《机电一体化技术》课件第四章

机电一体化机械系统包括传动机构、导向机构、轴系和执行机构等。传动机构的主要功能是传递转矩和转速，要求有良好的可靠性，对系统的精度、稳定性和快速响应性有重大影响。导向机构的作用是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。该机构应能保证系统安全、准确地工作。轴系的在主要作用是传递转矩、支承轴上回转零件和对轴上零件进行精确定位。执行机构用来完成操作任务。执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的操作。一般要求它具有较高的灵敏度、精确度，良好的重复性和可靠性等。

第4章机电一体化中的机械系统机电一体化机械系统包括传动机构、导向机构、轴系和执行机构等。4.1机电一体化系统的常用传动机构机电一体化系统中所用的传动机构主要有滑动丝杠机构、滚珠丝杠机构、齿轮传动机构、同步带传动机构、间歇机构、挠性传动机构等。传动机构主要用来实现运动和动力的转换。机电一体化机械系统的传动机构要求具有传动精度高、工作稳定性好、响应速度快等特点。4.1机电一体化系统的常用传动机构机电一体化系统中所用的4.1机电一体化系统的常用传动机构为保证系统的传动精度、工作稳定性和快速响应性，传动机构应满足以下几个方面的要求：（1）在不影响系统刚度的条件下，传动机构的质量和转动惯量应尽可能小。（2）刚度越大伺服系统动力损失越小；刚度越大机构固有频率越高，超出系统的频率宽度，不易产生共振；刚度越大闭环系统的稳定性越高。（3）机械零件产生共振时，系统中阻尼越大，最大振幅就越小，且衰减越快；但大阻尼也会使系统的动量和反转误差增大，稳态误差增大，精度降低。（4）系统传动部件的静摩擦力应尽可能小。4.1机电一体化系统的常用传动机构为保证系统的传动精度、4.1.1滚珠丝杠螺母机构如图4-1所示为滚珠丝杠螺母机构，它由丝杠1、螺母2、滚珠3及滚珠循环返回装置4等组成。当丝杠转动螺母移动时，滚珠则沿着丝杠螺旋滚道面滚动，在丝杠上滚动数圈后，滚珠从滚动的一端滚出并沿返回装置返回另一端，重新进入滚道，从而构成闭合回路。图4-1滚珠丝杠螺母机构1—丝杠；2—螺母；3—滚珠；4—滚珠循环返回装置4.1.1滚珠丝杠螺母机构如图4-1所示为滚珠丝4.1.1滚珠丝杠螺母机构1.滚珠丝杠螺母机构的类型和工作原理如图4-2所示为外循环方式的滚珠丝杠螺母机构，由丝杠1、滚珠2、回珠管3和螺母4组成。在丝杠1和螺母4上各加工有圆弧形螺旋槽，将它们套装起来便形成了螺旋形滚道，在滚道内装满滚珠2。当丝杠相对螺母旋转时，丝杠的旋转面经滚珠推动螺母轴向移动，同时滚珠沿螺旋形滚道滚动，使丝杠和螺母之间的滑动摩擦转变成为滚珠与丝杠、螺母之间的滚动摩擦。螺母螺旋槽的两端用回珠管3连接起来，使滚珠能从一端重新回到另一端，构成一个闭合的循环回路。图4-2外循环滚珠丝杠螺母机构1—丝杠；2—滚珠；3—回珠管；4—螺母4.1.1滚珠丝杠螺母机构1.滚珠丝杠螺母机构的类型和工4.1.1滚珠丝杠螺母机构如图4-3所示为内循环方式的滚珠丝杠螺母机构。在螺母的侧孔中装有圆柱凸轮式反向器，反向器上铣有S形回珠槽，将相邻两螺纹滚道连接起来。滚珠从螺纹滚道进入反向器，借助反向器迫使其越过丝杠牙顶进入相邻滚道，实现循环。图4-3内循环滚珠丝杠螺母机构4.1.1滚珠丝杠螺母机构如图4-3所示为内循环方式的滚（1）传动效率高，摩擦损失小。（2）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。（3）启动力矩小，运动平稳，无爬行现象，传动精度高。（4）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。（5）磨损小，使用寿命长。（6）制造工艺复杂。（7）不能自锁。2.滚珠丝杠螺母副传动的特点4.1.1滚珠丝杠螺母机构（1）传动效率高，摩擦损失小。2.滚珠丝杠螺母副传动的特点4为了保证滚珠丝杠螺母机构的反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。常采用双螺母施加预紧力的方法消除轴向间隙，但必须注意预紧力不能太大，预紧力过大会造成传动效率降低、摩擦力增大，磨损增大，使用寿命降低。常用的消除间隙的方法有垫片调整间隙法、齿差调整间隙法、螺纹调整间隙法等。3.滚珠丝杠螺母机构间隙的调整方法

4.1.1滚珠丝杠螺母机构为了保证滚珠丝杠螺母机构的反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴4.1.1滚珠丝杠螺母机构1)垫片调整间隙法如图4-4所示为垫片调整间隙法。调整垫片4的厚度，使左右两螺母1、2产生轴向位移，从而消除滚珠丝杠螺母机构的间隙，产生预紧力。这种方法简单、可靠，但调整费时，适用于一般精度的传动。图4-4

垫片调整间隙法1、2—螺母；3—螺母座；4—垫片4.1.1滚珠丝杠螺母机构1)垫片调整间隙法图4-44.1.1滚珠丝杠螺母机构2）齿差调整间隙法如图4-5所示为齿差调整间隙法。两个螺母1、2的凸缘为圆柱外齿轮，齿数差为1，两个内齿轮3、4用螺钉、定位销紧固在螺母座上。调整时先将内齿轮卸下，根据间隙大小使两螺母分别向相同方向转过一个或几个齿，然后再插入内齿轮，使螺母在轴向互相移动了相应的距离，从而消除两个螺母的轴向间隙。这种方法的结构复杂，尺寸较大，适用于高精度的传动。图4-5

齿差调整间隙法1、2—螺母；3、4—内齿轮4.1.1滚珠丝杠螺母机构2）齿差调整间隙法图4-54.1.1滚珠丝杠螺母机构3）螺纹调整间隙法如图4-6所示为螺纹调整间隙法。右螺母3外圆上有普通螺纹，并用圆螺母4和锁紧螺母5固定。当调整圆螺母4时，即可调整轴向间隙，然后用锁紧螺母5锁紧。这种方法结构紧凑，工作可靠，滚道磨损后可随时调整，但预紧力不准确。图4-6

螺纹调整间隙法1、3—螺母；2—平键；4—圆螺母；5—锁紧螺母4.1.1滚珠丝杠螺母机构3）螺纹调整间隙法图4-6

4.滚珠丝杠螺母机构的支承

4.1.1滚珠丝杠螺母机构

数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母机构本身的刚度外，滚珠丝杠螺母机构的正确安装及支承结构的刚度也是不可忽视的因素。如为了减少受力后的变形，螺母座上有加强肋，以增大螺母座与机床的接触面积，并且要连接可靠。同时也可以采用高强度的推力轴承来提高滚珠丝杠螺母机构的轴向承载能力。4.滚珠丝杠螺母机构的支承4.1.1滚珠丝杠4.1.1滚珠丝杠螺母机构如图4-7所示为一端安装推力轴承的方式。这种安装方式只适用于行程小的短丝杠，其承载能力小，轴向刚度低，一般用于数控机床的调整环节或升降台式数控铣床的垂直进给传动结构。图4-7

一端安装推力轴承4.1.1滚珠丝杠螺母机构如图4-7所示为一端安4.1.1滚珠丝杠螺母机构如图4-8所示为一端固定一端游动的方式。在丝杠一端安装推力轴承，另一端安装深沟球轴承。为减少丝杠热变形的影响，安装时，应使电动机热源和丝杠工作时的常用段远离推力轴承端。图4-8

一端固定一端游动4.1.1滚珠丝杠螺母机构如图4-8所示为一端固4.1.1滚珠丝杠螺母机构如图4-9所示为两端安装推力轴承的方式，即两端固定式。把推力轴承安装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧力，可以提高轴向刚度；但这种安装方式对丝杠的热变形较为敏感，故一般应用于丝杠行程较小的场合。图4-9

