【正文】 滾道回程裝置，構(gòu)成滾珠的循環(huán)返回通道，從而形成滾珠流動(dòng)的閉合通道。因此，這種傳動(dòng)方式多用于各種微動(dòng)機(jī)構(gòu)中。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 圖 差動(dòng)傳動(dòng)原理 該方式的絲桿上有基本導(dǎo)程 (或螺距 ) 不同的 (如 l0 l02)兩段螺紋，其旋向相同。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 3)螺母轉(zhuǎn)動(dòng)、絲桿移動(dòng) 如圖 c所示，該傳動(dòng)形式需要限制螺母移動(dòng)和絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，由于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且占用軸向空間較大，故應(yīng)用較少。 其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、絲桿剛性較好。因此只適用于行程較小的場(chǎng)合。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的類(lèi)型與特點(diǎn) 圖 a 絲杠螺母機(jī)構(gòu)基本傳動(dòng)形式 1)螺母固定、絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng) 如圖 a所示，該傳動(dòng)形式因螺母本身起著支承作用，消 除了絲桿軸承可能產(chǎn)生的附加軸向竄動(dòng)，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，可獲得較高的傳動(dòng)精度。 三、 絲杠螺母機(jī)構(gòu) 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 絲杠螺母機(jī)構(gòu)傳遞運(yùn)動(dòng)的基本條件 1）滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)傳遞運(yùn)動(dòng)基本條件： 應(yīng)有足夠的滑移間隙和充分地潤(rùn)滑，熱脹冷縮補(bǔ)償空間；因而，存在一定的空回間隙。 二、常見(jiàn)的機(jī)械傳動(dòng)裝置及功能 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu) ：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、成本低，且有自鎖功能，但摩擦阻力較大、傳動(dòng)效率低 (30%~40%)。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 機(jī)械傳動(dòng)部件的主要功能是傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速； 它的 實(shí)質(zhì) 是一種轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變換器； 它的 目的 是使執(zhí)行部件與負(fù)載之間在轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方面得到最佳匹配。它既承受其它零部件的重量和工作載荷，又起保證零件相對(duì)位置的基準(zhǔn)作用。 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)： 支撐和限制運(yùn)動(dòng)部件按給定的運(yùn)動(dòng)要求和給定的運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，為機(jī)械系統(tǒng)中各運(yùn)動(dòng)裝置安全、準(zhǔn)確地完成其特定方向的運(yùn)動(dòng)提供保障。 5. 改進(jìn)和合理設(shè)計(jì)支承件和機(jī)架結(jié)構(gòu) ， 提高剛度 、 減少振動(dòng)和噪音 。 3. 選擇合理 （ 最佳 ） 傳動(dòng)比 ， 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(zhuǎn)動(dòng)慣量 ， 盡可能的提高系統(tǒng)的加速能力。 2. 縮 短傳動(dòng)鏈 ， 提高傳動(dòng)與支承剛度 。 機(jī)械系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)要求 二、主要措施和手段 1. 采用 低摩擦 阻力的傳動(dòng)部件和導(dǎo)向支撐件 。 3. 無(wú)間隙 、 低摩擦 、 低慣量 、 大剛度 。 要求機(jī)械系統(tǒng)從接到指令到開(kāi)始執(zhí)行指令指定的任務(wù)之間的時(shí)間間隔短 ， 這樣控制系統(tǒng)才能及時(shí)根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息 ， 下達(dá)指令 ，使其準(zhǔn)確地完成任務(wù) 。第二章 機(jī)械傳動(dòng)與工業(yè)機(jī)器人 機(jī)械系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)要求 一 、 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的特殊要求 機(jī)電一體化的機(jī)械系統(tǒng)與一般機(jī)械系統(tǒng)相比，具有一定的特殊要求： 1. 