1、机电一体化控制系统2 21 1机械结构因素对系统性能的影响机械结构因素对系统性能的影响2 22 2机械传动机构机械传动机构2 23 3导向与支撑机构导向与支撑机构2 24 4机械执行机构机械执行机构第二章机 械 系 统 机机 械械 技技 术术 是是 一一 门门 历历 史史 最最 久久 的的 应应 用用 技术，是技术，是 各各 个个 技技 术术 领领 域域 的的 基基 础，础，有有 一一 整整 套套 完整完整 的的 理理 论论 和和 实实 践践 规范规范。然而，机电一体化产品在机械方面的要求：然而，机电一体化产品在机械方面的要求： （1 1）为了充分发挥机电一体化产品的优点。必须）为了充分发挥机
2、电一体化产品的优点。必须使其机械本体部分具有合理的使其机械本体部分具有合理的结构、强度、刚度、结构、强度、刚度、精度和可靠性；精度和可靠性； （2 2）良好的动态特性，即）良好的动态特性，即响应响应快，快，稳定性稳定性好好 （3 3）内部结构和外部造型）内部结构和外部造型部局部局合合理、理、操作操作方便、方便、美观美观协调协调即即低摩擦、无间隙、低惯量、高刚度、高谐振低摩擦、无间隙、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比频率、适当的阻尼比为达到机电一体化产品的要求，可以采取以下措施：为达到机电一体化产品的要求，可以采取以下措施：（1 1）减低摩擦阻力，采用低摩擦阻力的传动件和导）减低摩擦阻力
3、，采用低摩擦阻力的传动件和导向件向件 滚珠丝杆、滚动导轨、滚珠丝杆、滚动导轨、静（动）压导轨静（动）压导轨（2 2）消除传动间隙，以减小反向死区误差）消除传动间隙，以减小反向死区误差（3 3）减少等效转动惯量，选用最佳传动比，提高系）减少等效转动惯量，选用最佳传动比，提高系统分辨率，统分辨率，（4 4）提高传动和支撑的刚度，缩短传动链）提高传动和支撑的刚度，缩短传动链，2.12.1机械结构因素对系统性能的影响机械结构因素对系统性能的影响摩擦摩擦传动间隙传动间隙结构弹性变形结构弹性变形质量与转动惯量质量与转动惯量1.1.摩摩 擦擦摩擦力在什么时候出现（？）摩擦力在什么时候出现（？）相互接触的两物
4、体间只要有相互接触的两物体间只要有相相对运动对运动或有或有相对运动的趋势相对运动的趋势，就存在摩，就存在摩擦力。擦力。前者，前者，动摩擦动摩擦； 后者，后者，静摩擦静摩擦（1 1）非线性特性）非线性特性 从以上几条曲线可见：从以上几条曲线可见：1 1）对于滑动导轨，静摩擦系数大于动摩擦系数；当相对运对于滑动导轨，静摩擦系数大于动摩擦系数；当相对运动速度较低时，导轨处于动速度较低时，导轨处于边界和混合摩擦状态边界和混合摩擦状态，动摩擦系数随动摩擦系数随导轨的滑动速度的增加而降低导轨的滑动速度的增加而降低； 2 2）当滑动速度加大到动压效应使导轨处于当滑动速度加大到动压效应使导轨处于液体摩擦状态液
5、体摩擦状态 时，摩擦力用于克服油层间的剪切时，时，摩擦力用于克服油层间的剪切时，动摩擦系数随导轨的滑动摩擦系数随导轨的滑 动速度的增加而增加动速度的增加而增加；3 3）对于对于滑动导轨滑动导轨，两导轨面的材料对摩擦特性也有较大影，两导轨面的材料对摩擦特性也有较大影响，如氟塑料响，如氟塑料铸铁导轨的摩擦系数小，铸铁导轨的摩擦系数小，且动、静摩擦系数且动、静摩擦系数的差值小的差值小，4 4）滚动导轨和静压导轨滚动导轨和静压导轨的摩擦系数都很小，且动、静摩擦的摩擦系数都很小，且动、静摩擦系数的实际系数的实际没什么差别没什么差别； 可见，这个摩擦的非线性，对系统的工作特性有很大可见，这个摩擦的非线性，
6、对系统的工作特性有很大 影响。影响。（2 2） 系统误差系统误差 看一个半闭环伺服进给系统及力学模型看一个半闭环伺服进给系统及力学模型 图中，图中，电机电机1 1为主动件，以匀速经进给传动机构为主动件，以匀速经进给传动机构2 2驱动被动件驱动被动件（工作台）（工作台）3 3。 传动机构传动机构2 2简化为一个刚度为简化为一个刚度为k的等效弹簧和阻尼的等效弹簧和阻尼系数为系数为c的等效粘性阻尼的等效粘性阻尼 被动件（工作台）被动件（工作台）3 3的质量为的质量为m，在支撑，在支撑导轨导轨4 4上沿上沿x方向移动，摩擦力方向移动，摩擦力F。 由于机由于机械系统有静械系统有静摩擦力，如摩擦力，如果系
