第二章机电一体化机械技术

第二章机电一体化机械技术本章导读机电一体化产品的机械系统通常是伺服系统的有机组成部分，是由计算机协调与控制、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，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。与传统的机械系统相比，除应具有较高的定位精度外，它还应具有良好的动态响应特性，即响应快、稳定性好。因此，在进行机电一体化产品的机械系统设计时，除考虑一般机械设计的要求外，还须考虑机械结构与整个伺服系统性能参数和电气参数的匹配，以获得良好的伺服性能。学习内容与要求了解伺服控制对机械传动性能的要求；掌握惯量、阻尼、刚度等参数对机械传动系统动态特性的影响；了解系统传动精度的主要影响因素和减少误差的主要措施；了解机电一体化系统中常用机械传动装置的结构性能和一般设计方法；了解机电一体化系统中机械传动方案的选择原则；了解机电一体化系统中执行机构的结构及其设计要点；了解虚拟样机技术的特点及其应用。本章重点机电一体化系统常用的传动机构中的滚珠螺旋传动、齿轮传动及其提高传动精度的措施；机电一体化系统常用的执行机构中工业机械手末端执行器的结构。本章难点机电一体化系统常用的传动机构中的滚珠螺旋传动、齿轮传动及其提高传动精度的措施。媒体使用说明学生通过文字教材可掌握机电一体化机械系统设计的基本要求，常用传动机构、执行机构的设计以及虚拟样机技术等知识。文字教材中的重点、难点在录像教材和流媒体课件中有较详尽的讲解;机电一体化产品机械系统的结构及工作原理等用文字不易表达清楚的教学内容以实物、照片、场景等视频方式作为辅助教学手段；另外，在流媒体课件中着重讲解本章知识重点、难点的典型实例以及本章的学习思路和方法等内容。2.1机电一体化中的机械系统传统的机械系统和机电一体化系统的主功能都是完成一系列的机械运动，但由于两者的组成不同，导致其各自实现运动的方式也不同。传统的机械系统一般由动力件、传动件和执行件3部分加上电器、液压和机械控制等部分组成；而机电一体化系统中的机械系统则是由计算机协调与控制的、用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的、机电部件信息流相互联系的系统，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。由于计算机的控制功能，使传统机械中作为动力源的电动机转换为具有动力、变速与执行等多种功能的伺服电动机，其伺服变速功能，又在很大程度上代替了机械传动中的变速机构。伺服电动机的使用，缩短了系统的传动链，使系统的机构得到简化，并使动力件、传动件与执行件逐步向着合为一体的系统发展。每个机械运动可由单独的控制电动机、传动部件和执行机构组成的若干子系统来完成，而且每个机械运动都由计算机来协调和控制。因此，机电一体化系统对机械装置具有更高的要求。2.1.1机械系统的构成一个典型的机电一体化产品的机械系统主要包括传动机构、导向机构、执行机构、轴系、机座或机架5大部分，如图2-1所示。图2-1机械系统的构成一工业机器人外观图传动机构机电一体化机械系统中传动机构的主功能是传递转矩和转速，因此，它实际上是一种转矩、转速变换器。机械传动部件对伺服系统的特性有很大影响，特别是其传动类型、传动方式、传动刚性以及传动的可靠性，对系统的精度、稳定性和快速性有重大影响。导向机构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给定的运动方向运动，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。执行机构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。轴系轴系由轴、轴承及安装在轴上的齿轮、带轮等传动部件组成。轴系的主要作用是传递转矩及精确的回转运动，它直接承受外力（力矩）。机座或机架机座或机架是支承其他零部件的基础部件。它既可承受其他零部件的重量和工作载荷，又起保证各零部件相对位置的基准作用。2.1.2机械系统设计的要求机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，除了要求具有较高的定位精度等静态特性外，还应具有特别良好的动态响应特性，即动作响应要快、稳定性要好，以满足伺服系统的设计要求。高精度机电一体化产品的技术性能、功能和工艺水平比普通机械产品均有大幅提高。其中，机械系统本身的高精度是首要的要求，如果其精度不能满足要求，则无论采用何种控制方式也不能达到机电产品的设计要求。良好的稳定性机电一体化系统的稳定性是指其工作性能不受外界环境影响和抗干扰的能力。当收到的扰动信号消失后，稳定的伺服系统能够很快恢复到原有的稳定状态并运行；反之则易受干扰，甚至可能产生振荡。机械传动部件的转动惯量、刚度和阻尼、固有频率等因素皆会对系统的稳定性产生影响，所以要合理地选择这些参数，做到互相匹配。快速响应性系统的快速响应性是要求机械系统从接到运行指令到开始执行指令之间的时间尽可能短。这样，系统的运行情况才能快速反馈到控制系统，以便控制系统能及时下达命令，使机械系统准确运行。影响机械系统快速响应性的主要参数是系统的阻尼比和固有频率。2.1.3机械参数对系统性能的影响影响机电一体化系统中传动机构动力学特性的因素主要有以下5方面。负载的变化在机电一体化系统中，执行机构的机械运动有直线运动、回转运动、间歇运动等多种运动方式，其负载包括工作负载（外力）、惯性负载和摩擦负载等。