两端安装推力轴承4.1.1滚珠丝杠螺母机构如图4-9所示为两端安4.1.1滚珠丝杠螺母机构如图4-10所示为两端安装推力轴承和深沟球轴承的方式。它的两端均采用双重支承并施加预紧力，使丝杠具有较大的刚度。这种方式还可使丝杠的温度变形转化为推力轴承的预紧力，但设计时要考虑推力轴承的承载能力和支架的刚度。图4-10两端安装推力轴承和深沟球轴承4.1.1滚珠丝杠螺母机构如图4-10所示为两端5.滚珠丝杠螺母机构的润滑和密封

4.1.1滚珠丝杠螺母机构1）润滑

使用润滑剂可以提高滚珠丝杠的耐摩擦性和传动效率。润滑剂有润滑油和润滑脂两种。润滑油可用20号机械油、90～180号透平油或140号主轴油等。润滑脂可用高压润滑脂或锂基润滑脂。用润滑油时，可从螺母壳体上的油孔注入螺母体内的空间。润滑脂则要直接加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内。

5.滚珠丝杠螺母机构的润滑和密封4.1.1滚珠丝杠螺母4.1.1滚珠丝杠螺母机构2）密封防护丝杠预紧后，轴向间隙减小。当硬质灰尘或切屑等污物落入螺纹滚道内，就会妨碍滚珠的运转，并加快磨损，因此，必须有防护装置。如果滚珠丝杠螺母机构在机床上外露，应采用封闭的防护罩，如采用螺旋弹簧钢带套管、伸缩套管以及折叠式套管等。安装时，将防护罩的一端连接在滚珠螺母的端面，另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。如果滚珠丝杠螺母机构在机床上处于隐蔽的位置，则可采用密封圈防护，密封圈安装在滚珠螺母的两端。接触式的弹性密封圈用耐油橡胶或尼龙制成，其内孔做成与丝杠螺纹滚道相啮合的形状。接触式密封圈的防尘效果好，但因有接触压力，使摩擦力矩略有增加。非接触式密封圈又称迷宫式密封圈，是用硬质塑料制成，其内孔做成与丝杠螺纹滚道相配合的形状，并稍有间隙，这样可避免摩擦力矩，但防尘效果差。4.1.1滚珠丝杠螺母机构2）密封防护4.1.1滚珠丝杠螺母机构6.滚珠丝杠螺母机构的自动平衡装置因为滚珠丝杠螺母机构无自锁作用，在一般情况下，垂直或者倾斜安装的滚珠丝杠螺母机构会因部件的自重作用而自动下降，所以必须有阻尼或锁紧机构。如图4-11所示为数控铣床升降台的自动平衡装置结构，由摩擦离合器和单向超越离合器构成。当锥齿轮1转动时，通过锥销带动单向超越离合器的行星轮2。升降台上升时，行星轮2转动，使滚子3和超越离合器的外壳4脱开，外壳4不转动，摩擦片不起作用。当升降台下降时，行星轮2的转动使滚子3楔在行星轮2和超越离合器的外壳4之间，由于摩擦力的作用，外壳4随着锥齿轮1一起转动。通过花键与外壳连在一起的内摩擦片和固定的外摩擦片之间产生相对运动，由于内、外摩擦片之间由弹簧压紧，有一定摩擦阻力，所以起到了阻尼作用，上升与下降的力得以平衡。阻尼力的大小即摩擦离合器的松紧程度可由螺母5调整，调整前应先松开螺母5的锁紧螺钉6。4.1.1滚珠丝杠螺母机构6.滚珠丝杠螺母机构的自动平衡4.1.1滚珠丝杠螺母机构图4-11

数控铣床升降台的自动平衡装置1—锥齿轮；2—行星轮；3—滚子；4—外壳；5—螺母；6—锁紧螺母4.1.1滚珠丝杠螺母机构图4-11数控铣床升降台的4.1.1滚珠丝杠螺母机构7.滚珠丝杠螺母机构的主要尺寸及计算公式如图4-12所示为滚珠丝杠螺母机构的主要尺寸参数。图4-12

滚珠丝杠螺母机构的主要尺寸4.1.1滚珠丝杠螺母机构7.滚珠丝杠螺母机构的主要尺寸4.1.1滚珠丝杠螺母机构1）公称直径公称直径D0指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠珠心的圆柱直径。它是滚珠丝杠螺母机构的特征尺寸。2）基本导程基本导程p（也称为螺距）是指丝杠相对于螺母旋转一周时，螺母上基准点的轴向位移。3）行程行程H是指丝杠相对于螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点的轴向位移。4.1.1滚珠丝杠螺母机构1）公称直径8.滚珠丝杠螺母的精度与代号4.1.1滚珠丝杠螺母机构1）滚珠丝杠螺母机构的精度根据国家标准GB/T

17587.3—1998的规定,滚珠丝杠螺母机构按其使用范围及要求分为6个精度等级，即C、D、E、F、Ｇ、H级，C级精度最高，H级精度最低。滚珠丝杠螺母机构的精度包括各元件的精度和装配后的综合精度，其中，有导程误差、丝杠螺纹外径对螺纹轴线的径向圆跳动、丝杠和螺母表面粗糙度、有预加载荷时螺母安装端面对丝杠螺纹轴线的圆跳动、有预加载荷时螺母安装直径对丝杠螺纹轴线的径向圆跳动以及公称直径变动量等。8.滚珠丝杠螺母的精度与代号4.1.1滚珠丝杠螺母机构14.1.1滚珠丝杠螺母机构2）滚珠丝杠螺母机构的型号及标注滚珠丝杠螺母机构的标注采用汉语拼音字母、数字及汉字。具体标注形式各制造厂略有不同。如FFZD405-3-D3/1400×900（南京工艺装备制造厂），表示浮动式内循环、法兰与直筒螺母组合垫片预紧，公称直径40mm，基本导程5mm，承载滚珠总圈数为3圈，D级精度，检验1~3项，右旋，丝杠全长1400mm，螺纹长度900mm。FC1B-6006-5-E2左（汉江机床厂），表示法兰凸出式插管型，变位螺距，预加载荷，公称直径60mm，基本导程6mm，每个螺母上承载滚珠总圈数为5圈，E级精度，检查1、2项，左旋螺纹。滚珠丝杠螺母机构的型号根据其结构、规格、精度和螺纹旋向等特征按格式编写，如图4-13所示。4.1.1滚珠丝杠螺母机构2）滚珠丝杠螺母机构的型号及标4.1.1滚珠丝杠螺母机构图4-13

滚珠丝杠螺母机构的标注4.1.1滚珠丝杠螺母机构图4-13滚珠丝杠螺母机构4.1.2齿轮传动机构齿轮机构是现代机械中应用最广泛的一种传动机构。与其它传动机构相比，齿轮机构的优点是结构紧凑，工作可靠，效率高，寿命长，能保证恒定的传动比，而且其传递的功率与使用的速度范围大。但是，其制造安装费用较高，低精度齿轮传动的振动噪声较大。齿轮机构是通过一对对轮齿齿面的依次啮合来传递两轴之间的运动和动力的，根据一对齿轮实现传动比的情况，它可以分为定传动比和变传动比齿轮机构。