7、统开始果系统开始处于静止状处于静止状态，当电机态，当电机给机械系统施加驱动力矩后，在移动部件给机械系统施加驱动力矩后，在移动部件3所受的驱动力小所受的驱动力小于静摩擦力于静摩擦力Fs之前，移动部件之前，移动部件3并不移动；并不移动； 即机械系统有输入位移而无即机械系统有输入位移而无输出位移，从而产生了由静摩擦输出位移，从而产生了由静摩擦而引起的系统误差而引起的系统误差死区误差死区误差 f =Fs/kFs静摩擦力静摩擦力k折算到移动部件的综合拉压刚度。折算到移动部件的综合拉压刚度。 减少由静摩擦而引起的死区误差的方法：减少由静摩擦而引起的死区误差的方法： 1）减小静摩擦力，滚动，静压导轨）减小静
8、摩擦力，滚动，静压导轨 2）提高机械系统的刚度）提高机械系统的刚度；（3 3） 低速爬行低速爬行 对于力学模型对于力学模型 速度很低时，速度很低时，当主动件当主动件1 1作匀速作匀速运动时，被动件运动时，被动件3 3往往会出现明显的往往会出现明显的速度不均匀，或时速度不均匀，或时走时停或时快时慢走时停或时快时慢 这种低速时运动不平这种低速时运动不平 稳的现象称为爬行。稳的现象称为爬行。爬行原因：爬行原因：1 1） 摩擦副处于边界摩擦，摩擦副处于边界摩擦，存在动、静摩擦系数之差，存在动、静摩擦系数之差，而且动静摩擦系数又随滑而且动静摩擦系数又随滑动的速度的增加而降低，动的速度的增加而降低，这就可
9、能使系统出现这就可能使系统出现负阻负阻尼尼或零阻尼。或零阻尼。 2 2）运动件的质量较大，具有较大的运动件的质量较大，具有较大的惯性惯性。 3 3）传动机构的传动机构的刚性不足刚性不足。 4 4）上面三者一定时，移动速度上面三者一定时，移动速度低低到一定值，即到一定值，即临界值临界值爬行的爬行的 临界速度时。临界速度时。其中：其中：动、静摩擦系数之差动、静摩擦系数之差是是内因内因； 运动件的运动件的质量较大质量较大，传动机构的，传动机构的刚性不足是条件刚性不足是条件；消除爬行的主要措施：消除爬行的主要措施：1 1）减减少动、静少动、静摩摩擦系数擦系数之差。如良好润滑，用之差。如良好润滑，用减摩
10、材料，滚动导轨和减摩材料，滚动导轨和静压导轨等。静压导轨等。2)2)提高传动机构的提高传动机构的刚度刚度3 3）动力润滑。在控制信号中附加高频分量，使伺服电机时）动力润滑。在控制信号中附加高频分量，使伺服电机时刻处于适度的微振状态，从而有利用克服静摩刻处于适度的微振状态，从而有利用克服静摩擦，以有效减小低速爬行。称为擦，以有效减小低速爬行。称为“动力润滑动力润滑”。 用脉宽调制（用脉宽调制（PWM）功率放大器来驱动伺服电机。）功率放大器来驱动伺服电机。2. 2. 传传 动动 间间 隙隙（1 1）间隙型滞环非线性特性）间隙型滞环非线性特性齿轮传动的齿侧间隙；齿轮传动的齿侧间隙； 丝杠螺母的传动间
11、隙；丝杠螺母的传动间隙；丝杠轴承的轴向间隙；丝杠轴承的轴向间隙； 联轴器的扭转间隙联轴器的扭转间隙 见输入与输出的物理模型。见输入与输出的物理模型。 当不考虑输入、输出构件的惯性和摩擦时，其输入、当不考虑输入、输出构件的惯性和摩擦时，其输入、输出具有间隙型滞环非线性特性。输出具有间隙型滞环非线性特性。 1 1）x(t) b/2时时 y(t) 随随 x(t) 线性变化线性变化 3）当）当x(t)反向时反向时 y(t)开始保持不动，造成回程开始保持不动，造成回程误差直到，误差直到，x(t)减小减小b后，后，y(t) 随随 x(t) 线性变化线性变化（2）间隙对伺服系统性能的影响）间隙对伺服系统性能
12、的影响G1闭环前数据输入通道上的传动装置闭环前数据输入通道上的传动装置G2闭环内前向通道上动力传动装置闭环内前向通道上动力传动装置G3闭环内反馈数据通道中的传动装置闭环内反馈数据通道中的传动装置G4闭环后位置输出通道上传动装置闭环后位置输出通道上传动装置1）G2中的间隙对伺服稳定性的影响中的间隙对伺服稳定性的影响如果没有间隙如果没有间隙 静止时：静止时：i i = =o o =0=0如：如：i i =1=1，依然，依然 o o =0=0，则误差，则误差e e = =i i - -o o =1=1 伺服系统把误差放大并去控制电机，伺服系统把误差放大并去控制电机， 朝减少朝减少e e的方向转动的方
13、向转动i i = =o o =1=1，由于惯性，冲过，由于惯性，冲过o o =1=1，o o 1 1， e e 00，伺服系统控制电机反向，无阻尼，伺服系统控制电机反向，无阻尼， 则震荡则震荡 有阻尼，有阻尼， 则稳定则稳定如果有间隙如果有间隙 则则e e存在，当电机转动，但输出轴不转动，直到间隙消除存在，当电机转动，但输出轴不转动，直到间隙消除后才转动，电机空程空载转动时有很大的动能，会以大得多后才转动，电机空程空载转动时有很大的动能，会以大得多的速度冲过的速度冲过o o =1=1，冲过，冲过o o =1=1后，则后，则e e变号，控制反变号，控制反向，又有空程，来回，空程（即间隙足够大）则
