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1、济南大学机械工程学院机电系统检测与控制机电系统检测与控制MeasurementandControlinMeasurementandControlinMechatronicsMechatronicsSystemSystem3.1概述3.2传动机构3.3导向机构3.4执行机构第三章机械传动系统3.1.13.1.1机电一体化对机械系统的基本要求机电一体化对机械系统的基本要求机电一体化产品中的机械系统主要包括支承、传动、机电一体化产品中的机械系统主要包括支承、传动、执行机构等，一般由减速装置、丝杠螺母副、涡轮涡杆副执行机构等，一般由减速装置、丝杠螺母副、涡轮涡杆副等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机
2、构等非线性传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、轴系及机架等机动部件、导向支承部件、旋转支承部件、轴系及机架等机构组成。与一般的机械系统相比，其特点是：构组成。与一般的机械系统相比，其特点是：（11）高精度。由于机电一体化产品在技术性能、工艺水）高精度。由于机电一体化产品在技术性能、工艺水平、功能上都要比普通的机械产品要求高，因此对机械系平、功能上都要比普通的机械产品要求高，因此对机械系统的精度提出了更高的要求。统的精度提出了更高的要求。3.1概述（22）快速响应。机电一体化系统中既有高速的信息处）快速响应。机电一体化系统中既有高速的信息处理单
3、元，也有慢速的机械单元，若希望提高整体速度，就理单元，也有慢速的机械单元，若希望提高整体速度，就要求机械部分有更高的响应速度。要求机械部分有更高的响应速度。（33）良好的稳定性，抗干扰能力强，环境适应性好。）良好的稳定性，抗干扰能力强，环境适应性好。简言之，就是简言之，就是“稳、准、快稳、准、快”。此外，还须有较大的刚。此外，还须有较大的刚度、良好的可靠性、重量轻、体积小、寿命长等要求。度、良好的可靠性、重量轻、体积小、寿命长等要求。3.1概述为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，在设计中为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，在设计中常提出无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、常提出无间
4、隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。为达到上述要求，主要从以下几方适当的阻尼比等要求。为达到上述要求，主要从以下几方面采取措施：面采取措施：（11）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件。）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、滚动导向支承、动（静）压导向支承如采用滚珠丝杠副、滚动导向支承、动（静）压导向支承等。等。（22）缩短传动链，简化主传动系统的机械结构。主）缩短传动链，简化主传动系统的机械结构。主传动常采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与传动常采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接，以减少中间传动环节。丝杠螺母副连
5、接，以减少中间传动环节。3.1概述（33）提高传动与支承刚度。如采用预加紧的方法提高）提高传动与支承刚度。如采用预加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，丝杠的支承滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动与支承刚度，丝杠的支承设计中采用二端轴向预紧或预拉伸支承结构等。设计中采用二端轴向预紧或预拉伸支承结构等。（44）选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少）选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能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。力。（55）缩小反向死区误差。在进给传动中，一方面采用）缩小反向死区误差。在进给传动中，一