在设计机械系统时，应对其执行机构及其运动作出分析，确定负载的大小，从而合理地选择驱动部件和设计传动部件，并使其与负载的变化相匹配。传动系统的惯性机械传动中，从驱动部件、传动部件到执行机构，系统各部分的惯性都要充分考虑，因为惯性不但会影响传动系统的启停特性，而且还会影响控制的快速响应性、位移偏差和速度偏差。传动系统的惯性可用转动惯量来计算，它主要取决于机构中各部件的质量和尺寸参数。传动系统的固有频率机械传动系统中，各传动部件并非刚体，而是具有弹性的。机械传动系统可视为质量弹簧系统，并具有一定的固有频率。当外界传来的振动的激振频率接近或等于系统的固有频率时，系统将会产生谐振而不能正常工作。机械传动系统实际上是个多自由度的系统，它有一个最基本的固有频率和若干个高阶固有频率。为减少机械传动部件的扭矩反馈对电动机动态性能的影响，机械传动系统的基本固有频率应高于电气驱动部件固有频率的2〜3倍，同时，传动系统的固有频率还应远离控制系统的工作频率，以免系统产生振荡而失去稳定性。二阶振动系统中，系统的固有频率①n为：因此，传动系统的固有频率与传动部件的质量和综合刚度有关，增加刚度或减小质量可提高系统的固有频率。此外，传动系统的固有频率对传动精度也有影响，提高固有频率可减小系统的传动误差。传动系统中的摩擦与润滑物体间有相对运动趋势或已经产生的相对运动，在其接触面间会产生摩擦力，而摩擦力又会影响传动系统的传动精度和运动平稳性。工作中机械导轨的摩擦特性是很复杂的，它们不仅与摩擦性质不同的导轨材料和表面状态有关，而且也受润滑条件和环境温度的影响。此外，静摩擦力还会使机械传动部件发生弹性变形而造成位置误差；反向运动时，位置误差会形成回程误差。因此，机械传动部件的摩擦特性应为：静摩擦力尽可能小；动摩擦力应为尽可能小的正斜率，若为负斜率，则易产生爬行、精度降低且寿命减小。传动系统中的间隙机械传动系统中，各类传动零部件的传动间隙都会产生回程误差，增加轮廓误差，从而影响到系统的传动精度和运动平稳性。齿轮传动的啮合间隙会造成一定的传动死区，即主动齿轮要转过一定间隙角后从动齿轮才会转动，传动死区也称为失动量。若在闭环系统中，传动死区还可能使系统以1〜5倍的频率产生低频振荡，为此，应采用齿侧间隙小、精度较高的齿轮，或采用各种调整齿侧间隙的结构来减小或消除啮合间隙。常见的间隙类型有齿轮传动的齿侧间隙、丝杠螺母的传动间隙、丝杠轴承的轴向间隙和联轴器的扭转间隙等，具体的消隙方法详见2.2节的相关介绍。2.2机电一体化系统中常用的传动机构由于受到技术发展水平的限制，目前机电一体化的各种元器件还不能完全满足需要，机械传动链还不能完全取消。但是，机电一体化机械系统中的机械传动装置，已不仅仅是转速和转矩的变换器，而成为伺服系统的组成部分。近年来，由控制电动机直接驱动负载的'直接驱动”技术得到了很大的发展，但一般机械都需要低转速、大转矩的伺服电动机，并要考虑负载的非线性耦合性等因素对执行电动机的影响，从而增加了控制系统的复杂性，所以，在一般情况下，应尽可能缩短传动链，但还不能完全取消传动链。机电一体化系统中常用的机械传动机构有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动以及各种非线性传动等。如表2-1所示，一种传动机构可满足一项或同时满足几项功能要求，其主功能是传递转矩和转速，其目的是确保执行元件和负载之间在转速与转矩方面得到最佳匹配。传动部件直接影响着伺服系统的精度、稳定性和快速响应性，因此要根据伺服控制的要求进行选择设计，使其满足传动间隙小、精度高、低摩擦、体积小、质量轻、运动平稳、响应速度快、传递转矩大、高谐振频率以及与伺服电动机等其他环节的动态性能相匹配等要求。表2-1传动机构及其功能随着机电一体化技术的发展，要求传动机构应不断适应新的技术要求，具体有以下几方面：精密化对某种特定的机电一体化系统（或产品）来说，应根据其性能的需要提出适当的精密度要求。虽然不是越精密越好，但由于要满足产品的高定位精度等性能要求，所以对机械传动机构的精密度要求越来越高。高速化产品工作效率的高低，直接与机械传动部件的运动速度相关，因此，机械传动机构应能适应高速运动的要求。小型化、轻量化随着机电一体化系统（或产品）精密化、高速化的发展，必然要求其传动机构小型化、轻量化，以提高运动灵敏度（快速响应性），减小冲击，降低能耗。为与微电子部件微型化相适应，也要尽可能做到使机械传动部件短小、轻薄化。机械传动系统的设计任务包括系统设计和结构设计两方面。其具体设计内容如下：（1）估算载荷；（2）选择总传动比和伺服电动机；（3）选择传动机构的形式；（4）确定传动级数，分配各级传动比；（5）配置传动链，估算传动链精度；（6）进行传动机构的结构设计；（7）计算传动装置的刚度和结构固有频率；（8）作必要的工艺分析和经济分析。2.2.1机械传动系统的特性机电一体化中的机械系统应具有良好的伺服性能，并要求机械传动部件有足够的制造精度，以满足转动惯量小、摩擦小、阻尼合理、刚度大、振动特性好以及传动间隙小等要求，另外，还要求机械传动部分的动态特性与执行元件的动态特性相匹配。机械系统的主要特性有：转动惯量、阻尼、刚度和传动精度等。转动惯量（1）转动惯量的影响机械传动系统的转动惯量大会产生以下不利影响：①机械负载增加，功率消耗大；②系统响应速度变慢，灵敏度降低；③系统的固有频率下降，容易产生谐振；④电气驱动部件的谐振频率降低，阻尼增大等。因此，在不影响系统刚度的条件下，机械部分的质量和转动惯量应尽可能小。图2-2所示为机械传动部件的转动惯量对小惯量电动机驱动系统谐振频率的影响。图中横坐标为外载荷折算到电动机轴的当量负载转动惯量与电动机转子的转动惯量之比，纵坐标为系统带有折算到电动机轴的外载荷时的谐振频率与不带外载荷时的谐振频率之比，其中电动机轴的转动惯量与谐振频率可视为常数。