《機電一體化控制技術(shù)與系統(tǒng)》課件第2章

第2章精密機械技術(shù)2.1概述2.2傳動機構(gòu)2.3導(dǎo)向機構(gòu)2.4執(zhí)行機構(gòu) 2.1概述

2.1.1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。（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、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）良好的穩(wěn)定性，抗干擾能力強，環(huán)境適應(yīng)性好。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?shù)淖枘岜鹊纫蟆檫_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）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。（6）改進支承及架體的結(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。

上述措施反映了機電一體化系統(tǒng)中機械設(shè)計的特點。本章將簡要介紹較典型的傳動、導(dǎo)向和執(zhí)行等機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和選擇方面的基本內(nèi)容。2.1.2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。 2.2傳動機構(gòu)

2.2.1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。

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。2.2.2精密傳動機構(gòu)——滾珠絲杠副

1.滾珠絲杠副的工作原理

滾珠絲杠副是指在絲杠（具有螺旋槽的螺桿）與螺母之間，連續(xù)填滿滾珠等作為中間體的絲杠副。滾珠絲杠副由絲杠、螺母、滾動體和滾動體循環(huán)裝置組成。圖2－1為滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)原理圖。工作時，螺母4與需作直線往復(fù)運動的零部件相連，絲杠1旋轉(zhuǎn)帶動螺母4作直線往復(fù)運動，從而帶動零部件作直線往復(fù)運動。在絲杠1、螺母4和端蓋2（滾珠循環(huán)裝置）上都制有螺旋槽，由這些槽對合起來形成滾珠循環(huán)通道，滾珠3在此通道內(nèi)循環(huán)滾動。為了防止?jié)L珠3從螺母中掉出，螺母螺旋槽的兩端應(yīng)封住。圖2－1滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)原理圖

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

（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.滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)及材料

滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)類型可以從滾珠的循環(huán)方式和消除軸向間隙的調(diào)整方法等方面進行區(qū)別。圖2－2內(nèi)循環(huán)方式

1）滾珠循環(huán)方式

滾珠循環(huán)裝置可分為兩種：內(nèi)循環(huán)及外循環(huán)方式。內(nèi)循環(huán)方式如圖2－2所示，在螺母2的側(cè)面裝有反向器4，滾珠利用反向器4越過絲杠的滾道頂部進入相鄰的滾道，形成一個循環(huán)回路，其特點是滾珠在循環(huán)過程中始終與絲杠表面保持接觸。這種循環(huán)方式的滾珠循環(huán)通道短，有利于減少滾珠數(shù)量，降低摩擦損失，提高傳動效率。但反向器加工精度要求高，裝配調(diào)整不方便，不適宜重載傳動。外循環(huán)方式中的滾珠在循環(huán)時，滾珠離開絲杠滾道，在螺母體內(nèi)或螺母體外的回珠滾道中循環(huán)。目前常見的外循環(huán)形式有三種：（1）端蓋式。端蓋式的結(jié)構(gòu)如圖2－3所示。在滾珠螺母上有縱向孔作為滾珠返回的通道，而在兩端各裝有一個有短彎槽的蓋子，當滾珠滾到蓋子處時，就被阻止而轉(zhuǎn)彎，從返回通道回到滾道的另一端。

（2）插管式。插管式利用外插管子作為循環(huán)通道，其結(jié)構(gòu)如圖2－4所示。

（3）斜槽式。在滾珠螺母的外表面上銑有一道供滾珠循環(huán)的斜槽，其兩端各有圓孔與螺母的內(nèi)螺旋滾道相通。圖2－3端蓋內(nèi)循環(huán)方式圖2－4插管外循環(huán)方式

2）調(diào)整間隙和預(yù)緊的方法

為了保證滾珠絲杠副具有足夠的軸向剛度和傳動精度，必須消除滾珠螺母中的間隙。常用的調(diào)整間隙和預(yù)緊方法有以下幾種：

（1）墊片調(diào)節(jié)式。

圖2－5為墊片調(diào)節(jié)式結(jié)構(gòu)圖，該結(jié)構(gòu)利用調(diào)整墊片1來改變兩螺母2之間的軸向距離，以調(diào)整間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力。這種方法結(jié)構(gòu)簡單，缺點是難于精確地調(diào)整預(yù)緊力。圖2－5墊片調(diào)節(jié)式（2）雙螺母調(diào)節(jié)式。

圖2－6為雙螺母調(diào)節(jié)式結(jié)構(gòu)圖，該結(jié)構(gòu)把兩個螺母3、4裝在套筒內(nèi)。其中，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，并通過兩個圓螺母1、2固定。調(diào)整圓螺母2可消除軸向間隙并產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，再通過鎖緊螺母1鎖緊。這種調(diào)節(jié)方式由于結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、調(diào)整方便，因而應(yīng)用較廣。圖2－6雙螺母調(diào)節(jié)式（3）齒差調(diào)節(jié)式。圖2－7為齒差調(diào)節(jié)式結(jié)構(gòu)圖，左、右兩螺母外端凸緣都制成直齒圓柱齒輪，其齒數(shù)差為1。當兩個螺母相對于外殼同向轉(zhuǎn)動一定齒數(shù)時，就可使兩螺母產(chǎn)生一定的相對角位移，從而使它們沿滾珠螺桿軸向產(chǎn)生相對位移，因而使螺母預(yù)緊。例如，兩齒輪的齒數(shù)分別為99和100，如果使兩個齒輪同方向轉(zhuǎn)過一個齒，則它們的相對角位移為（2－1）圖2－7齒差調(diào)節(jié)式

