机电一体化技术-22-精密机械技术-1课件

2.2精密机械技术

2.2.1机械系统概述

1、机械系统的组成

包括引导和支承执行部件的导轨、丝杠螺母副、齿轮齿条副、蜗杆蜗轮副、齿轮或齿链副及其支承部件等。传动部件：

1)、线性传动：齿轮、丝杠螺母、蜗轮蜗杆

2)、非线性传动：连杆机构、凸轮机构支承部件：导向支承、旋转支承轴系：机架：2.2精密机械技术

2、机械系统设计的基本要求和内容

1）机械系统设计要求为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，通常对机电一体化系统提出以下要求：(1)高精度精度直接影响产品的质量，尤其是机电一体化产品，其技术性能、工艺水平和功能比普通的机械产品都有很大的提高，因此机电一体化机械系统的高精度是其首要的要求。如果机械系统的精度不能满足要求，则无论机电一体化产品其它系统工作怎样精确，也无法完成其预定的机械操作。

(2)快速响应性即要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的任务之间的时间间隔短，这样控制系统才能及时根据机械系统的运行状态信息，下达指令，使其准确地完成任务。

(3)良好的稳定性即要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响，抗干扰能力强。2.2精密机械技术

2）设计内容：

(1)机械本体设计线性传动部件非线性传动部件间歇传动部件，等等(2)机械传动设计

2.2精密机械技术2.2精密机械技术

2.2.2机械传动机构

1、机械传动机构概述常用的机械传动部件包括：螺旋传动齿轮传动

同步带传动高速带传动各种非线性传动等2.2精密机械技术基本功能传动机构运动的变换动力的变换形式行程方向速度大小形式丝杠螺母√√√齿轮√√√齿轮齿条√√链轮链条√带、带轮√√杠杆机构√√√凸轮机构√√√√蜗轮蜗杆√√√间歇机构√

1)机械传动机构的基本要求采取的措施

(1)减少摩擦阻力如采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副、滚动导轨、静压导轨和塑料导轨。(2)提高传动精度和刚度、消除传动间隙传动精度和刚度主要取决于丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副及其支承结构的刚度。传动间隙主要来自传动齿轮副、蜗杆副、丝杠螺母副等

(3)减小运动惯量传动元件的惯量对伺服机构的启动和制动特性都有影响。在满足部件强度和刚度的前提下，尽可能减小执行部件的惯量。

(4)缩短传动链，提高传动与支承刚度；丝杠预紧；

(5)选择最佳传动比（china-machine），提高分辨率，降低等效转动惯量,缩小反向死区误差；

(6)改进支承结构，提高刚度，减小振动和噪声2.2精密机械技术2.2精密机械技术

2）机械传动机构的发展

精密化、高速化、小型化

3）机械传动机构的设计内容传动机构的设计任务包括系统设计和结构设计：（1）估算载荷（2）选择总传动比，选择伺服电动机（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）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）做必要的工艺分析和经济分析2.2精密机械技术2、机械传动系统的特性（1）转动惯量：转动惯量的影响转动惯量的计算（2）阻尼（3）刚度（4）传动精度传动系统的误差分析减少传动误差的措施3、滚珠丝杠螺母传动

2.2精密机械技术滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置。一、工作原理与特点丝杠滚珠螺母滚珠回路图2-1滚珠丝杠工作原理图在丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽，当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动。滚珠丝杠螺母副是数控机床中回转运动转换为直线运动常用的传动装置。它以滚珠的滚动代替丝杠螺母副中的滑动，摩擦力小，具有良好的性能。组成：丝杠螺母滚珠滚道（回珠器）螺母座1、滚珠丝杠螺母副的组成精度等级

滚珠丝杠副根据使用范围及要求分为七个精度等级，即1,2,3,4,5,7,10级，1级最高，依次递减。在数控机床上，X坐标可采用2,3或4级，Z坐标可采用3,4或5级。滚珠丝杠副可分为定位滚珠丝杠副（P类）和传动滚珠丝杠副(T类）。具体精度项目分三类：行程偏差和行程变动量、跳动和位置公差以及性能检验项目。