从曲线的变化趋势可看出，驱动系统的实际谐振频率随惯性负载增大而降低。当折算的负载转动惯量等于电动机转子的转动惯量时，固有频率下降为空载谐振频率的50%；当折算惯量小于电动机转子的转动惯量时，系统有较好的快速性。因此，在设计机械传动系统时，传动系统的转动惯量可作为选择电动机动力参数的依据。（2）转动惯量的计算圆柱体的转动惯量在机械传动系统中，齿轮、丝杠等传动件可视为圆柱体来近似计算转动惯量。直线运动物体的转动惯量为保证系统具有较好的快速响应性，通常希望伺服传动系统具有小惯量。如数控机床中的传动方式一般有3种：丝杠传动、齿轮齿条传动和蜗轮蜗杆传动。以丝杠传动为例，丝杠与伺服电动机的连接方式有两种：①直接传动；②中间用齿轮或者同步齿形带传动。在同样的工作条件下，丝杠的参数和齿轮的传动比也可以不同。3种方案都可满足最大进给力和最高进给速度的要求，但它们的折算转动惯量相差却很大，由此带来的结果是不同方案系统的最大固有频率是最小固有频率的2倍多，因此，系统的快速性和振动特性会相差很大。可见，在选择传动方案时，不仅要满足驱动力和运动速度的要求，而且还要考虑折算转动惯量的大小，这对提高系统的综合性能非常重要。表2-2不同传动方案的比较阻尼由于机械部件的惯性和摩擦特性，机械传动系统可视为带有阻尼的质量一弹簧系统。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。适当的阻尼可以提高系统的稳定性。机械部件振动时，金属材料的内摩擦较小，一般情况下，摩擦阻尼都发生在运动副的构件之间，其中，对机械系统影响最大的是导轨副的摩擦阻尼。阻尼对机械系统的动态特性有多方面的影响：（1）系统的静摩擦阻尼大，会使系统的回程误差增大，定位精度降低。低速运动的滑动摩擦导轨副如果在摩擦一速度特性的负斜率上运行则易产生爬行降低机械的传动性能。滚动导轨的摩擦小，低速运动平稳性好，因而在当前的机电伺服系统中得到了广泛应用。（2）系统的黏性阻尼摩擦越大，系统的稳态误差就越大，精度降低。（3）系统的黏性阻尼摩擦会对系统的快速响应性产生不利影响。（4）如果机械系统刚度低而质量大，则系统的固有频率较低，此时应增大系统的黏性摩擦阻尼，以减小振幅和衰减振动。刚度刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用力，包括构件产生各种基本变形时的刚度和两接触面的接触刚度。（1）机械系统的刚度对系统动态特性的主要影响失动量。系统刚度越大，因静摩擦力作用所产生的传动部件的弹性变形越小，系统的失动量也越小。固有频率。机械系统刚度越大，固有频率越高，可远离控制系统或驱动系统的频带宽度，从而避免产生共振。稳定性。刚度对闭环系统的稳定性有很大影响，提高刚度可增加闭环系统的稳定性。（2）拉压刚度的计算丝杠螺母机构的拉压刚度由丝杠构件的拉压刚度、丝杠螺母间的接触刚度及丝杠轴承的支承三部分组成。丝杠的拉压刚度与丝杠的几何尺寸和轴向支承的形式有关。一端轴向支承的丝杠。在机械传动系统工作时，工作台位置的变化使丝杠的受力部位也发生相应变化，当工作台位于距丝杠轴向支承端最远的位置时，丝杠的全部工作长度都将受力，此时丝杠的拉压刚度取最小值。两端轴向支承的丝杠。可见，丝杠采用两端轴向支承形式时，其最小拉压刚度是一端轴向支承的4倍。丝杠轴承的支承刚度与所采用的轴承类型、轴承结构有关。当轴承有预紧时，其支承刚度应为无预紧时的两倍。丝杠螺母的轴向接触刚度与丝杠螺母副的尺寸和结构有关，丝杠螺母的预紧可提高轴向接触刚度。以上两刚度数值均可从产品样本中查得。（3）丝杠扭转刚度的计算传动精度（1）传动系统的误差分析机械传动系统中，影响系统传动精度的误差可分为传动误差和回程误差两种。传动误差传动误差是指输入轴单向回转时，输出轴转角的实际值相对于理论值的变动量。由于传动误差的存在，使输出轴的运动时而超前，时而滞后。若传动装置各组成零部件（齿轮、轴、轴承或箱体）的制造和装配绝对准确，同时又忽略使用过程中的温度变形和弹性变形，则在传动过程中输出轴转角与输入轴转角之间应符合如下关系：此时，输入轴若均匀回转，则输出轴亦均匀回转；输入轴若反向回转，则输出轴亦无滞后地立即反向回转。实际上，各组成零部件不可能制造和装配得绝对准确，而且在使用过程中还会存在温度变形和弹性变形，因此，在传动过程中，输出轴的转角总会存在误差。回程误差回程误差是与传动误差既有联系又有区别的另一类误差。回程误差可以是当输入轴由正向回转变为反向回转时，输出轴在转角上的滞后量，也可把它理解成输入轴固定时，输出轴可以任意转动的转角量。回程误差使输出轴不能立即随着输入轴反向回转，即反向回转时输出轴产生滞后运动。传动链的传动误差和回程误差对机电传动系统性能的影响，随其在系统中所处的位置不同而不同。（2）减小传动误差的措施减小传动误差、提高传动精度的结构措施有：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，以减少或消除回程误差。①提高零部件本身的精度。提高零部件本身的精度即提高各传动零部件本身的制造和装配精度。传动装置的输出轴与负载轴之间的联轴器本身的精度，对传动精度的影响也很显著，要予以足够的重视。②合理设计传动链。A.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达到的精度是不同的。一般来说，圆柱直齿轮与斜齿轮机构的精度较高，蜗轮蜗杆机构次之，而圆锥齿轮较差。在行星齿轮机构中，谐波齿轮精度最高，渐开线行星齿轮机构、少齿差行星齿轮机构次之，摆线针轮行星齿轮机构则较差。B.合理确定传动级数和分配各级传动比。