《机电一体化技术》图文课件第四章.ppt

,*,机电一体化机械系统包括传动机构、导向机构、轴系和执行机构等。,传动机构的主要功能是传递转矩和转速，要求有良好的可靠性，对系统的精度、稳定性和快速响应性有重大影响。,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规定的运动方向运动。该机构应能保证系统安全、准确地工作。,轴系的在主要作用是传递转矩、支承轴上回转零件和对轴上零件进行精确定位。,执行机构用来完成操作任务。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。,第,4,章 机电一体化中的机械系统,4.1,机电一体化系统的常用传动机构,机电一体化系统中所用的传动机构主要有滑动丝杠机构、滚珠丝杠机构、齿轮传动机构、同步带传动机构、间歇机构、挠性传动机构等。,传动机构主要用来实现运动和动力的转换。,机电一体化机械系统的传动机构要求具有传动精度高、工作稳定性好、响应速度快等特点。,4.1,机电一体化系统的常用传动机构,为保证系统的传动精度、工作稳定性和快速响应性，传动机构应满足以下几个方面的要求：,（,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应尽可能小。,（,2,）刚度越大伺服系统动力损失越小；刚度越大机构固有频率越高，超出系统的频率宽度，不易产生共振；刚度越大闭环系统的稳定性越高。,（,3,）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；但大阻尼也会使系统的动量和反转误差增大，稳态误差增大，精度降低。,（,4,）系统传动部件的静摩擦力应尽可能小。,4.1.1,滚珠丝杠螺母机构,如图,4,-,1,所示为滚珠丝杠螺母机构，它由丝杠,1,、螺母,2,、滚珠,3,及滚珠循环返回装置,4,等组成。当丝杠转动螺母移动时，滚珠则沿着丝杠螺旋滚道面滚动，在丝杠上滚动数圈后，滚珠从滚动的一端滚出并沿返回装置返回另一端，重新进入滚道，从而构成闭合回路。,图,4-1,滚珠丝杠螺母机构,1,丝杠；,2,螺母；,3,滚珠；,4,滚珠循环返回装置,4.1.1,滚珠丝杠螺母机构,1.,滚珠丝杠螺母机构的类型和工作原理,如图,4-2,所示为外循环方式的滚珠丝杠螺母机构，由丝杠,1,、滚珠,2,、回珠管,3,和螺母,4,组成。在丝杠,1,和螺母,4,上各加工有圆弧形螺旋槽，将它们套装起来便形成了螺旋形滚道，在滚道内装满滚珠,2,。当丝杠相对螺母旋转时，丝杠的旋转面经滚珠推动螺母轴向移动，同时滚珠沿螺旋形滚道滚动，使丝杠和螺母之间的滑动摩擦转变成为滚珠与丝杠、螺母之间的滚动摩擦。螺母螺旋槽的两端用回珠管,3,连接起来，使滚珠能从一端重新回到另一端，构成一个闭合的循环回路。,图,4-2,外循环滚珠丝杠螺母机构,1,丝杠；,2,滚珠；,3,回珠管；,4,螺母,4.1.1,滚珠丝杠螺母机构,如图,4-3,所示为内循环方式的滚珠丝杠螺母机构。在螺母的侧孔中装有圆柱凸轮式反向器，反向器上铣有,S,形回珠槽，将相邻两螺纹滚道连接起来。滚珠从螺纹滚道进入反向器，借助反向器迫使其越过丝杠牙顶进入相邻滚道，实现循环。,图,4-3,内循环滚珠丝杠螺母机构,（,1,）传动效率高，摩擦损失小。,（,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,）启动力矩小，运动平稳，无爬行现象，传动精度高。,（,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。,（,7,）不能自锁。,2.,滚珠丝杠螺母副传动的特点,4.1.1,滚珠丝杠螺母机构,为了保证滚珠丝杠螺母机构的反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。常采用双螺母施加预紧力的方法消除轴向间隙，但必须注意预紧力不能太大，预紧力过大会造成传动效率降低、摩擦力增大，磨损增大，使用寿命降低。常用的消除间隙的方法有垫片调整间隙法、齿差调整间隙法、螺纹调整间隙法等。,3.,滚珠丝杠螺母机构间隙的调整方法,4.1.1,滚珠丝杠螺母机构,4.1.1,滚珠丝杠螺母机构,1,),垫片调整间隙法,如图,4,-,4,所示为垫片调整间隙法。调整垫片,4,的厚度，使左右两螺母,1,、,2,产生轴向位移，从而消除滚珠丝杠螺母机构的间隙，产生预紧力。这种方法简单、可靠，但调整费时，适用于一般精度的传动。