机电一体化系统设计第二章

第二章机械系统设计本章学习目的：

了解机械系统的特点和要求，了解应采取的措施，掌握机械系统设计的一般规律。本章内容及其学习路线：机电一体化机械系统的要求（三要求）----满足要求应该采取的措施（六措施）-----措施的应用方法。本章学习重点：

传动机构中反向间隙的消除方法、滚珠丝杠、滚动直线导轨的使用方法。第二章机械系统设计2.1

概述2.2传动机构的设计2.3导向机构的设计2.4支承部件的设计2.5执行机构的设计

一、机械系统的组成

机械系统的结构根据运动、力、空间的要求千变万化，但把它们按所起的作用可以仅分成三种(如果包含执行机构可分四种）：传动机构、导向机构、支承机构、（执行机构）

2.1概述一、机械系统的组成

1、传动机构：完成运动和力的传递和变换

比如：电机轴的转动通过丝杠部件转换成直线运动、齿轮传动、带轮传动等。2.1概述哪些机构属于传动机构？机电一体化系统设计2、导向机构：保证运动正确性

如：机床工作台导轨。有哪些导轨类型？常见滑动导轨截面3、支承机构：保证各部件和零件的空间位置如：机器之架，机床床身等4、执行机构：完成主功能由于它的重要性往往会独立作为一种机构。但是本质上讲它是由传动、导向、支承三大机构组合而成。二、机电一体化系统对机械系统的要求

1、高精度

是保证整个机电系统精度的基础。

2、快速响应

接受控制指令快速运行。

3、良好稳定性

抗干扰、长期可靠工作。

什么影响高精度？

什么影响快速响应？

什么影响良好稳定性？2.1概述稳、准、快如何实现？二、机电一体化系统对机械系统的要求（续）影响高精度的主要因素：

1、传动机构的间隙

2、受力元件的变形

3、运动件之间的摩擦

4、制造装配误差运动传递系数及其分配也会影响精度的大小（如传动比和各级传动比的分配）2.1概述二、机电一体化系统对机械系统的要求（续）影响快速响应性的主要因素：

1、运动件的惯量

2、运动件间的阻尼

3、机械构件的刚度

4、运动传递系数及其分配（如传动比和各级传动比的分配）2.1概述二、机电一体化系统对机械系统的要求（续）影响稳定性的主要因素：

1、机械系统刚度

2、机械系统的阻尼

3、机械系统的惯量2.1概述机械系统不稳定的表现：爬行、振动二、机电一体化系统对机械系统的要求（续）总结：影响机械系统稳态和动态性能的主要因素有：间隙摩擦刚度惯量阻尼传动比为实现机械系统的高精度、快速响应、稳定性，需采取措施：

消除传动间隙减小摩擦提高刚度减小惯量阻尼适中最佳传动比和传动比最佳匹配等。2.1概述针对机电一体化机械系统的几大结构①传动机构：考虑与伺服系统相关的精度、稳定性、快速响应等伺服特性②导向机构：考虑导向精度、低速爬行现象③支承机构：考虑刚性④执行机构：考虑灵敏度、精确度、重复性、可靠性2.1概述

三、满足三大要求（稳、准、快）在设计时应采取的六条措施

1、消除反向传动间隙

2、采用低摩擦阻尼传动件（滚动摩擦传动件）

3、最佳传动比和传动比最佳匹配

4、缩短传动链（采用直接驱动）

5、提高传动与支承刚度

6、采用现代设计方法本章将把前5条措施贯穿在传动机构设计和导向机构设计等节中讲解。2.1概述第二章机械系统设计2.1概述2.2

传动机构的设计2.3导向机构的设计2.4支承部件的设计2.5执行机构的设计

本节学习以下几个内容：一、传动机构的要求及其类型二、齿轮传动消除反向间隙方法三、滚珠丝杠的应用四、锥环无键连轴器五、其它传动机构六、最佳传动比和传动比最佳匹配2.2传动机构的设计一、传动机构的要求及其类型

1、对传动机构的要求传动机构是机电一体化系统的机械系统中主要组成部分，对机械系统的要求也是对传动机构的要求，即高精度、快速响应、稳定性三要求，要达到三要求也需采用前面提到的六措施。具体可归纳为：