滚珠丝杠螺母副特点

摩擦损失小，传动效率高。

运动平稳无爬行。可以预紧，反向时无空程。磨损小，精度保持性好，使用寿命长。具有运动的可逆性。不能自锁，特别是用作垂直安装的滚珠丝杠传动，会因部件的自重而自动下降，当向下驱动部件时，由于部件的自重和惯性，当传动切断时，不能立即停止运动，必须增加制动装置。结构复杂，制造成本高。

二、滚珠丝杠螺母副的循环方式常用的循环方式有两种：滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称内循环。1．外循环插管式回珠器插管式回珠器图2-2外循环方式每一列钢珠转几圈后经插管回珠器返回。插管式回珠器位于螺母之外，称为外循环。外循环结构制造工艺简单，其滚道接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚动的平稳性，甚至发生卡珠现象，噪声也较大。DCBA反向回珠器

图2-3内循环方式DACB钢珠从A点走向B点、C点、D点然后经返向回珠器4从螺纹的顶上回到A点。螺纹每一圈形成一个钢珠的循环闭路。回珠器处于螺母之内，称为内循环。2.内循环其结构紧凑，定位可靠，刚性好，返回滚道短，不易发生滚珠堵塞；缺点是结构复杂，制造较困难，不能用于多头螺纹。三、滚道法向截面的形状

(a)单圆弧型面

(b)双圆弧型面

单圆弧滚道形面成形比较简单，而且易于得到较高的加工精度，但接触角不易控制，它随初始间隙和轴向力大小而变化，因而其传动效率、承载能力和轴向刚度均不稳定。双圆弧滚道能保持一定的接触角，传动效率、承载能力和轴向刚度比较稳定，螺旋槽底部不与滚珠接触，可容纳一定的润滑油和脏物，以减小摩擦和磨损，但砂轮成形较复杂，不易获得较高的加工精度。四、滚珠丝杠螺母副的预紧方法预紧方法有三种，基本原理都是使两个螺母产生轴向位移，以消除它们之间的间隙和施加预紧力。滚珠丝杠螺母预紧的目的消除反向间隙、提高其刚度。垫片调整法

1.垫片调整法通过改变垫片的厚度，使螺母产生轴向位移。这种结构简单可靠、刚性好，但调整较费时间，且不能在工作中随意调整。螺母调整法螺母2.螺母调整法用两个锁紧螺母l，2能使螺母相对丝杠作轴向移动。这种结构既紧凑，工作又可靠、调整也方便，故应用较广。但调整位移量和预紧力不易精确控制。3.齿差调整法当两齿同向各转过一个齿时，则左螺母相对于右螺母转过1m。Z1=99Z2=100螺距t-10mm齿差调整法五、滚珠丝杠螺母副的选用目前我国滚珠丝杠螺母副的精度标准为四级：普通级P、标准级B、精密级J和超精密级C。普通数控机床可选用标准级B，精密数控机床可选精密级J或超精密级C。在设计和选用滚珠丝杠螺母副时，首先要确定螺距t、名义直径D0、滚珠直径d0等主要参数。

D0愈大，丝杠承载能力和刚度愈大。为了满足传动刚度和稳定性的要求，通常D0应大于丝杠长度的1/30~1/35，根据D0值选取尽量较大的螺距t。

滚珠直径d0对承载能力有直接影响，应尽可能取较大的数值。一般d0

0.6t，其最后尺寸按滚珠标准选用。六、滚珠丝杠螺母副的支承形式和制动方式1.支承形式

(1)一端装止推轴承一端装止推轴承这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，仅适应于短丝杠，如数控机床的调整环节或升降台式数控铣床的垂直坐标中。(2)一端装止推轴承，另一端装向心球轴承滚珠丝杠较长时，一端装止推轴承固定，另一自由端装向心球轴承。为了减少丝杠热变形的影响，止推轴承的安装位置应远离热源(如液压马达)及丝杠上的常用段。图7-11一端装止推轴承，另一端装向心球轴承

图7-12

两端装止推轴承(3)两端装止推轴承将止推轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧拉力，有助于提高传动刚度。但这种安装方式对热伸长较为敏感。(4)两端装止推轴承及向心轴承两端装止推轴承及向心轴承为了提高刚度，丝杠两端采用双重支承，如止推轴承和向心球轴承，并施加预紧拉力。这种结构方式可使丝杠的热变形转化为止推轴承的预紧力，但设计时要注意提高止推轴承的承载能力和支架刚度。滚珠丝杠副的支承方式的选用