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。當需要特別高的耐磨性時，可以用20CrMnA、40CrMnA、38CrMoLlA、38CrWVAlA等合金鋼制造。

4.滾珠絲杠副的主要參數(shù)及標注方法

1）主要參數(shù)

滾珠絲杠副的主要尺寸參數(shù)及常用符號見圖2－8。公稱直徑d0指滾珠與滾道在理論接觸角狀態(tài)時包絡(luò)滾珠球心的圓柱直徑，它是滾珠絲杠副的特征尺寸?；緦?dǎo)程l0（或螺距t）指絲杠相對于螺母旋轉(zhuǎn)2π弧度時，螺母上基準點的軸向位移。行程l指絲杠相對于螺母旋轉(zhuǎn)任意弧度時，螺母上基準點的軸向位移。圖2－8主要尺寸參數(shù)示意圖

2）標注方法

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，不同的廠家的標注方法略有不同。

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：①單推—單推式：如圖2－9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。圖2－9單推—單推式②雙推—雙推式：如圖2－10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。圖2－10雙推—雙推式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)。

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)。

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）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?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式。例如，當允許有間隙存在（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)。（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。

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?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)。（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行密封。（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。2.2.3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：

1）直齒圓柱齒輪側(cè)隙的調(diào)整

（1）中心距調(diào)整法。

如圖2－11所示，將相互嚙合的一對齒輪4、5中的一個齒輪4裝在電機輸出軸上，并將電機1安裝在偏心套2上，通過轉(zhuǎn)動偏心套2的轉(zhuǎn)角，就可調(diào)節(jié)兩嚙合齒輪4、5的中心距，從而消除圓柱齒輪正、反轉(zhuǎn)時的齒側(cè)間隙。該方法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，但其側(cè)隙不能自動補償。圖2－11中心距調(diào)整法（2）雙片薄齒輪錯齒調(diào)側(cè)隙法。雙片薄齒輪錯齒調(diào)側(cè)隙法是將相互嚙合的一對齒輪中的一個做成寬齒輪，另一個由兩個薄齒輪組成，設(shè)法讓兩個齒輪錯開一個小的角度，使一個薄齒輪的左齒側(cè)和另一個薄齒輪的右齒側(cè)分別緊貼在寬齒輪齒槽的左、右兩側(cè)，以消除齒側(cè)間隙，反向時就不會出現(xiàn)死區(qū)。如圖2－12所示，在兩個薄齒輪4、5端面上分別裝有凸耳1、3，彈簧2的一端鉤在凸耳1上，另一端鉤在凸耳3上，齒輪5上開有幾個周向圓弧槽，在彈簧力的作用下使薄齒輪4、5錯位而消除齒側(cè)間隙。該結(jié)構(gòu)的彈簧力必須足以克服驅(qū)動力矩才能起作用。由于該方法受到周向圓弧槽及彈簧尺寸的限制，故僅適用于讀數(shù)裝置而不適用于驅(qū)動裝置。圖2－12雙片薄齒輪錯齒法（3）軸向墊片調(diào)整法。

如圖2－13所示，小齒輪1與大齒輪3嚙合，小齒輪1的分度圓弧齒厚沿軸線方向略有錐度，這樣當大齒輪3沿軸向移動時，即可消除兩齒輪的齒側(cè)間隙。大齒輪3的軸向移動可以通過調(diào)整墊片2的厚度來實現(xiàn)。裝配過程中調(diào)整軸向墊片2的厚度時，應(yīng)使齒輪1和3之間齒側(cè)間隙小而運轉(zhuǎn)靈活。該方法的特點是結(jié)構(gòu)簡單，但其側(cè)隙不能自動補償。圖2－13軸向墊片調(diào)整法

2）斜齒輪側(cè)隙的調(diào)整

與直齒圓柱齒輪變齒寬消隙的方法相似，斜齒圓柱齒輪變齒寬消隙機構(gòu)也采用兩薄片齒輪與寬齒輪相嚙合的方式，只是齒寬的增加是由兩薄片斜齒輪之間的非轉(zhuǎn)動軸向位移獲得的。

（1）軸向墊片法。如圖2－14所示，該方式結(jié)構(gòu)簡單，但在使用時，墊片的厚度需反復(fù)調(diào)節(jié)。

（2）軸向壓簧法。如圖2－15所示，兩薄片斜齒輪2、3在加工時向中間加一適當厚度的墊片，安裝時將墊片撤除，靠彈簧4實現(xiàn)兩薄片斜齒輪間的軸向位移，彈簧的軸向力大小用螺母5來調(diào)節(jié)。該機構(gòu)的特點是齒側(cè)間隙可以自動補償，但結(jié)構(gòu)的軸向尺寸較大。圖2－14軸向墊片法圖2－15軸向壓簧法

3）圓錐齒輪側(cè)隙的調(diào)整

圓錐齒輪側(cè)隙的調(diào)整方法可以參考斜齒輪的調(diào)整方法，有軸向壓簧調(diào)整法和周向彈簧調(diào)整法等方法。2.2.4同步帶傳動

