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1、第2章 机电一体化系统中的机械结构v2.1 机械精度v2.2 材料选择v2.3 机械系统中的传动v2.4 轴与旋转支承结构v2.5 导向支承部件2.1 机械精度v 精度与误差是一对互相相反的概念，所谓误差就是对某一特定的物理量进行度量时，所测得数值与真值的差值。精度的高低是以误差的大小来衡量的，误差越大精度越小，反之亦然。根据误差的性质不同，精度包括了三个方面的含义，即准确度、精密度、精确度。准确度通常用来反映系统的测量值与真值的近似程度，反映了系统误差的大小；精密度是从随机误差的角度来反映系统的测量值与真值的近似程度；精确度则是系统误差和随机误差的综合反映。2.1 机械精度v 在机械系统中，
2、有许多精度的具体概念，如机床的加工精度、设计精度、定位精度等，但总体上可以分为两大类，反映整体设备的精度概念和涉及零件的精度概念2.1.1 反映整体设备的精度概念v (1)机床精度 是指机床在未受外载作用下的原始精度，它包括几何精度、传动精度、定位精度等各项指标，他们的精度表述以允差的形式来描述。v 机床是机电设备中十分典型的精度要求较为精密的仪器设备，为了保证设备达到或满足使用要求，国家规定了各类机床的的验收标准，例如，C6140A普通车床，有18项精度指标，如表2-1所示，国家用此来检验该类型机床是否达到部颁标准。2.1.1 反映整体设备的精度概念2.1.1 反映整体设备的精度概念2.1.
3、1 反映整体设备的精度概念v (2)几何精度 是指机床或仪器在不运动(如主轴不转，工作台不移动)或运动速度较低时的精度。它规定了决定于加工或测量精度的各主要零部件以及这些零部件的运动轨迹的相对位置允差。例如表2-1中第1、2、3项等就规定了400毫米普通车床的几何精度标准。2.1.1 反映整体设备的精度概念v (3)传动精度 是指机械传动链单向传动时，其输入端与输出端瞬时传动比的实际值与理论值之差。通常是以传动误差来衡量，并定义为：输入轴单向回转时，输出轴转角的实际值与理论值之差。v 凡是有执行动作功能的机电产品都有传动精度的要求。v 例如表2-1中第16项就规定了400毫米普通车床的传动精度
4、标准。2.1.1 反映整体设备的精度概念v (4)机床定位精度 是指机床或仪器主要部件在运动终点所能达到的实际位置的精度，这是一个具有综合性质的精度指标。机床的定位形式大致可分为手动定位、自动间歇定位和连续定位三种形式。v 手动定位，从字面上理解，机床上的运动部件的运动位置是依靠手来确定的。例如，一些坐标镗的工作台和主轴箱的移动、定位，就是手动的；v 自动间歇定位的设备，如磨齿机、花键轴磨床，加工完一个齿后，机床自动分度；v 连续定位的设备，如仿形机床，在工作时，它把一个连续加工过程分解成一个个单元，只有每一个单元都必须定位准确，才能保证加工精度。2.1.1 反映整体设备的精度概念v (5)机
5、床加工精度 是一项综合性的精度指标，即指机床在加工工件时所能达到的精确度。机床加工精度和机床精度概念之间有一定区别，机床加工精度是在加工时体现出来的精度，与机床设备本身使用的时间年限、加工时的切削力、环境温度等都有关系，机床精度所描述的是机床的原始精度，不考虑上述这些情况。2.1.1 反映整体设备的精度概念v (6)动态精度 是指系统的动态参数误差。动态误差的分析，一般是根据系统的动力学方程，求得影响动态精度特性的各项精度指标并加以控制。一般来说，系统的动态精度不仅考虑几何尺寸精度，而且也要考虑到设备的刚度、惯性、阻尼、摩擦和电路的动态响态等因素。因此，直接测量比较困难，常用典型零件的加工或测
6、试，间接地对设备的综合动态精度作出评价。2.1.1 反映整体设备的精度概念v (7)重复精度 是指在同一测量方法及测试条件下，在不太长的时间间隔内，连续多次测量同一个物理参数，所得数据的分散程度。它反映了一台设备所固有的精密度，因而是一项重要的精度指标。机床部件在多次重复定位时；也有重复定位精度问题。2.1.1 反映整体设备的精度概念v (8)装配精度 是指不同零件或部件按照特定要求组装成具有一定功能的综合精度，包括零件或部件的相对位置精度、运动精度、接触精度。一个机电产品的质量好坏，不仅与产品结构设计的正确性、材料选择、热处理方法以及零件本身的机械加工精度有关，而且还与产品的装配精度有关，机
7、电产品的装配精度的是保证产品质量的重要因素之一。2.1.1 反映整体设备的精度概念v 为了适应不同装配精度要求的需要，保证产品质量，人们在实践中总结了许多种装配方法。常用保证装配精度的方法主要有完全互换法、大数互换法、分组法、修配法、调整法等装配方法。2.1.1 反映整体设备的精度概念v (9)运动精度 是指设备主要零部件在以工作速度运动时的精度，常用运动误差来表示。运动精度对于加工精度要求较高的机床和测量精度要求较高的仪器是很重要的。2.1.1 反映整体设备的精度概念v (10)测量精度 是指计量仪器或测量系统的使用精度，也是一个综合性的精度指标，常用测得值与被测值的偏差程度来衡量。v (1
