機電系統(tǒng)檢測與控制 第三章機械傳動系統(tǒng)

機電系統(tǒng)檢測與控制MeasurementandControlinMechatronicsSystem

3.1概述3.2傳動機構(gòu)3.3導(dǎo)向機構(gòu)3.4執(zhí)行機構(gòu)第三章機械傳動系統(tǒng)23.1.1機電一體化對機械系統(tǒng)的基本要求

機電一體化產(chǎn)品中的機械系統(tǒng)主要包括支承、傳動、執(zhí)行機構(gòu)等，一般由減速裝置、絲杠螺母副、渦輪渦桿副等各種線性傳動部件以及連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)等非線性傳動部件、導(dǎo)向支承部件、旋轉(zhuǎn)支承部件、軸系及機架等機構(gòu)組成。與一般的機械系統(tǒng)相比，其特點是：

（1）高精度。由于機電一體化產(chǎn)品在技術(shù)性能、工藝水平、功能上都要比普通的機械產(chǎn)品要求高，因此對機械系統(tǒng)的精度提出了更高的要求。

3.1概述3

（2）快速響應(yīng)。機電一體化系統(tǒng)中既有高速的信息處理單元，也有慢速的機械單元，若希望提高整體速度，就要求機械部分有更高的響應(yīng)速度。

（3）良好的穩(wěn)定性，抗干擾能力強，環(huán)境適應(yīng)性好。

簡言之，就是“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”。此外，還須有較大的剛度、良好的可靠性、重量輕、體積小、壽命長等要求。

3.1概述4

為確保機械系統(tǒng)的傳動精度和工作穩(wěn)定性，在設(shè)計中常提出無間隙、低摩擦、低慣量、高剛度、高諧振頻率、適當(dāng)?shù)淖枘岜鹊纫?。為達(dá)到上述要求，主要從以下幾方面采取措施：

（1）采用低摩擦阻力的傳動部件和導(dǎo)向支承部件。如采用滾珠絲杠副、滾動導(dǎo)向支承、動（靜）壓導(dǎo)向支承等。

（2）縮短傳動鏈，簡化主傳動系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)。主傳動常采用大扭矩、寬調(diào)速的直流或交流伺服電機直接與絲杠螺母副連接，以減少中間傳動環(huán)節(jié)。3.1概述5

（3）提高傳動與支承剛度。如采用預(yù)加緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動導(dǎo)軌副的傳動與支承剛度，絲杠的支承設(shè)計中采用二端軸向預(yù)緊或預(yù)拉伸支承結(jié)構(gòu)等。

（4）選用最佳傳動比，以達(dá)到提高系統(tǒng)分辨率、減少到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量，盡可能提高加速能力。

（5）縮小反向死區(qū)誤差。在進(jìn)給傳動中，一方面采用無間隙且減少摩擦的滾珠絲杠副，預(yù)加載荷的雙齒輪齒條副等精密機構(gòu)，另一方面采取消除傳動間隙、減少支承變形等措施。3.1概述6

（6）改進(jìn)支承及架體的結(jié)構(gòu)設(shè)計以提高剛性、減少振動、降低噪聲。如選用復(fù)合材料等來提高剛度和強度、減輕重量、縮小體積，使結(jié)構(gòu)緊密化，以確保系統(tǒng)的小型化、輕量化、高速化和高可靠性。

3.1概述7

3.1.2機械系統(tǒng)的主要組成機電一體化系統(tǒng)中的機械系統(tǒng)通常由傳動機構(gòu)、支承與導(dǎo)向機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)及機架等組成。各機構(gòu)分別承擔(dān)著不同的功能，有著不同的要求。

傳動機構(gòu)：主要完成轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的匹配，要求有良好的伺服性能。

支承與導(dǎo)向機構(gòu)：主要起支承和導(dǎo)向作用，為機械系統(tǒng)中各運動部件安全、準(zhǔn)確地完成特定運動提供保障。

執(zhí)行機構(gòu)：完成具體的動作，要求有高的靈敏度、精確度和良好的重復(fù)性、可靠性。3.1概述83.2.1傳動機構(gòu)的性能要求

機電一體化系統(tǒng)中的傳動機構(gòu)通常采用滾珠絲杠副、精密齒輪副、撓性傳動機構(gòu)、間歇傳動機構(gòu)等。為獲得良好的伺服性能，傳動系統(tǒng)應(yīng)滿足如下性能要求：

1.足夠的剛度

所謂剛度，就是指抵抗變形的能力。對機械系統(tǒng)來說,滿足剛度要求具有如下優(yōu)點：

（1）減少機構(gòu)彈性變形，從而減少伺服系統(tǒng)的動力損失，可達(dá)到明顯的節(jié)能效果。

（2）機械裝置固有頻率高，不易產(chǎn)生共振。

（3）能增加閉環(huán)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3.2傳動機構(gòu)9

2.慣量小

在剛度滿足要求的前提下，應(yīng)盡量減小傳動機構(gòu)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量。大慣量會使系統(tǒng)的機械常數(shù)增大，固有頻率降低，從而使系統(tǒng)負(fù)載大、響應(yīng)慢、靈敏度低，易產(chǎn)生諧振。

3.阻尼適中

大阻尼能抑制振動的最大振幅，且使振動快速衰減，但同時也使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差增大，精度降低，因此阻尼應(yīng)適中。3.2傳動機構(gòu)103.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

1.滾珠絲杠副的工作原理

11滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)原理圖3.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

12

2.滾珠絲杠副的特點

滾珠絲杠副是滑動絲杠副的發(fā)展與延伸，屬于螺旋機構(gòu)。與滑動絲杠相比，滾珠絲杠具有以下特點：

（1）傳動效率高：以滾動摩擦代替了滑動摩擦，整個傳動副的驅(qū)動力矩減少至滑動絲杠的1/3左右，傳動效率達(dá)到90%以上，發(fā)熱率大幅降低。

（2）定位精度高：由于發(fā)熱率低，溫升小，可以采取預(yù)拉伸（預(yù)緊）消除軸向間隙等措施，因此滾珠絲杠副具有高的定位精度和重復(fù)定位精度。

（3）傳動可逆性：能夠?qū)崿F(xiàn)兩種傳動方式，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動并傳遞動力。

3.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

13

（4）使用壽命長：由于對絲杠滾道形狀的準(zhǔn)確性、表面硬度、材料的選擇等方面加以嚴(yán)格控制，因而滾珠絲杠副的實際壽命遠(yuǎn)高于滑動絲杠副。

（5）同步性能好：由于滾珠絲杠副具有運轉(zhuǎn)順滑、消除了軸向間隙以及制造的一致性等特點，因此，當(dāng)采用多套滾珠絲杠副驅(qū)動同一裝置或多個相同部件時，可獲得很好的同步性能。

但是，與滑動絲杠副相比較，滾珠絲杠副的缺點是結(jié)構(gòu)和制造工藝比較復(fù)雜、成本較高；另外，滾珠絲杠副不具有自鎖性，尤其是垂直安裝時需增加制動裝置。3.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

143滾珠螺旋傳動的結(jié)構(gòu)形式與類型（1）滾珠循環(huán)方式 按滾珠在整個循環(huán)過程中與螺桿表面的接觸情況,可將滾珠的循環(huán)方式分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩類。

1）內(nèi)循環(huán)。滾珠在循環(huán)過程中始終與螺桿保持接觸的循環(huán)叫內(nèi)循環(huán)。3.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

15內(nèi)循環(huán)3.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

16

2）外循環(huán)滾珠在返回時與螺桿脫離接觸的循環(huán)稱為外循環(huán)。按結(jié)構(gòu)的不同,外循環(huán)可分為螺旋槽式、插管式和端蓋式三種。螺旋槽式，端蓋式是指在螺母1上鉆有一個縱向通孔作為滾珠返回通道,螺母兩端裝有銑出短槽的端蓋2,短槽端部與螺紋滾道相切,并引導(dǎo)滾珠返回通道,構(gòu)成滾珠循環(huán)回路。端蓋式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊,工藝性好。缺點是滾珠通過短槽時容易卡住。

3.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

17螺旋槽式外循環(huán)3.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

18端蓋式外循環(huán)3.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

19插管式外循環(huán)

3.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

20

3.消除軸向間隙的調(diào)整預(yù)緊方法雙螺母預(yù)緊

3.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

21

（1）墊片調(diào)隙式。3.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

22

（2）螺紋調(diào)隙式3.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

23

（3）齒差調(diào)隙式 當(dāng)兩個螺母按同方向轉(zhuǎn)過一個齒時,其相對軸向位移為 式中,Ph為導(dǎo)程。如果z1=99,z2=100,Ph=8mm,則ΔL=0.8μm?？梢?這種方法的特點是調(diào)整精度很高,工作可靠,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加工工藝和裝配性能較差。

3.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

24齒差調(diào)隙式3.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

25

3）材料

滾珠絲杠副中絲杠與螺母的材料一般與滾珠的材料相同，通過采用GCr15、GCr6、GCr9等，硬度為HRC60±2，而螺母應(yīng)取上限。當(dāng)需要特別高的耐磨性時，可以用20CrMnA、40CrMnA、38CrMoLlA、38CrWVAlA等合金鋼制造。

3.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

26

4.滾珠絲杠副的主要參數(shù)及標(biāo)注方法

1）主要參數(shù)

公稱直徑、基本導(dǎo)程、小徑、大徑、滾動體直徑3.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

27

2）標(biāo)注方法

滾動螺旋副的型號由代號和數(shù)字組成，根據(jù)其結(jié)構(gòu)、規(guī)格、精度等級、螺紋旋向等特征，不同的廠家的標(biāo)注方法略有不同。

3.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

28

5.滾珠絲杠副的安裝方式、制動與選用

1）滾珠絲杠副的安裝方式

滾珠絲杠副的安裝方式不同（支承形式不同），將影響到絲杠的軸向剛度和傳動精度，各種安裝方式各有優(yōu)缺點，應(yīng)視不同需要而定，在設(shè)計安裝時應(yīng)認(rèn)真考慮。為了提高軸向剛度，常用以止推軸承為主的軸承組合來支承絲杠，當(dāng)軸向載荷較小時，也可用向心推力軸承來支承絲杠。常用軸承的組合方式有：3.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

29①單推—單推式：如圖3－9所示，止推軸承分別裝在滾珠絲杠的兩端并施加預(yù)緊力。其特點是軸向剛度較高，預(yù)拉伸安裝時預(yù)緊力較大；軸承壽命比雙推—雙推式低。

