机械传动系统

济南大学机械工程学院机电系统检测与控制MeasurementandControlinMechatronicsSystem2/2043.1概述3.2传动机构3.3导向机构3.4执行机构第三章机械传动系统3/2043.1.1机电一体化对机械系统的基本要求机电一体化产品中的机械系统主要包括支承、传动、执行机构等，一般由减速装置、丝杠螺母副、涡轮涡杆副等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向支承部件、旋转支承部件、轴系及机架等机构组成。与一般的机械系统相比，其特点是：（1）高精度。由于机电一体化产品在技术性能、工艺水平、功能上都要比普通的机械产品要求高，因此对机械系统的精度提出了更高的要求。3.1概述4/204（2）快速响应。机电一体化系统中既有高速的信息处理单元，也有慢速的机械单元，若希望提高整体速度，就要求机械部分有更高的响应速度。（3）良好的稳定性，抗干扰能力强，环境适应性好。简言之，就是“稳、准、快”。此外，还须有较大的刚度、良好的可靠性、重量轻、体积小、寿命长等要求。3.1概述5/204为确保机械系统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：（1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件。如采用滚珠丝杠副、滚动导向支承、动（静）压导向支承等。（2）缩短传动链，简化主传动系统的机械结构。主传动常采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接，以减少中间传动环节。3.1概述6/204（3）提高传动与支承刚度。如采用预加紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动与支承刚度，丝杠的支承设计中采用二端轴向预紧或预拉伸支承结构等。（4）选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少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。（5）缩小反向死区误差。在进给传动中，一方面采用无间隙且减少摩擦的滚珠丝杠副，预加载荷的双齿轮齿条副等精密机构，另一方面采取消除传动间隙、减少支承变形等措施。3.1概述7/204（6）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。如选用复合材料等来提高刚度和强度、减轻重量、缩小体积，使结构紧密化，以确保系统的小型化、轻量化、高速化和高可靠性。3.1概述8/2043.1.2机械系统的主要组成机电一体化系统中的机械系统通常由传动机构、支承与导向机构、执行机构及机架等组成。各机构分别承担着不同的功能，有着不同的要求。传动机构：主要完成转速、转矩的匹配，要求有良好的伺服性能。支承与导向机构：主要起支承和导向作用，为机械系统中各运动部件安全、准确地完成特定运动提供保障。执行机构：完成具体的动作，要求有高的灵敏度、精确度和良好的重复性、可靠性。3.1概述9/2043.2.1传动机构的性能要求机电一体化系统中的传动机构通常采用滚珠丝杠副、精密齿轮副、挠性传动机构、间歇传动机构等。为获得良好的伺服性能，传动系统应满足如下性能要求：1.足够的刚度所谓刚度，就是指抵抗变形的能力。对机械系统来说,满足刚度要求具有如下优点：（1）减少机构弹性变形，从而减少伺服系统的动力损失，可达到明显的节能效果。（2）机械装置固有频率高，不易产生共振。（3）能增加闭环伺服系统的稳定性。3.2传动机构10/2042.惯量小在刚度满足要求的前提下，应尽量减小传动机构的质量和转动惯量。大惯量会使系统的机械常数增大，固有频率降低，从而使系统负载大、响应慢、灵敏度低，易产生谐振。3.阻尼适中大阻尼能抑制振动的最大振幅，且使振动快速衰减，但同时也使系统的稳态误差增大，精度降低，因此阻尼应适中。3.2传动机构11/2043.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副1.滚珠丝杠副的工作原理12/204滚珠丝杠副的结构原理图3.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副13/2042.滚珠丝杠副的特点滚珠丝杠副是滑动丝杠副的发展与延伸，属于螺旋机（1）传动效率高：以滚动摩擦代替了滑动摩擦，整个传动副的驱动力矩减少至滑动丝杠的1/3左右，传动效率达到90%以上，发热率大幅降低。（2）定位精度高：由于发热率低，温升小，可以采取预拉伸（预紧）消除轴向间隙等措施，因此滚珠丝杠副具有高的定位精度和重复定位精度。（3）传动可逆性：能够实现两种传动方式，将旋转运动转化为直线运动或将直线运动转化为旋转运动并传递动力。3.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副14/204（4）使用寿命长：由于对丝杠滚道形状的准确性、表面硬度、材料的选择等方面加以严格控制，因而滚珠丝杠副的实际寿命远高于滑动丝杠副。（5）同步性能好：由于滚珠丝杠副具有运转顺滑、消除了轴向间隙以及制造的一致性等特点，因此，当采用多套滚珠丝杠副驱动同一装置或多个相同部件时，可获得很好的同步性能。但是，与滑动丝杠副相比较，滚珠丝杠副的缺点是结构和制造工艺比较复杂、成本较高；另外，滚珠丝杠副不具有自锁性，尤其是垂直安装时需增加制动装置。3.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副15/2043滚珠螺旋传动的结构形式与类型（1）滚珠循环方式按滚珠在整个循环过程中与螺杆表面的接触情况,可将滚珠的循环方式分为内循环和外循环两类。1）内循环。滚珠在循环过程中始终与螺杆保持接触的循环叫内循环。3.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副16/204内循环3.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副17/2042）外循环滚珠在返回时与螺杆脱离接触的循环称为外循环。按结构的不同,外循环可分为螺旋槽式、插管式和端盖式三种。螺旋槽式，端盖式是指在螺母1上钻有一个纵向通孔作为滚珠返回通道,螺母两端装有铣出短槽的端盖2,短槽端部与螺纹滚道相切,并引导滚珠返回通道,构成滚珠循环回路。端盖式的优点是结构紧凑,工艺性好。缺点是滚珠通过短槽时容易卡住。3.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副18/204螺旋槽式外循环3.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副19/204端盖式外循环3.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副20/204插管式外循环3.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副21/2043.消除轴向间隙的调整预紧方法双螺母预紧3.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副22/204（1）垫片调隙式。3.