機(jī)電一體化概論 2-1 機(jī)械單元

1、機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 第第2章章 機(jī)電一體化的系統(tǒng)組成機(jī)電一體化的系統(tǒng)組成 2.1 機(jī)械單元機(jī)械單元2.2 伺服與驅(qū)動(dòng)單元伺服與驅(qū)動(dòng)單元2.3 檢測單元檢測單元2.4 控制單元控制單元2.5 接口技術(shù)接口技術(shù)機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 第第2章章 機(jī)電一體化的系統(tǒng)組成機(jī)電一體化的系統(tǒng)組成 機(jī)電一體化系統(tǒng)主要由機(jī)械單元、檢機(jī)電一體化系統(tǒng)主要由機(jī)械單元、檢測單元、控制單元、伺服與驅(qū)動(dòng)單元等測單元、控制單元、伺服與驅(qū)動(dòng)單元等組成。組成。機(jī)電一體化概論An Introduction to Mech

2、atronics 2.1 機(jī)械單元機(jī)械單元2.1.1 機(jī)械單元基礎(chǔ)機(jī)械單元基礎(chǔ)2.1.2 執(zhí)行元件執(zhí)行元件2.1.3 傳動(dòng)與導(dǎo)向元件傳動(dòng)與導(dǎo)向元件手表的精確定時(shí)是靠機(jī)械傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)的手表的精確定時(shí)是靠機(jī)械傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)的機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 2.1.1 機(jī)械單元（機(jī)械單元（Mechanical unit）基礎(chǔ)）基礎(chǔ)l 機(jī)械單元是機(jī)電一體化系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是系統(tǒng)中所有功能單元機(jī)械單元是機(jī)電一體化系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是系統(tǒng)中所有功能單元的安裝骨架和支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)還具有傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的作用的安裝骨架和支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)還具有傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的作用l 線性傳動(dòng)元件：減速裝置

3、、絲杠螺母副、蝸輪蝸桿副等；線性傳動(dòng)元件：減速裝置、絲杠螺母副、蝸輪蝸桿副等；l 非線性傳動(dòng)元件：連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等；非線性傳動(dòng)元件：連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等；l 導(dǎo)向支承元件、旋轉(zhuǎn)支承元件導(dǎo)向支承元件、旋轉(zhuǎn)支承元件l 軸系及架體等軸系及架體等機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 2.1.1 機(jī)械單元（機(jī)械單元（Mechanical unit）基礎(chǔ)）基礎(chǔ)基本要求：精度高，慣量小，剛度大基本要求：精度高，慣量小，剛度大基本組成：基本組成：l 執(zhí)行元件（執(zhí)行元件（Executive componentExecutive component）l 機(jī)械執(zhí)行元件，液

4、壓缸、氣缸等；機(jī)械執(zhí)行元件，液壓缸、氣缸等；l 電氣執(zhí)行元件，如電動(dòng)機(jī)、電磁閥、電磁開關(guān)、電磁離合電氣執(zhí)行元件，如電動(dòng)機(jī)、電磁閥、電磁開關(guān)、電磁離合器等器等l 傳動(dòng)與導(dǎo)向元件（傳動(dòng)與導(dǎo)向元件（Transmission and guide componentsTransmission and guide components）l 傳動(dòng)帶、傳動(dòng)鏈、傳動(dòng)齒輪、傳動(dòng)軸等。傳動(dòng)帶、傳動(dòng)鏈、傳動(dòng)齒輪、傳動(dòng)軸等。l 導(dǎo)軌、導(dǎo)向鍵等導(dǎo)軌、導(dǎo)向鍵等l 機(jī)座元件機(jī)座元件機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 2.1.2 執(zhí)行元件執(zhí)行元件 機(jī)械執(zhí)行元件是機(jī)器的直接工作部分，它是

5、將動(dòng)力和運(yùn)機(jī)械執(zhí)行元件是機(jī)器的直接工作部分，它是將動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為克服有效外載、對(duì)外做功、完成人們?cè)O(shè)計(jì)任務(wù)的元?jiǎng)愚D(zhuǎn)化為克服有效外載、對(duì)外做功、完成人們?cè)O(shè)計(jì)任務(wù)的元件。件。如，汽車驅(qū)動(dòng)輪、夾持機(jī)器人手指等。如，汽車驅(qū)動(dòng)輪、夾持機(jī)器人手指等。 機(jī)電一體化系統(tǒng)中，執(zhí)行元件主要包括：機(jī)械執(zhí)行機(jī)電一體化系統(tǒng)中，執(zhí)行元件主要包括：機(jī)械執(zhí)行元件、電磁執(zhí)行元件、機(jī)械手末端執(zhí)行器等。元件、電磁執(zhí)行元件、機(jī)械手末端執(zhí)行器等。機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 2.1.2 執(zhí)行元件執(zhí)行元件1. 1. 機(jī)械執(zhí)行元件機(jī)械執(zhí)行元件 微動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)電一體化系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的執(zhí)行元件微動(dòng)

6、機(jī)構(gòu)是機(jī)電一體化系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的執(zhí)行元件 機(jī)械式：機(jī)械式：精密絲杠、精密杠桿、齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)以及精密絲杠、精密杠桿、齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)以及彈性機(jī)構(gòu)等。彈性機(jī)構(gòu)等。 機(jī)電式：機(jī)電式：電熱式、電磁式、壓電式、電致伸縮式、磁致伸電熱式、電磁式、壓電式、電致伸縮式、磁致伸縮式等?？s式等。（1 1）螺旋微動(dòng)機(jī)構(gòu)）螺旋微動(dòng)機(jī)構(gòu) 萬能工具顯微鏡工作臺(tái)的螺旋微動(dòng)裝置萬能工具顯微鏡工作臺(tái)的螺旋微動(dòng)裝置機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 2.1.2 執(zhí)行元件執(zhí)行元件（2 2）蝸輪）蝸輪- -凸輪微動(dòng)機(jī)構(gòu)凸輪微動(dòng)機(jī)構(gòu) （3 3）齒輪）齒輪- -杠桿微動(dòng)機(jī)構(gòu)杠桿微動(dòng)機(jī)構(gòu)扇

7、形齒輪扇形齒輪（杠桿）（杠桿）機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 2.1.2 執(zhí)行元件執(zhí)行元件（4 4）熱變形式微動(dòng)機(jī)構(gòu)）熱變形式微動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)原理示意圖機(jī)構(gòu)原理示意圖 熱變形微動(dòng)機(jī)構(gòu)熱變形微動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 2.1.2 執(zhí)行元件執(zhí)行元件（5 5）磁致伸縮式微動(dòng)機(jī)構(gòu)）磁致伸縮式微動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 2.1.2 執(zhí)行元件執(zhí)行元件2. 2. 電磁執(zhí)行元件（電磁執(zhí)行元件（Electromagnetic actuatorElectro

8、magnetic actuator）利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象。利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象。 電磁閥電磁閥 電磁馬達(dá)電磁馬達(dá) 電磁離合器電磁離合器機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 2.1.2 執(zhí)行元件執(zhí)行元件2. 2. 電磁執(zhí)行元件（電磁執(zhí)行元件（Electromagnetic actuatorElectromagnetic actuator）左端電線圈通電左端電線圈通電 右端電線圈通電右端電線圈通電二位五通電磁閥工作原理二位五通電磁閥工作原理機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 2.1.3 傳動(dòng)與導(dǎo)向元件