,图,4,-,4,垫片调整间隙法,1,、,2,螺母；,3,螺母座；,4,垫片,4.1.1,滚珠丝杠螺母机构,2,）齿差调整间隙法,如图,4,-,5,所示为齿差调整间隙法。两个螺母,1,、,2,的凸缘为圆柱外齿轮，齿数差为,1,，两个内齿轮,3,、,4,用螺钉、定位销紧固在螺母座上。调整时先将内齿轮卸下，根据间隙大小使两螺母分别向相同方向转过一个或几个齿，然后再插入内齿轮，使螺母在轴向互相移动了相应的距离，从而消除两个螺母的轴向间隙。这种方法的结构复杂，尺寸较大，适用于高精度的传动。,图,4,-,5,齿差调整间隙法,1,、,2,螺母；,3,、,4,内齿轮,4.1.1,滚珠丝杠螺母机构,3,）螺纹调整间隙法,如图,4-6,所示为螺纹调整间隙法。右螺母,3,外圆上有普通螺纹，并用圆螺母,4,和锁紧螺母,5,固定。当调整圆螺母,4,时，即可调整轴向间隙，然后用锁紧螺母,5,锁紧。这种方法结构紧凑，工作可靠，滚道磨损后可随时调整，但预紧力不准确。,图,4,-,6,螺纹调整间隙法,1,、,3,螺母；,2,平键；,4,圆螺母；,5,锁紧螺母,4.,滚珠丝杠螺母机构的支承,4.1.1,滚珠丝杠螺母机构,数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母机构本身的刚度外，滚珠丝杠螺母机构的正确安装及支承结构的刚度也是不可忽视的因素。如为了减少受力后的变形，螺母座上有加强肋，以增大螺母座与机床的接触面积，并且要连接可靠。同时也可以采用高强度的推力轴承来提高滚珠丝杠螺母机构的轴向承载能力。,4.1.1,滚珠丝杠螺母机构,如图,4,-,7,所示为一端安装推力轴承的方式。这种安装方式只适用于行程小的短丝杠，其承载能力小，轴向刚度低，一般用于数控机床的调整环节或升降台式数控铣床的垂直进给传动结构。,图,4,-,7,一端安装推力轴承,4.1.1,滚珠丝杠螺母机构,如图,4,-,8,所示为一端固定一端游动的方式。在丝杠一端安装推力轴承，另一端安装深沟球轴承。为减少丝杠热变形的影响，安装时，应使电动机热源和丝杠工作时的常用段远离推力轴承端。,图,4,-,8,一端固定一端游动,4.1.1,滚珠丝杠螺母机构,如图,4,-,9,所示为两端安装推力轴承的方式，即两端固定式。把推力轴承安装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧力，可以提高轴向刚度；但这种安装方式对丝杠的热变形较为敏感，故一般应用于丝杠行程较小的场合。,图,4,-,9,两端安装推力轴承,4.1.1,滚珠丝杠螺母机构,如图,4,-,10,所示为两端安装推力轴承和深沟球轴承的方式。它的两端均采用双重支承并施加预紧力，使丝杠具有较大的刚度。这种方式还可使丝杠的温度变形转化为推力轴承的预紧力，但设计时要考虑推力轴承的承载能力和支架的刚度。,图,4,-10,两端安装推力轴承和深沟球轴承,5.,滚珠丝杠螺母机构的润滑和密封,4.1.1,滚珠丝杠螺母机构,1,）润滑,使用润滑剂可以提高滚珠丝杠的耐摩擦性和传动效率。润滑剂有润滑油和润滑脂两种。润滑油可用,20,号机械油、,90,180,号透平油或,140,号主轴油等。润滑脂可用高压润滑脂或锂基润滑脂。用润滑油时，可从螺母壳体上的油孔注入螺母体内的空间。润滑脂则要直接加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内。,4.1.1,滚珠丝杠螺母机构,2,）密封防护,丝杠预紧后，轴向间隙减小。当硬质灰尘或切屑等污物落入螺纹滚道内，就会妨碍滚珠的运转，并加快磨损，因此，必须有防护装置。如果滚珠丝杠螺母机构在机床上外露，应采用封闭的防护罩，如采用螺旋弹簧钢带套管、伸缩套管以及折叠式套管等。安装时，将防护罩的一端连接在滚珠螺母的端面，另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。如果滚珠丝杠螺母机构在机床上处于隐蔽的位置，则可采用密封圈防护，密封圈安装在滚珠螺母的两端。接触式的弹性密封圈用耐油橡胶或尼龙制成，其内孔做成与丝杠螺纹滚道相啮合的形状。接触式密封圈的防尘效果好，但因有接触压力，使摩擦力矩略有增加。非接触式密封圈又称迷宫式密封圈，是用硬质塑料制成，其内孔做成与丝杠螺纹滚道相配合的形状，并稍有间隙，这样可避免摩擦力矩，但防尘效果差。,4.1.1,滚珠丝杠螺母机构,6.,滚珠丝杠螺母机构的自动平衡装置,因为滚珠丝杠螺母机构无自锁作用，在一般情况下，垂直或者倾斜安装的滚珠丝杠螺母机构会因部件的自重作用而自动下降，所以必须有阻尼或锁紧机构。