14、形成一定频向，又有空程，来回，空程（即间隙足够大）则形成一定频率、一定振幅的振荡率、一定振幅的振荡极限环振荡极限环振荡如间隙足够小，系统阻尼大如间隙足够小，系统阻尼大 振荡不存在振荡不存在2) G1和和G4中的间隙对中的间隙对伺服稳定性伺服稳定性无影响，但无影响，但影响伺服精影响伺服精度度3) G3中的间隙，既影响伺服稳定性，又影响伺服精度中的间隙，既影响伺服稳定性，又影响伺服精度 A)由于由于G3中的间隙的存在，反馈到输入端的信号并不是输出轴中的间隙的存在，反馈到输入端的信号并不是输出轴的位置的位置 ，而是包括了，而是包括了G3中的间隙，位置误差检测装置产生的误差中的间隙，位置误差检测装置产
15、生的误差信号中也包括了这个间隙量。当误差控制电压驱动伺服电机使输出信号中也包括了这个间隙量。当误差控制电压驱动伺服电机使输出轴跟随输入信号时，这部分间隙就造成伺服误差。轴跟随输入信号时，这部分间隙就造成伺服误差。 B)与与G2闭环内前向通道上动力传动装置的间隙的情况闭环内前向通道上动力传动装置的间隙的情况类似，导致极限环振荡。类似，导致极限环振荡。3. 3. 结结 构构 弹弹 性性 变变 形形 通常，我们为了简化问题，常假定系统中的机械装通常，我们为了简化问题，常假定系统中的机械装置是绝对的刚体，没有任何变形。置是绝对的刚体，没有任何变形。 实际上，机械装置不是绝对的刚体，有弹性变形，实际上，
16、机械装置不是绝对的刚体，有弹性变形，其物理模型其物理模型质量质量弹簧系统。弹簧系统。 在高速高精度的伺服系统，结构弹性变形大，结构在高速高精度的伺服系统，结构弹性变形大，结构刚度小，结构固有频率低，落在系统带宽内，会发生刚度小，结构固有频率低，落在系统带宽内，会发生结构谐振。结构谐振。 1 1）提高结构刚度提高结构刚度 2 2）增加阻尼增加阻尼4. 4. 质质 量量 与与 转转 动动 惯惯 量量 在机电一体化系统中，机械运动部件的质量和转在机电一体化系统中，机械运动部件的质量和转动惯量大会产生：动惯量大会产生：1 1）使机械负载增大，需增大驱动电机功率）使机械负载增大，需增大驱动电机功率; ;
17、2 2）使系统的响应速度变慢，降低灵敏度；）使系统的响应速度变慢，降低灵敏度； 3 3）使系统的固有频率下降，）使系统的固有频率下降，容易产生谐振。容易产生谐振。 在机电一体化系统设计中，在不影响系统刚度和强度在机电一体化系统设计中，在不影响系统刚度和强度的条件下，机械运动部件的惯性应尽量小，怎么办？的条件下，机械运动部件的惯性应尽量小，怎么办？ 1 1）选择转矩）选择转矩惯量比惯量比 大的控制电机。因为在伺大的控制电机。因为在伺服系统中高速电机的转动惯量，在总惯量中占主要地位，服系统中高速电机的转动惯量，在总惯量中占主要地位，往往比负载的折算惯量大的多，特别是减速比大的系统，往往比负载的折算
18、惯量大的多，特别是减速比大的系统，所以应尽量选用低惯量的控制电机。（小惯量）所以应尽量选用低惯量的控制电机。（小惯量） 2 2）适当选用强度高、刚度好、质量轻的材料，减轻各）适当选用强度高、刚度好、质量轻的材料，减轻各部件的质量，合理布置结构；部件的质量，合理布置结构；转动部分的质量应尽量靠近轴线转动部分的质量应尽量靠近轴线 3 3）合理选取总传动比和）合理选取总传动比和分配各级传动比。分配各级传动比。 但是但是2.2 2.2 机机 械械 传传 动动 机机 构构传动机构的性能要求传动机构的性能要求滚珠丝杠副传动机构滚珠丝杠副传动机构无侧隙齿轮传动机构无侧隙齿轮传动机构其他传动机构其他传动机构1
19、. 1. 传传 动动 机机 构构 的的 性性 能能 要要 求求（1 1）惯性小）惯性小（2 2）刚度大）刚度大（3 3）阻尼合适）阻尼合适2. 2. 滚滚 珠珠 丝丝 杠杠 副副 传传 动动 机机 构构 滚珠丝杠副要从普通丝滚珠丝杠副要从普通丝杠副谈起，如同螺杆和螺杠副谈起，如同螺杆和螺母母 滚珠丝杠副传动是在丝杠和螺滚珠丝杠副传动是在丝杠和螺母之间放入一定量的钢球，使丝杠母之间放入一定量的钢球，使丝杠和螺母之间的摩擦由普通丝杠传动和螺母之间的摩擦由普通丝杠传动副的滑动摩擦变为滚动摩擦。副的滑动摩擦变为滚动摩擦。 滚珠丝杠副的结构由什么组成滚珠丝杠副的结构由什么组成 丝杠、螺母、钢球、还有回珠