①消除传动间隙②摩擦小③传动比最佳匹配

④刚度大（传动链短等）⑤阻尼适中⑥转动惯量小且和驱动元件（如电机）惯量匹配。

2.2传动机构的设计

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要小；转动惯量大会对系统造成机械负载增大（T电=T负+Jε）；系统响应速度变慢，灵敏度降低；系统固有频率下降，产生谐振；使电气部分的谐振频率变低。②刚度越大，伺服系统动力损失越小；刚度越大，机器的固有频率越高，不易振动()；刚度越大，闭环系统的稳定性越高。③机械系统产生共振时，系统中阻尼越大，最大振幅就越小，且衰减越快；但阻尼大会使系统损失动量，增大稳态误差，降低精度，故应选合适阻尼。④静摩擦力要小，动摩擦力要小的正斜率；或者会出现爬行。1、对传动机构的要求（续）

关于摩擦摩擦力可分为三种：

静摩擦力、库仑摩擦力和粘性摩擦力（动摩擦力=库仑摩擦力+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力，大小为一常数F=μmg，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（与速度成正比的阻尼称为粘性阻尼）。

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。根据经验，克服摩擦力所需的电机转矩Tf与电动机额定转矩TK的关系为0.2TK＜Tf＜0.3TK

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；并使动摩擦力尽可能小且为正斜率较小的变化。

关于爬行

当丝杠1作极低的匀速运动时，工作台2可能会出现—快一慢或跳跃式的运动，这种现象称为爬行。

低速进给爬行现象的产生主要取决于下列因素：①静摩擦力与动摩擦力之差，这个差值越大，越容易产生爬行。②进给传动系统的刚度K越小、越容易产生爬行。③运动速度太低。

不发生爬行的临界速度

临界速度可按下式进行估算

（m/s）式中ΔF-----静、动摩擦力之差（N）；

K------传动系统的刚度（N／m）；

ξ------阻尼比；

m------从动件的质量（kg）。

以下两种观点有利于降低临界速度：适当的增加系统的惯性J和粘性摩擦系数f，有利于改善低速爬行现象，但惯性增加会引起伺服系统响应性能降低；增加粘性摩擦系数也会增加系统的稳态误差，设计时应优化处理。

消除爬行现象的途径（实际做法）①提高传动系统的刚度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。b．尽量缩短传动链，减小传动件数和弹性变形量。c．合理分配传动比，使多数传动件受力较小，变形也小。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触刚度和传动刚度。

消除爬行现象的途径（实际做法）②减少摩擦力的变化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。b．选择适当的摩擦副材料，降低摩擦系数。c．降低作用在导轨面的正压力，如减轻运动部件的重量，采用各种卸荷装置，以减少摩擦阻力。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变化。

关于阻尼

在系统设计时，考虑综合性能指标，一般取ξ＝0.5~0.8之间。关于刚度

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刚度。对于伺服机械传动系统，增大系统的传动刚度有以下好处：（1）可以减少系统的死区误差（失动量），有利于提高传动精度；（2）可以提高系统的固有频率，有利于系统的抗振性；（3）可以增加闭环控制系统的稳定性。

关于谐振频率

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WOI≥300rad／s，其他机械系统WOI≥600rad／s。

关于间隙

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。2、传动机构的类型（1）齿轮传动（直齿、斜齿、锥齿、蜗轮蜗杆、齿轮齿条、谐波齿轮）（2）丝杆螺母传动（T型螺纹、滚珠丝杠）（3）带轮传动（同步齿形带、三角带、平带等）（4）链轮传动（5）非线性杆件传动（曲柄连杆、凸轮挺杆等）

齿轮、滚珠丝杠、同步齿形带是最常用的传动2.2传动机构的设计2、传动机构的类型（续）2.2传动机构的设计机电一体化系统设计一、传动机构的要求及其类型二、齿轮传动消除反向间隙方法三、滚珠丝杠的应用四、锥环无键连轴器五、其它传动机构六、最佳传动比和传动比最佳匹配2.2传动机构的设计二、齿轮传动消除反向间隙方法1、圆柱齿轮AB2.2传动机构的设计a.偏心轴套消隙法转动偏心套1使电机的轴心上下调整从而改变两齿轮的中心距特点：结构简单不能自动调整间隙不能完全消除仅适合直齿轮2.2传动机构的设计b.轴线垫片调整法

1,2两齿轮相互啮合，其分度圆弧齿厚沿着轴线方向略有锥度。2.2传动机构的设计c.双片薄齿轮错齿调整法2.2传动机构的设计c.双片薄齿轮错齿调整法2、斜齿轮2.2传动机构的设计2、斜齿轮2.2传动机构的设计3.锥齿轮2.2传动机构的设计4.齿轮齿条2.2传动机构的设计机电一体化系统设计

