2第二章-精密机械技术(2010).ppt

精密机械技术精密机械技术 2.1 机电一体化中的机械系统 机电一体化系统中的机械系统是由计算机协调机电一体化系统中的机械系统是由计算机协调与控制，用于完成一系列机械运动的机械和机电部与控制，用于完成一系列机械运动的机械和机电部件相互联系的系统。件相互联系的系统。概括地讲，机电一体化系统中机械系统主要包概括地讲，机电一体化系统中机械系统主要包括以下五大部分：括以下五大部分：1)1)传动机构传动机构(传递能量和运动传递能量和运动)2)2)导向机构导向机构 (支承和限制运动部件，获得给定运动方向支承和限制运动部件，获得给定运动方向)3)3)执行机构执行机构(按指令要求，完成预定操作按指令要求，完成预定操作)4)4)轴轴 系系(传递转矩获得回转运动，承受外力传递转矩获得回转运动，承受外力)5)5)机座或机架机座或机架 (支承、承重、保证相对位置、作基准支承、承重、保证相对位置、作基准)n n传统机械系统和机电一体化系统传统机械系统和机电一体化系统对比对比n n两类系统的主要功能都是完成一系列的机械运动，但两类系统的主要功能都是完成一系列的机械运动，但由于组成的不同，导致运动实现的方式也不同。由于组成的不同，导致运动实现的方式也不同。n n传统机械系统一般是由传统机械系统一般是由动力件、传动件、执行件动力件、传动件、执行件动力件、传动件、执行件动力件、传动件、执行件三部三部分加上电器、液压和机械控制等部分组成，而分加上电器、液压和机械控制等部分组成，而机电一机电一体化中的机械系统由计算机协调与控制，用于完成包体化中的机械系统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或机电括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械或机电部件相互联系的系统组成。部件相互联系的系统组成。其核心是由计算机控制的，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。包括机、电、液、光、磁等技术的伺服系统。n n机电一体化中的机械系统需使伺服马达和负载之间的机电一体化中的机械系统需使伺服马达和负载之间的机电一体化中的机械系统需使伺服马达和负载之间的机电一体化中的机械系统需使伺服马达和负载之间的转速与转矩得到匹配。也就是在满足伺服系统高精度、转速与转矩得到匹配。也就是在满足伺服系统高精度、转速与转矩得到匹配。也就是在满足伺服系统高精度、转速与转矩得到匹配。也就是在满足伺服系统高精度、高响应速度、良好稳定性的前提下，还应该具有较大高响应速度、良好稳定性的前提下，还应该具有较大高响应速度、良好稳定性的前提下，还应该具有较大高响应速度、良好稳定性的前提下，还应该具有较大的刚度、较高的可靠性和重量轻、体积小、寿命长等的刚度、较高的可靠性和重量轻、体积小、寿命长等的刚度、较高的可靠性和重量轻、体积小、寿命长等的刚度、较高的可靠性和重量轻、体积小、寿命长等特点。特点。特点。特点。传统机械系统和机电一体化系统对比2.1.2 机电一体化系统对机械技术的特殊要求n n基于以上原因，机电一体化中的机械系统除了满基于以上原因，机电一体化中的机械系统除了满足一般机械设计的要求以外，还必须满足机电一足一般机械设计的要求以外，还必须满足机电一体化系统的各种特殊要求。总体上讲，这些要求体化系统的各种特殊要求。总体上讲，这些要求主要可归纳为以下主要可归纳为以下3 3个方面：个方面：1 1高精度高精度2 2小惯量小惯量3 3大刚度大刚度2.1.3 精密机械系统设计过程中的特点n n机电一体化机械系统设计与传统的机械系统设计机电一体化机械系统设计与传统的机械系统设计一样有一样有传动设计传动设计和和结构设计结构设计两部分，只是由于机两部分，只是由于机电一体化的特征决定了在机械系统设计过程中有电一体化的特征决定了在机械系统设计过程中有它自身的特点。它自身的特点。1)1)机械传动设计的特点机械传动设计的特点 2)2)机械结构设计的特点机械结构设计的特点 2.2精密机械传动机构精密机械传动机构n n常用机械传动机构螺旋传动、齿轮传动、同步常用机械传动机构螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动、各种非线性传动等。带传动、高速带传动、各种非线性传动等。