20、丝杠、螺母、钢球、还有回珠器，为什么器，为什么？ 滚珠丝杠副传动是在丝杠和螺母之间放滚珠丝杠副传动是在丝杠和螺母之间放 入一定量的钢球，使丝杠入一定量的钢球，使丝杠和螺母之间的摩擦由普通丝杠传动副的滑动摩擦变为滚动摩擦。和螺母之间的摩擦由普通丝杠传动副的滑动摩擦变为滚动摩擦。 滚珠丝杠副的结构滚珠丝杠副的结构 丝杠、螺母、钢球、还有回珠器，为什么丝杠、螺母、钢球、还有回珠器，为什么？ （1 1）滚珠丝杠副的特点：）滚珠丝杠副的特点：1 1）传动效率高，效率高达）传动效率高，效率高达90%90%95%，耗费的动力仅为，耗费的动力仅为滑动滑动丝杠的丝杠的1/31/3，为什么？，为什么？2 2）传动
21、精度高，为什么？）传动精度高，为什么？ 淬火磨削；摩擦小，无非线性，无爬行；摩擦小，淬火磨削；摩擦小，无非线性，无爬行；摩擦小， 温升小、变形小。温升小、变形小。3）磨损小，寿命长，工作寿命一般比普通滑动）磨损小，寿命长，工作寿命一般比普通滑动丝杠高丝杠高5 56倍。为什么？倍。为什么？滚动摩擦，滑道滚动摩擦，滑道淬火磨损极小淬火磨损极小 4）系统刚度好，通过）系统刚度好，通过螺母组件内施加予压，来获得足螺母组件内施加予压，来获得足够的够的刚度，为什么刚度，为什么滑动滑动丝杠不能？丝杠不能？5 5）可逆向运动）可逆向运动为什么？为什么？6 6）不能自锁，特别是）不能自锁，特别是 （2 2）滚珠
22、丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方）滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法法 滚珠丝杠副的轴向间隙一般是指承受负载时，滚珠钢滚珠丝杠副的轴向间隙一般是指承受负载时，滚珠钢球与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量球与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量 + + 螺母原有间螺母原有间隙的总和隙的总和 目前制目前制造的单螺母造的单螺母式的精度式的精度, ,控制轴向间控制轴向间隙在隙在0.060.06以以内内 双螺母预紧的方法双螺母预紧的方法双螺母预紧的方法双螺母预紧的方法 （3 3）滚珠丝杠副的精度等级和选用）滚珠丝杠副的精度等级和选用 高高 C、D、E、F、G、H 低低 6个个等
23、级等级滚珠丝杠副的精度包括各元件的制造精度和装配精度滚珠丝杠副的精度包括各元件的制造精度和装配精度 如：丝杠公称直径尺寸变动量如：丝杠公称直径尺寸变动量 丝杠和螺母的表面粗糙度丝杠和螺母的表面粗糙度 丝杠大径对螺纹轴线的径向跳动丝杠大径对螺纹轴线的径向跳动 导程误差等导程误差等选用：选用： 设计时，根据传动机构的精度（工作台的定位精度设计时，根据传动机构的精度（工作台的定位精度和重复精度）要求选择。和重复精度）要求选择。 数控机床、精密机床、精密仪器数控机床、精密机床、精密仪器C、D、E 一般动力传动一般动力传动F、G （4）滚珠丝杠副滚珠丝杠副的安装方式的安装方式 为了保证滚珠丝杠副为了保证
24、滚珠丝杠副传动的刚度和精度，除应选用传动的刚度和精度，除应选用高刚度、小摩擦、高运转精度的轴承和轴承座支撑外。高刚度、小摩擦、高运转精度的轴承和轴承座支撑外。 还应选择合适的支承方式。还应选择合适的支承方式。 滚珠丝杠副滚珠丝杠副的支承方式根据其限制丝杠轴的轴向窜的支承方式根据其限制丝杠轴的轴向窜动情况，分为三种动情况，分为三种1 1）一端固定一端自由（）一端固定一端自由（FO）2 2）一端固定一端游动（）一端固定一端游动（FS）3 3）两端固定（）两端固定（FF）1 1）一端固定一端自由（）一端固定一端自由（FO）结构简单结构简单丝杠的轴向刚度低丝杠的轴向刚度低丝杠的压杆稳定性低丝杠的压杆稳
25、定性低临界转速低临界转速低 设计时尽设计时尽量使丝杠受拉量使丝杠受拉伸伸适用于适用于 丝杠较短丝杠较短 转速较低转速较低 竖直安装竖直安装2 2）一端固定一端游动（）一端固定一端游动（FS）结构较复杂，工艺难结构较复杂，工艺难需保持螺母与两端支承同轴需保持螺母与两端支承同轴丝杠的轴向刚度与丝杠的轴向刚度与（FO）同）同丝杠的压杆稳定性与临界转速比丝杠的压杆稳定性与临界转速比（FO）高）高丝杠有热膨胀的余地丝杠有热膨胀的余地 适用于适用于 丝杠较长丝杠较长 卧式安装卧式安装3 3）两端固定（）两端固定（FF）结构较复杂，工艺难，需保持螺母与两端支结构较复杂，工艺难，需保持螺母与两端支承同轴承同轴
