行合理化和最优化设计。除了考虑一般机械设计要求外，还必须考虑机械结构因了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系统的性能参数及电气参数的匹配，以素与整个伺服系统的性能参数及电气参数的匹配，以获得良好的伺服性能。获得良好的伺服性能。 除除要求具有较高的定位精度之外，要求具有较高的定位精度之外，还应还应具有良好的动具有良好的动态响应特性，就是说响应要快、稳定性要好。态响应特性，就是说

3、响应要快、稳定性要好。2.1 概概 述述 2022-4-211-3第第2 2章章 机械系统设计机械系统设计 典型的机电一体化系统，通常由控制部件、接口典型的机电一体化系统，通常由控制部件、接口电路、功率放大电路、执行元件、机械传动部件、电路、功率放大电路、执行元件、机械传动部件、导向支承部件，以及检测传感部件等部分组成。导向支承部件，以及检测传感部件等部分组成。 机械系统一般由减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗机械系统一般由减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件及连杆机构、凸轮机构杆副等各种线性传动部件及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向支承部件、轴系及机架等非线性传动部件、导向支

4、承部件、轴系及机架或箱体等组成。或箱体等组成。2.1 机械系统部件的设计要求机械系统部件的设计要求2022-4-211-4 2.1.1 2.1.1 机械系统的组成机械系统的组成 概括地讲，机电一体化机械系统主要包括传动机构概括地讲，机电一体化机械系统主要包括传动机构, ,导向机构导向机构, ,执行机构这三大机构。执行机构这三大机构。1.1.传动机构传动机构不仅是转速和转矩的变换器，而且已成为伺服系统不仅是转速和转矩的变换器，而且已成为伺服系统的一部分，它要根据伺服控制的要求进行选择设计，的一部分，它要根据伺服控制的要求进行选择设计，以满足整个机械系统良好的伺服性能。以满足整个机械系统良好的伺服

5、性能。 因此传动机构除了要满足传动精度的要求外，还因此传动机构除了要满足传动精度的要求外，还要满足要满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性的要求。的要求。2022-4-211-52. 2. 导向机构导向机构 其作用是支承和导向，为机械系统中各运动装置能安全、其作用是支承和导向，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，一般指导轨、轴承等。准确地完成其特定方向的运动提供保障，一般指导轨、轴承等。3. 3. 执行机构执行机构 用来完成操作任务的直接装置。其根据操作指令的要求用来完成操作任务的直接装置。其根据操作指令的要求在动力源的带动下完成

6、预定的操作。一般要求它具有在动力源的带动下完成预定的操作。一般要求它具有较高的较高的灵敏度、精确度以及良好的重复性和可靠性灵敏度、精确度以及良好的重复性和可靠性。 由于计算机由于计算机的强大功能，使传统的作为动力源的电动机发展为具有动力、的强大功能，使传统的作为动力源的电动机发展为具有动力、变速与执行等多重功能的伺服电动机，从而大大简化了传动变速与执行等多重功能的伺服电动机，从而大大简化了传动和执行机构。和执行机构。除以上三部分外，机电一体化系统的机械部分通常还包括机除以上三部分外，机电一体化系统的机械部分通常还包括机座、支架、壳体等。座、支架、壳体等。2022-4-211-6为确保机械系统的

7、传动精度和工作稳定性，提出为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，提出无间隙、低摩无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。等要求。采取措施：采取措施：1)1)低摩擦低摩擦 采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件；采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件；2)2)短传动链短传动链 缩短传动链，提高传动与支承刚度；缩短传动链，提高传动与支承刚度；3)3)最佳传动比最佳传动比 选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少等效到执行选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力；元件输出轴

8、上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力；4)4)反向死区误差小反向死区误差小 缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支承缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支承变形的措施；变形的措施； 5)5)高刚性高刚性 改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声。改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声。 2.1.2 对机械系统的要求对机械系统的要求除要求具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应除要求具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，就是说响应要快、稳定性要好。特性，就是说响应要快、稳定性要好。2022-4-211-7 常用的机械传动部件有螺旋传动

9、、齿轮传动、同步带传动、高速常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动、各种非线性传动部件等。带传动、各种非线性传动部件等。 主要功能是传递转矩和转速；实质上是一种转矩、转速变换器。主要功能是传递转矩和转速；实质上是一种转矩、转速变换器。 目的是使执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。目的是使执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。 其传动类型、传动方式、传动刚性以及传动的可靠性对机电一体其传动类型、传动方式、传动刚性以及传动的可靠性对机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性有重大影响。化系统的精度、稳定性和快速响应性有重大影响。 应设计和选择应设计和选择

10、传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大传递转矩大的传动部件。的传动部件。2.1.2 机械系统设计的任务机械系统设计的任务2022-4-211-8 随着机电一体化技术的发展，要求传动机构不断适应新的随着机电一体化技术的发展，要求传动机构不断适应新的技术要求。技术要求。 1) 1) 精密化精密化根据其性能的需要提出适当的精密度要求。根据其性能的需要提出适当的精密度要求。 2) 2) 高速化高速化机械传动机构应能适应高速运动的要求。机械传动机构应能适应高速运动的要求。 3) 3) 小型化、轻量化小型化、轻量化提高运动灵敏度提高运动灵敏度