n n由于传动部件直接影响着机电一体化系统的精度、由于传动部件直接影响着机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性，因此，应设计和选择满足传稳定性和快速响应性，因此，应设计和选择满足传动动间隙小间隙小间隙小间隙小、精度高精度高精度高精度高、低摩擦低摩擦低摩擦低摩擦、体积小体积小体积小体积小、重量轻重量轻重量轻重量轻、运运运运动平稳动平稳动平稳动平稳、响应速度快响应速度快响应速度快响应速度快、传递转矩大传递转矩大传递转矩大传递转矩大、谐振频率高谐振频率高谐振频率高谐振频率高以以及与及与伺服电动机等其他环节的动态性能相匹配伺服电动机等其他环节的动态性能相匹配伺服电动机等其他环节的动态性能相匹配伺服电动机等其他环节的动态性能相匹配等要等要求的传动部件。主要有以下五方面基本要求。求的传动部件。主要有以下五方面基本要求。2.2.1 机械传动机构的基本要求机械传动机构的基本要求 机械传动机构的基本要求机械传动机构的基本要求n n1)1)系统传动部件的静摩擦力应尽可能小，动摩擦力应系统传动部件的静摩擦力应尽可能小，动摩擦力应系统传动部件的静摩擦力应尽可能小，动摩擦力应系统传动部件的静摩擦力应尽可能小，动摩擦力应是尽可能小的正斜率，若为负斜率则易产生爬行，精是尽可能小的正斜率，若为负斜率则易产生爬行，精是尽可能小的正斜率，若为负斜率则易产生爬行，精是尽可能小的正斜率，若为负斜率则易产生爬行，精度降低，寿命减小。度降低，寿命减小。度降低，寿命减小。度降低，寿命减小。因此，要求较高的机电一体化系统经常采用低摩擦阻力的因此，要求较高的机电一体化系统经常采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，如采用滚珠丝杠副、滚动导向传动部件和导向支承部件，如采用滚珠丝杠副、滚动导向支承、动支承、动(静静)压导向支承等。压导向支承等。n n2)2)缩短传动链，提高传动与支承刚度，缩短传动链，提高传动与支承刚度，缩短传动链，提高传动与支承刚度，缩短传动链，提高传动与支承刚度，如如 用预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动与支承用预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动与支承刚度；刚度；采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接，以减少中间传动机构；母副连接，以减少中间传动机构；丝杠的支承设计采用两端轴向预紧或预拉伸支承结构等。丝杠的支承设计采用两端轴向预紧或预拉伸支承结构等。n n3)3)选用最佳传动比，以达到减少等效到执行元件输选用最佳传动比，以达到减少等效到执行元件输选用最佳传动比，以达到减少等效到执行元件输选用最佳传动比，以达到减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力的目出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力的目出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力的目出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力的目的。的。的。的。n n4)4)缩小反向死区误差，缩小反向死区误差，缩小反向死区误差，缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少如采取消除传动间隙、减少支承变形等。支承变形等。n n5)5)适当的阻尼比，适当的阻尼比，适当的阻尼比，适当的阻尼比，机械零件产生共振时，系统中阻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也会使系统的失动量失动量和和反转误差反转误差增大、稳态误差增增大、稳态误差增大，精度降低。所以在设计时要注意传动机构的阻大，精度降低。所以在设计时要注意传动机构的阻尼应合适。尼应合适。对机械传动结构的新技术要求 n n1)1)精密化。精密化。精密化。精密化。对某种特定的机电一体化系统对某种特定的机电一体化系统(或产品或产品)来来说，应根据其性能需要提出适当的精密度要求。虽说说，应根据其性能需要提出适当的精密度要求。虽说不是越精密越好，但由于要适应产品高定位精度等性不是越精密越好，但由于要适应产品高定位精度等性能要求，对传动机构的精密度要求也越来越高。能要求，对传动机构的精密度要求也越来越高。n n2)2)高速化。高速化。高速化。高速化。产品工作效率的高低，直接与机械传动部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，传动机构应能适应高速运件的运动速度相关。