3.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

30

②雙推—雙推式：如圖3－10所示，兩端裝有止推軸承及向心軸承的組合，并施加預(yù)緊力，使其剛度最高。該方式適合于高剛度、高速度、高精度的精密絲杠傳動系統(tǒng)。由于工作時隨著溫度的升高會造成絲杠的預(yù)緊力增大，因而易造成兩端支承的預(yù)緊力不對稱。

3.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

31

③雙推—簡支式：一端裝止推軸承，另一端裝向心球軸承，軸向剛度不太高。使用時應(yīng)注意減少絲杠熱變形的影響。雙推端可預(yù)拉伸安裝，預(yù)緊力小，軸承壽命較長，適用于中速、精度較高的長絲杠傳動系統(tǒng)。3.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

32

④雙推—自由式：一端裝止推軸承，另一端懸空。因其一端是自由狀態(tài)，故軸向剛度和承載能力低，多用于輕載、低速的垂直安裝絲杠傳動系統(tǒng)。3.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

33

2）滾珠絲杠副的制動

滾珠絲杠副垂直安裝時，無自鎖作用，故須設(shè)置當(dāng)驅(qū)動力中斷后防止被驅(qū)動部件因自重而發(fā)生逆?zhèn)鲃拥淖枣i或制動裝置。滾珠絲杠副的制動可使用制動電機、超越離合器或其他方式的制動裝置。3.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

34

3）滾珠絲杠副的選擇方法

（1）滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)的選擇。

根據(jù)防塵、防護條件以及對調(diào)隙及預(yù)緊的要求，可選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式。例如，當(dāng)允許有間隙存在（如垂直運動）時，可選用具有單圓弧形螺紋滾道的單螺母滾珠絲杠副；當(dāng)必須有預(yù)緊或在使用過程中因磨損而需要定期調(diào)整時，應(yīng)采用雙螺母螺紋預(yù)緊或齒差預(yù)緊式結(jié)構(gòu)；當(dāng)具備良好的防塵條件且只需在裝配時調(diào)整間隙及預(yù)緊力時，可采用結(jié)構(gòu)簡單的雙螺母墊片調(diào)整預(yù)緊式結(jié)構(gòu)。

3.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

35（2）滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)尺寸的選擇。選用滾珠絲杠副時，通常主要選擇絲杠的公稱直徑d0和基本導(dǎo)程l0。公稱直徑d0應(yīng)根據(jù)軸向最大載荷按滾珠絲杠副尺寸系列選擇。在允許的情況下，螺紋長度ls要盡量短，一般取ls/d0<30為宜；基本導(dǎo)程l0（或螺距t）應(yīng)按承載能力、傳動精度及傳動速度選取，l0大時，承載能力也大；l0小時，傳動精度會較高。要求傳動速度快時，可選用大導(dǎo)程滾珠絲杠副。

3.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

36

4）滾珠絲杠副在選用和使用中的注意事項

（1）預(yù)緊載荷的確定。

為了防止造成絲杠傳動系統(tǒng)的任何失位，保證傳動精度，提高絲杠系統(tǒng)的剛度是很重要的，而要提高螺母的接觸剛度，則必須施加一定的預(yù)緊載荷。

施加了預(yù)緊載荷后，摩擦轉(zhuǎn)矩增加，并使工作時的溫升提高。因此，必須恰當(dāng)?shù)卮_定預(yù)緊載荷（最大不得超過10%的額定動載荷），以便在滿足精度和剛度的同時獲得最佳的壽命和較低的溫升效應(yīng)。

3.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

37（2）潤滑。

在使用滾珠絲杠副時，必須要有足夠的潤滑，如果潤滑不夠，則將導(dǎo)致摩擦和磨損的增加，造成故障或縮短壽命等。潤滑可采用油潤滑或脂潤滑。

（3）防塵。

滾珠絲杠與滾動軸承一樣，如果污物及異物（切屑、碎屑）進(jìn)入，就會很快使它磨損。因此，必須采用防護裝置（折疊式或伸縮式絲杠護套）將絲杠軸完全防護起來；同時，在有浮塵時，要在螺母兩端采用刮屑式防塵圈進(jìn)行密封。3.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

38（4）安裝。

將滾珠絲杠副安裝到機床時，不應(yīng)把螺母從絲杠上拆下來。在必須把螺母卸下來的場合，要使用比絲杠底徑小0.2～0.3mm的安裝輔助套筒，將安裝輔助套筒推至螺紋起始端面，從絲杠上將螺母旋至輔助套筒上，連同螺母、輔助套筒一并小心取下，注意不要使?jié)L珠散落。

3.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

393.2.3齒輪傳動

齒輪傳動在機電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。設(shè)計時，除了要確定齒輪傳動形式、傳動比的匹配、各級傳動比的最佳分配等因素外，還應(yīng)考慮提高齒輪傳動精度的問題。齒輪傳動時，為了形成潤滑油膜和避免輪齒摩擦發(fā)熱膨脹，齒廓之間必須留有齒側(cè)間隙，簡稱側(cè)隙。但側(cè)隙會產(chǎn)生齒間沖擊，影響傳動的平穩(wěn)性（出現(xiàn)傳動死區(qū)）。若死區(qū)在閉環(huán)系統(tǒng)中，則可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，使系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩。適當(dāng)控制側(cè)隙可以提高齒輪傳動的精度。常用的調(diào)整齒側(cè)間隙的方法有以下幾種：40（1）圓柱齒輪傳動機構(gòu)

1)偏心軸套調(diào)整法3.2.3齒輪傳動412)圓柱薄片齒輪錯齒調(diào)整

3.2.3齒輪傳動42（2）斜齒輪傳動機構(gòu)

1）墊片調(diào)整法3.2.3齒輪傳動43

2）軸向壓簧調(diào)整法3.2.3齒輪傳動44

（3）錐齒輪傳動機構(gòu)

1）軸向壓簧調(diào)整法3.2.3齒輪傳動45

2）周向彈簧調(diào)整法3.2.3齒輪傳動46

（4）齒輪齒條傳動機構(gòu)3.2.3齒輪傳動47

同步齒形帶傳動，是一種新型的帶傳動。它利用齒形帶的齒形與帶輪的輪齒依次相嚙合傳動運動和動力。

3.2.4同步帶傳動48傳動比準(zhǔn)確，傳動效率高；工作平穩(wěn)，能吸收振動；不需要潤滑、耐油水、耐高溫、耐腐蝕，維護保養(yǎng)方便；中心距要求嚴(yán)格，安裝精度要求高；制造工藝復(fù)雜，成本高。

1、同步帶傳動的特點3.2.4同步帶傳動492同步帶的結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)根據(jù)齒形的不同，同步齒形帶可以分成兩種。一種是梯形齒同步帶，另一種是圓弧齒同步帶。3.2.4同步帶傳動50

主要參數(shù)

1、節(jié)線長：強力層中心線長；

2、節(jié)距P：相鄰兩齒在節(jié)線上的距離；

3、模數(shù)m：是節(jié)距P與π之比，即m=P/π；

4、規(guī)格：單面齒、雙面齒（DI型、DII型）；3.2.4同步帶傳動513.2.4同步帶傳動3、帶輪材料一般采用鑄鐵或鋼，有漸開線和直線兩種523.2.5間歇傳動

在機械、電子、輕工等行業(yè)的生產(chǎn)中，為了提高生產(chǎn)率或滿足某些工藝規(guī)范上的要求，很多情況下需要執(zhí)行部件作周期性停歇的單方向運動，來實現(xiàn)間歇送料、運輸、分度轉(zhuǎn)位、加工、計數(shù)、檢測等工藝規(guī)范的操作。常用的間歇傳動機構(gòu)有槽輪機構(gòu)、棘輪機構(gòu)、轉(zhuǎn)位凸輪機構(gòu)、非完整齒輪機構(gòu)及伺服電機分度等。53平面外槽輪機構(gòu)實物圖3.2.5間歇傳動54外嚙合式棘輪機構(gòu)

3.2.5間歇傳動55外嚙合式不完全齒輪機構(gòu)

3.2.5間歇傳動563.3導(dǎo)向機構(gòu)

3.3.1導(dǎo)軌副的組成及種類571.導(dǎo)軌副的種類及基本要求各種機械運行時，由導(dǎo)軌副保證執(zhí)行件的正確運動軌跡，并影響執(zhí)行件的運動特性。導(dǎo)軌副包括運動導(dǎo)軌和支承導(dǎo)軌兩部分。支承導(dǎo)軌用以支承和約束運動導(dǎo)軌，使之按功能要求作正確的運動。

1)．按導(dǎo)軌副運動導(dǎo)軌的軌跡分類（a）直線運動導(dǎo)軌副支承導(dǎo)軌約束了運動導(dǎo)軌的五個自由度，僅保留沿給定方向的直線移動自由度。（b）旋轉(zhuǎn)運動導(dǎo)軌副支承導(dǎo)軌約束了運動導(dǎo)軌的五個自由度，僅保留繞給定軸線的旋轉(zhuǎn)運動自由度。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

582)．按導(dǎo)軌副導(dǎo)軌面間的摩擦性質(zhì)分類（a）滑動摩擦導(dǎo)軌副；（b）滾動摩擦導(dǎo)軌副；（c）流體摩擦導(dǎo)軌副。3)．按導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)分類（a）開式導(dǎo)軌必須借助運動件的自重或外載荷，才能保證在一定的空間位置和受力狀態(tài)下，運動導(dǎo)軌和支承導(dǎo)軌的工作面保持可靠的接觸，從而保證運動導(dǎo)軌的規(guī)定運動。開式導(dǎo)軌一般受溫度變化的影響較小。（b）閉式導(dǎo)軌借助導(dǎo)軌副本身的封閉式結(jié)構(gòu)，保證在變化的空間位置和受力狀態(tài)下，運動導(dǎo)軌和支承導(dǎo)軌的工作面都能保持可靠的接觸，從而保證運動導(dǎo)軌的規(guī)定運動。閉式導(dǎo)軌一般受溫度變化的影響較小。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

594)．按直線運動導(dǎo)軌副的基本截面形狀分類矩形對稱三角形不對稱三角形燕尾槽圓形凸形凹形3.3導(dǎo)向機構(gòu)