1.概述

機電一體化系統(tǒng)中大量采用同步齒形帶傳動，又稱同步帶傳動。同步帶工作時，帶齒與帶輪的齒槽相嚙合，因而具有齒輪傳動、鏈傳動和帶傳動的優(yōu)點。與一般帶傳動相比，同步帶傳動的傳動比準確，傳動效率高，工作平穩(wěn)，能吸收振動，噪音小，速比范圍大，允許線速度高，傳動結(jié)構(gòu)緊湊，適宜多軸傳動，不需潤滑，耐油、耐水、耐高溫、耐腐蝕，維護保養(yǎng)方便，但中心距要求嚴格，安裝精度要求高，制造工藝復(fù)雜，成本高。

2.同步帶的結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)

1）結(jié)構(gòu)

如圖2－16所示，同步齒形帶一般由帶背1、抗拉層2、帶齒3、包布層4等四部分組成。帶背用以粘結(jié)包覆抗拉元件，它具有良好的柔韌性和耐曲撓疲勞性能?？估瓕佑靡詡鬟f動力，并保證同步帶在工作時節(jié)距不變。帶齒直接與鋼制帶輪嚙合并傳遞扭矩，要求具有較高的抗剪切強度、良好的耐磨性和耐油性。帶齒應(yīng)與帶輪齒槽正確嚙合，其節(jié)距分布和幾何參數(shù)要求很高。包布層的作用是保護膠帶的抗摩擦部分，應(yīng)具有優(yōu)越的耐磨性。圖2－16同步帶的結(jié)構(gòu)聚氨酯同步帶具有優(yōu)異的耐油、耐磨性，它適用于環(huán)境比較干燥，工作溫度為-20～+80℃，中、小功率的高速運轉(zhuǎn)場合；而氯丁橡膠同步帶的耐水解、耐熱、耐沖擊性能均優(yōu)于聚氨酯同步帶，它的傳動功率范圍大，特別適用于大功率傳動中，工作溫度范圍為-34～100℃。圖2－17同步帶的主要參數(shù)

2）主要參數(shù)

同步齒形帶的主要參數(shù)是帶齒的節(jié)距pb，帶齒的節(jié)距為相鄰兩齒對應(yīng)點沿節(jié)線度量的距離。由于抗拉層在工作時長度不變，因此抗拉層的中心線被規(guī)定為齒形帶的節(jié)線（中性層），并以節(jié)線的周長Lp作為同步齒形帶的公稱長度。同步帶的具體參數(shù)如圖2－17所示。同步帶有單面齒和雙面齒兩種形式。雙面齒又按齒排列的不同，分為對稱齒形和交錯齒形。

3.同步帶輪

同步帶輪的結(jié)構(gòu)如圖2－18所示。為防止同步帶工作時脫落，一般在帶輪兩側(cè)裝有擋圈。同步帶輪的材料一般采用鑄鐵或鋼，高速、小功率時可采用塑料或鋁合金。

4.同步帶傳動的設(shè)計計算

同步帶傳動的主要失效形式有三種：同步帶的疲勞斷裂、帶內(nèi)剪斷、齒面壓潰與磨損。同步帶傳動的設(shè)計準則主要是使同步帶具有較高的抗拉強度。此外，在灰塵、雜質(zhì)較多的工作條件下還應(yīng)對帶齒進行耐磨性計算。圖2－18同步帶輪的結(jié)構(gòu)2.2.5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。圖2－19平面外槽輪機構(gòu)實物圖

1.槽輪機構(gòu)

常用的槽輪機構(gòu)如圖2－19所示，由具有圓柱銷的主動銷輪1，具有直槽的從動槽輪3及機架組成。主動銷輪以順時針等角速度ω1連續(xù)轉(zhuǎn)動，當圓銷未進入徑向槽時，槽輪因其內(nèi)凹鎖止弧2被銷輪外凸鎖止弧4鎖住而靜止；當圓銷開始進入徑向槽時，兩鎖止弧脫開，槽輪在圓銷的驅(qū)動下逆時針轉(zhuǎn)動；當圓銷開始脫離徑向槽時，槽輪因另一鎖止弧被鎖住而靜止，從而實現(xiàn)從動槽輪的單向間歇轉(zhuǎn)動。槽輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、工作可靠、機械效率較高。但槽輪在啟動和停止時的加速度變化大且有沖擊，隨著轉(zhuǎn)速的增加或槽輪槽數(shù)的減少而加劇，故不適用于高速運動。圖2－20外嚙合式棘輪機構(gòu)

2.棘輪機構(gòu)