因此，传动机构应能适应高速运动的要求。动的要求。n n3)3)小型化、轻量化。小型化、轻量化。小型化、轻量化。小型化、轻量化。随着机电一体化系统精密化、高随着机电一体化系统精密化、高速化的发展，必然要求传动机构的小型化、轻量化，速化的发展，必然要求传动机构的小型化、轻量化，以提高运动灵敏度以提高运动灵敏度(快速响应性快速响应性)、减小冲击、降低能、减小冲击、降低能耗。为了与微电子部件微型化相适应，也要尽可能做耗。为了与微电子部件微型化相适应，也要尽可能做到使传动部件短、小、轻、薄。到使传动部件短、小、轻、薄。2.2.2 丝杠螺母传动 n n丝杠螺母机构（螺旋传动机构）：主要用来将旋转丝杠螺母机构（螺旋传动机构）：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。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有以传递能量为主的(如螺旋压力机、千斤顶等如螺旋压力机、千斤顶等)；也有以传；也有以传递运动为主的递运动为主的(如机床工作台的进给丝杠如机床工作台的进给丝杠)；还有调整零件之；还有调整零件之间相对位置的螺旋传动机构等。间相对位置的螺旋传动机构等。n n丝杠螺母机构分为丝杠螺母机构分为滑动摩擦机构滑动摩擦机构滑动摩擦机构滑动摩擦机构和和滚动摩擦机构滚动摩擦机构滚动摩擦机构滚动摩擦机构。滑动丝杠螺母机构滑动丝杠螺母机构结构简单、加工方便、制造成本结构简单、加工方便、制造成本低、具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大、传动效率低、具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大、传动效率低低(30304040)。滚珠丝杠螺母机构滚珠丝杠螺母机构虽然结构复杂、虽然结构复杂、制造成本高，但其最大优点是摩擦阻力矩小、传动制造成本高，但其最大优点是摩擦阻力矩小、传动效率高效率高(92929898)，因此在机电一体化系统中得，因此在机电一体化系统中得到广泛应用。到广泛应用。丝杠基本传动形式的5种类型 n n1)1)螺母固定、丝杠转动并移动。螺母固定、丝杠转动并移动。螺母固定、丝杠转动并移动。螺母固定、丝杠转动并移动。如图如图1 1，该传动形式因螺母本身，该传动形式因螺母本身起着支承作用，消除了丝杠轴承可能产生的附加轴向窜动，结构起着支承作用，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。只适用于行程较小的场合。较差。只适用于行程较小的场合。n n2)2)丝杠转动、螺母移动。丝杠转动、螺母移动。丝杠转动、螺母移动。丝杠转动、螺母移动。如图如图2 2，该形式需要限制螺母的转动，该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。行程较大的场合。n n3)3)螺母转动、丝杠移动。螺母转动、丝杠移动。螺母转动、丝杠移动。螺母转动、丝杠移动。如图如图3 3，该形式需要限制螺母移动和丝，该形式需要限制螺母移动和丝杠的转动，由于结构较复杂且占用轴向空间较大，故应用较少。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。n n4)4)丝杠固定、螺母转动并移动。丝杠固定、螺母转动并移动。丝杠固定、螺母转动并移动。丝杠固定、螺母转动并移动。如图如图4 4，该传动方式结构简单、，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。紧凑，但在多数情况下使用极不方便，故很少应用。n n5)5)差动传动方式，差动传动方式，差动传动方式，差动传动方式，如图如图5 5。该方式的丝杠上有螺距不同的。该方式的丝杠上有螺距不同的(如如l l1010、l l2020)两段螺纹，其旋向相同。当丝杠两段螺纹，其旋向相同。当丝杠2 2转动时，可动螺母转动时，可动螺母1 1的移动的移动距离为距离为S=n(lS=n(l1010l l2020)，如果两基本导程的大小相差较少，则可，如果两基本导程的大小相差较少，则可获得较小的位移获得较小的位移S S。因此，。因此，此方式多用于微动机构中。此方式多用于微动机构中。此方式多用于微动机构中。此方式多用于微动机构中。滚珠丝杠的组成特点n n滚珠丝杠副由带滚珠丝杠副由带螺旋槽的丝杠螺旋槽的丝杠与与螺母螺母及中间传动元件及中间传动元件滚滚珠珠组成。图为滚珠丝杠螺母机构示意图，它由丝杠、螺组成。