4.1.2齿轮传动机构齿轮机构是现代机械中应用最广泛的一4.1.2齿轮传动机构1.齿轮传动机构的类型1）平行轴齿轮传动机构平行轴齿轮传动机构即两齿轮的传动轴线平行，是一种平面齿轮传动机构，包括外啮合齿轮传动机构、内啮合齿轮传动机构和齿轮齿条啮合传动机构。2）相交轴齿轮传动机构相交轴齿轮传动机构两齿轮的传动轴线相交于一点，是一种空间齿轮传动机构。3）交错轴齿轮传动机构交错轴齿轮传动机构两齿轮的传动轴线为空间任意交错位置，它也是空间齿轮传动机构。4.1.2齿轮传动机构1.齿轮传动机构的类型4.1.2齿轮传动机构2.齿轮传动机构在机电一体化设备中的应用齿轮传动主要用于各种类型数控机床，如数控机床的伺服电动机或步进电动机通常要通过齿轮传动装置传递转矩和转速，并使电动机和螺旋传动机构及负载（即工作台）之间的转矩与转速得到匹配。因此，齿轮传动机构（齿轮减速箱）的设计是整个数控机床机械传动系统设计的一个重要组成部分。由于数控机床的电动机转速较高，而机械系统驱动的工作台的移动速度有时不能太高，变换范围也不能太大，故往往采用齿轮传动机构将电动机输出轴的高转速低转矩转换成为负载轴所要求的低转速高转矩。在设计中还要考虑刚度、强度、精度及转动惯量和摩擦等因素。4.1.2齿轮传动机构2.齿轮传动机构在机电一体化设备中4.1.2齿轮传动机构3.机电一体化系统对齿轮传动机构的要求1）传动精度传动精度由传动件的制造误差、装配误差、传动间隙和弹性变形等决定。对于开环控制来说，传动误差直接影响整个系统的精度。2）稳定性对于闭环控制来说，齿轮传动机构完全在伺服回路内，其性能参数将直接影响整个系统的稳定性。因此，应考虑提高传动系统的固有频率和提高系统的阻尼能力，以便增加传动系统的抗振性能，满足稳定性要求。3）响应速度无论开环控制系统还是闭环控制系统，齿轮传动机构都将影响整个系统的响应速度。从这个角度考虑，齿轮传动机构的角加速度是关键因素，可以采取减少传动装置摩擦，减小转动惯量，提高传动效率等措施。4.1.2齿轮传动机构3.机电一体化系统对齿轮传动机构的4.1.2齿轮传动机构4.齿轮传动机构的主要选取原则1）选择总传动比齿轮传动机构的总传动比设计原则是基于使系统动作稳、准、快的要求之上的，在确定系统总传动比时，可按使工作时电动机轴上的峰值转矩最小的原则计算。对于数控机床的齿轮传动，应采用设计结构和制造工艺简单，且易获得高精度的渐开线圆柱直齿轮传动。设计时，先确定传动形式和传动方案，然后再根据最佳匹配原则计算出总传动比，随后确定齿轮传动链的各级传动比。2）选择传动机构类型一般齿轮传动机构按轮齿形成的基面不同有圆柱、圆锥、蜗轮蜗杆3种，按齿形不同有直齿、斜齿和曲线齿等类型。在选择传动机构类型时，要根据实际情况，如输入轴和输出轴的空间位置关系以及传动比大小等来选择。4.1.2齿轮传动机构4.齿轮传动机构的主要选取原则4.1.2齿轮传动机构3）确定传动级数及传动比分配按提高转角精度的原则分配传动比，要提高传动精度按获得最小等效转动惯量的原则分配传动比。按重量最轻的原则分配传动比

5.齿轮材料的选用原则机电一体化设备中，齿轮材料的选用主要是指根据齿轮工作状况，对材料提出要求及选择合适的热处理方式。一般要求材料耐磨性好，抗腐蚀性好，强度、刚度和可加工性均好。另外，由于齿轮是成对使用的，为了使大小两齿轮的强度和耐磨性接近相等，小齿轮的材料应好于大齿轮的，其齿面硬度也要高一些。4.1.2齿轮传动机构3）确定传动级数及传动比分配4.1.2齿轮传动机构6.齿轮传动机构齿侧间隙消除方法1）直齿圆柱齿轮传动间隙的消除直齿圆柱齿轮传动间隙的消除方法主要有轴向垫片调整法、偏心套调整法和双片薄齿轮错齿调整法等。（1）轴向垫片调整法。如图4-14所示，两个齿轮沿齿宽方向制造成稍有锥度，当齿轮1不动时，调整轴向垫片3的厚度，使齿轮2作轴向位移,从而减小啮合间隙。这种方法的结构简单，传动刚性好，但调整后的间隙不能自动补偿。图4-14

轴向垫片调整法1、2—齿轮；3—垫片4.1.2齿轮传动机构6.齿轮传动机构齿侧间隙消除方法图4.1.2齿轮传动机构（2）偏心套调整法。如图4-15所示，电动机通过偏心套2安装在壳体上。转动偏心套2就能调整两圆柱齿轮的中心距，从而减小齿轮的侧隙。这种方法同样是结构简单，传动刚性好，调整后的间隙也不能自动补偿。图4-15

偏心套调整法1、3—齿轮；2—偏心套4.1.2齿轮传动机构（2）偏心套调整法。如图44.1.2齿轮传动机构（3）双片薄齿轮错齿调整法。如图4-16所示，相互啮合的一对齿轮中的一个做成两个薄片齿轮7和8，两薄片齿轮套在一起，彼此可作相对转动。两个薄片齿轮的端面上，分别装有螺纹凸耳5和螺纹凸耳6，拉簧1的一端钩在螺纹凸耳5上，另一端钩在穿过螺纹凸耳6的调节螺钉4上，在拉簧的拉力作用下，两个薄片齿轮的轮齿互相错位，分别贴紧在与之啮合的齿轮（图中未画出）左、右齿廓面上，消除了它们之间的齿侧间隙。拉簧1的拉力大小可由调整螺母2调整。4.1.2齿轮传动机构（3）双片薄齿轮错齿调整法。如图44.1.2齿轮传动机构图4-16

双片薄齿轮错齿调整法1—拉簧；2—调整螺母；3—锁紧螺母；4—调节螺钉；5、6—螺纹凸耳；7、8—薄片齿轮4.1.2齿轮传动机构图4-16双片薄齿轮错齿调整法4.1.2齿轮传动机构2）斜齿圆柱齿轮传动间隙的消除斜齿圆柱齿轮传动间隙的消除方法主要有垫片调整法、轴向压簧调整法等。(1)垫片调整法。如图4-17所示，在两个薄片斜齿轮3和4中间，加一个垫片2，垫片2使齿轮3和齿轮4的螺旋线错位，从而消除齿侧间隙。图4-17

斜齿轮垫片调整法4.1.2齿轮传动机构2）斜齿圆柱齿轮传动间隙的消除图44.1.2齿轮传动机构（2）轴向压簧调整法。如图4-18所示，两个薄片斜齿轮1和2用键套在轴5上，螺母4可调整弹簧3对齿轮2的轴向压力，使齿轮1和2的齿侧分别贴紧宽齿轮6的齿槽两侧面，以消除间隙。图4-18

斜齿轮压簧调整法1、2—薄片斜齿轮；3—弹簧；4—螺母；5—轴；6—宽齿轮4.1.2齿轮传动机构（2）轴向压簧调整法。如图4-184.1.2齿轮传动机构3）锥齿轮传动间隙的消除锥齿轮传动间隙可以采用轴向压簧法消除。如图4-19所示，锥齿轮1和2相啮合，在装锥齿轮1的轴5上装有弹簧3，螺母4用来调整弹簧3的弹力，锥齿轮1在弹簧力作用下稍有轴向移动就能消除锥齿轮1和2的间隙。图4-19

锥齿轮传动间隙的消除1、2—锥齿轮；3—弹簧；4—螺母；5—轴4.1.2齿轮传动机构3）锥齿轮传动间隙的消除图4-194.1.3同步带传动机构

同步齿形带传动是一种新型的带传动，它是利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次相啮合来传递运动或动力。齿形带传递在数控机床上得到了广泛的应用，如图4-20所示。图4-20

同步带传动4.1.3同步带传动机构同步齿形带传动是一种4.1.3同步带传动机构1.同步带传动的特点及分类同步带传动有如下特点：（1）能方便地实现较远中心距的传动，传动比准确，传动效率高。（2）工作平稳，能吸收振动。（3）不需要润滑，耐油、水，耐高温，耐腐蚀，维护保养方便。（4）强度高，厚度小，质量轻。（5）中心距要求严格，安装精度要求高。（6）制造工艺复杂，成本高。4.1.3同步带传动机构1.同步带传动的特点及分类4.1.3同步带传动机构在数控机床、工业机器人等伺服传动中，同步带传动得到了广泛应用。同步带按照用途分为一般工业用同步带（梯形齿同步带）、大转矩同步带（圆弧齿同步带）、特种规格的同步带、特殊用途的同步带（耐油性同步带、耐热性同步带、高电阻同步带、低噪声同步带）。按规格制度分有模数制同步带（俄罗斯和东欧各国使用）和节距制同步带（全世界广泛采用的一种规格制度）。4.1.3同步带传动机构在数控机床、工业机器人等伺服传动4.1.3同步带传动机构2.齿形带的结构和规格1）齿形带的结构齿形带由强力层和带体两部分组成。强力层1是齿形带的抗拉元件，用于传递动力。目前强力层多采用伸长率小、疲劳强度高的钢丝绳、玻璃纤维绳和芳香族聚纤胺纤维（芳纶），并沿着齿形带的节线（中性层）绕成螺旋线形状。由于它在受力后基本上不产生变形，所以能保持齿形带的节距恒定，实现同步传动，如图4-21所示。图4-21

