第2章机电一体化的单元技术2.1-2.2.

1、1第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 2学习目标学习目标 熟练掌握机械系统的组成及基本要求、精密机械技术熟练掌握机械系统的组成及基本要求、精密机械技术的特点的特点, ,几种典型机械传动机构的工作原理、参数选择几种典型机械传动机构的工作原理、参数选择等。等。 掌握传感器的工作原理、分类、特性及选用原则，掌握传感器的工作原理、分类、特性及选用原则， 掌握伺服驱动系统的种类及其特点，系统的基本要求。掌握伺服驱动系统的种类及其特点，系统的基本要求。l重点：各种单元技术中常用元、部件的性能特点和重点：各种单元技术中常用元、部件的

2、性能特点和选型原则选型原则, 能够针对不同的工程问题，合理应用相应能够针对不同的工程问题，合理应用相应的单元技术。的单元技术。 第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 32.1 概述概述 2.2 精密机械技术精密机械技术 2.3 传感检测技术传感检测技术2.4 伺服驱动技术伺服驱动技术 第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 42.1 概述概述 机电一体化是传统技术与一些新技术相结合机电一体化是传统技术与一些新技术相结合而发展起来的多学科领域综合交叉的技术密集而发展起来的多学科领域综合交叉的技术密集型学科。型学科。 机电一体化技术所涉及的关键技术，除系统机电一体

3、化技术所涉及的关键技术，除系统总体技术外，其它单元技术已发展成为相对独总体技术外，其它单元技术已发展成为相对独立的学科领域，具有各自的知识体系。本章从立的学科领域，具有各自的知识体系。本章从机电一体化系统设计的角度，纲要性地介绍主机电一体化系统设计的角度，纲要性地介绍主要概念、原理、设计原则和选用方法。要概念、原理、设计原则和选用方法。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 52.2 精密机械技术精密机械技术 一、机电一体化中的机械系统组成一、机电一体化中的机械系统组成传统的机械系统和机电一体化机械系统的主要功能都是完传统的机械系统和机电一体化机械系统的主要功能都是完成一系列相

4、互协调的机械运动。但由于二者组成不同，导成一系列相互协调的机械运动。但由于二者组成不同，导致其各自实现运动的方式不同。致其各自实现运动的方式不同。传统机械系统一般由动力件、传统机械系统一般由动力件、传动件和执行件三部分加上电气、传动件和执行件三部分加上电气、液压和机械控制等部分组成。液压和机械控制等部分组成。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 6机电一体化系统中的机械系统则是由机电一体化系统中的机械系统则是由计算机协调计算机协调与控制与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务且机电部件信息流相互联系的系统。等动力学任务且机电部

5、件信息流相互联系的系统。1.组成组成 机电一体化系统中的机械系统主要包括以下五大机电一体化系统中的机械系统主要包括以下五大部分：部分： 传动机构传动机构 导向机构导向机构 执行机构执行机构 轴系轴系 机座或机架机座或机架 第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 7第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 82.2.机械系统设计要求机械系统设计要求机电一体化中的机械系统应满足以下三方面的要求，机电一体化中的机械系统应满足以下三方面的要求，以达到伺服系统的设计指标：以达到伺服系统的设计指标： 1高精度高精度 2动作响应快动作响应快 3稳定性好稳定性好 3.设计内容设计

6、内容机械本体设计机械本体设计无间隙、低惯性、低振动、低噪声和适当阻尼比的要求无间隙、低惯性、低振动、低噪声和适当阻尼比的要求机械传动设计机械传动设计机械传动的控制机械传动的控制第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 9二、机械传动机构二、机械传动机构 机械传动机构的基本要求机械传动机构的基本要求 由于传动部件直接影响机电一体化系统的精度、稳定由于传动部件直接影响机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性，应设计和选择满足性和快速响应性，应设计和选择满足低摩擦低摩擦、无间隙无间隙、低惯量低惯量、高刚度高刚度、高谐振频率高谐振频率、适当的适当的阻尼比阻尼比以及与伺以及与伺服电动机等其

7、它环节的动态性能相匹配等要求的传动部服电动机等其它环节的动态性能相匹配等要求的传动部件。件。 主要从以下几个方面采取措施：主要从以下几个方面采取措施： l采用低摩擦阻力的传动部件和导向部件采用低摩擦阻力的传动部件和导向部件l减小反向死区误差减小反向死区误差l选用最佳传动比选用最佳传动比l缩短传动链，提高传动与支承刚度，以减小结构的缩短传动链，提高传动与支承刚度，以减小结构的弹性变形弹性变形l通过刚度、质量和摩擦系数等参数的合理匹配得到通过刚度、质量和摩擦系数等参数的合理匹配得到适当的阻尼比适当的阻尼比第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 10常用传动机构及其传动功能 第二章第

8、二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 11传动机构的发展传动机构的发展 随着机电一体化技术的发展，要求传动机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：构不断适应新的技术要求：l精密化精密化l高速化高速化l小型化和轻量化小型化和轻量化第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 12传动机构的设计内容传动机构的设计内容 包括系统设计和结构设计两个方面包括系统设计和结构设计两个方面l估算载荷估算载荷l选择总传动比，选择伺服电机选择总传动比，选择伺服电机l选择传动机构的形式选择传动机构的形式l确定传动级数，分配各级传动比确定传动级数，分配各级传动比l配置传动链，