图为滚珠丝杠螺母机构示意图，它由丝杠、螺母、滚珠和反向器母、滚珠和反向器(滚珠循环装置滚珠循环装置)4)4部分组成。丝杠转部分组成。丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠流动闭合通路。成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠流动闭合通路。n n滚珠丝杠与滑动丝杠相比，除上述滚珠丝杠与滑动丝杠相比，除上述优点外，还具有优点外，还具有轴向刚度高轴向刚度高轴向刚度高轴向刚度高(即通过即通过适当预紧可消除丝杠与螺母之间的轴向适当预紧可消除丝杠与螺母之间的轴向间隙间隙)、运动平稳、传动精度高、不运动平稳、传动精度高、不运动平稳、传动精度高、不运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长易磨损、使用寿命长易磨损、使用寿命长易磨损、使用寿命长等优点。但等优点。但由由于不能自锁，具有传动的可逆性，于不能自锁，具有传动的可逆性，作升降传动机构时，需采取制动机作升降传动机构时，需采取制动机构。构。滚珠丝杠副的主要尺寸参数 n n公称直径公称直径d d0 0：指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球指滚珠与螺纹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心的圆柱直径。它是滚珠丝杠副的特征(或名义或名义)尺寸。尺寸。n n基本导程基本导程l l0 0：指丝杠相对于螺母旋转指丝杠相对于螺母旋转2 2 弧度时，螺母上基准点的弧度时，螺母上基准点的轴向位移。轴向位移。n n行程行程l l：指丝杠相对于螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点的轴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。向位移。n n此外还有此外还有丝杠螺纹大径丝杠螺纹大径d d、丝杠螺纹小径丝杠螺纹小径d d1 1、滚珠直径、滚珠直径d db b、螺母、螺母螺纹大径螺纹大径DD、螺母螺纹小径、螺母螺纹小径DD1 1、丝杠螺纹全长、丝杠螺纹全长l ls s等。等。n n基本导程的大小应根据机电一体化产品的精度要求确定。基本导程的大小应根据机电一体化产品的精度要求确定。精度要精度要求高时应选取较小的基本导程求高时应选取较小的基本导程。滚珠的工作圈。滚珠的工作圈(或列或列)数和工作滚数和工作滚珠的数量珠的数量N N由试验得到：由试验得到：一般第一、第二和第三圈分别承受轴向一般第一、第二和第三圈分别承受轴向一般第一、第二和第三圈分别承受轴向一般第一、第二和第三圈分别承受轴向载荷的载荷的载荷的载荷的5050、3030和和和和2020左右。因此，工作圈左右。因此，工作圈左右。因此，工作圈左右。因此，工作圈(或列或列或列或列)数一般取数一般取数一般取数一般取2.5(2.5(或或或或2)2)3.5(3.5(或或或或3)3)。滚珠总数。滚珠总数。滚珠总数。滚珠总数NN一般不超过一般不超过一般不超过一般不超过150150个。个。个。个。滚珠丝杠副的选择方法 n n1)1)滚珠丝杠副结构的选择。滚珠丝杠副结构的选择。根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，可选择适当的结构形式。例如，可选择适当的结构形式。例如，当当当当允许有间隙存在时允许有间隙存在时(如垂直运动如垂直运动)可选用可选用具有单圆具有单圆弧形螺纹滚道弧形螺纹滚道的单螺母滚珠丝杠副；的单螺母滚珠丝杠副；当当当当必须有预紧或在使用过程中因磨损而需要定期必须有预紧或在使用过程中因磨损而需要定期调整时，应采用调整时，应采用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式双螺母螺纹预紧或齿差预紧式结构；结构；当当当当具备良好的防尘条件，且只需在装配时调整具备良好的防尘条件，且只需在装配时调整间隙及预紧力时，可采用间隙及预紧力时，可采用结构简单的双螺母垫片调结构简单的双螺母垫片调整整预紧式结构。预紧式结构。n n2)2)滚珠丝杠副结构尺寸的选择。滚珠丝杠副结构尺寸的选择。选用滚珠丝杠副时通常主要选择丝杠的选用滚珠丝杠副时通常主要选择丝杠的公称公称公称公称直径直径直径直径d d0 0和和基本导程基本导程基本导程基本导程l l0 0。公称直径公称直径公称直径公称直径d d0 0应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸系列选择。