1、1,要求掌握的知识点：机电一体化系统对机械传动系统部件的要求；滚珠丝杠的传动与间隙调整；齿轮（谐波齿轮）传动与间隙调整；导轨副的选择与间隙调整；旋转支承部件的选择；轴系设计的基本要求及提高轴系性能的措施；机座（机架）设计应注意的问题等。,第 二 章机械系统部件选择与设计,2,第 二 章机械系统部件选择与设计,第一节 机械系统部件的设计要求第二节 机械传动部件的选择与设计第三节 导向支承部件的选择与设计第四节 旋转支承部件的类型与选择 第五节 轴系部件的选择与设计第六节 机电一体化系统的机座或机架习题与思考题,3,第一节 机械系统部件的设计要求,机械系统将系统各要素进行空间配置，形成统一整体。,
2、4,机电一体化系统的机械系统响应，应该稳、快、准。主要包括四大部分：传动机构：主要传递能量和动力，实际是力、速度变换器导向机构：支撑和限制运动部件按给定要求运动轴系：主要传递转矩及精确的回转运动，它直接承受外力（矩）机座或机架：是支撑其他零部件的基础部件。既承受其他零部件的重量和工作载荷，又是保证各零部件相对位置的基准。,5,为确保机械系统的稳、快、准，设计中常提出下列要求：低摩擦无间隙高刚度低惯量高谐振频率适当的阻尼比,6,为此，通常采取下列措施： 采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑部件。缩短传动链。选用最佳传动比。降低传动间隙，加预紧或预拉伸提高传动与支撑刚度。改进支承及架体的结构设计，提
3、高刚性。,7,第二节 机械传动部件的选择与设计,一、机械传动部件及其功能要求1. 机械传动部件的功能传递转矩和转速，使执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配；改变运动形式，如将直线运动变为回转运动或将回转运动变为直线运动；传递信息（如柴油机的凸轮传动）。,8,2. 对机械传动部件的要求刚度高；传动可靠；传动间隙小；精度高、体积小；重量轻；运动平稳；传递转矩大等。,9,3. 常用传动机构及其传动功能线性传动部件：螺旋传动：改变运动形式和动力形式；齿轮传动：改变运动方向、改变速度/动力大小；同步带传动：改变运动方向、改变速度/动力大小；非线性传动部件：连杆凸轮,传动机构及其功能（为选择）,
4、11,4. 机械传动部件的发展趋势 随着机电一体化技术的发展，要求传动机构不断适应新的技术要求:精密化高速化小型轻量化,12,二、 丝杠螺母机构基本传动形式,丝杠螺母机构又称螺旋传动机构，它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。有以传递力为主的（千斤顶），有以传递运动为主的（进给丝杠），还有调整零件之间相对位置的（螺旋测微器）。按照摩擦性质还有滑动(摩擦)丝杠螺母机构和滚动(摩擦)丝杠螺母机构之分。,13,滑动丝杠螺母机构结构简单、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(30-40)。滚珠丝杠螺母机构结构复杂、制造成本高，无自锁功能，但其最大优点
5、是摩擦阻力矩小、传动效率高(92-98)，因此在机电一体化系统中得到广泛应用。,14,一、丝杠螺母机构的传动形式丝杠和螺母间共有4种基本的传动形式：,15,a）螺母固定、丝杠转动并移动。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，结构较简单，可获得较高的传动精度。但其刚性较差，因此只适用于行程较小的场合。,16,b）丝杠转动、螺母移动。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，工作行程大，在机电一体化系统中应用较广泛。,17,c）螺母转动、丝杠移动。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，很少应用。,18,d）丝杠固定、螺母转动
6、并移动。结构简单、紧凑，但在多数情况下，使用极不方便，很少应用。,19,差动传动原理,该方式的丝杠上有旋向相同、基本导程不同的两段螺纹。当丝杠2转动时，可动螺母1的移动距离为 n(Ph1-Ph2) ，如果两基本导程的大小相差较少，则可获得较小的位移 。因此，这种传动方式多用于各种微动机构中。,20,1.滚珠丝杠副的组成及特点,三、 滚珠丝杠传动部件,滚珠丝杠螺母机构由反向器(滚珠循环反向装置)l、螺母2、丝杠3和滚珠4等四部分组成。,21,22,23,24,滚珠丝杠副与滑动丝杠副相比，滚珠丝杠副除上述优点外，还具有轴向刚度高(即通过适当预紧可消除丝杠与螺母之间的轴向间隙)、运动平稳、传动精度高