9、估算传动链精度配置传动链，估算传动链精度l传动机构结构设计传动机构结构设计l计算传动装置的刚度和结构固有频率计算传动装置的刚度和结构固有频率l做必要的工艺分析和经济分析做必要的工艺分析和经济分析第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 13机械传动系统的特性机械传动系统的特性机电一体化的机械系统应具有良好的伺服性机电一体化的机械系统应具有良好的伺服性能，要求机械传动部件应有足够的制造精度，满足能，要求机械传动部件应有足够的制造精度，满足快速稳定和高效的要求，还应使机械传动部分动态快速稳定和高效的要求，还应使机械传动部分动态特性与执行元件的动态特性相匹配。特性与执行元件的动态特性相

10、匹配。 机械传动系统的主要特性有机械传动系统的主要特性有：l转动惯量转动惯量l阻尼阻尼l刚度刚度l间隙间隙转动惯量转动惯量转动惯量转动惯量过大过大的不利影响：的不利影响：使机械负载增大，需要增大驱动电机的功率使机械负载增大，需要增大驱动电机的功率系统响应速度变慢，灵敏度降低系统响应速度变慢，灵敏度降低使系统固有频率下降，易产生谐振，影响伺服使系统固有频率下降，易产生谐振，影响伺服稳定性和精度稳定性和精度电气驱动部件的谐振频率降低、阻尼增大电气驱动部件的谐振频率降低、阻尼增大第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 14第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 15u

11、驱动系统实际谐振频率随惯性负载增大而降低驱动系统实际谐振频率随惯性负载增大而降低u设计系统时，将传动系统的转动惯量作为选择电动机动设计系统时，将传动系统的转动惯量作为选择电动机动力参数的依据。力参数的依据。驱动系统谐振频率与转动惯量的关系驱动系统谐振频率与转动惯量的关系转动惯量转动惯量计算计算圆柱体转动惯量（形心轴与回转轴重合）圆柱体转动惯量（形心轴与回转轴重合）齿轮、联轴器、丝杠和轴等接近于圆柱体的零件齿轮、联轴器、丝杠和轴等接近于圆柱体的零件都可用上式计算（或估算）其转动惯量。都可用上式计算（或估算）其转动惯量。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 16423281dlm

12、dJ计算计算等效转动惯量等效转动惯量Jer（动能守恒）（动能守恒）第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 17n设系统运动部件的动能总和为：n设等效到执行元件输出轴上的总动能为：21122121jnjjmiiiwJvmE221kerkwJEnjkjjmikiierwwJwvmJ1212)()(kEE计算计算直线运动物体的转动惯量直线运动物体的转动惯量 折算到折算到丝杠轴丝杠轴上的等效上的等效 转动惯量转动惯量 折算到折算到小齿轮轴小齿轮轴上的等上的等 转动惯量转动惯量第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 1820)2(LmJrer20rmJrer计算计算丝杠轴

13、折算到电机轴的等效转动惯量丝杠轴折算到电机轴的等效转动惯量（引申到后轴折算到前轴）（引申到后轴折算到前轴） 第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 192iJJseri - 电机轴到丝杠轴的总传动比JS -丝杠的转动惯量 例例2-1已知电动机轴的转动惯量已知电动机轴的转动惯量J Jm m=3.2=3.21010-3-3kg.mkg.m2 2, , 工工作台及刀架质量作台及刀架质量m=600kgm=600kg，滚珠丝杠，滚珠丝杠d=50mmd=50mm，导程，导程P=8mmP=8mm，丝杠长度，丝杠长度L=1840mmL=1840mm。齿轮齿数分别为。齿轮齿数分别为Z Z1 1=

14、20=20，Z Z2 2=40=40，Z Z3 3=20=20，Z Z4 4=48=48，模数，模数m=2.5mmm=2.5mm，齿宽，齿宽b=25mmb=25mm。 计算：负载折算到电动机轴上的总等效惯量计算：负载折算到电动机轴上的总等效惯量J Je e和电机和电机 轴上总转动惯量轴上总转动惯量J J。 （提示：丝杠和齿轮的材料密度（提示：丝杠和齿轮的材料密度=7.8=7.810103 3kg/mkg/m3 3, ,齿轮的计算直齿轮的计算直径按分度圆直径计算，丝杠的计算直径取丝杠中径径按分度圆直径计算，丝杠的计算直径取丝杠中径48mm48mm）第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单

15、元技术 20阻尼阻尼阻尼是系统的固有特性，对于一个振动系统，我们定阻尼是系统的固有特性，对于一个振动系统，我们定义所有消耗系统机械能的因素都成为阻尼义所有消耗系统机械能的因素都成为阻尼由于机械部件具有惯性和摩擦特性，机械传动系统可由于机械部件具有惯性和摩擦特性，机械传动系统可视为视为带有阻尼的质量带有阻尼的质量- -弹簧系统弹簧系统摩擦阻尼是由于机械系统的传动件之间的摩擦力而产摩擦阻尼是由于机械系统的传动件之间的摩擦力而产生的生的机械机械部件振动时，金属材料的内摩擦较小（附加的非部件振动时，金属材料的内摩擦较小（附加的非金属减振材料内摩擦较大）、运动副特别是导轨的摩金属减振材料内摩擦较大）、运