如图,4,-,11,所示为数控铣床升降台的自动平衡装置结构，由摩擦离合器和单向超越离合器构成。当锥齿轮,1,转动时，通过锥销带动单向超越离合器的行星轮,2,。升降台上升时，行星轮,2,转动，使滚子,3,和超越离合器的外壳,4,脱开，外壳,4,不转动，摩擦片不起作用。当升降台下降时，行星轮,2,的转动使滚子,3,楔在行星轮,2,和超越离合器的外壳,4,之间，由于摩擦力的作用，外壳,4,随着锥齿轮,1,一起转动。通过花键与外壳连在一起的内摩擦片和固定的外摩擦片之间产生相对运动，由于内、外摩擦片之间由弹簧压紧，有一定摩擦阻力，所以起到了阻尼作用，上升与下降的力得以平衡。阻尼力的大小即摩擦离合器的松紧程度可由螺母,5,调整，调整前应先松开螺母,5,的锁紧螺钉,6,。,4.1.1,滚珠丝杠螺母机构,图,4,-,11,数控铣床升降台的自动平衡装置,1,锥齿轮；,2,行星轮；,3,滚子；,4,外壳；,5,螺母；,6,锁紧螺母,4.1.1,滚珠丝杠螺母机构,7.,滚珠丝杠螺母机构的主要尺寸及计算公式,如图,4,-,12,所示为滚珠丝杠螺母机构的主要尺寸参数。,图,4,-,12,滚珠丝杠螺母机构的主要尺寸,4.1.1,滚珠丝杠螺母机构,1,）公称直径,公称直径,D,0,指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠珠心的圆柱直径。它是滚珠丝杠螺母机构的特征尺寸。,2,）基本导程,基本导程,p,（也称为螺距）是指丝杠相对于螺母旋转一周时，螺母上基准点的轴向位移。,3,）行程,行程,H,是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。,8.,滚珠丝杠,螺母,的精度与代号,4.1.1,滚珠丝杠螺母机构,1,）滚珠丝杠螺母机构的精度,根据国家标准,GB,/,T,17587,.,3,1998,的规定,滚珠丝杠螺母机构按其使用范围及要求分为,6,个精度等级，即,C,、,D,、,E,、,F,、,、,H,级，,C,级精度最高，,H,级精度最低。滚珠丝杠螺母机构的精度包括各元件的精度和装配后的综合精度，其中，有导程误差、丝杠螺纹外径对螺纹轴线的径向圆跳动、丝杠和螺母表面粗糙度、有预加载荷时螺母安装端面对丝杠螺纹轴线的圆跳动、有预加载荷时螺母安装直径对丝杠螺纹轴线的径向圆跳动以及公称直径变动量等。,4.1.1,滚珠丝杠螺母机构,2,）滚珠丝杠螺母机构的型号及标注,滚珠丝杠螺母机构的标注采用汉语拼音字母、数字及汉字。具体标注形式各制造厂略有不同。如,FFZD40 5,-,3,-,D3,/,1400,900,（南京工艺装备制造厂），表示浮动式内循环、法兰与直筒螺母组合垫片预紧，公称直径,40 mm,，基本导程,5 mm,，承载滚珠总圈数为,3,圈，,D,级精度，检验,13,项，右旋，丝杠全长,1 400 mm,，螺纹长度,900 mm,。,FC1B,-,6006,-,5,-,E2,左（汉江机床厂），表示法兰凸出式插管型，变位螺距，预加载荷，公称直径,60 mm,，基本导程,6 mm,，每个螺母上承载滚珠总圈数为,5,圈，,E,级精度，检查,1,、,2,项，左旋螺纹。,滚珠丝杠螺母机构的型号根据其结构、规格、精度和螺纹旋向等特征按格式编写，如图,4,-,13,所示。,4.1.1,滚珠丝杠螺母机构,图,4,-,13,滚珠丝杠螺母机构的标注,4.1.2,齿轮传动机构,齿轮机构是现代机械中应用最广泛的一种传动机构。与其它传动机构相比，齿轮机构的优点是结构紧凑，工作可靠，效率高，寿命长，能保证恒定的传动比，而且其传递的功率与使用的速度范围大。但是，其制造安装费用较高，低精度齿轮传动的振动噪声较大。,齿轮机构是通过一对对轮齿齿面的依次啮合来传递两轴之间的运动和动力的，根据一对齿轮实现传动比的情况，它可以分为定传动比和变传动比齿轮机构。,4.1.2,齿轮传动机构,1.,齿轮传动机构的类型,1,）平行轴齿轮传动机构,平行轴齿轮传动机构即两齿轮的传动轴线平行，是一种平面齿轮传动机构，包括外啮合齿轮传动机构、内啮合齿轮传动机构和齿轮齿条啮合传动机构。,2,）相交轴齿轮传动机构,相交轴齿轮传动机构两齿轮的传动轴线相交于一点，是一种空间齿轮传动机构。,3,）交错轴齿轮传动机构,交错轴齿轮传动机构两齿轮的传动轴线为空间任意交错位置，它也是空间齿轮传动机构。