7、、不易磨损、使用寿命长等优点。 但由于不能自锁，具有传动的可逆性，在用做升降传动机构时，需要采取制动措施。,25,2. 滚珠丝杠副的典型的结构类型 滚珠丝杠副的结构类型可以从螺纹滚道的截面形状、滚珠的循环方式和消除轴向间隙的调整方法进行区别。 （1）螺纹滚道型面(法向)的形状及主要尺寸,26,螺纹滚道法向截面形状,轴向,螺母,丝杠,接触角：滚道型面与滚珠接触点的法线与丝杠轴向的垂线间的夹角（）。一般为45。,单圆弧型,双圆弧型,27,单圆弧型的螺纹滚道特点：接触角随轴向载荷大小的变化而变化，加工成型简单。 双圆弧型的螺纹滚道特点：接触角在工作过程中基本保持不变，两圆弧相交处的小空隙可以存储润滑
8、油以减少摩擦，加工成型复杂。,28,（2）滚珠的循环方式滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环两种。,29,如上图所示，在螺母2的侧面孔内装有接通相邻滚道的反向器4，利用反向器引导滚珠3越过丝杠1的螺纹顶部进入相邻滚道，形成一个循环回路。一般在同一螺母上装有24个滚珠用反向器，并沿螺母圆周均匀分布。,30,内循环方式的优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。其不足是反向器加工困难、装配调整也不方便。反向器有固定式和浮动式。,31,浮动式反向器的内循环,1-反向器；2-弹簧套；3-丝杠；4-碟簧片,32,槽内滚珠代替了定位键而对反向器起到自定位作用。浮动式反向器的优点
9、：回珠圆弧进出口的自动对接，通道流畅、摩擦特性好，更适合于高速、高灵敏度、高刚度的精密进给系统。,1,2,4,1-反向器；2-弹簧套； ；4-碟簧片,33,外循环-外循环方式中的滚珠在循环返向时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外作循环运动。从结构上看，外循环有螺旋槽式、插管式和端盖式三种形式。,34,1）螺旋槽式：,1套筒；2 螺母；3 滚珠；4 挡珠器；5 丝杠,35,螺旋槽式特点：工艺简单，径向尺寸小，易于制造。但挡珠器刚性差，易磨损。,36,2）插管式：,1弯管；2 压板；3 丝杠；4 滚珠；5 滚道,插管式特点：结构简单，容易制造。但径向尺寸较大，弯管端部作档珠器易磨损。,37,3)
10、 端盖式：,1螺母体；2 端盖,端盖式特点：结构简单，滚道吻接和弯曲处不易制作，应用较少。主要用在单螺母机构做升降机构。,38,3. 滚珠丝杠副的主要尺寸参数,39,公称直径（d0）:它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（或名义）尺寸。基本导程（Ph）（或螺距t）：它指丝杠相对于螺母旋转2弧度时，螺母上基准点的轴向位移。,40,尺寸系列，国际标准化组织(ISODIS3408-2-1991)和GB/T 17587.2-1998中规定：公称直径(mm)：6，8，10，12，16，20，25，32，40，50，63，80，100，125，160及200。公
11、称基本导程(mm)：1，2，2.5，3，4，5，6，8，10，12，16，20，25，32，40。尽可能优先选用：2.5，5，10，20及40。,41,4. 滚珠丝杠副的精度等级及标注方法,1）精度等级：根据GB/T17587.3-1998（与ISO 3408-3：1992同）标准，将滚珠丝杠副的精度分成为1、2、3、4、5、7、10共七个等级，最高级为1级，最低级为10级。推荐采用的精度等级：数控机床、精密机床和精密仪器等用于开环和半闭环进给系统，可选1、2、3级，一般动力传动可选4、5级，全闭环系统可选2、3、4级。 2）标注方法：GB/T17587.1-1998规定滚珠丝杠的标识符号应按