11、( (快速响应性快速响应性) )、 减小冲击、降低能耗。减小冲击、降低能耗。 第第2 2章章 机械系统设计机械系统设计 2.1.2 对机械系统的要求对机械系统的要求2022-4-211-9 高精度，高响应速度，稳定性好及足够的功率。高精度，高响应速度，稳定性好及足够的功率。 1)1)传动精度传动精度由传动部件的由传动部件的制造误差，装配误差，传动间制造误差，装配误差，传动间隙和弹性变形隙和弹性变形引起。引起。 2)2)响应速度响应速度对于伺服系统来说，数据的运算和处理速度对于伺服系统来说，数据的运算和处理速度远比机械装置的运动速度快，机械系统的响应主要取决于远比机械装置的运动速度快，机械系统的

12、响应主要取决于加速度，从传动机构角度看，主要加速度，从传动机构角度看，主要减小摩擦力矩，减小电减小摩擦力矩，减小电动机的负载和转动惯量，提高传动效率动机的负载和转动惯量，提高传动效率。 3)3)稳定性稳定性稳态误差小，动态特性好，稳态误差小，动态特性好，提高传动系统的提高传动系统的的固有频率同时提高系统的阻尼的固有频率同时提高系统的阻尼。 第第2 2章章 机械系统设计机械系统设计 2.1.2 伺服系统的设计要求伺服系统的设计要求2022-4-211-10表表2-1 2-1 传动机构及其功能传动机构及其功能基本功能基本功能 运动的变换运动的变换 动力的变换动力的变换传动机构传动机构形式形式行程行

13、程方向方向速度速度大小大小形式形式丝杠螺母丝杠螺母齿轮齿轮齿轮齿条齿轮齿条链轮链条链轮链条带、带轮带、带轮缆绳、绳轮缆绳、绳轮杠杆机构杠杆机构连杆机构连杆机构凸轮机构凸轮机构摩擦轮摩擦轮万向节万向节软轴软轴蜗轮蜗杆蜗轮蜗杆间歇机构间歇机构2022-4-211-11 在机械传动中，从驱动元件，传动部件到执行机构，系在机械传动中，从驱动元件，传动部件到执行机构，系统各部分的惯性都是考虑的。惯性不但影响传动系统的启停统各部分的惯性都是考虑的。惯性不但影响传动系统的启停特性，也影响控制的快速性，位置偏差和速度偏差。特性，也影响控制的快速性，位置偏差和速度偏差。第第2 2章章 机械系统设计机械系统设计

14、2.1.3 机械参数对系统性能的影响机械参数对系统性能的影响 在不影响刚度的条件下，机械部件的惯性要小，就要减在不影响刚度的条件下，机械部件的惯性要小，就要减小和合理分配机械的质量，以减小机械部件的惯量和转动惯小和合理分配机械的质量，以减小机械部件的惯量和转动惯量。量。 惯量和转动惯量增大，使系统的机械常数增大，固有频惯量和转动惯量增大，使系统的机械常数增大，固有频率降低，使机械负载增大；使系统响应速度变慢，降低灵敏率降低，使机械负载增大；使系统响应速度变慢，降低灵敏度，伺服特性变差使系统的固有频率下降，容易产生谐振度，伺服特性变差使系统的固有频率下降，容易产生谐振, ,使电气驱动部件的谢振频

15、率减低，而阻尼增加。使电气驱动部件的谢振频率减低，而阻尼增加。一一 惯量对系统性能的影响惯量对系统性能的影响2022-4-211-12 （二）刚度（二）刚度( (指抵抗变形的能力指抵抗变形的能力) )采用弹性模量高的材料，合理选择零件的截面形状和尺采用弹性模量高的材料，合理选择零件的截面形状和尺寸，对齿轮、丝杠、轴承施加预紧力等方法提高系统的寸，对齿轮、丝杠、轴承施加预紧力等方法提高系统的刚度。刚度。 对于伺服机械传动系统，对于伺服机械传动系统，增大系统的传动刚度有以增大系统的传动刚度有以下好处下好处： （1 1）减少机构弹性变形，从而减少伺服系统的动）减少机构弹性变形，从而减少伺服系统的动力

16、损失即可以减少系统的死区误差（失动量），有利于力损失即可以减少系统的死区误差（失动量），有利于提高传动精度提高传动精度, ,可达到明显的节能效果；可达到明显的节能效果； （2 2）可以提高系统的固有频率，不易产生共振）可以提高系统的固有频率，不易产生共振, ,有有利于系统的抗振性；利于系统的抗振性； （3 3）可以增加闭环控制系统的稳定性。）可以增加闭环控制系统的稳定性。 第第2 2章章 机械系统设计机械系统设计 2.1.3 机械参数对系统性能的影响机械参数对系统性能的影响2022-4-211-13 ( (三三) )、摩擦、摩擦: :静摩擦力、库仑摩擦力和粘性摩擦力（动摩擦力静摩擦力、库仑摩擦

