机电一体化系统设计_第二章机械部件选择与设计

d) 弹簧式自动预紧调整
但结构复杂、轴向刚度较差、适合清载场合。
（3）选择滚珠丝杠副支承方式
为了提高滚珠丝杠传动副的支承刚度，从而提高传 动精度，滚珠丝杠副支承方式具有下属四种方式。
a) 单推--单推式支承
特点：两端止推轴承可使滚珠丝杆产生预拉伸力， 提高了丝杆安装刚度，预拉力越大，轴承寿命降低。
3）滚珠丝杠副的选择设计验算步骤
依据最大工作载荷(N)或平均工作载荷(N)作用下的使用寿命T(h)、 丝杆有效工作行程(mm)、丝杠转速(r/min)或平均转速(r/min)、滚 道硬度HRC以及工况等实际工作条件，进行一系列的验算。 〃 承载能力计算与滚珠丝杠副型号选择 在最大静载荷和动载荷条件下，进行弯曲强度、接触应力强度、 疲劳强度等验算，综合决定选择滚珠丝杠副型号。 〃 压杆稳定性验算或校核 压杆稳定性验算或校的基本要求是不影响滚珠丝杠副的精度和 变形附加载荷产生的摩擦阻力超过极限值。 〃 刚度验算 结构刚度（支承方式相关）和接触刚度（导轨滚道）。 **由此才能完成滚珠丝杠副的选择设计工作。
滚珠丝杠副的四种支承方式及其特点
（4）滚珠丝杠副的制动装置
作用：在垂直安装或在高速移动定位时，防止滚珠 丝杠副逆转发生不安全事故或定位不可靠（无自锁能 力）。 常用：超越离合器、双推式电磁离合器（制动器）。
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超越离合器
双推式电磁离合器
超越离合器的工作原理
超越离合器是利用主动件和从动件的转速变化或回转方 向变换而自动接合和脱开的一种离合器。当主动件带动从 动件一起转动时，称为结合状态；当主动件和从动件脱开 以各自的速度回转时，为超越状态。
超越离合器具有以下功能 a.在快速进给机械中实现快慢速转换、超越功能。 b.实现步进间隙运动和精确定位的分度功能。
c.当它与滚珠丝杠或其它部件配套使用，防止逆转，实现 自锁和逆止功能。
定向离合器（滚柱定向离 合器） 只能向一个转向传递转矩 ，反向自动分离。 主要由星轮1、外圈2、弹 簧顶杆4和滚柱3构成。弹 簧将滚柱3星轮的楔形槽内 ，使滚柱与星轮、外圈接 触。一起同向运动。（运 动方向如图）
2.1.1 机械传动部件及其主要功能
常用传动部件：螺旋传动、齿轮传 动、同步齿形传动、高速带传动，其 它非线性传动元件。 主要功能：传递力/转矩和速度/转 速——力/转矩、速度/转速变换器。
机械传动部件的作用和要求
厚 励德 志达 勤理 工
主要作用或目的——使执行元件与负载 之间在转矩和转速方面达到合理（最佳） 的匹配。 基本要求——传动间隙小、精度高、体 积小、重量轻、运动平稳、传动转矩大。 可按传动部件的用途——工作机或信息 机的主要功用而确定目标指标和参量。 机电一体化机械传动部件的发展方向 ——精密化，高速化，小型化，轻量化。
1 星轮 2 外圈 3滚柱 4弹簧顶杆
（5）滚珠丝杠副的润滑与密封 润滑：主要有脂润滑和滴油润滑。 密封：接触式密封（动或静密封） 和非接触式密封（迷宫式密封）。 防尘与防护：折叠式防尘套、伸缩 式防尘套、伸缩挡板防尘装置等。
（6）滚珠丝杠副的选择方法 1）滚珠丝杠副结构形式确定
依据预紧条件和防尘条件决定滚珠丝 杠副的结构形式。
单圆弧螺纹滚道的单螺母丝杠副
—— 以动力传动为主，允许传动存在 一定间隙，且垂直安装。常用在高精度 压力设备上（导向精度由导轨保证）。
单圆弧螺纹滚道的双螺母丝杠副
—— 主要用在传递轻载荷、对传递动 力的平稳性和丝杆刚度要求比高（预紧 力较小）的小型设备上。
双圆弧螺纹滚道的双螺母丝杠副
——主要用于重载，以传递动力和运动为主，对 传递动力和运动的平稳性有较高的要求，传递精 度高、丝杠刚度大防尘效果好的高精度机器设备 上。
预拉方向 调整垫片 螺母A 螺母B 预拉方向
预紧方向 垫片 预紧方向
丝杠侧
预紧原理
预紧结构
2）滚珠丝杠副基本结构尺寸的选择
主要依据滚珠丝杠副传递的最大载荷、运动特性 （传递速度）和范围（有效行程）、传递精度要求， 选定滚珠丝杠副的公称直径、基本导程以及传递精度 等级。
确定基本参数的原则
· 公称直径大，承载能力强；反之，承载能 力弱。 · 基本导程大，承载能力强，传动速度快， 传动精度降低；反之，承载能力减弱，传动速 度慢，传动精度高。 · 传递精度：决定设备静态定位和运动精度、 动态响应特性、动态稳定特性。
S
02 01
丝杠螺母机构传动的工作原理
2.1.3 滚珠丝杠传动部件
（1）滚珠丝杠副 的组成 由带螺旋槽的 丝杆、螺母、滚 动元件滚珠/滚柱、 回珠装置等组成。 各元件的作用：
4 3 2 1
（2）滚珠丝杠传动的特点
具有传动阻力小； 传动效率高（92%~98%）； 轴向刚度高（适当预紧消除丝杠与螺母之 间的轴向间隙或预拉丝杠）； 传动平稳； 传动精度高； 不易磨损、使用寿命长等优点； 但不能自锁； 因而用于高精度传动和升降传动时，需制 动定位装置。