圖2－20所示為機械中常用的外嚙合式棘輪機構(gòu)，它由止回棘爪1、主動擺桿2、棘爪3、棘輪4和機架組成。主動擺桿2空套在與棘輪4固連的從動軸上，并與驅(qū)動棘爪3用轉(zhuǎn)動副相連。當主動擺桿沿順時針方向擺動時，驅(qū)動棘爪便插入棘輪的齒槽中，使棘輪跟著轉(zhuǎn)過一定角度，此時，止回棘爪在棘輪的齒背上滑動。當主動擺桿沿逆時針方向擺動時，止回棘爪阻止棘輪沿逆時針方向轉(zhuǎn)動，而驅(qū)動棘爪卻能夠在棘輪齒背上滑過，所以，這時棘輪4靜止不動。因此，當主動擺桿作連續(xù)的往復(fù)擺動時，棘輪作單向的間歇運動。一般情況下，凡是能使棘爪實現(xiàn)往復(fù)擺動的裝置，均可作為棘輪機構(gòu)的驅(qū)動裝置。棘輪機構(gòu)按結(jié)構(gòu)可分為齒式棘輪機構(gòu)和摩擦式棘輪機構(gòu)。齒式棘輪機構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，運動可靠，主、從動關(guān)系可互換，動程可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，動停時間比可通過選擇合適的驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)；缺點是動程只能進行有級調(diào)節(jié)，有噪聲、沖擊、磨損，不宜用于高速場合。摩擦式棘輪機構(gòu)是用偏心扇形楔塊代替齒式棘輪機構(gòu)中的棘爪，以無齒摩擦代替棘輪。它的特點是傳動平穩(wěn)、無噪音，動程可無級調(diào)節(jié)。但其因靠摩擦力傳動，會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，雖然可起到安全保護作用，但是傳動精度不高，只適用于低速輕載的場合。

3.其他間歇運動機構(gòu)

1）凸輪式間歇運動機構(gòu)

對于槽輪機構(gòu)和棘輪機構(gòu)，由于它們受結(jié)構(gòu)、運動和動力條件的限制，一般只能用于低速場合，而凸輪式間歇運動機構(gòu)則可以通過適當選擇從動件的運動規(guī)律和合理設(shè)計凸輪的輪廓曲線，來減小動載荷和避免剛性與柔性沖擊，可適用于高速運轉(zhuǎn)的場合。凸輪式間歇運動機構(gòu)運轉(zhuǎn)可靠、轉(zhuǎn)位精確、無需專門的定位裝置，但凸輪式間歇運動機構(gòu)精度要求較高、加工比較復(fù)雜、安裝調(diào)整比較困難。圖2－21外嚙合式不完全齒輪機構(gòu)

2）不完全齒輪機構(gòu)

不完全齒輪機構(gòu)由主動齒輪、從動齒輪和機架組成。不完全齒輪機構(gòu)是由普通齒輪機構(gòu)轉(zhuǎn)化而成的一種間歇運動機構(gòu)，它與普通齒輪的不同之處是輪齒未分布滿整個圓周。不完全齒輪機構(gòu)的主動輪上只有一個或幾個輪齒，并根據(jù)運動時間與停歇時間的要求，在從動輪上有與主動輪輪齒相嚙合的齒間。兩輪輪緣上各有鎖止弧，在從動輪停歇期間，用來防止從動輪游動，并起定位作用。

不完全齒輪機構(gòu)的類型有外嚙合、內(nèi)嚙合和不完全齒輪齒條機構(gòu)。圖2－21為外嚙合式不完全齒輪機構(gòu)。 2.3導(dǎo)向機構(gòu)

2.3.1導(dǎo)軌副的組成及種類

導(dǎo)向機構(gòu)的作用是支承和限制運動部件按給定的運動要求和規(guī)定的運動方向運動。機電一體化系統(tǒng)中常見的導(dǎo)向機構(gòu)為導(dǎo)軌副。

如圖2－22所示，導(dǎo)軌副主要由運動件1和承導(dǎo)件2兩大部分組成。運動方向為直線的導(dǎo)軌副稱為直線運動導(dǎo)軌副，運動方向為回轉(zhuǎn)的導(dǎo)軌副稱為回轉(zhuǎn)運動導(dǎo)軌副。常用的導(dǎo)軌副種類很多，按其接觸面的摩擦性質(zhì)可分為滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌、流體介質(zhì)摩擦導(dǎo)軌和彈性摩擦導(dǎo)軌等。其具體分類如下：圖2－22導(dǎo)軌副的組成2.3.2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2－23（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2－23（b）。圖2－23導(dǎo)軌在垂直平面和水平平面內(nèi)的直線度理想的導(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）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2－24所示。圖2－24導(dǎo)軌間的平行度

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。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準規(guī)定。

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，必須進行正確的潤滑與保護，普遍采用獨立的潤滑系統(tǒng)進行自動潤滑；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行防護。

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2－25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(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。圖2－25彈簧—阻尼系統(tǒng)

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。

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?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?shù)牟牧?，以及熱處理、精加工和測量方法等。2.3.3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2－1列出了滑動摩擦導(dǎo)軌截面的常用結(jié)構(gòu)形式。表2－1滑動摩擦導(dǎo)軌截面的常用形式

（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。（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）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。（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2－26為最常見的五種圓形導(dǎo)軌防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。圖2－26圓形導(dǎo)軌的防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

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2－27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。圖2－27雙三角形導(dǎo)軌

2）三角形和矩形導(dǎo)軌組合

圖2－28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。圖2－28三角形和矩形導(dǎo)軌組合

3）三角形和平面導(dǎo)軌組合

圖2－29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。圖2－29三角形和平面導(dǎo)軌組合對于三角形和矩形、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.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?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。

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。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)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。（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)不低于所用材料標準硬度值的下限?；瑒訉?dǎo)軌常用材料的搭配見表2－2。表2－2滑動導(dǎo)軌常用材料的搭配2.3.4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2－30）。當導(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）進入返向孔后再進入滾道。返向器兩端裝有防塵密封端蓋，可有效防止灰塵、切屑進入滑塊內(nèi)部。圖2－30滾動直線導(dǎo)軌副的結(jié)構(gòu)