17、力和粘性摩擦力（动摩擦力= =库库仑摩擦力仑摩擦力+ +粘性摩擦力）。粘性摩擦力）。 负载处于静止状态时，摩擦力为静摩擦力，随着负载处于静止状态时，摩擦力为静摩擦力，随着外力的增加而增加，最大值发生在运动前的瞬间。运动外力的增加而增加，最大值发生在运动前的瞬间。运动一开始，静摩擦力消失，静摩擦力立即下降为库仑摩擦一开始，静摩擦力消失，静摩擦力立即下降为库仑摩擦力，大小为一常数力，大小为一常数F=mgF=mg，随着运动速度的增加，摩擦，随着运动速度的增加，摩擦力成线性的增加，此时的摩擦力为粘性摩擦力（与速度力成线性的增加，此时的摩擦力为粘性摩擦力（与速度成正比的阻尼称为粘性阻尼）。成正比的阻尼称

18、为粘性阻尼）。 摩擦对机电一体化伺服系统的主要影响是：降低摩擦对机电一体化伺服系统的主要影响是：降低系统的响应速度；引起系统的动态滞后和产生系统误差；系统的响应速度；引起系统的动态滞后和产生系统误差；在接近非线性区，即低速时产生爬行。在接近非线性区，即低速时产生爬行。 根据经验，克服摩擦力所需的电机转矩根据经验，克服摩擦力所需的电机转矩TfTf与电动与电动机额定转矩机额定转矩TKTK的关系为的关系为0.2TK0.2TKTfTf0.3 TK0.3 TK2022-4-211-14 爬行就产生在这非线形区。 在使用中应尽可能减小静摩擦力与动摩擦力的差值；在使用中应尽可能减小静摩擦力与动摩擦力的差值；

19、并使动摩擦力尽可能小且为正斜率较小的变化并使动摩擦力尽可能小且为正斜率较小的变化 。2022-4-211-15 爬行当丝杠当丝杠1作极低的匀速运动时，工作台作极低的匀速运动时，工作台2可能会出可能会出现现快一慢或跳跃式的运动，这种现象称为快一慢或跳跃式的运动，这种现象称为爬行爬行。2022-4-211-16 由上述分析可知，由上述分析可知，低速进给爬行现象的产生主低速进给爬行现象的产生主要取决于下列因素：要取决于下列因素： 静摩擦力与动摩擦力之差，这个差值越大，越容静摩擦力与动摩擦力之差，这个差值越大，越容易产生爬行。易产生爬行。 进给传动系统的刚度进给传动系统的刚度K越小、越容易产生爬行。越

20、小、越容易产生爬行。 运动速度太低。运动速度太低。 2022-4-211-17 消除爬行现象的途径（实际做法） 提高传动系统的刚度提高传动系统的刚度a a在条件允许的情况下，适当提高各传动件或组件的刚度，减小各在条件允许的情况下，适当提高各传动件或组件的刚度，减小各传动轴的跨度，合理布置轴上零件的位置。如适当的加粗传动丝杠的传动轴的跨度，合理布置轴上零件的位置。如适当的加粗传动丝杠的直径，缩短传动丝杠的长度，减少和消除各传动副之间的间隙。直径，缩短传动丝杠的长度，减少和消除各传动副之间的间隙。b b尽量缩短传动链，减小传动件数和弹性变形量。尽量缩短传动链，减小传动件数和弹性变形量。c c合理分

21、配传动比，使多数传动件受力较小，变形也小。合理分配传动比，使多数传动件受力较小，变形也小。d d对于丝杠螺母机构，应采用整体螺母结构，以提高丝杠螺母的接对于丝杠螺母机构，应采用整体螺母结构，以提高丝杠螺母的接触刚度和传动刚度。触刚度和传动刚度。 减少摩擦力的变化减少摩擦力的变化a a用滚动摩擦、流体摩擦代替滑动摩擦，如采用滚珠丝杠、静压螺用滚动摩擦、流体摩擦代替滑动摩擦，如采用滚珠丝杠、静压螺母、滚动导轨和静压导轨等。从根本上改变摩擦面间的摩擦性质，基母、滚动导轨和静压导轨等。从根本上改变摩擦面间的摩擦性质，基本上可以消除爬行。本上可以消除爬行。b b选择适当的摩擦副材料，降低摩擦系数。选择适

22、当的摩擦副材料，降低摩擦系数。c c降低作用在导轨面的正压力，如减轻运动部件的重量，采用各种降低作用在导轨面的正压力，如减轻运动部件的重量，采用各种卸荷装置，以减少摩擦阻力。卸荷装置，以减少摩擦阻力。d d提高导轨的制造与装配质量，采用导轨油等都可以减少摩擦力的提高导轨的制造与装配质量，采用导轨油等都可以减少摩擦力的变化。变化。2022-4-211-18 （五）谐振频率 对于闭环系统，要求机械传动系统中的最低固有频率（最对于闭环系统，要求机械传动系统中的最低固有频率（最低共振频率）必须大于电气驱动部件的固有频率。低共振频率）必须大于电气驱动部件的固有频率。 对于机械传动系统，它的固有频率取决于