螺纹长度尺寸系列选择。螺纹长度l ls s在允许的情况下要尽量在允许的情况下要尽量短，短，一般取一般取l ls s/d/d0 0小于小于3030为宜；为宜；基本导程基本导程基本导程基本导程l l0 0应按承载能力、传动精度及传动速应按承载能力、传动精度及传动速度选取，度选取，l l0 0大承载能力也大，大承载能力也大，l l0 0小传动精度较高。小传动精度较高。要求传动速度快时，可选用大导程滚珠丝杠。要求传动速度快时，可选用大导程滚珠丝杠。滚珠丝杠副的选择步骤n n在选用滚珠丝杠副时，必须知道实际的工作条件，在选用滚珠丝杠副时，必须知道实际的工作条件，如：最大的工作载荷如：最大的工作载荷F Fmaxmax(或平均工作载荷或平均工作载荷F FCDCD(N)(N)作用作用下的使用寿命下的使用寿命T(h)T(h)、丝杠的工作长度、丝杠的工作长度(或螺母的有效行或螺母的有效行程程)l l(mm)(mm)、丝杠的转速、丝杠的转速n n(或平均转速或平均转速n nCDCD)(r/min)(r/min)、滚道、滚道的硬度的硬度HRCHRC及丝杠的工况，然后按下列步骤进行选及丝杠的工况，然后按下列步骤进行选择。择。承载能力选择承载能力选择压杆稳定性核算压杆稳定性核算刚度验算刚度验算 2.2.3 齿轮传动 1)机电一体化系统中齿轮传动设计的若干问题 n n1.齿轮传动形式及其传动比的最佳匹配选择。n n2.各级传动比的最佳分配原则。当计算出传动比之后，为了使减速系统结构紧凑，当计算出传动比之后，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，常常需对各满足动态性能和提高传动精度的要求，常常需对各级传动比进行合理分配，其分配原则如下：级传动比进行合理分配，其分配原则如下：重量最轻原则重量最轻原则输出轴转角误差最小原则输出轴转角误差最小原则等效转动惯量最小原则等效转动惯量最小原则 n n在设计中应根据上述的原则并结合实际情况的可行性和经济在设计中应根据上述的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：有以下几点：n n对于要求体积小、重量轻的齿轮传动系统可用重量最轻原对于要求体积小、重量轻的齿轮传动系统可用重量最轻原则。则。n n对于要求运动平稳、起停频繁和动态性能好的伺服系统的对于要求运动平稳、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。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。用不可约的比数，避免同期啮合以降低噪声和振动。n n对于以提高传动精度和减小回程误差为主的传动齿轮系，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。对于增速传动，由于增速时容易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，应在开始几级就增速，并且破坏传动齿轮系工作的平稳性，应在开始几级就增速，并且要求每级增速比最好大于要求每级增速比最好大于1 13 3，以有利于增加轮系刚度、减，以有利于增加轮系刚度、减小传动误差。小传动误差。n n对以较大传动比传动的齿轮系，往往需要将定轴轮系和行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结合为混合轮系。对于相当大的传动比、并且要求传星轮系结合为混合轮系。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，可选用动精度与传动效率高、传动平稳、体积小重量轻时，可选用谐波齿轮传动。谐波齿轮传动。2)无侧隙齿轮传动机构 n n齿轮传动中的齿侧间隙的存在，不仅会影响机电齿轮传动中的齿侧间隙的存在，不仅会影响机电一体化系统的传动精度，还会在电机驱动系统中一体化系统的传动精度，还会在电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。齿轮传传动，一般要求采取措施消除齿侧间隙。齿轮传动侧隙的调整有偏心轴套调整法、双片薄齿轮错动侧隙的调整有偏心轴套调整法、双片薄齿轮错齿调整法、垫片调整法等多种方法。齿调整法、垫片调整法等多种方法。n n图示为双片薄齿轮错齿调整法。图示为双片薄齿轮错齿调整法。一对啮合的直齿圆柱齿轮中一一对啮合的直齿圆柱齿轮中一个采用宽齿轮，另一个由两片个采用宽齿轮，另一个由两片可以相对转动的薄片齿轮组成。可以相对转动的薄片齿轮组成。