8、1)再现精度 是指在不同的测量方法和测试条件下，以较长的时间间隔对同一物理参数作多次测量所得数据的接近程度。显然，复现精度，一般低于重复精度，因在测量时，其随机因素多于测定重复精度。若重复精度和再现精度均高，则表明该设备的精度稳定、测得数据准确可信，否则应该找出其差别太大的原因。2.1.2 涉及零件的精度概念v 1. 加工精度v 是指零件经机械加工后，它的实际几何参数（尺寸、形状、表面相互位置）与理想零件的几何参数相符合的程度。它包括尺寸精度、几何形状精度、相互位置精度。实际几何参数与理想几何参数之差称为加工误差，实际几何参数与理想几何参数越接近，加工误差越小，加工精度越高，当然，加工成本也越
9、高。v 一个零件加工精度的要求是根据零件在所属产品中的地位和作用来决定的，也就是说，零件精度等级的确定既要考虑零件的作用，也要考虑零件的加工成本以及加工条件。2.1.2 涉及零件的精度概念v 2. 定位精度v是指被加工零件放置在机床上的实际加工位置与所要求的加工位置之间的接近程度。定位精度的高低直接影响着零件的成品率和设计时提出的精度要求。v 2.1.2 涉及零件的精度概念v 由定位原理可知，如图2-1所示，一个零件在机床上实现完全定位需要限定六个自由度。但是在一些特定环境下，没有必要去限定六个自由度。v 例如，在铣床上铣削轴类零件键槽，绕轴线旋转方向的自由度就没有必要限定，因为从端面上来看，
10、所得到的圆是关于过轴线的任意一个平面对称的。另外，在定位时，定位的基准选择十分重要，选择不好很容易导致零件报废。2.1.2 涉及零件的精度概念v 3. 设计精度v 是设计者根据零件在产品中的地位和作用提出的满足使用要求的精度。设计精度的提出尽管是根据零件在产品中的地位和作用提出的，但必须考虑零件的可加工性和实现精度的可行性。因此，对于零件的设计者必须要有足够的加工现场阅历，并且对整个产品实用性能十分熟悉，才能在设计时提出合理的零件设计精度。2.1.2 涉及零件的精度概念v 零件精度与产品精度确定是从两个不同的角度来描述的，零件精度的确定是依据零件在产品中的作用来确定的，产品精度的确定是从该产品
11、使用的用途要求来确定的。没有零件精度的要求，就不可能有产品的精度，然而，仅有零件的精度，产品是不能满足使用要求的。因此，在设计、维护机电设备时，应该合理的确定零件精度和产品精度的关系。2.2 材料选择v 在机械系统的设计过程中，材料的选择直接影响着产品的使用寿命、工作的稳定性、能否达到预期的设计目的等一系列问题，因此，材料的选择是设计机械系统的一个基本问题。v 1. 铸铁v铸铁具有耐磨性和减振性好，热稳定性高，易于铸造和切削加工，成本低等特点。因此在机械系统中作为支撑部件、导向部件而被广泛采用。常用的铸铁有：v (1)灰铸铁 常用的是HT 200（一级铸铁），硬度以180200HB较为合适。适
12、当增加铸铁中含碳量和含磷量，减少含硅量，可提高耐磨性。若灰口铸铁不能满足耐磨性要求，可使用耐磨铸铁。v (2)高磷铸铁 它是指含磷量为0.3%0.65%的灰口铸铁，其硬度为180220HB，耐磨性能比灰铸铁HT200约高一倍。若加入一定量的铜和钛，成为磷铜钛铸铁，其耐磨性能比HT200约高二倍。高磷铸铁的脆性和铸造应力较大，易产生裂纹，生产中应采用适当的铸造工艺。v (3)低合金铸铁 如钒钛铸铁、中磷钒钛铸铁、中磷铜钒钛铸铁等。这类铸铁具有较好的耐磨性（与高磷铜钛铸铁接近），且铸造性能优于高磷系铸铁。v (4)稀土铸铁 它具有强度高、韧性好的特点。耐磨性与高磷铸铁相近。但铸造性能和减振性较差，
13、成本也较高。v (5)孕育铸铁 常用的孕育铸铁是HT300，它比HT200的耐磨性高。v 2. 钢v 为了满足使用的需要，一些零件如齿轮，可以采用淬硬的钢。淬硬钢零件的耐磨性比不淬硬铸铁零件的高510倍。v 一般要求的零件，常用的钢有45钢、40C r、T 8A、T10A、GCr15、GCr15SiMn等，表面淬火或全淬，硬度为5258HRC。要求高的零件，常采用的钢有20Cr、20CrMnTi等，渗碳淬硬至5662HRC。v 3. 有色金属v 常用的有色金属有黄铜，锡青铜，铝青铜和锌合金等，如蜗轮的齿圈就是用铝青铜制造的。v 4. 塑料v 抗振性能好，工作温度适应范围广(-200260C)，
14、抗撕伤能力强，动、静摩擦系数低、差别小、可降低低速运动的临界速度，加工性和化学稳定性好，工艺简单，成本低等优点。在各类机床的动导轨都有应用。镶装塑料导轨具有耐磨性好(但略低于铝青铜)，为了提高运动副的耐磨性，动导轨和支承导轨应具有不同的硬度，如果采用相同的材料，也应采用不同的热处理，以使动、静导轨的硬度不同，其差值一般在20-40HB范围内。而且，最低硬度应不低于所用材料标准硬度值的下限。2.3 机械系统中的传动v2.3.1 机械传动部件及其功能要求 v 1. 机械传动的作用v 常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带、高速带传动以及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