較高的定位精度 精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量 ， 尤其是機(jī)電一體化產(chǎn)品 ， 其技術(shù)性能 、 工藝水平和功能比普通的機(jī)械產(chǎn)品都有很大的提高 ， 因此機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的高精度是其首要的要求 。 2. 良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 — 響應(yīng)快 、 穩(wěn)定性好 。 要求機(jī)械系統(tǒng)的工作性能不受外界環(huán)境的影響 ， 抗干擾能力強(qiáng) 。 4. 高的諧振頻率 、 合理的阻尼比 。 如：滾珠絲杠副 、滾動(dòng)導(dǎo)向和支承 、 動(dòng)靜壓導(dǎo)向和支承 。 如：大扭矩 、 寬調(diào)速的伺服電動(dòng)機(jī)；軸端預(yù)緊或預(yù)拉伸 、 滾珠絲杠副或滾動(dòng)導(dǎo)軌副預(yù)緊消除間歇提高剛度 。 4. 盡可能地減小或消除傳動(dòng)誤差和反轉(zhuǎn)誤差 、 減少支承變形 ， 最終縮小反向死區(qū)誤差 。 機(jī)械系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)要求 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 德國(guó)的排爆機(jī)器人 一、 機(jī)械系統(tǒng)組成 傳動(dòng)結(jié)構(gòu) ：主要功能是傳遞能量和運(yùn)動(dòng) ，是一種力、速度變換器。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 支 承 件：機(jī)座或機(jī)架是支承其他零部件的基礎(chǔ)部件。 三者功能總結(jié)：實(shí)現(xiàn)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，支撐和導(dǎo)向，聯(lián)系機(jī)電一體化系統(tǒng)各部件并實(shí)現(xiàn)其構(gòu)造功能。 對(duì) 傳動(dòng)件的要求 ：間隙小、精度高、體積小、重量輕、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、傳遞扭矩大。 滾動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu) ：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、無(wú)自鎖功能，但摩擦阻力小、傳動(dòng)效率高（ 92%~98%）、傳動(dòng)精度高。 2）滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)傳遞運(yùn)動(dòng)的基本條件： 應(yīng)有足夠的潤(rùn)滑儲(chǔ)油空間和熱脹冷縮彈性補(bǔ)償能力，可實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙工作；因而，存在一定的表面應(yīng)力；為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，需一滾珠的回珠裝置（內(nèi)或外）。但其軸向尺寸不易太長(zhǎng)，剛性較差。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 2)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)、螺母移動(dòng)如圖 b所示，該傳動(dòng)形式需要限制螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)，故需導(dǎo)向裝置。適用于工作行程較大的場(chǎng)合。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 圖 絲杠螺母機(jī)構(gòu)基本傳動(dòng)形式 4)絲桿固定、螺母轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng) 如圖 d所示，該傳動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，但在多數(shù)情況下，使用極不方便，故很少應(yīng)用。當(dāng)絲桿 2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可動(dòng)螺母 1的移動(dòng)距離為 S=n (l01－ l02)，如果兩基本導(dǎo)程的大小相差較少，則可獲得較小的位移 S。 （ 5）差動(dòng)傳動(dòng)方式 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 四、滾動(dòng)螺旋傳動(dòng) 滾珠絲杠副的組成及特點(diǎn) 滾珠絲杠副是一種新型螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其螺桿和螺母的螺紋滾道間置滾珠，當(dāng)螺桿或螺母?jìng)鲃?dòng)時(shí)，滾動(dòng)沿螺紋滾道滾動(dòng)，使螺桿和螺母作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)為滾動(dòng)摩擦，提高了傳動(dòng)效率和傳動(dòng)精度。