滚珠丝杠主要承受轴向载荷，除丝杠自重外，一般无径向外载荷。滚珠丝杠副的支承，主要是约束丝杠的轴向窜动，其次才是径向约束。较短的丝杠或垂直安装的丝杠，可以采用单支承形式（一端固定，一端自由）；水平安装丝杠较长时，可以一端固定，一端游动；对于精密和高精度机床的滚珠丝杠副，为了提高丝杠的拉压刚度，可以两端固定；为了补偿热膨胀和减少丝杠因自重下垂，两端固定丝杠还可以进行预拉伸。2.制动方式

滚珠丝杠螺母副传动效率很高，但不能自锁，用在垂直传动或水平放置的高速大惯量传动中，必须装有制动装置。常用的制动方法有超越离合器、电磁摩擦离合器或者使用具有制动装置的伺服驱动电机。滚珠丝杠必须采用润滑油或锂基油脂进行润滑，同时要采用防尘密封装置。如用接触式或非接触密封圈，螺旋式弹簧钢带，或折叠式塑性人造革防护罩，以防尘土及硬性杂质进入丝杠。七、丝杆与螺母相对运动的组合类型八、轴向间隙的调整方法

滚珠丝杠副的轴向间隙，是负载时在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。因此，要把轴向间隙完全消除相当困难。通常采用双螺母预紧的方法，把弹性变形量控制在最小限度内。预紧力太小时，提高刚度的效果不明显，预紧力太大时，则又较大地增加了摩擦和牵引力。适当的预紧力应为最大轴向负载的1/3。

九、滚珠丝杠螺母副的主要尺寸和标注方法

(a)滚珠丝杠副轴向剖面（b)滚珠丝杠副法向剖面滚珠丝杠副参数代号滚珠丝杠螺母副的标注方法滚珠丝杠副型号编写格式例如:CMD50×8-3.5-3/2200×1800导程的大小是根据机床的加工精度要求确定的。精度要求高时，应将导程取小些，这样在一定的轴向力作用下，丝杠上的摩擦阻力较小。公称直径d0是指滚珠中心圆的直径，d0根据承受的载荷来选取。d0越大，丝杠承载的能力和刚度就越大。为了满足传动刚度和稳定性的要求，通常d0应该大于丝杠长度的1/30～1/35。滚珠丝杠螺母副工作时，螺母各圈滚珠所承受的载荷是不同的。在每一个循环回路中，第一圈滚珠承受总负载的50％左右，第二圈约承受30%，第三圈约为20%。因此，滚珠丝杠副中的每个循环回路的滚珠工作圈数取为2.5～3.5圈。滚珠的总数N一般不要超过150个。

十、滚珠丝杠螺母副与驱动电动机的连接形式

与电动机轴直接连接通过齿轮连接通过同步齿形带连接无论采用何种连接形式，都应消除连接间隙，减小连接件间的同轴度误差，以提高传动精度和传动刚度。无键弹性环联轴器弹性环连接1一主动轴；2-螺钉；3一从动轴；4一压盖；5-弹性环；6一轴套

弹性环的内外锥面互相贴合，通过压盖4轴向压紧，使内、外锥形环互相楔紧，使内环内径变小箍紧轴，外环外径变大撑紧轴套，消除间隙并将主、从动轴与轴套连成一体，依靠摩擦传递转矩。套筒式联轴器套筒式联轴器1一销；2,5,8一套筒；3,6一传动轴；4-螺钉；7一主动轴；9一十字滑块；10一防松螺钉；11-键（c）使用十字滑块9，接头槽口通过配研消除间隙。这种结构可以消除主、从轴间的同轴度误差的影响，在精密传动中应用较多。

十一、滚珠丝杠副的防护

滚珠丝杠副密封螺母端部密封

十二、滚珠丝杠螺母副设计选择要点①计算最大动载荷Q②确定丝杠名义直径D及长度L③确定导程t④确定支承结构⑤刚度校核⑥预紧力的确定⑦丝杠稳定性和临界转速⑧防尘与润滑1)．计算最大动载荷Q