15、，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。机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很大影响，特别是其传动类型、传动方式、传动刚性以及传动的可靠性对机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性有重大影响。因此，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。2.3.1 机械传动部件及其功能要求2.3.1 机械传动部件及其功能要求v 机电一体化系统中所用的传动机构及其传动功能如表2-2所示。从表中看出，一种传动机构可满足一项或同时满足几项功能要求。v 例如，齿轮齿条传动既可将直线运动或回转运动相互转换。又可将直线驱动力或转矩转
16、换相互转换。带传功、蜗轮蜗杆及各类齿轮减速器(如谐波齿轮减速)既可进行升速或降速，也可进行转矩大小的变换。v 对工作机上的传动机构，即要求能实现运动的变换，又要求能实现动力的变换：对信息机中的传动机构，则主要要求具有运动的变换功能，只需要克服惯性力(或力矩)和各种摩擦阻力(或力矩)及较小的负载即可。2.3.1 机械传动部件及其功能要求v 2. 传动比分配v 在一个传动系统计算出传动比之后，常常为了使减速系统结构紧凑，满足动态性能和提高传动精度要求，常常对各级传动比进行合理分配，一般其分配原则如下。2.3.1 机械传动部件及其功能要求v （1）重量最轻原则 对于小功率传动系统，使各级传动比，v
17、即可使传动装置的重量最轻。由于这个结论是在假定各主动小齿轮模数、齿数均相同的条件下导出的，故所有大齿轮的齿数、模数也相同，每级齿轮副的中心距离也相同。v 上述结论对于大功率传动系统是不适用的，因其传递扭矩大，故要考虑齿轮模数、齿轮齿宽等参数要逐级增加的情况，此时应根据经验，类比方法以及结构紧凑之要求进行综合考虑。各级传动比-般应以“先大后小”原则处理。2.3.1 机械传动部件及其功能要求v （2）输出轴转角误差最小原则 为了提高机电一体化系统齿轮传动系统的传递运动的精度，各级传动比应按先小后大原则分配，以便降低齿轮的加工误差、安装误差以及回转误差对输出转角精度的影响。设齿轮传动系统中各级齿轮的
18、转角误差换算到末级输出轴上的总转角误差为，则2.3.1 机械传动部件及其功能要求v 总转角误差主要取决于最末一级齿轮的转角误差和传动比的大小。在设计中最末两级的传动比应取大一些，并尽量提高最末一级齿轮副的加工精度。2.3.1 机械传动部件及其功能要求v （3）等效转动惯量最小原则 利用该原则所设计的齿轮传动系统，换算到电机轴上的等效转动惯量应最小。v 在机械设计中，应根据上述的原则并结合实际情况的可行性和经济性对转动惯量、结构尺寸和传动精度提出适当要求。具体来讲有以下几点：v 对于要求体积小、重量轻的齿轮传动系统，可用重量最轻原则。v 对于要求运动平稳、起停频繁和动态性能好的伺服系统的减速齿轮
19、系，可按最小等效转动惯量和总转角误差最小的原则来处理。对于变负载的传动齿轮系统的各级传动比最好采用不可约的比数，避免同期啮合以降低噪声和振动。2.3.1 机械传动部件及其功能要求v 对于提高传动精度和减小回程误差为主的传动齿轮系，可按总转角误差最小原则。对于增速传动，由于增速时容易破坏传动齿轮系工作的平稳性，应在开始几级就增速，并且要求每级增速比最好大1:3，以有利于增加轮系刚度、减小传动误差。 v 对较大传动比传动的齿轮系，往往需要将定轴轮系和行星轮系巧妙结合为混合轮系。对于相当大的传动比，并且要求传动精度与传动效率高、传动平稳、体积小重量轻时，可选用新型的谐波齿轮传动。2.3.2 滚珠丝杠
20、螺母传动部件v1. 滚珠丝杠副的组成v 滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其具有螺旋槽的丝杆与螺母之间装有中间传动元件 滚珠。图2-2为滚珠丝杠螺母机构组成示意图。从图可知，它由丝杠3、螺母2、滚珠4和反向器（滚珠循环反向装置）l等四部分组成。当丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠流动的闭合和通道。v 滚珠丝杠副与滑动丝杠副相比，出上述优点外，好具有轴向精度高、运动平稳、传动精度高、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，在用作升降机构时，需要采取制动等措施。v 2. 滚珠