16、动副特别是导轨的摩擦阻尼是主要擦阻尼是主要的的摩擦阻尼可分为三类：静摩擦阻尼、库仑摩擦阻尼和摩擦阻尼可分为三类：静摩擦阻尼、库仑摩擦阻尼和黏性摩擦阻尼（黏滞摩擦阻尼）黏性摩擦阻尼（黏滞摩擦阻尼）实际应用实际应用摩擦摩擦阻尼时，一般都简化阻尼时，一般都简化为为黏性黏性摩擦摩擦的线性的线性阻尼阻尼第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 21阻尼阻尼阻尼影响：阻尼影响：机械部件产生振动时，系统中阻尼越大，最大振幅越机械部件产生振动时，系统中阻尼越大，最大振幅越小，且衰减越快。但阻尼过大，系统失动量增大，稳小，且衰减越快。但阻尼过大，系统失动量增大，稳态误差增大，精度降低。适当的阻尼可

17、提高系统的稳态误差增大，精度降低。适当的阻尼可提高系统的稳定性。定性。系统系统的静摩擦阻尼大，会使系统的回程误差增大，定的静摩擦阻尼大，会使系统的回程误差增大，定位精度位精度降低。降低。系统的黏性系统的黏性摩擦摩擦阻尼越大，系统的稳态误差越大，精阻尼越大，系统的稳态误差越大，精度降低。度降低。系统的黏性系统的黏性摩擦摩擦阻尼对快速响应性不利。阻尼对快速响应性不利。若机械系统刚度低质量大，则系统的固有频率低，此若机械系统刚度低质量大，则系统的固有频率低，此时应增大系统的黏性摩擦阻尼，以减小振幅和加快衰时应增大系统的黏性摩擦阻尼，以减小振幅和加快衰减进程。减进程。第二章第二章 机电一体化的单元技术

18、机电一体化的单元技术 22阻尼阻尼计算计算机械传动系统若简化为机械传动系统若简化为二阶振动系统二阶振动系统，其阻尼比，其阻尼比阻尼比是一个无量纲数，它表示系统相对阻尼的阻尼比是一个无量纲数，它表示系统相对阻尼的大小。大小。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 2302mkB阻尼阻尼=0时，系统处于时，系统处于等幅持续振荡状态等幅持续振荡状态，因此系统不能没有阻尼，任何，因此系统不能没有阻尼，任何机电系统都具有一定的阻尼。机电系统都具有一定的阻尼。l称为称为过阻尼系统过阻尼系统；1称为称为临界阻尼系统临界阻尼系统。这两种情况工作中。这两种情况工作中不振荡，但响应速度慢。不振荡，

19、但响应速度慢。01称为称为欠阻尼系统欠阻尼系统。在。在值为值为0.40.7之间系统不但响应比临界之间系统不但响应比临界阻尼或过阻尼系统快，而且还能更快的达到稳定值。但在阻尼或过阻尼系统快，而且还能更快的达到稳定值。但在0.4时，时，系统虽然响应更快，但振系统虽然响应更快，但振幅增大，振幅增大，振荡衰减的很慢。荡衰减的很慢。在系统设计时，在系统设计时，为保证良好动态特性为保证良好动态特性，一般取，一般取0.40.7之间。之间。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 24二阶系统阶跃响应曲线刚度刚度刚度是使弹性物体产生单位变形所需要的作用力，对刚度是使弹性物体产生单位变形所需要的作

20、用力，对于机械传动系统来说，刚度包括零件产生各种弹性变于机械传动系统来说，刚度包括零件产生各种弹性变形的刚度和两个零件接面的接触刚度。形的刚度和两个零件接面的接触刚度。静态力与变形之比为静刚度；动态力（交变力、冲击静态力与变形之比为静刚度；动态力（交变力、冲击力）与变形之比为动刚度。力）与变形之比为动刚度。对于机械传动系统，对于机械传动系统，增大系统的传动刚度增大系统的传动刚度有以下好处有以下好处：可以减少系统的失动量（可以减少系统的失动量（传动传动死区），有利于提高传死区），有利于提高传动精度动精度。可以提高系统的固有频率，有利于系统的抗振性可以提高系统的固有频率，有利于系统的抗振性。可以增

21、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。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 25刚度刚度拉压刚度计算拉压刚度计算丝杠螺母机构的拉压刚度由三部分组成：丝杠螺母机构的拉压刚度由三部分组成： 丝杠构件的拉压刚度丝杠构件的拉压刚度 K KL L 丝杠轴承的支承刚度丝杠轴承的支承刚度 K KB B 丝杠螺母间的接触刚度丝杠螺母间的接触刚度 K KN N第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 26丝杠构件的拉压刚度丝杠构件的拉压刚度 K KL L (1) (1) 一端轴向支承的丝杠一端轴向支承的丝杠 (2) (2) 两端两端轴向支承的丝杠轴向支承的丝杠第二章

22、第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 27lEdKL42LEdKL42min)11(42lLlEdKLLEdKL2min丝杠轴承的丝杠轴承的支承支承刚度刚度 K KB B 与与所采用的所采用的轴承类型轴承类型、结构有关、结构有关 。当轴承有预紧时，其。当轴承有预紧时，其支承刚度为无预紧的支承刚度为无预紧的2 2倍倍; ;两端轴向支承取一端轴向支承的两端轴向支承取一端轴向支承的2 2倍倍。丝杠螺母丝杠螺母间的接触刚度间的接触刚度 K KN N 与丝杠螺母副的尺寸和结构有关，预紧也可以提高轴向与丝杠螺母副的尺寸和结构有关，预紧也可以提高轴向接触刚度接触刚度 以上两个刚度数值可以从产品样