26、丝杠的轴向刚度是丝杠的轴向刚度是（FO）的）的4倍倍丝杠的不受压，无压杆稳定性问题，临界转丝杠的不受压，无压杆稳定性问题，临界转速也速也高高可以通过预拉伸减少可以通过预拉伸减少丝杠自重下垂和补偿热丝杠自重下垂和补偿热膨胀膨胀适用于适用于 丝杠较长丝杠较长 转速较高转速较高 刚度较高刚度较高 位移精度较高位移精度较高3. 3. 无无 侧侧 隙隙 齿齿 轮轮 传传 动动 机机 构构齿轮传动：齿轮传动：1 1）瞬时传动为常数）瞬时传动为常数 2 2）传动精度高，可以做到零侧隙无回差）传动精度高，可以做到零侧隙无回差3 3）强度大，能承受重载）强度大，能承受重载4 4）结构紧凑，摩擦力小，效率高用的最
27、多）结构紧凑，摩擦力小，效率高用的最多为了保证双向精度，必须采取措施，消除齿为了保证双向精度，必须采取措施，消除齿侧间隙侧间隙 齿轮有那些？齿轮有那些？齿轮传动齿轮传动平行轴齿轮传动机构（圆柱齿轮传动机构） 相交轴齿轮传动机构（圆锥齿轮传动机构） 交错轴齿轮传动机构 准双曲面齿轮 分类分类? ? （1 1）直齿圆柱齿轮传动机构，）直齿圆柱齿轮传动机构，怎么消除齿侧间隙？怎么消除齿侧间隙？ 2 2）双片薄片齿轮错齿调整法）双片薄片齿轮错齿调整法 结构复杂，能自动补偿结构复杂，能自动补偿 1 1）偏心轴套调整法）偏心轴套调整法 结构简单，不能自动补偿结构简单，不能自动补偿 （2 2）斜齿圆柱齿轮传
28、动机构，怎么消除齿）斜齿圆柱齿轮传动机构，怎么消除齿侧间隙？侧间隙？ 1 1）双片薄片齿轮中间垫片调）双片薄片齿轮中间垫片调整法整法 不能自动补偿不能自动补偿 2 2）双片薄片齿轮弹簧压紧调）双片薄片齿轮弹簧压紧调整法整法 能自动补偿能自动补偿（3 3）锥齿轮传动）锥齿轮传动机构，怎么消除机构，怎么消除齿侧间隙？齿侧间隙？（4 4）齿轮齿条传动机）齿轮齿条传动机构，怎么消除齿侧间隙？构，怎么消除齿侧间隙？4. 4. 其其 他他 传传 动动 机机 构构 同步齿型带传动机构同步齿型带传动机构 联轴器联轴器软轴传动机构软轴传动机构 （1 1）同步齿型带传动机构（用途？）同步齿型带传动机构（用途？）
29、（皮带，齿轮，链）（皮带，齿轮，链） 皮带传动（三角皮带、平皮带）；皮带传动（三角皮带、平皮带）； 齿轮传动（直齿圆柱齿轮）；齿轮传动（直齿圆柱齿轮）； 链传动（自行车）链传动（自行车） 同步齿型带传动机构是综合以上三种传动特点的一种新的同步齿型带传动机构是综合以上三种传动特点的一种新的传动方式传动方式 轮子像齿轮；轮子像齿轮； 皮带的工作表面制有带齿，与相应的带轮相啮合皮带的工作表面制有带齿，与相应的带轮相啮合梯形齿工业同步带梯形齿工业同步带1 1）特点）特点a.(与普通与普通皮带传动、链传动相比皮带传动、链传动相比) ) 传动比准确，传传动比准确，传动效率高动效率高b.（与（与齿轮、链传动
30、相比）工作平稳，能吸收振动齿轮、链传动相比）工作平稳，能吸收振动c.不需润滑、维护保养方便，且耐油水、耐高温、耐不需润滑、维护保养方便，且耐油水、耐高温、耐腐蚀腐蚀e.中心距要求严格，安装精度要求高（设计成可调，中心距要求严格，安装精度要求高（设计成可调，可补偿中心距，即可）可补偿中心距，即可）f. .制造工艺复杂、且成本高制造工艺复杂、且成本高分 类 种 类 主 要 应 用一般工业用（梯形齿）同步齿型带中小功率机械的同步齿型带（仪器、计算机、轻工机械）大转距（圆弧齿）同步齿型带重型机械的传动，运输机械（飞机、汽车） 、石油机械和机床、发电机特种规格同步齿型带根据某种机器特殊需要而采用的特种规
31、格同步齿型带，如工业缝纫机，汽车发动机按用途分特殊用途同步齿型带模数制： （主要参数模数） ，根据模数来确定同步带的型号俄罗斯按规格制度分节距制： （主要参数是带齿节距 Pb） ，按节距大小，相应带、轮有不同尺寸其他各国广泛采用 2 2）分类）分类3 3）同步带的结构、主要参数和尺寸规格）同步带的结构、主要参数和尺寸规格a同步齿形带一般由带背、承载绳、带齿组成，同步齿形带一般由带背、承载绳、带齿组成，承载绳承载绳传递动力，同时保证带的节距不变。因此应有较高的强度和较小的伸长传递动力，同时保证带的节距不变。因此应有较高的强度和较小的伸长率。目前常用的材料有钢丝、玻璃纤维等率。目前常用的材料有钢丝
32、、玻璃纤维等带背、带齿带背、带齿采用聚氨脂橡胶和氯丁橡胶。特别是带齿，直接与钢制带轮啮合，并传采用聚氨脂橡胶和氯丁橡胶。特别是带齿，直接与钢制带轮啮合，并传递扭距。因此不仅要求有高的抗剪强度和耐磨性，而且要求有高的耐油递扭距。因此不仅要求有高的抗剪强度和耐磨性，而且要求有高的耐油性和耐热性性和耐热性b节距节距Pb同步带上相邻两齿对应点沿节线度量的距离。同步带上相邻两齿对应点沿节线度量的距离。型 号MXLXXLXLLHXHXXH节距 Pb2.0323.1755.089.52512.70022.22531.754 4）同步带轮）同步带轮 a。材料一般为铸铁、钢；。材料一般为铸铁、钢；高速、高速、