减少传动级数，可减少零件数量，也就减少了产生误差的环节。因此，在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。一般来说，减速传动采用大的传动比，可使从动轮半径增大，从而提高角值精度。C.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。图2-6是齿轮和蜗轮蜗杆两个传动链方案的比较。在（a）方案中，A为主动，D为从动；在（b）方案中，C为主动，B为从动。图2-6传动链布置方案（a）合理分配；（b）不合理分配显然，（a）方案要比（b）方案好。一般来说，当要求减小由于传动零件的制造、装配误差所引起的从动轴的角值误差时，应在从动轴之前选用减速链，因为这样可使各项误差对从动轮的影响经过减速环节而缩小。采用消隙机构消隙机构可有效地减小或消除传动中的回程误差。在机电一体化机械系统中，传动机构的消隙方法有很多种，常用的齿轮机构和螺旋机构的消隙方法详见本章齿轮传动和螺旋传动部分的内容。2.2.2螺旋传动螺旋传动机构又称丝杠螺母机构，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，有以传递能量为主的（如螺旋压力机、千斤顶等），也有以传递运动为主的（如机床工作台的进给丝杠），还有调整零件之间相对位置的螺旋传动机构等。根据丝杠和螺母相对运动的组合情况，其基本传动形式有图2-7所示的4种类型。图2-7螺旋传动的基本传动形式螺母固定、丝杠转动并移动。如图2-7（a）所示，该传动形式因螺母本身起支承作用，从而消除了丝杠轴承可能产生的附加轴向窜动，结构较简单，可获得较高的传动精度，但其轴向尺寸不易太长，刚性较差，因此只适用于行程较小的场合。丝杠转动、螺母移动。如图2-7（b）所示，该传动形式需要限制螺母的转动，故需导向装置，其特点是结构紧凑、丝杠刚性较好，适用于工作行程较大的场合。螺母转动、丝杠移动。如图2-7（c）所示，该传动形式需要限制螺母的移动和丝杠的转动，由于结构较复杂且占用轴向空间较大，故应用较少。丝杠固定、螺母转动并移动。如图2-7（d）所示，该传动方式结构简单、紧凑，但在多数情况下使用极不方便，故很少应用。滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或其他直线运动副相比，有下列特点：传动效率高。一般滚珠丝杠副的传动效率可达90%-95%，耗费能量仅为滑动丝杠的1/30。运动平稳。滚动摩擦系数接近常数，启动与工作摩擦力矩差别很小。启动时无冲击，预紧后可消除间隙产生过盈量，从而提高接触刚度和传动精度。工作寿命长。滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度（HRC58〜62）、高精度，具有较长的工作寿命和精度保持性。其寿命约为滑动丝杠副的4-10倍以上。定位精度和重复定位精度高。由于滚珠丝杠副摩擦小、温升小、无爬行、无间隙，通过预紧进行预拉伸以补偿热膨胀，因此可达到较高的定位精度和重复定位精度。同步性好。用多套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的运动部件，可得到较好的同步运动。可靠性高。润滑密封装置结构简单，维修方便。不能自锁。垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等零件的加工精度、表面粗糙度要求高，故制造成本较高。滚珠丝杠副的工作原理与结构滚珠丝杠副外观如图2-8所示，内部结构组成如图2-9所示。滚珠丝杠副主要由丝杠3、螺母2、滚珠4和反向器（滚珠循环反向装置）1四部分组成。丝杠和螺母的螺纹滚道间装有承载滚珠，滚珠沿螺纹滚道滚动使滚珠在螺母滚道内循环。当丝杠或螺母转动时，丝杠与螺母之间的相对运动会产生滚动摩擦。为防止滚珠从滚道中滚出，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，它们与螺纹滚道形成循环回路。滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环两种。（1）内循环如图2-10所示，内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触，在螺母的侧面孔内装有接通相邻滚道的反向器，利用反向器引导滚珠越过丝杠的螺纹顶部进入相邻滚道，形成一个循环回路。同一螺母上一般装有2-4个滚珠用反向器，并沿螺母圆周均匀分布。内循环方式的优点是滚珠循环的回路短，流畅性好，效率高，螺母的径向尺寸较小；其不足之处是反向器加工困难，装配调整也不方便。图2-8滚珠丝杠副外观图图2-9滚珠丝杠副内部结构组成（2）外循环外循环方式中的滚珠在循环反向时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外作循环运动。从结构上看，外循环有以下3种形式，即螺旋槽式（如图2-11所示）、端盖式（如图2-12所示）和插管式（如图2-13所示）。图2-10内循环式丝杠螺母结构1一丝杠；2一螺母；3一滚珠；4一反向器图2-12端盖式外循环丝杠螺母结构图2-11螺旋槽式外循环丝杠螺母结构1一套筒；2一螺母；3一滚珠；4一挡珠器；5