装配时使一片薄齿轮的齿左侧装配时使一片薄齿轮的齿左侧和另一片的齿右侧分别紧贴在和另一片的齿右侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左、右两侧，通宽齿轮齿槽的左、右两侧，通过两薄片齿轮的错齿，消除齿过两薄片齿轮的错齿，消除齿侧间隙，反向时也不会出现死侧间隙，反向时也不会出现死区。区。n n两薄片齿轮两薄片齿轮1 1、2 2上各装入有螺纹的凸耳上各装入有螺纹的凸耳3 3、4 4，螺钉，螺钉5 5装装在凸耳在凸耳3 3上，螺母上，螺母6 6、7 7可调节螺钉可调节螺钉5 5的伸出长度。弹簧的伸出长度。弹簧8 8一端勾在凸耳一端勾在凸耳9 9上，另一端勾在螺钉上，另一端勾在螺钉5 5上。转动螺母上。转动螺母7 7(螺母螺母6 6用于锁紧用于锁紧)可改变弹簧可改变弹簧8 8的张力大小，调节齿轮的张力大小，调节齿轮1 1、2 2的相对位置，达到错齿。这种错齿调整法的齿侧间隙的相对位置，达到错齿。这种错齿调整法的齿侧间隙可自动补偿，但结构复杂。可自动补偿，但结构复杂。n n各侧隙调整方法各有优缺点，应根据设计需要合理选用各侧隙调整方法各有优缺点，应根据设计需要合理选用.n n谐波齿轮传动具有谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大结构简单、传动比大结构简单、传动比大结构简单、传动比大(几十至几几十至几几十至几几十至几百百百百)、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高等稳、承载能力强、效率高等稳、承载能力强、效率高等稳、承载能力强、效率高等一系列优点。故在工业一系列优点。故在工业机器人、航空、航天等机电一体化系统中应用广泛。机器人、航空、航天等机电一体化系统中应用广泛。n n谐波齿轮传动与谐波齿轮传动与少齿差少齿差少齿差少齿差行星齿轮传动十分相似。它行星齿轮传动十分相似。它是是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力和运动的错齿来传递动力和运动的错齿来传递动力和运动的错齿来传递动力和运动的。因此它与一般齿轮传动。因此它与一般齿轮传动具有本质上的差别。具有本质上的差别。3)谐波齿轮传动 n n如图，谐波齿轮传动由如图，谐波齿轮传动由波形发生器波形发生器3(H)3(H)和和刚轮刚轮1 1、柔轮柔轮2 2组成。波形发生器为主动件，刚轮或柔轮为组成。波形发生器为主动件，刚轮或柔轮为从动件。刚轮有内齿圈，柔轮有外齿圈，其从动件。刚轮有内齿圈，柔轮有外齿圈，其齿形为齿形为渐开线或三角形，周节相同而齿数不同，刚轮的齿渐开线或三角形，周节相同而齿数不同，刚轮的齿数数z zg g比柔轮的齿数比柔轮的齿数z zr r多几个齿。多几个齿。柔轮是薄圆筒形，柔轮是薄圆筒形，由于波形发生器的长径比柔轮内径略大，故装配在由于波形发生器的长径比柔轮内径略大，故装配在一起时就将柔轮撑成椭圆形。一起时就将柔轮撑成椭圆形。n n工程上常用的波形发生器有工程上常用的波形发生器有2 2个触头的即为双波发个触头的即为双波发生器，也有生器，也有3 3个触头的。个触头的。n n具有双波发生器的谐波减速器，其刚轮和柔轮的齿具有双波发生器的谐波减速器，其刚轮和柔轮的齿数之差为数之差为z zg gz zr r2 2。其椭圆长轴的两端柔轮与刚。其椭圆长轴的两端柔轮与刚轮的牙齿相啮合，在短轴方向的牙齿完全分离。当轮的牙齿相啮合，在短轴方向的牙齿完全分离。当波形发生器逆时针转一圈时，两轮相对位移为波形发生器逆时针转一圈时，两轮相对位移为2 2个个齿距。当刚轮固定时，则柔轮的回转方向与波形发齿距。当刚轮固定时，则柔轮的回转方向与波形发生器的回转方向相反。（试想想，柔轮固定时情况生器的回转方向相反。（试想想，柔轮固定时情况？）刚轮与发生器同向旋转刚轮与发生器同向旋转2.2.4 挠 性 传 动 除滚珠丝杠副、齿轮副等传动部件之外，机电一体化系统中还大量使用同步齿形带、钢带、链条、钢丝绳及尼龙绳等挠性传动部件。n n1)同步带传动 n n2)钢带传动 n n3)绳轮传动 2.2.5 间歇传动 n n机电一体化系统中常用的间歇传动有机电一体化系统中常用的间歇传动有棘轮传动、棘轮传动、槽轮传动、蜗形凸轮传动槽轮传动、蜗形凸轮传动等部件。这些传动部件等部件。这些传动部件可将输入的连续运动转换为间歇运动。其基本要可将输入的连续运动转换为间歇运动。其基本要求是移位迅速，移位过程中运动无冲击，停位准求是移位迅速，移位过程中运动无冲击，停位准确可靠。确可靠。n n图示为蜗形凸轮传动机构。它由转盘图示为蜗形凸轮传动机构。