12、下图给定顺序排列的内容标注。,42,新标准标识符号,P 定位；T 传动。,43,5. 滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧双螺母螺纹预紧调整式双螺母齿差预紧调整式双螺母垫片调整预紧式弹簧式自动调整预紧式单螺母变位导程自顶紧式,44,（1）双螺母螺纹预紧调整式 如下图所示，其中，螺母3的外端有凸缘，而螺母4的外端虽无凸缘，但制有螺纹，并通过两个圆螺母固定。,1-锁紧螺母；2-调整螺母；3、4-滚珠螺母,45,调整时旋转圆螺母2消除轴向间隙并产生一定的预紧力，然后用锁紧螺母1锁紧。预紧后两个螺母中的滚珠相向受力(如图b所示)，从而消除轴向间隙。,1-锁紧螺母；2-调整螺母；3、4-滚珠螺母,46,调整时
13、旋转圆螺母2消除轴向间隙并产生一定的预紧力，然后用锁紧螺母1锁紧。预紧后两个螺母中的滚珠相向受力(如图b所示)，从而消除轴向间隙。,47, 双螺母螺纹预紧调整式的特点：结构简单、刚性好、预紧可靠，使用中调整方便，但不能精确定量地进行调整。,48,(2)双螺母齿差预紧调整式 如下图所示丝杠4的两端为分别制有圆柱齿轮的螺母3，两者齿数相差一个齿，通过两端的两个内齿轮2与上述圆柱齿轮相啮合，并用螺钉和定位销固定在套筒1上。,1-套筒；2-内齿轮；3-螺母；4-丝杠,49,调整时先取下两端的内齿轮2，当两个滚珠螺母相对于套筒同一方向转动同一个齿后固定，则一个滚珠螺母相对于另一个滚珠螺母产生相对角位移，
14、使两个滚珠螺母产生相对移动，从而消除间隙并产生一定的预紧力。其特点是可实现定量调整，即可进行精密微调(如0.002mm)，使用中调整较方便。,1-套筒；2-内齿轮；3-螺母；4-丝杠双螺母齿差预紧调整式,50,(3) 双螺母垫片调整预紧式如下图所示，调整垫片l的厚度，可使两螺母2产生相对位移，以达到消除间隙、产生预紧拉力之目的。,1-垫片； 2-螺母,51,其特点是结构简单、刚度高、预紧可靠，但使用中调整不方便。,1-垫片； 2-螺母双螺母垫片预紧式,52,（4）弹簧式自动调整预紧式 如下图所示，双螺母中一个活动另一个固定，用弹簧使其间始终具有产生轴向位移的推动力，从而获得预紧力。,53,其特
15、点是能消除使用过程中因磨损或弹性变形产生的间隙，但其结构复杂、轴向刚度低，适用于轻载场合。,弹簧自动调整预紧式,55,（5）单螺母变位导程自预紧式 下图为单螺母变位导程自预紧方式。它是在滚珠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Ph 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Ph 和单列滚珠的径向间隙。,螺母变位导程自预紧式,56,其特点是结构简单紧凑，但使用中不能调整，且制造困难。,螺母变位导程自预紧式,57,6. 滚珠丝杠支承方式的选择为了提高轴向刚度，常用以推力轴承为轴承组合来支承丝杠，当轴向载荷较小时，也可用角接触球轴承来支承丝杠。,58,
16、1）单推-单推式如下图所示，推力轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧力。其特点是轴向刚度较高，预拉伸安装时，预紧力较大，但轴承寿命比双推-双推式低。,59,简易单推-单推式（角接触球轴承）,60,2）双推-双推式如下图所示，两端分别安装推力轴承与深沟球轴承的组合，并施加预紧力，其轴向刚度最高。该方式适合于高刚度、高转速、高精度的精密丝杠传动系统。但随温度的升高会使丝杠的预紧力增大，易造成两端支承的预紧力不对称。,61,3) 双推-简支式如下图所示，一端安装止推轴承和圆柱滚子轴承的组合，另一端仅安装深沟球轴承，其轴向刚度较低，使用时应注意减少丝杠热变形的影响。双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿
17、命较高，适用于中速、传动精度较高的长丝杠传动系统。,62,双推-简支支承方式,63,4) 双推-自由式如下图所示，一端安装推力轴承与圆柱滚子轴承的组合，另一端悬空呈自由状态，故轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装的丝杠传动系统。,64,双推-自由式支承,65,制动装置 因滚珠丝杠传动效率高，无自锁作用，故在垂直安装状态，必须设置防止因驱动力中断而发生逆传动的自锁、制动或重力平衡装置。可以在执行元件（如电机）上加装制动器，还可在轴上使用超越离合器或选择设计简易制动装置。,1-外圈；2-星轮；3-滚柱；4-活销；5-弹簧,66,67,滚珠丝杠副可用防尘密封圈或防护套密封来防止灰尘及杂质