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 （ 2）滾珠絲杠的特點(diǎn) 滾珠絲杠副與滑動(dòng)絲杠副相比有如下特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)： ①傳動(dòng)效率高（ ～ ）； ②傳動(dòng)精度高； ③摩擦小、不易磨損，壽命長(zhǎng)； ④運(yùn)動(dòng)的可逆性； ⑤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝性差，成本高。 缺點(diǎn)：不能自鎖，傳動(dòng)可逆，在用作升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，需要采取制動(dòng)措施。 （ 1）螺紋滾道型面 (法向 )的形狀及主要尺寸 圖 螺紋滾道法向截面形狀 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 單圓弧滾道和雙圓弧滾道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 單圓弧滾道 ： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，存在軸向間隙，加工質(zhì)量易于保證，在使用雙螺母結(jié)構(gòu)的條件下，具有軸向間隙調(diào)整和預(yù)緊能力，傳遞精度高。 雙圓弧滾道 ： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳遞精度由加工質(zhì)量保證，軸向間隙小，無(wú)軸向間隙調(diào)整和預(yù)緊能力，加工困難，加工精度要求高，成本高，一般在輕載條件下工作。 雙圓弧滾道 單圓弧滾道 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 （ 2）滾珠的循環(huán)方式 圖 內(nèi)循環(huán) 工作原理 在螺母 2的側(cè)面孔內(nèi)裝有接通相鄰滾道的反向器 4，利用反向器引導(dǎo)滾珠 3越過(guò)絲桿 1的螺紋頂部進(jìn)入相鄰滾道，形成一個(gè)循環(huán)回路。 缺：反向器加工困難、裝配調(diào)整也不方便。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 b,外循環(huán)方式 1）螺旋槽式 結(jié)構(gòu)：在螺母 2的外圓表面上銑出螺紋凹槽，槽的兩端鉆出兩個(gè)與螺紋滾道 相切 的通孔，螺紋滾道內(nèi)裝入兩個(gè)擋珠器 4引導(dǎo)滾珠 3通過(guò)這兩個(gè)孔，應(yīng)用套筒 1蓋住凹槽，構(gòu)成滾珠的循環(huán)回路。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 2）插管式 結(jié)構(gòu)： 用一彎管 1代替螺紋凹槽，彎管的兩端插入與螺紋滾道 5相切的兩個(gè)內(nèi)孔，用彎管的端部引導(dǎo)滾珠 4進(jìn)入彎管，構(gòu)成滾珠的循環(huán)回路，再用壓板 2和螺釘將彎管固定。但是徑向尺寸較大，彎管端部用作擋珠器比較容易磨損。滾道半徑為滾珠直徑的 1． 4～ 1． 6倍。常以單螺母形式用作升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 原理：調(diào)整時(shí)旋轉(zhuǎn)圓螺母 2消除軸向間隙并產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，然后用鎖緊螺母1鎖緊。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛性好、預(yù)緊可靠，使用中調(diào)整方便，但不能 精確定量 地進(jìn)行調(diào)整。 工作原理： 調(diào)整時(shí)先取下兩端的內(nèi)齒輪 2，當(dāng)二個(gè)滾珠螺母相對(duì)于套筒同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)同一個(gè)齒后固定后，則一個(gè)滾珠螺母相對(duì)于另一個(gè)滾珠螺母產(chǎn)生相對(duì)角位移，使二個(gè)滾珠螺母產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，從而消除間隙并產(chǎn)生一定的預(yù)緊力。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 （ 3）雙螺母墊片調(diào)整預(yù)緊式 結(jié)構(gòu)與原理：調(diào)整墊片 1的厚度，可使兩螺母 2產(chǎn)生相對(duì)位移，以達(dá)到消除間隙、產(chǎn)生預(yù)緊拉力之目的。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 （ 4）彈簧式自動(dòng)調(diào)整預(yù)緊式 結(jié)構(gòu)原理：雙螺母中一個(gè)活動(dòng)、另一個(gè)固定，用彈簧使其間始終具有產(chǎn)生軸向位移的推動(dòng)力，從而獲得預(yù)緊力。 彈簧 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 （ 5）單螺母變位導(dǎo)程自預(yù)緊式和單螺母滾珠過(guò)盈預(yù)緊式 結(jié)構(gòu)原理：在滾珠螺母體內(nèi)的兩列循環(huán)滾珠鏈之間，使內(nèi)螺紋滾道在軸向制作一個(gè)的導(dǎo)程 突變量 ，從而使二列滾珠產(chǎn)生軸向錯(cuò)位而實(shí)現(xiàn)預(yù)緊，預(yù)緊力的大小取決于突變量和單列滾珠的徑向間隙。 