,4.1.2,齿轮传动机构,2.,齿轮传动机构在机电一体化设备中的应用,齿轮传动主要用于各种类型数控机床，如数控机床的伺服电动机或步进电动机通常要通过齿轮传动装置传递转矩和转速，并使电动机和螺旋传动机构及负载（即工作台）之间的转矩与转速得到匹配。因此，齿轮传动机构（齿轮减速箱）的设计是整个数控机床机械传动系统设计的一个重要组成部分。由于数控机床的电动机转速较高，而机械系统驱动的工作台的移动速度有时不能太高，变换范围也不能太大，故往往采用齿轮传动机构将电动机输出轴的高转速低转矩转换成为负载轴所要求的低转速高转矩。在设计中还要考虑刚度、强度、精度及转动惯量和摩擦等因素。,4.1.2,齿轮传动机构,3.,机电一体化系统对齿轮传动机构的要求,1,）传动精度,传动精度由传动件的制造误差、装配误差、传动间隙和弹性变形等决定。对于开环控制来说，传动误差直接影响整个系统的精度。,2,）稳定性,对于闭环控制来说，齿轮传动机构完全在伺服回路内，其性能参数将直接影响整个系统的稳定性。因此，应考虑提高传动系统的固有频率和提高系统的阻尼能力，以便增加传动系统的抗振性能，满足稳定性要求。,3,）响应速度,无论开环控制系统还是闭环控制系统，齿轮传动机构都将影响整个系统的响应速度。从这个角度考虑，齿轮传动机构的角加速度是关键因素，可以采取减少传动装置摩擦，减小转动惯量，提高传动效率等措施。,4.1.2,齿轮传动机构,4.,齿轮传动机构的主要选取原则,1,）选择总传动比,齿轮传动机构的总传动比设计原则是基于使系统动作稳、准、快的要求之上的，在确定系统总传动比时，可按使工作时电动机轴上的峰值转矩最小的原则计算。,对于数控机床的齿轮传动，应采用设计结构和制造工艺简单，且易获得高精度的渐开线圆柱直齿轮传动。设计时，先确定传动形式和传动方案，然后再根据最佳匹配原则计算出总传动比，随后确定齿轮传动链的各级传动比。,2,）选择传动机构类型,一般齿轮传动机构按轮齿形成的基面不同有圆柱、圆锥、蜗轮蜗杆,3,种，按齿形不同有直齿、斜齿和曲线齿等类型。在选择传动机构类型时，要根据实际情况，如输入轴和输出轴的空间位置关系以及传动比大小等来选择。,4.1.2,齿轮传动机构,3,）确定传动级数及传动比分配,按提高转角精度的原则分配传动比，要提高传动精度,按获得最小等效转动惯量的原则分配传动比。,按重量最轻的原则分配传动比,5.,齿轮材料的选用原则,机电一体化设备中，齿轮材料的选用主要是指根据齿轮工作状况，对材料提出要求及选择合适的热处理方式。一般要求材料耐磨性好，抗腐蚀性好，强度、刚度和可加工性均好。另外，由于齿轮是成对使用的，为了使大小两齿轮的强度和耐磨性接近相等，小齿轮的材料应好于大齿轮的，其齿面硬度也要高一些。,4.1.2,齿轮传动机构,6.,齿轮传动机构齿侧间隙消除方法,1,）直齿圆柱齿轮传动间隙的消除,直齿圆柱齿轮传动间隙的消除方法主要有轴向垫片调整法、偏心套调整法和双片薄齿轮错齿调整法等。,（,1,）轴向垫片调整法。如图,4,-,14,所示，两个齿轮沿齿宽方向制造成稍有锥度，当齿轮,1,不动时，调整轴向垫片,3,的厚度，使齿轮,2,作轴向位移,从而减小啮合间隙。这种方法的结构简单，传动刚性好，但调整后的间隙不能自动补偿。,图,4,-,14,轴向垫片调整法,1,、,2,齿轮；,3,垫片,4.1.2,齿轮传动机构,（,2,）偏心套调整法。如图,4,-,15,所示，电动机通过偏心套,2,安装在壳体上。转动偏心套,2,就能调整两圆柱齿轮的中心距，从而减小齿轮的侧隙。这种方法同样是结构简单，传动刚性好，调整后的间隙也不能自动补偿。,图,4,-,15,偏心套调整法,1,、,3,齿轮；,2,偏心套,4.1.2,齿轮传动机构,（,3,）双片薄齿轮错齿调整法。如图,4,-,16,所示，相互啮合的一对齿轮中的一个做成两个薄片齿轮,7,和,8,，两薄片齿轮套在一起，彼此可作相对转动。两个薄片齿轮的端面上，分别装有螺纹凸耳,5,和螺纹凸耳,6,，拉簧,1,的一端钩在螺纹凸耳,5,上，另一端钩在穿过螺纹凸耳,6,的调节螺钉,4,上，在拉簧的拉力作用下，两个薄片齿轮的轮齿互相错位，分别贴紧在与之啮合的齿轮（图中未画出）左、右齿廓面上，消除了它们之间的齿侧间隙。拉簧,1,的拉力大小可由调整螺母,2,调整。,4.1.2,齿轮传动机构,图,4,-,16,双片薄齿轮错齿调整法,1,拉簧；,2,调整螺母；,3,锁紧螺母；,4,调节螺钉；,5,、,6,螺纹凸耳；,7,、,8,薄片齿轮,4.1.2,齿轮传动机构,2,）斜齿圆柱齿轮传动间隙的消除,斜齿圆柱齿轮传动间隙的消除方法主要有垫片调整法、轴向压簧调整法等。,(,1,),垫片调整法。