齿形带结构1—强力层；2—带齿；3—带背4.1.3同步带传动机构2.齿形带的结构和规格图4-214.1.3同步带传动机构2）主要参数与规格齿形带的主要参数包括节距、模数和其他参数与尺寸。（1）周节t。周节（又称为节距）是指相邻两齿在节线上的距离。由于强力层在工作时长度不变，所以强力层的中心线被视为齿形带的节线（中性层），并以节线的周长Lp为齿形带的公称长度。（2）模数m。带的基本特性尺寸是模数，它是周节t与π之比，即m=t/π，它是齿形带尺寸计算的一个主要依据，一般取值范围为1~10mm。（3）齿形带的其他参数与尺寸。4.1.3同步带传动机构2）主要参数与规格4.1.3同步带传动机构3.带轮的结构和尺寸小尺寸的带轮可以制成实心式的，较大尺寸的带轮可做成腹板式结构。为了防止工作时齿形带脱落，一般要在带轮两边装设挡圈，如图4-22（a）所示；当传动比大于3时，两个带轮的不同侧边上都应装有挡圈，如图4-22（b）所示；当带轮轴垂直安装时，两个带轮都需要挡圈或至少主动轮的两侧和从动轮的下侧有挡圈，如图4-22（c）所示。4.1.3同步带传动机构3.带轮的结构和尺寸4.1.3同步带传动机构图4-22

带轮的结构4.1.3同步带传动机构图4-22带轮的结构4.1.3同步带传动机构4.带轮的材料与齿形加工带轮的材料一般采用铸铁和钢，在高速、小功率场合下，还可以采用轻合金、塑料等。带轮的齿形最好采用直线齿廓的圆盘铣刀或范成直线齿廓的特制滚刀加工；小批量生产时，也可以用8号渐开线圆盘铣刀或标准齿轮滚刀加工。4.1.3同步带传动机构4.带轮的材料与齿形加工4.1.4间歇传动机构间歇传动机构是将输入元件的连续运动转换为间歇运动的传动机构。常用的间歇传动机构有棘轮传动机构、槽轮传动机构、不完全齿轮传动机构和凸轮传动机构4种类型。4.1.4间歇传动机构间歇传动机构是将输入元件的连续运动4.1.4间歇传动机构1.棘轮传动机构1）棘轮传动机构的工作原理棘轮传动机构主要用于将原动机构的连续运动转换成间歇运动。它主要由棘轮和棘爪组成，其工作原理如图4-23所示。棘爪1装在摇杆4上，能围绕O1点转动，摇杆空套在棘轮凸缘上作往返摆动。当摇杆作逆时针方向摆动时，棘爪与棘轮2的齿啮合，克服棘轮轴上的外加力矩M，推动棘轮朝逆时针方向转动，此时止动爪3在棘轮齿上打滑。当摇杆摆过一定角度λ而反向作顺时针方向摆动时，止动爪3把棘轮卡住，使其不致因外加力矩M的作用而随同摇杆一起作返回转动，此时棘爪1在棘轮齿上打滑而返回到起始位置。摇杆如此往复不停地摆动时，棘轮就不断地按逆时针方向间歇地转动。扭簧5用于帮助棘爪与棘轮齿啮合。4.1.4间歇传动机构1.棘轮传动机构4.1.4间歇传动机构图4-23

棘轮传动机构1—棘爪；2—棘轮；3—止动爪；4—摇杆；5—扭簧4.1.4间歇传动机构图4-23棘轮传动机构1—棘爪4.1.4间歇传动机构2）棘轮传动机构的类型常用棘轮传动机构可分为轮齿式棘轮传动机构与摩擦式棘轮传动机构两大类。（1）轮齿式棘轮传动机构。轮齿式棘轮传动机构按啮合方式可分为内啮合轮齿式棘轮传动机构与外啮合轮齿式棘轮传动机构，分别如图4-24和图4-25所示。图4-24

内啮合轮齿式棘轮传动机构图4-25

外啮合轮齿式棘轮传动机构4.1.4间歇传动机构2）棘轮传动机构的类型图4-244.1.4间歇传动机构如图4-26所示，将棘爪绕自身轴线转一定角度后固定，棘轮在正、反两个转动方向都可实现间歇转动。图4-26

双向式棘轮传动机构4.1.4间歇传动机构如图4-26所示，将棘爪绕自身轴线4.1.4间歇传动机构（2）摩擦式棘轮传动机构。摩擦棘轮传动机构可分为偏心楔块式棘轮传动机构和滚子楔紧式棘轮传动机构。若要实现转角的无级化，则可采用摩擦式棘轮传动机构，如图4-27所示。这种机构与外啮合式棘轮传动机构传动过程相似，当摆杆1作逆时针摆动时，利用楔块3与摩擦轮2之间的摩擦力产生自锁从而带动摩擦轮2和摆杆一起转动；当摆杆顺时针摆动时，楔块3与摩擦轮2之间产生滑动。这是由于楔块3的自锁作用能阻止摩擦轮2反转。这样，在摆杆不断作往复运动时，摩擦轮2便作单向的间歇运动。图4-27

偏心楔块式棘轮传动机构1—摆杆；2—摩擦轮；3—楔块4.1.4间歇传动机构（2）摩擦式棘轮传动机构。摩擦棘轮4.1.4间歇传动机构如图4-28所示为常用的滚子楔紧式棘轮传动机构，构件1逆时针转动或构件3顺时针转动时，在摩擦力作用下能使滚子2楔紧在构件1与3所形成的收敛狭隙处，则构件1和3成为一体一起转动；运动方向相反时，即当构件1顺时针或构件3逆时针转动时，构件1与3成为脱离状态，主动件不能带动从动件转动。图4-28

滚子楔紧式棘轮传动机构1、3—构件；2—滚子4.1.4间歇传动机构如图4-28所示为常用的滚子楔紧式4.1.4间歇传动机构3）棘轮传动机构的特点和应用轮齿式棘轮传动机构结构简单，易于制造，运动可靠，棘轮转角容易实现有级调整，但棘爪在齿面滑过会引起噪声与冲击，高速时更为严重。因此，轮齿式棘轮传动机构经常在低速、轻载的场合用作间歇运动控制。摩擦式棘轮传动机构传递运动较平稳，无噪音，从动件的转角可作无级调整。其缺点是难以避免打滑现象，因此，运动的准确性较差，不适合用于传递精确运动的场合。4.1.4间歇传动机构3）棘轮传动机构的特点和应用4.1.4间歇传动机构2.槽轮传动机构1）槽轮传动机构的组成及其工作原理如图4-29所示为外啮合槽轮传动机构。它是由装有圆柱销的主动拨盘1和开有径向槽的从动槽轮2及机架组成的高副机构。主动拨盘1上的圆柱销A进入槽轮2的径向槽之前，槽轮2的4段内凹锁止弧n-n被锁住，故槽轮2静止不动。图4-29所示为圆柱销A开始进入槽轮径向槽时，锁止弧n-n刚好被松开，圆柱销A将驱动槽轮转动。当圆柱销A开始脱出径向槽时，槽轮的另一内凹锁止弧再被拨盘上的外凸圆弧m-m锁住，使槽轮2又静止不动，直至圆柱销A再次进入槽轮上另一径向槽时，槽轮重新被圆柱销驱动。因此，当主动拨盘1作连续转动时，槽轮2被驱动作单向间歇转动。4.1.4间歇传动机构2.槽轮传动机构4.1.4间歇传动机构图4-29

外啮合槽轮传动机构1—拨盘；2—槽轮4.1.4间歇传动机构图4-29外啮合槽轮传动机构14.1.4间歇传动机构2）槽轮传动机构的基本类型及其应用常见的槽轮传动机构有两种类型：一种是外啮合槽轮传动机构（见图4-29），其主动拨盘与从动槽轮转向相反；另一种为内啮合槽轮传动机构，如图4-30所示，其主动拨盘与从动槽轮转向相同。图4-30

内啮合槽轮传动机构1—拨盘；2—槽轮4.1.4间歇传动机构2）槽轮传动机构的基本类型及其应用4.1.4间歇传动机构这两类槽轮传动机构除从动件转向不同外，内啮合槽轮传动机构还具有结构紧凑、传动较平稳、槽轮停歇时间较短等优点。实际应用中，可根据这些特点选用所需的槽轮传动机构。如图4-31所示为电影放映机的间歇卷片机构，如图4-32所示为槽轮传动机构用作间歇转位机构。图4-31

