机电一体化系统设计课件——第2章(4)：机械系统的部件选择与设计(导轨)

第 2 章 机械系统部件的选择与设计
§2-2 机械系统传动部件的选择与设计
三、滚珠丝杠副传动部件 滚珠丝杠副支撑方式 双推-自由式/简支式
如下图所示，一端安装推力轴承与圆柱滚子轴承的组合，另一端悬空呈 自由状态，故轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装的 丝杠传动系统。
第 2 章 机械系统部件的选择与设计
§2-2 机械系统传动部件的选择与设计
机械传动部件及其功能要求
➢ 常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传 动、各种非线性传动部件等。
➢ 主要功能是传递转矩和转速。因此，它实质上是一种转矩、转速变换 器，其目的是使执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。
➢ 机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很大影响，特别是其传动类型、 传动方式、传动刚性以及传动的可靠性对机电一体化系统的精度、稳 定性和快速响应性有重大影响。因此，应设计和选择传动间隙小、精 度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。
第 2 章 机械系统部件的选择与设计
§2-2 机械系统传动部件的选择与设计
三、滚珠丝杠副传动部件 滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧
弹簧自动调整预紧式
如图所示，双螺母中， 一个活动，另一个固定， 用弹簧使其间始终具有 产生轴向位移的推动力， 从而获得预紧力。其特 点是能消除使用过程中 因磨损或弹性变形产生 的间隙，但其结构复杂、 轴向刚度低，适用于轻 载场合。
单螺母变位导程自预紧式 和单螺母滚珠过盈预紧式
第 2 章 机械系统部件的选择与设计
§2-2 机械系统传动部件的选择与设计
三、滚珠丝杠副传动部件 滚珠丝杠副支撑方式
典型支承方式
第 2 章 机械系统部件的选择与设计

❖ 表2-1 传动机构及其功能
运动的变换
动力的变换
形式 行程 方向 速度 大小 形式
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2.2.1 齿轮传动部件
目的：齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器
1 降速:将伺服电机的高速，小转矩输出变成克服负载所需的低速 、大转矩。 2 使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在传动系统中所占比重减少， 以保证传动精度。
外 齿 轮 啮 合
内 齿 轮 啮 合
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齿轮传动间隙的调整
1．直齿圆柱齿轮传动副 （1）偏心套调整法
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（2）锥度齿轮调整法
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（3）双片齿轮错齿调整法
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2．斜齿圆柱齿轮传动副 （1）轴向垫片调整法 （2）轴向压簧调整法
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2.2.2 丝杠螺母机构基本传动形式
主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动
从滚珠的循环方式、螺纹滚道的截面形状和 消除轴向间隙的调整方法进行区别。
1).滚珠的循环方式有内循环和外循环二种。
内循环---滚珠在循环过程中始终与丝杆表 面保持接触。
在螺母2的侧面孔内装有接通相邻滚道的反向 器4，利用反向器引导滚珠3越过丝杆1的螺 纹顶部进入相邻滚道，形成一个循环回路。 一般在同一螺母上装有2-4个滚珠用反向器， 并沿螺母圆周均匀分布。
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传动机构的基本要求：

根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，可选择适当的结构
型式。当允许有间隙存在时(如垂直运动)可选用具有单圆弧形螺纹滚 道的单螺母滚珠丝杠副；当必须有预紧或在使用过程中因磨损而需 要定期调整时，应采用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式结构；当具备良 好的防尘条件，且只需在装配时调整间隙及预紧力时，可采用结构简
1．螺杆上两螺纹旋向相同时，活动螺母移动情况
距 离： 方 向：
L=N（Ph1-Ph2）减小 （固定螺母导程Ph1，活动螺母导程Ph2， ⑴
⑵ 螺杆转速Ｎ） Ph1> Ph2，活动螺母移向与螺杆移动同向； Ph1< Ph2，活动螺母移向与螺杆移动反向；
⑶ Ph1= Ph2 ，活动螺母不动（移动距离为零）。 2．螺杆上两螺纹旋向相反时，活动螺母移动情况 距 离： 方 向： L=N（Ph1+Ph2）增大； 活动螺母移动与螺杆移动同向
第二章 机械系统部件的选择与设计
第一节
机械系统部件的设计要求
为确保机械系绕的传动精度和工作稳定性，在设计中，常提出 无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等
要求。为达到上述要求，主要从以下几方面采取措施。
第一节
机械系统部件的设计要求
1)采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件；
2)缩短传动链，提高传动与支承刚度；
常用的润滑剂有润滑油和润滑脂两类。润滑脂一般在装配时
放进滚珠螺母滚道内定期润滑，而使用润滑油时应注意经常通过
注油孔注油。
三、 滚珠丝杠传动部件
防护套的形式有折叠式密封套、伸缩套管和伸缩挡板。其材料
有耐油塑料、人造革等。
三、 滚珠丝杠传动部件
三、 滚珠丝杠传动部件
8．滚珠丝杠副的选择方法

