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1、第二章机电一体化系统的机械系统部件的选择与设计2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副了解伺服控制对机械传动系统的要求了解系统传动精度的主要影响因素和减小传动误差的主要措施了解机械系统数学模型的建立方法，掌握惯量、阻尼、刚度、间隙等参数对机械传动系统特性的影响掌握机电一体化系统中，常用传动机构的特点及其选用和设计方法。重点学习怎样为系统选择合理的传动方案、合适的传动元件，而不是具体传动元件的结构设计。学习目的与要求2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副2.62.52.42.32.2机械传动部件的选择与设计2.1机械系统的选择与设计要求本章内容导向支承部件的选择与设计旋转支承部件的选择与设计轴系部
2、件的选择与设计机电一体化系统的机座或机架2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副1.机械系统机械系统一般由减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向支承部件、旋转支承部件、轴系及架体等机构组成。2.1机械系统的选择与设计要求2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副2.机械系统的组成1）传动机构不仅是转速和转矩的变换器而且已成为伺服系统的一部分它要根据伺服控制的要求进行选择设计以满足整个机械系统良好的伺服性能。2）导向机构导向机构的作用是支承和导向它为机械系统中各运动装置能安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障一般指导轨、轴承等。3）执行机构执行
3、机构是用来完成操作任务的直接装置。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。2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副导轨设计支承装置主轴组件设计机械设计技术机械传动装置设计机械结构设计滚珠丝杠传动无侧隙齿轮传动谐波齿轮传动同步齿形带传动膜片弹性联轴器2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副3.对机械系统的要求p除要求具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，就是说响应要快、稳定性要好。p在设计中，常提出无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。p此外还要求机械系统具有较大的刚度，良好的耐磨、减摩性和可靠性，消震和低噪音，重量轻、体积小、寿命长。2机械
4、系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副4.满足要求的措施1)采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件。2)缩短传动链，提高传动与支承刚度。3)选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、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。4)缩小反向死区误差。5)改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声。2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动、各种非线性传动部件等。其主要功能是传递转矩和转速，因此，它实质上是一种转矩、转速变换器，其目的是使执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。应设计和选择传动间隙小、精度高、体积
5、小、重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。2.2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2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副传动机构的技术要求：1)精密化对某种特定的机电一体化系统(或产品)来说，应根据其性能的需要提出适当精密度要求。2)高速化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。3)小型化、轻量化提高运动灵敏度(快速响应性)、减小冲击、降低能耗。为与微电子部件的微型化相适应，也要尽可能做到使机械传动部件短小轻薄化。2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副丝杠螺母机构又称螺旋传动机构。主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运
6、动变换为旋转运动。n以传递能量为主的有螺旋压力机、千斤顶等n以传递运动为主的有工作台的进给丝杠，n还有调整零件之间相对位置的螺旋传动机构等。二、丝杠螺母机构基本传动形式2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副（1）丝杠螺母机构的主要构成丝杠、丝杠螺母和减摩介质或滚动体（回珠装置）功能：实现旋转运动与直线运动之间相互转换或调整。作用：用于机构之间能量的传递和运动形式的传递。分类：滑动和滚动丝杠螺母机构。2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副（2）丝杠螺母机构传递运动的基本条件1）滑动丝杠螺母机构传递运动基本条件：应有足够的滑移间隙和充分地润滑，热胀冷缩补偿空间；因而，存在一定的空回间隙。2）滚珠丝
7、杠螺母机构传递运动的基本条件：应有足够的润滑储油空间和热胀冷缩弹性补偿能力，可实现无间隙工作；因而，存在一定的表面应力；为了实现连续运转，需一滚珠的回珠装置（内或外）。2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副（3）丝杠螺母机构的特点滑动丝杠螺母机构：结构简单、加工方便、成本低，且有自锁功能，但摩擦阻力较大、传动效率低(30%40%)。滚动丝杠螺母机构：结构复杂、成本高、无自锁功能，但摩擦阻力小、传动效率高（92%98%）、传动精度高。2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副（4）丝杠螺母传动的类型图2-1丝杠螺母机构基本传动形式2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副图2-2丝杠螺母机构差动传动的工
8、作原理2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副1反向器2螺母3丝杆4滚珠由带螺旋槽的丝杆、螺母、滚动元件滚珠滚柱、回珠装置等组成。p为了在滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。p为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。三、滚珠丝杠副传动部件2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副1.滚珠丝杠副的特点n传动效率高n运动平稳n工作寿命长n定位精度和重复定位精度高n同步性好n可靠性高n不能自锁n制造工艺复杂2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副2.滚珠丝杠副的典型结构类型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2机械