9、傳動(dòng)與導(dǎo)向元件1. 1. 桿系（桿系（Bar-linkage systemBar-linkage system） 示意圖示意圖 縫紉機(jī)下針機(jī)構(gòu)縫紉機(jī)下針機(jī)構(gòu) 平面桿系平面桿系 空間桿系空間桿系 空間桿系，若干個(gè)連桿機(jī)構(gòu)按照一定的方式組合在一起，空間桿系，若干個(gè)連桿機(jī)構(gòu)按照一定的方式組合在一起，可以實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的平面平移、角度傾斜、回轉(zhuǎn)等復(fù)合運(yùn)動(dòng)?？梢詫?shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的平面平移、角度傾斜、回轉(zhuǎn)等復(fù)合運(yùn)動(dòng)。機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 2.1.3 傳動(dòng)與導(dǎo)向元件傳動(dòng)與導(dǎo)向元件2. 2. 輪系輪系（1）齒輪傳動(dòng)（）齒輪傳動(dòng)（Gear transmissio

10、n）（2）齒輪齒條傳動(dòng)（）齒輪齒條傳動(dòng)（Gear-rack transmission）機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 1最佳總傳動(dòng)比最佳總傳動(dòng)比 首先把傳動(dòng)系統(tǒng)中的工作負(fù)載、慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載，綜首先把傳動(dòng)系統(tǒng)中的工作負(fù)載、慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載，綜合為系統(tǒng)的總負(fù)載，方法有：合為系統(tǒng)的總負(fù)載，方法有： (a) 峰值綜合：若各種負(fù)載為非隨機(jī)性負(fù)載，將各負(fù)載的峰值綜合：若各種負(fù)載為非隨機(jī)性負(fù)載，將各負(fù)載的峰值取代數(shù)和。峰值取代數(shù)和。 (b) 均方根綜合：若各種負(fù)載為隨機(jī)性負(fù)載，取各負(fù)載的均方根綜合：若各種負(fù)載為隨機(jī)性負(fù)載，取各負(fù)載的均方根。均方根。 齒輪傳

11、動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 1最佳總傳動(dòng)比最佳總傳動(dòng)比 負(fù)載綜合時(shí)，要轉(zhuǎn)化到電機(jī)軸上，成為等效峰值綜合負(fù)載轉(zhuǎn)負(fù)載綜合時(shí)，要轉(zhuǎn)化到電機(jī)軸上，成為等效峰值綜合負(fù)載轉(zhuǎn)矩或等效均方根綜合負(fù)載轉(zhuǎn)矩。使等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩最小或負(fù)載矩或等效均方根綜合負(fù)載轉(zhuǎn)矩。使等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩最小或負(fù)載加速度最大的總傳動(dòng)比，即為最佳總傳動(dòng)比。加速度最大的總傳動(dòng)比，即為最佳總傳動(dòng)比。齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 2總傳動(dòng)比分配總傳動(dòng)比分配 齒輪系統(tǒng)的總傳動(dòng)比確定后，根據(jù)對(duì)傳動(dòng)鏈齒輪系統(tǒng)的總傳動(dòng)比確定后，根據(jù)對(duì)傳動(dòng)

12、鏈的技術(shù)要求，選擇傳動(dòng)方案，使驅(qū)動(dòng)部件和負(fù)載的技術(shù)要求，選擇傳動(dòng)方案，使驅(qū)動(dòng)部件和負(fù)載之間的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速達(dá)到合理匹配。可按下述三種之間的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速達(dá)到合理匹配?？砂聪率鋈N原則適當(dāng)分級(jí)，并在各級(jí)之間分配傳動(dòng)比。原則適當(dāng)分級(jí)，并在各級(jí)之間分配傳動(dòng)比。齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics (1) 最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原則最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原則 利用該原則所設(shè)計(jì)的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，換算到電機(jī)利用該原則所設(shè)計(jì)的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，換算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為最小。軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為最小。齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)JJ23i電動(dòng)機(jī)1J4i12J如右圖，若不計(jì)軸和軸承的轉(zhuǎn)如

13、右圖，若不計(jì)軸和軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，則根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)能不變的動(dòng)慣量，則根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)能不變的原則，等效到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)原則，等效到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：動(dòng)慣量為：2221421321iiJiJJJJme機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)413132dgBJJ42232dgBJ44432dgBJ4141212iddJJ41424344141434)/(iiiddddJJJJ 4112iJJ4114214)/( iiJiJJ)11 (41221211iiiiJJme01iJem21412ii機(jī)電一體化概論An Introduction to M

14、echatronics (2) 重量最輕原則重量最輕原則 對(duì)于小功率傳動(dòng)系統(tǒng)，使各級(jí)傳動(dòng)比滿足，對(duì)于小功率傳動(dòng)系統(tǒng)，使各級(jí)傳動(dòng)比滿足， 即可使傳動(dòng)裝置的重量最輕。即可使傳動(dòng)裝置的重量最輕。 齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)niiii321機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 上述結(jié)論對(duì)于大功率傳動(dòng)系統(tǒng)是不適用的，上述結(jié)論對(duì)于大功率傳動(dòng)系統(tǒng)是不適用的，此時(shí)應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、類比方法以及結(jié)構(gòu)緊湊之要求此時(shí)應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、類比方法以及結(jié)構(gòu)緊湊之要求進(jìn)行綜合考慮。各級(jí)傳動(dòng)比一般應(yīng)以進(jìn)行綜合考慮。各級(jí)傳動(dòng)比一般應(yīng)以“先大后小先大后小”原則處理。原則處理。 齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)電一體化概論An

15、 Introduction to Mechatronics (3) 輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則 為了提高機(jī)電一體化系統(tǒng)中齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞運(yùn)動(dòng)的為了提高機(jī)電一體化系統(tǒng)中齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞運(yùn)動(dòng)的精度，各級(jí)傳動(dòng)比應(yīng)按精度，各級(jí)傳動(dòng)比應(yīng)按“先小后大先小后大”原則分配，以便降低原則分配，以便降低齒輪的加工誤差、安裝誤差以及回轉(zhuǎn)誤差對(duì)輸出轉(zhuǎn)角精度齒輪的加工誤差、安裝誤差以及回轉(zhuǎn)誤差對(duì)輸出轉(zhuǎn)角精度的影響。設(shè)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中各級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差換算到末的影響。設(shè)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中各級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差換算到末級(jí)輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為級(jí)輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為 )/(1maxnkknki機(jī)電一體化概論An I

16、ntroduction to Mechatronics 3 齒輪傳動(dòng)間隙的調(diào)整方法齒輪傳動(dòng)間隙的調(diào)整方法 (1) 圓柱齒輪傳動(dòng)圓柱齒輪傳動(dòng) (a) 偏心套偏心套(軸軸)調(diào)整法調(diào)整法 如右圖所示，將相互嚙合如右圖所示，將相互嚙合的的一對(duì)一對(duì)齒輪中的一個(gè)齒輪齒輪中的一個(gè)齒輪4裝在裝在電機(jī)輸出軸上，并將電機(jī)電機(jī)輸出軸上，并將電機(jī)2安安裝在偏心套裝在偏心套1(或偏心軸或偏心軸)上上齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics (b) 軸向墊片調(diào)整法軸向墊片調(diào)整法 如右圖所示，齒輪如右圖所示，齒輪1和和2相嚙合，其分相嚙合，其分度圓弧齒厚沿軸線方向略有錐度