33、小功率可采用塑料和铝合金小功率可采用塑料和铝合金 b齿形和齿数：齿形和齿数： 与梯形齿与梯形齿同步带相匹配的带轮，有直线齿和渐开线两同步带相匹配的带轮，有直线齿和渐开线两种。种。 齿数齿数Z：在传动比一定的情况下，带轮齿数越少，传动：在传动比一定的情况下，带轮齿数越少，传动结构越紧凑，但齿数过少使工作中同时啮合的齿数减少，易结构越紧凑，但齿数过少使工作中同时啮合的齿数减少，易造成带齿承载过大而被剪断造成带齿承载过大而被剪断 （2 2）联轴器）联轴器 1 1）弹性胀紧锥套）弹性胀紧锥套 2 2）弹性管联轴器）弹性管联轴器 3 3）弹性膜片联轴器）弹性膜片联轴器 1 1）弹性胀紧锥套）弹性胀紧锥套
34、 2 2）弹性管联轴器）弹性管联轴器3 3）弹性膜片联轴器）弹性膜片联轴器SFC/S/WP膜片弹性联轴器 （3 3）软轴传动机构）软轴传动机构2.3 2.3 导导 向向 与与 支支 撑撑 机机 构构导轨的分类与基本要求导轨的分类与基本要求塑料导轨塑料导轨 滚动导轨滚动导轨支承装置支承装置1. 1. 导导 轨轨 的的 分分 类类 与与 基基 本本 要要 求求滑动导轨滑动导轨滚动导轨滚动导轨1 1）基本要求基本要求 耐磨性：耐磨性： 疲劳和压溃；疲劳和压溃； 刚度；刚度； 低速运动的平稳性；低速运动的平稳性； 机构工艺性机构工艺性 2. 2.塑塑 料料 导导 轨轨（1 1）塑料导轨软带）塑料导轨软
35、带 以聚四氟乙稀为基体，加以聚四氟乙稀为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合烧结，入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合烧结，做成软带做成软带塑料导轨软带塑料导轨软带 切制软带切制软带清洗清洗软带软带加工被加工被 粘表面并清洗粘表面并清洗粘粘软带软带加压固化（加压固化（0 0。1-01-0。15MPa15MPa，10-3010-302424小时）小时）配合表面加工配合表面加工2 2）金属塑料复合导轨板）金属塑料复合导轨板 分为三层：内层钢背，以保证导轨板的机械强度和承载能力分为三层：内层钢背，以保证导轨板的机械强度和承载能力 中间在钢背上镀铜并烧结球形青铜粉或者铜丝网形成多中间在钢背上镀
36、铜并烧结球形青铜粉或者铜丝网形成多孔孔 然后，用真空浇渍的方法使塑料进入孔和网中。然后，用真空浇渍的方法使塑料进入孔和网中。 工作时，青铜与配合表面摩擦发热，热膨胀系数大的塑料将从多孔中工作时，青铜与配合表面摩擦发热，热膨胀系数大的塑料将从多孔中挤出，向摩擦表面转移补充，形成厚约挤出，向摩擦表面转移补充，形成厚约0.010.05mm的表面自润滑塑料的表面自润滑塑料外层。外层。 （3 3）涂）涂塑导轨（又称注塑导轨）西方国家多用塑导轨（又称注塑导轨）西方国家多用以环氧树脂和二硫化钼为基体，加入增以环氧树脂和二硫化钼为基体，加入增塑塑剂，混合剂，混合成液状或膏状。备好固化剂。成液状或膏状。备好固化
37、剂。 将将导轨涂层表面粗刨，粗铣成粗糙表面，以便导轨涂层表面粗刨，粗铣成粗糙表面，以便有良好的粘附力；有良好的粘附力； 在与涂在与涂塑导轨相配的金属导轨表面（或模具）塑导轨相配的金属导轨表面（或模具）上用溶剂清洗，涂上一层硅油或专用脱模剂，以防上用溶剂清洗，涂上一层硅油或专用脱模剂，以防止粘结。止粘结。 3.滚 动 导 轨-直线滚动导轨特点特点1 1）承载能力强，刚度高）承载能力强，刚度高2 2）工作精度高，摩擦阻力小）工作精度高，摩擦阻力小3 3）简化了机器结构）简化了机器结构 滚动直线导轨副 是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成。 当导轨与滑块作相对运动时，钢球就沿着