9、系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副单圆弧滚道和双圆弧滚道的结构特点单圆弧滚道：结构简单，传递精度由加工质量保证，轴向间隙小，无轴向间隙调整和预紧能力，加工困难，加工精度要求高，成本高，一般在轻载条件下工作。双圆弧滚道：结构简单，存在轴向间隙，加工质量易于保证，在使用双螺母结构的条件下，具有轴向间隙调整和预紧能力，传递精度高。双圆弧滚道单圆弧滚道2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副(2)滚珠的循环方式内循环：滚珠在循环过程中始终与丝杆表面保持接触n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。n缺点是反向器加工困难、装配调整也不方便。图2-6浮动式反向器内循环方式2机械系统设计
10、-机械传动装置滚珠丝杠副外循环：滚珠在循环返向时，离开丝杆螺纹滚道，在螺母体内或体外作循环运动。可分螺旋帽式、插管式、端盖式。n优点是结构简单、工艺性好。n缺点是滚道吻接和弯曲处四角不易准确制作而影响其性能，故应用较少。常以单螺母形式用作升降传动机构。图2-8插管式外循环图2-9端盖式外循环2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副3.滚珠丝杠副的主要尺寸参数图2-10主要尺寸参数公称直径d0：滚珠与螺纹滚道在理论接魁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尺寸。基本导程Ph(或螺距t)：丝杆相对螺母旋转2弧度时，螺母上基准点的轴向位移。行程l：丝杆相对于螺母旋转任意弧度时，螺母上基准
11、点的轴向位移。此外还有丝杆螺纹外径d1、丝杆螺纹底径d2、滚珠直径Dw、螺母螺纹大径D2、螺母螺纹小径D3、丝杆螺纹全长ls等。2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副4.滚珠丝杠的精度等级及标注方法主要尺寸标称直径、导程、螺旋升角等。精度等级标准规定分为7个等级：1、2、3、4、5、7、10级），1级最高，10级最低。标注方法国标。按图2-11给定顺序标注2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副5.滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧滚珠丝杠副的轴向间隙是承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。当丝杠改变转动方向时，间隙会使运动产生空回，从而影响机构的传动精度和系统
12、稳定性。通常采用双螺母预紧双螺母预紧或单螺母（大滚单螺母（大滚珠、大导程）珠、大导程）的方法，减小或消除轴向间隙，提高滚珠丝杠副的刚度。2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副(1)双螺母螺纹预紧调整式螺母3的外端有凸缘，而螺母4的外端虽无凸缘，但制有螺纹，并通过二个圆螺母固定。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，从而消除轴向间隙。其特点是结构简单、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。2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副(2)双螺母齿差项紧调整式两个螺母的两端分别制有圆柱齿轮3，二者齿数相差一个齿，通过
13、二端的两个内齿轮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。调整时先取下二端的内齿轮2，当二个滚珠螺母相对于套筒同一方向转动同一个齿后固定后，则一个滚珠螺母相对于另一个滚珠螺母产生相对角位移，使二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。2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副(3)双螺母垫片调整预紧式调整垫片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。其特点是结构简单刚度高、预紧可靠，但使用中调整不方便。2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副双螺母中一个活动另一个固
14、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。结构复杂、轴向刚度低，适合用于轻载场合。（4）弹簧式自动调隙(5)单螺母变位导程自顶紧式和单螺母滚珠过盈预紧式2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副(1)支承方式6.滚珠丝杠副支承方式的选择丝杠的轴承组合及轴承座、螺母座以及其它零件的连接刚性，对滚珠丝杠副传动系统的刚度和精度都有很大影响，需在设计、安装时认真考虑。为了提高轴向刚度，丝杠支承常用推力轴承为主的轴承组合，仅当轴向载荷很小时，才用向心推力轴承。浮动支承多采用深沟球轴承，60角接触推力球轴承应用广泛，其次是滚针和推力滚子组合轴承，多用于大型重型机床。以下列出了四种典型支承方
15、式及其特点。2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副1）单推单推1轴向刚度较高；2预拉伸安装时，须加载荷较大，轴承寿命比双推-双推式低；3适宜中速、精度高，并可用双推单推组合。两端都装止推轴承，承受轴向载荷2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副1轴向刚度最高；2预拉伸安装时，须加载荷较小，轴承寿命较高3适宜高速、高刚度、高精度。2）双推双推两端都装止推轴承和向心球轴轴承，承受轴向、径向载荷2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副1轴向刚度不高，与螺母位置有关；2双推端可预拉伸安装；3适宜中速、精度较高的长丝杠。3）双推简支固定端装深沟球轴承和双向推力轴承，承受径向、轴向载荷；简支端用深沟球轴承径向
16、约束2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副1轴向刚度低，与螺母位置有关；2双推端可预拉伸安装；3适宜中小载荷与低速，更适宜垂直安装，短丝杠。4）双推自由固定可以用深沟球轴承和双向推力轴承组合或用圆锥滚子轴承2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副(2)轴承的组合安装支承示例2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副(3)制动装置作用：在垂直安装或在高速移动定位时，防止滚珠丝杠副作用：在垂直安装或在高速移动定位时，防止滚珠丝杠副逆转发生不安全事故或定位不可靠（无自锁能力）。逆转发生不安全事故或定位不可靠（无自锁能力）。2机械系统设计-机械传动装置滚珠丝杠副7.滚珠丝杠副的密封与润滑类型：防尘密封圈或防护套密封润滑剂：润滑油和润滑脂作用：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：密封：接触式密封（动或静密封