本节学习以下几个内容：一、传动机构的要求及其类型二、齿轮传动消除反向间隙方法三、滚珠丝杠的应用四、锥环无键连轴器五、其它传动机构六、最佳传动比和传动比最佳匹配2.2传动机构的设计丝杠螺母机构的传动形式

丝杠螺母机构又称螺旋传动机构，用来将旋转运动变为直线运动或将直线运动变为旋转运动。A、按功能分为：

有传递能量（千斤顶，螺旋压力机）；

有传递运动（工作台的进给丝杠）；

调整位置（螺旋测微器）。B、按运动副分为：

滑动摩擦机构：结构简单，成本低，具有自锁功能，但摩擦力大，传动效率低；

滚动摩擦机构：结构复杂，成本高，摩擦力小，传动效率高。三、滚珠丝杠的应用

在传动机构中需要把转动转换为直线运动时采用丝杠传动是一种精度高、功率大、刚度大的好方法。传统的机械传动系统往往多采用梯形螺纹滑动摩擦副丝杠，而在机电一体化系统中为了达到“三要求”常采用滚珠丝杠副。因为滑动摩擦副丝杠摩擦系数大且静、动摩擦系数差别大，在小运动量控制时会产生爬行现象，严重影响精度和快速响应性。而滚动摩擦副丝杠摩擦系数小，静、动摩擦系数差别小，因此不会产生爬行现象，能快速跟随控制指令运行，具有良好的伺服性。滚珠丝杠副还有很多优点。是目前数控机床必不可少的传动件。2.2传动机构的设计两种不同摩擦副丝杠特点比较滑动摩擦副丝杠：

优点

缺点

结构简单摩擦阻力大

加工方便传动效率低（30％－40％）具有自锁功能适于低速传动机构

滚珠丝杠：

摩擦阻力小结构复杂

传动效率高（92％－98％）制造成本高运动具有可逆性不能自锁

传动精度高刚度好使用寿命长2.2传动机构的设计滚珠丝杠简介2.2传动机构的设计滚珠丝杠副的特点

1）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副的传动效率η＝0.92～0.96，比常规的丝杠螺母副提高3～4倍。因此，功率消耗只相当于常规的丝杠螺母副的1/4～1/3。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）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。2.2传动机构的设计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。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。7）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。滚珠丝杠副的特点

滚珠丝杠副的典型结构类型滚珠丝杠简介1、滚珠丝杠的原理及结构滚珠的循环运动a.内循环方式

滚珠不脱离螺母的圆弧滚道，在内部循环。螺母2的侧面孔内装有联通相邻滚道的反向器4。一般同一螺母上装有2-4个反向器，并沿着螺母圆周均匀分布。

滚珠的循环运动（续）a.内循环方式：浮动式反向器循环依靠滚珠自动定位反向器滚珠的循环运动（续）b.外循环—滚珠脱离滚道通过外部通道循环螺旋槽式螺母2外圆表面上铣出螺纹凹槽，槽的两端钻出与滚道相切的通孔。滚珠的循环运动（续）b.外循环：插管式用弯管代替螺旋槽滚珠的循环运动（续）c.外循环：端盖式

在螺母1上钻出纵向孔作为滚子回程滚道，螺母两端装有两块扇形盖板或套筒2，滚珠的回程道口就在盖板上。C.圆弧滚道结构滚道形面与滚珠接触点之法线与丝杠轴向之垂线间的夹角称为接触角，一般45度。双圆弧底部可存储一定润滑油，减少磨损，但成本较高。2、滚珠丝杠传递运动的两种常用形式1)丝杆仅转动（其它各自由度限制），螺母直线运动（限制转动）需导向装置。结构紧凑，丝杠刚性好。适合于工作行程较大的场合。2、滚珠丝杠传递运动的两种常用形式（续）

2)螺母固定，丝杆转动并同时直线运动刚性较差，尺寸不易过长。适合于行程较小的场合。3、丝杠的支承方式轴承的类型与选择

标准滚动轴承：3、丝杠的支承方式（续）固定—限制其各方向的自由度，仅能转动3、丝杠的支承方式（续）3、丝杠的支承方式（续）4、螺母和丝杆之间的传动反向间隙消除*双螺母消除反向间隙（1）双螺母垫片调隙法（张，P31）4、螺母和丝杆之间的传动反向间隙消除（续）（2）双螺母螺纹调隙法4、螺母和丝杆之间的传动反向间隙消除（续）（3）双螺母齿差调隙法4、螺母和丝杆之间的传动反向间隙消除（续）双螺母齿差调隙法的原理：

