機構1部齒輪絲杠ZH

學習目標1.了解機械系統(tǒng)部件的種類及其各自的類型2.掌握常用的機械傳動部件的特點及選型設計3.掌握常用的導向支承部件的選擇與設計4.了解旋轉支承部件及軸系部件的選擇

第2章機電一體化系統(tǒng)的機械系統(tǒng)部件選擇與設計2/5/20231

2.0相關基礎回顧(一)、摩擦:摩擦力可分為三種：靜摩擦力、庫侖摩擦力和粘性摩擦力（動摩擦力=庫侖摩擦力+粘性摩擦力）。

負載處于靜止狀態(tài)時，摩擦力為靜摩擦力，隨著外力的增加而增加，最大值發(fā)生在運動前的瞬間。運動一開始，靜摩擦力消失，靜摩擦力立即下降為庫侖摩擦力，大小為一常數(shù)F=μmg，隨著運動速度的增加，摩擦力成線性的增加，此時的摩擦力為粘性摩擦力（與速度成正比的阻尼稱為粘性阻尼）。

摩擦對機電一體化伺服系統(tǒng)的主要影響是：降低系統(tǒng)的響應速度；引起系統(tǒng)的動態(tài)滯后和產生系統(tǒng)誤差；在接近非線性區(qū)，即低速時產生爬行。根據(jù)經驗，克服摩擦力所需的電機轉矩Tf與電動機額定轉矩TK的關系為0.2TK＜Tf＜0.3TK2/5/20232

爬行就產生在這非線形區(qū)。在使用中應盡可能減小靜摩擦力與動摩擦力的差值；并使動摩擦力盡可能小且為正斜率較小的變化。2/5/20233

(二)、爬行當絲杠1作極低的勻速運動時，工作臺2可能會出現(xiàn)—快一慢或跳躍式的運動，這種現(xiàn)象稱為爬行。2/5/20234

1）產生爬行的原因和過程

勻速運動的主動件1，通過壓縮彈簧推動靜止的運動件3，當運動件3受到的逐漸增大的彈簧力小于靜摩擦力F時，3不動。直到彈簧力剛剛大于F時，3才開始運動，動摩擦力隨著動摩擦系數(shù)的降低而變小，3的速度相應增大，同時彈簧相應伸長，作用在3上的彈簧力逐漸減小，3產生負加速度，速度降低，動摩擦力相應增大，速度逐漸下降，直到3停止運動，主動件1這時再重新壓縮彈簧，爬行現(xiàn)象進入下一個周期。2/5/20235

由上述分析可知，低速進給爬行現(xiàn)象的產生主要取決于下列因素：

①靜摩擦力與動摩擦力之差，這個差值越大，越容易產生爬行。②進給傳動系統(tǒng)的剛度K越小、越容易產生爬行。③運動速度太低。

2/5/20236

2）不發(fā)生爬行的臨界速度

臨界速度可按下式進行估算

（m/s）式中ΔF-----靜、動摩擦力之差（N）；

K------傳動系統(tǒng)的剛度（N／m）；

ξ------阻尼比；

m------從動件的質量（kg）。

以下兩種觀點有利于降低臨界速度：適當?shù)脑黾酉到y(tǒng)的慣性J和粘性摩擦系數(shù)f，有利于改善低速爬行現(xiàn)象，但慣性增加會引起伺服系統(tǒng)響應性能降低；增加粘性摩擦系數(shù)也會增加系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，設計時應優(yōu)化處理。2/5/20237

3）消除爬行現(xiàn)象的途徑（實際做法）①提高傳動系統(tǒng)的剛度a．在條件允許的情況下，適當提高各傳動件或組件的剛度，減小各傳動軸的跨度，合理布置軸上零件的位置。如適當?shù)募哟謧鲃咏z杠的直徑，縮短傳動絲杠的長度，減少和消除各傳動副之間的間隙。b．盡量縮短傳動鏈，減小傳動件數(shù)和彈性變形量。c．合理分配傳動比，使多數(shù)傳動件受力較小，變形也小。d．對于絲杠螺母機構，應采用整體螺母結構，以提高絲杠螺母的接觸剛度和傳動剛度。②減少摩擦力的變化a．用滾動摩擦、流體摩擦代替滑動摩擦，如采用滾珠絲杠、靜壓螺母、滾動導軌和靜壓導軌等。從根本上改變摩擦面間的摩擦性質，基本上可以消除爬行。b．選擇適當?shù)哪Σ粮辈牧?，降低摩擦系?shù)。c．降低作用在導軌面的正壓力，如減輕運動部件的重量，采用各種卸荷裝置，以減少摩擦阻力。d．提高導軌的制造與裝配質量，采用導軌油等都可以減少摩擦力的變化。2/5/20238