21、的循环方式v滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循外和外循环二种。v （1）内循环。内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触。如图2-3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。v 内循环方式的优点是滚动循环的回路短、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。v （2）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功。从结构上看，外循环有以下三种形式：v 螺旋槽式。如图2-3
22、所示。在螺母2的外圆表面上铣出螺纹凹槽，槽的两端钻出二个与螺纹滚道相切的通孔。螺纹滚道内装入二个档珠器4引导滚珠3通过这二个孔，应用套筒1盖住凹槽，构成滚珠的循环回路。这种结构的特点是工艺简单、径向尺寸小、易于制造。但是挡珠器刚性差、易磨损。 v 插管式。如图2-4所示，用一弯管l代替螺纹凹槽，弯管的两端插入与螺纹滚道5相切的两个内孔，用弯管的端部引导滚珠4进人弯管，构成滚珠的循环回路，再用压板2和螺钉将弯管固定。插管式结构简单、容易制造。但是径向尺寸较大，弯管端部用作挡珠器比较容易磨损。v 3. 滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧v 滚珠丝杠副在负载时，其滚珠滚道面接触点处将产生弹性变形。换向时，
23、其轴向间隙会引起空回。这种空回是非连续的，既影响传动精度，有影响系统的动态性能。实际应用中，常采用以下几种调整预紧方法。v (1)双螺母螺纹预紧调整式。如图2-5所示，其中螺母3的外端有凸缘，但制有螺纹，并通过两个圆螺母固定。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，但不能准确定量的调整。 v (2)双螺母齿差预紧调整式。如图2-6所示，二个螺母的两端分别制有圆柱齿轮3，二者齿数相差一个齿，通过二端的二个内齿轮2与上述圆柱齿轮相啮合，并用螺钉和定位销固定在套筒l上
24、。调整时先取下二端的内齿轮2，当两个滚珠螺母相对于套筒同方向转动同-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。v (3)双螺母垫片调整预紧式。如图2-7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、产生顿紧拉力之目的。其特点是结构简单、刚度高、预紧可靠，但使用中调整不方便。v (4)弹簧式自动调整预紧式。如图2-8所示，双螺母中一个活动另一个固定，用弹簧使其之间产生轴向位移并获得预紧力。其特点是能消除使用过程中由于磨损或
25、弹性变形产生的间隙。但其结构复杂、轴向刚度低。v 5）单螺母变位导程自预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式。如图2-9所示，为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的导程突变量。从而使二列滚珠在轴向错位而实现预紧。加紧力的大小取决和单列滚珠的径向间隙。其特点是结构简单紧凑，但使用中不能调整，制造困难。v 4. 滚珠丝杠副的密封与润滑v 滚珠丝杠副可用防尘密封圈或防护套密封，防止灰尘及杂质进入滚珠丝杠副。使用润滑剂来提高耐磨件及传动效率，从而维持传动精度、延长使用寿命。密封圈有接触式和非接触式二种，将其装在滚珠螺母的两端即可。非接触式密封圈通常由聚氯乙烯等
26、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。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。常用的润滑剂有润滑油和润滑脂两类。润滑脂一般在安装过程中放进滚珠螺母滚道内，因此为定期润滑。而使用润滑油时应注意经常通过注油孔注油。v （1）主要尺寸参数v 如图2-10示，滚珠丝杠副的主要尺寸参数有：v 公称直径：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。v 基本导程（或螺距）：指丝杆相对于螺母旋转360时，螺母上基准点的轴向位移值。v 行程：指螺母相对于丝杆移动时，两端极
27、限位置之间的距离。v 此外还有丝杆螺纹大径、丝杆螺纹小径、滚珠直径、螺母螺纹大径、螺母螺纹小径、丝杆螺纹全长等。v 基本导程的大小应根据机电一体化产品（系统）的精度要求确定。精度要求高时应选取较小的基本导程。第一、第二和第三圈（或列）分别承受轴向载荷的50、30和20左右。因此，工作圈（或列）数一般取2.5（或2）3.5（或3）。滚珠总数N一般不超过150个。v 表2-3所示为滚珠丝杠副的标准参数组合，其中带下划线的为优先级。v （2）精度等级及其标注v 1）精度等级 根据GB/T 17587.31998标准，滚珠丝杠副的精度分为1、2、3、4、5、7、10共七个等级，最高级为1级，最低级为1