两个螺母的法兰上各制有圆柱外齿轮，齿数为z1和z2，z2-z1=1,分别与各自的内齿圈啮合，内齿圈用螺钉固定在安装套筒上，从而使螺母和套筒固定。调整时先取下两端的内齿圈，旋转两螺母分别使滚珠紧贴在螺旋滚道的两个相反侧面上，消除间隙后，再将内齿圈复位固定好。4、螺母和丝杆之间的传动反向间隙消除（续）当两个螺母同方向转过一个齿时，所产生的相对轴向位移为：

△s=(1/z1-1/z2)pp为丝杠导程如果z1=99,z2=100,p=6mm

则计算得△s=0.6μm4、螺母和丝杆之间的传动反向间隙消除（续）（4）单螺母变导程预紧4、螺母和丝杆之间的传动反向间隙消除（续）

在螺母体内的两列循环滚珠链之间，使内螺纹滚道在轴向制作一个的导程突变量,从而使二列滚珠产生轴向错位而实现预紧，预紧力的大小取决于和单列滚珠的径向间隙。其特点是结构简单紧凑，但使用中不能调整，且制造困难。5、滚珠丝杠的主要尺寸、精度等级

公称直径d0(通常与节圆直径DPW相等):指滚珠与螺绞滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径。它是滚珠丝杠副的特征(或名义)尺寸。

5、滚珠丝杠的主要尺寸、精度等级（续）

基本导程Ph(或螺距t):指滚珠螺母相对滚珠丝杠旋转2pi弧度时的行程(或螺母上基准点的轴向位移)。公称导程Ph0通常指用作尺寸标志的导程值(无公差)。

滚珠丝杆螺纹外径d1、滚珠丝杆螺纹底径d2、滚珠直径Dw、滚珠螺母体螺纹底径D2

、滚珠螺母螺纹内径D3

、滚珠丝杆螺纹全长l1等。行程l

：转动滚珠丝杠或滚珠螺母时，滚珠丝杠或滚珠螺母的轴向位移量。

5、滚珠丝杠的主要尺寸、精度等级（续）5、滚珠丝杠的主要尺寸、精度等级（续，张P28）滚珠丝杠副的精度GB/T17587.3-1998（与ISO3408-3：1992同）滚珠丝杠副根据使用范围分为定位型（P）和传动型（T）两种。根据精度要求分为7个精度等级，即1、2、3、4、5、7和10级。1级精度最高，依次递减。

德国亿孚、德国博士力世乐、日本THK、日本NSK、瑞典SKF山东济宁博特精工、汉江机床有限公司、北京机床研究所、南京工艺装备制造有限公司、台湾上银、台湾罗升P5=0.023，精度等级是5级，任意300mm行程内行程变动量为0.023mmC7：任意300mm行程内行程变动量为0.050mm，也就是C7=0.050（1）结构型式的选择：

根据防尘防护条件及对调整间隙和预紧的要求来选择。例如：当允许有间隙时（如垂直运动），可选择具有单圆弧形螺纹滚道的单螺母滚珠丝杠副；当必须有预紧或在使用过程中因磨损而需要定期调整时，应采用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式结构；当具有良好的防尘条件，且只需要在装配时调整间隙及预紧力时，可采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式结构；6、滚珠丝杠的选用（2）结构尺寸的选择公称直径d0：轴向最大载荷基本导程l0：设计要求，传动精度、传动速度螺纹长度ls：在满足l0的条件下尽可能短6、滚珠丝杠的选用根据定位精度和重复定位精度选用。推荐采用的精度等级：开环和半闭环进给系统的数控机床、精密机床：1、2、3级全闭环进给系统：2、3、4级一般动力传动：4、5级（3）滚珠丝杠副的精度的选择6、滚珠丝杠的选用

（4）滚珠丝杠副的选用要经过一定的设计计算6、滚珠丝杠的选用（续，唐21）承载能力选择压杆稳定性核算刚度的验算

（4）滚珠丝杠副的选用要经过一定的设计计算

已知条件：工作载荷F(N)或平均工作载荷Fm(N)，

使用寿命L’h

(h)，丝杆的工作长度(螺母的有效行程)L(m)，丝杠的转速n(平均转速nm或最高转速nmax)(r/min)，工作精度，滚道硬度HRC和载荷性质（运转情况）

设计计算步骤如下：①首先根据工作载荷，考虑载荷性质、滚道硬度、工作精度的影响计算获得计算载荷Fc(N)