38、导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动，在滑块端部钢球又通过返向装置（返向器）进入返向孔后再进入滚道，钢球就这样周而复始地进行滚动运动。 返向器两端装有防尘密封端盖，可有效地防止灰尘、屑末进入滑块内部。 滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力，从而获得 动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。 驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。 与V型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约40倍。 适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨
39、提高约10倍 能实现高定位精度和重复定位精度。 滚滚 柱柱 交交 叉叉 导导 轨轨 副副 是由两根具有V型滚道的导轨、滚子保持架、圆柱滚子等组成，相互交叉排列的圆柱滚子在经过精密磨削的V型滚道面上作往复运动， 可承受各个方向的载荷，实现高精度、平稳的直线运动。滚滚 柱柱 导导 轨轨 块块 主要由本体、端盖、保持架及滚动体等组成。其中滚动体采用的为滚柱。滚柱在本体中不断运动并承受一定的载荷。 滚柱具有中心导向，运动时可自动定心，以免侧移，有利于在载荷作用下运动灵活，且寿命长。 开放滚动直线导套副 闭式滚动直线导套副 圆柱型圆柱型滚动直线导套副滚动直线导套副 由直线运动球轴承、导轨轴、直线运动球轴
40、承支承座等部件组成，按结构形式分为封闭式、开放式二类，封闭型分为可调隙和不可调特特 点：点： 摩擦系数很小，只有 0.0010.004 ，功率消耗低,省电节能。 微量移动灵活、准确、低速时无蠕动爬行。 具有结构自调整能力，可降低相配件加工精度。 润滑简便，维修、更换快速方便。 移动速度快，精度高，行程长。 导轨轴采用优质合金钢制造，经中频感应淬硬 HRC58-63 ，耐用，性能稳定，有良好的精度保持性。 滚滚 动动 花花 键键 副副 是一种直线运动系统，当花键套利用其中的钢球在经过精密磨削的花键轴上直线运动时，可以传递扭矩。 花键副具有较紧凑的结构，能够传递超额的载荷及动力，并具有较长的寿命。
41、 滚道槽经精密磨削加工成近似滚珠直径的R形。当扭矩由花键轴施加到花键套上或由花键套施加到花键轴上时，三列扭矩方向上的负载滚珠便平稳、均匀地传递扭矩。 当扭矩方向改变时，则另外三列负载滚珠传递扭矩。花键套与花键轴进行相对直线运动时，滚珠在滚道与回流之间往复循环。 4. 4. 支支 承承 装装 置置 机电一体化设备的精密机械的支承的结构和类机电一体化设备的精密机械的支承的结构和类型，按摩擦性质分为：型，按摩擦性质分为： 滚动摩擦支承；滚动摩擦支承； 滑动摩擦支承滑动摩擦支承 对支承的基本要求：对支承的基本要求： 置中精度和定向精度；置中精度和定向精度； 运转灵活性；运转灵活性； 工作表面的耐磨性；
42、工作表面的耐磨性； 对温度变化的稳定性；对温度变化的稳定性； 承载能力强承载能力强 （1 1）标准滚动轴承（标准化、系列化、，大批大量生产）标准滚动轴承（标准化、系列化、，大批大量生产）新型的应用于机电一体化设备的新型的应用于机电一体化设备的1 1）空心圆锥滚子轴承空心圆锥滚子轴承 滚子是中空的；保持架是整体加工的，与滚子之间没有间滚子是中空的；保持架是整体加工的，与滚子之间没有间隙；隙；工作时大部分润滑油被迫从滚子中空小孔中通过，以便冷却工作时大部分润滑油被迫从滚子中空小孔中通过，以便冷却最不易散热的滚子，润滑油的其余部分则在滚子与滚道之间最不易散热的滚子，润滑油的其余部分则在滚子与滚道之间
43、通过，起润滑作用；通过，起润滑作用； 中空的滚子具有一定的弹性变形，可以吸收一部分振动；中空的滚子具有一定的弹性变形，可以吸收一部分振动；一般一般 2 2）陶瓷滚动轴承）陶瓷滚动轴承 结构与一般滚动轴承相同。材料结构与一般滚动轴承相同。材料Si3N4 陶瓷，热传陶瓷，热传导率低，不易发热，硬度高，耐磨。导率低，不易发热，硬度高，耐磨。在采用油脂润滑的情况下，轴承内径在采用油脂润滑的情况下，轴承内径2525100100mm，主轴转速可达主轴转速可达80015000r/min。在采用油雾润滑的情况下，轴承内径在采用油雾润滑的情况下，轴承内径6565100100mm，主轴转速可达主轴转速可达1500
44、20500r/min；轴承内径轴承内径40406060mm，主轴转速可达，主轴转速可达2000030000r/min。陶瓷滚动轴承主要用于中、高速运动主轴的支承。陶瓷滚动轴承主要用于中、高速运动主轴的支承。 （2 2）非标准滚动轴承（散装滚动轴承，对于结构）非标准滚动轴承（散装滚动轴承，对于结构尺寸的限制）尺寸的限制） 可以无保持架、内座圈和外座圈；钢球的滚道就在可以无保持架、内座圈和外座圈；钢球的滚道就在轴颈和轴承座上。轴颈和轴承座上。 轴颈和轴承座的材料通常轴颈和轴承座的材料通常T8、T10、GCr15,淬火硬淬火硬度度HRC5560, 表面粗糙度表面粗糙度Ra0.40.05；为什么；为什