18、进入滚珠丝杠副，使用润滑剂来提高其耐磨性及传动效率，从而维持其传动精度，延长其使用寿命。密封圈有接触式和非接触式两种，将其装在滚珠螺母的两端即可。接触式密封圈用具有弹性的耐油橡胶或尼龙等材料制成，因此有接触压力并产生一定的摩擦力矩，但其防尘效果好。非接触式密封圈通常由聚氯乙烯（PVC)等塑料制成，其内孔螺纹表面与丝杠螺纹之间略有间隙，故又称迷宫式密封圈。常用的润滑剂有润滑油和润滑脂两类。润滑脂一般在装配时放进滚珠螺母滚道内定期润滑，而使用润滑油时应注意经常通过注油孔注油。,滚珠丝杠副的密封与润滑,68,防护套的形式 有折叠式密封套、伸缩套管和伸缩挡板。 下图为防护套示例。,1-螺旋弹簧钢带式伸
19、缩套管； 2-波纹管密封套,69,滚珠丝杠副的选择方法,根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，可选择适当的结构型式：当允许有间隙存在时(如垂直运动)，可选用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，可采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式结构。,70,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公称直径d0和基本导程 Ph 。公称直径d0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l1在允许的情况下要尽量短，一般取 l1/d0小于3
20、0为宜；基本导程Ph(或螺距t)应按承载能力、传动精度及传动速度选取，导程大承载能力也大，导程小传动精度较高。要求传动速度快时，可选用大导程滚珠丝杠副。,71,在选用滚珠丝杠副时，必须知道实际的工作条件：最大的工作载荷 Fmax(或平均工作载荷 Fcp) (N)；使用寿命 T (h)；丝杠的工作长度(或螺母的有效行程) l (mm)；丝杠的转速 n (或平均转速 ncp) (r/min)；滚道的硬度HRC及丝杠的工况，然后按下列步骤进行选择。,滚珠丝杠副的选择步骤,72,（1） 计算承载能力 n10r/min时，计算丝杠轴向最大动载荷FQ，然后根据FQ值选择丝杠副的型号。,L滚珠丝杠寿命系数；
21、 fH 硬度系数； fw 载荷系数；Fmax 滚珠丝杠副最大工作载荷； Ca 滚珠丝杠的额定动载荷；,对于低速（ n10r/min ）传动，只按额定静载荷。,73,（2）压杆稳定性核算 包括临界载荷核算、临界转速核算，二者分别对应压杆失稳和高速共振。,FK ，ncr分别为临界载荷和临界转速。,74,（3） 刚度的验算 滚珠丝杠在轴向力 F 和扭矩 T 共同作用下，所引起的每一导程的变形量为：,以上所有经验公式中的参数均可通过查手册得到。,75,四、齿轮传动部件 “齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器”,1.最佳总传动比 齿轮传动部件是转矩、减速和转向的变换器。由于负载特性和工作条件的不同，最
22、佳传动比有各种各样的选择方法。在伺服电动机驱动负载的传动系统中常采用使负载加速度最大的方法。下图所示传动系统的最佳传动比计算过程如下：,76,根据传动关系有 式中: 电动机的角位移、角速度、角加速度； 负载的角位移、角速度、角加速度。,77,负载转矩 TLF 换算到电动机轴上的阻抗转矩为 TLF /i ； 负载转动惯量 JL 换算到电动机轴上的转动惯量为 JL/i2； 设 Tm 为电动机的驱动转矩，在忽略传动装置惯量的前提下，根据旋转运动方程，电动机轴上的合转矩 Ta 为,78,式中若改变总传动比i，则 也随之改变。根据负载角加速度最大的原则，令 ，则解得若不计摩擦，即TLF0, 则,79,若