605).導(dǎo)軌副應(yīng)滿足的基本要求（a）導(dǎo)向精度導(dǎo)向精度主要是指動導(dǎo)軌沿支承導(dǎo)軌運動的直線度或圓度。影響它的因素有：導(dǎo)軌的幾何精度、接觸精度、結(jié)構(gòu)形式、剛度、熱變形、裝配質(zhì)量以及液體動壓和靜壓導(dǎo)軌的油膜厚度、油膜剛度等。（b）耐磨性是指導(dǎo)軌在長期使用過程中能否保持一定的導(dǎo)向精度。因?qū)к壴诠ぷ鬟^程中難免有所磨損，所以應(yīng)力求減小磨損量，并在磨損后能自動補償或便于調(diào)整。（c）疲勞和壓潰導(dǎo)軌面由于過載或接觸應(yīng)力不均勻而使導(dǎo)軌表面產(chǎn)生彈性變形，反復(fù)運行多次后就會形成疲勞點，呈塑性變形，表面形成龜裂、剝落而出現(xiàn)凹坑，這種現(xiàn)象就是壓潰。疲勞和壓潰是滾動導(dǎo)軌失效的主要原因，為此應(yīng)控制滾動導(dǎo)軌承受的最大載荷和受載的均勻性。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

61（d）剛度導(dǎo)軌受力變形會影響導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度及部件之間的相對位置，因此要求導(dǎo)軌應(yīng)有足夠的剛度。為減輕或平衡外力的影響，可采用加大導(dǎo)軌尺寸或添加輔助導(dǎo)軌的方法提高剛度。（e）低速運動平穩(wěn)性低速運動時，作為運動部件的動導(dǎo)軌易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。低速運動的平穩(wěn)性與導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)和潤滑，動、靜摩擦系數(shù)的差值，以及導(dǎo)軌的剛度等有關(guān)。（f）結(jié)構(gòu)工藝性設(shè)計導(dǎo)軌時，要注意制造、調(diào)整和維修的方便，力求結(jié)構(gòu)簡單，工藝性及經(jīng)濟性好。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

622.導(dǎo)軌副間隙調(diào)整為保證導(dǎo)軌正常工作，導(dǎo)軌滑動表面之間應(yīng)保持適當(dāng)?shù)拈g隙。間隙過小，會增加摩擦阻力；間隙過大，會降低導(dǎo)向精度。導(dǎo)軌的間隙如依靠刮研來保證，要費很大的勞動量，而且導(dǎo)軌經(jīng)長期使用后，會因磨損而增大間隙，需要及時調(diào)整，故導(dǎo)軌應(yīng)有間隙調(diào)整裝置。矩形導(dǎo)軌需要在垂直和水平兩個方向上調(diào)整間隙。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

63

常用的調(diào)整方法有壓板和鑲條法兩種方法。對燕尾形導(dǎo)軌可采用鑲條(墊片)方法同時調(diào)整垂直和水平兩個方向的間隙。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

64對矩形導(dǎo)軌可采用修刮壓板、修刮調(diào)整墊片的厚度或調(diào)整螺釘?shù)姆椒ㄟM(jìn)行間隙的調(diào)整3.3導(dǎo)向機構(gòu)

653.導(dǎo)軌副的材料選擇滑動導(dǎo)軌常用材料有鑄鐵、鋼、有色金屬和塑料等1)．鑄鐵鑄鐵有良好的耐磨性、抗振性和工藝性。常用鑄鐵的種類有：（1）灰鑄鐵一般選擇HT200，用于手工刮研、中等精度和運動速度較低的導(dǎo)軌，硬度在HB180以上；（2）孕育鑄鐵把硅鋁孕育劑加入鐵水而得，耐磨性高于灰鑄鐵；（3）合金鑄鐵3.3導(dǎo)向機構(gòu)

66

鑄鐵導(dǎo)軌的熱處理方法，通常有接觸電阻淬火和中高頻感應(yīng)淬火。接觸電阻淬火，淬硬層為0.15~0.2mm。硬度可達(dá)HRC55。中高頻感應(yīng)淬火，淬硬層為2~3mm，硬度可達(dá)HRC48~55，耐磨性可提高二倍，但在導(dǎo)軌全長上依次淬火易產(chǎn)生變形，全長上同時淬火需要相應(yīng)的設(shè)備。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

672)．鋼鑲鋼導(dǎo)軌的耐磨性較鑄鐵可提高五倍以上。常用的鋼有：9Mn2V、CrWMn、GCr15、T8A、45、40Cr等采用表面淬火或整體淬硬處理，硬度為52~58HRC；20Cr、20CrMnTi、15等滲碳淬火，滲碳淬硬至56~62HRC；38CrMoAlA等采用氮化處理。3)．有色金屬常用的有色金屬有黃銅HPb59-l，錫青銅ZCuSn6Pb3Zn6，鋁青銅ZQAl9-2和鋅合金ZZn-Al10-5，超硬鋁LC4、鑄鋁ZL106等，其中以鋁青銅較好。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

684)．塑料鑲裝塑料導(dǎo)軌具有耐磨性好(但略低于鋁青銅)，抗振性能好，工作溫度適應(yīng)范圍廣(-200~+260℃)，抗撕傷能力強，動、靜摩擦系數(shù)低、差別小，可降低低速運動的臨界速度，加工性和化學(xué)穩(wěn)定件好，工藝簡單，成本低等優(yōu)點。目前在各類機床的動導(dǎo)軌及圖形發(fā)生器工作臺的導(dǎo)軌上都有應(yīng)用。塑料導(dǎo)軌多與不淬火的鑄鐵導(dǎo)軌搭配。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

69

導(dǎo)軌的使用壽命取決于導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)、材料、制造質(zhì)量、熱處理方法、以及使用與維護。提高導(dǎo)軌的耐磨性，使其在較長時期內(nèi)保持一定的導(dǎo)向精度，就能延長設(shè)備的使用壽命。常用的提高導(dǎo)軌耐磨性的方法有：采用鑲裝導(dǎo)軌、提高導(dǎo)軌的精度與改善表面粗糙度、采用卸荷裝置減小導(dǎo)軌單位面積上的壓力(即比壓)等。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

704滾動導(dǎo)軌副1)．滾動導(dǎo)軌的特點（1）滾動直線導(dǎo)軌副是在滑塊與導(dǎo)軌之間放入適當(dāng)?shù)匿撉?，使滑塊與導(dǎo)軌之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，大大降低二者之間的運動摩擦阻力，從而獲得：動、靜摩擦力之差很小，隨動性極好驅(qū)動功率大幅度下降，只相當(dāng)于普通機械的十分之一；與V型十字交叉滾子導(dǎo)軌相比，摩擦阻力可下降約40倍；能實現(xiàn)高定位精度和重復(fù)定位精度；適應(yīng)高速直線運動，其瞬時速度比滑動導(dǎo)軌提高約10倍；能實現(xiàn)無間隙運動，提高機械系統(tǒng)的運動剛度。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

71（2）承載能力大其滾道采用圓弧形式，增大了滾動體與圓弧滾道接觸面積，從而大大地提高了導(dǎo)軌的承載能力，可達(dá)到平面滾道形式的13倍。（3）剛性強在該導(dǎo)軌制作時，常需要預(yù)加載荷，這使導(dǎo)軌系統(tǒng)剛度得以提高。（4）壽命長由于是純滾動，摩擦系數(shù)為滑動導(dǎo)軌的l／50左右，磨損小，因而壽命長，功耗低。（5）成對使用導(dǎo)軌副時，具有“誤差均化效應(yīng)”。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

72（6）傳動平穩(wěn)可靠由于摩接力小，動作輕便，因而定位精度高，微量移動靈活準(zhǔn)確。（7）具有結(jié)構(gòu)自調(diào)整能力裝配調(diào)整容易，因此降低了對配件加工精度要求。（8）導(dǎo)軌采用表面硬化處理，使導(dǎo)軌具有良好的耐磨性；心部保持良好的機械性能。（9）簡化了機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

732)．滾動直線導(dǎo)軌的分類（1）按滾動體的形狀分類3.3導(dǎo)向機構(gòu)

74（2）按導(dǎo)軌截面形狀分類右上圖所示為四方向等載荷式，導(dǎo)軌截面為矩形，承載時各方向受力大小相等。梯形截面如下圖所示，導(dǎo)軌能承受較大的垂直載荷，而其它方向的承載能力較低，但對于安裝基準(zhǔn)的誤差調(diào)節(jié)能力較強。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

75（3）按滾道溝槽形狀分類有單圓弧和雙圓弧二種，見右圖。單圓弧溝槽為二點接觸，如右上圖所示。雙圓弧溝槽為四點接觸，如右下圖所示。前者運動摩擦和安裝基準(zhǔn)平均作用比后者要小，但其靜剛度比后者稍差。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

763．滾動直線導(dǎo)軌的有關(guān)計算循環(huán)式直線導(dǎo)軌副的承載能力用額定動載荷Ca和額定靜載荷Coa表示。其額定壽命L用下式計式中：—額定壽命（km）；

—行程長度（m）；

—每分鐘往復(fù)次數(shù)；

—小時為單位的額定壽命。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

77

額定壽命L與額定動載荷Ca的關(guān)系式可表示為：其中：—實際工作載荷(kN)；

—指數(shù)，滾珠，滾子

—額定壽命單位，滾珠，滾子

—硬度系數(shù)，

—溫度系數(shù)，查表1；—接觸系數(shù)，查表2；

—精度系數(shù)，查表3；—載荷系數(shù)，查表4；3.3導(dǎo)向機構(gòu)

78工作溫度（℃）≤1001.00>100~1500.90>150~2000.73>200~2500.60表1溫度系數(shù)3.3導(dǎo)向機構(gòu)

79每根導(dǎo)軌上的滑塊數(shù)11.0020.8130.7240.6650.61表2接觸系數(shù)3.3導(dǎo)向機構(gòu)

80表3精度系數(shù)精度系數(shù)CDEFGH1.01.00.90.90.80.73.3導(dǎo)向機構(gòu)

81工作條件無外部沖擊或振動的低速運動場合，速度小于15m/min1~1.5無明顯沖擊或振動的中速運動場合，速度小于60m/min1.5~2有外部沖擊或振動的高速運動場合，速度大于60m/min2~3.5表4載荷系數(shù)3.3導(dǎo)向機構(gòu)

823.3.2導(dǎo)軌的基本要求

1.導(dǎo)向精度

導(dǎo)向精度是指動導(dǎo)軌按給定方向作直線運動的準(zhǔn)確程度。導(dǎo)向精度的高低主要取決于導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)類型，導(dǎo)軌的幾何精度和接觸精度，導(dǎo)軌的配合間隙、油膜厚度和油膜剛度，導(dǎo)軌和基礎(chǔ)件的剛度和熱變形等。