间歇卷片机构1—拨盘；2—槽轮图4-32

间歇转位机构1—拨盘；2—槽轮4.1.4间歇传动机构这两类槽轮传动机构除从动件4.1.4间歇传动机构3.不完全齿轮传动机构1）不完全齿轮传动机构的工作原理不完全齿轮传动机构是由普通渐开线齿轮传动机构演变而成的一种间歇运动机构。它与普通齿轮传动机构的不同之处是：轮齿没有布满整个节圆圆周，在无轮齿处有锁止弧S1、S2，如图4-33所示。图4-33

不完全齿轮传动机构1—主动轮；2—从动轮4.1.4间歇传动机构3.不完全齿轮传动机构图4-334.1.4间歇传动机构与齿轮传动相似，不完全齿轮传动还有如图4-34和图4-35所示的内啮合齿轮传动和齿轮齿条传动等方式。图4-34

内啮合不完全齿轮传动机构图4-35

不完全齿轮齿条传动机构1—主动轮；2—从动轮1—棘爪；2—棘轮；3—不完全齿轮；4—齿条；5—机架4.1.4间歇传动机构与齿轮传动相似，不完全齿轮传动还有4.1.4间歇传动机构2）不完全齿轮传动机构的应用及特点不完全齿轮传动机构广泛应用于各种计数器以及工位自动机和半自动机中。与其它间歇运动机构相比，它结构简单，制造方便；缺点是从动轮在转动开始及末了时，速度均有突变，冲击较大，故一般只用于低速的场合。

4.凸轮传动机构如图4-36所示，凸轮传动机构是由圆柱凸轮1及在端面上固定有圆周分布的若干滚子3的转盘2等组成。当圆柱凸轮1转过曲线槽所对应的角度时，凸轮曲线槽推动滚子3，使转盘2转过相邻两滚子所夹的中心角；但凸轮继续转过其余角度时，转盘2静止不动。这样，当凸轮连续转动时，就可得到转盘的间歇转动，用以传递交错轴间的分度运动。4.1.4间歇传动机构2）不完全齿轮传动机构的应用及特点4.1.4间歇传动机构图4-36

凸轮传动机构1—凸轮；2—转盘；3—滚子4.1.4间歇传动机构图4-36凸轮传动机构1—凸轮4.1.5其他传动机构1.谐波齿轮传动机构谐波齿轮传动机构的工作原理如图4-37所示。谐波齿轮传动机构主要由波发生器H、柔轮1和钢轮2组成。柔轮具有外齿，钢轮具有内齿，它们的齿形为三角形或渐开线形。两者的齿距相等，但齿数不同。钢轮的齿数比柔轮齿数多。柔轮的轮缘极薄，刚度很小，在未装配前，柔轮是圆形的。由于波发生器的直径比柔轮内圆的直径略大，所以当波发生器装入柔轮的内圆时，就迫使柔轮变形，呈椭圆形。在椭圆长轴的两端(图4-37中A点、B点)，钢轮与柔轮的轮齿完全啮合；而在椭圆短轴的两端(图4-37中C点、D点)，两轮的轮齿完全分离，长短轴之间的齿则处于半啮合状态，即一部分正在啮入，一部分正在啮出。4.1.5其他传动机构1.谐波齿轮传动机构4.1.5其他传动机构图4-37

谐波齿轮传动机构1—柔轮；2—钢轮4.1.5其他传动机构图4-37谐波齿轮传动机构1—4.1.5其他传动机构2.软轴传动机构软轴又称为钢丝软轴，是由几层紧密缠在一起的弹簧钢丝层构成的，相邻层的缠绕方向相反，如图4-38所示。工作时，相邻两层钢丝中的一层趋于拧紧，另一层趋于拧松，以使各层钢丝间趋于压紧，传递转矩。图4-38

钢丝软轴的绕制4.1.5其他传动机构2.软轴传动机构图4-38钢丝4.1.5其他传动机构3.滚珠花键传动机构滚珠花键传动机构的结构如图4-39所示。花键轴的外圈均布3条凸起轨道，配有6条承载滚珠列及对应有6条退出滚珠列。轨道横截面为近似滚珠的凹圆形，以减少接触应力。承受载荷及转矩正转时，3条承载滚珠列自动定心；反转时，另外3条承载并自动定心。这种结构使切向间隙减小，必要时还可以用一个花键螺母在旋转方向施加预紧力后再锁紧，使其刚度高、定位准。其外筒上开有键槽，用于连接其他传动件。保持架能使滚珠相互不产生摩擦，拆卸时不至于脱落。为提高滚珠花键的使用寿命，用橡皮密封垫防尘，并通过油孔注入润滑油。4.1.5其他传动机构3.滚珠花键传动机构4.1.5其他传动机构图4-39

滚珠花键传动机构的结构4.1.5其他传动机构图4-39滚珠花键传动机构的结4.2机电一体化系统的常用导向支承部件在机电一体化机械系统中，导向支承部件的作用是支承和限制运动部件能按给定的运动要求和运动方向运动，这样的部件通常称为导轨副，简称导轨。

导轨的组成和分类滑动导轨滚动导轨液体静压导轨4.2机电一体化系统的常用导向支承部件在机电一体化机械系4.2.1导轨的组成和分类导轨主要由两部分组成：在工作时一部分固定不动，称为支承导轨；另一部分相对支承导轨作直线或回转运动，称为动导轨。常用的导轨种类很多，按其接触面的摩擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨等。按其结构特点分为开式（借助重力或弹簧力保证运动件与承导面之间的接触）导轨和闭式（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）导轨。根据导轨之间的摩擦情况，常用导轨有滑动导轨和滚动导轨。滑动导轨的两导轨工作面的摩擦性质为滑动摩擦，滚动导轨的两导轨工作面的摩擦性质为滚动摩擦。运动导轨相对于支承导轨的运动，通常是直线运动或回转运动。目前，数控机床上的导轨型式主要有滑动导轨、滚动导轨和液体静压导轨等。4.2.1导轨的组成和分类导轨主要由两部分组成：在工作时一4.2.1导轨的组成和分类机电一体化系统对导轨的要求：导向精度高。导向精度是指机床的运动部件沿导轨移动时的直线性和与有关基面之间的相互位置的准确性。无论在空载或工作状态下导轨都应有足够的导向精度。耐磨性好。导轨的耐磨性是指导轨在长期使用过程中能否保持一定的导向精度。足够的刚度。导轨受力变形会影响部件之间的导向精度和相对位置，故要求导轨应有足够的刚度。低速运动平稳性。应使导轨的摩擦阻力小，运动轻便，低速运动时无爬行现象。结构简单、工艺性好。4.2.1导轨的组成和分类机电一体化系统对导轨的要求：4.2.2滑动导轨

滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高等优点，在数控机床上应用广泛。但对于金属对金属型式的导轨，静摩擦系数大，动摩擦系数随速度变化而变化，在低速时易产生爬行现象。可通过选用合适的导轨材料、热处理方法，提高导轨的耐磨性，改善摩擦特性。例如，可采用优质铸铁、耐磨铸铁或镶淬火钢导轨，采用导轨表面滚压强化、表面淬硬、镀铬、镀钼等方法提高导轨的耐磨性能。目前多数使用金属对塑料型式的导轨，称为贴塑导轨。贴塑滑动导轨的塑料化学成分稳定、摩擦系数小、耐磨性好、耐腐蚀性强、吸振性好、密度小、加工成形简单，能在任何液体或无润滑条件下工作。其缺点是耐热性差、热导率低、线膨胀系数比金属大、在外力作用下易产生变形、刚性差、吸湿性大、影响尺寸稳定性。