Fc=KF

KHKA

FmKF为载荷性质系数(表2-6)，

KH

为滚道硬度系数(表2-7)，

KA为精度系数(表2-8)。6、滚珠丝杠的选用（续）②根据计算载荷Fc，考虑寿命和转速计算获得额定动载荷计算值Ca’(N)

C’a=Fc(nmL’h/1.67x104)1/3

L’

h使用寿命;nm平均转速；额定动载荷计算值C’a是选择滚珠丝杠的依据。③根据额定动载荷计算值C’a从滚珠丝杠的参数表中选择额定动载荷大于或等于额定动载荷计算值C’a的滚珠丝杠，获得滚珠丝杠的基本参数。6、滚珠丝杠的选用(续)

查表选择的滚珠丝杠参数如标称直径、导程、螺旋角等。再根据滚珠丝杠计算公式，计算出：丝杠外径、内径、滚道半径等参数。④稳定性验算

稳定性有两个方面：一为压杆稳定问题，对于支承方式为一端固定时，受轴向力大、丝杠较长时容易出现失稳现象。两端固定的丝杠不会出现失稳现象。验算条件：Fcr/Fm=S>[S]=2.5~3.3.其中[S]为许用安全系数（表2-10），Fcr是不发生失稳的临界载荷。6、滚珠丝杠的选用(续)稳定性方面第二个问题为高速时长丝杠易发生共振验算条件：丝杠最高转速nmax<ncr，这里ncr

是不发生共振的最高转速—临界转速⑤刚度验算计算丝杠在载荷作用下产生的变形，也称为导程误差，这种变形直接影响丝杠传动精度。要求丝杠全长导程变形总和小于要求的传动精度值的1/2。

F(N)为轴向载荷，T(N.m)为转矩。6、滚珠丝杠的选用(续)⑥效率验算要求在90%~95%之间为丝杠螺旋角，为摩擦系数。6、滚珠丝杠的选用(续)7、滚珠丝杠的应用8、滚珠丝杠的制动滚珠丝杠无自锁作用，垂直安装时，应设置自锁装置。9、滚珠丝杠小结通过课后阅读，自行总结。作业P512-7（唐51，机工版）P842-11（张84，北理工版）

本节学习以下几个内容：一、传动机构的要求及其类型二、齿轮传动消除反向间隙方法三、滚珠丝杠的应用四、锥环无键连轴器五、其它传动机构六、最佳传动比和传动比最佳匹配第二节传动机构的设计四、锥环无键连轴器连轴器是传动机构中轴与轴之间连接的重要部件。传递运动、传递扭矩。如果有间隙、有变形对传动精度有较大影响。连轴器的种类很多，有刚性连轴器、弹性连轴器、万向连轴器等第二节传动机构的设计

一般在传递较大转矩时轴与连轴器毂之间是用键连接这样会使传递运动时产生传递间隙。锥环无键连轴器可以实现轴与连轴器毂之间的无间隙连接传递扭矩。锥环无键连轴器原理是：利用安装在轴与连轴器毂之间的锥环对的相互鍥紧作用，使锥环产生径向弹性变形，从而靠摩擦力连接轴与连轴器毂。1、锥环无键连轴器原理及其特点锥环对锥环无键连轴器的特点：

无间隙传递转矩锥环对数不同可传递不同大小的转矩轴和连轴器毂的角度可调节定心性好、传递转矩大、转速高、使用寿命长具有过载保护能力能在振动冲击载荷下工作安装、使用、维修方便作用于系统的附加载荷小、噪声低。1、锥环无键连轴器原理及其特点(续)a.结构2、锥环无键连轴器结构及其计算锥环对b.设计计算(1)根据锥环尺寸和所需正压力计算出一对锥环传递转矩Tt2、锥环无键连轴器结构及其计算轴向力；为使锥环与轴及轮毂内壁接触时所施加的预紧力；为锥面半角；为摩擦系数。(2)根据所传递转矩Ttn和一对锥环传递转矩Tt计算锥环对数（或查表获得锥环对数）2、锥环无键连轴器结构及其计算锥环对数；为正压力递减公比为对锥环转矩增加系数。接触面正压力依次递减2、锥环无键连轴器结构及其计算(续)伺服电机锥环联轴器十字滑块联轴器滚珠丝杠

本节学习以下几个内容：一、传动机构的要求及其类型二、齿轮传动消除反向间隙方法三、滚珠丝杠的应用四、锥环无键连轴器五、其它传动机构六、最佳传动比和传动比最佳匹配第二节传动机构的设计五、其它传动机构