（三）、阻尼在系統(tǒng)設計時，考慮綜合性能指標，一般取ξ＝0.5~0.8之間。（四）．剛度采用彈性模量高的材料，合理選擇零件的截面形狀和尺寸，對齒輪、絲杠、軸承施加預緊力等方法提高系統(tǒng)的剛度。對于伺服機械傳動系統(tǒng)，增大系統(tǒng)的傳動剛度有以下好處：（1）可以減少系統(tǒng)的死區(qū)誤差（失動量），有利于提高傳動精度；（2）可以提高系統(tǒng)的固有頻率，有利于系統(tǒng)的抗振性；（3）可以增加閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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（五）．諧振頻率

對于閉環(huán)系統(tǒng)，要求機械傳動系統(tǒng)中的最低固有頻率（最低共振頻率）必須大于電氣驅動部件的固有頻率。

對于機械傳動系統(tǒng)，它的固有頻率取決于系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的剛度及慣量，因此在機械傳動系統(tǒng)的結構設計中，應盡量降低慣量，提高剛度，達到提高傳動系統(tǒng)固有頻率的目的。

一般要求機械傳動系統(tǒng)最低固有頻率WOI≥300rad／s，其他機械系統(tǒng)WOI≥600rad／s。2/5/202310

（六）．間隙

對于系統(tǒng)閉環(huán)以外的間隙，對系統(tǒng)穩(wěn)定性無影響，但影響到伺服精度。

對于系統(tǒng)閉環(huán)內的間隙，在控制系統(tǒng)有效控制范圍內對系統(tǒng)精度、穩(wěn)定性影響較小，但反饋通道上的間隙要比前向通道上的間隙對系統(tǒng)影響較大。(七)轉動慣量的計算：

（單位：kg·m2）

(1)圓柱體轉動慣量

2/5/202311

(2)直線移動工作臺折算到絲杠上的轉動慣量(3)齒輪齒條傳動時工作臺折算到小齒輪軸上的轉動慣量

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(4)工作臺折算到鋼帶傳動驅動軸上的轉動慣量(5)相鄰兩軸，后軸向前軸轉動慣量的折算

2/5/202313例1：絲杠傳動時，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉動慣量例2：求系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉動慣量

2/5/202314例題2-3

2/5/202315第2章機電一體化系統(tǒng)的機械系統(tǒng)部件選擇與設計典型的機電一體化系統(tǒng)，通常由控制部件、接口電路、功率放大電路、執(zhí)行元件、機械傳動部件、導向支承部件，以及檢測傳感部件等部分組成。機械系統(tǒng)一般由減速裝置、絲杠螺母副、蝸輪蝸桿副等各種線性傳動部件及連桿機構、凸輪機構等非線性傳動部件、導向支承部件、軸系及機架或箱體等組成。除要求具有較高的定位精度之外，還應具有良好的動態(tài)響應特性，就是說響應要快、穩(wěn)定性要好。2.1機械系統(tǒng)部件的設計要求2/5/202316為確保機械系統(tǒng)的傳動精度和響應要快、工作穩(wěn)定性，提出無間隙、低摩擦、低慣量、高剛度、高諧振頻率、適當?shù)淖枘岜鹊纫蟆?/p>

采取措施：

1)低摩擦采用低摩擦阻力的傳動部件和導向支承部件；

2)短傳動鏈縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度；

3)最佳傳動比選用最佳傳動比，達到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉動慣量，盡可能提高加速能力；

4)反向死區(qū)誤差小縮小反向死區(qū)誤差，如采取消除傳動間隙、減少支承變形的措施；

5)高剛性改進支承及架體的結構設計以提高剛性、減少振動、降低噪聲。

2.1機械系統(tǒng)部件的設計要求2/5/202317

機電一體化機械系統(tǒng)的三大結構①傳動機構：考慮與伺服系統(tǒng)相關的精度、穩(wěn)定性、快速響應等伺服特性②導向機構：考慮低速爬行現(xiàn)象③執(zhí)行機構：考慮靈敏度、精確度、重復性、可靠性2/5/202318常用的機械傳動部件有螺旋傳動、齒輪傳動、同步帶傳動副、各種非線性傳動部件等。主要功能是傳遞轉矩和轉速；實質上是一種轉矩、轉速變換器。目的是使執(zhí)行元件與負載之間在轉矩與轉速方面得到最佳匹配。其傳動類型、傳動方式、傳動剛性以及傳動的可靠性對機電一體化系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和快速響應性有重大影響。應設計和選擇傳動間隙小、精度高、體積小、重量輕、運動平穩(wěn)、傳遞轉矩大的傳動部件。2.2機械傳動部件的選擇與設計2/5/202319