一丝杠图2-13插管式外循环丝杠螺母结构滚珠丝杠副间隙的调整和预紧滚珠丝杠副除了要求其自身在单一方向的传动精度外，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在承载时由于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。通常，可采用双螺母预紧和单螺母（适于大滚珠、大导程）两种方法将弹性变形控制在最小限度内，以减小或消除轴向间隙，并可提高滚珠丝杠副的刚度。目前制造的单螺母式滚珠丝杠副的轴向间隙可达0.05皿山，而双螺母式滚珠丝杠副经加预紧力调整后基本上能消除轴向间隙。（1）双螺母预紧原理常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有3种：螺纹调隙式、双螺母垫片调隙式和齿差调隙式。螺纹调隙式如图2-14所示，双螺母中一个外端有凸缘，一个外端无凸缘，但制有螺纹，它伸出套筒外用两个螺母固定锁紧，并用键来防止两螺母相对转动。旋转圆螺母可调整、消除间隙并产生预紧力，之后再用锁紧螺母锁紧。该种形式结构紧凑，工作可靠，调整方便，但不能进行很精确的调整。图2-14双螺母螺纹预紧调隙式l一锁紧螺母；2一圆螺母；3一带凸缘的螺母；4一无凸缘螺母双螺母垫片调隙式该预紧方法如图2-15所示，在两个螺母之间加垫片来消除丝杠和螺母之间的间隙，根据垫片厚度不同可分成两种形式，当垫片厚度较厚时即产生”预拉应力”，当垫片厚度较薄时即产生”预压应力”，以消除轴向间隙。齿差调隙式如图2-16所示，在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮，分别与内齿圈啮合，内齿圈用螺钉或定位销固定在套筒上。调整时，先取下两端的内齿圈，使两螺母产生相对角位移，相应地产生轴向相对位移，从而使两螺母中的滚珠分别紧贴在螺旋滚道两个相反的侧面上，然后将内齿圈复位固定，故而达到消除间隙、产生预紧力的目的。可见，该种形式的调整精度很高，而且工作可靠，但结构复杂，加工和装配工艺性较差。图2-15双螺母垫片预紧原理图2-16齿差调隙式的滚珠丝杠副（2）单螺母预紧原理单螺母消隙常用增大滚珠直径法和偏置导程法两种预紧方法。增大滚珠直径法如图2-17所示，为了补偿滚道间隙，设计时可将滚珠的尺寸适当增大，使其4点接触，产生预紧力，另外，为了提高工作性能，可以在承载滚珠之间加入间隔钢球。图2-17增大滚珠直径法单螺母预紧原理偏置导程法偏置导程法原理如图2-18所示，仅仅是在螺母中部将其导程增加一个预压量，就可达到预紧的目的。图2-18偏置导程法单螺母预紧原理滚珠丝杠副的参数滚珠丝杠副的安装丝杠的轴承组合及轴承座、螺母座以及其他零件的连接刚性，对滚珠丝杠副传动系统的刚度和精度都有很大影响，需在设计、安装时认真考虑。为了提高轴向刚度，丝杠支承常用推力轴承为主的轴承组合，仅当轴向载荷很小时，才用向心推力轴承。表2-4中列出了滚珠丝杠副的4种典型支承方式及其特点。表2-4滚珠丝杠副的4种典型支承方式及其特点另外，滚珠丝杠副工作时会因受热（摩擦及其他热源）而伸长，对于采用第一种支承方式的预紧轴承将会引起卸载，甚至产生轴向间隙，此时与第三种和第四种支承方式类似。第二种为高刚度、高精度的支承方式，更适宜于精密丝杠传动系统。第三种、第四种方案因其费用较低廉，常用于普通机械中，并分别适用于长、短丝杠副。滚珠丝杠副的设计计算（1）丝杠副的计算载荷。（2）计算额定动载荷。（3）根据额定动载荷在滚珠丝杠系列中选择所需要的规格，并使所选规格的丝杠副的额定动载荷大于计算额定动载荷。（4）验算传动效率、刚度及工作稳定性，如不满足要求，则应另选其他型号并重新验算。（5）对于低速传动，只按额定静载荷计算即可。2.2.3齿轮传动齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器。由于齿轮传动的瞬时传动比为常数，并具有结构紧凑、传动精确、强度大、能承受重载、摩擦小和效率高等优点，所以在机电一体化产品中得到了广泛应用。用于伺服系统的齿轮减速器是一个力矩变换器，其输入量为电动机的高转速、低转矩，而输出量则为低转速、高转矩。因此，不但要求齿轮传动系统传递转矩时要有足够的刚度，还要求其转动惯量尽量小，以便在获得同一加速度时所需转矩最小，即在同一驱动功率时，其加速度响应为最大。此外，齿轮副的啮合间隙会造成不明显的传动死区。在闭环系统中，传动死区能使系统以1-5倍的间隙角产生低频振荡，为此，要采用消隙装置，以提高传动精度和系统的稳定性。本节将重点介绍齿轮传动系统中传动比的选择及其分配、齿轮机构的消隙措施和谐波齿轮传动机构。传动比的最佳选择及其分配常用的齿轮减速装置有一级、二级、三级等传动形式，如图2-20所示。设计齿轮系统时，传动比应满足驱动部件与负载之间位移及转矩、转速的匹配要求，为满足传动的快速响应性，提高传动精度和系统的稳定性，应选择最佳传动比并实现各级传动比合理分配。图2-20常用的减速装置传动形式（a）一级传动（反向）；（b）二级传动；（c）三级传动；（d）一级传动（同向）（1）齿轮传动系统的总传动比由于负载特性和工作条件的不同，最佳传动比有多种选择方法。在伺服电动机驱动负载的传动系统中，常采用使负载加速度最大的方法，即首先把传动系统中的工作负载、惯性负载和摩擦负载综合为系统的总负载，负载综合时，要转化到电动机轴上成为综合负载转矩。使等效负载转矩最小或负载加速度最大的总传动比，即为最佳总传动比。（2）各级传动比的最佳分配原则齿轮系统的总传动比确定后，根据对传动链的技术要求，选择传动方案，使驱动部件和负载之间的转矩、转速达到合理匹配。在总传动比较大时，若采用单级传动，虽然可简化传动系统，但大齿轮的尺寸增大会使整个传动系统的轮廓尺寸变大。为了使减速系统结构紧凑，满足动态性能和提高传动精度的要求，可采用多级传动，此时，应首先确定传动级数，然后对各级传动比进行合理的分配。针对系统的不同要求，常用的分配原则有：等效转动惯量最小原则、质量最轻原则和输出轴转角误差最小原则。