4.2.2滑动导轨滑动导轨具有结构简单、4.2.2滑动导轨目前，国内外应用较多的贴塑导轨有以下两种：（1）以聚四氟乙烯为基体，添加合金粉和氧化物等构成的高分子复合材料。聚四氟乙烯的摩擦系数很小（0.04），不耐磨，因而需要添加青铜粉、石墨、MoS2、铅粉等填充材料增加耐磨性。这种高分子复合材料具有良好的耐磨和吸振性能，适用于工作温度范围广（－200～280℃），动、静摩擦系数小且相差不大的情况；防爬行性能好，可在干摩擦下使用，能吸收外界进入导轨面的硬粒，使配对金属导轨不被拉伤和磨损；可制成塑料软带。目前我国已有TSF、F4S等标准软带产品，产品厚度有0.8mm、1.1mm、1.4mm、1.7mm、2mm等几种，宽度有150mm、300mm两种，长度有500mm以上的几种规格。4.2.2滑动导轨目前，国内外应用较多的贴塑导轨有以下两4.2.2滑动导轨（2）以环氧树脂为基体，加入MoS2、胶体石墨、TiO2等制成的抗磨涂层材料。这种涂料附着力强，可用涂敷工艺或压注成形工艺涂到预先加工成锯齿形状的导轨上，涂层厚度1.5~2.5mm。我国已生产有环氧树脂耐磨涂料（HNT），它用于铸铁的导轨副中，摩擦系数为0.1~0.12，在无润滑油情况下仍有较好的润滑和防爬行性能。贴塑导轨主要用于大型及重型数控机床上，贴塑导轨的塑料软带一般贴在长度较短的动导轨上，不受导轨形式的限制，各种组合形式的滑动导轨均可粘贴，如图4-40所示为几种贴塑导轨的结构。4.2.2滑动导轨（2）以环氧树脂为基体，加4.2.2滑动导轨图4-40

贴塑导轨的结构4.2.2滑动导轨图4-40贴塑导轨的结构4.2.3滚动导轨

滚动导轨在导轨面之间放置滚珠、滚柱或滚针等滚动体，使导轨面之间为滚动摩擦而不是滑动摩擦。滚动导轨的灵敏度高，摩擦系数小，且其动、静摩擦系数相差很小，因而运动均匀，尤其是在低速移动时，不易出现爬行现象；定位精度高，重复定位精度可达0.2μm；牵引力小，移动轻便；磨损小，精度保持性好，使用寿命长。但滚动导轨的抗振性差，对防护要求高，结构复杂，制造困难，成本较高。常见的滚动导轨是直线滚动导轨,如图4-41所示。直线滚动导轨由一根长导轨（导轨条）和一个或几个滑块组成。图4-41直线滚动导轨1—导轨条；2—循环滚珠滑块；3—抗振阻尼滑块4.2.3滚动导轨滚动导轨在导轨面之间放置滚珠、滚4.2.3滚动导轨如图4-42所示为直线滚动导轨的结构，当滑块10相对于导轨条9移动时，每一组滚动体都在各自的滚道内循环运动，其所受的载荷形式与滚动轴承类似。图4-42

直线滚动导轨的结构1、4、5、8—回珠（回柱）；2、3、6、7—滚动体；9—导轨条；10—滑块4.2.3滚动导轨如图4-42所示为直线滚动导轨的结构，4.2.3滚动导轨直线滚动导轨通常两条成对使用，可以水平安装，也可以竖直或倾斜安装。当长度不够时，可以多根接长安装。为保证两条或多条导轨平行，通常把一条导轨作为基准导轨，安装在床身的基准面上，其底面和侧面都有定位面；另一条导轨为非基准导轨，床身上没有侧面定位面。这种安装形式称为单导轨定位，如图4-43所示。单导轨定位容易安装，便于保证平行，对床身侧面定位面没有平行度要求。图4-43单导轨定位的安装1—工作台；2、3—楔块；4—基准导轨；5—床身；6—非基准导轨4.2.3滚动导轨直线滚动导轨通常两条成对使用，4.2.3滚动导轨当振动和冲击较大，精度要求较高时，两条导轨的侧面都要定位，称为双导轨定位，双导轨定位对定位面平行度要求高，如图4-44所示。图4-44双导轨定位的安装1、6—基准导轨；2、4、5—调整垫；3—工作台；7—床身4.2.3滚动导轨当振动和冲击较大，精度要求较高4.2.3滚动导轨根据滚动体的结构可以分为滚珠导轨、滚柱导轨和滚针导轨3类。（1）滚珠导轨。滚珠导轨的承载能力小，刚度低。为了防止在导轨面上产生压坑，导轨面一般采用淬火钢制成。滚珠导轨适用于运动部件质量轻，切削力不大的数控机床，如图4-45所示。图4-45滚珠导轨4.2.3滚动导轨根据滚动体的结构可以分为滚珠导轨、滚柱4.2.3滚动导轨（2）滚柱导轨。滚柱导轨的承载能力和刚度都比滚珠导轨大，适用于载荷较大的数控机床。但对于安装的偏斜反应大，支承导轨的轴线与动导轨的轴线平行度误差不大时，也可能引起偏移和侧向滑动，使导轨磨损加快、精度降低。小滚柱（<10mm）比大滚柱（>25mm）对导轨面不平行更敏感，同时小滚柱的抗振性高，如图4-46所示。图4-46滚柱导轨4.2.3滚动导轨（2）滚柱导轨。滚柱导轨的承载能力和刚4.2.4液压静压导轨

液体静压导轨分为开式和闭式两种。如图4-47所示为开式液体静压导轨的工作原理图。来自液压泵的压力油（压力p0）经节流阀4后，压力降至p1，进入导轨面，借助压力将动导轨浮起，使导轨面间以一层厚度为h0的油膜隔开，油腔中的油不断地经过各封油间隙流回油箱。当动导轨受到外负荷F作用时，使动导轨向下产生一个位移，导轨间隙由h0减小至h，使油腔回油阻力增大，油压增大，以平衡负载，使导轨仍在纯液体摩擦下工作。图4-47开式液体静压导轨工作原理1—液压泵；2—溢流阀；3—过滤器；4—节流阀；5—动导轨；6—床身导轨4.2.4液压静压导轨液体静压导轨分为开式和闭式4.2.4液压静压导轨如图4-48所示为闭式液体静压导轨的工作原理图。闭式液体静压导轨的各个方向的导轨面上均加工有油腔，所以闭式液体静压导轨具有承受各方向载荷的能力。设油腔各处的压力分别为p1、p2、p3、p4、p5、p6，当受到力矩M作用时，p1、p6处间隙变小，压力增大；而p3、p4处间隙变大，压力变小，这样形成一个与力矩M反向的力矩，从而使导轨保持平衡。图4-48闭式液体静压导轨工作原理1、2—导轨；3—节流阀；4、7—过滤器；5—液压泵；6—溢流阀；8—油箱4.2.4液压静压导轨如图4-48所示为闭式液体静压导轨4.3轴系轴系是由轴、轴上回转零部件（带轮、齿轮）和支承、固定轴上回转零部件的零件（轴承、键、套筒等）组成的传动系统。4.3轴系轴系是由轴、轴上回转零部件（带轮、齿轮）和支承4.3轴系1.轴轴是组成轴系的一个重要零件，它用来支承旋转的机械零件、传递运动和动力。根据轴所起的作用与所承受的载荷，可分为心轴、转轴及传动轴等。（1）心轴。只承受弯矩、不承受转矩的轴称为心轴。心轴可以是转动的，如滑轮用键相连接的心轴；心轴可以是不转动的，如与滑轮配合的心轴。（2）转轴。工作时既承受弯矩又承受转矩的轴称为转轴，如齿轮减速器中的轴。转轴是最常见的轴。（3）传动轴。工作时主要承受转矩作用的轴称为传动轴，如汽车变速箱到后桥传动装置的传动轴。4.3轴系1.轴4.3轴系2.轴承机电一体化设备的精密机械中支承的结构和类型很多，按照它相对于回转轴颈工作表面的摩擦性质可分为滚动摩擦轴承和滑动摩擦轴承。轴承是精密机械中关键零部件之一，其质量好坏，结构形式选择是否合理，对产品的工作精度、灵敏度、传动效率、成本、可靠性、可维修性等都有很大的影响。4.3轴系2.轴承4.3轴系1）标准滚动轴承标准滚动轴承的尺寸规格已标准化、系列化，由专门生产厂大量生产。使用时，主要根据刚度和转速来选择。如有要求，则还应考虑其他因素，如承载能力、抗振性和噪声等。近年来，为适应各种不同的要求，还开发了不少新型轴承用于机电一体化系统。

4.3轴系1）标准滚动轴承4.3轴系（1）空心圆锥滚子轴承。如图4-49所示是双列和单列空心圆锥滚子轴承。一般将双列(见图4-49a)的用于前支承，单列（见图4-49b）的用于后支承，配套使用。图4-49