23、本查得以上两个刚度数值可以从产品样本查得丝杠螺母机构的总拉压刚度丝杠螺母机构的总拉压刚度K K0 0： 第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 28NBLKKKK11110扭转刚度计算扭转刚度计算第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 29lGdKT322传动精度传动精度（一）传动系统的误差分析（一）传动系统的误差分析 机械系统传动中，影响系统传动精度的误差可以分为机械系统传动中，影响系统传动精度的误差可以分为传动误差和回程误差两种。传动误差和回程误差两种。传动误差传动误差 输入轴输入轴单向回转单向回转时，输出轴转角的实际值相对于理论时，输出轴转角的实际值相对于

24、理论值的变动量。值的变动量。 假设传动装置的各组成部件的制造和装配绝对准确，假设传动装置的各组成部件的制造和装配绝对准确，并忽略使用中的温度变形和弹性变形，则输出轴转角与并忽略使用中的温度变形和弹性变形，则输出轴转角与输入轴转角符合以下关系：输入轴转角符合以下关系：第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 30tioi传动精度传动精度回程误差回程误差 当输入轴由当输入轴由正向回转变为反向回转正向回转变为反向回转时，输出轴在转角时，输出轴在转角上的滞后量（输入轴固定时，输出轴可以任意转动的转上的滞后量（输入轴固定时，输出轴可以任意转动的转角量）。角量）。 传动链的传动误差和回程误差

25、对机电系统性能的影响，传动链的传动误差和回程误差对机电系统性能的影响，随其在系统中的位置的不同而不同。随其在系统中的位置的不同而不同。 误差在闭环系统误差在闭环系统内内，影响稳定性，影响稳定性 误差误差在在闭环系统闭环系统外外，影响精度，影响精度第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 31传动精度传动精度（二）减小传动链误差的措施（二）减小传动链误差的措施适当提高零部件本身的精度适当提高零部件本身的精度（制造、装配精度）（制造、装配精度） 传动装置的输出轴与负载轴间的联轴器本身精度对传传动装置的输出轴与负载轴间的联轴器本身精度对传动影响显著动影响显著合理设计传动链合理设计传动链

26、 合理选择传动形式合理选择传动形式 合理确定传动级数和分配各级传动比合理确定传动级数和分配各级传动比 合理布置传动链合理布置传动链采用消隙机构采用消隙机构 各种间隙（如齿轮的齿侧间隙、丝杠螺母的传动间隙、各种间隙（如齿轮的齿侧间隙、丝杠螺母的传动间隙、丝杠轴承的轴向间隙、联轴器的扭转间隙）丝杠轴承的轴向间隙、联轴器的扭转间隙）第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 32合理选择传动形式合理选择传动形式在传动链的设计中，各种不同形式的传动能达到的精度是不同的。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 33传动精度传动精度合理选择传动形式合理选择传动形式在行星齿轮机构

27、中：第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 34传动精度传动精度渐开线行渐开线行星齿轮星齿轮少齿差行少齿差行星齿轮星齿轮摆线针轮摆线针轮行星齿轮行星齿轮合理确定传动级数合理确定传动级数和分配各级传动比和分配各级传动比满足使用要求的条件下，应尽可能减少传动级数对减速传动链来说，各级传动比宜从高从高速级开始逐级递增速级开始逐级递增，且在结构空间允许的前提下，尽量提高末级传动比第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 35合理布置传动链合理布置传动链在减速传动中，精度较低的传动机构（如圆锥齿轮机构、蜗轮蜗杆机构）应布置在高速轴上，这样可减小低速轴上的误差。第二章第二章

28、机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 36第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 37三、常用传动机构三、常用传动机构1 1、丝杠螺母传动、丝杠螺母传动丝杠螺母机构又称螺旋传动机构它主要用来将旋转运丝杠螺母机构又称螺旋传动机构它主要用来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。动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。l以传递能量为主的（如螺旋压力机、千斤顶等）以传递能量为主的（如螺旋压力机、千斤顶等）l有以传递运动为主的（如机床工作台的进给丝杠）有以传递运动为主的（如机床工作台的进给丝杠）l调整零件之间相对位置的螺旋传动机构调整零件之间相对位置的螺旋传动机构丝

29、杠螺母机构有丝杠螺母机构有滑动摩擦机构滑动摩擦机构和和滚动摩擦机构滚动摩擦机构第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 38根据丝杠和螺母相对运动的组合情况，基本传根据丝杠和螺母相对运动的组合情况，基本传动形式有动形式有四种类型四种类型第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 39滚珠丝杠副滚珠丝杠副（1）工作原理及组成）工作原理及组成由丝杠、由丝杠、螺母螺母、滚珠、滚珠、滚珠滚珠回程引导装置回程引导装置等四部分组成等四部分组成 特点：特点：传动精度高传动精度高轴向刚度高轴向刚度高运动平稳运动平稳寿命寿命长长不能自锁不能自锁第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体

30、化的单元技术 40（2）尺寸参数）尺寸参数公称直径公称直径d0（mm）基本基本导程导程l0（mm）行程行程l（mm）滚珠直径滚珠直径db（mm）螺旋升角螺旋升角（。）此外，还有丝杠螺纹大径（外径）此外，还有丝杠螺纹大径（外径）d，丝杠螺纹小径，丝杠螺纹小径（内径）（内径）d1，螺母螺纹大径（外径），螺母螺纹大径（外径）D，螺母螺纹小径，螺母螺纹小径D1，滚道圆弧偏心距，滚道圆弧偏心距e等参数通过计算可得。等参数通过计算可得。选择滚珠丝杠副主要确定选择滚珠丝杠副主要确定公称直径公称直径、基本导程基本导程、滚珠承载的列数滚珠承载的列数 第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 41（