直線運動導(dǎo)軌的幾何精度一般有下列幾項規(guī)定：

（1）導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)的直線度（即導(dǎo)軌縱向直線度），見圖3－23（a）。

（2）導(dǎo)軌在水平平面內(nèi)的直線度（即導(dǎo)軌橫向直線度），見圖3－23（b）。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

83導(dǎo)軌在垂直平面和水平平面內(nèi)的直線度

3.3導(dǎo)向機構(gòu)

84

理想的導(dǎo)軌與垂直和水平平面的交線，均應(yīng)是一條直線，但由于制造的誤差，使實際輪廓線偏離理想的直線，測得實際包容線的兩平行直線間的寬度ΔV和ΔH，即為導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)和水平平面內(nèi)的直線度。在這兩種精度中，一般規(guī)定導(dǎo)軌全長上的直線度或?qū)к壴谝欢ㄩL度上的直線度。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

85

（3）導(dǎo)軌間的平行度也叫扭曲度，這項誤差一般規(guī)定用在導(dǎo)軌一定長度上（1000mm）和全長上的橫向扭曲值δ表示，如圖3－24所示。

3.3導(dǎo)向機構(gòu)

86導(dǎo)軌間的平行度

3.3導(dǎo)向機構(gòu)

87

2.剛度

導(dǎo)軌的剛度就是抵抗載荷的能力。抵抗恒定載荷的能力稱為靜剛度；抵抗交變載荷的能力稱為動剛度。在恒定載荷作用下，物體變形的大小表示靜剛度的好壞。導(dǎo)軌變形一般有自身、局部和接觸三種變形。

導(dǎo)軌的自身變形由作用在導(dǎo)軌面上的零、部件重量（包括自重）而引起，它主要與導(dǎo)軌的類型、尺寸以及材料等有關(guān)。因此，加強導(dǎo)軌自身剛度常用增大尺寸和合理布置筋與筋板等辦法解決。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

88

導(dǎo)軌局部變形發(fā)生在載荷集中的地方，因此，必須加強導(dǎo)軌的局部剛度。在兩個平面接觸處，由于加工造成的微觀不平度，使其實際接觸面積僅僅是名義接觸面積的很小一部分，因而產(chǎn)生接觸變形。由于接觸面積是隨機的，故接觸變形不是定值，亦即接觸剛度也不是定值，但在應(yīng)用時，接觸剛度必須是定值。為此，對于動導(dǎo)軌與支承導(dǎo)軌等活動接觸面，需施加預(yù)載荷，以增加接觸面積，提高接觸剛度。預(yù)載荷一般等于運動件及其上的工件等的重量。為了保證導(dǎo)軌副的剛度，導(dǎo)軌副應(yīng)有一定的接觸精度。導(dǎo)軌的接觸精度以導(dǎo)軌表面的實際接觸面積占理論接觸面積的百分比或在25×25mm2面積上的接觸點的數(shù)目和分布狀況來表示。這項精度一般根據(jù)精刨、磨削、刮研等加工方法按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

89

3.精度保持性

導(dǎo)軌的精度保持性是指導(dǎo)軌在長期使用后，應(yīng)能保持一定的導(dǎo)向精度，又稱為耐磨性。導(dǎo)軌的耐磨性主要取決于導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)、材料、摩擦性質(zhì)、表面粗糙度、表面硬度、表面潤滑及受力情況等。要提高導(dǎo)軌的精度保持性，必須進(jìn)行正確的潤滑與保護，普遍采用獨立的潤滑系統(tǒng)進(jìn)行自動潤滑；防護方法很多，目前一般采用多層金屬薄板伸縮式防護罩進(jìn)行防護。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

90

4.運動的靈活性和低速運動的平穩(wěn)性

機電一體化系統(tǒng)和計算機外圍設(shè)備等的精度和運動速度都比較高，因此，其導(dǎo)軌應(yīng)具有較好的靈活性和平穩(wěn)性，工作時應(yīng)輕便省力，速度均勻，低速運動或微量位移時不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，高速運動時應(yīng)無振動。所謂低速爬行，是指在低速運行時（如0.05mm/min），往往不是作連續(xù)的勻速運動而是時走時停（即爬行）。其主要原因是摩擦系數(shù)隨運動速度變化和傳動系統(tǒng)剛度不足造成的。如圖3－25所示，將傳動系統(tǒng)和摩擦副簡化成彈簧－阻尼系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)2帶動運動件3在靜導(dǎo)軌4上運動時，作用在導(dǎo)軌副內(nèi)的摩擦力F是變化的。導(dǎo)軌副相對靜止時，靜摩擦系數(shù)較大。運動開始的低速階段，動摩擦系數(shù)是隨導(dǎo)軌副相對滑動速度的增大而降低的，直到相對速度增大到某一臨界值，動摩擦系數(shù)才隨相對速度的減小而增加。具體來說，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(dāng)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。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

91

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(yīng)增大，同時彈簧相應(yīng)伸長，作用在3上的彈簧力逐漸減小，3產(chǎn)生負(fù)加速度，速度降低，動摩擦力相應(yīng)增大，速度逐漸下降，直到3停止運動，主動件1重新壓縮彈簧，爬行現(xiàn)象進(jìn)入下一個周期。為防止爬行現(xiàn)象的出現(xiàn)，可同時采取以下幾項措施：采用滾動導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌、卸荷導(dǎo)軌、貼塑料層導(dǎo)軌等；在普通滑動導(dǎo)軌上使用含有極性添加劑的導(dǎo)軌油；用減少結(jié)合面、增大結(jié)構(gòu)尺寸、縮短傳動鏈、減少傳動副等方法來提高傳動系統(tǒng)的剛度。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

92彈簧—阻尼系統(tǒng)3.3導(dǎo)向機構(gòu)

93

5.對溫度的敏感性和結(jié)構(gòu)工藝性

導(dǎo)軌在環(huán)境溫度變化的情況下，應(yīng)能正常工作，既不“卡死”，亦不影響系統(tǒng)運動精度。導(dǎo)軌對溫度變化的敏感性主要取決于導(dǎo)軌材料和導(dǎo)軌配合間隙的選擇。

結(jié)構(gòu)工藝性是指系統(tǒng)在正常工作的條件下，應(yīng)力求結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，裝拆、調(diào)整、維修及檢測方便，從而最大限度地降低成本。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

94

6.導(dǎo)軌副的設(shè)計內(nèi)容

設(shè)計導(dǎo)軌副時，主要包括下列幾方面內(nèi)容：

（1）根據(jù)工作條件選擇合適的導(dǎo)軌類型。

（2）選擇導(dǎo)軌的截面形狀，以保證導(dǎo)向精度。

（3）選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)軌結(jié)構(gòu)及尺寸，使其在給定的載荷及工作溫度范圍內(nèi)，有足夠的剛度、良好的耐磨性以及運動輕便和低速平穩(wěn)性。

（4）選擇導(dǎo)軌的補償及調(diào)整裝置，經(jīng)長期使用后，通過調(diào)整能保持所需要的導(dǎo)向精度。

（5）選擇合理的耐磨涂料、潤滑方法和防護裝置，使導(dǎo)軌有良好的工作條件，以減少摩擦和磨損。

（6）制定保證導(dǎo)軌正常工作所必需的技術(shù)條件，如選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，以及熱處理、精加工和測量方法等。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

952.3.3滑動導(dǎo)軌副

1.滑動導(dǎo)軌副的結(jié)構(gòu)及特點

滑動摩擦導(dǎo)軌的特點是運動件與承導(dǎo)件直接接觸。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、接觸剛度大；缺點是摩擦阻力大、磨損快、低速運動時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。

表3－1列出了滑動摩擦導(dǎo)軌截面的常用結(jié)構(gòu)形式。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

96表3－1滑動摩擦導(dǎo)軌截面的常用形式3.3導(dǎo)向機構(gòu)

97

（1）三角形導(dǎo)軌（V形導(dǎo)軌）。導(dǎo)軌尖頂朝上的稱三角形導(dǎo)軌，尖頂朝下的稱V形導(dǎo)軌。該導(dǎo)軌在垂直載荷的作用下，磨損后能自動補償，不會產(chǎn)生間隙，故導(dǎo)向精度較高。但壓板面仍需有間隙調(diào)整裝置。它的截面角度由載荷大小及導(dǎo)向要求而定，一般為90°。為增加承載面積，減小比壓，在導(dǎo)軌高度不變的條件下，應(yīng)采用較大的頂角（110°～120°）；為提高導(dǎo)向性，可采用較小的頂角（60°）。如果導(dǎo)軌上所受的力在兩個方向上的分力相差很大，則應(yīng)采用不對稱三角形，以使力的作用方向盡可能垂直于導(dǎo)軌面。此外，導(dǎo)軌水平與垂直方向的誤差將產(chǎn)生相互影響，會給制造、檢驗和修理帶來困難。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

98

（2）矩形導(dǎo)軌。矩形導(dǎo)軌的特點是結(jié)構(gòu)簡單，制造、檢驗和修理方便，導(dǎo)軌面較寬，承載能力大，剛度高，故應(yīng)用廣泛。

矩形導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度沒有三角形導(dǎo)軌高，磨損后不能自動補償，須有調(diào)整間隙裝置，但水平和垂直方向上的位置各不相關(guān)，即一方向上的調(diào)整不會影響到另一方向上的位移，因此安裝、調(diào)整均較方便。在導(dǎo)軌的材料、載荷、寬度相同的情況下，矩形導(dǎo)軌的摩擦阻力和接觸變形都比三角形導(dǎo)軌小。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

99

（3）燕尾形導(dǎo)軌。此類導(dǎo)軌磨損后不能自動補償間隙，需設(shè)調(diào)整間隙裝置。兩燕尾面起壓板面作用，用一根鑲條就可調(diào)節(jié)水平與垂直方向的間隙，且高度小，結(jié)構(gòu)緊湊，可以承受傾覆力矩。但其剛度較差，摩擦力較大，制造、檢驗和維修都不方便。該類導(dǎo)軌用于運動速度不高，受力不大，高度尺寸受到限制的場合。

3.3導(dǎo)向機構(gòu)