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。（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.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2－30）和滾柱式（圖2－31）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。圖2－31滾柱導(dǎo)軌（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2－32）。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，但對于安裝基準的誤差調(diào)整能力較強。圖2－32矩形導(dǎo)軌及滾動體（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的誤差平均作用比后者要小，但其靜剛度比后者稍差。圖2－33圓柱直線滾動導(dǎo)軌副

4.圓柱直線滾動導(dǎo)軌副

圖2－33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)。2.3.5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2－34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。當四個油腔所產(chǎn)生的向上的支承合力與力F達到平衡狀態(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)。

圖2－34閉式液體靜壓導(dǎo)軌工作原理圖圖2－35開式液體靜壓導(dǎo)軌工作原理圖要提高靜壓導(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。2.4.1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。2.4執(zhí)行機構(gòu)2.4.2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2－36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到上千或幾千赫茲。圖2－36電主軸的結(jié)構(gòu)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2－37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。圖2－37電主軸的油氣潤滑系統(tǒng)圖2－38電主軸的冷卻系統(tǒng)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2－38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)準確的相角控制以及與進給的配合。

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。電主軸的性能指標包括旋轉(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。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。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。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離工作頻率。

（4）提高旋轉(zhuǎn)零件的加工及裝配精度并進行精密動平衡。電主軸軸承的預(yù)緊力可以通過預(yù)緊力控制器進行在線調(diào)節(jié)。預(yù)緊力控制器的結(jié)構(gòu)如圖2－39所示。當轉(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)。圖2－39軸承預(yù)緊力控制器的結(jié)構(gòu)圖預(yù)緊力控制器與自動換刀裝置的液壓控制系統(tǒng)如圖2－40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。圖2－40電主軸的液壓系統(tǒng)圖電主軸進行粗加工時的轉(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)。圖2－41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，進而改變轉(zhuǎn)子的位移，保持轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮。圖2－41單自由度徑向磁懸浮軸承系統(tǒng)示意圖

2.直線電機

相對于傳統(tǒng)的采用滾珠絲杠傳動的進給方式，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，啟動時可瞬間達到高速，高速運行時又能瞬間停止，加速度一般可達到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）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。直線電機的工作原理如圖2－42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。圖2－42直線電機的工作原理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，由于這種進給傳動方式的傳動鏈縮短為零，因此被稱為機床進給系統(tǒng)的“零傳動”。直線電機進給閉環(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2－43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載運動。圖2－43直線電機進給閉環(huán)控制系統(tǒng)2.4.3壓電驅(qū)動器與超聲電機

壓電效應(yīng)是由居里夫婦于1880年從α石英晶體（水晶）上發(fā)現(xiàn)的，其本質(zhì)是由于晶體在機械力作用下發(fā)生形變而引起帶電粒子的相對位移，從而造成晶體的總電矩發(fā)生變化。反之，如果將一塊壓電晶體置于外電場中，則會引起晶體正、負電荷重心的位移，這一極化位移又導(dǎo)致了晶體發(fā)生形變，這個效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)。

外加交變電場可通過機電耦合效應(yīng)，在壓電體中激發(fā)各種模態(tài)的彈性振動，當外加電場的頻率與壓電體的機械諧振頻率一致時，壓電體便進入了機械諧振狀態(tài)，成為壓電振子。壓電振子的四種壓電振動模式包括：垂直于電場方向的伸縮振動、平行于電場方向的伸縮振動、垂直于電場平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)振動和平行于電場平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)振動，如圖2－44所示。圖2－44四種壓電振動模式壓電驅(qū)動器是利用壓電振子產(chǎn)生的振動和變形所形成的表面波或柔性波作為驅(qū)動源的驅(qū)動器。根據(jù)供電方式以及電壓誘導(dǎo)位移的不同特點，壓電驅(qū)動器可分為以下幾種類型：①利用PMN基電致伸縮材料，采用直流偏場的伺服微位移驅(qū)動器，如基于昆蟲蠕動原理的各類微動驅(qū)動器，主要用于光學(xué)器件的精密定位。

②利用PZT基軟性壓電陶瓷材料，采用脈沖式電源的脈沖開關(guān)式電機，主要用于點陣式打印機和噴墨式打印機。

③利用PZT基硬性壓電陶瓷材料，采用交變電場的超聲電機，主要用于照相機和攝像機光圈的自動聚焦、機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動等場合。具體分類見表2－3。表2－3壓電驅(qū)動器的分類

PZT是由賈菲等人發(fā)現(xiàn)的PbZrO3－PbTiO3二元系固溶體，其機電耦合常數(shù)接近BaTiO3陶瓷的一倍。超聲電機使用的是在PZT上加入微量的添加物或置換元素改性后的壓電材料，具有高機電耦合常數(shù)、高機械品質(zhì)因數(shù)和高的溫度穩(wěn)定性等特點。

1982年，日本的指田年生和新生公司研制成功的振動片型超聲電機和行波型超聲電機，使得世界各國學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界對壓電驅(qū)動器與超聲電機有了新的認識。壓電驅(qū)動技術(shù)在近二十幾年里得到了迅速發(fā)展。