23、系统各环节的刚对于机械传动系统，它的固有频率取决于系统各环节的刚度及惯量，因此在机械传动系统的结构设计中，应尽量降低惯度及惯量，因此在机械传动系统的结构设计中，应尽量降低惯量，提高刚度，达到提高传动系统固有频率的目的。量，提高刚度，达到提高传动系统固有频率的目的。 一般要求机械传动系统最低固有频率一般要求机械传动系统最低固有频率WOI300radWOI300rads s，其，其他机械系统他机械系统WOI600radWOI600rads s。（四）阻尼 大阻尼能抑制振动的最大振幅，且使振动快速衰减，但同时大阻尼能抑制振动的最大振幅，且使振动快速衰减，但同时也使系统的稳态误差增大，精度降低，因此阻

24、尼应适中。在系统也使系统的稳态误差增大，精度降低，因此阻尼应适中。在系统设计时，考虑综合性能指标，一般取设计时，考虑综合性能指标，一般取 0.5 0.80.5 0.8之间。之间。2022-4-211-19 （六）间隙 对于系统闭环以外的间隙，对系统稳定性无影响，但影响到伺服精度。 对于系统闭环内的间隙，在控制系统有效控制范围内对系统精度、稳定性影响较小，但反馈通道上的间隙要比前向通道上的间隙对系统影响较大。2022-4-211-20 螺旋传动是机电一体化系统中常用的一种传动螺旋传动是机电一体化系统中常用的一种传动形式。它利用螺杆与螺母的相对运动，形式。它利用螺杆与螺母的相对运动， 将旋转运动将

25、旋转运动变为直线运动，其运动关系为变为直线运动，其运动关系为 L L = = 式中式中: : L L螺杆螺杆( (或螺母或螺母) )的位移；的位移； P Ph h导程；导程； 螺杆和螺母间的相对转角。螺杆和螺母间的相对转角。2hP2.2 2.2 传动机构设计传动机构设计2.2.1 丝杠螺母机构基本传动形式丝杠螺母机构基本传动形式2022-4-211-212.2 2.2 传动机构设计传动机构设计2.2.1 丝杠螺母机构基本传动形式丝杠螺母机构基本传动形式实现将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动实现将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动用于机构之间能量的传递和运动形式的传

26、递用于机构之间能量的传递和运动形式的传递2022-4-211-22丝杠螺母的分类特点：特点：低速，间歇工作，传递轴向力大，能自锁低速，间歇工作，传递轴向力大，能自锁2022-4-211-23丝杠螺母的分类2022-4-211-24丝杠螺母的分类2022-4-211-25丝杠螺母的分类2022-4-211-26丝杠螺母的分类2022-4-211-272.2 2.2 传动机构设计传动机构设计2.2.1 丝杠螺母机构基本传动形式丝杠螺母机构基本传动形式实现将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动实现将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动用于机构之间能量的传递和运动形式的传递用于

27、机构之间能量的传递和运动形式的传递2022-4-211-28螺母本身就起着支承作用，从而简化了结构，消除了螺杆与轴承之螺母本身就起着支承作用，从而简化了结构，消除了螺杆与轴承之间可能产生的轴向窜动，容易获得较高的传动精度。缺点是所占轴间可能产生的轴向窜动，容易获得较高的传动精度。缺点是所占轴向尺寸较大向尺寸较大( (螺杆行程的两倍加上螺母高度螺杆行程的两倍加上螺母高度) )，刚性较差。因此该形，刚性较差。因此该形式仅适用于行程短的情况。式仅适用于行程短的情况。 2022-4-211-29适用于工作行程较长的情况。适用于工作行程较长的情况。2022-4-211-302022-4-211-3120

28、22-4-211-322022-4-211-33设丝杆设丝杆2 2左、右两段螺纹的旋向相同，且导程分别为左、右两段螺纹的旋向相同，且导程分别为Ph1Ph1和和Ph2Ph2。当螺杆转动。当螺杆转动 角时，可动螺母角时，可动螺母1 1的移动距离为的移动距离为L= L= (Ph1-Ph2) (Ph1-Ph2) 如果如果Ph1Ph1与与Ph2Ph2相差很小，则相差很小，则 L L很小。因此差动螺旋常用于很小。因此差动螺旋常用于各种微动装置中。各种微动装置中。 22022-4-211-34若丝杆若丝杆2 2左、右两段螺纹的旋向相反，则当丝杆转左、右两段螺纹的旋向相反，则当丝杆转动动 角时，可动螺母角时，

29、可动螺母2 2的移动距离为的移动距离为L= L= (Ph1+Ph2)(Ph1+Ph2) 可见，此时差动螺旋变成快速移动螺旋，即螺母可见，此时差动螺旋变成快速移动螺旋，即螺母1 1相对相对固定螺母快速趋近或离开。这种螺旋装置用于要求快速固定螺母快速趋近或离开。这种螺旋装置用于要求快速夹紧的夹具或锁紧装置中。夹紧的夹具或锁紧装置中。 22022-4-211-352022-4-211-362022-4-211-372022-4-211-382022-4-211-392022-4-211-402022-4-211-412022-4-211-422022-4-211-432022-4-211-44 滑动