28、0级。不同设备的精度等级如表2-4所示。v 注：1. 表中“”表示选中；v 2. 高于1级的精度，标准中尚未制定，由用户与制造厂协商决定。v 滚珠丝杠副的行程偏差的检验项目如表2-5所示。v 2）标注方法v 滚珠丝杠副国家标识符号的内容如图2- 11a所示。不同生产厂家的标注方法略有不同，一般省略GB字符。图2- 11b是山东济宁博特精密丝杠有限公司的滚珠丝杠副的标注示例。结构类型如表2-7所示。 v （3）选型计算v 滚珠丝杠副的选型是根据设备的工作状态首先计算出最大工作载荷和最大动载荷，然后选择公称直径和导程，最后进行效率、刚度、稳定性验算。v 1）最大工作载荷的计算v 最大工作载荷是指滚
29、珠丝杠副在驱动工作台时所承受的最大轴向力，也叫进给牵引力。它包括滚珠丝杠副的进给力、移动部件的重力，以及作用在导轨上的切削分力所产生的摩擦力。图2-12为车削外圆时拖板的受力情况，拖板所受载荷与车削力的对应关系是：2.3.3 齿轮传动部件v 1. 齿轮传动间隙的调整v 为了满足传动精度的要求，机电一体化设备中的齿轮传动都要进行齿轮间隙的调整。v （1）圆柱直齿轮传动v 圆柱直齿轮传动间隙的调整方法有偏心套法、轴向垫片法和双片薄齿轮错齿法。v 1）偏心套调整法 如图2-17所示，图中齿轮3和齿轮4啮合，3为减速箱，1为偏心套，2为电动机。电动机2安装在偏心套中，通过转动偏心套的转角可调节两啮合齿
30、轮的中心距，从而消除圆柱齿轮啮合的齿侧间隙。特点是结构简单，但其侧隙不能自动补偿。v 2）轴向垫片调整法 如图2-18所示，图中4为电动机，齿轮l和2相啮合，其齿厚沿轴线方向有小的锥度，这样就可以用轴向垫片3使齿轮2沿轴向移动，从而消除两齿轮的齿侧间隙。装配时调整垫片3的厚度，应使得齿轮l和2之间既齿侧间隙小，又运转灵活。特点同偏心套调整法。v 3）双片薄齿轮错齿调整法 这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个作成宽齿轮。另个用两片薄齿轮组成。采取措施使一个薄齿轮的左齿侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽轮齿槽的左、右两侧，以消除齿侧间隙，反向时不会出现死区，其措施如下：v 周向弹簧式（图2-19）
31、 在两个薄片齿轮3和4上各开了几条周向圆弧槽，并在齿轮3和齿轮4的端面上有安装弹簧2的短柱l。在弹簧2的作用下使薄片齿轮3和4错位而消除齿侧间隙。弹簧2的拉力必须足以克服驱动转矩才能消除间隙，由于尺寸限制这种方法一般用于低载场合。v 可调拉簧式调整法 如图2-20所示，在两个薄片齿轮1和2上装有凸耳3。弹簧的一端挂在凸耳3上，另一端挂在螺钉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，调整好后再用螺母6锁紧。v （2）圆柱斜齿轮传动v 消除圆柱斜齿轮传动齿侧隙的方法与上述错齿调整法基本相同，也是用两个薄片齿轮与一个宽齿轮啮合，只是在两个薄片斜齿轮的中间隔开了小段距离，这样它的螺旋线便错
32、开了。图2-21是垫片错齿凋整法，其特点是结构比较简单，但调整较费时，且齿侧间隙不能自动补偿；图2-22是轴向压簧错齿调整法，其特点是齿侧隙可以自动补偿，但轴向尺寸较大。结构欠紧凑。图2-21和2-22中l、2为薄片齿轮，3为宽齿轮，4为调整螺母，5为弹簧，6为垫片。v 2. 谐波齿轮传动v 谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大（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。v （1）谐波齿轮传动的工作原理v 谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动相似。它依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来
33、传递动力和运动。如图2-23所示，谐波齿轮传动由波形发生器3（H）和刚轮1、柔轮2组成。波形发生器为主动件，刚轮或柔轮为从动件。刚轮有内齿圈，柔轮有外齿圈，其齿形为渐开线或三角形，周节相同而齿数不同，柔轮是薄圆筒形，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。v 工程上常用的波形发生器有两个触头的为双波发生器，也有三个触头的。具有双波发生器的谐波减速器，其刚轮和柔轮的齿数之差为Zg-Zr=2。其椭圆长轴的两端柔轮与刚轮的牙齿相啮合，在短轴方向的牙齿完全分离。当波形发生器逆时针转一圈时，两轮相对位移为二个齿距。当刚轮固定时，则柔轮的回转方向与波形发生器的回转方向相反。v
34、 （3）谐波齿轮减速器产品及选用v 目前尚无谐波减速器的国标，不同生产厂家标准代号也不尽相同。设计者可根据需要购买不同减速比、不同输出转矩的谐波减速器中的三大构件（如图2-24所示）并根据其安装尺寸与系统的构件相联接。图2-25为小型谐波齿轮减速器结构图。图中7为输入轴5为谐波发生器，4为刚性轮，3为柔性轮，1为输出轴。2.3.4 挠性传动部件v 机电一体化系统中除滚珠丝杠副、齿轮副等传动部件之外，还大量使用同步齿形带、钢带、链条、钢丝绳及尼龙绳等挠性传动部件。v 1. 同步带传动v （1）同步带传动的特点v同步带传动如图2-26所示，在同步带和带轮上均制有啮合齿，通过同步带齿与轮齿作啮合传动