6、方面采用无间隙且减少摩擦的滚珠丝杠副，预加载荷的双齿轮齿条无间隙且减少摩擦的滚珠丝杠副，预加载荷的双齿轮齿条副等精密机构，另一方面采取消除传动间隙、减少支承变副等精密机构，另一方面采取消除传动间隙、减少支承变形等措施。形等措施。3.1概述（66）改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振）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。如选用复合材料等来提高刚度和强度、减动、降低噪声。如选用复合材料等来提高刚度和强度、减轻重量、缩小体积，使结构紧密化，以确保系统的小型化轻重量、缩小体积，使结构紧密化，以确保系统的小型化、轻量化、高速化和高可靠性。、轻量化、高速化和高可靠性。3.1概述3
7、.1.23.1.2机械系统的主要组成机械系统的主要组成机电一体化系统中的机械系统通常由传动机构、支承机电一体化系统中的机械系统通常由传动机构、支承与导向机构、执行机构及机架等组成。各机构分别承担着与导向机构、执行机构及机架等组成。各机构分别承担着不同的功能，有着不同的要求。不同的功能，有着不同的要求。传动机构：主要完成转速、转矩的匹配，要求有良好传动机构：主要完成转速、转矩的匹配，要求有良好的伺服性能。的伺服性能。支承与导向机构：主要起支承和导向作用，为机械系支承与导向机构：主要起支承和导向作用，为机械系统中各运动部件安全、准确地完成特定运动提供保障。统中各运动部件安全、准确地完成特定运动提供
8、保障。执行机构：完成具体的动作，要求有高的灵敏度、精执行机构：完成具体的动作，要求有高的灵敏度、精确度和良好的重复性、可靠性。确度和良好的重复性、可靠性。3.1概述3.2.13.2.1传动机构的性能要求传动机构的性能要求机电一体化系统中的传动机构通常采用滚珠丝杠副、机电一体化系统中的传动机构通常采用滚珠丝杠副、精密齿轮副、挠性传动机构、间歇传动机构等。为获得良精密齿轮副、挠性传动机构、间歇传动机构等。为获得良好的伺服性能，传动系统应满足如下性能要求：好的伺服性能，传动系统应满足如下性能要求：1.1.足够的刚度足够的刚度所谓刚度，就是指抵抗变形的能力。对机械系统来说所谓刚度，就是指抵抗变形的能力
9、。对机械系统来说满足刚度要求具有如下优点：满足刚度要求具有如下优点：（11）减少机构弹性变形，从而减少伺服系统的动力）减少机构弹性变形，从而减少伺服系统的动力损失，可达到明显的节能效果。损失，可达到明显的节能效果。（22）机械装置固有频率高，不易产生共振。）机械装置固有频率高，不易产生共振。（33）能增加闭环伺服系统的稳定性。）能增加闭环伺服系统的稳定性。3.2传动机构2.2.惯量小惯量小在刚度满足要求的前提下，应尽量减小传动机构的质在刚度满足要求的前提下，应尽量减小传动机构的质量和转动惯量。大惯量会使系统的机械常数增大，固有频量和转动惯量。大惯量会使系统的机械常数增大，固有频率降低，从而使系
10、统负载大、响应慢、灵敏度低，易产生率降低，从而使系统负载大、响应慢、灵敏度低，易产生谐振。谐振。3.3.阻尼适中阻尼适中大阻尼能抑制振动的最大振幅，且使振动快速衰减，大阻尼能抑制振动的最大振幅，且使振动快速衰减，但同时也使系统的稳态误差增大，精度降低，因此阻尼应但同时也使系统的稳态误差增大，精度降低，因此阻尼应适中。适中。3.2传动机构3.2.2精密传动机构滚珠丝杠副1.1.滚珠丝杠副的工作原理滚珠丝杠副的工作原理滚珠丝杠副的结构原理图滚珠丝杠副的结构原理图3.2.2精密传动机构滚珠丝杠副2.2.滚珠丝杠副的特点滚珠丝杠副的特点滚珠丝杠副是滑动丝杠副的发展与延伸，属于螺旋机滚珠丝杠副是滑动丝杠