23、执行元件选用的是步进电机（设步距角为），在系统脉冲当量为 和丝杠基本导程为 Ph 的条件下，减速比还应满足匹配关系：,80,2. 各级传动比的最佳分配原则若总传动比比较大，又准备采用多级齿轮传动，需要确定传动级数，并合理分配传动比，通常有三种分配原则，以图2.29为例说明。假设传动效率100%，轴与轴承转动惯量不计；各齿轮为宽度相同、材料相同的实心圆柱体。,81,重量最轻原则 对小功率传动系统，除简化假设同前，另设各主动小齿轮转动惯量相同；各主动小齿轮模数、齿数均相同，则图中各齿轮重量之和为：,对 n 级传动各传动比 i1=i2=i1/n ，可使传动装置重量最轻。,82,对大功率传动系统传动转
24、矩较大，小功率传动中的各项简化假设大多不合适，应根据经验、类比方法以及结构紧凑之要求进行综合考虑，模数、齿宽逐级增加，各级传动比一般以“先大后小”（原动轴端大，负载轴端小）原则处理。,83,输出轴转角误差最小原则一级传动各级齿轮的转角误差换算到末级输出轴上的总转角误差：,二级传动各级齿轮的转角误差换算到末级输出轴上的总转角误差：,84,同理，n级齿轮传动系统中各级齿轮的转角误差换算到末级输出轴上的总转角误差,由此可见，为提高齿轮系的精度，各级传动比应按“先小后大”原则分配。而且要使最末一级传动比尽可能大，同时提高末级齿轮副的精度，可使输出轴转角误差最小。,k 第 k 个齿轮所具有的转角误差；i
25、kn 第 k 个齿轮的转轴至 n 级输出轴的传动比。,85,转角误差的计算举例,已知：有一三级齿轮传动减速器，如图所示，z1z6的转角误差分别是： 1=0.06 rad/s, 2=3=0.03 rad/s, 4=5=0.015 rad/s, 6=0.01 rad/s。 减速比分别为: i1=i2=2, i3=3, 则i=12.求其总转角误差max .,解：max=1/i+(2+3)/(i2i3)+ (4+5)/ i3+6=0.06/12+0.06/6+0.03/3+0.01 =0.035(rad/s),1,2,3,4,5,6,86,等效转动惯量最小原则换算到电动机轴上的等效转动惯量为最小。小功
26、率系统，n级齿轮系，各级传动比通式： （推导略）,按此原则计算的各级传动比也是按“先小后大”次序分配，结构紧凑。,87,大功率系统，计算公式不通用，但分配原则仍应符合“先小后大”的分配次序。 综上所述，结合可行性、经济性对转动惯量、结构尺寸和传动精度提出适当要求。要求体积小、重量轻的齿轮：采用重量最轻的原则；要求运动平稳、起停频繁和动态性能好的轮系：采用最小转动惯量原则、输出轴转角误差最小原则；提高传动精度和减小回程误差为主的轮系：转角误差最小原则；较大传动比：采用定轴轮系和行星轮系结合，且要求传动精度、效率、平稳、轻小：谐波齿轮传动。,88,3.谐波齿轮传动,谐波齿轮传动具有结构简单、传动比
27、大(几十几百)、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得到广泛的应用。,89,1-刚性轮；2-柔性轮；3-波发生器,谐波齿轮减速器是依靠柔性齿轮产生的可控变形引起齿间的相对错齿来传递动力和运动的。刚轮或柔轮为从动件。刚轮的齿数比柔轮的齿数多几个齿。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。,90,波发生器将柔轮撑成椭圆形，使其长轴两端与刚轮的齿相啮合，而在短轴方向的齿完全分离。当波形发生器顺时针转一圈时，两轮产生相对位移，位移量等于齿数差与节距的乘积。当刚轮固定时，则柔轮的回转方向与波形
28、发生器的回转方向相反。,1-刚性轮；2-柔性轮；3-波发生器,91,92,93,1-刚性轮；2-柔性轮；3-波发生器,谐波齿轮传动的波形发生器相当于行星轮系的转臂，柔轮相当于行星轮，刚轮则相当于中心轮。故谐波齿轮减速器的传动比可以应用行星轮系求传动比的方式来计算。,94,设 g、r、H 为刚轮、柔轮和波发生器的角速度，则：,当柔轮固定时，r=0，则,设 zr200，zg202，则 iHg101。结果为“正”表明刚轮与波形发生器转向相同。,95,设 g、r、H 为刚轮、柔轮和波发生器的角速度，则：,当刚轮固定时，g=0，则,设 zr200，zg202，则 iHr-100。结果为“负”表明柔轮与波
29、形发生器转向相反。,96,四、齿轮传动部件 1.最佳总传动比 2.各级传动比的最佳分配原则 3.谐波齿轮传动 4.齿轮传动间隙的调整方法,齿轮传动过程中，主动轮突然改变传动方向时，从动轮不能马上随之反转，而是有一个滞后量，其产生原因主要是齿轮副的侧隙和加工装配误差。,（1）圆柱齿轮传动： 偏心套调整法 轴向垫片调整法 双片薄齿轮错齿调整法,（2）斜齿轮传动： 垫片错齿调整法 轴向压簧错齿调整法,97,（1）圆柱齿轮传动：偏心套调整法,电动机2通过偏心轴套1装在减速箱上；转动偏心轴套1可以调整两啮合齿轮的中心距。,98,若偏心量为 e，则间隙调整范围为 02e。特点：结构简单，但其侧隙不能自动补