31、3）轴向间隙的调整和预紧）轴向间隙的调整和预紧轴向间隙轴向间隙：承载时滚珠和滚道型面接触点的弹承载时滚珠和滚道型面接触点的弹性变形所引起螺母轴向位移量和丝杠螺母副自性变形所引起螺母轴向位移量和丝杠螺母副自身轴向间隙的总和身轴向间隙的总和。换向时，轴向间隙引起换向时，轴向间隙引起空回空回现象，这种空回是现象，这种空回是非连续的，既影响非连续的，既影响反向传动精度反向传动精度，又影响，又影响系统系统稳定性稳定性，应予以消除。，应予以消除。消除方法：采用单螺母预紧或消除方法：采用单螺母预紧或双螺母预紧双螺母预紧方式方式。 第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 42双螺母预紧原理丝杠

32、上装配两个螺母，通过给两个螺母丝杠上装配两个螺母，通过给两个螺母施加预紧力施加预紧力以调整以调整螺母的轴向位置，使两个螺母中的滚珠在承载前以一定的螺母的轴向位置，使两个螺母中的滚珠在承载前以一定的压力分别压向压力分别压向丝杠螺纹滚道相反的侧面丝杠螺纹滚道相反的侧面第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 43双螺母预紧结构垫片调隙法双螺母预紧结构垫片调隙法 双螺母预紧结构螺纹调隙法双螺母预紧结构螺纹调隙法 第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 45双螺母预紧结构齿差调隙法双螺母预紧结构齿差调隙法 114ZZ第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术

33、4641411441)()11(ZZppZZZZpZZs两螺母相对套筒同两螺母相对套筒同方向方向转动转动1个齿个齿，所，所产生的相对轴向位产生的相对轴向位移为：移为：114ZZ例：若例：若Z1=99，Z4=100，n=1,p=6mm则则=0.6m（4）丝杠螺母副的选择）丝杠螺母副的选择1）结构的选择）结构的选择 根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，选择适当的结构形式。选择适当的结构形式。2）尺寸的选择）尺寸的选择 主要确定主要确定公称直径公称直径d0和和基本导程基本导程l0d0应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸系列应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸系

34、列选择选择l0应按承载能力，传动精度，传动速度选取应按承载能力，传动精度，传动速度选取ls在允许下应尽量短，一般取在允许下应尽量短，一般取ls/d030第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 47第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 483) 滚珠丝杠副设计计算滚珠丝杠副设计计算已知条件：已知条件：最大工作载荷最大工作载荷Fmax或或平均工作载荷平均工作载荷Fcp（N）丝杠副使用寿命丝杠副使用寿命T（h）丝杠的工作长度丝杠的工作长度或或螺母的有效行程螺母的有效行程l（mm）丝杠转速丝杠转速n或或平均转速平均转速ncp（r/min）滚道硬度滚道硬度HRC及及丝杠

35、工况丝杠工况第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 49滚珠丝杠副设计步骤滚珠丝杠副设计步骤 承载能力选择，计算载荷FC FC KF KH KA Fmax KF 载荷系数，查表；KH 硬度系数，查表； KA 精度系数，查表； 验算（稳定性、刚度、传动效率） 341067.1TncamFCaCaaCC 计算丝杠轴向最大动载荷 （N） 根据 查表，满足 ），选择合适型号的丝杠aCmax)3-2(FCoa 对于低速（n 10 r/min）或静止状态丝杠，只按最大静载荷 计算即可oaC第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 50载荷、硬度、精度系数第二章第二章 机电一体

36、化的单元技术机电一体化的单元技术 51压杆稳定性验算压杆稳定性验算 应保证丝杠实际承受载荷的能力Fk应不小于Fmax fk 压杆稳定的支承系数； E 钢的弹性模量； I 丝杠小径的截面惯性矩； K 压杆稳定安全系数。 22skkklEIfF两端装止推轴承和向心轴承时，一般不会发生失稳现象。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 52刚度验算刚度验算 滚珠丝杠在轴向力轴向力F的作用下将产生伸长或缩短，在扭矩扭矩M作用下将产生扭转变形而影响丝杠导程的变化，从而影响传动精度和定位精度，故应验算满载时引起丝杠每个导导程程的变形量 （m）。0LGIMlESFlP22000L（拉压） pL

37、lL0pLl0LL允L允L 要求 ，其中 已知或取丝杠传动精度的1/2换算第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 532.2.齿轮传动齿轮传动齿轮齿轮传动的优点为：瞬时传动比为常数，并具传动的优点为：瞬时传动比为常数，并具有结构紧凑、传动精确、强度大、能承受重载、有结构紧凑、传动精确、强度大、能承受重载、摩擦小、效率高。摩擦小、效率高。齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器。齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器。机电一体化系统中的机械传动装置不仅仅是用机电一体化系统中的机械传动装置不仅仅是用来解决伺服电机与负载间的来解决伺服电机与负载间的转速、转转速、转矩匹配问矩匹配问题，更