100

（4）圓形導(dǎo)軌。

圓形導(dǎo)軌制造方便，加工和檢驗比較簡單，外圓采用磨削，內(nèi)孔經(jīng)過珩磨，可達(dá)到精密配合，但磨損后很難調(diào)整和補償間隙，對溫度變化比較敏感。圓形導(dǎo)軌有兩個自由度，適用于同時作直線運動和轉(zhuǎn)動的地方。在只需作直線運動時，為了防止運動件產(chǎn)生不必要的回轉(zhuǎn)，一般需設(shè)計相應(yīng)的防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，但不能承受大的扭矩。圖3－26為最常見的五種圓形導(dǎo)軌防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。

3.3導(dǎo)向機構(gòu)

101圓形導(dǎo)軌的防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

3.3導(dǎo)向機構(gòu)

102

2.滑動導(dǎo)軌副的組合形式

1）雙三角形導(dǎo)軌

雙三角形導(dǎo)軌如圖3－27所示。其兩條三角形導(dǎo)軌同時起支承和導(dǎo)向作用，由于結(jié)構(gòu)對稱，驅(qū)動元件可對稱地放在兩導(dǎo)軌面中間，并且兩條導(dǎo)軌磨損均勻，磨損后相對位置不變，能自動補償垂直和水平方向的磨損，故導(dǎo)向性和精度保持性都高，接觸剛度好。雙三角形導(dǎo)軌的工藝性較差，對導(dǎo)軌的四個表面進(jìn)行刮削和磨削時也難以完全接觸，如果床身和運動部件的熱變形不同，則很難保證四個面同時接觸。因此，此類導(dǎo)軌多用于精度要求較高的機床設(shè)備。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

103雙三角形導(dǎo)軌

3.3導(dǎo)向機構(gòu)

104

2）三角形和矩形導(dǎo)軌組合

圖3－28所示為三角形和矩形導(dǎo)軌組合。這種組合形式兼有三角形導(dǎo)軌的導(dǎo)向性好，矩形導(dǎo)軌的制造方便、剛性好的優(yōu)點，可避免由于熱變形所引起的配合變化。但是，這種組合導(dǎo)軌磨損不均，一般是三角形導(dǎo)軌比矩形導(dǎo)軌磨損快，磨損后又不能通過調(diào)節(jié)來補償，故對位置精度有影響。組合導(dǎo)軌有壓板面，能承受顛覆力矩。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

105三角形和矩形導(dǎo)軌組合

3.3導(dǎo)向機構(gòu)

106

3）三角形和平面導(dǎo)軌組合

圖3－29所示為三角形和平面導(dǎo)軌組合。這種組合形式的導(dǎo)軌具有三角形和矩形組合導(dǎo)軌的基本特點，但由于沒有閉合導(dǎo)軌裝置，因此只能應(yīng)用于受力方向向下的場合。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

107三角形和平面導(dǎo)軌組合

3.3導(dǎo)向機構(gòu)

108

對于三角形和矩形、三角形和平面組合導(dǎo)軌，由于三角形和矩形（或平面）導(dǎo)軌的摩擦阻力不相等，因此在布置牽引力的位置時，應(yīng)使導(dǎo)軌的摩擦阻力的合力與牽引力在同一直線上，否則就會產(chǎn)生力矩，使三角形導(dǎo)軌對角接觸，影響運動件的導(dǎo)向精度和運動的靈活性。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

109

3.滑動導(dǎo)軌副間隙的調(diào)整

為了保證導(dǎo)軌正常工作，導(dǎo)軌滑動表面之間應(yīng)保持適當(dāng)?shù)拈g隙。間隙過小，會增加摩擦阻力；間隙過大，會降低導(dǎo)向精度。導(dǎo)軌的間隙如依靠刮研來保證，勞動強度很大，而且導(dǎo)軌經(jīng)長期使用后，會因磨損而增大間隙，需要及時調(diào)整，故導(dǎo)軌應(yīng)有間隙調(diào)整裝置。矩形導(dǎo)軌需要在垂直和水平兩個方向上調(diào)整間隙，常用的調(diào)整方法有壓板法和鑲條法。對燕尾形導(dǎo)軌，可采用鑲條（墊片）方法同時調(diào)整垂直和水平兩個方向的間隙。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

110

4.導(dǎo)軌副材料的選擇及搭配導(dǎo)軌常用的材料有鑄鐵、鋼、有色金屬和塑料等，常使用鑄鐵—鑄鐵、鑄鐵—鋼的導(dǎo)軌材料搭配。

（1）鑄鐵。鑄鐵具有耐磨性和減振性好，熱穩(wěn)定性高，易于鑄造和切削加工，成本低等特點。常用的鑄鐵有灰鑄鐵、耐磨鑄鐵、高磷鑄鐵、低合金鑄鐵、稀土鑄鐵、孕育鑄鐵等。

（2）鋼。為了提高導(dǎo)軌的耐磨性，可以采用淬硬的鋼導(dǎo)軌。淬火的鋼導(dǎo)軌都是鑲裝或焊接上去的。淬硬鋼導(dǎo)軌的耐磨性比不淬硬鑄鐵導(dǎo)軌的耐磨性高5～10倍。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

111

一般要求的導(dǎo)軌，常用的鋼有45、40Cr、T10A、GCr15、GCr15SiMn等,表面淬火和全淬，硬度為HRC52～58。要求高的導(dǎo)軌，常采用的鋼有20Cr、20CrMnTi、15等，滲碳淬硬至HRC56～62，磨削加工后淬硬層深度不得低于1.5mm。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

112

(3)有色金屬。常用的有色金屬有黃銅（HPb59－1）、錫青銅（ZQSn6－6－3）、鋁青銅（ZQAl9－2）、鋅合金（ZZn－Al10－5）、超硬鋁（LC4）、鑄鋁（ZL6）等，其中以鋁青銅較好。

（4）塑料。鑲裝塑料導(dǎo)軌具有耐磨性好（但略低于鋁青銅），抗振性能好，工作溫度適應(yīng)范圍廣（-200～+26℃），抗撕傷能力強，動、靜摩擦系數(shù)低、差別小，可降低低速運動的臨界速度，加工性和化學(xué)穩(wěn)定性好，工藝簡單，成本低等優(yōu)點，目前在各類機床的動導(dǎo)軌及圖形發(fā)生器工作臺的導(dǎo)軌上都有應(yīng)用。塑料導(dǎo)軌多與不淬火的鑄鐵導(dǎo)軌搭配。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

113

（5）導(dǎo)軌材料的搭配。為了提高導(dǎo)軌的耐磨性，動導(dǎo)軌和支承導(dǎo)軌應(yīng)具有不同的硬度。如果采用相同的材料，則也應(yīng)采用不同的熱處理，以使動、靜導(dǎo)軌的硬度不同，其差值一般在HB20～40范圍內(nèi)，而且，最低硬度應(yīng)不低于所用材料標(biāo)準(zhǔn)硬度值的下限?；瑒訉?dǎo)軌常用材料的搭配見表3－2。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

114表3－2滑動導(dǎo)軌常用材料的搭配3.3導(dǎo)向機構(gòu)

1153.3.4滾動直線導(dǎo)軌副和圓柱直線滾動導(dǎo)軌副

1.滾動直線導(dǎo)軌副的結(jié)構(gòu)和工作原理

滾動直線導(dǎo)軌副由導(dǎo)軌7、滑塊5、鋼球2、返向器4、保持架1、密封端蓋3及側(cè)密封墊8等組成（見圖3－30）。當(dāng)導(dǎo)軌與滑塊作相對運動時，鋼球沿著導(dǎo)軌上的經(jīng)過淬硬和精密磨削加工而成的四條滾道滾動，在滑塊端部鋼球又通過返向裝置（返向器）進(jìn)入返向孔后再進(jìn)入滾道。返向器兩端裝有防塵密封端蓋，可有效防止灰塵、切屑進(jìn)入滑塊內(nèi)部。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

116滾動直線導(dǎo)軌副的結(jié)構(gòu)

3.3導(dǎo)向機構(gòu)

117

2.滾動直線導(dǎo)軌副的優(yōu)點

由于在滾動直線導(dǎo)軌副的滑塊與導(dǎo)軌之間放入了鋼球，使滑塊與導(dǎo)軌之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，因此它具有如下優(yōu)點：

（1）降低了滑塊與導(dǎo)軌之間的運動摩擦阻力，使得動、靜摩擦力之差很小，隨動性極好，即驅(qū)動信號與機械動作滯后時間極短，有益于提高響應(yīng)速度和靈敏度。與V形十字交叉滾子導(dǎo)軌相比，其摩擦阻力為后者的1/40，瞬時速度比滑動導(dǎo)軌提高約10倍。

（2）驅(qū)動功率大幅度下降，只相當(dāng)于普通機械的1/10。

（3）能實現(xiàn)高定位精度和重復(fù)定位精度。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

118

（4）能實現(xiàn)無間隙運動，提高機械系統(tǒng)的運動剛度。成對使用導(dǎo)軌副時，具有“誤差均化效應(yīng)”，從而降低基礎(chǔ)件（導(dǎo)軌安裝面）的加工精度要求，降低基礎(chǔ)件的機械制造成本與難度。

（5）導(dǎo)軌副滾道截面采用合理比值的圓弧溝槽，接觸應(yīng)力小，承接能力及剛度比平面與鋼球點接觸時大大提高。

（6）導(dǎo)軌采用表面硬化處理，心部保持良好的機械性能，使導(dǎo)軌具有良好的可校性。

但是，該導(dǎo)軌副的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加工較困難，成本較高，對臟物及導(dǎo)軌面的誤差比較敏感。

3.3導(dǎo)向機構(gòu)

119

3.滾動直線導(dǎo)軌副的類型及結(jié)構(gòu)特點

（1）根據(jù)滾動體的循環(huán)方式分有滾動體循環(huán)式和滾動體不循環(huán)式兩種。目前應(yīng)用較多的是滾動體循環(huán)式。

（2）按滾動體的形狀可以分為滾珠式（圖3－30）和滾柱式（圖3－31）兩種。滾柱式由于為線接觸，故有較高的承載能力，但摩擦力較大，同時加工分配也相對復(fù)雜。目前使用較多的是滾珠式。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

120滾柱導(dǎo)軌

3.3導(dǎo)向機構(gòu)

121

（3）按導(dǎo)軌截面形狀分有矩形和梯形兩種。矩形導(dǎo)軌的四個方向是等載荷式的，導(dǎo)軌截面為矩形，承載時各方向受力大小相等（圖3－32）。梯形截面導(dǎo)軌能承受較大的垂直載荷，而其他方向的承載能力較低，但對于安裝基準(zhǔn)的誤差調(diào)整能力較強。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