等效转动惯量最小原则按此原则计算的各级传动比是按”先小后大”的次序分配的，故可使其结构紧凑。大功率传动装置传递的转矩大，各级齿轮副的模数、齿宽、直径等参数逐级增加，上述的假定不适用，故其计算公式不能通用，但是，其分配次序则仍应符合”先小后大”的原则。质量最轻原则对于小功率传动系统，使各级传动比即可使传动装置的质量最轻。由于这个结论是在假定各主动小齿轮模数、齿数均相同的条件下导出的，故所有大齿轮的齿数、模数也相同，每级齿轮副的中心距离也相同。上述结论对于大功率传动系统是不适用的，因其传递扭矩大，故要考虑齿轮模数、齿轮齿宽等参数逐级增加的情况，此时应根据经验、类比方法以及结构紧凑之要求进行综合考虑。各级传动比一般应以”先大后小”的原则进行处理。输出轴转角误差最小原则为了提高机电一体化系统中齿轮传动系统传递运动的精度，各级传动比应按”先小后大”的原则分配，以便降低齿轮的加工误差、安装误差以及回转误差对输出转角精度的影响。综上所述，在设计中应根据上述原则并结合实际情况的可行性和经济性对转动惯量、结构尺寸和传动精度提出适当要求，具体讲有以下几点：①对于要求体积小、质量轻的齿轮传动系统可用质量最轻原则。②对于要求运动平稳、启停频繁和动态性能好的伺服系统的减速齿轮系，可按等效转动惯量最小和总转角误差最小的原则来处理。③对于以提高传动精度和减小回程误差为主的传动齿轮系，可按总转角误差最小原则。④对以较大传动比传动的齿轮系，往往需要将定轴轮系和行星轮系巧妙地结合为混合轮系。⑤对于传动比相当大并且要求传动精度与传动效率高、传动平稳、体积小、质量轻的齿轮传动系统，可选用新型的谐波齿轮传动。齿轮传动的消隙机构齿轮传动中齿侧间隙的存在，不仅会影响机电一体化系统的传动精度，而且还会在电动机驱动系统中引起严重的噪声。因此，对于机电一体化的齿轮传动，一般要求采取措施消除齿侧间隙。圆柱齿轮传动侧隙的调整有偏心套（轴）调整法、双片薄齿轮错齿调整法、轴向垫片调整法等多种方法。斜齿轮和齿轮齿条传动也各自有相应的调隙措施。（1）圆柱齿轮传动偏心套（轴）调整法轴向垫片调整法双片薄齿轮错齿调整法（2）斜齿轮传动消除斜齿轮传动齿轮侧隙的方法与上述错齿调整法基本相同，也是用两个薄片齿轮与一个宽齿轮啮合，只是在两个薄片斜齿轮的中间隔开了一小段距离，这样它的螺旋线使错开了，如图2-27所示。图（a）是薄片错齿调整机构，其特点是结构比较简单，但调整较费时，且齿侧间隙不能自动补偿；图（b）是轴向压簧错齿调整机构，其特点是齿侧间隙可以自动补偿，但轴向尺寸较大，结构欠紧凑。（3）齿轮齿条传动机构在机电一体化产品中，对于大行程传动机构往往采用齿轮齿条传动，因为其刚度、精度和工作性能不会因行程增大而明显降低，但它与其他齿轮传动一样，也存在齿侧间隙，所以应采取消隙措施。当传动负载小时，可采用双片薄齿轮错齿调整法，使两片薄齿轮的齿侧分别紧贴齿条齿槽的两个相应侧面，以消除齿侧间隙。当传动负载大时，可采用双齿轮调整法。谱波齿轮传动谐波传动是建立在弹性变形理论基础上的一种新型传动，它的出现为机械传动技术带来了重大突破。谐波齿轮传动具有结构简单、传动比范围大（几十至几百）、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高等一系列优点，故在电子、工业机器人、航空、航天等机电一体化系统中得到了广泛的应用，另外，由于其独特的优点，在化工行业的应用也逐渐增多。（1）工作原理（2）谐波齿轮传动的传动比计算谐波齿轮传动比的计算与行星齿轮轮系传动比的计算相类似，即：当柔轮固定时，Wr=0，则：当刚轮固定时，Wg=0，则：（3）谐波齿轮减速器的标记及选用谐波减速器在国内于20世纪六七十年代才开始研制，目前已有不少厂家专业生产，并形成系列化。不同厂家的标准代号不尽相同，以XB1型通用谐波减速器为例，其标记代号如图2-32所示。谐波齿轮减速器的选用原则如下：标准谐波减速器的技术参数如表2-10所示，选型时需确定以下3项参数：传动比或输出转速（r/min）、减速器输入功率（kW）和额定输入转速（r/min）。如果减速器的输入转速是可调的，则在选用减速器型号时应分别确定：工作条件为“恒功率”时，按最低转速选用机型；工作条件为”恒扭矩”时，按最高转速选用机型。减速器输入功率PCI与输出扭矩的计算式为：减速器输出轴装有齿轮、链轮、三角皮带轮及平皮带轮时，需要校验轴伸的悬臂负荷，校验公式为：如减速器使用在有可能发生过载的工作场合，则应安装过载保护装置。2.2.4同步带传动同步带传动（如图2-33所示）早在1900年就已有人研究并多次提出专利，但其实用化却是在第二次世界大战以后。由于同步带是一种兼有链、齿轮、三角胶带优点的传动零件，随着第二次大战后工业的发展而得到重视，并于1940年由美国尤尼罗尔橡胶公司首先开发。1946年，辛加公司把同步带用于缝纫机针和缠线管的同步传动上，取得了显著效益，随后被逐渐引用到其他机械传动上。同步带传动的开发和应用，至今已在各方面取得迅速进展。同步带传动概述（1）同步带传动的分类①按用途分类按用途不同同步带传动可分为一般工业用同步带传动、高转矩同步带传动、特种规格的同步带传动和特殊用途的同步带传动。A.一般工业用同步带传动，即梯形齿同步带传动（如图2-34所示），主要用于中、小功率的同步带传动，如各种仪器、计算机、轻工机械中均采用这种同步带传动。B.高转矩同步带传动，又称HTDCHighTorqueDrive）带或STPD（SuperTorquePositiveDrive）带传动，由于其齿形呈圆弧状（如图2-35所示），所以在我国通称为圆弧齿同步带传动，主要用于重型机械的传动中，如运输机械（飞机、汽车）石油机械和机床、发电机等的传动。C.