根據(jù)使用的振動模態(tài)，超聲電機可分為彎曲—彎曲振動型、單一振動模態(tài)型和縱—彎或縱—扭復(fù)合型超聲電機。單一振動模態(tài)型超聲電機結(jié)構(gòu)簡單，但其運動方式為點接觸沖擊式，磨損大、效率低，實用性差。縱—扭復(fù)合型超聲電機的輸出轉(zhuǎn)矩較大，但其扭振的壓電陶瓷極化復(fù)雜，縱振頻率與扭振頻率兼并困難。行波超聲電機采用了彎曲—彎曲振動模態(tài)，定、轉(zhuǎn)子間的接觸是局部面接觸，定子連續(xù)推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，大大降低了定、轉(zhuǎn)子接觸界面的磨損，傳動效率高，有廣泛的應(yīng)用前景。

環(huán)形行波超聲電機的定、轉(zhuǎn)子均為環(huán)形結(jié)構(gòu)，其中，定子上開有齒槽，轉(zhuǎn)子同定子的接觸面覆有一層特殊的摩擦材料，定子背面粘接上壓電陶瓷，并依靠蝶簧變形所產(chǎn)生的軸向壓力緊壓在一起，如圖2－45和圖2－46所示。圖2－45環(huán)形行波超聲電機結(jié)構(gòu)圖2－46環(huán)形行波超聲電機的定子結(jié)構(gòu)圖2－47是壓電陶瓷的電極結(jié)構(gòu)，由數(shù)段極化過的壓電陶瓷片組成，圖中陰影區(qū)為未敷銀區(qū)，將壓電陶瓷的上、下極板分隔成不同的區(qū)域。相鄰兩個壓電分區(qū)的極化方向相反，分別以“+”和“-”表示，在電壓激勵下，一段收縮，另一段伸張，構(gòu)成一個波長的彈性波。圖中所示的極化分區(qū)可組成三個電極，其中A區(qū)和B區(qū)表示驅(qū)動電機的兩相電極（利用逆壓電效應(yīng)），而S區(qū)是傳感器區(qū)（利用正壓電效應(yīng)），可實時反映定子的振動情況。圖中，壓電陶瓷環(huán)的周長為行波波長λ的n倍；A區(qū)和B區(qū)所占的寬度為λ/2；S區(qū)的寬度為λ/4，用于將兩駐波合成為一個波長的行波；GND區(qū)為3λ/4，作為A區(qū)和B區(qū)的公共地。圖2－47壓電陶瓷電極結(jié)構(gòu)圖相鄰壓電分區(qū)分別伸張和收縮，從而激發(fā)橫向長度伸張和收縮振動，可以在定子彈性體中激發(fā)彎曲振動，如圖2－48所示。使用單相交變電壓激勵壓電陶瓷環(huán)的A區(qū)或B區(qū)，只能在定子中激發(fā)出單一的駐波振動，而使用兩相交變電壓同時激勵A(yù)區(qū)和B區(qū)，在一定條件下可以在定子環(huán)中激發(fā)出行波振動。圖2－48定子彎曲振動產(chǎn)生機理在圖2－49中，A相（E1）驅(qū)動激發(fā)的駐波為（2－2）B相（E2）驅(qū)動激發(fā)的駐波為（2－3）式中:wA、wB是彈性體表面橫向位移;ξA、ξB分別為A相和B相橫向振動的振幅;k=2π/λ為彈性波振動的波數(shù);λ=L/n為彈性波波長;n為周向振動模態(tài)階數(shù);L=2πr為定子環(huán)的圓周長；r為定子環(huán)的平均半徑；xa為A相振子與B相振子間的空間間隔，對應(yīng)圖2－49的定子結(jié)構(gòu)，xa=λ/4；θ為A相、B相驅(qū)動間的相位差。整理式（2－3）得（2－4）兩駐波疊加,可得（2-5）