傳動機構的基本要求：①在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，傳動機構的質量和轉動慣量要?。晦D動慣量大會對系統(tǒng)造成機械負載增大（T電=T負+Jε）；系統(tǒng)響應速度變慢，靈敏度降低；系統(tǒng)固有頻率下降，產生諧振；使電氣部分的諧振頻率變低。②剛度越大，伺服系統(tǒng)動力損失越小；剛度越大，機器的固有頻率越高，不易振動()；剛度越大，閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性越高。③機械系統(tǒng)產生共振時，系統(tǒng)中阻尼越大，最大振幅就越小，且衰減越快；但阻尼大會使系統(tǒng)損失動量，增大穩(wěn)態(tài)誤差，降低精度，故應選合適阻尼。④靜摩擦力要小，動摩擦力要小的正斜率；或者會出現(xiàn)爬行。2/5/202320表2-1傳動機構及其功能基本功能

運動的變換動力的變換 傳動機構 形式 行程 方向 速度 大小 形式 絲杠螺母 √ √ √ 齒輪 √ √ √ 齒輪齒條 √ √ 鏈輪鏈條 √ 帶、帶輪 √ √ 纜繩、繩輪 √ √ √ √ √ 杠桿機構 √ √ √ 連桿機構 √ √ √ 凸輪機構 √ √ √ √ 摩擦輪 √ √ √ 萬向節(jié) √ 軟軸 √ 蝸輪蝸桿 √ √ √ 間歇機構 √ 2/5/2023212.2.1齒輪傳動部件

外齒輪嚙合目的：齒輪傳動部件是轉矩、轉速和轉向的變換器1降速:將伺服電機的高速，小轉矩輸出變成克服負載所需的低速、大轉矩。2使?jié)L珠絲杠和工作臺的轉動慣量在傳動系統(tǒng)中所占比重減少，以保證傳動精度。

內齒輪嚙合2/5/202322齒輪傳動間隙的調整

1．直齒圓柱齒輪傳動副

（1）偏心套調整法

2/5/202323（2）錐度齒輪調整法

2/5/202324（3）雙片齒輪錯齒調整法

2/5/2023252．斜齒圓柱齒輪傳動副

（1）軸向墊片調整法

（2）軸向壓簧調整法

2/5/202326主要用來將旋轉運動變換為直線運動或將直線運動變換為旋轉運動基本傳動形式2.2.2絲杠螺母機構基本傳動形式Ph2Ph1螺母真正位移為S=n(Ph1—Ph2)n為螺桿轉速2/5/202327滾珠螺旋傳動

滑動螺旋傳動的接觸面間存在著較大的滑動摩擦阻力，傳動效率低，磨損快、精度不高，使用壽命短，已不能適應機電一體化設備在高速度、高效率、高精度等方面的要求。滾珠螺旋傳動則是為了適應機電一體化機械系統(tǒng)的要求而發(fā)展起來的一種新型傳動機構。

2/5/202328滾珠絲杠副的特點:

(1)傳動效率高、摩擦損失小，傳動效率很高，可達0.92~0.96（滑動絲杠為0.2~0.4）

(2)傳動的可逆性、不可自鎖性

(3)傳動精度高

(4)磨損小、使用壽命長

2/5/202329滾珠絲杠傳動部件

1.滾珠絲杠副的組成2/5/2023302/5/2023312/5/202332滾珠絲杠表2/5/2023331).滾珠的循環(huán)方式有內循環(huán)和外循環(huán)二種。