特种规格的同步带传动是根据某种机器的特殊需要而采用的特种规格的同步带传动，如工业缝纫机和汽车发动机用的同步带传动。D.特殊用途的同步带传动即为适应特殊工作环境而制造的同步带。②按规格制度分类A.模数制。即同步带的主要参数是模数m（与齿轮相同），根据不同的模数值来确定带的型号及结构参数。B.节距制。即同步带的主要参数是带齿节距，节距大小不同，相应带、轮的结构尺寸也不同。由于节距制来源于英、美，所以其计量单位为英制或经换算的公制单位。C.DIN米制节距。DIN米制节距是德国同步带传动国家标准制定的规格制度，其主要参数为齿节距，但标准节距数值不同于ISO节距制，计量单位为公制。（2）同步带传动的优缺点工作时无滑动，有精确的传动比。同步带传动是一种暗合传动，虽然同步带是弹性体，但由于其中承受负载的承载绳具有在拉力作用下不变长的特性，故能保持带节距不变，使同步带与带轮齿槽能正确啮合，从而实现无滑差的同步传动，获得精确的传动比。传动效率高，节能效果好。由于同步带作无滑动的同步传动，故有较高的传动效率，一般可达0.98，与三角带传动相比，节能效果明显。传动比范围大，结构紧凑。同步带传动的传动比一般可达到10左右，而且在大传动比的情况下，其结构比三角带传动紧凑。维护保养方便，运转费用低。由于同步带中的承载绳采用伸长率很小的玻璃纤维、钢丝等材料制成，故在运转过程中带伸长很小，不像兰角带、链传动等机构那样需经常调整张紧力。此外，同步带在运转中也不需要任何润滑，所以维护保养很方便，运转费用比三角带、链和齿轮要低得多。恶劣环境条件下仍能正常工作。尽管同步带传动与其他传动相比有以上优点，但它对安装时的中心距要求等方面极其严格，同时制造工艺复杂、制造成本高。同步带的结构和规格（1）同步带的结构如图2-36所示，同步带一般由承载绳、带齿、带背和包布层组成。工业中常用的同步带带轮外观如图2-37所示。（2）同步带的规格型号根据国标GB/T11616-1989和GB/T11362-1989，我国同步带的型号及标记方法分别如表2-13和图2-38所示。同步带的设计计算在正常工作条件下，同步带传动的设计准则是在不打滑的条件下应保证同步带的抗拉强度，在灰尘、杂质较多的条件下应保证带齿具有一定的耐磨性。（1）确定带的设计功率；（2）选择带型和节距；（3）确定带轮齿数和节圆直径；（4）确定同步带的节线长度、齿数及传动中心距；（5）校验同步带和小带轮的晴合齿数；（6）确定实际所需的同步带宽度；（7）验算带的工作能力。2.3机电一体化系统中常用的执行机构机械执行机构向执行未端件提供动力并带动它实现运动，即把传动机构传递过来的运动和动力进行必要的交换，以满足执行末端件的要求。随着科学技术的发展，机械执行机构与电子、电器、光学、液体和气体不断结合，形成了较先进的机电、机光和机液等执行机构。2.3.1执行机构的基本要求机电一体化产品的执行机构是实现其主功能的重要环节，它应能快速地完成预期动作，并应具有响应速度快、动态性能好、动静态精度高和动作灵敏度高的特点，另外，为便于计算机集中控制，它还应有以下要求：惯量小、动力大体积小、质量轻便于维修和安装2.3.2微动执行机构微动执行机构是一种能在一定范围内精确、微量地移动到给定位置或实现特定进给运动的机构。在机电一体化产品中，它一般用于精确、微量地调节某些部件的相对位置。如在一些读数系统中，利用微动机构调整刻度尺的零位；在磨床中，用螺旋微动机构调整砂轮架的微量进给；在医学领域中，各种微型手术器械均采用微动机构。微动机构按执行件运动原理的不同可分为机械式、电气一机械式、弹性变形式、热变形式、磁致伸缩式和压电式等多种形式，下面简要介绍热变形式和磁致伸缩式执行机构。热变形式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，电热元件通电后产生的热变形可实现微小位移。热变形微动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的微量位移；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。磁致伸缩式磁致伸缩式机构是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的。2.3.3工业机械手末踹执行器工业机械手是一种自动控制、可重复编程、多自由度的操作机，是能搬运物料、工件或操作工具以及完成其他各种作业的机电一体化设备。工业机械手未端执行器装在操作机械手腕的前端，是直接执行操作功能的机构。工业机械手末端执行器因用途不同而结构各异，主要有3大类：机械夹持器、特种末端执行器和万能手（或灵巧手）。机械夹持器机械夹持器是工业机械手中最常用的一种末端执行器。图2-41所示为教学型机器人中的机械夹持器。（1）机械夹持器应具备的基本功能首先，机械夹持器应具有夹持和松开的功能。夹持器夹持工件时，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姿态；当需要松开工件时，应完全松开。另外，机械夹持器还应保证工件夹持姿态再现几何偏差在给定的公差带内。（2）机械夹持器的分类和结构形式机械夹持器常用压缩空气作动力源，经传动机构实现手指的运动。根据手指夹持工件时运动轨迹的不同，机械夹持器可分为圆弧开合型、圆弧平行开合型和直线平行开合型。圆弧开合型这类夹持器在传动机构的带动下，手指指端的运动轨迹为圆弧。圆弧平行开合型这类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。直线平衍开合型这类夹持器两手指的运动轨迹为直线，且两指夹持固始终保持平行。