它由转盘1 1和安装在转盘和安装在转盘上的滚子上的滚子2 2和蜗形凸轮和蜗形凸轮3 3组成。蜗形凸轮组成。蜗形凸轮3 3以角速度以角速度连续旋转，当凸轮转过连续旋转，当凸轮转过 角角(中心角中心角)时，转盘就转过时，转盘就转过角角(相邻二个滚子之间的夹角相邻二个滚子之间的夹角)，在凸轮转过其余的角度，在凸轮转过其余的角度(2(2)时，转盘停止不动，并靠在凸轮的棱边卡在两个时，转盘停止不动，并靠在凸轮的棱边卡在两个滚子中间，使转盘定位。这样，凸轮滚子中间，使转盘定位。这样，凸轮(主动件主动件)的连续运的连续运动就变成转盘动就变成转盘(从动件从动件)的间歇运动。的间歇运动。蜗形凸轮机构具有如下的特点n n能够得到在实际中所能遇到的任意转位时间与静止能够得到在实际中所能遇到的任意转位时间与静止时间之比，其工作时间系数时间之比，其工作时间系数K K比槽轮机构的要小；比槽轮机构的要小；n n能够实现转盘所要求的各种运动规律；能够实现转盘所要求的各种运动规律；n n与槽轮机构比较，能够用于工位数较多的设备上，与槽轮机构比较，能够用于工位数较多的设备上，而不需加入其他的传动机构；而不需加入其他的传动机构；n n在一般情况下，凸轮棱边的定位精度已能满足要求，在一般情况下，凸轮棱边的定位精度已能满足要求，而不需其他定位装置；而不需其他定位装置；n n有足够高的刚度；有足够高的刚度；n n装配方便；装配方便；n n不足之处是加工工作量特别大，因而成本较高。不足之处是加工工作量特别大，因而成本较高。2.3机械导向机构机械导向机构 n n机电一体化系统要求各运动机构必须得到可靠的支机电一体化系统要求各运动机构必须得到可靠的支承，并能准确地完成其特定方向的运动。这个任务承，并能准确地完成其特定方向的运动。这个任务由导向机构来完成。由导向机构来完成。n n机电一体化系统的导向机构是导轨，其作用是机电一体化系统的导向机构是导轨，其作用是支承支承和和导向导向。一副导轨主要由两部分组成，在工作时一。一副导轨主要由两部分组成，在工作时一部分固定不动，称为部分固定不动，称为支承导轨支承导轨(或导轨或导轨)，另一部分，另一部分相对支承导轨作直线或回转运动，称为相对支承导轨作直线或回转运动，称为动导轨动导轨(或或滑座滑座)。2.3.1 导轨的基本要求 n n1)导向精度n n2)耐磨性n n3)疲劳和压溃n n4)刚度n n5)低速运动平稳性 n n6)结构工艺性n n7)对温度的敏感性2.3.2 导轨的分类和特点 n n常用的导轨种类很多，按其接触面的摩擦性质可分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。按为滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨等。按其结构特点可分为其结构特点可分为开式导轨开式导轨开式导轨开式导轨(借助重力或弹簧强力保证借助重力或弹簧强力保证运动件与承导面之间的接触运动件与承导面之间的接触)和和闭式导轨闭式导轨闭式导轨闭式导轨(只靠导轨本身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的结构形状保证运动件与承导面之间的接触)。1)1)滑动导轨滑动导轨 2)2)滚动导轨滚动导轨 常用导轨性能比较表 2.3.3 导轨副的设计要点 n n设计导轨应包括下列几方面内容：设计导轨应包括下列几方面内容：1)1)根据工作条件，选择合适的导轨类型。根据工作条件，选择合适的导轨类型。2)2)选择导轨的截面形状，以保证导向精度。选择导轨的截面形状，以保证导向精度。3)3)选择适当的导轨结构及尺寸，使其在给定的载选择适当的导轨结构及尺寸，使其在给定的载荷及工作温度范围内，有足够的刚度、良好的耐荷及工作温度范围内，有足够的刚度、良好的耐磨性以及运动轻便和低速平稳性。磨性以及运动轻便和低速平稳性。4)4)选择导轨的补偿及调整装置，经长期使用后，选择导轨的补偿及调整装置，经长期使用后，通过调整能保持所需要的导向精度。通过调整能保持所需要的导向精度。5)5)选择合理的耐磨涂料、润滑方法和防护装置，选择合理的耐磨涂料、润滑方法和防护装置，使导轨有良好的工作条件，以减少摩擦和磨损。使导轨有良好的工作条件，以减少摩擦和磨损。6)6)制订保证导轨所必需的技术条件，如选择适当制订保证导轨所必需的技术条件，如选择适当的材料，以及热处理、精加工和测量方法等。的材料，以及热处理、精加工和测量方法等。2.3.4 滚动直线导轨 n n目前各种滚动导轨基本已实现生产的系列化，这目前各种滚动导轨基本已实现生产的系列化，这里仅介绍滚动直线导轨的特点、选用方法和有关里仅介绍滚动直线导轨的特点、选用方法和有关计算。