考虑工作载荷、工作转速及工作时间，确定最大动载荷Q；丝杠承载能力与工作寿命及载荷特性有关。2)．确定丝杠名义直径D及长度L

据最大动载荷与承载能力确定名义直径长度由工作长度确定3)．确定导程t

考虑脉冲当量和传动效率4)．确定支承结构5)．刚度校核

接触刚度和拉压刚度6)．预紧力的确定预紧力的大小为设计的最大轴向载荷的1/37)．丝杠稳定性和临界转速8)．防尘与润滑1）齿轮传动系统的总传动比及其分配原则

设计机电一体化齿轮传动系统，主要是研究它的动力学特性。

(1)．最佳总传动比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，方法有：

(a)峰值综合：若各种负载为非随机性负载，将各负载的峰值取代数和。

(b)均方根综合：若各种负载为随机性负载，取各负载的均方根。负载综合时，要转化到电机轴上，成为等效峰值综合负载转矩或等效均方根综合负载转矩。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。4、紧密齿轮传动（2）总传动比分配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。若总传动比较大，又不准备采用谐波、少齿差等传动，需要确定传动级数，并在各级之间分配传动比。单级传动比增大使传动系统简化，但大齿轮的尺寸增大会使整个传动系统的轮廓尺寸变大。可按下述三种原则适当分级，并在各级之间分配传动比。(a)最小等效转动惯量原则利用该原则所设计的齿轮传动系统，换算到电机轴上的等效转动惯量为最小。(b)重量最轻原则

对于小功率传动系统，使各级传动比满足，即可使传动装置的重量最轻。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、齿轮齿宽等参数要逐级增加的情况，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”原则处理。(c)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”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。具体来讲有以下几点：①对于要求体积小、重量轻的齿轮传动系统可用重量最轻原则。②对于要求运动平稳、起停频繁和动态性能好的伺服系统的减速齿轮系，可按最小等效转动惯量和总转角误差最小的原则来处理。对于变负载的传动齿轮系统的各级传动比最好采用不可约的比数，避免同期啮合以降低噪声和振动。③对于提高传动精度和减小回程误差为于的传动齿轮系，可按总转角误差最小原则。对于增速传动，由于增速时容易破坏传动齿轮系工作的平稳性，应在开始几级就增度，并且要求每级增速比最好大于1：3，以有利于增加轮系刚度、减小传动误差。④对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结合为混合轮系。对于相当大的传动比、并且要求传动精度与传动效率高、传动平稳、体积小重量轻时．可选用新型的谐波齿轮传动。2)齿轮传动的消隙机构刚性调整法刚性调整法是调整后齿侧间隙不能自动补偿的调整法。因此，齿轮的周节公差及齿厚要严格控制，否则影响传动的灵活性。这种调整方法结构比较简单，且有较好的传动刚度。(1)偏心轴调整法通过调整偏心套来改变齿轮1和齿轮2之间的中心距，从而消除了齿侧间隙。偏心调整法的原理图齿轮1齿轮2偏心套

(2)轴向垫片调整法齿轮1齿轮2垫片轴向垫片调整法的原理图要改变垫片的厚度就能改变齿轮2和齿轮1的轴向相对位置，从而消除了齿侧间隙。

柔性调整法该法是调整之后齿侧间隙仍可自动补偿的调整法。一般采用调整压力弹簧的压力来消除齿侧间隙，但这种结构较复杂，轴向尺寸大、传动刚度低，传动平稳性也差。(1)轴向压簧调整法用螺母来调节弹簧的轴向压力，使齿轮1和2的左、右齿面分别与宽斜齿轮齿槽的左右侧面贴紧。弹簧力需调整适当，过松消除不了间隙，过紧则齿轮磨损过快。薄斜齿轮1薄斜齿轮2弹簧键螺母轴宽斜齿轮轴向压簧调整法(2)周向压簧调整法(双片薄齿轮错齿调整法)转动螺母调整弹簧的拉力可以使薄片齿轮错位，即两片薄齿轮1、2的左、右齿面分别与宽齿轮齿槽的右、左贴紧，消除了齿侧间隙。凸耳弹簧凸耳螺钉螺母薄齿轮2薄齿轮1周向压簧调整法