122矩形導(dǎo)軌及滾動體

3.3導(dǎo)向機構(gòu)

123

（4）按軌道溝槽形狀分有單圓弧和雙圓弧兩種。單圓弧溝槽為兩點接觸，雙圓弧溝槽為四點接觸，前者的運動摩擦和對安裝基準(zhǔn)的誤差平均作用比后者要小，但其靜剛度比后者稍差。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

124圓柱直線滾動導(dǎo)軌副3.3導(dǎo)向機構(gòu)

125

4.圓柱直線滾動導(dǎo)軌副

圖3－33為圓柱直線滾動導(dǎo)軌副的外形圖。導(dǎo)軌副和其上的直線運動球軸承（可與相應(yīng)軸承座相配合）構(gòu)成直線運動的滾動導(dǎo)軌副。直線運動球軸承由外套筒、保持架、滾珠（負(fù)載滾珠和返回滾珠）、鑲有橡膠密封墊的擋圈組成。這種軸承只能在導(dǎo)軌副上作軸向直線往復(fù)運動，而不能旋轉(zhuǎn)。當(dāng)其在導(dǎo)軌副上作直線運動時，滾珠在保持架的長環(huán)形通道內(nèi)循環(huán)流動。滾珠列數(shù)有3、4、5、6等幾種，可保證負(fù)載滾珠與導(dǎo)軌副之間的接觸剛度。這種導(dǎo)軌運動輕便、靈活、精度高、價格較低、維護方便、更換容易，但因?qū)к壐敝g為點接觸，所以常用于輕載移動、輸送系統(tǒng)。

3.3導(dǎo)向機構(gòu)

1262.3.5靜壓導(dǎo)軌副

靜壓導(dǎo)軌副將具有一定壓力的油或氣體介質(zhì)通入導(dǎo)軌的運動件與承導(dǎo)件之間，使運動件浮在壓力油或氣體薄膜之上，與承導(dǎo)件脫離接觸，可使摩擦阻力（力矩）大大降低。運動件受外載荷作用后，介質(zhì)壓力會反饋升高，以支承外載荷。圖3－34為能承受載荷F與顛覆力矩M的閉式液體靜壓導(dǎo)軌工作原理圖。當(dāng)工作臺受集中載荷F（外力和工作臺重力）作用而下降時，間隙h1、h2減小，h4、h6增大，流經(jīng)節(jié)流閥1、2的流量減少，其壓力降也相應(yīng)減少，油腔壓力p2、p3升高,流經(jīng)節(jié)流閥5、7的流量增大，其壓力p5、p6則相應(yīng)降低。當(dāng)四個油腔所產(chǎn)生的向上的支承合力與力F達(dá)到平衡狀態(tài)時，可使工作臺穩(wěn)定在新的平衡位置。若工作臺受到水平力作用，則h3減少、h5增大，左、右油腔產(chǎn)生的壓力p1、p4的合力與水平方向的外力處于平衡狀態(tài)。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

127閉式液體靜壓導(dǎo)軌工作原理圖

3.3導(dǎo)向機構(gòu)

128開式液體靜壓導(dǎo)軌工作原理圖3.3導(dǎo)向機構(gòu)

129要提高靜壓導(dǎo)軌的剛度，可通過以下途徑實現(xiàn)：提高系統(tǒng)的供油壓力；加大油腔受力面積；減小導(dǎo)軌間隙。要提高靜壓導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度，必須提高導(dǎo)軌表面加工的幾何精度和接觸精度，精濾過的液壓油液的雜質(zhì)微粒的最大尺寸應(yīng)小于導(dǎo)軌間隙。3.3導(dǎo)向機構(gòu)

130作業(yè)

1.滑動摩擦導(dǎo)軌截面的常用形式有哪些？各有什么特點？應(yīng)用場合有哪些？滾動導(dǎo)軌有哪幾種常見的形式？各有什么特點？滾動導(dǎo)軌與滑動導(dǎo)軌相比有什么特點？3.3導(dǎo)向機構(gòu)

1313.4執(zhí)行機構(gòu)3.4.1執(zhí)行機構(gòu)及其技術(shù)特點

所謂執(zhí)行機構(gòu)，是指能提供直線或旋轉(zhuǎn)運動的驅(qū)動裝置，它利用某種驅(qū)動能源并在某種控制信號的作用下工作。執(zhí)行機構(gòu)接收弱電控制信號，實現(xiàn)對大功率機械的運動驅(qū)動和行為控制，一般使用電力、液體、氣體或其它能源并通過電機、油缸、氣缸或其它裝置實現(xiàn)驅(qū)動作用。如果將驅(qū)動元件和執(zhí)行元件(機構(gòu))合為一體，則此類執(zhí)行機構(gòu)又可稱為廣義執(zhí)行機構(gòu)。

執(zhí)行機構(gòu)的技術(shù)特點是響應(yīng)速度快，動態(tài)性能好，靜態(tài)精度高。另外，執(zhí)行機構(gòu)還需要動作靈敏度高、可靠性好、工作效率高、體積小、重量輕、便于集中控制。1323.4.2電磁執(zhí)行機構(gòu)

1.電主軸

電主軸是一套組件，包括電主軸、高頻變頻裝置、油氣潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、內(nèi)置編碼器和換刀裝置，如圖3－36所示。高速電主軸使用內(nèi)裝式電機，取消了諸如齒輪、皮帶等中間傳動環(huán)節(jié)，使機床主軸與主軸電機融為一體，主軸電機的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分，電主軸的關(guān)鍵技術(shù)是在高轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)動平衡。電主軸通常采用復(fù)合陶瓷軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍；也可采用磁懸浮軸承或靜壓軸承，軸承內(nèi)、外圈不接觸，理論上壽命無限。

電主軸的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到每分鐘幾萬轉(zhuǎn)甚至十幾萬轉(zhuǎn)。一般通過高頻變頻裝置驅(qū)動電主軸電機，變頻器的輸出頻率必須達(dá)到上千或幾千赫茲。133電主軸的結(jié)構(gòu)3.4.2電磁執(zhí)行機構(gòu)134

電主軸的潤滑方法有多種，其中油氣潤滑是一種較理想的潤滑方式。其工作原理是，將具有一定壓力的壓縮空氣和由定量分配器每隔一定時間定量輸出微量的潤滑油，在一定長度的管道中混合，通過壓縮空氣在管道中的流動，把油氣混合物抽送到軸承附近的噴嘴，經(jīng)噴嘴射向軸承內(nèi)圈和滾動體的接觸點，實現(xiàn)潤滑和冷卻。油氣潤滑系統(tǒng)實際上是利用軸承溫升和發(fā)熱量與潤滑油量的關(guān)系，實現(xiàn)了“最佳供油量”和“壓縮空氣冷卻”。圖3－37是油氣潤滑系統(tǒng)的示意圖。潤滑油量的控制很重要，油量太少，起不到潤滑作用；油量太多，軸承在高速旋轉(zhuǎn)時會因油的阻力而發(fā)熱。3.4.2電磁執(zhí)行機構(gòu)135電主軸的油氣潤滑系統(tǒng)

3.4.2電磁執(zhí)行機構(gòu)136電主軸的冷卻系統(tǒng)3.4.2電磁執(zhí)行機構(gòu)137

高速運轉(zhuǎn)的電主軸需要通過冷卻系統(tǒng)對其外壁通以循環(huán)冷卻劑實現(xiàn)散熱，冷卻系統(tǒng)可以保持冷卻劑的溫度恒定。圖3－38是電主軸冷卻系統(tǒng)的示意圖。電主軸可以內(nèi)置脈沖編碼器，用于自動換刀以及剛性攻螺紋時實現(xiàn)準(zhǔn)確的相角控制以及與進(jìn)給的配合。

為了應(yīng)用于加工中心，電主軸配備自動換刀裝置，包括碟形簧、拉刀油缸等，一般應(yīng)與高速刀具的裝卡方式相匹配。

3.4.2電磁執(zhí)行機構(gòu)138

電主軸的性能指標(biāo)包括旋轉(zhuǎn)精度、功率、剛度、振動、噪聲、溫升和壽命。其中，剛度指標(biāo)非常重要。主軸在工作過程中將承受較大的切削力，若主軸剛度不足，則在切削力作用下會產(chǎn)生變形，轉(zhuǎn)子處的撓度過大，將引起加工誤差、軸振動和切削過程顫振，影響加工精度，降低加工質(zhì)量。

電主軸的剛度分為靜剛度和動剛度。靜剛度是指主軸抵抗靜態(tài)外載荷的能力，簡稱剛度。電主軸徑向剛度定義為使主軸前端產(chǎn)生徑向單位位移，在位移方向測量處所需施加力的數(shù)值。電主軸軸向剛度定義為使主軸軸向產(chǎn)生單位位移，在軸向所需施加力的數(shù)值。3.4.2電磁執(zhí)行機構(gòu)139

電主軸不僅要求具有一定的靜剛度，而且要求具有足夠的抑制各種干擾引起振動的能力，即抗振性。電主軸部件的抗振性主要由動剛度來衡量。電主軸的動剛度和靜剛度的關(guān)系為其中：Kd是動剛度，K是靜剛度，λ=ω/ωn是頻率比，ξ是阻尼比。這里，ω是激振頻率，ωn是電主軸固有頻率。

3.4.2電磁執(zhí)行機構(gòu)140

提高電主軸靜剛度的主要措施有：

（1）提高支承剛度，包括增加軸承數(shù)量、采用高剛度的軸承和提高軸承預(yù)緊力。但是，在提高支承剛度的同時，會影響主軸的極限轉(zhuǎn)速和增加支承溫升。

（2）優(yōu)化主軸設(shè)計，包括盡量縮短前懸伸量，并選擇最佳支承跨距，在滿足軸承、電機轉(zhuǎn)子等工作性能的前提下，增大主軸直徑，尤其是主軸工作端懸伸部分的直徑。3.4.2電磁執(zhí)行機構(gòu)141