随着机电一体化技术的发展，多种高性能传动机构被采用。1、同步齿形带传动特点同步齿形带传动利用齿形带的齿和带轮的轮齿啮合传递运动和动力。兼有齿轮传动、带传动、链传动的优点：实现较远距离传动、传动精度高、齿形带强度高重量轻，适合高低速传动、传动效率高、无需张紧，作用于轴和轴承的附加载荷小。第二节传动机构的设计机电一体化系统设计2、行星轮传动太阳轮行星轮行星轮支架输出轴齿圈输入轴3、谐波齿轮传动谐波发生器柔性轮刚性轮（1）谐波齿轮的工作原理由波形发生器H，柔轮2，刚轮1组成。柔或刚轮为从动件，刚轮内齿圈齿数Zg，柔轮外齿圈齿数Zr。齿形：渐开线或三角形，周节(齿距)t相同，齿数不同，Zg>Zr

柔轮结构为薄壁圆筒，波形发生器长径比柔轮内径略大，柔轮为椭圆。波形发生器有三头、两头（双波发生器）具有双波发生器时Zg－Zr＝2，当波形发生器转动一周，柔轮和刚轮相对转过两个齿。3、谐波齿轮传动

谐波齿轮靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相当错齿来传递动力和运动的。谐波齿轮传动的传动比计算基于下式：实际谐波齿轮把谐波发生器作为输入轴。柔轮或刚轮中的一个作为输出轴，而另一个则固定。（1）谐波齿轮的工作原理分别为刚性轮、柔性轮和谐波发生器的转速(a)当柔轮固定ωr＝0则H轮主动，刚轮输出，求iHg

因为Zg>Zr

，则为iHg正，转向相同。

（2）谐波齿轮的传动比如果刚轮齿数100，柔轮齿数98则iHg=50（b）刚轮固定

时

ωg＝0

则H轮主动，柔轮输出，求

i

Hr

如果刚轮齿数100，柔轮齿数98则，iHr=-49（2）谐波齿轮的传动比因为Zg>Zr

，则为iHr负，转向相反。

传动链短、传动比大侧隙小、空程小、传动精度高体积小、噪声低下图为一谐波发生器实际结构（3）谐波齿轮传动机构的特点4、钢带传动钢带传动的特点是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、噪音低、驱动力大、寿命长，钢带无蠕变。右图为钢带传动在磁头定位机构中的应用例，

形钢带挂在驱动轮上，磁头固定在往复运动的钢带上,结构紧凑、磁头移动迅速、运行可靠。5、绳轮传动结构简单，成本低，噪音低。加速度不宜太高。6、棘轮传动外齿内齿端齿7、槽轮机构8、蜗形凸轮

本节学习以下几个内容：一、传动机构的要求及其类型二、齿轮传动消除反向间隙方法三、滚珠丝杠的应用四、锥环无键连轴器五、其它传动机构六、最佳传动比和传动比最佳匹配第二节传动机构的设计六、最佳传动比和传动比最佳匹配1、传动比的作用匹配速度、匹配转矩、匹配惯量、匹配精度i第二节传动机构的设计（1）“折算负载峰值力矩最小”的最佳总传动比，实现力的最佳传递。（2）“折算负载均方根力矩最小”的最佳总传动比，实现了功率的最佳传递。（3）“加速度最大”的最佳传动比能够提高负载的快速响应性。上述几种最佳总传动比均是针对某一方面要求而言，故其结果是不一样的，在具体选择时，除考虑伺服电机与负载的最佳匹配外，还要考虑总传动比对系统的稳定性、精确性、快速性的影响。2最佳传动比—跟优化目标有关3、各级传动比的最佳匹配原则(1)“折算(等效)转动惯量最小”原则，使系统具有良好的动态性能。

(2)“最小重量”原则(3)有利于“提高传动精度”原则（1）“折算(等效)转动惯量最小”原则

电机输入轴等效转动惯量:等效到电机输入轴上的转动惯量等效原则:等效前后动能相等。例：求齿轮B的等效惯量设等效后的转动惯量为Je（1）“折算(等效)转动惯量最小”原则(续)

设有一小功率电动机驱动的二级齿轮减速系统，如图所示。

设其总体传动比为i=i1i2

。若先假设各主动齿轮1,3具有相同的转动惯量，各齿轮均近似着成实心圆柱体，分度圆直径d，齿宽B、比重(密度*g)γ均相同，转动惯量为J。如不计轴和轴承的转动惯量，则等效到电动机轴上的等效转动惯量为（1）“折算(等效)转动惯量最小”原则(续)

（1）“折算(等效)转动惯量最小”原则(续)