3）谐波齿轮传动

谐波齿轮传动是谐波齿轮行星传动的简称。是一种少齿差行星传动。通常由刚性圆柱齿轮G、柔性圆柱齿轮R、波发生器H和柔性轴承等零部件构成。柔轮和刚轮的齿形有直线三角齿形和渐开线齿形两种，以后者应用较多。谐波齿轮传动既可用做减速器，也可用做增速器。柔轮、刚轮、波发生器三者任何一个均可固定，其余二个一为主动，另一个为从动。传动比大，且外形轮廓小，零件数目少，传动效率高。效率高达92％~96％，单级传动比可达50~4000。承载能力较高：柔轮和刚轮之间为面接触多齿啮合，且滑动速度小，齿面摩损均匀。柔轮和刚轮的齿侧间隙是可调：当柔轮的扭转刚度较高时，可实现无侧隙的高精度啮合。谐波齿轮传动可用来由密封空间向外部或由外部向密封空间传递运动。

5、挠性传动同步带传动：综合了带传动及链传动的特点，属于啮合传动方式优点：精度高，效率高，传动平稳、无冲击、无振动、传动比恒定缺点：制造、安装精度复杂，橡胶有蠕变性钢带传动：属于摩擦传动绳轮传动：属于摩擦传动钢带传动、绳轮传动应用在：起重机、电梯、索道等同步带是一种兼有链、齿轮、三角胶带优点的传动零件。由于同步带是一种兼有链、齿轮、三角胶带优点的传动零件，于1940年由美国尤尼罗尔(Unirayal)橡胶公司首先加以开发。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，取得显著效益，并被逐渐引用到其他机械传动上。同步带传动1.分类(1)．按用途分

(a)一般工业用同步带传动即梯形齿同步带传动。它主要用于中、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)高转矩同步带传动由于其齿形呈圆弧状，在我国通称为圆弧齿同步带传动。它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。

(3)特种规格的同步带传动这是根据某种机器特殊需要而采用的特种规格同步带传动，如工业缝纫机用的、汽车发动机用的同步带传动。

(4)特殊用途的同步带传动即为适应特殊工作环境制造的同步带。

(2).按规格制度分

(a)模数制同步带主要参数是模数m(与齿轮相同)，根据不同的模数数值来确定带的型号及结构参数。在60年代该种规格制度曾应用于日、意、苏等国，后随国际交流的需要，各国同步带规格制度逐渐统一到节距制。目前仅前苏联及东欧各国仍采用模数制。

(2)节距制即同步带的主要参数是带齿节距，按节距大小不同，相应带、轮有不同的结构尺寸。该种规格制度目前被列为国际标准。由于节距制来源于英、美，其计量单位为英制或经换算的公制单位。

(3)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。在我国，由于德国进口设备较多，故DIN米制节距同步带在我国也有应用。2.同步带传动的优缺点

(1)．工作时无滑动，有准确的传动比

(2)．传动效率高，节能效果好

(3)．传动比范围大，结构紧凑

(4)．维护保养方便，运转费用低

(5)．恶劣环境条件下仍能正常工作3.同步带的结构和尺寸规格同步带结构如下左图所示，同步带一般由承载绳、带齿、带背和包布层组成。工业用同步带带轮形状如下右图所示。6、间歇传动特点：连续运动→间歇运动结构形式：棘轮传动机构槽轮传动机构蜗形凸轮传动机构不完全齿轮机构内啮合槽轮机构外啮合槽轮蜗杆凸轮间歇运动机构圆柱凸轮间歇机构双动式棘轮机构摩擦式棘轮机构（外啮合）齿式棘轮机构（内啮合）齿式棘轮机构（外啮合）间歇运动机构

机器工作时，当主动件作连续运动时，常需要从动件产生周期性的运动和停歇，实现这种运动的机构，称间歇运动机构。类型：1.主动件往复摆动，从动件间歇运动---棘轮机构2.主动件连续转动，从动件间歇运动---槽轮机构、不完全齿轮机构应用：自动机床的进给机构、送料机构、刀架的转位机构等

一、槽轮机构1.槽轮机构的组成、工作原理及特点

2.槽轮机构的类型外槽轮机构内槽轮机构槽条机构球面槽轮机构等外槽轮机构内槽轮机构特点：主动拨盘与从动槽轮转向相同。其结构紧凑，传动较平稳，槽轮停歇时间较