圖 單螺母變位導(dǎo)程預(yù)緊式 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 滾珠絲杠副支承方式的選擇 （ 1）支承方式 1）單推 —— 單推式 結(jié)構(gòu)：止推軸承分別裝在滾珠絲杠的兩端并施加預(yù)緊力。 特點(diǎn)：該方式適合于高剛度、高轉(zhuǎn)速、高精度的精密絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 3）雙推 —— 簡(jiǎn)支式 結(jié)構(gòu)：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(shí)應(yīng)注意減少絲杠熱變形的影響。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 4）雙推 —— 自由式 結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)： 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(dòng)系統(tǒng)。 2）常用的制動(dòng)裝置有體積小、重量輕、易于安裝的超越離合器。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 圖 電磁 —— 摩擦制動(dòng)裝置原理圖 3）制動(dòng)實(shí)例 A：結(jié)構(gòu)組成 B：制動(dòng)原理 運(yùn)動(dòng)部件 摩擦離合器 電磁線圈 鐵心 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 滾珠絲杠副的密封與潤(rùn)滑 1螺旋彈簧鋼帶式伸縮套管； 2波紋管密封套 原因：滾珠絲杠副可用防塵密封圈或防護(hù)套密封來(lái)防止灰塵及雜質(zhì)進(jìn)人滾珠絲杠副，使用潤(rùn)滑劑來(lái)提高其耐磨性及傳動(dòng)效率，從而維持其傳動(dòng)精度、延長(zhǎng)其使用壽命。 非接觸式密封圈通常由聚氯乙烯等塑料制成，其內(nèi)孔螺紋表面與絲杠螺紋之間略有間隙，故又稱(chēng)迷宮式密封圈。常用的潤(rùn)滑劑有潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂兩類(lèi)。防護(hù)套的形式有折疊式密封套、伸縮套管和伸縮擋板。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 （ 1）滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)的選擇 根據(jù)防塵防護(hù)條件以及對(duì)調(diào)隙及預(yù)緊的要求，可選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 （ 2）滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)尺寸的選擇 選用滾珠絲杠副時(shí)通常主要選擇的公稱(chēng)直徑 d0和基本導(dǎo)程 l0。螺紋長(zhǎng)度 ls在允許的情況下要盡量短，一般 ls/d0小于 30為宜； ② 基本導(dǎo)程 l0應(yīng)按承載能力、傳動(dòng)精度及傳動(dòng)速度選取， l0大承載能力也大， l0小傳動(dòng)精度較高。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 （ 3）滾珠絲杠副的選擇步驟 選用時(shí)，必須知道實(shí)際的工作條件（已知參量）： * 最大的工作載荷 Fmax（或平均工作載荷 Fcp（ N）作用下的使用壽命 T（ h））； * 絲杠的長(zhǎng)度（或螺母的有效行程） l（ mm）； * 絲杠的轉(zhuǎn)速 n（或平均轉(zhuǎn)速 ncp）（ r/min）； * 滾道的硬度 HRC及絲杠的工況。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 2） 壓桿穩(wěn)定性核算 ? ? m ax22 FKlEIfF skk ?? ? 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 3）剛度的驗(yàn)算 IEMlESFlL??????2200 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 （五）齒輪傳動(dòng) 齒輪傳動(dòng)形式及其傳動(dòng)比的最佳匹配 1）常用的齒輪減速裝置傳動(dòng)形式 圖 常用減速裝置傳動(dòng)形式 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 2）齒輪傳動(dòng)系總傳動(dòng)比的確定 在伺服系統(tǒng)中 ,通常采用 負(fù)載角加速度最大原則 選擇總傳動(dòng)比 ,以提高伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度 。 圖中： Jm —— 電動(dòng)機(jī) M轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量； θm —— 電動(dòng)機(jī) M的角位移； JL —— 負(fù)載 L的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； θL —— 負(fù)載 L的角位移； TLF —— 摩擦阻抗轉(zhuǎn)矩； i —— 齒輪系 G的總傳動(dòng)比。 LmLmLm