微型滚动轴承
精 密 分 度 头 主 轴 系 统
上图为一精密分度头主轴系统。它采用的是密 珠轴承，主轴由止推密珠轴承2、4和径向密珠轴承1、 3组成。这种轴承所用滚珠数量多且接近于多头螺旋 排列。由于密集的钢珠有误差平均效应，减小了局 部误差对主轴轴心位置的影响，故主轴回转精度有 所提高；每个钢珠公转时沿着自己的滚道滚动而不 相重复，减小了滚道的磨损，主轴回转精度可长期 保持。实践证明，提高钢珠的密集度有利于主轴回 转精度的提高，但过多地增加钢珠会增大摩擦力矩。 因此，应在保证主轴运转灵活的前提下，尽量增多 钢珠数量。图b为推力密珠轴承保持架孔分布情况， 图c为径向密珠轴承保持架孔的分布情况。
液体静压轴承工作原理
液体静压轴承工作原理 1、2、3、4-油腔；5-金属薄膜；6-圆盒；7-回油槽；8-轴套
磁悬浮轴承工作原理
磁悬浮轴承是利用磁场力将轴无机械摩擦、无润滑地悬浮在空间的一种新型轴承。其工 作原理如下图所示。径向磁悬浮轴承由转子(转动部件)6和定子(固定部件)5两部分组成。定子 部分装上电磁体，保持转子悬浮在磁场中。转子转动时，由位移传感器4检铡转子的偏心，并 通过反馈与基准信号l(转子的理想位置)进行比较，调节器2根据偏差信号进行调节，并把调节 信号送到功率放大器3以改变电磁体(定子)的电流，从而改变磁悬浮力的大小，使转子恢复到 理想位置。 径向磁悬浮轴承的转轴(如主轴一般要配备辅助轴承，工作时辅助轴承不与转轴接触当断 电或磁悬浮失控时能托住高速旋转的转轴，起到完全保护作用。辅助轴承与转子之间的间隙 一般等于转子与电磁体气隙的一半。轴向悬浮轴承的工作原理与径向磁悬浮轴承相同 。
会使轴伸长或使轴系零件间隙发生变化，影响整 个传动系统的传动精度、旋转精度及位置精度。又由 于温度的上升会使润滑油的粘度发生变化，使滑动或 滚动轴承的承载能力降低。

三、滚珠丝杠传动部件
1.滚珠丝杠副的组成及特点
滚动丝杠与滑动丝杠的区别？
2.滚珠丝杠副的结构类型 从螺纹滚道的截面形状、滚珠的循环方式和消除轴向间 隙的调整方法进行区分。 螺纹滚道型面（法向）的形状：单圆弧、双圆弧
滚珠的循环方式有：内循环、外循环 内循环---滚珠在循环过程中始终与丝杆表面保持接触。
第二章 机械系统部件选择与设计
2.1 机械系统部件的设计要求
2.2 机械传动部件的选择与设计
一、机械传动部件及其功能要求
传动方式：螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动、
各种非线性传动部件等。
传动部件的功能：传递转矩和转速； 传动部件的目的：使执行元件与负载之间在转矩与转速方面 得到最佳匹配。 常用传动机构：丝杠螺母、齿轮、齿轮齿条、链轮链条、带、
外循环---滚珠在循环返向时，离开丝杆螺纹滚道，在螺母 体内或体外作循环运动。从结构上分三种形式： 螺旋槽式、插管式、端盖式；
3.滚珠丝杠副的主要尺寸参数
此外还有丝杠螺纹大径d1、 丝杠螺纹底径d2、滚珠直径 DW、螺母螺纹底径D2、螺母 螺纹内径D3、丝杠螺纹全长 等。
4.滚珠丝杠副的精度等级及标注方法 1、2、3、4、5、7、10共七个等级 （C,D,E,F,G,H)
为防止灰尘及杂质进入滚珠丝杠副可用防尘密封圈或防护套密
封。为保持其传动精度、延长使用寿命，应定期对其润滑，常
用的润滑剂有润滑油和润滑脂两类。
8、滚珠丝杠副的选择方法 滚珠丝杠副结构尺寸的选择 在选用滚珠丝杠副时，必须知道实际的工作条件：最大的工 作载荷P(或平均工作荷)(N)作用下的使用寿命、丝杠的工作 长度(或螺母的有效行程) (mm)、丝杠的转速(或平均转速)(r ／min)、滚道的硬度HRC及丝杠的工况等