行星差速变速器
3）谐波齿轮传动
工作原理 谐波齿轮传动是一种依靠 弹性变形运动来实现传动 的新型机构，它突破了机 械传动采用刚性构件机构 的模式，使用了一个柔性 构件来实现机械传动，从 而获得了一系列其他传动 所难以达到的特殊功能。
主要组成元件
工作过程
特点： 1．承载能力高 谐波传动中，齿与齿的啮合是面接触，加上 同时啮合齿数（重叠系数）比较多，因而单位面积载荷小， 承载能力较其他传动形式高。 2．传动比大 单级谐波齿轮传动的传动比，可达 i=70～500。 3．体积小、重量轻。 4．传动效率高、寿命长。 5．传动平稳、无冲击，无噪音，运动精度高。 6．由于柔轮承受较大的交变载荷，因而对柔轮材料的抗疲 劳强度、加工和热处理要求较高，工艺复杂。
机电一体化机械系统的特殊要求
机电一体化的机械系统与一般机械系统相比， 具有一定的特殊要求：
（1）较高的定位精度。
（2）良好的动态响应特性。响应快、稳定性好。
（3）无间隙、低摩擦、低惯量、大刚度。
（4）高的谐振频率、合理的阻尼比。
这表明了机械系统部件选择与设计时的特点和要 求。
在机电一体化机械系统设计中 的主要措施和手段
滚珠丝杠的间隙调整与预紧
a) 双螺母螺纹预紧调整
特点：结构简单、刚性好、预紧可靠、 调整方便，但无法定量调整。
b) 双螺母垫片预紧调整
特点：结构简单、刚性好、预紧可靠、 使用调整不方便，但无法定量调整。
c) 双螺母齿差预紧调整
特点：结构较复杂、刚性好、预紧可靠、 可定量调整（0.002mm/齿），精度高、方便。
机电一体化系统设计
第二章 机电一体化系统 机械部件选择与设计
第二章 机电一体化系统 机械系统部件的选择与设计
机电一体化系统的构成基础— —机械构件及其传动部件 控制部件、接口电路、功率放 大电路、执行元件、机械传动部 件、导向支承件以及传感元件等 部分均与机械部分相关，而最主 要的是机械传动部件，导向支承 件部件。
（3）丝杠螺母机构的特点
滑动丝杠螺母机构：结构简单、加工方便、 成本低，且有自锁功能，但摩擦阻力较大、 传动效率低(30%~40%)。 滚动丝杠螺母机构：结构复杂、成本高、 无自锁功能，但摩擦阻力小、传动效率高 （92%~98%）、传动精度高。
（4）丝杠螺母传动的类型与特点
a) 螺母固定、丝杆转动并移动
r i= Z gZ-Z = g
2 Zg
齿轮传动
齿轮齿条传动
2）行星齿轮传动轮系
主要由传动齿轮、定位齿轮、行星齿轮和 行星架等组成。
Zg = Zr +2 Zr
ng nH
i2
1 2
H
3 2
i=iห้องสมุดไป่ตู้ i2
i=1-
Z2 Z3 Z1 Z2
当柔轮固定时，
r i= Z gZ-Z = g
2 Zg
行星齿轮传动轮系的组成与工作原理

（2）齿轮传动最佳传动比配置的基本要求
配置传动比的目的：满足驱动元件与负载之间的位移、 速度、加速度、传动精度（误差）相互匹配的基本要求。 由于，机电一体化系统的传动负载、传动特性、传动精 度、工作条件差异很大，齿轮传动部件传动比的配置应主 要依据不同系统的实际工作情况与要求进行配置。 在一般情况下，可重点考虑如下几方面内容： 运动参量匹配 —— 传递形式与类型 功率/力/力矩匹配 —— 结构强度与刚度 转动惯量 —— 系统响应特性（静态/动态） 传递精度——传递间隙、平稳性、低速震荡（爬行现象）
双圆弧滚道
单圆弧滚道
2）按滚珠的循环方式分类： 内循环方式和外循环方式两类。 a）内循环方式
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浮动式反向器内循环方式
b）外循环方式
端盖式外循环
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3
2 1
4
插管式外循环
3）消除轴向间隙的调整与预紧方式
无论是滑动丝杠还是滚动丝杠传动，由于在 结构上均存在一定的轴向间隙，以及磨损间隙 的存在，为了保证运动传递的连续性和可靠性， 消除轴向间隙并实施一定预紧，有利于提高丝 杠的传递精度和一定的承载能力。 消除和减小丝杠轴向间隙的主要方法： 主要分为双螺母螺纹预紧调整、双螺母垫片 式预紧调整、双螺母齿差式预紧调整、弹簧式 自动预紧调整、单螺母变导程预紧调整四种方 式。
2.1.2 丝杠螺母机构传动形式与特点
（1）丝杠螺母机构的主要构成 丝杠、丝杠螺母和减摩介质或滚动体（回珠装 置）。 功能：实现旋转运动与直线运动之间相互转换 或调整。 作用：用于机构之间能量的传递和运动形式的 传递。 分类：滑动和滚动丝杠螺母机构。
（2）丝杠螺母机构传递运动的基本条件 1）滑动丝杠螺母机构传递运动基本条件： 应有足够的滑移间隙和充分地润滑，热胀 冷缩补偿空间；因而，存在一定的空回间隙。 2）滚珠丝杠螺母机构传递运动的基本条件： 应有足够的润滑储油空间和热胀冷缩弹性 补偿能力，可实现无间隙工作；因而，存在一 定的表面应力；为了实现连续运转，需一滚珠 的回珠装置（内或外）。