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副23/204（2）螺纹调隙式3.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副24/204（3）齿差调隙式当两个螺母按同方向转过一个齿时,其相对轴向位移为式中,Ph为导程。如果z1=99,z2=100,Ph=8mm,则ΔL=0.8μm。可见,这种方法的特点是调整精度很高,工作可靠,但结构复杂,加工工艺和装配性能较差。21211221)()11(zzPPzzzzPzzLhhh3.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副25/204齿差调隙式3.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副26/2043）材料滚珠丝杠副中丝杠与螺母的材料一般与滚珠的材料相同，通过采用GCr15、GCr6、GCr9等，硬度为HRC60±2，而螺母应取上限。当需要特别高的耐磨性时，可以用20CrMnA、40CrMnA、38CrMoLlA、38CrWVAlA等合金钢制造。3.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副27/2044.滚珠丝杠副的主要参数及标注方法1）主要参数公称直径、基本导程、小径、大径、滚动体直径3.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副28/2042）标注方法滚动螺旋副的型号由代号和数字组成，根据其结构、规格、精度等级、螺纹旋向等特征，不同的厂家的标注方法略有不同。3.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副29/2045.滚珠丝杠副的安装方式、制动与选用1）滚珠丝杠副的安装方式滚珠丝杠副的安装方式不同（支承形式不同），将影响到丝杠的轴向刚度和传动精度，各种安装方式各有优缺点，应视不同需要而定，在设计安装时应认真考虑。为了提高轴向刚度，常用以止推轴承为主的轴承组合来支承丝杠，当轴向载荷较小时，也可用向心推力轴承来支承丝杠。常用轴承的组合方式有：3.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副30/204①单推—单推式：如图3－9所示，止推轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧力。其特点是轴向刚度较高，预拉伸安装时预紧力较大；轴承寿命比双推—双推式低。3.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副31/204②双推—双推式：如图3－10所示，两端装有止推轴承及向心轴承的组合，并施加预紧力，使其刚度最高。该方式适合于高刚度、高速度、高精度的精密丝杠传动系统。由于工作时随着温度的升高会造成丝杠的预紧力增大，因而易造成两端支承的预紧力不对称。3.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副32/204③双推—简支式：一端装止推轴承，另一端装向心球轴承，轴向刚度不太高。使用时应注意减少丝杠热变形的影响。双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较长，适用于中速、精度较高的长丝杠传动系统。3.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副33/204④双推—自由式：一端装止推轴承，另一端悬空。因其一端是自由状态，故轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装丝杠传动系统。3.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副34/2042）滚珠丝杠副的制动滚珠丝杠副垂直安装时，无自锁作用，故须设置当驱动力中断后防止被驱动部件因自重而发生逆传动的自锁或制动装置。滚珠丝杠副的制动可使用制动电机、超越离合器或其他方式的制动装置。3.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副35/2043）滚珠丝杠副的选择方法（1）滚珠丝杠副结构的选择。根据防尘、防护条件以及对调隙及预紧的要求，可选择适当的结构形式。例如，当允许有间隙存在（如垂直运动）时，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，可采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式结构。3.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副36/204（2）滚珠丝杠副结构尺寸的选择。选用滚珠丝杠副时，通常主要选择丝杠的公称直径d0和基本导程l0。公称直径d0应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸系列选择。在允许的情况下，螺纹长度ls要尽量短，一般取ls/d030为宜；基本导程l0（或螺距t）应按承载能力、传动精度及传动速度选取，l0大时，承载能力也大；l0小时，传动精度会较高。要求传动速度快时，可选用大导程滚珠丝杠副。3.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副37/2044）滚珠丝杠副在选用和使用中的注意事项（1）预紧载荷的确定。为了防止造成丝杠传动系统的任何失位，保证传动精度，提高丝杠系统的刚度是很重要的，而要提高螺母的接触刚度，则必须施加一定的预紧载荷。施加了预紧载荷后，摩擦转矩增加，并使工作时的温升提高。因此，必须恰当地确定预紧载荷（最大不得超过10%的额定动载荷），以便在满足精度和刚度的同时获得最佳的寿命和较低的温升效应。3.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副38/204（2）润滑。在使用滚珠丝杠副时，必须要有足够的润滑，如果润滑不够，则将导致摩擦和磨损的增加，造成故障或缩短寿命等。润滑可采用油润滑或脂润滑。（3）防尘。滚珠丝杠与滚动轴承一样，如果污物及异物（切屑、碎屑）进入，就会很快使它磨损。因此，必须采用防护装置（折叠式或伸缩式丝杠护套）将丝杠轴完全防护起来；同时，在有浮尘时，要在螺母两端采用刮屑式防尘圈进行密封。3.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副39/204（4）安装。将滚珠丝杠副安装到机床时，不应把螺母从丝杠上拆下来。在必须把螺母卸下来的场合，要使用比丝杠底径小0.2～0.3mm的安装辅助套筒，将安装辅助套筒推至螺纹起始端面，从丝杠上将螺母旋至辅助套筒上，连同螺母、辅助套筒一并小心取下，注意不要使滚珠散落。3.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副40/2043.2.3齿轮传动齿轮传动在机电一体化系统中得到了广泛的应用。设计时，除了要确定齿轮传动形式、传动比的匹配、各级传动比的最佳分配等因素外，还应考虑提高齿轮传动精度的问题。齿轮传动时，为了形成润滑油膜和避免轮齿摩擦发热膨胀，齿廓之间必须留有齿侧间隙，简称侧隙。但侧隙会产