內循環(huán)---滾珠在循環(huán)過程中始終與絲桿表面保持接觸。在螺母2的側面孔內裝有接通相鄰滾道的反向器4，利用反向器引導滾珠3越過絲桿1的螺紋頂部進入相鄰滾道，形成一個循環(huán)回路。一般在同一螺母上裝有2-4個滾珠用反向器，并沿螺母圓周均勻分布。優(yōu)點是滾珠循環(huán)的回路短、流暢性好、效率高、螺母的徑向尺寸也較小。其不足是反向器加工困難、裝配調整也不方便。2.滾珠絲杠副的典型結構類型從滾珠的循環(huán)方式、螺紋滾道的截面形狀和消除軸向間隙的調整方法進行區(qū)別。2/5/202334浮動式反向器的內循環(huán)滾珠絲杠副結構特點是反向器l上的安裝孔有0.01~0.015mm的配合間隙，反向器弧面上加工有圓弧槽，槽內安裝拱形片簧4，外有彈簧套2，藉助拱形片簧的彈力，始終給反向器一個徑向推力，使位于回珠圓弧槽內的滾珠與絲桿3表面保持一定的壓力，從而使槽內滾珠代替了定位鍵而對反向器起到自定位作用。優(yōu)點：在高頻浮動中達到回珠圓弧槽進出口的自動對接，通道流暢、摩擦特性較好，更適用于高速、高靈敏度、高剛性的精密進給系統(tǒng)。2/5/202335外循環(huán)----外循環(huán)方式中的滾珠在循環(huán)返向時，離開絲桿螺紋滾道，在螺母體內或體外作循環(huán)運動。第2章機電一體化系統(tǒng)的機械系統(tǒng)部件選擇與設計2.2.2滾珠絲杠傳動部件滾珠的外循環(huán)方式。2/5/2023362）預緊方式2/5/202337單螺母變位導程自頂緊式和單螺母滾珠過盈預緊式在滾珠螺母體內的兩列循環(huán)滾珠鏈之間，使內螺紋滾道在軸向制作一個的導程突變量，從而使二列滾珠產生軸向錯位而實現(xiàn)預緊，預緊力的大小取決于導程突變量和單列滾珠的徑向間隙。其特點是結構簡單緊湊，但使用中不能調整，且制造困難。2/5/202338

雙螺母螺紋預緊式螺母3的外端有凸緣，而螺母4的外端雖無凸緣，但制有螺紋，并通過二個圓螺母固定。調整時旋轉圓螺母2消除軸向間隙并產生一定的預緊力，然后用鎖緊螺母1鎖緊。預緊后兩個螺母中的滾珠相向受力，從而消除軸向間隙。結構簡單、剛性好、預緊可靠，使用中調整方便，但不能精確定量地進行調整。2/5/202339

雙螺母齒差預緊式二個螺母的兩端分別制有圓柱齒輪3，二者齒數(shù)相差一個齒，通過二端的二個內齒輪2與上述圓柱齒輪相嚙合并用螺釘和定位銷固定在套簡1上。調整時先取下二端的內齒輪2，當二個滾珠螺母相對于套筒同一方向轉動同一個齒后固定，則一個滾珠螺母相對于另一個滾珠螺母產生相對角位移，使二個滾珠螺母產生相對移動，從而消除間隙并產生一定的預緊力。其特點是可實現(xiàn)定量調整即可進行精密微調。2/5/202340雙螺母墊片調整預緊式調整墊片l的厚度，可使兩螺母2產生相對位移，以達到消除間隙、產生預緊拉力之目的。其特點是結構簡單剛度高、預緊可靠，但使用中調整不方便。2/5/202341彈簧式自動調整預緊式雙螺母中一個活動另一個固定，用彈簧使其間始終具有產生軸向位移的推動力，從而獲得預緊力。其特點是能消除使用過程中因磨損或彈性變形產生的間隙，但其結構復雜、軸向剛度低，施合用于輕載場合。2/5/2023423.滾珠絲杠副的主要尺寸參數(shù)公稱直徑d0:指滾珠與螺紋滾道在理論接觸角狀態(tài)時包絡滾珠球心的圓柱直徑,是滾珠絲杠副的特征（或名義）尺寸?；緦С蘌h(或螺距t)：它指滾珠螺母相對于滾珠絲桿旋轉2π弧度時的行程（螺母上基準點的軸向位移）。行程λ：轉動滾珠絲桿或螺母時，滾珠絲桿或滾珠螺母的軸向位移量。還有滾珠絲桿螺紋外徑d1、滾珠絲桿螺紋底徑d2、滾珠直徑Dw、滾珠螺母體螺紋底徑D2、螺母螺紋大徑D3、滾珠絲桿螺紋全長λ等。d1d2DwD2D32/5/202343