夹持器根据作业的需要形式繁多，有时为了抓取形体特别复杂的工件，还设计具有特种手指机构的夹持器，如具有钢丝绳滑轮机构的多关节柔性手指夹持器、膨胀式橡胶手袋手指夹持右器^等。特种末端执行器特种末端执行器可供工业机器人完成某类特定的作业，下面简单介绍其中的两种。（1）真空吸附手工业机器人中常把真空吸附手与负压发生器组成一个工作系统，控制电磁换向阀的开合可实现对工件的吸附和脱开。真空吸附手结构简单，价格低廉，且吸附作业具有一定的柔顺性，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。它常用于小件搬运，也可根据工件形状、尺寸、质量的不同将多个真空吸附手组合使用。（2）电磁吸附手电磁吸附手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，但其最特殊的特点是：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的柔顺状态。这种吸附手的吸附力是由通电线圈的磁场提供的，所以可用于搬运较大的可磁化性材料的工件。灵巧手灵巧手是一种模仿人手制作的多指、多关节的机器人末端执行器。它可以适应物体外形的变化，对物体进行任意方向、任意大小的夹持，可以满足对任意形状、不同材质的物体进行操作和抓持的要求，但其控制和操作系统技术难度较大。2.4机电一体化中的虚拟样机技术虚拟样机技术是近些年在开发的CAX（如CAD，CAE，CAM等技术）和DFX［如DFA（DesignForAssembly，面向装配的设计），DFM（DesignForManufacture，面向制造的设计）］等技术基础上发展起来的综合技术，它融合了现代信息技术、先进仿真技术和先进制造技术，并将这些技术应用于复杂系统全生命周期和全系统并对它们进行综合管理，进而从系统的层面来分析复杂系统。虚拟样机技术支持由上至下的复杂系统开发模式。利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计测试和评估，可缩短产品开发周期，降低产品开发成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能力。2.4.1虚拟样机技术的内容按照美国前MDI公司总裁RobertR.Ryan博士(MDI公司现已被MSC.Software公司收购)对虚拟样机技术的界定，虚拟样机技术是面向系统级设计的、应用于基于仿真设计过程的技术，包含有数字化物理样机(DigitalMock-Up，DMU)、功能虚拟样机(FunctionalVirtualPrototyping，FVP)和虚拟工厂仿真(VirtualFactorySimulationVFS)3方面的内容，如图2-50所示。数字化物理样机对应于产品的装配过程，用于快速评估组成产品的全部三维实体模型装配件的形态特性和装配性能；功能虚拟样机对应于产品的分析过程，用于评价已装配系统的整体功能和操作性能；虚拟工厂仿真对应于产品的制造过程，用于评价产品的制造性能。这三者在产品数据管理(ProductDataManagement，PDM)系统或产品全生命周期管理(ProductLife-cycleManagement，PLM)系统的基础上实现集成。图2-50虚拟样机技术的内容数字化物理样机解决方案不同于以UC和CATIA为代表的结构设计软件，它不是强调结构上的设计，而是更重视物理样机零部件的形态特性和系统装配特性的数字化检视。DMU充分利用镶嵌式的三维零件实体造型技术，以增强对大型系统的快速显示和浏览能力，实现造型、装配、浏览、运动轨迹包络、冲突检测等功能，并有效支持协同设计、巡航浏览、干涉/碰撞检测等。在与产品数据管理系统集成的情况下，DMU还能提供有效的方法以保证产品的所有零部件都配合良好(Fit特性)，并显示为所设计的形态(Form特性)。国外在这方面领导潮流的公司或产品主要有Tecoplan，EDS/VisMock-Up，Clams和Division等。功能虚拟样机解决方案充分利用三维零件的实体模型和零件有限元模型的模态表示，在虚拟实验室或虚拟试验场的试验中精确地预测产品的操作性能，如运动/操纵性、振动/噪声、耐久性/疲劳、安全性/冲击、工效学/舒适性等。在这方面居领先地位的主要产品有MSC/ADAMS，LMS/DADS等。虚拟工厂仿真解决方案对产品完整的制造和装配过程进行仿真，以解决产品制造和装配过程中的公差、机器人、装配和序列等问题。在这方面突出的产品主要有TecnomatixleMPower，Deneb/QUEST(现为Delmia公司产品)。数字化物理样机、功能虚拟样机和虚拟工厂仿真联合起来，可提供有效的方法，从而实现从实体物理样机向软件虚拟样机的转化，进而有效地支持虚拟产品开发。虚拟样机技术的内容如图2-51所示。从20世纪70〜80年代起，传统意义上的CAD/CAE/CAM技术开始进入实用阶段，它们主要关注产品零部件的质量和性能，通过采用结构设计、工程分析和制造过程控制软件或工具，达到设计和制造高质量零部件的目的。具体地说，传统的CAD技术基于三维实体几何造型技术，支持产品零部件的详细结构设计和形态分析。传统的CAE技术主要指应用有限元软件，完成产品零部件的结构分析、热分析、振动特性等功能分析问题。传统的CAM技术旨在提高产品零部件的可制造性，以对机床、机器人等设备和铸造过程、冲压过程、锻造加工等加工过程进行更好的控制。图2-51虚拟样机技术的内容在过去的几十年里，传统的CAD/CAE/CAM技术在主要的工业领域(汽车、航空、通用机械、机械电子等)得到了广泛的应用，并且取得了巨大的成效。以汽车工业来说，在1995-1999年的5年时间里，零部件