當壓電陶瓷對稱極化時，ξA=ξB=ξ0，當A相、B相激勵電壓的相位差在時間上差90°時，θ=π/2，有（2－6）（2－7）圖2－49定子行波的產(chǎn)生機理圖2－50環(huán)形行波電機定子表面橢圓運動行波超聲電機的定子表面任意質(zhì)點的彎曲橫向振動位移和縱向振動位移之間的關(guān)系滿足橢圓方程，利用定子行波波峰質(zhì)點的縱向速度推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，如圖2－50所示。定子與轉(zhuǎn)子之間的界面摩擦力成為行波超聲電機的驅(qū)動力。超聲電機工作在超聲頻域，壓電陶瓷的負載特性為容性負載，因此，其驅(qū)動電路需要解決高頻驅(qū)動和容性負載的匹配問題。超聲電機需要用兩相高頻隔離式電源來驅(qū)動，電機的諧振頻率一般在20~100kHz之間。超聲電機的驅(qū)動電路包括功率放大電路和匹配電路兩部分，功率放大依靠功率器件完成，匹配電路主要利用升壓變壓器和諧振電感來實現(xiàn)。匹配電路用以改善驅(qū)動電源與壓電換能器的耦合程度，改善驅(qū)動電路的波形，減少高頻諧波分量。圖2－51行波超聲電機驅(qū)動器圖2－52超聲電機驅(qū)動器的功放和匹配電路圖2－53是環(huán)形行波超聲電機（RingtypeTravellingWaveUltraSonicMotors，簡稱RTWUSM）的速度控制系統(tǒng)和位置控制系統(tǒng)。速度控制系統(tǒng)(圖2－53(a))采用PID控制算法來調(diào)節(jié)兩相驅(qū)動信號的頻率進行速度控制。位置控制系統(tǒng)(圖2－53(b))采用PID控制算法來調(diào)節(jié)相位差以進行定位控制。超聲電機的種類很多，從毫米級的微型電機到厘米級的小型電機，從單自由度的直線電機到多自由度的平面電機和球型電機，從原理上基于摩擦的超聲電機到利用聲懸浮的非接觸式超聲電機，從高分辨率的蠕動式壓電電機到無磨損的壓電—電流變復(fù)合型步進電機，應(yīng)有盡有。圖2－53環(huán)形行波超聲電機的速度控制系統(tǒng)和位置控制系統(tǒng)的框圖圖2－54是密蘇里大學(xué)機械系與AlliedSignalAerospace公司合作研制的直徑8mm的行波超聲電機，可以用于計算機的光盤和硬盤的驅(qū)動。圖2－55是加州大學(xué)主動材料研究室開發(fā)出的直升飛機螺旋槳主動控制及振動抑制的蠕動式壓電驅(qū)動器，該裝置的位移可達300μm，速度為10mm/s，頻率為1kHz。圖2－54直徑8mm的行波超聲電機圖2－55蠕動式壓電驅(qū)動器圖2－56是清華大學(xué)材料系新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室研制出用于照相機的壓電超聲微電機。電機定子中的兩對壓電陶瓷片分別用于激發(fā)x方向和y方向彎曲振動。當一對在相位上互差π/2的正交信號被引入到這兩對壓電元件中時，將激發(fā)電機換能器定子作旋轉(zhuǎn)式的搖頭彎曲振動（即行波波動），如圖2－57所示。行波波動再通過定子與轉(zhuǎn)子之間緊密接觸的摩擦力來連續(xù)驅(qū)動轉(zhuǎn)子，從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生力矩輸出?？刂戚斎氲絻山M壓電元件的相位差（±π/2），行波波動的方向可瞬間反向。圖2－56用于照相機的壓電超聲微電機圖2－57搖頭彎曲振動的行波波動圖2－58由超聲電機驅(qū)動的二維微動平臺壓電效應(yīng)和電流變效應(yīng)結(jié)合的壓電—電流變多自由度平面步進驅(qū)動器的研究獨具新意。電流變效應(yīng)是指一種流體在電場的作用下，能瞬間可逆地變?yōu)椤叭豕虘B(tài)”。這種效應(yīng)可以巧妙地用于壓電電機“爬行”中的箝位，如圖2－59所示。圖2－59壓電—電流變平面步進電機研制的驅(qū)動器具有4個提供驅(qū)動力和產(chǎn)生位移的多層壓電驅(qū)動器，以及4個用來箝位的電流變箝位器。箝位器與壓電驅(qū)動器的不同組合，根據(jù)仿生運動模式可實現(xiàn)沿x向或y向的蠕動式步進運動。實驗顯示，平面步進驅(qū)動器在x向或y向都能靈活地運動，并具有大行程和低于0.1μm的高分辨率特性，驅(qū)動器的最高步進速度為6mm/min，最大承載能力為1.7N。這種驅(qū)動器與普通的壓電超聲電機相比有獨到的特點，如無摩擦、無工作噪音、大行程和高分辨率等。圖2－60是將超聲電機用于半直接驅(qū)動手指骨的原理樣機及控制裝置的設(shè)計。圖2－61是兩自由度超聲電機的原理圖，該電機的兩對定子分別工作時，球體轉(zhuǎn)子可以分別繞兩根軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)兩自由度運動。圖2－62是三自由度超聲電機的原理圖，該電機采用了柱體定子實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的三自由度運動。圖2－60安有4個超聲電機的模擬食指圖2－61兩自由度球形超聲電機圖2－62三自由度球形超聲電機壓電超聲電機具有低速下大力矩輸出、響應(yīng)快、控制性能好、可步進、伺服控制、容易同計算機接口，可實現(xiàn)智能化和機電一體化，無電磁干擾和抗磁干擾等特點，用于步進驅(qū)動可獲得納米量級的精度，用于微型化機構(gòu)還可以獲得小于毫米的限度，這些都是電磁電機所無法比擬的。壓電驅(qū)動器與超聲電機具有很好的應(yīng)用前景，主要的應(yīng)用領(lǐng)域有：（1）航空、航天領(lǐng)域。該領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)的尺寸和重量都有很高的要求，并需要適應(yīng)太空環(huán)境高真空、極端溫度、強輻射等惡劣條件。為防止機械系統(tǒng)在真空和失重條件下工作時產(chǎn)生的反作用力，空間機械裝置一般在低速下工作，這使得運動機構(gòu)的有效潤滑非常困難。壓電驅(qū)動器可有效減輕系統(tǒng)重量，實現(xiàn)直接驅(qū)動，如美國Galileo航天器上的濾色盤由于使用超聲電機作為驅(qū)動器，使整體體積變?yōu)樵瓉淼?/4。（2）精密加工設(shè)備的進給機構(gòu)。選用直線壓電步進驅(qū)動器或電致伸縮驅(qū)動器，可實現(xiàn)高分辨率、大行程、高剛度、快響應(yīng)的直線進給。美國康乃狄格大學(xué)研制的用于鉆石精加工設(shè)備的超聲直線電機，其行程為300mm，剛度為90N/μm，移動速度為1.6mm/s，分辨率可以達到5nm。