30、偿。,e,e,99,轴向垫片调整法,1、2-齿轮3-垫片4-电动机,啮合齿轮1和2的分度圆弧齿厚沿轴线方向略有锥度，轴向垫片3使齿轮2沿轴向移动，从而消除两齿轮间隙，特点同。,100,双片薄齿轮错齿调整法,两个啮合着的圆柱齿轮，其中一个是宽齿轮，另一个是由两薄片组成的齿轮，再附加某些措施，使一个薄片齿轮的齿左侧和另一个薄片齿轮的齿右侧分别紧贴在宽齿轮的齿槽左、右两侧。这样错齿后就没有齿侧隙，故反向时就不会出现死区。周向弹簧式可调拉簧式,101,薄片齿轮周向弹簧错齿调整1-短柱；2-弹簧；3、4-薄片齿轮,在两个薄片齿轮3和4上各开几条周向圆弧槽，并在齿轮3和4的端面上有安装弹簧2的短柱1。在弹
31、簧2的作用下使薄片齿轮3和4错位而消除齿侧间隙。这种结构形式的弹簧2的拉力必须足以克服驱动转矩才能起作用。因受到周向圆弧槽及弹簧尺寸限制，故仅适用于读数装置而不适用于功率驱动装置。,102,两薄片齿轮1与2上各装有带有螺纹的凸耳3。弹簧4一端钩在3上，另一端钩在螺钉7上。弹簧4的拉力大小可用螺母5调节螺钉7的伸出长度，调整后再用螺母6锁紧。齿侧间隙可自动补偿，但结构复杂。,可调拉簧式1、2-齿轮；3-凸耳；4-弹簧； 5、6-螺母；7-螺钉,103,垫片错齿调整：同向斜齿轮1、2与宽齿轮3啮合，垫片4使同向斜齿轮1与2轴向相对移动以消除间隙。结构简单，但调整费时，并且齿侧间隙不能自动补偿。,1
32、、2-薄片齿轮；3-宽齿轮；4-垫片,（2）斜齿轮传动：,104,轴向压簧错齿调整：同向斜齿轮1、2与宽斜齿轮3啮合，调节螺母4可调整弹簧轴向力的大小，使1、2达到错齿。特点是齿侧间隙可以自动补偿，但轴向尺寸较大，结构不紧凑。,1、2-薄片齿轮；3-宽齿轮；4-调整螺母；5-弹簧,105,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带、钢带、链条、钢丝绳及尼龙绳等挠性传动部件。,五、 挠性传动部件,1,106,同步带传动兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点：能实现较远中心距的传动，传动比准确，工作时无滑动；传动效率高，可达98%；传动平稳，能吸收振动，噪声小；使用范围广，传
33、动比可达10；带轮直径比V带小，且无需特别张紧，结构紧凑；维护方便，能在高温、腐蚀等恶劣环境下工作，不需要润滑；但它的安装要求高，中心距要求严格，制造工艺复杂。,107,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，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。,108,2）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
34、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。,109,梯形齿同步带结构 1-包布层；2-带齿； 3-带背；4-加强筋,梯形齿同步带结构,包布层材料：尼龙布带齿材料：氯丁橡胶为基体，耐油加强筋材料：钢丝，玻璃纤维，芳香族聚酰胺纤维（芳纶）,110,同步带实物照片,111,另外还有钢带和绳轮等挠性传动部件。,表2-8 挠性传动方式比较,112,钢带传动与CVT变速器,113,导轨支承部件的作用：支承和限制运动部件按给定运动规律要求和规定运动方向作直线或回转运动。一、导轨副的组成、种类及应满足要求 组成：主要由承导件、运动件两大部分组成
35、。 1、导轨副的种类 按运动方式可分为：直线运动导轨、回转运动导轨。 按接触表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。,第三节 导向支承部件的选择与设计,114,2、常见导轨副的结构形式,导轨副的结构形式是多种多样的，依据不同的要求可设计或选用不同形式的导轨副。常见导轨副的结构形式如下（开式、闭式）。,图2.50,115,3、导轨副应满足的基本要求,基本要求：导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好，热温变形小以及结构工艺性好等。在高精度导轨副中，可采用卸荷装置等方法减小导轨面的承载载荷，提高导向精度。（1）导向精度要求及影响因素 导向精度（要求）：指动导轨沿给定方向运动