最小值出现在拐点处

假定各个主动小齿轮的模数、齿数均相同。使各级传动比相等，可得最小重量的齿轮传动系统。同时，按此原则还可使传动系统中齿轮尺寸减至两种，并且使各级齿轮的中心距彼此相等，有利于加工。由于大齿轮的齿数、模数也相同，对大功率传动机构不合适（要考虑逐级扭矩增加，模数要变改变）。（2）最小重量原则(课下自行推导)在精密齿轮传动系统中，传动比相当于误差传递系数，因此，总传动比合理分级与分配对系统的传动精度将产生十分重要影响。折算到末级输出轴上的总转角误差为式中——折算到输出轴上的总转角误差；——第k级齿轮副在从动轴上的转角误差；——从第k级齿轮副到末级输出轴的传动比。（3）有利于“提高传动精度”原则①各级传动比逐级递减时的总转角误差要比递增时大，因此各级传动比应按前级小后级大匹配。②在总转角误差中，低速级的误差占的比重较大，因此末级采用精度等级较高的齿轮副，可显著地减小总折算转角误差。（3）有利于“提高传动精度”原则例：设四级齿轮传动系统，8个齿轮第二章机械系统设计第一节概述第二节传动机构的设计第三节导向机构的设计第四节执行机构的设计本节主要学习内容：一、导向机构的类型及其要求二、滑动导轨的结构与选择三、滚动直线导轨的应用四、其它导轨结构第三节导向机构的设计保证运动正确性1、导向机构的类型导轨主要由两部分组成，工作时一部分固定称支承轨（导轨或动导轨），另一部分相对支承轨作运动称作动轨（滑轨或滑座）。一、导向机构的类型及其要求

一、导向机构的类型及其要求

1、导向机构的类型开式：借助重力或弹簧力保证接触；闭式：只靠导轨本身的结构形状保证接触1、导向机构的类型2、对导向机构的要求导向机构是保证机械系统精度、快速响应性和稳定性的重要保证。导向机构简称导轨，它的作用不仅起导向作用往往也起支承作用，对其基本要求可归纳为：导向精度高－运动件按给定方向作直线运动的准确程度。刚性好

－抵抗载荷能力，分静刚度（恒定载荷）动刚度（交变载荷）。摩擦小－运动的灵活性和低速平稳性（不产生爬行）。耐磨性好－寿命长、精度保持性好。温度变化影响小－温度变化不影响精度，不卡死。结构工艺性好－力求结构简单，易制造、装配、调整。一、导向机构的要求及其类型

本节主要学习内容：一、导向机构的类型及其要求二、滑动导轨的结构与选择三、滚动直线导轨的应用四、其它导轨结构第三节导向机构的设计常见滑动导轨副的截面形状

二、滑动导轨副的结构及其选择

1、滑动导轨副的截面形状和特点（1）三角形导轨的特点

分对称型和非对称型三角形导轨。

特点：在垂直载荷作用下，具有磨损量自动补偿功能，无间隙工作，导向精度高。为防止因振动或倾翻载荷引起两导向面较长时间脱离接触，应有辅助导向面并具备间隙调整能力。但存在导轨水平与垂直误差的相互影响，为保证高的导向精度（直线度），导轨面加工、检验、维修困难。

对称型导轨

——随顶角增大，导轨承载能力增大，但导向精度降低。

非对称导轨

——主要用在载荷不对称的时候，通过调整不对称角度，使导轨左右面水平分力相互抵消，提高导轨刚度。(2)矩形导轨的特点结构简单，制造、检验、维修方便，导轨面宽、承载能力大，刚度高，但无磨损量自动补偿功能。由于导轨在水平和垂直面位置互不影响，因而在水平和垂直两方向均须间隙调整装置，安装调整方便。(3)燕尾形导轨的特点

无磨损量自动补偿功能，须间隙调整装置，燕尾起压板作用，镶条可调整水平垂直两方向的间隙，可承受颠覆载荷，结构紧凑，但刚度差，摩擦阻力大、制造、检验、维修不方便。(4)圆形导轨的特点结构简单，制造、检验、配合方便，精度易于保证，但摩擦后很难调整，结构刚度较差。

特点：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，但工艺性差。主要用于高精机床。

(1)双三角形组合导轨组合

2、常见导轨副组合与间隙调整、特点

特点：承载面与导向面分离，制造调整简单、导向面间隙用调整镶条保证，接触刚度较抵。闭式结构时，有辅助导向面，间隙由调整压板保证。在导轨副同样热变形条件下，L1越大，导向间隙要求越大。

