机械系统设计 爬行 滚珠丝杠 同步带 滚动导轨

机电一体化系统机械系统设计

与一般机械系统比较，机电一体化机械系统的要求：①定位精度要高②响应速度要快③稳定性高

传动机构的基本要求1.低惯量。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.高刚度。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.合适阻尼。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.摩擦小。静摩擦力要小，动摩擦力要小的正斜率；否则会出现爬行。

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。

5.间隙小。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。

1）产生爬行的原因和过程

匀速运动的主动件1，通过压缩弹簧推动静止的运动件3，当运动件3受到的逐渐增大的弹簧力小于静摩擦力F时，3不动。直到弹簧力刚刚大于F时，3才开始运动，动摩擦力随着动摩擦系数的降低而变小，3的速度相应增大，同时弹簧相应伸长，作用在3上的弹簧力逐渐减小，3产生负加速度，速度降低，动摩擦力相应增大，速度逐渐下降，直到3停止运动，主动件1这时再重新压缩弹簧，爬行现象进入下一个周期。

由上述分析可知，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。

2）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。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。

机电一体化传动机构的种类齿轮传动机构、滚珠丝杠副、滑动丝杠副、同步带传动副、间歇机构、挠性传动机构直线运动常用传动形式滚珠丝杠传动齿轮齿条传动特点：高效率、可逆性；零背隙、高刚性高导程精度；低启动扭矩、顺畅性；滚珠丝杠传动滚珠丝杠安装方式滚珠丝杠副的安装方式一般叫做滚珠丝杠副的支承形式，通常有两大类（丝杠旋转类和螺母旋转类）共五种典型的支承形式，支承形式不同，所容许的轴向载荷和容许的回转转速也有所不同，应根据工况适当选择。丝杠旋转类两侧固定式用于高转速、高精度的场合。由于此形式结构较复杂，调整较难，因此一般仅在定位要求很高时采用。固定-游动式

适用于中转速、高精度的场合。此形式结构较简单，效果良好，应用广泛。支撑-支撑式

适用于中转速，中精度的场合。此形式结构简单，受力情况较差，应用较少。固定-自由式适用于低转速，中精度，轴向长度短的场合。此形式结构简单，受力情况差，但在行程小、转速低时也经常用到。螺母旋转类螺母旋转型，顾名思义，丝杠两端固定不动（拉伸状态），螺母相对丝杠转动，同时与丝杠产生相对轴向移动。由于“螺母旋转型”的丝杠不转，因此回避了丝杠的极限转速和压杆稳定性的约束，并且没有丝杠旋转惯性力，从而可以实现相对更高的转速和进给速度，同时也放宽了对丝杠直径的抗弯要求。体积小、精度高组装容易高刚性低噪音丝杠的选择与设计预压预压的目的在于消除轴向背隙且降低因轴向力造成的弹性位移，亦可改善滚珠丝杠刚性（避免失步）。预压方式拉伸式预压压缩式预压齿轮传动间隙调整直齿圆柱齿轮传动副（1）偏心套调整法2）锥度齿轮调整法

（3）.双片齿轮错齿调整法2．斜齿圆柱齿轮传动副

（1）轴向垫片调整法

（2）轴向压簧调整法3.齿轮齿条传动旋转运动（减速）常见传动形式同步带传动减速器同步齿形带，

是一种新型的带传动。

（一）同步齿形带的特点：

1、传动过程中无相对滑动，因而可以保持恒定的传动比，传动精度较高。

2、同步带传动工作平稳，结构紧凑，无噪音，有良好的减振性能，无需润滑。

3、同步带无需特别紧张，故作用在轴和轴承上的载荷较小，传动效率较高。

4、同步带传动的缺点是制造工艺较复杂，传递功率较小，寿命较低。同步齿形带的结构

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。

1、梯形齿应力集中在齿根部位，与带轮是圆弧形接触，当小带轮直径较小时，将使梯形齿同步带的齿形变形，影响与带轮齿的啮合，易产生噪声和振动，这对于速度较高的主传动来说是很不利的。因此，梯形齿同步带在数控机床特别是加工中心的主传动中很少使用，一般仅在转速不高的运动传动或小功率传动的动力传动中使用。