30、螺旋传动的特点滑动螺旋传动的特点滑动螺旋传动具有传动比大、驱动负载能力强滑动螺旋传动具有传动比大、驱动负载能力强和自锁等特点。和自锁等特点。1. 1. 降速传动比大降速传动比大 螺杆螺杆( (或螺母或螺母) )转动一转，螺母转动一转，螺母( (或螺杆或螺杆) )移动一个移动一个螺距螺距( (单头螺纹单头螺纹) )。因为螺距一般很小，所以在转角很。因为螺距一般很小，所以在转角很大的情况下，能获得很小的直线位移量，可以大大大的情况下，能获得很小的直线位移量，可以大大缩短机构的传动链，因而螺旋传动结构简单、紧凑，缩短机构的传动链，因而螺旋传动结构简单、紧凑，传动精度高，工作平稳。传动精度高，工作平稳

31、。 2022-4-211-452. 2. 具有增力作用具有增力作用 只要给主动件只要给主动件( (螺杆螺杆) )一个较小的输入转矩，从一个较小的输入转矩，从动件即能得到较大的轴向力输出，因此螺旋传动带动件即能得到较大的轴向力输出，因此螺旋传动带负载能力较强。负载能力较强。3. 3. 能自锁能自锁 当螺旋线升角小于摩擦角时，螺旋传动具有自当螺旋线升角小于摩擦角时，螺旋传动具有自锁作用。锁作用。4. 4. 效率低、磨损快效率低、磨损快 由于螺旋工作面为滑动摩擦，致使其传动效率由于螺旋工作面为滑动摩擦，致使其传动效率低低( (约约30304040) )，磨损快，因此不适于高速和大功，磨损快，因此不适

32、于高速和大功率传动。率传动。 2022-4-211-46第第2 2章章 机械系统设计机械系统设计2.2.2 滚珠丝杠传动部件滚珠丝杠传动部件 滑动螺旋传动的接触面滑动螺旋传动的接触面间存在着较大的滑动摩擦阻间存在着较大的滑动摩擦阻力，传动效率低，磨损快、力，传动效率低，磨损快、精度不高，使用寿命短，已精度不高，使用寿命短，已不能适应机电一体化设备在不能适应机电一体化设备在高速度、高效率、高精度等高速度、高效率、高精度等方面的要求。滚珠螺旋传动方面的要求。滚珠螺旋传动则是为了适应机电一体化机则是为了适应机电一体化机械系统的要求而发展起来的械系统的要求而发展起来的一种一种新型传动机构。新型传动机构

33、。2022-4-211-47第第2 2章章 机电一体化系统的机械系统部件选择与设计机电一体化系统的机械系统部件选择与设计2.2.2 滚珠丝杠传动部件滚珠丝杠传动部件2022-4-211-482.滚珠丝杠副的特点滚珠丝杠副的特点滚珠丝杠副是滑动丝杠副的发展与延伸，属于滚珠丝杠副是滑动丝杠副的发展与延伸，属于螺旋机构。与滑动丝杠相比，滚珠丝杠具有以下特螺旋机构。与滑动丝杠相比，滚珠丝杠具有以下特点：点：（1）传动效率高：以滚动摩擦代替了滑动摩）传动效率高：以滚动摩擦代替了滑动摩擦，整个传动副的驱动力矩减少至滑动丝杠的擦，整个传动副的驱动力矩减少至滑动丝杠的1/3左左右，传动效率达到右，传动效率达到

34、90%以上，发热率大幅降低。以上，发热率大幅降低。（2）定位精度高：由于发热率低，温升小，）定位精度高：由于发热率低，温升小，可以采取预拉伸（预紧）消除轴向间隙等措施，因可以采取预拉伸（预紧）消除轴向间隙等措施，因此滚珠丝杠副具有高的定位精度和重复定位精度。此滚珠丝杠副具有高的定位精度和重复定位精度。（3）传动可逆性：能够实现两种传动方式，）传动可逆性：能够实现两种传动方式，将旋转运动转化为直线运动或将直线运动转化为旋将旋转运动转化为直线运动或将直线运动转化为旋转运动并传递动力。转运动并传递动力。 2022-4-211-49（4）使用寿命长：由于对丝杠滚道形状的准）使用寿命长：由于对丝杠滚道形

35、状的准确性、表面硬度、材料的选择等方面加以严格控确性、表面硬度、材料的选择等方面加以严格控制，因而滚珠丝杠副的实际寿命远高于滑动丝杠制，因而滚珠丝杠副的实际寿命远高于滑动丝杠副。副。（5）同步性能好：由于滚珠丝杠副具有运）同步性能好：由于滚珠丝杠副具有运转顺滑、消除了轴向间隙以及制造的一致性等特转顺滑、消除了轴向间隙以及制造的一致性等特点，因此，当采用多套滚珠丝杠副驱动同一装置点，因此，当采用多套滚珠丝杠副驱动同一装置或多个相同部件时，可获得很好的同步性能。或多个相同部件时，可获得很好的同步性能。但是，与滑动丝杠副相比较，滚珠丝杠副的但是，与滑动丝杠副相比较，滚珠丝杠副的缺点是结构和制造工艺比