35、。它具有传动比准确、传动效率高（可达98）、噪音低、传动平稳、能高速传动、维护保养方便等优点。在数字控制中得到了广泛应用。其不足之处是制造和安装精度要求高，中心距要求严格。v （2）同步带的主要参数v 1）节距Pb。 带的节距为相邻两齿对应齿间沿节线方向所测得的距离。同步带的齿形有梯形齿形和圆弧齿形之分。同步带的节距系列如表2-12所示。v 2）带宽bs。 各种型号同步带的标准带宽系列中，最大尺寸的标准带宽为该型号同步带的基本宽度。带宽系列如表2-13所示。v 3）节线长度Lp 同步带上通过强力层中心、长度不发生变化的中心线称为节线，节线长度为带的基本带长。v 国内有关同步带传动部件的国家标准
36、有GBT116161989和GBT113621989等，有专门生产厂家生产。v （3）同步带轮的结构和主要参数v 2）带型和节距的选择v 根据设计功率和主动轮转速由图2-28选择带型，图中水平坐标为设计功率，垂直坐标为主动轮转速。v （2）钢带传动v 钢带传动的特点是钢带与带轮间接触面积大、无间隙、摩擦阻力大无滑动，结构简单紧凑、运可靠、噪音低、驱动力大、寿命长，钢带无蠕变。图2-29为钢带传动在磁头定位机构中的应用。图中1为导杆，2为轴承，3为小车，4为导轨，5为磁头，6为钢带，7为步进电机。钢带挂在驱动轮上，磁头固定在往复运动的钢带上，结构紧凑、磁头移动迅速、运行可靠。v （3）绳轮传动v
37、 绳轮传动具有结构简单、传动刚度大、结构柔软、成本较低、噪音低等优点。其缺点是带转较大、安装面积大，加速度不易太高。图2-30为打印机字车的绳轮传动送进机构图。图中1为字车，2为绳轮，3为伺服电动机，4为钢丝绳。v 挠性传动的传动方式比较如表2-19所示。2.3.5 间歇传动部件v 机电一体化系统中常用的间歇传动部件有：棘轮传动、槽轮传动、蜗形凸轮传动等部件。这种传动部件可将原动机构的连续运动转换为间歇运动。其基本要求是移位迅速、移位过程中运动无冲击、停位准确可靠。v 1. 棘轮传动机构v 棘轮机构主要由棘轮和棘爪组成，其工作原理如图2-31所示。棘爪l装在摇杆4上，能围绕O1点转动，摇杆空套
38、在棘轮回转轴上作往复摆动。当摇杆（主动件）作逆时针方向摆动时，棘爪与棘轮2的齿啮合，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后返回作顺时针方向摆动时，止动爪3把棘轮闸住，使其不能随同摇杆一起作顺时针转动，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。v 如图2-32所示，棘轮传动机构有外齿式（图2-32a）、内齿式（图2-32b）和端齿式（图2-32c）。它由棘轮l和棘爪2组成，棘爪为主动件、棘轮为从动件。棘爪的运动可由连杆机构、凸轮机构、油（气）缸等的运动获得。棘轮传动噪
39、声大、磨损快，但由于结构简单、制造容易，故应用较广泛。v 2槽轮传动机构v槽轮传动机构又称马氏槽机构。如图2-33所示，它由拨销盘1和槽轮3组成。当拨销盘以不变的角速度旋转，拨销转过2角时，槽轮转过相邻两槽间的夹角2。当拨销盘每转一圈，使槽轮转过一个槽位。为保证槽轮在静止时间内的位置准确，在拨销盘和槽轮上分别作出销紧弧面和定位弧面来锁住槽轮。v 槽轮传动机构具有结构简单，传动效率高，槽轮转位时间与静止时间之比为定值等优点。但是，由于槽轮的角速度不是常数，在转位开始和结束时，有一定大小的角加速度，从而产生冲击；又由于利用锁紧弧2和定位弧4定位，其定位精度不高，在要求工作盘的定位精度较高时，需要另
40、加定位装置；制造和装配精度要求较高。v 3. 蜗形凸轮传动机构v 图2-34所示为蜗形凸轮传动机构。它由转盘l和安装在转盘上的滚子2和蜗形凸轮3组成。蜗形凸轮3以等角速度连续旋转，当凸轮转过角时，转盘就转过角（相邻二个滚子之间的夹角），在凸轮转过其余的角度（2）时，转盘停止不动，并靠凸轮的棱边卡在两个滚子中间，使转盘定位。这和机构把凸轮的连续运动就变成转盘的间歇运动。2.4 轴与旋转支承结构v 2.4.1 旋转支承结构v 1. 圆柱支承v 圆柱支承如图2-35a所示，它具有较大的接触表面，承受载荷较大，但其方向精度和置中精度较差，且摩擦阻力矩较大。v 2. 圆锥支承v圆锥支承如图2-35b）所
41、示，它的承载能力较强，方向精度和置中精度较高。但摩擦阻力矩也较大。圆锥支承其置中精度比圆柱支承好，轴磨损后，可借助轴向位移，自动补偿间隙。其缺点是摩擦阻力矩大，对温度变化比较敏感，制造成本较高。 3. 填入式滚动支承v 滚动支承摩擦阻力矩小，耐磨件好，承载能力较大。温度剧烈变化时影响小，以及能在振动条件下工作。故可在高速度、重载情况下使用，但成本较高。当标准滚珠轴承不能满足结构上的使用要求时，常采用非标准滚珠轴承(即填入式滚珠支承)。这种支承一般没有内圈和外圈，仅在相对运动的零件上加工出滚道面，用标准滚珠散装在滚道内。图2-36为填人式支承常用的三种典型形式。图中a)所示的结构，接触面积小，其