2、圆弧齿同步齿形带克服了梯形齿同步带的缺点，均化了应力，改善了啮合。因此，在加工中心上，无论是主传动还是伺服进给传动，当需要用带传动时，总是优先考虑采用圆弧齿同步齿形带。

对齿形带的要求：

1、有高的抗剪强度和耐磨性；

2、有高的耐油性和耐热性；

3、背带有良好的韧性和耐弯曲疲劳能力；机电一体化系统常用减速器减速器要求高精度低背隙高刚度重量轻高效率常用减速器行星减速器谐波减速器RV减速器涡轮蜗杆减速器少齿差传动在某些机电一体化系统中（如机器人），需要减速器在保证体积小的同时，能够有更大的减速比；此时，需要采用少齿差传动。常用的少齿差传动减速器有：谐波减速器RV减速器谐波减速器特点传动比大；传动精度高；齿轮侧隙小；传动平稳；结构简单

RV零部件齿轮轴：齿轮轴用来传递输入功率，且与渐开线行星轮互相啮合。行星轮：它与转臂（曲柄轴）固联，两个行星轮均匀地分布在一个圆周上，起功率分流的作用，即将输入功率分成两路传递给摆线针轮行星机构。转臂（曲柄轴）H：转臂是摆线轮的旋转轴。它的一端与行星轮相联接，另一端与支撑圆盘相联接，它可以带动摆线轮产生公转，而且又支撑摆线轮产生自转。摆线轮（RV齿轮）：为了实现径向力的平衡在该传动机构中，一般应采用两个完全相同的摆线轮，分别安装在曲柄轴上，且两摆线轮的偏心位置相互成180°。针轮：针轮与机架固连在一起而成为针轮壳体，在针轮上安装有30个针齿。刚性盘与输出盘：输出盘是RV型传动机构与外界从动工作机相联接的构件，输出盘与刚性盘相互联接成为一个整体，而输出运动或动力。在刚性盘上均匀分布两个转臂的轴承孔，而转臂的输出端借助于轴承安装在这个刚性盘上。

RV减速器传动原理第一级减速的形成执行电机的旋转运动由齿轮轴传递给两个渐开线行星轮，进行第一级减速。2.第二级减速的形成行星轮的旋转通过曲柄轴带动相距180°的摆线轮，从而生成摆线轮的公转；同时由于摆线轮在公转过程中会受到固定于针齿壳上的针齿的作用力而形成与摆线轮公转方向相反的力矩，也造就了摆线轮的自转运动，这样完成了第二级减速。运动的输出通过两个曲柄轴使摆线轮与刚性盘构成平行四边形的等角速度输出机构，将摆线轮的转动等速传递给刚性盘及输出盘。

RV减速器特点长期使用不需再加润滑剂寿命长刚度好减速比大低振动高精度保养便利高传动效率，约为0.8。

滚动导轨优点滚动导轨分类滚动导轨选择步骤额定负荷额定静负荷额定动负荷工作负荷静压导轨将具有一定压力的润滑油，经节流器输入到导轨面上的油腔，即可形成承载油膜，使导轨面之间处于纯液体摩擦状态。优点：导轨运动速度的变化对油膜厚度的影响很小；缺点：导轨自身结构比较复杂；需要增加一套供油系统；对润滑油的清洁程度要求很高。主要应用：精密机床的进给运动和低速运动导轨开式静压导轨：压力油经节流器进入导轨的各个油腔，使运动部件浮起，导轨面被油膜隔开，油腔中的油不断地通过封油边而流回油箱。当动导轨受到