36、较复杂、成本较高；另缺点是结构和制造工艺比较复杂、成本较高；另外，滚珠丝杠副不具有自锁性，尤其是垂直安装外，滚珠丝杠副不具有自锁性，尤其是垂直安装时需增加制动装置。时需增加制动装置。 2022-4-211-501.滚珠丝杠副的工作原理滚珠丝杠副的工作原理 滚珠丝杠副是指在丝杠（具滚珠丝杠副是指在丝杠（具有螺旋槽的螺杆）与螺母之间，有螺旋槽的螺杆）与螺母之间，连续填满滚珠等作为中间体的丝连续填满滚珠等作为中间体的丝杠副。滚珠丝杠副由丝杠、螺母、杠副。滚珠丝杠副由丝杠、螺母、滚动体和滚动体循环装置组成。滚动体和滚动体循环装置组成。右图为滚珠丝杠副的结构原理图。右图为滚珠丝杠副的结构原理图。 工作时

37、，螺母工作时，螺母4 4与需作直线往复运动的零部件相连，丝杠与需作直线往复运动的零部件相连，丝杠1 1旋转带动旋转带动螺母螺母4 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 1、螺母螺母4 4和端盖和端盖2 2（滚珠循环装置）上都制有螺旋槽，由这些槽对合起（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，滚珠来形成滚珠循环通道，滚珠3 3在此通道内循环滚动。为了防止滚珠在此通道内循环滚动。为了防止滚珠3 3从螺母中掉出，螺母螺旋槽的两端应封住。从螺母中掉出，螺母螺旋槽的两端应封住。2022-4-211-51202

38、2-4-211-52第第2 2章章 机电一体化系统的机械系统部件选择与设计机电一体化系统的机械系统部件选择与设计2.2.2 滚珠丝杠传动部件滚珠丝杠传动部件2022-4-211-53 2.2.滚珠丝杠副的典型结构类型滚珠丝杠副的典型结构类型 从从螺纹滚道的截面形状螺纹滚道的截面形状、滚珠的循环方式滚珠的循环方式和和消除轴向间消除轴向间隙的调整方法隙的调整方法进行区别。进行区别。 螺纹滚道型面螺纹滚道型面( (法向法向) )的形状及主要尺寸的形状及主要尺寸 a) a)单圆弧形单圆弧形 滚道形面与滚珠滚道形面与滚珠接触点之法线与丝接触点之法线与丝杠轴向之垂线间的杠轴向之垂线间的夹角夹角 被称为接触

39、被称为接触角，一般为角，一般为4545 。 增大时，传动效率增大时，传动效率、周向刚度及承载能力也随之增大。易得到较高加工精度。、周向刚度及承载能力也随之增大。易得到较高加工精度。但其接触角但其接触角随着初始间隙和轴向力的变化而变化，因此，其效率、承载能力和轴向随着初始间隙和轴向力的变化而变化，因此，其效率、承载能力和轴向刚度均不够稳定。刚度均不够稳定。b b) )双圆弧形：双圆弧形： 在工作过程中基本不变。两弧相交之处有一小空隙，可使在工作过程中基本不变。两弧相交之处有一小空隙，可使滚道底部与滚珠不接触，并能存储一定的润滑油以减少磨擦摩损。加工滚道底部与滚珠不接触，并能存储一定的润滑油以减少

40、磨擦摩损。加工成本较高。成本较高。2022-4-211-54滚珠的循环方式有内循环和外循环二种滚珠的循环方式有内循环和外循环二种。第第2 2章章 机电一体化系统的机械系统部件选择与设计机电一体化系统的机械系统部件选择与设计2.2.2 滚珠丝杠传动部件滚珠丝杠传动部件 内循环内循环-滚珠在循环过程中始终与丝杆表滚珠在循环过程中始终与丝杆表面保持接触。面保持接触。 在螺母在螺母2 2的侧面孔内装有接通相邻滚道的反的侧面孔内装有接通相邻滚道的反向器向器4 4，利用反向器引导滚珠，利用反向器引导滚珠3 3越过丝杆越过丝杆1 1的的螺纹顶部进入相邻滚道，形成一个循环回路。螺纹顶部进入相邻滚道，形成一个循

41、环回路。一般在同一螺母上装有一般在同一螺母上装有2-42-4个滚珠用反向器，个滚珠用反向器，并沿螺母圆周均匀分布。并沿螺母圆周均匀分布。 优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。其不足是反向高、螺母的径向尺寸也较小。其不足是反向器加工困难、装配调整也不器加工困难、装配调整也不方便。方便。2022-4-211-55 浮动式反向器的内循环滚珠丝杠副浮动式反向器的内循环滚珠丝杠副结构特点是反向器结构特点是反向器l l 上的安 装 孔 有上的安 装 孔 有0.010.015mm0.010.015mm的配合间隙，反向器弧面的配合间隙，反向器弧

42、面上加工有圆弧槽，槽内安装拱形片簧上加工有圆弧槽，槽内安装拱形片簧4 4，外有弹簧套外有弹簧套2 2，藉助拱形片簧的弹力，藉助拱形片簧的弹力，始终给反向器一个径向推力，使位于回始终给反向器一个径向推力，使位于回珠圆弧槽内的滚珠与丝杆珠圆弧槽内的滚珠与丝杆3 3表面保持一表面保持一定的压力，从而使槽内滚珠代替了定位定的压力，从而使槽内滚珠代替了定位键而对反向器起到自定位作用。键而对反向器起到自定位作用。第第2 2章章 机电一体化系统的机械系统部件选择与设计机电一体化系统的机械系统部件选择与设计2.2.2 滚珠丝杠传动部件滚珠丝杠传动部件优点：在高频浮动中达到回珠圆弧槽进出口的自动对接，优点：在高