提高電主軸動剛度的主要措施有：

（1）提高電主軸靜剛度。

（2）采用阻尼比大的主軸軸承，消除軸承游隙并適當(dāng)加大預(yù)加載荷，提高主軸部件的阻尼比。

（3）通過動態(tài)特性優(yōu)化，使主軸部件的低階固有頻率遠(yuǎn)離工作頻率。

（4）提高旋轉(zhuǎn)零件的加工及裝配精度并進(jìn)行精密動平衡。3.4.2電磁執(zhí)行機構(gòu)142

電主軸軸承的預(yù)緊力可以通過預(yù)緊力控制器進(jìn)行在線調(diào)節(jié)。預(yù)緊力控制器的結(jié)構(gòu)如圖3－39所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時，在控制器作用下，通過液壓油缸活塞(與彈性元件并用)施加預(yù)緊力，以達(dá)到與轉(zhuǎn)速相適應(yīng)的最佳預(yù)加載荷值，從而實現(xiàn)電主軸在含低速大轉(zhuǎn)矩段與高速大功率段整個工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的優(yōu)良動力學(xué)品質(zhì)。3.4.2電磁執(zhí)行機構(gòu)143軸承預(yù)緊力控制器的結(jié)構(gòu)圖

3.4.2電磁執(zhí)行機構(gòu)144

預(yù)緊力控制器與自動換刀裝置的液壓控制系統(tǒng)如圖3－40所示。換刀液壓系統(tǒng)通過手動控制三位四通電磁換向閥，改變油路方向，實現(xiàn)雙向缸的雙向移動，從而實現(xiàn)換刀功能。對于預(yù)緊力控制液壓系統(tǒng)，通過比例減壓閥得到實際工況所需要的壓力，同時為了保證壓力的穩(wěn)定，在回路中加入一個蓄能器以減少泄漏造成的壓力下降。3.4.2電磁執(zhí)行機構(gòu)145電主軸的液壓系統(tǒng)圖

3.4.2電磁執(zhí)行機構(gòu)146

電主軸進(jìn)行粗加工時的轉(zhuǎn)速低、切削量大，需要較大的扭矩，此時電主軸必須具有較大的剛度使系統(tǒng)能夠抵抗受迫振動與自激振動，預(yù)緊力控制以提高支撐剛度為優(yōu)化準(zhǔn)則。精加工時的轉(zhuǎn)速高、切削力小，要求電主軸輸出大功率，由于軸承隨轉(zhuǎn)速的升高其溫度將大幅度攀升，此時希望在滿足主軸系統(tǒng)動力學(xué)特性要求的前提下，盡量降低軸承預(yù)緊力，預(yù)緊力控制以主軸轉(zhuǎn)子不發(fā)生共振為優(yōu)化準(zhǔn)則。

磁懸浮軸承利用可控電磁力將轉(zhuǎn)軸懸浮于空間，應(yīng)用磁懸浮軸承作為電主軸支承，可以使電主軸的轉(zhuǎn)軸與定子之間沒有機械接觸，從而可工作在極高的轉(zhuǎn)速下。它具有機械磨損小、功耗低、噪聲小、壽命長、無需潤滑、無油污染等優(yōu)點。磁懸浮軸承是可控軸承，轉(zhuǎn)子位置可控，主軸剛度和阻尼可調(diào)。3.4.2電磁執(zhí)行機構(gòu)147

圖3－41所示為一個單自由度徑向磁懸浮軸承系統(tǒng)示意圖，主要包括控制器、功率放大器、傳感器、電磁鐵、轉(zhuǎn)子等部件。位移傳感器檢測轉(zhuǎn)子的位置信號，經(jīng)放大后傳送到控制器，控制器基于一定的控制算法得到控制信號并通過功率放大器轉(zhuǎn)換為電磁鐵線圈中的電流，從而改變作用在轉(zhuǎn)子上的電磁力，進(jìn)而改變轉(zhuǎn)子的位移，保持轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮。3.4.2電磁執(zhí)行機構(gòu)148單自由度徑向磁懸浮軸承系統(tǒng)示意圖3.4.2電磁執(zhí)行機構(gòu)149

2.直線電機

相對于傳統(tǒng)的采用滾珠絲杠傳動的進(jìn)給方式，直線電機驅(qū)動系統(tǒng)具有如下特點：

（1）響應(yīng)快速。由于取消了響應(yīng)時間常數(shù)較大的絲杠等機械傳動件，因此可以大大提高整個閉環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能，使傳動系統(tǒng)反應(yīng)靈敏快捷，加、減速過程大大縮短，啟動時可瞬間達(dá)到高速，高速運行時又能瞬間停止，加速度一般可達(dá)到2~10g。

（2）精度高。由于取消了絲杠等機械傳動機構(gòu)，因此減小了插補時因傳動系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差。配合在線位置反饋控制，可大大提高機床的定位精度。3.4.2電磁執(zhí)行機構(gòu)150

（3）傳動剛度高。由于運用直接驅(qū)動原理，并且采用直線電機的布局，可根據(jù)機床導(dǎo)軌的形面結(jié)構(gòu)及其工作臺運動時的受力情況來布置，因此可以有效提高傳動剛度。

（4）噪聲低。由于取消了傳動絲杠等部件，采用直線滾動導(dǎo)軌，使系統(tǒng)的機械摩擦減小，因而運動噪聲大大降低。

（5）效率高。由于減去了中間傳動環(huán)節(jié)，因而減少了機械摩擦導(dǎo)致的能量損耗。

（6）行程長度不受限制。在導(dǎo)軌上通過串聯(lián)直線電動機的定子，就可任意延長動子的行程長度。3.4.2電磁執(zhí)行機構(gòu)151

直線電機的工作原理如圖3－42所示。直線電機將傳統(tǒng)圓筒型電機的初級展開拉直，變初級的封閉磁場為開放磁場，而將旋轉(zhuǎn)電機的定子部分變?yōu)橹本€電機的初級，將旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)子部分變?yōu)橹本€電機的次級。直線電機的初級鐵芯可由帶槽的電工鋼片疊成，槽內(nèi)為三相繞組，次級為鋼板，上覆以一薄的鋁板，上層的鋁板作為導(dǎo)體使用，下層的鋼板作為磁路的一部分，以減少次級的漏磁。初、次級間的氣隙為電磁功率交換區(qū)域。3.4.2電磁執(zhí)行機構(gòu)152圖3－42直線電機的工作原理3.4.2電磁執(zhí)行機構(gòu)153

在直線電機的三相繞組中通入三相對稱正弦電流后，將在初、次級間產(chǎn)生氣隙磁場，其分布情況與旋轉(zhuǎn)電機相似，沿展開的直線方向呈正弦分布。三相電流隨時間變化，使氣隙磁場按定向相序沿直線移動，該氣隙磁場稱為行波磁場。當(dāng)次級的感應(yīng)電流和氣隙磁場相互作用，便產(chǎn)生了電磁推力，如果初級是固定不動的，則次級就能沿著行波磁場運動的方向作直線運動。把直線電機的初級和次級分別安裝在機床的工作臺與床身上，即可實現(xiàn)機床的直線電機直接驅(qū)動，由于這種進(jìn)給傳動方式的傳動鏈縮短為零，因此被稱為機床進(jìn)給系統(tǒng)的“零傳動”。3.4.2電磁執(zhí)行機構(gòu)154

直線電機進(jìn)給閉環(huán)控制系統(tǒng)可分為位置調(diào)節(jié)、速度調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)等三部分，如圖3－43所示。系統(tǒng)輸入為上位機發(fā)送的位置指令，輸出為直線電機的位移。其過程為上位機發(fā)出的位置指令與位置檢測裝置反饋值比較后，經(jīng)接口電路轉(zhuǎn)換放大成為控制速度的給定信號，速度給定信號同速度反饋值比較后轉(zhuǎn)換為電流給定信號，電流給定信號經(jīng)過電流環(huán)調(diào)節(jié)后成為驅(qū)動直線電機的電流，直線電機通電，通過電磁轉(zhuǎn)換產(chǎn)生推力來推動工作臺及負(fù)載運動。3.4.2電磁執(zhí)行機構(gòu)155直線電機進(jìn)給閉環(huán)控制系統(tǒng)

3.4.2電磁執(zhí)行機構(gòu)1563.4.5液壓機構(gòu)

液壓機構(gòu)是以液壓油為動力源來完成預(yù)定運動要求和實現(xiàn)各種機構(gòu)功能的機構(gòu)。液壓機構(gòu)與純機械機構(gòu)和電力驅(qū)動機構(gòu)相比，主要有以下優(yōu)點：

（1）在輸出同等功率的條件下，機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、重量輕、慣性小。

（2）工作平穩(wěn)，沖擊、振動和噪音都較小，易于實現(xiàn)頻繁的啟動、換向，能夠完成旋轉(zhuǎn)運動和各種往復(fù)運動。

（3）操作簡單、調(diào)速方便，并能在大的范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)速比可達(dá)5000。

（4）可實現(xiàn)低速大力矩傳動，無需減速裝置。157

1.直線液壓缸

用電磁閥控制的直線液壓缸是最簡單和最便宜的開環(huán)液壓驅(qū)動裝置。在直線液壓缸的操作中，通過受控節(jié)流口調(diào)節(jié)流量，可以在達(dá)到運動終點時實現(xiàn)減速，使停止過程得到控制。

如圖3－68所示，液壓油經(jīng)控制閥送入液壓缸的一端，在開環(huán)系統(tǒng)中，控制閥是由電磁鐵打開和控制的；在閉環(huán)系統(tǒng)中，控制閥是由電液伺服閥等來控制的。最初出現(xiàn)的Unimate機器人也是用液壓驅(qū)動的。3.4.5液壓機構(gòu)158用伺服閥控制的直線液壓缸

3.4.5液壓機構(gòu)159

2.旋轉(zhuǎn)執(zhí)行元件

圖3－69是一種旋轉(zhuǎn)式執(zhí)行元件。它的殼體由鋁合金制成，轉(zhuǎn)子是鋼制的。密封圈和防塵圈分別用來防止油的外泄和保護軸承。在電液閥的控制下，液壓油經(jīng)進(jìn)油口進(jìn)入，并作用于固定在轉(zhuǎn)子上的葉片上，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。隔板用來防止液壓油短路。通過一對由消隙齒輪帶動的電位器和一個解算器給出轉(zhuǎn)子的位置信息，電位器給出粗略值，而精確位置由解算器測定，這樣，解算器的高精度和小量程就由低精度大量程的電位器予以補救。當(dāng)然，整個精度不會超過驅(qū)動電位器和解算器的齒輪系精度。3.4.5液壓機構(gòu)160旋轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)