4.滾珠絲杠副的精度等級及標注方法1)精度等級，根據(jù)JB3162.2-1982標準，對滾珠絲杠副的精度分成C、D、E、F、G、H六個等級，最高精度為C級，最低精度為H級；而JB316-2.2-1991為1、2、3、4、5、7、10共七個等級，最高級為1級，最低級為10級。2)標注方法，GB/T17587.1-1998規(guī)定進行標注。3)尺寸系列，公稱導程的優(yōu)先選用系列/mm:2.5,5,10,20,404)精度等級選用：數(shù)控機床、精密儀器等用于閉環(huán)和半閉環(huán)進給系統(tǒng)，根據(jù)定位精度和重復定位精度的要求可選用1、2、3級，一般動力傳動可選4、5級，全閉環(huán)系統(tǒng)可選2、3、4級。2/5/2023441）、兩端固定2)、一端固定一端簡支3)、兩端支承4)、一端固定一端自由

5.

滾珠絲杠支撐形式2/5/202345止推軸承分別裝在滾珠絲杠的兩端并施加預緊力。

特點：軸向剛度較高，預拉伸安裝時，預緊力較大，但軸承壽命比雙推一雙推式低。5.滾珠絲杠副的支承方式(1)單推-單推式：2/5/202346(2)雙推-雙推式：兩端分別安裝止推軸承與深溝球軸承的組合，并施加預緊力，其軸向剛度最高。該方式適合于高剛度、高轉速、高精度的精密絲杠傳動系統(tǒng)。但隨溫度的升高會使絲杠的預緊力增大，易造成兩端支承的預緊力不對稱。

2/5/202347(3)雙推-簡支式：一端安裝止推軸承與深溝球軸承的組合，另一端僅安裝深溝球軸承，其軸向剛度較低，使用時應注意減少絲杠熱變形的影響。雙推端可預拉伸安裝，預緊力小，軸承壽命較高，適用于中速、傳動精度較高的長絲杠傳動系統(tǒng)。2/5/202348(4)雙推-自由式：一端安裝止推軸承與深溝球軸承的組合，另一端懸空呈自由狀態(tài)，故軸向剛度和承載能力低，多用于輕載、低速的垂直安裝的絲杠傳動系統(tǒng)。

2/5/202349軸承的組合安裝支承示例

2/5/202350簡易單推-單推式支承

2/5/202351雙推-自由式支承

2/5/2023522/5/2023536.滾珠絲杠副的密封與潤滑用防塵密封圈或防護套密封來防止灰塵及雜質進入滾珠絲杠副，使用潤滑劑來提高其耐磨性及傳動效率，從而維持其傳動精度、延長其使用壽命。密封圈有接觸式和非接觸式二種，將其裝在滾珠螺母的兩端即可。非接觸式密封圈通常由聚氯乙烯等塑料制成，其內孔螺紋表面與絲杠螺紋之間略有間隙，故又稱迷宮式密封圈。接觸式密封圈用具有彈性的耐油橡膠或尼龍等材料制成，因此有接觸壓力并產生一定的摩擦力矩，但其防塵效果好。常用的潤滑劑有潤滑油和潤滑兩類。潤滑脂一般在裝配時放進滾珠螺母滾道內定期潤滑，而使用潤滑油時應注意經常通過注油孔注油。

2/5/202354防護套的形式

有折疊式密封套、伸縮套管和伸縮擋板防護套

1為折疊式密封套，2為螺旋彈簧鋼帶伸縮套管。2/5/2023557.滾珠絲杠副的選擇

1）．滾珠絲杠副結構的選擇

根據(jù)防塵防護條件以及對調隙及預緊的要求，可選擇適當?shù)慕Y構型式。例如：

當允許有間隙存在時(如垂直運動)可選用具有單圓弧形螺紋滾道的單螺母滾珠絲杠副；

當必須有預緊或在使用過程中因磨損而需要定期調整時，應采用雙螺母螺紋預緊或齒差預緊式結構；

當具備良好的防塵條件，且只需在裝配時調整間隙及預緊力時，可采用結構簡單的雙螺母墊片調整預緊式結構。2/5/2023562）．滾珠絲杠副結構尺寸的選擇

滾珠絲杠副的主要尺寸參數(shù)：

公稱直徑d0、基本導程L0（或螺距t）、行程L；

此外還有絲桿螺紋大徑d、絲桿螺紋小徑d1、滾珠直徑db、

螺母螺紋大徑D、螺母螺紋小徑D1