17、，這樣度圓弧齒厚沿軸線方向略有錐度，這樣就可以用軸向墊片就可以用軸向墊片3使齒輪使齒輪2沿軸向移動(dòng)沿軸向移動(dòng)，從而消除兩齒輪的齒側(cè)間隙。，從而消除兩齒輪的齒側(cè)間隙。齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics (c) 雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法 這種消除齒側(cè)間隙的方法是將其中一個(gè)做成寬齒輪，這種消除齒側(cè)間隙的方法是將其中一個(gè)做成寬齒輪，另一個(gè)用兩片薄齒輪組成。采取措施使一個(gè)薄齒輪的左齒側(cè)另一個(gè)用兩片薄齒輪組成。采取措施使一個(gè)薄齒輪的左齒側(cè)和另一個(gè)薄齒輪的右齒側(cè)分別緊貼在寬齒輪齒槽的左、右兩和另一個(gè)薄齒輪的右齒側(cè)分別緊貼在寬齒輪齒槽的

18、左、右兩側(cè)，以消除齒側(cè)間隙，反向時(shí)不會(huì)出現(xiàn)死區(qū)。側(cè)，以消除齒側(cè)間隙，反向時(shí)不會(huì)出現(xiàn)死區(qū)。齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)12341233 4 5 6 7機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics (2) 斜齒輪傳動(dòng)斜齒輪傳動(dòng) 消除斜齒輪傳動(dòng)齒輪側(cè)隙的方法與上述錯(cuò)齒調(diào)整法基消除斜齒輪傳動(dòng)齒輪側(cè)隙的方法與上述錯(cuò)齒調(diào)整法基本相同，也是用兩個(gè)薄片齒輪與一個(gè)寬齒輪嚙合，只是在兩本相同，也是用兩個(gè)薄片齒輪與一個(gè)寬齒輪嚙合，只是在兩個(gè)薄片斜齒輪的中間隔開了一小段距離，這樣它的螺旋線便個(gè)薄片斜齒輪的中間隔開了一小段距離，這樣它的螺旋線便錯(cuò)開了。錯(cuò)開了。齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)電一體化概論An In

19、troduction to Mechatronics (3) 錐齒輪傳動(dòng)錐齒輪傳動(dòng)(a)軸軸向壓簧調(diào)整法向壓簧調(diào)整法 軸軸向壓簧調(diào)整法原理如圖向壓簧調(diào)整法原理如圖6-15，在錐齒輪，在錐齒輪4的傳動(dòng)軸的傳動(dòng)軸7上裝有壓簧上裝有壓簧5，其軸向力大小由螺母，其軸向力大小由螺母6調(diào)節(jié)。錐齒調(diào)節(jié)。錐齒輪輪4在壓簧在壓簧5的作用下可軸向移動(dòng)，從的作用下可軸向移動(dòng)，從而消除了其與嚙合的錐齒輪而消除了其與嚙合的錐齒輪l之間的齒之間的齒側(cè)間隙。側(cè)間隙。齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics (b) 周向彈簧調(diào)整法周向彈簧調(diào)整法 將將與錐齒輪與錐齒輪3嚙合的

20、齒輪做嚙合的齒輪做成大小兩片成大小兩片(1、2)，在大片錐齒，在大片錐齒輪輪1上制有三個(gè)周向圓弧槽上制有三個(gè)周向圓弧槽8，小，小片錐齒輪片錐齒輪2的端面制有三個(gè)可伸入的端面制有三個(gè)可伸入槽槽8的凸爪的凸爪7。彈簧。彈簧5裝在槽裝在槽8中，中，一端頂在凸爪一端頂在凸爪7上，另一端頂在鑲上，另一端頂在鑲在槽在槽8中的鑲塊中的鑲塊4上。止動(dòng)螺釘上。止動(dòng)螺釘6裝配時(shí)用，安裝完畢將其卸下，裝配時(shí)用，安裝完畢將其卸下，則大小片錐齒輪則大小片錐齒輪1、2在彈簧力作在彈簧力作用下錯(cuò)齒，從而達(dá)到消除間隙的用下錯(cuò)齒，從而達(dá)到消除間隙的目的。目的。齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)12345678機(jī)電一體化概論An Introduc

21、tion to Mechatronics 4 齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 當(dāng)傳動(dòng)負(fù)載大時(shí)，可采用雙齒輪調(diào)整法。通過預(yù)載裝置當(dāng)傳動(dòng)負(fù)載大時(shí)，可采用雙齒輪調(diào)整法。通過預(yù)載裝置4向齒輪向齒輪3上預(yù)加負(fù)載，使大齒輪上預(yù)加負(fù)載，使大齒輪2、5同時(shí)向兩個(gè)相反方何轉(zhuǎn)同時(shí)向兩個(gè)相反方何轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)小齒輪動(dòng)，從而帶動(dòng)小齒輪1、6轉(zhuǎn)動(dòng)，其齒面便分別緊貼在齒條轉(zhuǎn)動(dòng)，其齒面便分別緊貼在齒條7上齒槽的左、右側(cè)，消除了齒側(cè)間隙。上齒槽的左、右側(cè)，消除了齒側(cè)間隙。 齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 諧波齒輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)比大諧波齒輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡單

22、、傳動(dòng)比大(幾十幾十幾幾百百)、傳動(dòng)精度高、回程誤差小、噪聲低、傳動(dòng)平、傳動(dòng)精度高、回程誤差小、噪聲低、傳動(dòng)平穩(wěn)、承載能力強(qiáng)、效率高等優(yōu)點(diǎn)，故在工業(yè)機(jī)器穩(wěn)、承載能力強(qiáng)、效率高等優(yōu)點(diǎn)，故在工業(yè)機(jī)器人、航空、火箭等機(jī)電一體化系統(tǒng)中日益得到廣人、航空、火箭等機(jī)電一體化系統(tǒng)中日益得到廣泛的應(yīng)用。泛的應(yīng)用。諧波齒輪傳動(dòng)諧波齒輪傳動(dòng)機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 諧波傳動(dòng)由三個(gè)主要構(gòu)件所組成，即具有內(nèi)齒的剛輪諧波傳動(dòng)由三個(gè)主要構(gòu)件所組成，即具有內(nèi)齒的剛輪l、具有、具有外齒的柔輪外齒的柔輪2和波發(fā)生器和波發(fā)生器3。通常波發(fā)生器為主動(dòng)件，而剛輪和柔輪之一。通常波發(fā)

23、生器為主動(dòng)件，而剛輪和柔輪之一為從動(dòng)件，另一個(gè)為固定件。當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)孔時(shí)，由于前者的為從動(dòng)件，另一個(gè)為固定件。當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)孔時(shí)，由于前者的總長度略大于后者的內(nèi)孔直徑，故柔輪變?yōu)闄E圓形，于是在橢圓的長軸總長度略大于后者的內(nèi)孔直徑，故柔輪變?yōu)闄E圓形，于是在橢圓的長軸兩端產(chǎn)生了柔輪與剛輪輪齒的兩個(gè)局部嚙合區(qū)；同時(shí)在橢圓短軸兩端，兩端產(chǎn)生了柔輪與剛輪輪齒的兩個(gè)局部嚙合區(qū)；同時(shí)在橢圓短軸兩端，兩輪輪齒則完全脫開。至于其余各處，則視柔輪回轉(zhuǎn)方向的不同，或處兩輪輪齒則完全脫開。至于其余各處，則視柔輪回轉(zhuǎn)方向的不同，或處于嚙合狀態(tài)，或處于非嚙合狀態(tài)。當(dāng)波發(fā)生器連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，柔輪長短軸于嚙合狀態(tài)，