如图,4,-,17,所示，在两个薄片斜齿轮,3,和,4,中间，加一个垫片,2,，,垫片,2,使齿轮,3,和齿轮,4,的螺旋线错位，从而消除齿侧间隙。,图,4,-,17,斜齿轮垫片调整法,4.1.2,齿轮传动机构,（,2,）轴向压簧调整法。如图,4,-,18,所示，两个薄片斜齿轮,1,和,2,用键套在轴,5,上，螺母,4,可调整弹簧,3,对齿轮,2,的轴向压力，使齿轮,1,和,2,的齿侧分别贴紧宽齿轮,6,的齿槽两侧面，以消除间隙。,图,4,-,18,斜齿轮压簧调整法,1,、,2,薄片斜齿轮；,3,弹簧；,4,螺母；,5,轴；,6,宽齿轮,4.1.2,齿轮传动机构,3,）锥齿轮传动间隙的消除,锥齿轮传动间隙可以采用轴向压簧法消除。如图,4,-,19,所示，锥齿轮,1,和,2,相啮合，在装锥齿轮,1,的轴,5,上装有弹簧,3,，螺母,4,用来调整弹簧,3,的弹力，锥齿轮,1,在弹簧力作用下稍有轴向移动就能消除锥齿轮,1,和,2,的间隙。,图,4,-,19,锥齿轮传动间隙的消除,1,、,2,锥齿轮；,3,弹簧；,4,螺母；,5,轴,4.1.3,同步带传动机构,同步齿形带传动是一种新型的带传动，它是利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次相啮合来传递运动或动力。齿形带传递在数控机床上得到了广泛的应用，如图,4,-,20,所示。,图,4,-,20,同步带传动,4.1.3,同步带传动机构,1.,同步带传动的特点及分类,同步带传动有如下特点：,（,1,）能方便地实现较远中心距的传动，传动比准确，传动效率高。,（,2,）工作平稳，能吸收振动。,（,3,）不需要润滑，耐油、水，耐高温，耐腐蚀，维护保养方便。,（,4,）强度高，厚度小，质量轻。,（,5,）中心距要求严格，安装精度要求高。,（,6,）制造工艺复杂，成本高。,4.1.3,同步带传动机构,在数控机床、工业机器人等伺服传动中，同步带传动得到了广泛应用。同步带按照用途分为一般工业用同步带（梯形齿同步带）、大转矩同步带（圆弧齿同步带）、特种规格的同步带、特殊用途的同步带（耐油性同步带、耐热性同步带、高电阻同步带、低噪声同步带）。按规格制度分有模数制同步带（俄罗斯和东欧各国使用）和节距制同步带（全世界广泛采用的一种规格制度）。,4.1.3,同步带传动机构,2.,齿形带的结构和规格,1,）齿形带的结构,齿形带由强力层和带体两部分组成。强力层,1,是齿形带的抗拉元件，用于传递动力。目前强力层多采用伸长率小、疲劳强度高的钢丝绳、玻璃纤维绳和芳香族聚纤胺纤维（芳纶），并沿着齿形带的节线（中性层）绕成螺旋线形状。由于它在受力后基本上不产生变形，所以能保持齿形带的节距恒定，实现同步传动，如图,4,-,21,所示。,图,4,-,21,齿形带结构,1,强力层；,2,带齿；,3,带背,4.1.3,同步带传动机构,2,）主要参数与规格,齿形带的主要参数包括节距、模数和其他参数与尺寸。,（,1,）周节,t,。周节（又称为节距）是指相邻两齿在节线上的距离。由于强力层在工作时长度不变，所以强力层的中心线被视为齿形带的节线（中性层），并以节线的周长,L,p,为齿形带的公称长度。,（,2,）模数,m,。带的基本特性尺寸是模数，它是周节,t,与,之比，即,m,=,t,/,，它是齿形带尺寸计算的一个主要依据，一般取值范围为,110 mm,。,（,3,）齿形带的其他参数与尺寸。,4.1.3,同步带传动机构,3.,带轮的结构和尺寸,小尺寸的带轮可以制成实心式的，较大尺寸的带轮可做成腹板式结构。为了防止工作时齿形带脱落，一般要在带轮两边装设挡圈，如图,4,-,22,（,a,）所示；当传动比大于,3,时，两个带轮的不同侧边上都应装有挡圈，如图,4,-,22,（,b,）所示；当带轮轴垂直安装时，两个带轮都需要挡圈或至少主动轮的两侧和从动轮的下侧有挡圈，如图,4,-,22,（,c,）所示。,4.1.3,同步带传动机构,图,4,-,22,带轮的结构,4.1.3,同步带传动机构,4.,带轮的材料与齿形加工,带轮的材料一般采用铸铁和钢，在高速、小功率场合下，还可以采用轻合金、塑料等。带轮的齿形最好采用直线齿廓的圆盘铣刀或范成直线齿廓的特制滚刀加工；小批量生产时，也可以用,8,号渐开线圆盘铣刀或标准齿轮滚刀加工。,4.1.4,间歇传动机构,间歇传动机构是将输入元件的连续运动转换为间歇运动的传动机构。常用的间歇传动机构有棘轮传动机构、槽轮传动机构、不完全齿轮传动机构和凸轮传动机构,4,种类型。,4.1.4,间歇传动机构,1.,棘轮传动机构,1,）棘轮传动机构的工作原理,棘轮传动机构主要用于将原动机构的连续运动转换成间歇运动。