机电一体化第2章 机械系统设计(2滚珠丝杠)教材

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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 2.6 2.5 2.4 2.3 2.2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

2、 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

3、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

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。 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

5、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

6、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

7、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

8、、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

9、，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

10、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-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

11、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， 螺母上基准点的轴向位移。 此外还有丝杆螺纹外径d1、丝杆螺纹底径d

12、2、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稳 定性。通常采

13、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

14、相 差一个齿，通过二端的两个内齿轮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

15、-机械传动装置滚珠丝杠副 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。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