24、或處于非嚙合狀態(tài)。當(dāng)波發(fā)生器連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，柔輪長短軸的位置不斷交化，從而使輪齒的嚙合處和脫開處也隨之不斷變化，于是的位置不斷交化，從而使輪齒的嚙合處和脫開處也隨之不斷變化，于是在柔輪與剛輪之間就產(chǎn)生了相對(duì)位移，從而傳遞運(yùn)動(dòng)。在柔輪與剛輪之間就產(chǎn)生了相對(duì)位移，從而傳遞運(yùn)動(dòng)。諧波齒輪傳動(dòng)諧波齒輪傳動(dòng)機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 在波發(fā)生器轉(zhuǎn)動(dòng)一周期間，柔輪上一點(diǎn)變形的循環(huán)次在波發(fā)生器轉(zhuǎn)動(dòng)一周期間，柔輪上一點(diǎn)變形的循環(huán)次數(shù)與波發(fā)生器上的凸起部位數(shù)是一致的，稱為波數(shù)。常用的數(shù)與波發(fā)生器上的凸起部位數(shù)是一致的，稱為波數(shù)。常用的有兩波和三波兩種。為了有利于柔輪

25、的力平衡和防止輪齒干有兩波和三波兩種。為了有利于柔輪的力平衡和防止輪齒干涉，剛輪和柔輪的齒數(shù)差應(yīng)等于波發(fā)生器波數(shù)涉，剛輪和柔輪的齒數(shù)差應(yīng)等于波發(fā)生器波數(shù)(即波發(fā)生器即波發(fā)生器上的滾輪數(shù)上的滾輪數(shù))的整倍數(shù)，通常取為等于波數(shù)。的整倍數(shù)，通常取為等于波數(shù)。諧波齒輪傳動(dòng)諧波齒輪傳動(dòng)機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 2 諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比計(jì)算諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比計(jì)算 式中：式中： 、 、 分別為剛輪、柔輪和波形發(fā)生分別為剛輪、柔輪和波形發(fā)生器的角速度；器的角速度； 、 分別為剛輪和柔輪的齒數(shù)。分別為剛輪和柔輪的齒數(shù)。 (1) 當(dāng)柔輪固定時(shí)，當(dāng)柔輪固定時(shí)，

26、，則，則 rgHgHrHrgzzigrHgzrz0rrgHgHHrgzzi0grggrHgzzzzz1rgggHHgzzzi機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics q(2) 當(dāng)剛輪固定時(shí)，當(dāng)剛輪固定時(shí)， ，則，則q設(shè)設(shè) 、 q當(dāng)柔輪固定時(shí)，當(dāng)柔輪固定時(shí)，q當(dāng)柔輪固定時(shí)當(dāng)柔輪固定時(shí)0grgHHrHrgzzi0rgrrgHrzzzzz1grrrHHrzzzi200rz202gz101Hgi100Hri機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics q3. 諧波齒輪減速器產(chǎn)品及選用諧波齒輪減速器產(chǎn)品及選用q常見的諧波齒輪減速器標(biāo)記代

27、號(hào)如下圖常見的諧波齒輪減速器標(biāo)記代號(hào)如下圖最大回差減速比機(jī)型（指柔輪內(nèi)徑，單位為mm)單級(jí)、臥式安裝通用諧波減器機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 2.1.3 傳動(dòng)與導(dǎo)向元件傳動(dòng)與導(dǎo)向元件2. 2. 輪系輪系同步帶實(shí)物同步帶實(shí)物 打印機(jī)上的字車結(jié)構(gòu)打印機(jī)上的字車結(jié)構(gòu) （3）同步帶傳動(dòng)（）同步帶傳動(dòng)（Timing-belt transmission）機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 同步帶是一種兼有同步帶是一種兼有鏈、齒輪、三角膠帶優(yōu)鏈、齒輪、三角膠帶優(yōu)點(diǎn)的傳動(dòng)零件。由于同點(diǎn)的傳動(dòng)零件。由于同步帶是一種兼有鏈、

28、齒步帶是一種兼有鏈、齒輪、三角膠帶優(yōu)點(diǎn)的傳輪、三角膠帶優(yōu)點(diǎn)的傳動(dòng)零件，于動(dòng)零件，于1940年由美年由美國尤尼羅爾國尤尼羅爾(Unirayal)橡橡膠公司首先加以開發(fā)。膠公司首先加以開發(fā)。1946年辛加公司把同步年辛加公司把同步帶用于縫紉機(jī)針和纏線帶用于縫紉機(jī)針和纏線管的同步傳動(dòng)上，取得管的同步傳動(dòng)上，取得顯著效益，并被逐漸引顯著效益，并被逐漸引用到其他機(jī)械傳動(dòng)上。用到其他機(jī)械傳動(dòng)上。同步帶傳動(dòng)同步帶傳動(dòng)機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics q1. 分類分類q2. 同步帶的優(yōu)缺點(diǎn)同步帶的優(yōu)缺點(diǎn)q3. 同步帶的結(jié)構(gòu)和尺寸結(jié)構(gòu)同步帶的結(jié)構(gòu)和尺寸結(jié)構(gòu)q4. 同步

29、帶的設(shè)計(jì)計(jì)算同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算同步帶傳動(dòng)同步帶傳動(dòng)機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 1. 分類分類(1)按用途分按用途分 (a) 一般工業(yè)用同步帶傳動(dòng)一般工業(yè)用同步帶傳動(dòng) 即梯形齒即梯形齒同步帶傳動(dòng)。同步帶傳動(dòng)。它主要用它主要用于中、小功率的同步帶傳動(dòng)，如各種儀器、計(jì)算機(jī)、輕工機(jī)械中于中、小功率的同步帶傳動(dòng)，如各種儀器、計(jì)算機(jī)、輕工機(jī)械中均采用這種同步帶傳動(dòng)。均采用這種同步帶傳動(dòng)。 (b) 高轉(zhuǎn)矩同步帶傳動(dòng)高轉(zhuǎn)矩同步帶傳動(dòng) 又稱又稱HTD帶帶(High Torque Drive)或或STPD帶傳動(dòng)帶傳動(dòng)(Super Torque Positive Dr

30、ive)。由于其齒形呈圓。由于其齒形呈圓弧弧狀，狀，在我國通稱為圓弧齒同步帶傳動(dòng)。它主要用于重型機(jī)械的在我國通稱為圓弧齒同步帶傳動(dòng)。它主要用于重型機(jī)械的傳動(dòng)中，如運(yùn)輸機(jī)械傳動(dòng)中，如運(yùn)輸機(jī)械(飛機(jī)、汽車飛機(jī)、汽車)、石油機(jī)械和機(jī)床、發(fā)電機(jī)等、石油機(jī)械和機(jī)床、發(fā)電機(jī)等的傳動(dòng)。的傳動(dòng)。 同步帶傳動(dòng)同步帶傳動(dòng)機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics (2). 按規(guī)格制度分按規(guī)格制度分 (a) 模數(shù)制模數(shù)制 同步帶主要參數(shù)是模數(shù)同步帶主要參數(shù)是模數(shù)m(與齒輪相同與齒輪相同)，根據(jù)不同的模數(shù)數(shù)值來確定帶的型號(hào)及結(jié)構(gòu)參數(shù)。，根據(jù)不同的模數(shù)數(shù)值來確定帶的型號(hào)及結(jié)構(gòu)參數(shù)。在在