它主要由棘轮和棘爪组成，其工作原理如图,4,-,23,所示。棘爪,1,装在摇杆,4,上，能围绕,O,1,点转动，摇杆空套在棘轮凸缘上作往返摆动。当摇杆作逆时针方向摆动时，棘爪与棘轮,2,的齿啮合，克服棘轮轴上的外加力矩,M,，推动棘轮朝逆时针方向转动，此时止动爪,3,在棘轮齿上打滑。当摇杆摆过一定角度,而反向作顺时针方向摆动时，止动爪,3,把棘轮卡住，使其不致因外加力矩,M,的作用而随同摇杆一起作返回转动，此时棘爪,1,在棘轮齿上打滑而返回到起始位置。摇杆如此往复不停地摆动时，棘轮就不断地按逆时针方向间歇地转动。扭簧,5,用于帮助棘爪与棘轮齿啮合。,4.1.4,间歇传动机构,图,4,-,23,棘轮传动机构,1,棘爪；,2,棘轮；,3,止动爪；,4,摇杆；,5,扭簧,4.1.4,间歇传动机构,2,）棘轮传动机构的类型,常用棘轮传动机构可分为轮齿式棘轮传动机构与摩擦式棘轮传动机构两大类。,（,1,）轮齿式棘轮传动机构。轮齿式棘轮传动机构按啮合方式可分为内啮合轮齿式棘轮传动机构与外啮合轮齿式棘轮传动机构，分别如图,4,-,24,和图,4,-,25,所示。,图,4,-,24,内啮合轮齿式棘轮传动机构,图,4,-,25,外啮合轮齿式棘轮传动机构,4.1.4,间歇传动机构,如图,4,-,26,所示，将棘爪绕自身轴线转一定角度后固定，棘轮在正、反两个转动方向都可实现间歇转动。,图,4,-,26,双向式棘轮传动机构,4.1.4,间歇传动机构,（,2,）摩擦式棘轮传动机构。摩擦棘轮传动机构可分为偏心楔块式棘轮传动机构和滚子楔紧式棘轮传动机构。,若要实现转角的无级化，则可采用摩擦式棘轮传动机构，如图,4-27,所示。这种机构与外啮合式棘轮传动机构传动过程相似，当摆杆,1,作逆时针摆动时，利用楔块,3,与摩擦轮,2,之间的摩擦力产生自锁从而带动摩擦轮,2,和摆杆一起转动；当摆杆顺时针摆动时，楔块,3,与摩擦轮,2,之间产生滑动。这是由于楔块,3,的自锁作用能阻止摩擦轮,2,反转。这样，在摆杆不断作往复运动时，摩擦轮,2,便作单向的间歇运动。,图,4,-,27,偏心楔块式棘轮传动机构,1,摆杆；,2,摩擦轮；,3,楔块,4.1.4,间歇传动机构,如图,4,-,28,所示为常用的滚子楔紧式棘轮传动机构，构件,1,逆时针转动或构件,3,顺时针转动时，在摩擦力作用下能使滚子,2,楔紧在构件,1,与,3,所形成的收敛狭隙处，则构件,1,和,3,成为一体一起转动；运动方向相反时，即当构件,1,顺时针或构件,3,逆时针转动时，构件,1,与,3,成为脱离状态，主动件不能带动从动件转动。,图,4,-,28,滚子楔紧式棘轮传动机构,1,、,3,构件；,2,滚子,4.1.4,间歇传动机构,3,）棘轮传动机构的特点和应用,轮齿式棘轮传动机构结构简单，易于制造，运动可靠，棘轮转角容易实现有级调整，但棘爪在齿面滑过会引起噪声与冲击，高速时更为严重。因此，轮齿式棘轮传动机构经常在低速、轻载的场合用作间歇运动控制。,摩擦式棘轮传动机构传递运动较平稳，无噪音，从动件的转角可作无级调整。其缺点是难以避免打滑现象，因此，运动的准确性较差，不适合用于传递精确运动的场合。,4.1.4,间歇传动机构,2.,槽轮传动机构,1,）槽轮传动机构的组成及其工作原理,如图,4,-,29,所示为外啮合槽轮传动机构。它是由装有圆柱销的主动拨盘,1,和开有径向槽的从动槽轮,2,及机架组成的高副机构。主动拨盘,1,上的圆柱销,A,进入槽轮,2,的径向槽之前，槽轮,2,的,4,段内凹锁止弧,n,-,n,被锁住，故,槽轮,2,静止不动。图,4,-,29,所示为圆柱销,A,开始进入槽轮径向槽时，锁止弧,n,-,n,刚好被松开，圆柱销,A,将驱动槽轮转动。当圆柱销,A,开始脱出径向槽时，槽轮的另一内凹锁止弧再被拨盘上的外凸圆弧,m,-,m,锁住，使槽轮,2,又静止不动，直至圆柱销,A,再次进入槽轮上另一径向槽时，槽轮重新被圆柱销驱动。因此，当主动拨盘,1,作连续转动时，槽轮,2,被驱动作单向间歇转动。,4.1.4,间歇传动机构,图,4,-,29,外啮合槽轮传动机构,1,拨盘；,2,槽轮,4.1.4,间歇传动机构,2,）槽轮传动机构的基本类型及其应用,常见的槽轮传动机构有两种类型：一种是外啮合槽轮传动机构（见图,4,-,29,），其主动拨盘与从动槽轮转向相反；另一种为内啮合槽轮传动机构，如图,4,-,30,所示，其主动拨盘与从动槽轮转向相同。