42、摩擦阻力矩较另外两种小，但所承受的裁荷也较小。在耐磨性方面也不及后两种结构好。图中b)所示结构能承受较大载荷，但摩擦阻力矩较大。图中c)所示结构，在承受载荷和摩擦阻力矩力面，介于前两者之间。v 4. 球面支承v 如图2-37所示，球面支承由球形轴径和内圆锥面或内球面组成。球面支承的接触面是一条狭窄的球面带，轴除自转外，还可轴向摆动一定角度。由于接触表面很小，宜于低速、轻载场合采用。球面轴径与轴加工成一体时，其常用材料为45钢、T10、T12等，轴承一般用耐磨的青铜。v 5. 顶针支承v 顶针轴承如图2-35c）所示，由圆锥形轴径和带埋头圆柱孔的圆锥轴承所组成。顶针支承的轴径和轴承在半径很小的狭
43、窄环形表面上接触，故摩擦半径很小，摩擦阻力矩较小。但由于接触面积小，其单位压力很大，润滑油从接触处被挤出，因此，用润滑降低摩擦阻力矩的作用不大。故顶针支承宜用于低速、轻载的场合。2.4.2 轴与支承v 轴是机械中的重要零件，其功用是支承转动零件(如齿轮，带轮售凸轮等)，并传递运动和动力。因其在机器中的作用不同，使之在结构上、支撑方式上也有所不同。如图2-38所示，是普通CA6140车床的主轴部件图，为了满足CA6140车床加工精度和切削力的需要，该轴在支撑上采用了三点支撑方式，前后及中间三处均有轴承支撑，并且，前后的轴承皆为双列短圆柱磙子轴承。这种支撑方式结构简单，刚度较高，极限转速较高，承载
44、能力强。v 有一种轴只传递转矩而不承受弯矩受弯较小或，在支撑上才用浮动方式，两支点并不固定，如汽车的传动轴，如图2-39所示，两端连接的是万向节，通过万向节与汽车的发动机输出轴和汽车后桥驱动轴相连，它仅仅传递的是汽车发动机的扭矩和转速，不承受弯矩，因此，这一类轴在结构上比较细长，具有重量轻，加工精度要求不高的特点。v 有些轴是定轴心的两支点传动轴，这一类轴在传递转矩的时候，不仅承受转矩，而且还承受弯矩和轴向力，如图2-40所示，某一减速器传动轴，与机床主轴的受力情况相似，但精度、刚度以及抗震性要比主轴要求低。2.4.3 轴上零件的的固定v 1. 零件在轴上的固定v 零件在轴上的固定一方面是沿轴
45、向固定的问题，另一方面是沿周向固定的问题，根据零件在轴上所要完成的功能不同，可以是沿轴向固定零件，也可以是沿周向固定零件，或者既沿轴向又沿周向固定零件。v 在轴上零件固定是为了保证零件有确定的工作位置，防止零件沿轴向窜动并进行力的传递。轴向固定的方式很多，各有其特点，常见的轴向固定有轴肩、轴环、弹性挡圈、螺母、套筒等。v （1）零件沿轴向固定v 1)轴肩。如图2-41所示，轴上零件依靠轴肩固定的方法简单可靠，可承受较大的轴向力，应用较多。为了使零件端面与轴肩能很好地贴合，轴上圆角半径r应比轴上零件孔端的圆角半径月或倒角高度C稍微小些。通常要求：图2-11v h=(0.07d+3)(0.1d+5
46、)mmv b=1.4hv 2）定位套筒。如图2-42所示，当轴上两个零件相距不大时，常采用套筒作轴向固定。这种固定能承受较大的轴向力，梯数量和应力集中。使用套筒定位时，才能使套筒顶住轴上零件。v 2）圆螺母。当轴段允许车制螺纹时，可采用圆螺母或作轴向定位。值得注意的是此处螺纹一般用细牙螺纹，以免过多削弱轴的强度。如图2-42所示。v 3)轴端挡圈和弹性挡圈。如图2-43所示，两者均适用于轴伸端零件的轴向固定。轴端挡圈和和弹性挡圈，均可对零件实现轴向的双向固定。轴端挡圈这种定位方式装拆方便，并可兼作周向固定，宜用于高速、轻载的场合。弹性挡圈常与轴肩联合使用，对轴上零件实现双向固定，常用于滚动轴承
47、的轴向固定(图2-14)。v 2）花键定位。如图2-47所示，花键周向定位所传递的力矩大，对轴削弱程度小，并且导向性能好。v 3）过盈配合定位。如图2-48所示，周向定位常用于轴与轮毂的联接，通过轴与轮毂的过盈，装配后配合表面间产生一定的压力，使轴与轮毂之间产生磨擦力。这种定位方式结构简单，同轴性好，对轴削弱少、耐冲击性能好。但对配合表面的制造精度要求高。2.5 导向支承部件v 2.5.1 导轨副的组成、种类及其应满足的要求v 导向支承部件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。这样的部件通常被称为导轨副，简称导轨。v 对精度要求高的直线运动导轨，还要求导轨的承载面与导
48、向面严格分开，当运动件较重时，必须设有卸荷装置，运动件的支承，必须符合三点定位原理。v （1）导向精度 导向精度是指动导轨按给定方向作直线运动的准确程度。导向精度的高低，主要取决于导轨的结构类型；导轨的几何精度和接触精度；导轨的配合间隙；油膜厚度和油膜刚度；导轨和基础件的刚度和热变形等。v 2）刚度。导轨的刚度就是抵抗载荷的能力。抵抗恒定载荷的能力称为静刚度；抵抗交变载荷的能力称为动刚度。现简略介绍静刚度。v在恒定载荷作用下，物体变形的大小，表示静刚度的好坏。导轨变形一般有自身、局部和接触三种变形。v （2）刚度 导轨的刚度是抵抗载荷的能力，抵抗恒定载荷的能力称为静刚度，抵抗交变载荷的能力称为