31、60年代該種規(guī)格制度曾應(yīng)用于日、意、蘇等國，后年代該種規(guī)格制度曾應(yīng)用于日、意、蘇等國，后隨國際交流的需要，各國同步帶規(guī)格制度逐漸統(tǒng)一到隨國際交流的需要，各國同步帶規(guī)格制度逐漸統(tǒng)一到節(jié)距制。目前僅前蘇聯(lián)及東歐各國仍采用模數(shù)制。節(jié)距制。目前僅前蘇聯(lián)及東歐各國仍采用模數(shù)制。同步帶傳動(dòng)同步帶傳動(dòng)機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics (2) 節(jié)距制節(jié)距制 即同步帶的主要參數(shù)是帶齒節(jié)距，按即同步帶的主要參數(shù)是帶齒節(jié)距，按節(jié)距大小不同，相應(yīng)帶、輪有不同的結(jié)構(gòu)尺寸。該種節(jié)距大小不同，相應(yīng)帶、輪有不同的結(jié)構(gòu)尺寸。該種規(guī)格制度目前被列為國際標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)格制度目前被列為國際標(biāo)準(zhǔn)。

32、 同步帶傳動(dòng)同步帶傳動(dòng)機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 2. 同步帶傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)同步帶傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn) (1)工作時(shí)無滑動(dòng)，有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比工作時(shí)無滑動(dòng)，有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比 (2)傳動(dòng)效率高，節(jié)能效果好傳動(dòng)效率高，節(jié)能效果好 (3)傳動(dòng)比范圍大，結(jié)構(gòu)緊湊傳動(dòng)比范圍大，結(jié)構(gòu)緊湊 (4)維護(hù)保養(yǎng)方便，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低維護(hù)保養(yǎng)方便，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低 (5)惡劣環(huán)境條件下仍能正常工作惡劣環(huán)境條件下仍能正常工作同步帶傳動(dòng)同步帶傳動(dòng)機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 3. 同步帶的結(jié)構(gòu)和尺寸規(guī)格同步帶的結(jié)構(gòu)和尺寸規(guī)格 (1)同步帶結(jié)構(gòu)同步帶結(jié)

33、構(gòu)如下左圖所示，同步帶一般由承載繩、帶齒、帶背如下左圖所示，同步帶一般由承載繩、帶齒、帶背和包布層組成和包布層組成。工業(yè)。工業(yè)用同步帶帶輪形狀如下右圖所示用同步帶帶輪形狀如下右圖所示。同步帶傳動(dòng)同步帶傳動(dòng)機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 4. 同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算 (1)失效形式和計(jì)算準(zhǔn)則失效形式和計(jì)算準(zhǔn)則 同步帶傳動(dòng)主要失效形式有：同步帶傳動(dòng)主要失效形式有： (a) 承載繩斷裂承載繩斷裂 原因是帶型號(hào)過小和小帶輪直徑過小原因是帶型號(hào)過小和小帶輪直徑過小等。等。 (b) 爬齒和跳齒爬齒和跳齒 原因是同步帶傳遞的圓周力過大、帶原因是同步帶傳

34、遞的圓周力過大、帶與帶輪間的節(jié)距差值過大、帶的初拉力過小等。與帶輪間的節(jié)距差值過大、帶的初拉力過小等。 (c) 帶齒的磨損帶齒的磨損 原因是帶齒與輪齒的嚙合干涉、帶的原因是帶齒與輪齒的嚙合干涉、帶的張緊力過大等。張緊力過大等。 (d) 其他失效方式其他失效方式 帶和帶輪的制造安裝誤差引起的帶帶和帶輪的制造安裝誤差引起的帶輪棱邊磨損、帶與帶輪的節(jié)距差值太大和嚙合齒數(shù)過少引起輪棱邊磨損、帶與帶輪的節(jié)距差值太大和嚙合齒數(shù)過少引起的帶齒剪切破壞、同步帶背的龜裂、承載繩抽出和包布層脫的帶齒剪切破壞、同步帶背的龜裂、承載繩抽出和包布層脫落等。落等。 在正常的工作條件下，同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是在不打在正常的

35、工作條件下，同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是在不打滑的條件下，保證同步帶的抗拉強(qiáng)度。在灰塵雜質(zhì)較多的條滑的條件下，保證同步帶的抗拉強(qiáng)度。在灰塵雜質(zhì)較多的條件下，則應(yīng)保證帶齒的一定耐磨性。件下，則應(yīng)保證帶齒的一定耐磨性。同步帶傳動(dòng)同步帶傳動(dòng)機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics (2)同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟 設(shè)計(jì)同步帶傳動(dòng)的已知條件為：設(shè)計(jì)同步帶傳動(dòng)的已知條件為： Pm 需要傳遞的名義功率；需要傳遞的名義功率； n1、n2 主從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速或傳動(dòng)比主從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速或傳動(dòng)比；(a) 確定帶的設(shè)計(jì)功率；確定帶的設(shè)計(jì)功率；(b) 選擇帶型和節(jié)距；選擇帶

36、型和節(jié)距；(c) 確定帶輪齒數(shù)和節(jié)圓直徑；確定帶輪齒數(shù)和節(jié)圓直徑；(d) 確定同步帶的節(jié)線長度、齒數(shù)及傳動(dòng)確定同步帶的節(jié)線長度、齒數(shù)及傳動(dòng)中心距；中心距；(e) 校驗(yàn)同步帶和小帶輪的嚙合齒數(shù)；校驗(yàn)同步帶和小帶輪的嚙合齒數(shù)；(f) 確定實(shí)際所需同步帶寬度；確定實(shí)際所需同步帶寬度；(g) 帶的工作能力驗(yàn)算。帶的工作能力驗(yàn)算。同步帶傳動(dòng)同步帶傳動(dòng)機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 2.1.3 傳動(dòng)與導(dǎo)向元件傳動(dòng)與導(dǎo)向元件3. 螺旋傳動(dòng)（螺旋傳動(dòng)（Helix transmission）結(jié)構(gòu)原理圖結(jié)構(gòu)原理圖 實(shí)物實(shí)物滾珠絲杠傳動(dòng)滾珠絲杠傳動(dòng)螺紋傳動(dòng)螺紋傳動(dòng)機(jī)電一

37、體化概論An Introduction to Mechatronics 2.1.3 傳動(dòng)與導(dǎo)向元件傳動(dòng)與導(dǎo)向元件滾珠絲杠傳動(dòng)特點(diǎn)滾珠絲杠傳動(dòng)特點(diǎn) 摩擦損失小，傳動(dòng)效率高達(dá)摩擦損失小，傳動(dòng)效率高達(dá)0.920.96，而普通滑動(dòng)絲，而普通滑動(dòng)絲 杠的傳動(dòng)效率為杠的傳動(dòng)效率為0.200.40。 絲杠螺母之間預(yù)緊后，可以完全消除間隙，傳動(dòng)精度高絲杠螺母之間預(yù)緊后，可以完全消除間隙，傳動(dòng)精度高，剛度好。，剛度好。 摩擦阻力小，且?guī)缀跖c運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)，動(dòng)靜摩擦力之差摩擦阻力小，且?guī)缀跖c運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)，動(dòng)靜摩擦力之差極小，不易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象。保證了運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。極小，不易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象。保證了運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。