45、么高硬度、低粗糙度可以减少摩擦、降低磨损、（抗腐高硬度、低粗糙度可以减少摩擦、降低磨损、（抗腐蚀）蚀） 1 1）微型滚动轴承）微型滚动轴承 2 2）密珠轴承）密珠轴承 （1 1） 液体静压支承液体静压支承（2 2） 气体静压支承气体静压支承（3 3） 磁力静压支承磁力静压支承2.4 2.4 机机 械械 执执 行行 机机 构构微动机构微动机构 定位机构定位机构 动力卡盘与回转刀架动力卡盘与回转刀架 1. 1. 微微 动动 机机 构构 如何精确、微量地调节部件的相对位置，丝如何精确、微量地调节部件的相对位置，丝杆？）杆？）如仪器读数系统；如仪器读数系统； 磨床的微量进给；磨床的微量进给； 微型手术
46、器械的微动机构；微型手术器械的微动机构；基本要求：基本要求：灵敏度高，最小位移灵敏度高，最小位移 ；传动灵活，平稳，无空程与爬行传动灵活，平稳，无空程与爬行; ;制动后能保持稳定的位置；制动后能保持稳定的位置；抗干扰能力强，快速响应好抗干扰能力强，快速响应好; ;结构工艺性好结构工艺性好; ;有机械式、电气有机械式、电气机械式、弹性变形式机械式、弹性变形式; ;热热变形式、磁致伸缩、压电式变形式、磁致伸缩、压电式 （1 1）差）差 动动 螺螺 母母 机机 构构 A螺纹螺距螺纹螺距t1， B螺纹螺距螺纹螺距t2 （2 2）热）热 变变 形形 机机 构构利用电热元件作为动利用电热元件作为动力源，靠
47、电热元件通力源，靠电热元件通电后产生的热变形实电后产生的热变形实现微小位移现微小位移 （3 3）磁）磁 致致 伸伸 缩缩 机构机构（利用某些材料在磁场（利用某些材料在磁场作用下改变尺寸的磁致作用下改变尺寸的磁致伸缩效应，实现微小位伸缩效应，实现微小位移，铁钴钒移，铁钴钒 如图，用磁致伸缩棒连接左边的机座和右边如图，用磁致伸缩棒连接左边的机座和右边的运动件，磁致伸缩外是线圈；的运动件，磁致伸缩外是线圈； 通过改变线圈的通电电流来改变磁场强度，通过改变线圈的通电电流来改变磁场强度，使棒产生不同的伸缩变形。使棒产生不同的伸缩变形。图3-5 压电陶瓷驱动器的结构类型114Fig.2-6 The str
48、ucture types of piezoelectric ceramic driver(a) 传统铰链(b) 柔性铰链图6-6 传统铰链与柔性铰链图6-7四种不同切口轮廓的柔性铰链Fig.6-7 Four kinds of flexible joints with different slot shapes图6-8柔性移动副输出输入图7-14 二级位移放大机构的结构图l1l2l3l4l5l6l7ABCDEFGHRthP图7-2 二级位移放大机构的结构图Fig.7-2 The structure diagram of two-stage displacement amplification m
49、echanism（4 4）压电驱动柔性机构）压电驱动柔性机构 由中国科技大学研制的由中国科技大学研制的“全光学生全光学生物微操作系统物微操作系统”进行植物转基因获得成进行植物转基因获得成功。功。 该实验用脱毒马铃薯和毛白杨雄株该实验用脱毒马铃薯和毛白杨雄株试管苗进行，用试管苗进行，用“全光学生物微操作系全光学生物微操作系统统”中高功率脉冲激光对浸泡在中高功率脉冲激光对浸泡在DNADNA溶溶液中的子叶局部进行逐个细胞的穿孔。液中的子叶局部进行逐个细胞的穿孔。 光学微操控微加工不同于传统的机械加工系统，它对生物细胞、细光学微操控微加工不同于传统的机械加工系统，它对生物细胞、细胞器及其它微小粒子的微
50、加工是通过光来实现的，没有任何机械接触。胞器及其它微小粒子的微加工是通过光来实现的，没有任何机械接触。 激光光镊可以方便地在三维空间拖动微粒使之在空间上准确定位，激光光镊可以方便地在三维空间拖动微粒使之在空间上准确定位，因此可用来完成分选粒子（或细胞），使两个或多个粒子相互密接，从因此可用来完成分选粒子（或细胞），使两个或多个粒子相互密接，从而观察其相互作用等。而观察其相互作用等。 经生化检测，激光空孔部位显示出经生化检测，激光空孔部位显示出湛蓝颜色，表明待转的湛蓝颜色，表明待转的GUSGUS基因已经进基因已经进入叶肉细胞。入叶肉细胞。 由此证明对上述两种植物的转基因由此证明对上述两种植物的转