36、时应保证的准确程度，主要是指动导轨沿支承导轨运动的直线度或圆度。,116,因此，在设计或选用导轨副时，重点考虑影响导向精度的主要因素有：,导轨结构类型。几何精度（直线度、平行度）和接触精度（平面度和接触面积）。导轨运动配合精度（间隙）。油膜厚度和油膜刚度。导轨和机架的热变形（热敏感性）。,117,（2）导轨的刚度要求,导轨的刚度（要求）：导轨抵抗外载荷的能力，从而不影响导向部件的导向精度（运动精度）。通常分为：静刚度 抵抗恒定载荷的能力。 动刚度 抵抗交变载荷的能力。每一类刚度都包括：结构刚度、接触刚度、局部刚度。在一般情况下，为减轻或平衡外力的影响，可采用加大导轨尺寸、添加辅助导轨或施加预载
37、荷的方法提高刚度。,118,（3）精度保持性要求（耐磨性）,精度保持性要求：指导轨副表面的耐磨性（耐磨能力）应达到导轨面的使用寿命要求。主要取决于导轨的结构、材料、摩擦性质、表面粗糙度、表面硬度、表面润滑及受力情况等；为此需要对导轨进行正确的润滑与保护。可采用独立的润滑系统自动润滑，采用多层金属薄板伸缩式防护罩进行防护。,119,（4）导轨运动灵活性和低速运动平稳性要求,灵活性 指对系统控制指令的反应能力。低速运动平稳性 指平稳匀速运动时运动部件的波动误差（低速“爬行现象”，其主要原因是摩擦系数随运动速度的变化和传动系统刚性不足）。为防止爬行现象的出现，可采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、贴塑
38、料层导轨等；或在普通导轨上进行正确的润滑和保护；提高传动系统的刚度（用减小结合面、增大结构尺寸、缩短传动链、减少传动副等方法）。,120,（5）温度敏感性和结构工艺性要求温度敏感性 指导轨在环境温度和导轨运动摩擦发热的影响下，导轨运动灵活性、平稳性、导向精度产生变化的反应程度。工艺性要求 结构简单、制造容易、装配调整、维修维护、检测方便，生产成本低。,121,（3）导轨副的设计内容与步骤,1）依据导轨副使用的工作条件，选择合理的结构形式。2）选择导轨副的截面形状，保证导轨的导向精度。 3）依据导轨的载荷和工作温度范围，选择导轨的具体结构及尺寸参数，保证具有足够的刚度、良好的耐磨性、运动灵活性、
39、平稳性。,122,4）具有合理的误差自动补偿或调整装置，在导轨长期使用后（超过导轨规定的平均无故障工作时间MTBF可靠性指标），通过调整能进一步的保持导轨的导向精度。 5）选用合理的耐磨材料、润滑方法以及防护装置，使导轨尽可能的处于良好工作状态，减少导轨副的磨损。 6）制订保证导轨正常工作所必需的技术条件，如选择适当的材料，以及热处理、精加工和测量方法等。,123,二、 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常见滑动导轨副的截面形状：,124,凸型：不易积存切削等污物，也不易存储润滑油，宜在低速下工作；凹形：可用于高速，但必须有良好的防护装置，以防止外界污物进入。,125,（
40、1）三角形导轨的特点,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。截面角度由载荷大小及导向要求而定，一般为90。但存在导轨水平与垂直误差的相互影响，工艺性差，给制造、检验和修理带来困难。分对称型和非对称型三角形导轨。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。,126,（2）矩形导轨的特点特点：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
41、，安装调整方便。（3）燕尾形导轨的特点特点：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。,127,2、常见导轨副组合与间隙调整、特点,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，热敏感性较大。主要用于高精度机床。,（1）双三角形组合导轨组合,128,（2）矩形与矩形导轨组合,特点：承载面与导向面分离，制造调整简单、导向面间隙用