3.4.5液壓機構(gòu)161

3.電液伺服閥

電液伺服閥主要有兩種類型：圖3－70所示的噴嘴擋板伺服閥和圖3－71所示的射流管伺服閥。

在噴嘴擋板伺服閥中，擋板接在銜鐵中部，從兩個噴嘴中間穿過，在噴嘴與擋板間形成兩個可變節(jié)流口。電信號產(chǎn)生磁場帶動銜鐵和擋板，張大一側(cè)的節(jié)流口而關(guān)小另一側(cè)的節(jié)流口，這樣就在滑閥兩端建立起不同的油壓，從而使滑閥移動。由于滑閥移動，它壓彎了抵抗它運動的反饋彈簧，當(dāng)油壓差產(chǎn)生的力等于彈簧力時，滑閥即停止運動?；y的移動打開了主活塞的油路，從而按所需的方向驅(qū)動主活塞運動。3.4.5液壓機構(gòu)162噴嘴擋板伺服閥3.4.5液壓機構(gòu)163射流管伺服閥3.4.5液壓機構(gòu)164

射流管伺服閥與噴嘴擋板伺服閥的不同點在于流向滑閥的液流是受控的。當(dāng)力矩馬達(dá)加電時，將使銜鐵和射流管組件偏轉(zhuǎn)，流向滑閥一端的油流量多于流向另一端的油流量，從而使滑閥移動；當(dāng)力矩馬達(dá)不加電時，流向兩邊的液流量基本上相等。射流管伺服閥的優(yōu)點在于油流量控制口的面積較大，不容易被油液中的臟物所堵塞。3.4.5液壓機構(gòu)165

4.電液直接數(shù)字控制閥

隨著計算機控制技術(shù)在流體控制系統(tǒng)的大量應(yīng)用，流體控制元件的數(shù)字化成了一種必然的趨勢。傳統(tǒng)的比例閥或伺服閥等模擬信號控制元件可以通過D/A接口實現(xiàn)間接數(shù)字控制，但是，這種方法存在一些缺點。例如，控制器中的模擬電路易產(chǎn)生溫漂和零漂，使控制系統(tǒng)性能受溫度影響明顯，對系統(tǒng)存在的死區(qū)、滯環(huán)等非線性因素難以補償；比例電磁鐵在高頻工作時溫升嚴(yán)重，通過閥芯位置檢測實現(xiàn)閉環(huán)控制的成本較高。3.4.5液壓機構(gòu)166

與間接數(shù)字控制相對應(yīng)，有兩種直接數(shù)字控制方法。其一是對高速開關(guān)閥的PWM（脈寬調(diào)制）控制，即通過控制開關(guān)元件的通斷時間比，以獲得在某一時間段內(nèi)流量的平均值，進(jìn)而實現(xiàn)對下一級執(zhí)行機構(gòu)的控制。這種方法具有不堵塞、抗污染能力強及結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。但是其存在以下缺點：噪聲大，易于誘發(fā)管路中的壓力脈動和沖擊，影響系統(tǒng)壽命和可靠性；元件輸入、輸出之間沒有嚴(yán)格比例關(guān)系，一般不能用于開環(huán)控制；控制特性受機械調(diào)制頻率不易提高的限制。3.4.5液壓機構(gòu)167

另一種方法是利用步進(jìn)電機加適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)—直線運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)驅(qū)動閥芯實現(xiàn)直接數(shù)字控制。這種方法對應(yīng)的控制元件一般稱為步進(jìn)式數(shù)字閥或離散式比例閥，此類閥一般具有重復(fù)精度高，無滯環(huán)的優(yōu)點。通過步進(jìn)電機的連續(xù)跟蹤控制方法，在步進(jìn)控制中引入脈寬調(diào)制控制技術(shù)，使得步進(jìn)電機輸出的角位移開環(huán)連續(xù)可控，可以消除步進(jìn)式數(shù)字閥所固有的量化誤差，并可大大提高數(shù)字閥的響應(yīng)速度。3.4.5液壓機構(gòu)168

滑閥閥芯在閥芯孔中具有兩個自由度，一是可以進(jìn)行軸向往復(fù)運動，另外還可以繞軸線轉(zhuǎn)動，兩個自由度互不干涉。一般可以采用步進(jìn)電機控制閥芯的往復(fù)運動或旋轉(zhuǎn)運動，某些場合也可以采用伺服電機或力矩馬達(dá)控制閥芯的旋轉(zhuǎn)運動。采用步進(jìn)電機控制閥芯往復(fù)運動（實現(xiàn)滑閥功能）的方案如圖3－72和圖3－73所示。采用步進(jìn)電機控制閥芯旋轉(zhuǎn)運動（實現(xiàn)轉(zhuǎn)閥功能）的方案如圖3－74所示。3.4.5液壓機構(gòu)169采用步進(jìn)電機與凸輪控制閥芯軸向往復(fù)運動3.4.5液壓機構(gòu)170采用步進(jìn)電機與鋼絲控制閥芯軸向往復(fù)運動3.4.5液壓機構(gòu)171采用步進(jìn)電機與齒輪控制閥芯旋轉(zhuǎn)運動3.4.5液壓機構(gòu)172

利用滑閥閥芯軸向和旋轉(zhuǎn)兩個互不干涉的自由度，可以實現(xiàn)雙級閥的導(dǎo)控和主閥的功能。一般利用滑閥閥芯的旋轉(zhuǎn)自由度實現(xiàn)先導(dǎo)閥功能，利用軸向自由度實現(xiàn)主閥的功能。螺旋伺服機構(gòu)具有將閥芯的旋轉(zhuǎn)角位移按比例轉(zhuǎn)換為閥芯軸向位移的功能。圖3－75給出了基于螺旋伺服機構(gòu)的四通比例換向閥的原理圖。該閥通過步進(jìn)電機控制閥芯旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生角位移，閥的導(dǎo)控級由高、低壓孔和螺旋槽之間的阻力半橋構(gòu)成，主閥的開口則由閥芯兩側(cè)的壓力差推動閥芯的軸向位移實現(xiàn)控制。這種利用閥芯雙運動自由度和螺旋伺服機構(gòu)設(shè)計的數(shù)字閥稱為2D數(shù)字閥。3.4.5液壓機構(gòu)173基于螺旋伺服機構(gòu)的四通比例換向閥的原理圖3.4.5液壓機構(gòu)174

步進(jìn)電機作為電—液數(shù)字控制元件的驅(qū)動裝置，若按常規(guī)步進(jìn)方式工作，則難以同時兼顧量化精度和響應(yīng)速度的要求，采用步進(jìn)電機的連續(xù)跟蹤控制方法可以解決這個問題。以兩相混合式步進(jìn)電機為例，要控制旋轉(zhuǎn)磁場到達(dá)A相和B相之間的任意位置α，只要使A相與B相的電流ia、ib滿足如下條件即可：3.4.5液壓機構(gòu)175式中，Zi是轉(zhuǎn)子齒數(shù)。

采用直接數(shù)字控制的2D高頻激振閥，可以實現(xiàn)高頻電液激振器的控制。激振器廣泛應(yīng)用于許多重要工程領(lǐng)域的振動試驗，例如,導(dǎo)彈、火箭的環(huán)境試驗，汽車、行走機械的道路模擬試驗，工程材料試驗，水壩、高層建筑的抗震試驗等。電液式激振器具有無極調(diào)幅、調(diào)頻，輸出作用力大，系統(tǒng)簡單且易于實現(xiàn)自動化控制，性價比高的優(yōu)點。

也可以采用PWM（脈寬調(diào)制）方法實現(xiàn)對步進(jìn)電機輸出角度的連續(xù)控制。該方法是在一個調(diào)制周期內(nèi)控制A相和B相的通電時間T1和T2，使其滿足如下關(guān)系式：3.4.5液壓機構(gòu)176

如圖3－76（a）所示，高頻電液激振器由高頻激振閥、并聯(lián)數(shù)字閥、液壓缸、負(fù)載傳感器及位移傳感器構(gòu)成。其中，高頻激振閥主要用于產(chǎn)生幅值和頻率可調(diào)的高頻正弦激振波形,并聯(lián)數(shù)字閥用于控制激振偏載。

高頻激振閥是一種2D閥，閥芯具有旋轉(zhuǎn)運動和軸向運動雙自由度。閥芯由一伺服電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，使得沿閥芯臺肩周向均勻開設(shè)的溝槽與閥套上的窗口相配合的閥口面積大小成周期性變化，由于溝槽相互錯位而使進(jìn)出液壓缸的兩個容腔的流量大小和方向以相位角180°成周期性變化，驅(qū)動液壓缸活塞作周期性的往復(fù)運動。3.4.5液壓機構(gòu)177高頻電液激振器工作原理圖3.4.5液壓機構(gòu)178

高頻激振閥閥芯的旋轉(zhuǎn)運動可以控制油路的通斷關(guān)系。在P－A、B－T相通時，液壓缸左腔進(jìn)油，右腔回油，如圖3－76（b）所示；當(dāng)閥芯旋轉(zhuǎn)過一定角度后，P、A、B、T都不通，液壓缸停止；當(dāng)閥芯再旋轉(zhuǎn)過一定角度后，如圖3－76（c）所示，P－B、A－T相通，液壓缸右腔進(jìn)油，左腔回油，液壓缸反向運動。閥芯旋轉(zhuǎn)時，油路接通時面積以及面積大小的變化率是由閥芯軸向位置決定的，閥芯軸向運動則通過步進(jìn)電機進(jìn)行控制。通過閥芯的軸向運動控制，可以決定液壓缸活塞的往復(fù)運動幅值。3.4.5液壓機構(gòu)179

顯然，電液激振器的工作頻率等于閥芯的轉(zhuǎn)速與每轉(zhuǎn)閥芯的溝槽與閥套窗口之間的溝通次數(shù)的乘積。由于閥芯為細(xì)長結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動慣量較小，又處于很好的液壓油潤滑狀態(tài)中，因而很容易實現(xiàn)高頻激振。此外，也可通過增加閥芯的溝槽與閥套窗口之間的溝通次數(shù)來提高頻率。采用2D高頻激振閥可以對大噸位的振動載荷實現(xiàn)高達(dá)400Hz的激振。3.4.5液壓機構(gòu)1803.4.6氣動機構(gòu)

氣動機構(gòu)是以壓縮空氣為工作介質(zhì)來傳遞動力和控制信號的機構(gòu)。與液壓機構(gòu)相比，氣動機構(gòu)具有以下優(yōu)點：

（1）以空氣為工作介質(zhì)，用后可直接排到大氣中，處理方便。

（2）動作迅速、反應(yīng)快，維護簡單，工作介質(zhì)清潔，不存在介質(zhì)變質(zhì)問題。

（3）工作環(huán)境適應(yīng)性好，特別是在易燃、易爆、多塵埃