38、重要的是为了提高系统的伺服性能。题，更重要的是为了提高系统的伺服性能。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 54由于负载特性和工作条件的不同，最佳传动比由于负载特性和工作条件的不同，最佳传动比有各种各样的选择方法。有各种各样的选择方法。在伺服电机驱动负载的传动系统中常用使在伺服电机驱动负载的传动系统中常用使负载负载加速度最大原则加速度最大原则，以提高伺服系统的响应速度。，以提高伺服系统的响应速度。 图2-1 伺服电机驱动齿轮系统的计算模型 mLJJi/mLJiJ2或或根据负载加速度最大原则确定总传动比根据负载加速度最大原则确定总传动比根据根据负载加速度最大负载加速度最大原则，

39、其最佳传动比为：原则，其最佳传动比为：mLmLFmLFJJTTTTi/)/(/2若若TLF0，则，则第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 55第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 563600li 开环控制系统开环控制系统传动比传动比i应满足：应满足： 步进电机步距角步进电机步距角l0 丝杠的基本导程丝杠的基本导程 系统脉冲当量系统脉冲当量按给定脉冲当量或伺服电机确定总传动比按给定脉冲当量或伺服电机确定总传动比第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 57maxVlni0max闭环控制系统闭环控制系统传动比传动比i应满足：应满足：nmax电机额

40、定转速电机额定转速 l0 丝杠的基本导程丝杠的基本导程Vmax最大移动速度最大移动速度按给定脉冲当量或伺服电机确定总传动比按给定脉冲当量或伺服电机确定总传动比第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 58为保证减速系统结构紧凑，满足动态性为保证减速系统结构紧凑，满足动态性能和传动精度的要求，其设计原则有以能和传动精度的要求，其设计原则有以下下3种：种：等效转动惯量最小原则等效转动惯量最小原则重量最轻原则重量最轻原则输出轴转角误差最小原则输出轴转角误差最小原则第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 59 等效转动惯量等效转动惯量最小最小原则原则 小功率传动装置 大功

41、率传动装置2/212ii 3/11)2(ii 121) 12(21212nnniin), 3 , 2()2(21222/) 1(nkiinknk n级齿轮系各级传动比通式为: (前小后大) (前小后大)第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 60 重量最轻最小原则重量最轻最小原则 小功率传动装置 大功率传动装置niiii321. (各级相等) (前大后小)第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 61 输出轴转角误差最小原则输出轴转角误差最小原则 输出轴上的总转角误差为各个齿轮转角误差折算到输出输出轴轴后的综合 ：)/(1nklki4232211ii i二级齿轮系

42、 总转角误差取决于：n最末一级齿轮的转角误差n最末一级传动比n传动级数(前小后大) 第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 62上述三项原则的选择，应根据具体的工作条件而定：上述三项原则的选择，应根据具体的工作条件而定： 对于以对于以提高传动精度和减小回程误差提高传动精度和减小回程误差为主的降速为主的降速齿轮传动链，可按输出轴转角误差最小原则设计。齿轮传动链，可按输出轴转角误差最小原则设计。 对于要求对于要求运动平稳、启停频繁和动态性能好运动平稳、启停频繁和动态性能好的伺的伺服降速传动链，可按最小等效传动惯量和输出轴转服降速传动链，可按最小等效传动惯量和输出轴转角误差最小原则进

43、行设计。角误差最小原则进行设计。 对于对于要求重量尽可能轻要求重量尽可能轻的降速传动链，可按重量的降速传动链，可按重量最轻原则进行设计。最轻原则进行设计。 对于传动比很大的齿轮传动链，应把定轴轮系和对于传动比很大的齿轮传动链，应把定轴轮系和行星轮系结合使用。对于相当大的传动比，并且要行星轮系结合使用。对于相当大的传动比，并且要求传动精度高、功率大、效率高、传动平稳、体积求传动精度高、功率大、效率高、传动平稳、体积小、重量轻等，可以选用新型的谐波齿轮传动。小、重量轻等，可以选用新型的谐波齿轮传动。 第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 63第二章第二章 机电一体化的单元技术机电

44、一体化的单元技术 64第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 65第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 66特点：特点：承载能力承载能力有限，有限，适用于适用于负荷不大的传动装置负荷不大的传动装置中中。另外。另外弹簧弹簧的拉的拉力要足以能克服最大扭矩，否则起不到消隙力要足以能克服最大扭矩，否则起不到消隙作用作用。这种方法这种方法中中齿齿侧侧间间隙隙可可自动自动消除（补偿消除（补偿），），能能始终始终保持无间隙啮合保持无间隙啮合，是，是一一种种柔性调整法柔性调整法。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 673）谐波齿轮传动）谐波齿轮传动谐波齿轮

45、传动是由美国学者麦塞尔发明的一种具谐波齿轮传动是由美国学者麦塞尔发明的一种具有重大突破的传动技术，其原理是依靠柔性齿轮有重大突破的传动技术，其原理是依靠柔性齿轮所产生的可控制弹性变形波，引起齿间的相对位所产生的可控制弹性变形波，引起齿间的相对位移来传递动力和运动的移来传递动力和运动的。国内国内19781978年研究成功了谐波传动减速器，并成功年研究成功了谐波传动减速器，并成功地应用在发射机调谐机构件中。地应用在发射机调谐机构件中。19801980年该项成果年该项成果荣获了电子工业部优秀科技成果荣获了电子工业部优秀科技成果奖奖。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 68（1）工

46、作原理及结构）工作原理及结构 主要由波发生器、柔轮、主要由波发生器、柔轮、刚轮组成。刚轮组成。 第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 69减速器：波发生器为主动件，刚轮和柔轮之一为从动件，减速器：波发生器为主动件，刚轮和柔轮之一为从动件，另一个为固定件。另一个为固定件。增速器：刚轮和柔轮之一为主动件，另一个为固定件，增速器：刚轮和柔轮之一为主动件，另一个为固定件，波发生器为从动件。波发生器为从动件。双波发生器双波发生器谐波齿轮传动第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 70谐波齿轮传动第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 71优点：优点：n传