空心圆锥滚子轴承4.3轴系（1）空心圆锥滚子轴承。如图4-49所示是双列4.3轴系空心圆锥滚子轴承的滚子是中空的，保持架则是整体加工的，这是它与一般圆锥滚子轴承的不同之处。因为保持架与滚子之间没有间隙，工作时润滑油的大部分将被迫通过滚子中间的小孔，以便冷却最不易散热的滚子，润滑油的另一部分则在滚子与滚道之间通过，起润滑作用。此外，中空的滚子还具有一定的弹性变形能力，可吸收一部分振动。双列轴承的两列滚子数目相差一个，使两列的刚度变化频率不同，以抑制振动。单列轴承外圈上的弹簧用作预紧。这两种轴承的外圈较宽，因此，与箱体孔的配合可以松一些。箱体孔的圆度和圆柱度误差对外圈滚道的影响较小。由于空心圆锥滚子轴承用油润滑，因此，常用于卧式主轴系统。如图4-50所示为主轴系统中的空心圆锥滚子轴承，其中螺母2用于调整轴承间隙。4.3轴系空心圆锥滚子轴承的滚子是中空的，保持架4.3轴系图4-50

主轴系统中的空心圆锥滚子轴承1—弹簧；2—螺母；3—滚子；4—外圈4.3轴系图4-50主轴系统中的空心圆锥滚子轴承1—4.3轴系

（2）陶瓷滚动轴承。陶瓷滚动轴承的结构与一般滚动轴承相同。目前常用的陶瓷材料为Si3N4。由于陶瓷热传导率低，不易发热，硬度高、耐磨，在采用油脂润滑的情况下，轴承内径为25~100mm时，主轴转速可达800~15000r/min。在油雾润滑的情况下，轴承内径在65~100mm时，主轴转速可达1500~20500r/min；在轴承内径为40~60mm时，主轴转速可达20000~30000r/min。陶瓷滚动轴承主要用于中、高速运动主轴的支承。

2）非标准滚动轴承机电一体化设备的精密机械中，由于结构尺寸的限制，不能用标准滚动轴承时，可采用非标准（散装）滚动轴承。这种轴承可以没有保持架、内圈和外圈，钢球的滚道就在轴颈和轴承座上。构成滚道面的零件材料通常为T8、T10、GCr15，淬火硬度为55~60HRC，表面粗糙度Ra为0.05~0.4μm。高硬度、低粗糙度可以减小摩擦和降低磨损，低粗糙度还可以提高抗腐蚀性。4.3轴系（2）陶瓷滚动轴承。陶瓷滚动轴承的结4.3轴系（1）微型滚动轴承。如图4-51所示为无内环微型向心推力轴承，具有杯形外圈，尺寸D≥1.1mm，没有内环，锥形轴颈直接与滚珠接触，由弹簧或螺母调整轴承间隙。当尺寸D>4mm时，可有内环，如图4-52（a）所示，采用碟形垫圈来消除轴承间隙，如图4-52（b）所示的轴承内环可以与轴一起从外环和滚珠中取出，装拆比较方便。图4-51

无内环微型滚动轴承4.3轴系（1）微型滚动轴承。如图4-51所示为无内环微4.3轴系图4-52

有内环微型滚动轴承4.3轴系图4-52有内环微型滚动轴承4.3轴系（2）密珠轴承。密珠轴承是一种新型的滚动轴承。它由内、外圈和密集于两者间并具有过盈配合的钢珠组成。它有径向轴承和推力轴承两种形式分别如图4-53（a）和图4-53（b）所示。密珠轴承的内外滚道和止推面分别是指其内圆柱面、外圆柱面和平面，在滚道间密集地安装有滚珠。滚珠在其尼龙保持架的空隙中以近似于多头螺旋线的形式排列，分别如图4-53（c）、（d）所示。每个滚珠公转时均沿着自己的滚道滚动而互不干涉，以减少滚道的磨损。滚珠的密集还有助于减小滚珠几何误差对主轴轴线位置的影响，具有误差平均效应，有利于提高主轴精度。滚珠与内、外圈之间保持有0.005~0.012mm的预加过盈量，以消除间隙，增加刚度，提高轴的回转精度。4.3轴系（2）密珠轴承。密珠轴承是一种新型的滚动轴承。4.3轴系图4-53

密珠轴承4.3轴系图4-53密珠轴承4.3轴系3）液体静压轴承液体静压轴承由静压轴承、节流器和供油装置3部分组成，如图4-54所示。如图4-55（a）所示为液体静压轴承的工作原理图。如图4-55（b）所示为轴承的内圆柱面，圆柱面上对称地开有4个矩形油腔2，油腔和油腔之间开有回油槽3，油腔和回油槽之间的圆弧面4称为轴向封油面，轴承两端面和油腔之间的圆弧面1称为径向封油面。轴装入轴承后，轴承径向封油面与轴颈间有一个适量的间隙。轴承在运转过程中，间隙增大的一侧油压降低，而与其相反的一侧间隙减小，油压升高，促使轴向间隙增大的一侧移动，因此，轴总能在这种动态中保持平衡状态。图4-54

液体静压轴承的组成4.3轴系3）液体静压轴承图4-54液体静压轴承的组4.3轴系图4-55

液体静压轴承的工作原理1、4—圆弧面；2—油腔；3—回油槽4.3轴系图4-55液体静压轴承的工作原理1、4—圆4.3轴系4）气体静压轴承气体静压轴承是利用气体作为润滑剂的轴承。如图4-56所示为气体静压向心轴承的简图。由专门的供气装置输出的压缩气体进入轴承2的圆柱容腔，并通过沿轴承圆周均匀分布与端面有一定距离的两排进气孔3（又称节流孔），进入轴1和轴承2之间的间隙，然后沿轴向流至轴承端部，并由此进入大气，其工作原理与液体静压轴承相同。图4-56

气体静压向心轴承1—轴；2—轴承；3—进气孔4.3轴系4）气体静压轴承图4-56气体静压向心轴承4.3轴系气体静压轴承与液体静压轴承相比较，其主要特点如下：（1）气体的内摩擦很小，黏度极低，故摩擦损失极小，不易发热，因此，适用于转速高、灵敏度要求高的场合。（2）气体理化性能高度稳定，因而气体静压轴承可在支撑材料许可的高温、超低温和有辐射性的恶劣环境中正常工作.（3）气体静压轴承采用空气作润滑剂，能源获取方便，对环境无污染，循环系统较液体静压轴承简单。（4）负载能力低，加工精度和平衡精度要求高，气体需严格过滤。4.3轴系气体静压轴承与液体静压轴承相比较，其主要特点如4.3轴系5）磁力轴承磁力支承是利用磁场力将轴悬浮的一种新型轴承。磁力轴承的工作原理如图4-57所示。径向磁力轴承由转子4和定子6两部分组成。定子上装电磁体，使转子悬浮在磁场中。转子转动时，由位移传感器5检测转子的偏心，并通过反馈与比较元件（基准信号）1（转子的理想位置）进行比较，调节器2根据偏差信号进行调节，并把调节信号送到功率放大器3以改变电磁铁的电流，从而改变对转子的吸引力，使转子恢复到理想位置。4.3轴系5）磁力轴承4.3轴系图4-57