,图,4,-,30,内啮合槽轮传动机构,1,拨盘；,2,槽轮,4.1.4,间歇传动机构,这两类槽轮传动机构除从动件转向不同外，内啮合槽轮传动机构还具有结构紧凑、传动较平稳、槽轮停歇时间较短等优点。实际应用中，可根据这些特点选用所需的槽轮传动机构。如图,4,-,31,所示为电影放映机的间歇卷片机构，如图,4,-,32,所示为槽轮传动机构用作间歇转位机构。,图,4,-,31,间歇卷片机构,1,拨盘；,2,槽轮,图,4,-,32,间歇转位机构,1,拨盘；,2,槽轮,4.1.4,间歇传动机构,3.,不完全齿轮传动机构,1,）不完全齿轮传动机构的工作原理,不完全齿轮传动机构是由普通渐开线齿轮传动机构演变而成的一种间歇运动机构。它与普通齿轮传动机构的不同之处是：轮齿,没有布满整个节圆圆周，在无轮齿处有锁止弧,S,1,、,S,2,，如图,4-33,所示。,图,4,-,33,不完全齿轮传动机构,1,主动轮；,2,从动轮,4.1.4,间歇传动机构,与齿轮传动相似，不完全齿轮传动还有如图,4,-,34,和图,4,-,35,所示的内啮合齿轮传动和齿轮齿条传动等方式。,图,4,-,34,内啮合不完全齿轮传动机构,图,4,-,35,不完全齿轮齿条传动机构,1,主动轮；,2,从动轮,1,棘爪；,2,棘轮；,3,不完全齿轮；,4,齿条；,5,机架,4.1.4,间歇传动机构,2,）不完全齿轮传动机构的应用及特点,不完全齿轮传动机构广泛应用于各种计数器以及工位自动机和半自动机中。与其它间歇运动机构相比，它结构简单，制造方便；缺点是从动轮在转动开始及末了时，速度均有突变，冲击较大，故一般只用于低速的场合。,4.,凸轮传动机构,如图,4,-,36,所示，凸轮传动机构是由圆柱凸轮,1,及在端面上固定有圆周分布的若干滚子,3,的转盘,2,等组成。当圆柱凸轮,1,转过曲线槽所对应的角度时，凸轮曲线槽推动滚子,3,，使转盘,2,转过相邻两滚子所夹的中心角；但凸轮继续转过其余角度时，转盘,2,静止不动。这样，当凸轮连续转动时，就可得到转盘的间歇转动，用以传递交错轴间的分度运动。,4.1.4,间歇传动机构,图,4,-,36,凸轮传动机构,1,凸轮；,2,转盘；,3,滚子,4.1.5,其他传动机构,1.,谐波齿轮传动机构,谐波齿轮传动机构的工作原理如图,4-37,所示。谐波齿轮传动机构主要由波发生器,H,、柔轮,1,和钢轮,2,组成。柔轮具有外齿，钢轮具有内齿，它们的齿形为三角形或渐开线形。两者的齿距相等，但齿数不同。钢轮的齿数比柔轮齿数多。柔轮的轮缘极薄，刚度很小，在未装配前，柔轮是圆形的。由于波发生器的直径比柔轮内圆的直径略大，所以当波发生器装入柔轮的内圆时，就迫使柔轮变形，呈椭圆形。在椭圆长轴的两端,(,图,4-37,中,A,点、,B,点,),，钢轮与柔轮的轮齿完全啮合；而在椭圆短轴的两端,(,图,4-37,中,C,点、,D,点,),，两轮的轮齿完全分离，长短轴之间的齿则处于半啮合状态，即一部分正在啮入，一部分正在啮出。,4.1.5,其他传动机构,图,4,-,37,谐波齿轮传动机构,1,柔轮；,2,钢轮,4.1.5,其他传动机构,2.,软轴传动机构,软轴又称为钢丝软轴，是由几层紧密缠在一起的弹簧钢丝层构成的，相邻层的缠绕方向相反，如图,4-38,所示。工作时，相邻两层钢丝中的一层趋于拧紧，另一层趋于拧松，以使各层钢丝间趋于压紧，传递转矩。,图,4,-,38,钢丝软轴的绕制,4.1.5,其他传动机构,3.,滚珠花键传动机构,滚珠花键传动机构的结构如图,4-39,所示。花键轴的外圈均布,3,条凸起轨道，配有,6,条承载滚珠列及对应有,6,条退出滚珠列。轨道横截面为近似滚珠的凹圆形，以减少接触应力。承受载荷及转矩正转时，,3,条承载滚珠列自动定心；反转时，另外,3,条承载并自动定心。这种结构使切向间隙减小，必要时还可以用一个花键螺母在旋转方向施加预紧力后再锁紧，使其刚度高、定位准。其外筒上开有键槽，用于连接其他传动件。保持架能使滚珠相互不产生摩擦，拆卸时不至于脱落。为提高滚珠花键的使用寿命，用橡皮密封垫防尘，并通过油孔注入润滑油。,4.1.5,其他传动机构,图,4,-,39,滚珠花键传动机构的结构,4.2,机电一体化系统的常用导向支承部件,在机电一体化机械系统中，导向支承部件的作用是支承和限制运动部件能按给定的运动要求和运动方向运动，这样的部件通常称为导轨副，简称导轨。,导轨的组成和分类,滑动导轨,滚动导轨,液体静压导轨,4.2.1,导轨的组成和分类,导轨主要由两部分组成：在工作时一部分固定不动，称为支承导轨；另一部分相对支承导轨作直线或回转运动，称为动导轨。,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。