47、动比大传动比大n承载能力大承载能力大n传动精度高传动精度高n齿侧间隙小齿侧间隙小n传动平稳传动平稳n传动效率高传动效率高n结构简单、体积小、重量轻结构简单、体积小、重量轻缺点：缺点：n传动比下限值较高传动比下限值较高n不能做成交叉轴和相交轴不能做成交叉轴和相交轴的结构。的结构。n柔轮承受较大的交变载荷，柔轮承受较大的交变载荷，对柔轮材料的抗疲劳强度、对柔轮材料的抗疲劳强度、加工和热处理要求较高，加工和热处理要求较高，工艺复杂工艺复杂应用 机器人、机床分度机构、雷达、航空航天设备第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 72第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 7

48、33.3.挠性传动挠性传动(1)同步带传动同步带传动 同步齿形带，是一种新型的带传动。它是利用同步带的齿形与带轮的轮齿依次相啮合传递运动或动力。特点：传动比准确，传动效率高、能吸振、噪音小、传动平稳、能高速传动、维护保养方便。缺点：安装精度要求高、中心距要求严格，具有一定蠕变性。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 741 1）同步带）同步带根据齿形的不同，同步齿形带可以分成两种： 一种是梯形齿同步带，另一种是圆弧齿同步带。（a）梯形齿）梯形齿（b）圆弧齿）圆弧齿（c）齿形带的结构）齿形带的结构1-强力层，强力层，2-带齿，带齿，3-带背带背第二章第二章 机电一体化的单元技术

49、机电一体化的单元技术 752 2）同步带轮）同步带轮同步带轮一般由钢、铝合金、灰铸铁、黄铜和工程塑料等材料制造。其中灰铸铁应用最广，小功率传动的带轮一般用铸铝或工程塑料。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 762 2）同步带轮）同步带轮3 3）同步带传动的设计计算步骤）同步带传动的设计计算步骤已知条件：已知条件：需要传递的名义功率需要传递的名义功率p pm m主从主从动轮的转速动轮的转速n n1 1、n n2 2或传动比或传动比设计步骤：设计步骤：1）确定带的设计功率）确定带的设计功率2）选择带型和节距）选择带型和节距3）确定带轮齿数和节圆直径）确定带轮齿数和节圆直径4）确

50、定同步带的节线长度、）确定同步带的节线长度、带带齿数及传动中心距齿数及传动中心距5）检验同步带和小带轮的啮合齿数）检验同步带和小带轮的啮合齿数6）确定实际所需同步带宽度）确定实际所需同步带宽度7）带的工作能力验算）带的工作能力验算第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 77第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 783.3.挠性传动挠性传动(2)钢带传动钢带传动特点：钢带与带轮间接触面积大、无间隙、摩擦阻力大、特点：钢带与带轮间接触面积大、无间隙、摩擦阻力大、无滑动、结构简单紧凑、运行可靠、噪声低、驱动力大、无滑动、结构简单紧凑、运行可靠、噪声低、驱动力大、寿命

51、长、钢带无蠕变。寿命长、钢带无蠕变。 (3)绳轮传动绳轮传动 优点：结构简单、传动刚度大、结构柔软、成本低、噪优点：结构简单、传动刚度大、结构柔软、成本低、噪声低声低缺点：带轮大、安装面积大、加速度不易太高，有蠕变。缺点：带轮大、安装面积大、加速度不易太高，有蠕变。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 793.3.挠性传动挠性传动第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 804 4. .间歇传动间歇传动间歇传动部件可将输入的连续运动转换为间歇间歇传动部件可将输入的连续运动转换为间歇运动。运动。常用的间歇传动：常用的间歇传动： 1 1）棘轮传动）棘轮传动 2 2）

52、槽轮传动）槽轮传动 3 3）蜗形凸轮传动）蜗形凸轮传动基本要求：基本要求： 移位迅速、移位过程中无冲击、停位准确可靠移位迅速、移位过程中无冲击、停位准确可靠 第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 814 4. .间歇传动间歇传动1 1）棘轮传动）棘轮传动特点：结构简单，制造容易。但传动有噪声，易特点：结构简单，制造容易。但传动有噪声，易磨损。磨损。棘爪往复一次推过的棘轮齿棘爪往复一次推过的棘轮齿数与棘轮转角的关系如下：数与棘轮转角的关系如下：zko/360 棘轮回棘轮回转角转角k棘爪往复一次推过的棘轮齿数棘爪往复一次推过的棘轮齿数z z 棘轮齿数棘轮齿数第二章第二章 机电一体

53、化的单元技术机电一体化的单元技术 824 4. .间歇传动间歇传动1 1）棘轮传动）棘轮传动（a）外外齿齿式式（b）内齿式内齿式（c）端齿式端齿式第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 834 4. .间歇传动间歇传动2 2）槽槽轮轮传动传动优点：优点：n结构简单结构简单n转位迅速转位迅速n从动件短时间内转从动件短时间内转过的角度大过的角度大n传动效率高传动效率高n转位和静止时间之转位和静止时间之比为恒值比为恒值缺点：缺点：n有冲击，定位精度不高，制造装配精度要求较高有冲击，定位精度不高，制造装配精度要求较高第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 844 4.