磁力轴承工作原理图1—比较元件；2—调节器；3—功率放大器；4—转子；5—位移传感器；6—定子4.3轴系图4-57磁力轴承工作原理图1—比较元件；24.4机械执行机构在机电一体化系统中，为实现不同的目的（功能）需要采用不同形式的执行机构，主要有机械式、电子式、激光和电动的执行机构等。执行机构是实现机电一体化产品主要功能的一个重要环节，它要能够保证按时、准确地完成预期的动作，并且要求具有动态特性好、响应速度快、精度高、灵敏度高等特点。下面对常用的3种执行机构进行简单介绍。4.4机械执行机构在机电一体化系统中，为实现不同的目的（4.4机械执行机构1.热变形执行机构热变形式执行机构属于微动机构，该类机构利用电热元件作为动力源，通过电热元件通电后产生的热变形实现微小位移。热变形式执行机构可利用变压器、变阻器等来调节传动杆的加热速度，以实现对位移速度和微进给量的控制。为了使传动杆恢复到原来的位置（或使运动件复位），可利用压缩空气或乳化液流经传动杆的内腔使之冷却。热变形式执行机构具有高刚度和无间隙的优点，并可通过控制加热电流来得到所需微量位移。但由于热惯性以及冷却速度难以精确控制等原因，这种微动系统只适用于行程较短，频率不高的场合。4.4机械执行机构1.热变形执行机构4.4机械执行机构2.磁致伸缩式执行机构磁致伸缩式执行机构利用某些材料在磁场作用下具有改变尺寸的磁致伸缩效应来实现微量位移。其特征为重复精度高，无间隙，刚度好，转动惯量小，工作稳定性好，结构简单、紧凑；但由于工程材料的磁致伸缩量有限，该类机构所提供的位移量很小，如100mm长的铁钴矾棒，磁致伸缩只能伸长7μm，因而该类机构适用于精确位移调整、切削刀具的磨损补偿及自动调节系统。4.4机械执行机构2.磁致伸缩式执行机构4.4机械执行机构3.工业机器人末端执行器工业机器人是一种自动控制，可重复编程，多功能、多自由度操作机，它能搬运物料、工件或操作工具以及完成其他各种作业的设备。工业机器人末端执行器装在操作机手腕的前端，是直接实现操作功能的机构。末端执行器因用途不同而结构各异，一般可分为机械夹持器、特种末端执行器、万能手（也称为灵巧手）3类。1)机械夹持器机械夹持器是工业机器人中最常用的一种末端执行机构。机械夹持器首先应有一定的力约束和形状约束，以保证被夹工件在移动、停留和装入过程中不改变形态。当需要松开工件时，应完全松开。另外，它还应保证工件夹持形态及工件位置偏差在给定的公差带内。4.4机械执行机构3.工业机器人末端执行器4.4机械执行机构机械夹持器常用压缩空气作为动力源，经传动机构实现手指的运动。根据手指夹持工件时的运动轨迹的不同，机械夹持器可有下述几种类型：（1）圆弧开合型夹持器。在传动机构带动下，手指指端的运动轨迹为圆弧，如图4-58所示。图4-58（a）中采用凸轮传动机构，图4-58（b）中采用连杆机构作为传动机构，夹持器工作时，两手指绕支点作圆弧运动，同时对工件进行夹持和定心。这类夹持器对工件被夹持部位的尺寸有严格要求，否则可能会造成工件状态失常。图4-58

圆弧开合型夹持器4.4机械执行机构机械夹持器常用压缩空气作为动力源，经传4.4机械执行机构（2）圆弧平行开合型夹持器。圆弧平行开合型夹持器两手指工作时作平行开合运动，而指端运动轨迹为一圆弧。如图4-59所示为采用平行四边形传动机构带动手指的平行开合夹持器的两种情况，其中图4-59（a）所示机构在夹持时指端前进，图4-59（b）所示机构在夹持时指端后退。图4-59

圆弧平行开合型夹持器4.4机械执行机构（2）圆弧平行开合型夹持器。圆弧平行开4.4机械执行机构（3）直接平行开合型夹持器。直接平行开合型夹持器两手指的运动轨迹为直线，且两指夹持面始终保持平行，如图4-60所示。图4-60（a）中采用凸轮传动机构实现两手指的平行开合，在各指的滑块上开有斜形凸轮槽，当活塞杆上下运动时，通过装在其末端的滚子在凸轮槽中运动，实现手指的平行夹持运动。图4-60（b）中采用齿轮齿条机构实现两手指的平行开合，当活塞末端的齿条带动齿轮旋转时，手指上的齿条作直线运动，从而使两手指平行开合，用来夹持工件。图4-60

直线平行开合型夹持器4.4机械执行机构（3）直接平行开合型夹持器。直接平行开4.4机械执行机构2）特种末端执行器特种末端执行器供工业机器人完成某类特定的作业，如图4-61所示为一些特种末端执行器的应用实例。下面简单介绍其中的两种。图4-61

特种末端执行器4.4机械执行机构2）特种末端执行器图4-61特种末4.4机械执行机构（1）真空吸附手。工业机器人中常把真空吸附手（见图4-61a）与负压发生器组成一个工作系统，如图4-62所示，通过控制电磁换向阀的开合可实现对工件的吸附和脱开。它结构简单，价格低廉，且吸附作业具有一定柔性，这样即使工件有尺寸偏差和位置偏差也不会影响吸附手的工作，如图4-63所示。它常用于小件搬运，也可根据工件形状、尺寸、质量大小的不同将多个真空吸附手组合使用。图4-62

负压真空吸附手1—吸附手；2—送进缸；3—电磁换向阀；4—调压单元；5—负压发生器；6—空气净化过滤器图4-63

真空吸附手的柔顺性4.4机械执行机构（1）真空吸附手。工业机器人中常把真空4.4机械执行机构（2）电磁吸附手。它利用通电线圈的磁场对可磁化材料的作用力来实现对工件的吸附作用。它同样具有结构简单、价格低廉等特点，但它吸附工件的过程是从不接触工件开始的，工件与吸附手接触之前处于漂浮状态，即吸附过程由极大的柔顺状态突变到低柔顺状态。这种吸附手的吸附力是由通电线圈的磁场提供的，因此，可用于搬运较大的可磁化性材料的工件。吸附手的形式根据吸附工件表面形状来设计。图4-61（e）中电磁吸附手用于吸附有平坦表面的工件。如图4-64所示的电磁吸附手可用于吸附不同表面形状的工件，这种吸附手在吸附部位装有磁粉袋，线圈通电前将可变形的磁粉袋贴在工件表面上，当线圈通电励磁后，在磁场作用下，磁粉袋端部外形固定成被吸附工件的表面形状，从而达到吸附不同表面形状工件的目的。4.4机械执行机构（2）电磁吸附手。它利用通电线圈的磁场4.4机械执行机构图4-64

具有磁粉袋的吸附手4.4机械执行机构图4-64具有磁粉袋的吸附手4.5机械结构对系统的影响及其改善措施机械结构因素对机电一体化系统具有较大的影响。机械零部件的几何尺寸、制造误差、安装误差直接影响着系统的灵敏性、准确性、可靠性、稳定性。本节主要针对齿轮、丝杠、导轨等机构对系统的影响进行简单阐述。4.5机械结构对系统的影响及其改善措施机械结构因素对机电4.5.1机械结构对系统的影响1.齿轮传动机构对系统的影响1）齿轮的运动误差传递运动的准确性即齿轮的运动误差，主要以齿轮的切向综合误差来衡量。它是被测齿轮与理想精确的测量齿轮单面啮合时，在被测齿轮转一周内，被测齿轮实际转角与理论转角之差，以分度圆的弧长量计。影响传递运动准确性的因素很多，根据产生的原因，可归纳为齿轮的固有误差和齿轮的装配误差两类。（1）齿轮的固有误差。齿轮的固有误差即加工齿轮过程中产生的误差，如齿轮的偏心误差、齿厚波动、基节偏差、齿形误差、齿向误差和齿轮歪斜误差等。4.5.1机械结构对系统的影响1.齿轮传动机构对系统的影4.5.1机械结构对系统的影响①偏心误差。造成齿轮偏心有两个方面因素：一是齿轮实际工作或检验时的旋转中心与齿轮加工时的旋转中心不一致而出现的中心偏移，通常称为几何偏心；二是加工轮齿时，刀具与齿轮毛坯相对滚动，速比周期性变化，造成被切齿轮基圆半径改变，产生基圆偏心，通常称为运动偏心。②齿厚波动。若齿轮上每个轮齿的厚度都相等，齿厚均匀变薄，则只影响侧隙，造成空回误差，不影响传递运动的准确性。实际上，齿厚变薄量并不相等，这样，齿厚波动将引起转角误差。③基节偏差。基节偏差主要由刀具的基节和齿形角误差所引起，与机床运动系统无关。基节偏差影响传递运动的准确性，使轮齿啮合提前或滞后，节点偏离理论啮合线，瞬时传动比发生变化。基节误差亦产生振动和噪声，影响齿轮工作平稳性。④齿形误差。齿形误差是指齿形工作部分内，包容实际齿形线的两理想齿形（渐开线）线间的法向距离。⑤齿向误差。齿向误差是在分度圆圆柱面上，全齿宽范围内包容实际齿向线的两条设计齿向线的端面距离。齿向误差也会引起转角误差。⑥齿轮歪斜误差。加工齿轮时，由于基准端面与轴心线不垂直，导致齿轮毛坯外圆面倾斜，引起齿