43、频浮动中达到回珠圆弧槽进出口的自动对接，通道流畅、摩擦特性较好，更适用于高速、高灵敏度、高通道流畅、摩擦特性较好，更适用于高速、高灵敏度、高刚性的精密进给系统。刚性的精密进给系统。2022-4-211-56外循环外循环-外循环方式中的滚珠在循环返向时，离开丝杆螺纹滚外循环方式中的滚珠在循环返向时，离开丝杆螺纹滚道，在螺母体内或体外作循环运动。道，在螺母体内或体外作循环运动。第第2 2章章 机电一体化系统的机械系统部件选择与设计机电一体化系统的机械系统部件选择与设计2.2.2 滚珠丝杠传动部件滚珠丝杠传动部件滚珠在每一循环中绕经螺纹滚道的圈数称为工作圈数。内循环的工滚珠在每一循环中绕经螺纹滚道的

44、圈数称为工作圈数。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，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具有空间曲面，加工较复杂。点是反向器的回珠槽具有空间曲面，加工较复杂。2022-4-211-57 螺旋槽式螺旋槽式 是指直接在螺母是指直接在螺母1外圆柱面外圆柱面上铣出螺旋线形的凹槽作为上铣出螺旋线形的凹槽作为滚珠循环通道，凹槽的两端滚珠循环通道，凹槽的两端钻出两个通孔分别与螺纹滚钻出两个通孔分别与螺纹滚道相切，同时用两

45、个挡珠器道相切，同时用两个挡珠器4引导滚珠引导滚珠3通过这两通孔，通过这两通孔，用套筒用套筒2或螺母座内表面盖或螺母座内表面盖住凹槽，从而构成滚珠循环住凹槽，从而构成滚珠循环通道。通道。 特点特点; ; 工艺简单、工艺简单、 易于制造、易于制造、 螺母径向尺寸小、螺母径向尺寸小、 档珠器刚性差，易磨损。档珠器刚性差，易磨损。2022-4-211-58 插管式插管式 是指用管是指用管2 2代替螺旋槽代替螺旋槽式中的凹槽，把弯管式中的凹槽，把弯管的两端插入螺母的两端插入螺母3 3上与上与螺纹滚道相切的两个螺纹滚道相切的两个通孔内，外加压板通孔内，外加压板1 1用用螺钉固定，用弯管的螺钉固定，用弯管

46、的端部或其他形式的挡端部或其他形式的挡珠器引导滚珠珠器引导滚珠4 4进出弯进出弯管，以构成循环通道。管，以构成循环通道。特点：特点：结构简单，容易制造。结构简单，容易制造。工艺性好，适于批量生产。工艺性好，适于批量生产。弯管突出在螺母的外部，径向尺寸较大。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。若用弯管端部作挡珠器，则耐磨性较差。2022-4-211-59 插管式插管式插管式2022-4-211-60端盖式端盖式在螺母在螺母1 1上钻有一个纵上钻有一个纵向通孔作为滚珠返回向通孔作为滚珠返回通道，螺母两端装有通道，螺母两端装有铣出短槽的端盖铣出短槽的端盖2 2，短

47、，短槽端部与螺纹滚道相槽端部与螺纹滚道相切，并引导滚珠返回切，并引导滚珠返回通道，构成滚珠循环通道，构成滚珠循环回路。回路。端盖式的优点是结构端盖式的优点是结构紧凑，工艺性好。缺紧凑，工艺性好。缺点是滚珠通过短槽时点是滚珠通过短槽时容易卡住。容易卡住。2022-4-211-61 3、结构中的几个名词： 列数：钢珠每一个循环为一列。 圈数;每一列内每个导程为一圈。 增加圈数和列数，可以提高承载能力和刚度。 外循环圈数：1.5；2.5；3.5等2022-4-211-62滚珠丝杠副的滚珠丝杠副的主要尺寸参数主要尺寸参数公称直径公称直径d d0 0:指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱

48、直径,是滚珠丝杠副的特征（或名义）尺寸。基本导程基本导程l0(或螺距t )：它指滚珠螺母相对于滚珠丝杆旋转2弧度时的行程（螺母上基准点的轴向位移）。行程行程l：转动滚珠丝杆或螺母时，滚珠丝杆或滚珠螺母的轴向位移量。还有滚珠丝杆螺纹外（大）径d、滚珠丝杆螺纹底径d1、滚珠直径db、滚珠螺母体螺纹底径D1、螺母螺纹大径D、滚珠丝杆螺纹全长11等。2022-4-211-63 滚珠丝杠副的精度等级滚珠丝杠副的精度等级 根据根据JB3162.2-1982JB3162.2-1982标准，对滚珠丝杠副的精度分成标准，对滚珠丝杠副的精度分成C C、D D、E E、F F、G G、H H六个等级，最高精度为六个