54、.间歇传动间歇传动3 3）蜗形凸轮蜗形凸轮传动传动特点：特点：n能够得到在实际中所能遇到的任意能够得到在实际中所能遇到的任意的转位时间与静止时间之比，其工的转位时间与静止时间之比，其工作时间系数比槽轮机构小作时间系数比槽轮机构小n能够实现转盘所要求的各种运动规能够实现转盘所要求的各种运动规律律n能够用于工位数较多的设备上能够用于工位数较多的设备上n凸轮棱边的定位精度已经能满足要凸轮棱边的定位精度已经能满足要求，不需加其它定位装置求，不需加其它定位装置n刚度高刚度高n装配方便装配方便n加工工作量大，成本高加工工作量大，成本高第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 85四、机械导向

55、机构四、机械导向机构功用：使运动部件沿一定的轨迹运动（功用：使运动部件沿一定的轨迹运动（导向导向），并），并承受运动部件上的载荷（承受运动部件上的载荷（支承支承）。）。导轨副（简称导轨），包括两部分组成：导轨副（简称导轨），包括两部分组成：支承导轨（静导轨）支承导轨（静导轨）运动导轨（动导轨）运动导轨（动导轨） 第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 86（一）概述（一）概述导轨的基本要求导轨的基本要求导向精度高导向精度高耐磨性好耐磨性好疲劳和压溃疲劳和压溃足够的刚度足够的刚度低速运动平稳性低速运动平稳性结构工艺性好结构工艺性好对温度的敏感性小对温度的敏感性小第二章第二章 机电

56、一体化的单元技术机电一体化的单元技术 87导轨种类导轨种类（1）按其接触面的摩擦性质可分为：）按其接触面的摩擦性质可分为：滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨（2）按其结构特点可分为：）按其结构特点可分为：开式开式-借助重力或弹簧弹力保证运动件与承导借助重力或弹簧弹力保证运动件与承导面之间的接触面之间的接触闭式闭式-只靠导轨本身的结构形状保证运动件与只靠导轨本身的结构形状保证运动件与承导面之间的接触承导面之间的接触第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 88导轨副的设计要点导轨副的设计要点（1）根据工作条件，选择合适的导轨类型）根据工作条件，

57、选择合适的导轨类型（2）选择导轨的截面形状，以保证导向精度选择导轨的截面形状，以保证导向精度（3）选择适当的导轨结构及尺寸）选择适当的导轨结构及尺寸（4）选择导轨的补偿及调整装置）选择导轨的补偿及调整装置（5）选择合理的耐磨涂料、润滑方法和防护装置）选择合理的耐磨涂料、润滑方法和防护装置（6）制订保证导轨所必需的技术条件）制订保证导轨所必需的技术条件第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 89（二）滚动直线导轨（二）滚动直线导轨一种以滚动体做循环运动的滚动导轨，主要由一种以滚动体做循环运动的滚动导轨，主要由导轨、滑块、滚动体等导轨、滑块、滚动体等组成。组成。在导轨与滑块之间放置

58、若干在导轨与滑块之间放置若干滚动体滚动体（滚珠、滚（滚珠、滚柱、滚针），使其摩擦性质成为柱、滚针），使其摩擦性质成为滚动摩擦滚动摩擦。当滑块移动时，滑块内的当滑块移动时，滑块内的 滚珠在导轨上的圆弧沟槽滚珠在导轨上的圆弧沟槽 滚动并形成循环。滚动并形成循环。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 90滚动直线导轨的特点滚动直线导轨的特点l承载能力大承载能力大l刚性强刚性强l寿命长寿命长l传动平稳可靠传动平稳可靠l具有结构自调整能力具有结构自调整能力第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 91滚动直线导轨的分类滚动直线导轨的分类 1按滚动体的形状分按滚动体的形状分

59、：钢珠式和滚柱式两种钢珠式和滚柱式两种2按导轨截面形状分：矩形和梯形两种按导轨截面形状分：矩形和梯形两种 3按滚道沟槽形状分按滚道沟槽形状分：单圆弧和双圆弧两种，单圆单圆弧和双圆弧两种，单圆弧沟糟为两点接触，双圆弧沟槽为四点接触弧沟糟为两点接触，双圆弧沟槽为四点接触第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 92（三）（三） 塑料导轨塑料导轨塑料导轨是在滑动导轨上镶装塑料而成的，提高了导塑料导轨是在滑动导轨上镶装塑料而成的，提高了导轨的抗振性、耐磨性、低速运动平稳性。轨的抗振性、耐磨性、低速运动平稳性。1、塑料导轨软带、塑料导轨软带n贴塑导轨，用于与铸铁导轨或淬硬的钢导轨相配合的贴

60、塑导轨，用于与铸铁导轨或淬硬的钢导轨相配合的动导轨上贴一层塑料导轨软带。动导轨上贴一层塑料导轨软带。n这种导轨软带的材料以聚四氟乙烯为基体，加入青铜这种导轨软带的材料以聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合烧结，并做成软带。粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合烧结，并做成软带。n常用有两种：美国常用有两种：美国Shanban公司研制的公司研制的Turcite-B和我和我国研制的国研制的FSF软带。软带。n特点特点 ：摩擦系数低而稳定，动静摩擦系数相近，吸收摩擦系数低而稳定，动静摩擦系数相近，吸收振动，耐磨性好，化学稳定性好，维护修理方便，经济振动，耐磨性好，化学稳定性好，维护修理方