(2)矩形与矩形导轨组合

优点：兼有三角形导轨导向精度好、矩形导轨制造方便、刚性好的优点，可避免热变形产生的配合间隙变化；

缺点：存在两导轨导向平面磨损不均并使导轨产生位置变化(三角形磨损快)；另外，两导轨的摩擦阻力不同，因而布置驱动力时，驱动力应与两摩擦阻力的合力同向为宜。当采用闭式压板结构时，可承受颠覆力矩。(3)三角形导轨与矩形或平面导轨组合

整体式燕尾导轨导向精度高，调整方便，承载能力强，制造困难；装配式导轨，制造调整方便，承载能力与整体式燕尾导轨相比较弱；燕尾导轨与矩形导轨组合，兼有调整方便，承载能力较强等特点。

(4)燕尾形导轨与矩形导轨组合(5)导轨副间隙的调整压板(5)导轨副间隙的调整平镶条斜镶条斜镶条导轨副材料选择的基本要求：导轨副材料应具有高的耐磨性、减振性、热稳定性以及易于生产制造。导轨副材料选用与组合：

常用铸铁、钢、有色金属、塑料。

通常为软—硬材料组合。如：铸铁—铸铁、铸铁—钢导轨、有色金属—钢导轨、塑料—钢导轨等。

3、导轨副材料的选择

注意：除了考虑导轨的结构、材料、制造质量、热处理方法以及使用维护操作规范外，在导轨副结构设计时，还可采取下述措施进一步提高导轨副的耐磨性。1）采用镶装导轨2）提高导轨精度、改善导轨表面粗糙度、采取合理的润滑措施3）减少导轨单位面上的压力（比压）、采用必要的卸荷装置.

4）采用塑料导轨结构4、提高导轨副耐磨性的措施

a、卸荷装置

b塑料导轨软带（贴塑导轨）软带采用四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合烧结而成。其摩擦系数低而稳定，动静摩擦系数相近。c金属塑料复合导轨板内层为钢背保证机械强度与承载力；钢背上镀铜烧结球形青铜粉或铜丝网形成多孔中间层，提高导热性；然后真空浸渍，使塑料进入中间层。当摩擦发热时，塑料膨胀从多孔层挤出，向摩擦表面转移补充，形成外层。本节主要学习内容：一、导向机构的类型及其要求二、滑动导轨的结构与选择三、滚动直线导轨的应用四、其它导轨结构第三节导向机构的设计三、滚动直线导轨的应用1、滚动直线导轨的特点

（1）承载能力大：其滚道采用圆弧形，增大滚动体和滚道之间接触面积，提高导轨承载能力。如果是平面滚道的导轨承载能力要下降十几倍。（2）刚性强：可以预加载荷，提高刚度和耐冲击、振动。（3）寿命长：由于纯滚动，摩擦系数为滑动导轨的

1/50左右，磨损小，因而寿命长。（4）传动平稳可靠：定位精度高，微量移动灵活准确，动作轻便。（5）具有结构自调整能力，装配调整容易。2、滚动直线导轨的类型按滚动体是否循环分，大体可分为滚动体不循环方式和滚动体循环方式，以下主要讨论后者。2、滚动直线导轨的类型（1）按滚动体形状分有钢球式、滚柱式（2）按导轨截面形状分有矩形、梯形2、滚动直线导轨的类型（3）按滚道沟槽形状分有单圆弧、双圆弧2、滚动直线导轨的类型3、滚动直线导轨的选用（1）根据工作条件，选择导轨的截面形状，以保证导向精度。

（2）根据负荷和要求的寿命计算选择适当的导轨结构及尺寸，有足够的刚度、耐磨性、承载能力以及运动轻便和低速平稳性。

（3）选择导轨的补偿及调整装置，有足够的导向精度的保持性。滚动直线导轨的有关计算（唐34）

（1）额定动载荷

（额定长度寿命Ts＝50Km时，作用在滑座上大小、方向均不变的载荷Ca（N））

db－钢球直径（mm）ls－滑座有效长度（mm）Z

－有效接触的钢球数N（2）额定静载荷

C0a

（N）

K0－适应比系数；R－圆弧轨道半径（mm）；db－钢球直径（mm）；i－钢球循环列数；α－接触角（45°）；θ－倾斜角（0°）R/db0.520.530.540.550.56

K072.159.45246.943.2（3）额定行程长度寿命[Ts(Km)]K－寿命系数，一般为50KmF－滑座工作载荷（N）fH－硬度系数（查表2-15）

fT－温度系数（查表2-16

）