49、动刚度。v （3）精度的保持性 它主要由导轨的耐磨性决定。导轨的耐磨性是指导轨在长期使用后，应能保持一定的导向精度。导轨的耐磨性，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。提高导轨的精度保持性，必须进行正确的润滑与保护。采用独立的润滑系统自动润滑己被普遍采用。防护方法很多，目前多采用多层金属薄板伸缩式防护罩进行防护。v （4）运动的灵活性和低速运动的平稳性。机电一体化系统和计算机外用设备等的精度和运动速度都比较高，因此，其导轨应具有较好的灵活性和平稳性，工作时应轻便省力，速度均匀，低速运动或微量位移时不出现爬行现象，高速运动时应无振动。在低速运行时（如）
50、，往往不是作连续的匀速运动而是时走时停（即爬行）。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造成的。v （5）对温度的敏感性和结构工艺性。导轨在环境温度变化的情况下，应能正常工作，既不“卡死”，也不影响系统的运动精度。v导轨对温度变化的敏感性，主要取决于导轨材料和导轨配合间隙的选择。v 结构工艺性是指系统在正常工作的条件下，应力求结构简单、制造容易，装拆、调整、维修及检测方便，从而最大限度的降低成本。2.5.2 滚动导轨副的类型v 1. 直线运动滚动导轨副的特点及要求v 滚动导轨作为滚动摩擦副的一类，具有许多特点：摩擦系数小(0.0030.005)，运动灵活。动、静摩接系数基本相同
51、，因而启动阻力小，而不易产生爬行。可以须紧，刚度高。寿命长。精度高。润滑方便，可采用脂润滑。-次装填，长期使用由专业厂生产，可外购选用。因此滚动导轨副广泛地被应用于精密机床、数控机床、测量机和测量仪器等。v 滚动导轨的缺点是：导轨面与滚动体是点接触或线接触。所以抗振性差。接触应力大，对导轨的表面硬度、表面形状精度和滚动体的尺寸精度要求高，若滚动体的直径不一致，导轨表面有高低，会使运动部件倾斜，产生振动，影响运动精度；结构复杂，制造困难，成本较高；对脏物比较敏感，必须有良好的防护装置。v 对滚动导轨副的基本要求是：v （1）导向精度 导向精度是导轨副最基本的性能指标。移动件在沿导轨运动时，不论有
52、无载菏，都应保证移动轨迹的直线性及其位置的准确性。这是保证机床运行工作质量的关键。各种机床对导轨副本身平面度、垂直度及等高、等距的要求都有规定或标准。v （2）耐磨性 导轨副应在预定的使用期内，保持其导向精度。精密滚动导轨副的主要失效形式是磨损。因此耐磨性是衡量滚动导轨副性能的主要指标之一。v （3）刚度。为了保证足够的刚度，应选用最合适的导轨类型，尺寸及其组合。选用可调间隙和可预紧的导轨副能够提高刚度。v（4）工艺性。导轨副要便于装配、调整、测量、防尘、润滑和维修保养。v 2 滚动导轨副的分类v 直线运动滚动导轨副的滚动体有循环的和不循环的两种类型。根据直线运动导轨这两种类型又将导轨副分成多
53、种型式。v 滚动体不循环的滚动导轨副。如图2-50所示。这种导轨的滚动体可以是滚珠、滚针或圆柱滚子。它们的共同特点是滚动体不循环，因而行程不能太长。这种导轨结构简单，制造容易，成本较低，但有时难以施加预紧力。刚度较低、抗振性能差。不能承受冲击教荷。v 这类导轨中的滚珠导轨副(图a、b)的特点是摩擦阻力小，但承载能力差、刚度低；不能承受大的颠覆力矩和水平力；经常工作的滚珠接触部位，容易压出凹坑，使导轨副丧失精度。这种导轨适用于载荷不超过200N的小型部件。设计时应注意尽量使驱动力和外加载荷作用点位于两条导轨副的中间。v 滚针和滚柱导轨副(图c、d、e、f、g、h）的特点是承荷能力比滚珠导轨副高近
54、10倍；刚度也比滚珠导轨副高，其中的交叉滚珠导轨副(图e)四个方向均能受载，导向性能也高。但是，滚针和滚柱对导轨面的平行度误差比较敏感，且容易侧向偏移和滑动，引起磨损加剧。v 图2-51所示为无须加载荷的三角-平面滚珠导轨。结构简单，制造方便。用于轻裁、小颠覆力矩条件下。图2-52所示为有预加载荷的双三角形滚珠导轨。结构较简单，制造较方便。用于中载和中等颠复力矩条件下。导轨面若做成双圆弧，可提高承裁能力。v 滚动体循环的滚动导轨副。图2-53为行程无限的标准滚动导轨副。这种导轨副用于重载条件下，但结构较复杂，装卸调整不方便。2.5.3 滚动导轨的计算与选用v 1. 基本静额定载荷v 每种型号的导轨都有一个基本静定载荷。使用时实际静载荷小于基本静定载荷。静力矩小于额定静力矩，一般取安全系数为13；有冲击和振动时，安全系数取35。HGH系列直线滚动导轨的额定载荷见表2-21。表中各尺寸的含义如图2-54所示。2.5.4 直线滚动导轨的定位v 直线滚动导轨的定位是机械设计的关键，要求定位合理、调整方便、安全可靠。导轨和滑块的定位原理如图2-55所示。具体定位方式如图2-56所示，图2-56 a）为压板定位，图2-56 b）为紧定螺钉定位，图2-56 c）斜面定位，图2-56 d）为滚柱定位。