42、调整镶条保证，接触刚度较低。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。,129,（3）三角形导轨与矩形或平面导轨组合,特点：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；但是，存在两导轨导向平面磨损不均并使导轨产生位置变化；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。,130,（4）燕尾形导轨与矩形导轨组合,特点：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；装配式燕尾导轨，制造调整方便，承载能力与整体式燕
43、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。,整体式燕尾导轨,装配式燕尾导轨,燕尾导轨与矩形导轨组合,131,3、导轨副材料的选择,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。1）铸铁的特点（常用HT200）2）钢的特点（45）3）有色金属的特点（铜合金、铝合金）4）塑料的特点（PTFE）,132,4、提高导轨副耐磨性的措施,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
44、，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,133,三、滚动导轨副的类型与选择,组成：带沟槽的静导轨和动导轨、滚动体以及滚动体隔离元件等组成。类型：按运动形式 直线导轨和回转导轨。 按滚动体形状滚珠滚动导轨副、圆柱（滚针）滚动导轨副、圆锥滚动导轨副等。 按滚道截面形状 平面导轨、三角形导轨、圆弧形（或钢丝滚道）导轨等。 按滚动体的循环方式非循环导轨和循环导轨。,134,滚动导轨副的特点：,1）低摩擦系数和动/静摩擦系数基本相等。2）可实现
45、传动和支承预紧，无间隙传动精度高和结构刚度好，易于消除正反转传动误差。3）专业化生产，质量易于保证。4）滚动体与滚道为点或线接触，接触应力较大，抗振性较差。5）为保证传动精度，滚道表面硬度、形状/位置精度，滚动体尺寸精度、形状/位置精度均有严格的要求。6）结构复杂、制造困难，生产成本高。,135,（1）直线运动滚动导轨副,1）滚动体循环工作方式的基本工作原理 组成：动导轨、滚动体与隔离元件组成动导轨副，并在定导轨副上移动。特点：可实现无限长导轨的直线运动。,136,（2）回转运动滚动导轨副,工作原理基本与滚动轴承相似，只是在滚道直径和滚道截面形状和结构设计上与滚动轴承有所不同。（3）滚动轴承导
46、轨副目前已标准化生产，选用时应根据实际情况而定。,滚动导轨副的选用原则： 依据传动部件的承载能力、导向精度、耐磨性、刚度（结构/接触）、工艺性等要求。综合评价合理选用。,137,第四节 旋转支承的选择与设计,按摩擦性质分为： （1）滑动支承 （2）滚动支承 （3）气体(或液体)支承 （4）弹性支承其中的滑动摩擦支承按其结构特点又可分为： 圆柱支撑 圆锥支撑 球面支撑 顶针支承滚动摩擦支承按其结构特点又可分为： 填入式滚珠支承 刀口支承,一、 旋转支承的种类及基本要求,138,各种支承结构简图,圆柱支承,圆锥支承,球面支承,顶针支承,填入式支承,刀口支承,气体或液体支承,弹簧支承,139,方向精度和置中精度,方向精度是指运动件转动时，其轴线与承导件的轴线产生倾斜的程度。 置中精度是指在任意截面上，运动件的中心与承导件的中心之间产生偏移的程度。,140,二、 圆柱支承,1-轴肩；2-轴套；3-锥孔,较大的接触表面，承受载荷较大；但方向精度和置中精度差，且摩擦阻力矩较大。滑动摩擦支承中应用最广泛的一种。,141,方式a）在运动件的中心孔和止推面之间放一滚珠，可以得到较准确的轴向定位；方式b）利用轴套端面的滚珠作轴向定位，有较大的承载能力，且运动件稍有偏心时，不会引起晃动，提高了机构的稳定性。,142,三、 圆锥支承,