（3）汽車行業(yè)。小型超聲電機在汽車上有非常廣泛的用途，如車門玻璃的升降、刮雨器、靠背調(diào)整機構(gòu)等。據(jù)統(tǒng)計，普通轎車需要小功率電機30~40個，高級轎車需要50~60個，豪華轎車需要的電機數(shù)在80個以上。（4）精密儀器或醫(yī)療器械。許多科學(xué)儀器、醫(yī)療器械會產(chǎn)生強磁場或?qū)﹄姶鸥蓴_有嚴格限制，普通電磁電機不能使用，采用超聲電機就可避免這些問題。目前，超聲電機已經(jīng)在XY繪圖儀、精密手表、照相機自動聚焦系統(tǒng)、CD光盤磁頭自動定位裝置等方面得到應(yīng)用。

（5）機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動。用超聲電機作為機器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動器，可將關(guān)節(jié)的固定部分和運動部分分別與超聲電機的定、轉(zhuǎn)子作為一體，從而使整個機構(gòu)非常緊湊，并且可在中空型超聲電機中間走線或安放傳感器等檢測元件。（6）辦公自動化設(shè)備。超聲電機可消除辦公設(shè)備使用普通電磁電機所帶來的電磁噪聲和減速機構(gòu)的噪聲，凈化工作環(huán)境的背景噪聲。例如，在一些高樓的辦公室中，已采用了超聲電機升降窗簾。

（7）微型機械。微型電機是微型機械的核心部分，在一定程度上成為微型機械發(fā)展水平的重要標志。由于電磁電機需要線圈和有磁飽和特性，低速運轉(zhuǎn)時需要齒輪箱，因而最小的電磁電機只能做到毫米級，這些都限制著它在微型機械上的應(yīng)用。而超聲電機結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計靈活、緊湊，不存在任何限制微型化發(fā)展的因素，可以做得很小，甚至可達微米級。此外，壓電驅(qū)動器與超聲電機的應(yīng)用還包括軍事工業(yè)（如核彈頭保護裝置、導(dǎo)彈羽翼自動調(diào)節(jié)機構(gòu)、軍用望遠鏡自動調(diào)焦、武器裝備的自動瞄準系統(tǒng)與目標跟蹤、軍事偵察用微型機械蟲和微型直升機驅(qū)動等）、生產(chǎn)加工行業(yè)（如直線超聲電機用于半導(dǎo)體加工業(yè)，直線、旋轉(zhuǎn)超聲電機用于電火花加工業(yè)等）、計算機行業(yè)（如針式打印機的打印頭等）、醫(yī)療器械行業(yè)、量具業(yè)、電動自行車行業(yè)等。2.4.4微動機構(gòu)

1.微動機構(gòu)的基本要求

微動機構(gòu)是一種能在一定范圍內(nèi)精確、微量地移動到給定位置或?qū)崿F(xiàn)特定進給運動的機構(gòu)。微動機構(gòu)一般用于精確、微量地調(diào)節(jié)某些部件的相對位置，如在磨床中，用微動機構(gòu)調(diào)整砂輪架的微量進給；在測量儀器的讀數(shù)系統(tǒng)中，利用微動機構(gòu)調(diào)整刻度尺的零位；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，采用微動機構(gòu)構(gòu)造各種微型手術(shù)器械；在精密和超精密機床及其加工中，利用微動機構(gòu)進一步提高機床的分辨率或進行機床及加工誤差的在線補償。高精度微動裝置目前已成為精密或超精密機床的一個重要部件，其分辨率可達0.01～0.001μm，這對實現(xiàn)超薄切削、高精度尺寸加工和實現(xiàn)在線誤差補償起到了關(guān)鍵性的作用。

微動機構(gòu)的性能好壞在一定程度上影響系統(tǒng)的精確性和可操作性，因而要求它應(yīng)滿足如下基本要求：

（1）低摩擦、高靈敏度，最小移動量達到使用要求。

（2）傳動平穩(wěn)、可靠，無空程和爬行，有足夠的剛度，制動后能保持穩(wěn)定的位置。

（3）具有好的動態(tài)特性，即響應(yīng)頻率高。

（4）抗干擾能力強，快速響應(yīng)性好。

（5）能實現(xiàn)自動控制。

（6）良好的結(jié)構(gòu)工藝性。

2.微動機構(gòu)的基本類型

微動機構(gòu)按執(zhí)行件的運動原理不同分為雙螺旋差動式、彈性變形式、熱變形式、磁致伸縮式、電致伸縮式等多種形式，下面介紹其中的幾種。

1）雙螺旋差動式

圖2－63所示為雙螺旋差動式微動裝置，差動手輪4上的內(nèi)、外螺紋旋向相反。設(shè)外螺紋導(dǎo)程為p1、內(nèi)螺紋導(dǎo)程為p2，且δ＝p1-p2，當手輪4旋轉(zhuǎn)一周時，移動體3的位移量為δ。該結(jié)構(gòu)剛度較高，移動量準確。圖2－63雙螺旋差動式微進給裝置

2）彈性變形式

圖2－64所示為一種雙T形彈簧變形微進