计算。滚动直线导轨的特点 n n1)1)承载能力大承载能力大 滚道采用滚道采用圆弧形式圆弧形式，增大了滚动体与圆弧滚道接触面积，从，增大了滚动体与圆弧滚道接触面积，从而大大地提高了导轨承载能力，可达到平面滚道形式的而大大地提高了导轨承载能力，可达到平面滚道形式的1313倍倍.n n2)2)刚性强刚性强 此类导轨制作时，常要预加载荷，这使导轨系统刚度得以提此类导轨制作时，常要预加载荷，这使导轨系统刚度得以提高。所以滚动直线导轨在工作时能承受较大的冲击和振动。高。所以滚动直线导轨在工作时能承受较大的冲击和振动。n n3)3)寿命长寿命长 由于是纯滚动，摩擦系数为滑动导轨的由于是纯滚动，摩擦系数为滑动导轨的1/501/50左右，磨损小，左右，磨损小，因而寿命长，功耗低，便于机械小型化。因而寿命长，功耗低，便于机械小型化。n n4)4)传动平稳可靠传动平稳可靠 由于摩擦力小，动作轻便，因而定位精度高，微量移动灵活由于摩擦力小，动作轻便，因而定位精度高，微量移动灵活准确。准确。n n5)5)具有结构自调整能力具有结构自调整能力 装配调整容易，因此降低了对配件加工精度要求。装配调整容易，因此降低了对配件加工精度要求。滚动直线导轨分类 n n1)1)按滚动体的形状分。有按滚动体的形状分。有钢珠式钢珠式和和滚柱式滚柱式两种，如图。两种，如图。滚柱式由于为线接触，故其有较高的承载能力，但摩擦滚柱式由于为线接触，故其有较高的承载能力，但摩擦力也较高，同时加工装配也相对复杂。目前使用较多的力也较高，同时加工装配也相对复杂。目前使用较多的是钢珠式。是钢珠式。n n2)2)按导轨截面形状分。有按导轨截面形状分。有矩形矩形和和梯形梯形两种。截面为矩形两种。截面为矩形的导轨承载时各方向受力大小相等。梯形截面导轨能承的导轨承载时各方向受力大小相等。梯形截面导轨能承受较大的垂直载荷，而其他方向的承载能力较低，受较大的垂直载荷，而其他方向的承载能力较低，但对但对于安装基准的误差调节能力较强于安装基准的误差调节能力较强。n n3)3)按滚道沟槽形状分。有单圆弧和双圆弧两种。单圆弧按滚道沟槽形状分。有单圆弧和双圆弧两种。单圆弧沟槽为两点接触，双圆孤沟槽为四点接触。前者的运动沟槽为两点接触，双圆孤沟槽为四点接触。前者的运动摩擦和对安装基准的误差平均作用比后者要小，但其静摩擦和对安装基准的误差平均作用比后者要小，但其静刚度比后者稍差。刚度比后者稍差。滚动直线导轨的选择程序 n n在设计选用滚动直线导轨时，除应对其使用条件，在设计选用滚动直线导轨时，除应对其使用条件，包括包括工作载荷工作载荷、精度要求精度要求、速度速度、工作行程工作行程、预期预期工作寿命工作寿命进行研究外，还须对其进行研究外，还须对其刚度刚度、摩擦特性摩擦特性及及误差平均作用误差平均作用、阻尼特征阻尼特征等综合考虑，从而达到正等综合考虑，从而达到正确合理的选用，以满足主机技术性能的要求。确合理的选用，以满足主机技术性能的要求。n n滚动直线导轨的选择程序滚动直线导轨的选择程序如下图如下图。2.3.5 塑 料 导 轨 n n由于新型工程材料的出现，导轨的选材已不仅仅局由于新型工程材料的出现，导轨的选材已不仅仅局限于金属材料及对金属材料的加工上。现在各种塑限于金属材料及对金属材料的加工上。现在各种塑料导轨制品已纷纷涌现，并形成系列，这不仅降低料导轨制品已纷纷涌现，并形成系列，这不仅降低了导轨的生产成本，而且提高了导轨的抗振性、耐了导轨的生产成本，而且提高了导轨的抗振性、耐磨性、低速运动平稳性。下面介绍几种在国内外应磨性、低速运动平稳性。下面介绍几种在国内外应用广泛的塑料导轨及其使用方法。用广泛的塑料导轨及其使用方法。塑料导轨软带塑料导轨软带 金属塑料复合导轨板金属塑料复合导轨板 塑料涂层塑料涂层 2.4机械执行机构机械执行机构 2.4.1机械执行机构的基本要求 n n(1)惯量小、动力大 n n(2)体积小、重量轻n n(3)便于维修、安装 n n(4)易于计算机控制 2.4.2 微动执行机构 n n(1)热变形式和特点n n(2)磁致伸缩式和特点(3)电伸缩式（压电泵、压电致动机器人）（压电泵、压电致动机器人）特点特点热变形式微动机构机构特点n n热变形微动机构可利用热变形微动机构可利用变压器变压器、变阻器变阻器等来调节传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控制。为了使传动杆恢复到原来的位置(或使运动或使运动件复位件复位)，可利用压缩空气或乳化液流经传动杆的，可利用压缩空气或乳化液流经传动杆的内腔使之冷却。内腔使之冷却。n n热变形微动机构具有热变形微动机构具有高刚度高刚度高刚度高刚度和和无间隙无间隙无间隙无