按其结构特点分为开式（借助重力或弹簧力保证运动件与承导面之间的接触）导轨和闭式（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）导轨。根据导轨之间的摩擦情况，常用导轨有滑动导轨和滚动导轨。滑动导轨的两导轨工作面的摩擦性质为滑动摩擦，滚动导轨的两导轨工作面的摩擦性质为滚动摩擦。运动导轨相对于支承导轨的运动，通常是直线运动或回转运动。目前，数控机床上的导轨型式主要有滑动导轨、滚动导轨和液体静压导轨等。,4.2.1,导轨的组成和分类,机电一体化系统对导轨的要求：,导向精度高。导向精度是指机床的运动部件沿导轨移动时的直线性和与有关基面之间的相互位置的准确性。无论在空载或工作状态下导轨都应有足够的导向精度。,耐磨性好。导轨的耐磨性是指导轨在长期使用过程中能否保持一定的导向精度。,足够的刚度。导轨受力变形会影响部件之间的导向精度和相对位置，故要求导轨应有足够的刚度。,低速运动平稳性。应使导轨的摩擦阻力小，运动轻便，低速运动时无爬行现象。,结构简单、工艺性好。,4.2.2,滑动导轨,滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高等优点，在数控机床上应用广泛。但对于金属对金属型式的导轨，静摩擦系数大，动摩擦系数随速度变化而变化，在低速时易产生爬行现象。可通过选用合适的导轨材料、热处理方法，提高导轨的耐磨性，改善摩擦特性。例如，可采用优质铸铁、耐磨铸铁或镶淬火钢导轨，采用导轨表面滚压强化、表面淬硬、镀铬、镀钼等方法提高导轨的耐磨性能。目前多数使用金属对塑料型式的导轨，称为贴塑导轨。贴塑滑动导轨的塑料化学成分稳定、摩擦系数小、耐磨性好、耐腐蚀性强、吸振性好、密度小、加工成形简单，能在任何液体或无润滑条件下工作。其缺点是耐热性差、热导率低、线膨胀系数比金属大、在外力作用下易产生变形、刚性差、吸湿性大、影响尺寸稳定性,。,4.2.2,滑动导轨,目前，国内外应用较多的贴塑导轨有以下两种：,（,1,）以聚四氟乙烯为基体，添加合金粉和氧化物等构成的高分子复合材料。聚四氟乙烯的摩擦系数很小（,0.04,），不耐磨，因而需要添加青铜粉、石墨、,MoS,2,、铅粉等填充材料增加耐磨性。这种高分子复合材料具有良好的耐磨和吸振性能，适用于工作温度范围广（,200,280,），动、静摩擦系数小且相差不大的情况；防爬行性能好，可在干摩擦下使用，能吸收外界进入导轨面的硬粒，使配对金属导轨不被拉伤和磨损；可制成塑料软带。目前我国已有,TSF,、,F4S,等标准软带产品，产品厚度有,0.8 mm,、,1.1 mm,、,1.4 mm,、,1.7 mm,、,2 mm,等几种，宽度有,150 mm,、,300 mm,两种，长度有,500 mm,以上的几种规格。,4.2.2,滑动导轨,（,2,）以环氧树脂为基体，加入,MoS,2,、胶体石墨、,TiO,2,等制成的抗磨涂层材料。这种涂料附着力强，可用涂敷工艺或压注成形工艺涂到预先加工成锯齿形状的导轨上，涂层厚度,1.52.5 mm,。我国已生产有环氧树脂耐磨涂料（,HNT,），它用于铸铁的导轨副中，摩擦系数为,0.10.12,，在无润滑油情况下仍有较好的润滑和防爬行性能。,贴塑导轨主要用于大型及重型数控机床上，贴塑导轨的塑料软带一般贴在长度较短的动导轨上，不受导轨形式的限制，各种组合形式的滑动导轨均可粘贴，如图,4-40,所示为几种贴塑导轨的结构。,4.2.2,滑动导轨,图,4,-,40,贴塑导轨的结构,4.2.3,滚动导轨,滚动导轨在导轨面之间放置滚珠、滚柱或滚针等滚动体，使导轨面之间为滚动摩擦而不是滑动摩擦。滚动导轨的灵敏度高，摩擦系数小，且其动、静摩擦系数相差很小，因而运动均匀，尤其是在低速移动时，不易出现爬行现象；定位精度高，重复定位精度可达,0.2,m,；牵引力小，移动轻便；磨损小，精度保持性好，使用寿命长。但滚动导轨的抗振性差，对防护要求高，结构复杂，制造困难，成本较高。常见的滚动导轨是直线滚动导轨,如图,4,-,41,所示。直线滚动导轨由一根长导轨（导轨条）和一个或几个滑块组成。,图,4-41,直线滚动导轨,1,导轨条；,2,循环滚珠滑块；,3,抗振阻尼滑块,4.2.3,滚动导轨,如图,4-42,所示为直线滚动导轨的结构，当滑块,10,相对于导轨条,9,移动时，每一组滚动体都在各自的滚道内循环运动，其所受的载荷形式与滚动轴承类似。,图,4,-,42,直线滚动导轨的结构,1,、,4,、,5,、,8,回