38、磨損小，壽命長，精度保持性好。磨損小，壽命長，精度保持性好。 不能自鎖，能實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)的可逆轉(zhuǎn)換，但不能自鎖，能實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)的可逆轉(zhuǎn)換，但在立式使用時(shí)應(yīng)增加制動(dòng)裝置。在立式使用時(shí)應(yīng)增加制動(dòng)裝置。 制造工藝復(fù)雜，成本高。制造工藝復(fù)雜，成本高。機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics q1. 工作原理與結(jié)構(gòu)工作原理與結(jié)構(gòu)滾珠螺旋傳動(dòng)滾珠螺旋傳動(dòng)滾珠絲桿副結(jié)構(gòu)滾珠絲桿副結(jié)構(gòu)端蓋循環(huán)端蓋循環(huán) 機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics q 絲杠和螺母的螺紋滾道間裝有承載滾珠，當(dāng)絲絲杠和螺母的螺紋滾道間裝有承載滾珠

39、，當(dāng)絲杠或螺母轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)，則絲杠杠或螺母轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)，則絲杠與螺母之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦，為防止?jié)L與螺母之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦，為防止?jié)L珠從滾道中滾出，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有回程珠從滾道中滾出，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有回程引導(dǎo)裝置，它們與螺紋滾道形成循環(huán)回路，使?jié)L引導(dǎo)裝置，它們與螺紋滾道形成循環(huán)回路，使?jié)L珠在螺母滾道內(nèi)循環(huán)。珠在螺母滾道內(nèi)循環(huán)。q 滾珠絲杠副中滾珠的循環(huán)方式有滾珠絲杠副中滾珠的循環(huán)方式有內(nèi)循環(huán)內(nèi)循環(huán)和和外循外循環(huán)環(huán)二種。二種。滾珠螺旋傳動(dòng)滾珠螺旋傳動(dòng)機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics q2. 滾珠絲杠

40、副軸向間隙的調(diào)整和施加預(yù)緊力的方法滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和施加預(yù)緊力的方法q 滾珠絲杠副除了對(duì)本身單一方向的傳動(dòng)精度有要滾珠絲杠副除了對(duì)本身單一方向的傳動(dòng)精度有要求外，對(duì)其軸向間隙也有嚴(yán)格要求，以保證其求外，對(duì)其軸向間隙也有嚴(yán)格要求，以保證其反向反向傳動(dòng)精度傳動(dòng)精度。滾珠絲杠副的軸向間隙是承載時(shí)在滾珠。滾珠絲杠副的軸向間隙是承載時(shí)在滾珠與滾道型面接觸點(diǎn)的彈性變形所引起的螺母位移量與滾道型面接觸點(diǎn)的彈性變形所引起的螺母位移量和螺母原有間隙的總和。和螺母原有間隙的總和。q 通常采用通常采用雙螺母預(yù)緊雙螺母預(yù)緊或或單螺母（大滾珠、大導(dǎo)程單螺母（大滾珠、大導(dǎo)程）的方法）的方法，把彈性變形控制在最小限

41、度內(nèi)，以減小，把彈性變形控制在最小限度內(nèi)，以減小或消除軸向間隙，并可以提高滾珠絲杠副的剛度?；蛳S向間隙，并可以提高滾珠絲杠副的剛度。滾珠螺旋傳動(dòng)滾珠螺旋傳動(dòng)機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics q(1) 雙螺母預(yù)緊原理雙螺母預(yù)緊原理q根據(jù)墊片厚度不同分成兩種形式，當(dāng)墊片厚度根據(jù)墊片厚度不同分成兩種形式，當(dāng)墊片厚度較厚時(shí)即產(chǎn)生較厚時(shí)即產(chǎn)生“預(yù)拉應(yīng)力預(yù)拉應(yīng)力”，而當(dāng)墊片厚度較，而當(dāng)墊片厚度較薄時(shí)即產(chǎn)生薄時(shí)即產(chǎn)生“預(yù)壓應(yīng)力預(yù)壓應(yīng)力”以消除軸向間隙。以消除軸向間隙。滾珠螺旋傳動(dòng)滾珠螺旋傳動(dòng)絲杠側(cè)螺母A 螺母B調(diào)整墊片預(yù)拉方向預(yù)拉方向預(yù)緊方向墊片預(yù)緊方向機(jī)電一

42、體化概論An Introduction to Mechatronics q(2) 單螺母預(yù)緊原理（增大滾珠直徑法）單螺母預(yù)緊原理（增大滾珠直徑法）q 為了補(bǔ)償滾道的間隙，設(shè)計(jì)時(shí)將滾珠的尺寸為了補(bǔ)償滾道的間隙，設(shè)計(jì)時(shí)將滾珠的尺寸適當(dāng)增大，使其適當(dāng)增大，使其4點(diǎn)接觸，產(chǎn)生預(yù)緊力，為了提點(diǎn)接觸，產(chǎn)生預(yù)緊力，為了提高工作性能，可以在承載滾珠之間加入間隔鋼高工作性能，可以在承載滾珠之間加入間隔鋼球。球。滾珠螺旋傳動(dòng)滾珠螺旋傳動(dòng)絲杠側(cè)螺母側(cè)絲杠側(cè)螺母側(cè)承載滾珠間隔鋼球機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics q(3) 單螺母預(yù)緊原理（偏置導(dǎo)程法）單螺母預(yù)緊原理（偏置導(dǎo)程

43、法）q q偏置導(dǎo)程法原理如上圖所示，僅僅是在螺母中偏置導(dǎo)程法原理如上圖所示，僅僅是在螺母中部將其導(dǎo)程增加一個(gè)預(yù)壓量部將其導(dǎo)程增加一個(gè)預(yù)壓量，以達(dá)到預(yù)緊的目，以達(dá)到預(yù)緊的目的。的。滾珠螺旋傳動(dòng)滾珠螺旋傳動(dòng)導(dǎo)程導(dǎo)程+導(dǎo)程絲杠側(cè)螺母側(cè)預(yù)拉方向預(yù)拉方向機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics q3. 滾珠絲杠副的軸向彈性變形滾珠絲杠副的軸向彈性變形q 滾珠絲杠受軸向載荷后，滾珠和滾道面將產(chǎn)生彈滾珠絲杠受軸向載荷后，滾珠和滾道面將產(chǎn)生彈性變形，軸向彈性變形量性變形，軸向彈性變形量 與軸向載荷與軸向載荷 之間之間的關(guān)系與滾動(dòng)軸承的計(jì)算相同，根據(jù)的關(guān)系與滾動(dòng)軸承的計(jì)算相同

44、，根據(jù)Herz的點(diǎn)接的點(diǎn)接觸理論觸理論q(1)單螺母預(yù)緊（無預(yù)緊）的軸向彈性變形單螺母預(yù)緊（無預(yù)緊）的軸向彈性變形 滾珠螺旋傳動(dòng)滾珠螺旋傳動(dòng)aaF)(sin2 . 131mDQaa機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics q式中：式中： 鋼球和滾道的接觸角（鋼球和滾道的接觸角（45）；）；q 鋼球直徑（鋼球直徑（mm）；）；q 單個(gè)鋼球所受載荷（單個(gè)鋼球所受載荷（N）；）；q 鋼球數(shù)；鋼球數(shù)；q 和精度、結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)。和精度、結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)。滾珠螺旋傳動(dòng)滾珠螺旋傳動(dòng)aDQsin/10ZFQaZ機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechat

45、ronics q (2) 雙螺母預(yù)緊時(shí)的軸向變形量雙螺母預(yù)緊時(shí)的軸向變形量q 對(duì)兩個(gè)螺母對(duì)兩個(gè)螺母A和和B施加預(yù)緊力施加預(yù)緊力 后，螺母后，螺母A、B均變形至均變形至X點(diǎn)。如果這時(shí)作用有外力點(diǎn)。如果這時(shí)作用有外力 ，則螺母，則螺母A從從X點(diǎn)向點(diǎn)向X1點(diǎn)、螺母點(diǎn)、螺母B從從X點(diǎn)向點(diǎn)向X2點(diǎn)移動(dòng)由于和點(diǎn)移動(dòng)由于和成正比關(guān)系，假設(shè)其比例系數(shù)為成正比關(guān)系，假設(shè)其比例系數(shù)為k，則有，則有 ，并且螺母，并且螺母A和和B的變形量分別為：的變形量分別為： q 由于在外力作用下螺母由于在外力作用下螺母A和和B的變形量相同（方的變形量相同（方向相反），所以向相反），所以 aoFaF3/2aoaokF3/2AAkF

46、3/2BBkFBaoaoA機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics q而且，當(dāng)僅有外力而且，當(dāng)僅有外力 作用時(shí)，作用時(shí)，q隨著隨著 的增加使的增加使 接近零時(shí)，則外力幾乎全被螺接近零時(shí)，則外力幾乎全被螺母母A吸收。吸收。q 當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí) q 又因?yàn)橛忠驗(yàn)閝 q 所以所以 aFaFbF0B3/23/23/2aoaoAkFkFkF3/23/22aoAFFaoaoAFFF38aoaoAAao21機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics q 目前制造的單螺母式滾珠絲杠副的軸向間隙達(dá)目前制造的單螺母式滾珠絲杠副的軸向間隙達(dá)0.05mm

47、，而雙螺母式的經(jīng)加預(yù)緊力調(diào)整后基本，而雙螺母式的經(jīng)加預(yù)緊力調(diào)整后基本上能消除軸向間隙。應(yīng)用該方法消除軸向間隙時(shí)上能消除軸向間隙。應(yīng)用該方法消除軸向間隙時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：q（1）預(yù)緊力大小必須合適，過小不能保證無隙）預(yù)緊力大小必須合適，過小不能保證無隙傳動(dòng)；過大將使驅(qū)動(dòng)力矩增大，效率降低，壽命傳動(dòng)；過大將使驅(qū)動(dòng)力矩增大，效率降低，壽命縮短。預(yù)緊力應(yīng)不超過最大軸向負(fù)載的縮短。預(yù)緊力應(yīng)不超過最大軸向負(fù)載的1/3。q（2）要特別注意減小絲杠安裝部分和驅(qū)動(dòng)部分）要特別注意減小絲杠安裝部分和驅(qū)動(dòng)部分的間隙，這些間隙用預(yù)緊的方法是無法消除的，的間隙，這些間隙用預(yù)緊的方法是無法消除的，而它對(duì)傳

48、動(dòng)精度有直接影響。而它對(duì)傳動(dòng)精度有直接影響。機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics q4. 滾珠絲杠副的主要尺寸、精度等級(jí)和標(biāo)注方法滾珠絲杠副的主要尺寸、精度等級(jí)和標(biāo)注方法q (1)主要尺寸主要尺寸 標(biāo)稱直徑、導(dǎo)程、螺旋升角等。標(biāo)稱直徑、導(dǎo)程、螺旋升角等。q (2). 精度等級(jí)精度等級(jí) JB316.282滾珠絲杠副精度滾珠絲杠副精度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定分為六個(gè)等級(jí)：標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定分為六個(gè)等級(jí)：C、D、E、F、G、H。C級(jí)最高，級(jí)最高，H級(jí)最低。級(jí)最低。q(3). 標(biāo)注方法標(biāo)注方法 機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics q5. 滾珠絲杠

49、副的安裝滾珠絲杠副的安裝q 絲杠的軸承組合及軸承座、螺母座以及其它零絲杠的軸承組合及軸承座、螺母座以及其它零件的連接剛性，對(duì)滾珠絲杠副傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度和件的連接剛性，對(duì)滾珠絲杠副傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度和精度都有很大影響，需在設(shè)計(jì)、安裝時(shí)認(rèn)真考慮精度都有很大影響，需在設(shè)計(jì)、安裝時(shí)認(rèn)真考慮。為了提高軸向剛度，絲杠支承常用推力軸承為。為了提高軸向剛度，絲杠支承常用推力軸承為主的軸承組合，僅當(dāng)軸向載荷很小時(shí)，才用向心主的軸承組合，僅當(dāng)軸向載荷很小時(shí)，才用向心推力軸承。以下列出了四種典型支承方式及其特推力軸承。以下列出了四種典型支承方式及其特點(diǎn)。點(diǎn)。機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechat

50、ronics 滾珠螺旋傳動(dòng)滾珠螺旋傳動(dòng)1軸向剛度較高；軸向剛度較高；2預(yù)拉伸安裝時(shí)，須加載荷較大，軸承壽命比方案預(yù)拉伸安裝時(shí)，須加載荷較大，軸承壽命比方案 2低；低；3適宜中速、精度高，并可用雙推適宜中速、精度高，并可用雙推單推組合。單推組合。 機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics q雙推雙推雙推雙推1軸向剛度最高；軸向剛度最高；2預(yù)拉伸安裝時(shí)，須加載荷較小，軸承壽命較高預(yù)拉伸安裝時(shí)，須加載荷較小，軸承壽命較高3適宜高速、高剛度、高精度。適宜高速、高剛度、高精度。機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics q雙推雙推簡支

51、簡支1軸向剛度不高，與螺母位置有關(guān)；軸向剛度不高，與螺母位置有關(guān)；2雙推端可預(yù)拉伸安裝；雙推端可預(yù)拉伸安裝；3適宜中速、精度較高的長絲杠。適宜中速、精度較高的長絲杠。 機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics q雙推雙推自由自由滾珠螺旋傳動(dòng)滾珠螺旋傳動(dòng)1軸向剛度低，與螺母位置有關(guān)；軸向剛度低，與螺母位置有關(guān)；2雙推端可預(yù)拉伸安裝；雙推端可預(yù)拉伸安裝；3適宜中小載荷與低速，更適宜垂直安裝，短適宜中小載荷與低速，更適宜垂直安裝，短絲杠。絲杠。 機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 6. 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)

52、計(jì)算 設(shè)計(jì)滾珠絲杠副的已知條件：設(shè)計(jì)滾珠絲杠副的已知條件： 工作載荷工作載荷F(N)或平均工作載荷或平均工作載荷Fm(N)，使用壽命，使用壽命 (h)，絲杠的，絲杠的工作長度工作長度(或螺母的有效行程或螺母的有效行程)L(m)，絲杠的轉(zhuǎn)速，絲杠的轉(zhuǎn)速n （平均轉(zhuǎn)速（平均轉(zhuǎn)速nm或最大轉(zhuǎn)速或最大轉(zhuǎn)速nmax) (rmin)，以及滾道硬度，以及滾道硬度HRC和運(yùn)轉(zhuǎn)情況和運(yùn)轉(zhuǎn)情況。 一般的設(shè)計(jì)步驟及方法如下：一般的設(shè)計(jì)步驟及方法如下：(1)絲杠副的計(jì)算載荷絲杠副的計(jì)算載荷Fc(N) 滾珠螺旋傳動(dòng)滾珠螺旋傳動(dòng)hLmAHFCFKKKF 機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatro

53、nics q 載荷系數(shù)，按表載荷系數(shù)，按表1選取；選取；q 硬度系數(shù)，按表硬度系數(shù)，按表2選取；選取；q 精度系數(shù)，按表精度系數(shù)，按表3選?。贿x?。籷 平均工作載荷（平均工作載荷（N）。）。FKHKAKmF載載 荷荷 性性 質(zhì)質(zhì)無沖擊平穩(wěn)運(yùn)無沖擊平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)一般運(yùn)轉(zhuǎn)一般運(yùn)轉(zhuǎn)有沖擊和振動(dòng)有沖擊和振動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)11.21.21.51.52.5FKHK滾道實(shí)際硬度滾道實(shí)際硬度HRC58555045401.01.111.562.43.85AK精度系數(shù)精度系數(shù)C、DE、FGH1.01.11.251.43機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 絲杠副的平均轉(zhuǎn)速（絲杠副的平

54、均轉(zhuǎn)速（r/min）；）； q(2)計(jì)算額定動(dòng)載荷計(jì)算額定動(dòng)載荷 滾珠螺旋傳動(dòng)滾珠螺旋傳動(dòng)41067. 1hmCaLnFCmnhLCF式中：式中：運(yùn)轉(zhuǎn)壽命（運(yùn)轉(zhuǎn)壽命（h）；）； 計(jì)算載荷（計(jì)算載荷（N）。）。機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics q3根據(jù)在滾珠絲杠系列中選擇所需要的規(guī)格，根據(jù)在滾珠絲杠系列中選擇所需要的規(guī)格，使所選規(guī)格的絲杠副的額定動(dòng)載荷。使所選規(guī)格的絲杠副的額定動(dòng)載荷。q4驗(yàn)算傳動(dòng)效率、剛度及工作穩(wěn)定性，如不滿驗(yàn)算傳動(dòng)效率、剛度及工作穩(wěn)定性，如不滿足要求則應(yīng)另選其它型號(hào)并重新驗(yàn)算。足要求則應(yīng)另選其它型號(hào)并重新驗(yàn)算。q 5對(duì)于低速（對(duì)于低

55、速（ ）傳動(dòng)，只按額定靜）傳動(dòng)，只按額定靜載荷計(jì)算即可。載荷計(jì)算即可。 aaCC min/10rn 機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics q 例例6-1 試設(shè)計(jì)一數(shù)控銑床工作臺(tái)進(jìn)給用滾珠絲杠試設(shè)計(jì)一數(shù)控銑床工作臺(tái)進(jìn)給用滾珠絲杠副。已知平均工作載荷副。已知平均工作載荷Fm3800N，絲杠工作長，絲杠工作長度度l1.2m，平均轉(zhuǎn)速，平均轉(zhuǎn)速nm100r/min，最大轉(zhuǎn)速，最大轉(zhuǎn)速nmax10000r/min，使用壽命，使用壽命15000h左右，絲左右，絲杠材料為杠材料為CrWMn鋼，滾道硬度為鋼，滾道硬度為5862HRC，傳，傳動(dòng)精度要求動(dòng)精度要求 q解：解

56、：(1) 求計(jì)算載荷求計(jì)算載荷Fc 03. 0NFKKKFmAHFC456038000 . 10 . 12 . 1機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics q(2) 根據(jù)壽命條件計(jì)算額定動(dòng)載荷根據(jù)壽命條件計(jì)算額定動(dòng)載荷q(3) 根據(jù)必須的額定動(dòng)載荷選擇絲杠副尺寸，由查根據(jù)必須的額定動(dòng)載荷選擇絲杠副尺寸，由查表表6-13，得如下規(guī)格：，得如下規(guī)格：NLnFChmCa204221067. 11500010045601067. 144aC0D機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics q考慮各種因素，選考慮各種因素，選FFZD50

57、06-5，其中：，其中：q 公稱直徑：公稱直徑：D0=50mmq 導(dǎo)程：導(dǎo)程：p=6mmq 螺旋角：螺旋角：=arctan(6/(50)=211q 滾珠直徑：滾珠直徑：d0=4mmq 滾道半徑：滾道半徑：R =0.52d0=0.524=2.08mmq 偏心距：絲杠內(nèi)徑：偏心距：絲杠內(nèi)徑：d1=45.9mm機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics q(4) 穩(wěn)定性驗(yàn)算：穩(wěn)定性驗(yàn)算：q 假設(shè)為雙推假設(shè)為雙推簡支（簡支（FS），因?yàn)榻z杠較長），因?yàn)榻z杠較長，所以用壓桿穩(wěn)定性來求臨界載荷，所以用壓桿穩(wěn)定性來求臨界載荷q式中：式中：E絲杠的彈性模量，對(duì)鋼絲杠的彈性模量

58、，對(duì)鋼 q 絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩q q q 長度系數(shù)，兩端用鉸接時(shí)，長度系數(shù)，兩端用鉸接時(shí)， mcrF22) (lEIFacrGPaE206aI4744am1018. 2640459. 064dI3/2機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics 52792221093. 6)2 . 13/2(1018. 210206)(lEIFacr45 . 22 65SFFmcrScf機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics q 臨界轉(zhuǎn)速臨界轉(zhuǎn)速 驗(yàn)證驗(yàn)證 高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需驗(yàn)算其是否會(huì)發(fā)生

59、共振的最高轉(zhuǎn)速高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需驗(yàn)算其是否會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠最高轉(zhuǎn)速 。q 臨界轉(zhuǎn)速可按公式計(jì)算：臨界轉(zhuǎn)速可按公式計(jì)算：crncrnnmax10960)2 . 132(0459. 0927. 39910) (991022212ldfnccr10000max nncr滾珠螺旋傳動(dòng)滾珠螺旋傳動(dòng)機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics （5）剛度驗(yàn)算：）剛度驗(yàn)算： 滾珠絲杠在工作負(fù)載滾珠絲杠在工作負(fù)載F（N）和轉(zhuǎn)矩）和轉(zhuǎn)矩T（Nm）共同作用）共同作用下引起每個(gè)導(dǎo)程的變形量下引起每個(gè)導(dǎo)程的變形量 （m）為）為式中：式中：A絲杠的截面積，絲杠

60、的截面積， (m2)； 絲杠的極慣性矩，絲杠的極慣性矩， (m4)； G鋼的切變模量，對(duì)于鋼鋼的切變模量，對(duì)于鋼G=83.3GPa； T轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)矩（Nm）滾珠螺旋傳動(dòng)滾珠螺旋傳動(dòng)0LcGJTpEApFL220214dA4132dJccJ8 . 3)408112tan(102503800)tan(230DFTm機(jī)電一體化概論An Introduction to Mechatronics q按最不利的情況，即取按最不利的情況，即取F=Fm，則，則q 絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為q通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差應(yīng)小于其傳動(dòng)精度的通常要求絲杠的導(dǎo)程誤