11、副的发展与延伸，属于螺旋机构。与滑动丝杠相比，滚珠丝杠具有以下特点：构。与滑动丝杠相比，滚珠丝杠具有以下特点：（11）传动效率高：以滚动摩擦代替了滑动摩擦，整）传动效率高：以滚动摩擦代替了滑动摩擦，整个传动副的驱动力矩减少至滑动丝杠的个传动副的驱动力矩减少至滑动丝杠的1313左右，传动效左右，传动效率达到率达到90%90%以上，发热率大幅降低。以上，发热率大幅降低。（22）定位精度高：由于发热率低，温升小，可以采）定位精度高：由于发热率低，温升小，可以采取预拉伸（预紧）消除轴向间隙等措施，因此滚珠丝杠副取预拉伸（预紧）消除轴向间隙等措施，因此滚珠丝杠副具有高的定位精度和重复定位精度。具有高的定
12、位精度和重复定位精度。（33）传动可逆性：能够实现两种传动方式，将旋转）传动可逆性：能够实现两种传动方式，将旋转运动转化为直线运动或将直线运动转化为旋转运动并传递运动转化为直线运动或将直线运动转化为旋转运动并传递动力。动力。3.2.2精密传动机构滚珠丝杠副（44）使用寿命长：由于对丝杠滚道形状的准确性、表面）使用寿命长：由于对丝杠滚道形状的准确性、表面硬度、材料的选择等方面加以严格控制，因而滚珠丝杠副硬度、材料的选择等方面加以严格控制，因而滚珠丝杠副的实际寿命远高于滑动丝杠副。的实际寿命远高于滑动丝杠副。（55）同步性能好：由于滚珠丝杠副具有运转顺滑、消除）同步性能好：由于滚珠丝杠副具有运转顺
13、滑、消除了轴向间隙以及制造的一致性等特点，因此，当采用多套了轴向间隙以及制造的一致性等特点，因此，当采用多套滚珠丝杠副驱动同一装置或多个相同部件时，可获得很好滚珠丝杠副驱动同一装置或多个相同部件时，可获得很好的同步性能。的同步性能。但是，与滑动丝杠副相比较，滚珠丝杠副的缺点是结但是，与滑动丝杠副相比较，滚珠丝杠副的缺点是结构和制造工艺比较复杂、成本较高；另外，滚珠丝杠副不构和制造工艺比较复杂、成本较高；另外，滚珠丝杠副不具有自锁性，尤其是垂直安装时需增加制动装置。具有自锁性，尤其是垂直安装时需增加制动装置。3.2.2精密传动机构滚珠丝杠副3滚珠螺旋传动的结构形式与类型（1）滚珠循环方式按滚珠在
14、整个循环过程中与螺杆表面的接触情况可将滚珠的循环方式分为内循环和外循环两类。1）内循环。滚珠在循环过程中始终与螺杆保持接触的循环叫内循环。3.2.2精密传动机构滚珠丝杠副内循环3.2.2精密传动机构滚珠丝杠副2）外循环滚珠在返回时与螺杆脱离接触的循环称为外循环。按结构的不同外循环可分为螺旋槽式、插管式和端盖式三种。螺旋槽式，端盖式是指在螺母1上钻有一个纵向通孔作为滚珠返回通道螺母两端装有铣出短槽的端盖2短槽端部与螺纹滚道相切并引导滚珠返回通道构成滚珠循环回路。端盖式的优点是结构紧凑工艺性好。缺点是滚珠通过短槽时容易卡住。3.2.2精密传动机构滚珠丝杠副螺旋槽式外循环3.2.2精密传动机构滚珠丝
15、杠副端盖式外循环3.2.2精密传动机构滚珠丝杠副插管式外循环3.2.2精密传动机构滚珠丝杠副3.消除轴向间隙的调整预紧方法双螺母预紧3.2.2精密传动机构滚珠丝杠副（1）垫片调隙式。3.2.2精密传动机构滚珠丝杠副（2）螺纹调隙式3.2.2精密传动机构滚珠丝杠副（3）齿差调隙式当两个螺母按同方向转过一个齿时其相对轴向位移为式中Ph为导程。如果z1=99z2=100Ph=8mm则L=0.8m。可见这种方法的特点是调整精度很高工作可靠但结构复杂加工工艺和装配性能较差。3.2.2精密传动机构滚珠丝杠副齿差调隙式3.2.2精密传动机构滚珠丝杠副33）材料）材料滚珠丝杠副中丝杠与螺母的材料一般与滚珠的材
16、料相滚珠丝杠副中丝杠与螺母的材料一般与滚珠的材料相同，通过采用同，通过采用GCr15GCr15、GCr6GCr6、GCr9GCr9等，硬度为等，硬度为HRC602HRC602，而螺母应取上限。当需要特别高的耐磨性时，可以用而螺母应取上限。当需要特别高的耐磨性时，可以用20CrMnA20CrMnA、40CrMnA40CrMnA、38CrMoLlA38CrMoLlA、38CrWVAlA38CrWVAlA等合金钢制等合金钢制造。造。3.2.2精密传动机构滚珠丝杠副4.4.滚珠丝杠副的主要参数及标注方法滚珠丝杠副的主要参数及标注方法11）主要参数）主要参数公称直径、基本导程、小径、大径、滚动体直径公称直径、基本导程、小径、大径、滚动体直径3.2.2精密传动机构滚珠丝杠副22）标注方法）标注方法滚动螺旋副的型号由代号和数字组成，根据其结构、滚动螺旋副的型号由代号和数字组成，根据其结构、规格、精度等级、螺纹旋向等特征，不同的厂家的标注方规格、