机电一体化系统的机械系 统部件选择与设计
机电一体化系统将机械与电气元件融合在一起，具有高效性和灵活性。本演 示将讨论机械系统部件的选择、设计及优化，以及系统的可靠性分析和故障 诊断。
机电一体化系统的特点
高效性
机电一体化系统使得机械和电气元件之间的协 调更加紧密，可以提高系统的整体效率。
灵活性
机电一体化系统的设计可以根据不同需求进行 调整，以满足不同应用场景的要求。
机电一体化系统的故障诊断与维修
建立完善的故障诊断和维修体系，通过监测和分析系统运行数据，及时发现故障并采取相应的维修措施，以保 障系统的正常运行。
结论与展望
机电一体化系统的机械系统部件选择与设计是实现整体系统性能优化的重要环节。未来，随着技术的发展，机 电一体化系统将在更多领域得到广泛应用。
控制和运动
选择合适的运动控制设备，如 液压缸或伺服电机，以实现系 统的精准运动。

机械系统部件的设计要点
1 强度和刚度
机械部件的设计应考虑到 所需的载荷和应力，以确 保其在工作条件下能够保 持稳定和可靠。
2 摩擦和磨损
3 可靠性
考虑材料选择和润滑方式， 以减少摩擦和磨损对机械 系统性能的影响。
设计应考虑到部件的寿命 和可靠性，以满足系统的 长期运行需求。
节约空间
整合机械和电气元件可以减少系统的占地面积， 提高空间利用率。
操作便捷
机电一体化系统的集成性使得操作更加简单， 减少了复杂的接线和调试过程。
机械系统部件的功能和选择
传动
选择合适的传动形式，如齿轮 传动或皮带传动，以实现所需 的转速和转矩传递。
支撑和定位
选择合适的支撑和定位设备， 如轴承和滑动导轨，以确保系 统运动的稳定性和准确性。

d0
30
2）基本导程Ph Ph应按承载能力及传动精度、传动
速度选取；
Ph大，承载能力大 Ph小，传动精度高
要求传动速度快时，可选用较大 导程的滚珠丝杠副。
基本导程的选择原则：
在满足数控机床加工精 度的条件下，导程应尽可能 取大些.
（3）滚珠丝杠副的选择步骤
已知条件：
➢ 最大工作载荷F（N）或平均工作载荷Fm； ➢ 使用寿命T； ➢ 丝杠的工作长度（或螺母的有效行程）L
产生失稳的临界负载PK可用下式计算：
式中：
pK
fZ 2EI
l2
E 丝杠材料弹性模量，对钢E 20.6 10（6 N / cm 2）
I 截面惯性矩（cm 4）
I
64
d
4 1
l 丝杠两端支承距离（cm）
(d1 丝杠小径）
f Z 丝杠的支承方式系数
丝杠的支承方式
支承方式
fz
双推-双推
4
单推-单推
（5）单螺母变位导程自预紧式和单螺母滚 珠过盈预紧式
结构简单紧凑，但使用中不能调整，制造困难
6、滚珠丝杠副支承方式的选择
采用推力轴承为主的轴承组合
来提高轴向刚度。
（1）支承方式
1）双推-自由式
特点： 轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速
的垂直安装丝杠传动系统；当丝杠垂直安装时， 必须采用制动装置。
（5）滚珠个数N
N过多，流通不畅，易产生 阻塞；
N过少，承载能力小，滚珠 自载加距磨损和变形
一般取：N<150
（6）滚珠的工作圈（或列）数 j 由于第一、第二、第三
圈（或列）分别承受轴向载荷 的50%、30%、15%左右，因 此工作圈（或列）数一般取:

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电力拖动
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第三节 机电一体化的相关技术
机械技术（精密机械技术）
是机电一体化的基础。机电一体化的机械产 品与传统的机械产品的区别在于：机械结构 更简单、机械功能更强、性能更优越。
机械技术的出发点在于如何与机电一体化技 术相适应，利用其他高新技术来更新概念， 实现结构、材料、性能以及功能上的变更。
现代机械：以力学、电子学、计算机学、控制 论、信息论等为理论基础，以经验、机、电、 计算机、传感与测试等技术为实践基础。
机械：强度高、输出功率大、承载大载荷；实 现微小复杂运动难。
电子：可实现复杂的检测和控制；但无法实现 重载运动。
202的定义
机电一体化是在以机械、电子技术和计算 机科学为主的多门学科相互渗透、相互结 合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴 边缘技术学科。
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第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
接口
将各要素或子系统连接成为一个有机整体， 使各个功能环节有目的地协调一致运动， 从而形成机电一体化的系统工程。
其基本功能主要有三个：变换、放大、传 递
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第五节 本课程的目的和要求
本课程的目的和要求
第三节 机电一体化的相关技术
自动控制技术
自动控制技术的目的在于实现机电一体化 系统的目标最佳化。 机电一体化系统中的自动控制技术主要包 括位置控制、速度控制、最优控制、自适 应控制、模糊控制、神经网络控制等。
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第三节 机电一体化的相关技术
伺服驱动技术
伺服驱动技术就是在控制指令的指挥下， 控制驱动元件，使机械的运动部件按照指 令要求运动，并具有良好的动态性能。 常见的伺服驱动系统主要有电气伺服和液 压伺服。

机性负载，将各负载的峰值取代数和
(2)方和根综合：各种负载为随机性负载，取各负载的方和根
2)最佳总传动比：使负载转矩值最小或负载加速度最大的总传动比
目的：达到最高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动
惯量，尽可能提高加速能力 （1）负载加速度最大的总传动比
Tc T（cp2；）T等f 效T峰fp；值综合负载转矩（Temp）最小的总传动比
2.特点：如前所述
3.结构类型： 1)按螺纹滚道的截面形状分 单圆弧型：接触角随轴向载荷大小的变化而变化。接触角增
大时，传动效率、轴向刚度以及承载能力也随之增大。 双圆弧型：接触角在工作过程中基本保持不变（ 45 ）。能
存储一定的润滑油以减少摩擦；加工成本高
2)按滚珠的循环方式分类：
循环方式
内循环
CM CT
D
弯管端部用作挡珠器比较容易磨损。 结构简单，工艺性好，常以单螺母形式 用作升降传动机构。应用较少。
4.主要尺寸参数：( p.24图2.10) 1)公称直径d0（特征尺寸）：滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态
时包络滚珠球心的圆柱直径
2)基本导程l0：丝杠相对于螺母旋转2 弧度时，螺母上基准点 的轴向位移。l0根据机电一体化产品的精度要求确定，精度要 求较高时应选取较小的基本导程。
齿轮传动系统可设计成曲回式传动链 (齿2)轮大传功动率系传统动可：设以计两成级曲传回动式为传例动链 假(2)定大:功(率1)传动：以两级传动为例 (假2)定b1:=b(12，) b3=b4 (2)b1=b2，b3=b4
各级传动比按“前大后小”的原则进行分配的。 3)输出轴转角误差最小原则
以四级齿轮传动系统为例，四级传动比分别为i1，i2，i3，i4。齿轮
III.考虑工程实际中的各种以外因素， 总传动比I的选取可以偏大

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。
2 机械系统设计--机械传动装置滚珠丝杠副
（4）丝杠螺母传动的类型
a) 螺母固定、丝杆转动并移动
特点：结构简单、传动精度较高、 螺母支承丝杆可消除附加轴向窜动，刚性较差
b) 丝杆转动，螺母移动
两端都装止推轴承和向心球轴轴承，承受 轴向、径向载荷
2 机械系统设计--机械传动装置滚珠丝杠副
3）双推—简支 1．轴向刚度不高，与螺母位置有关； 2．双推端可预拉伸安装； 3．适宜中速、精度较高的长丝杠。
固定端装深沟球轴承和双向推力轴承，承受径 向、轴向载荷； 简支端用深沟球轴承径向约束
少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量， 尽可能提高加速能力。 4)缩小反向死区误差。 5)改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少 振动、降低噪声。
2 机械系统设计--机械传动装置滚珠丝杠副
2.2 机械传动部件的选择与设计
一、机械传动部件及其功能要求
常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同 步带传动、高速带传动、各种非线性传动部件等。 其主要功能是传递转矩和转速，因此，它实质上是 一种转矩、转速变换器，其目的是使执行元件与负载 之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。 应设计和选择传动间隙小、精度高、体积小、重 量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。
(5)单螺母变位导程自顶紧式和单螺母滚珠过盈预紧式
2 机械系统设计--机械传动装置滚珠丝杠副
6. 滚珠丝杠副支承方式的选择
(1)支承方式
丝杠的轴承组合及轴承座、螺母座以及其它零件的 连接刚性，对滚珠丝杠副传动系统的刚度和精度都有很 大影响，需在设计、安装时认真考虑。