49、等级，最高精度为C C级，最低精度为级，最低精度为H H级；而级；而JB316-2.2-1991JB316-2.2-1991为为1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、7 7、1010共七个等级，共七个等级，最高级最高级为为1 1级，最低级为级，最低级为1010级级。 数控机床、精密仪器等用于开环和半闭环进给系统，根据定数控机床、精密仪器等用于开环和半闭环进给系统，根据定位精度和重复定位精度的要求位精度和重复定位精度的要求, ,精度等级可选用精度等级可选用1 1、2 2、3 3级，级，一般动力传动可选一般动力传动可选4 4、5 5级，全闭环系统可选级，全闭环系统可选2 2、3 3、4 4级。级

50、。 基本导程的大小应根据精度要求确定。精度要求高时应选取基本导程的大小应根据精度要求确定。精度要求高时应选取较小的基本导程。有试验可知，第一、第二和第三圈（或列）较小的基本导程。有试验可知，第一、第二和第三圈（或列）分别承受轴向载荷的分别承受轴向载荷的50%50%、30%30%和和20%20%左右。因此，工作圈左右。因此，工作圈（或列）数一般取（或列）数一般取2.52.5（或（或2 2）-3.5-3.5（或（或3 3）。滚珠总数）。滚珠总数N N一般一般不超过不超过150150个个. .2022-4-211-64 消除轴向间隙的调整预紧方法消除轴向间隙的调整预紧方法如果滚珠螺旋副中有轴向间隙或

51、在载荷作用下滚珠与滚道接触处有弹性如果滚珠螺旋副中有轴向间隙或在载荷作用下滚珠与滚道接触处有弹性变形，则当螺杆反向转动时，将产生空回误差。为了消除空回误差，在螺杆变形，则当螺杆反向转动时，将产生空回误差。为了消除空回误差，在螺杆上可装配两个螺母上可装配两个螺母1 1和和2 2，调整两个螺母的轴向位置，使两个螺母中的滚珠在，调整两个螺母的轴向位置，使两个螺母中的滚珠在承受载荷之前就以一定的压力分别压向与螺杆螺纹滚道相反的侧面，使其产承受载荷之前就以一定的压力分别压向与螺杆螺纹滚道相反的侧面，使其产生一定的变形。这样既可消除轴向间隙，提高传动精度生一定的变形。这样既可消除轴向间隙，提高传动精度,

52、,也可提高轴向刚度。也可提高轴向刚度。2022-4-211-65 1 1 双螺母垫片调整预紧式双螺母垫片调整预紧式调整垫片调整垫片l l的厚度，可使两螺母的厚度，可使两螺母2 2产生相对位移，以达到消除间隙、产生相对位移，以达到消除间隙、产生预紧拉力之目的。产生预紧拉力之目的。其特点是结构简单其特点是结构简单, ,刚度高、预紧可靠，但使用中调整不方便。其刚度高、预紧可靠，但使用中调整不方便。其缺点是精确调整比较困难，并且当滚道磨损时不能随意调整，除缺点是精确调整比较困难，并且当滚道磨损时不能随意调整，除非更换垫圈。因此，该方法适用于一般精度的传动机构。非更换垫圈。因此，该方法适用于一般精度的传

53、动机构。2022-4-211-66 2 2 双螺母螺纹预紧式双螺母螺纹预紧式螺母螺母3 3的外端有凸缘，而螺母的外端有凸缘，而螺母4 4的外端虽无凸缘，但制有螺纹，并的外端虽无凸缘，但制有螺纹，并通过二个圆螺母固定。调整时旋转圆螺母通过二个圆螺母固定。调整时旋转圆螺母2 2消除轴向间隙并产生消除轴向间隙并产生一定的预紧力，然后用锁紧螺母一定的预紧力，然后用锁紧螺母1 1锁紧。预紧后两个螺母中的滚锁紧。预紧后两个螺母中的滚珠相向受力，从而消除轴向间隙。珠相向受力，从而消除轴向间隙。结构简单、刚性好、预紧可靠，使用中调整方便，但不能精确定量结构简单、刚性好、预紧可靠，使用中调整方便，但不能精确定量

54、地进行调整。地进行调整。2022-4-211-67 3 3 双螺母齿差预紧式双螺母齿差预紧式两个螺母的两端分别两个螺母的两端分别制有圆柱齿轮制有圆柱齿轮3 3，两者，两者齿数相差一个齿，通齿数相差一个齿，通过两端的两个内齿轮过两端的两个内齿轮2 2与上述圆柱齿轮相啮与上述圆柱齿轮相啮合并用螺钉和定位销合并用螺钉和定位销固定在套简固定在套简1 1上。上。调整时先取下两端的内齿轮调整时先取下两端的内齿轮2 2，当两个滚珠螺母相对于套筒同一方，当两个滚珠螺母相对于套筒同一方向转动同一个齿后固定，则一个滚珠螺母相对于另一个滚珠螺母向转动同一个齿后固定，则一个滚珠螺母相对于另一个滚珠螺母产生相对角位移，使两个滚珠螺母产生相对移动，从而消除间隙产生相对角位移，使两个滚珠螺母产生相对移动，从而消除间隙并产生一定的预紧力。其特点是可实现定量调整即可进行精密微并产生一定的预紧力。其特点是可实现定量调整即可进行精密微调。调。2022-4-211-68调整时，先取下