02 机械系统部件的选择与设计

攀枝花学院机电学院——机电一体化系统设计
三、滚动螺旋传动
（一）滚珠丝杠副的组成及特点
1、滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其螺杆和螺母的螺纹滚道间置滚 珠，当螺杆或螺母传动时，滚动沿螺纹滚道滚动，使螺杆和螺母作相对运动时为 滚动摩擦，提高了传动效率和传动精度。
攀枝花学院机电学院——机电一体化系统设计
攀枝花学院机电学院——机电一体化系统设计
3）端盖式
结构：在螺母1上钻出纵向孔作为滚子回程 滚道，螺母两端装有两块扇形盖板或套筒2， 滚珠的回程道口就在盖板上。滚道半径为滚 珠直径的1．4～1．6倍。 特点：这种方式结构简单、工艺性好，但滚
道吻接和弯曲处圆角不易准确制作而影响其
性能，故应用较少。常以单螺母形式用作升 降传动机构。
3、支 承 件：机座或机架是支承其他零部件的基础部件。它既承受其它零 部件的重量和工作载荷，又起保证零件相对位置的基准作用。 三者功能总结：实现传递运动和动力，支撑和导向，联系机电一体化系统 各部件并实现其构造功能。
攀枝花学院机电学院——机电一体化系统设计
（二）传统机械系统与机电一体化系统的简单对比 传统机械系统一般是有动力件、传动件、执行件三部分加上电 器、液压和机械控制等部分组成 ； 机电一体化系统是有计算机协调与控制的，用于完成包括机械 力、运动和能量流等动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系 的系统组成。核心是由计算机控制的，包括机、电、液、光、磁等 技术的伺服系统。
③选用最佳传动比；
④缩短传动链；
⑤提高传动和支承刚度、减少结构的塑性变形，提高刚性和
谐振频率，提高抗振性。
攀枝花学院机电学院——机电一体化系统设计
第一节 机械传动部件的选择与设计
一、常见的机械传动装置及功能
1、 机械传动部件的主要功能是传递转矩和转速；
2、它的实质是一种转矩、转速变换器；
3、它的目的是使执行部件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。 4、对传动件的要求：间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递 扭矩大。
（1）内循环方式
工作原理 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
图 内循环
回路。
特点：优：滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸 也较小。 缺：反向器加工困难、装配调整也不方便。
攀枝花学院机电学院——机电一体化系统设计
攀枝花学院机电学院——机电一体化系统设计
（三）滚珠丝杠副的主要尺寸参数
攀枝花学院机电学院——机电一体化系统设计
（四）滚珠丝杠副的精度等级及标注方法
1、精度等级 2、标注方法
× 螺纹旋向，右旋不标 检查项目标号 精度等级 负载滚珠总圈数 基本导程 公称直径 预紧方式（见各厂代号） 循环方式（见各厂代号） 外形结构特征（见各厂代号）
实例：浮动式反向器的循环内循环滚珠丝杠副 结构：
反向器1
弹簧套2
拱形片簧4
优点：是在高频浮动中达到回珠圆弧槽进出口的自动对接，通道流畅、摩擦特性 较好，更适用于高速、高灵敏度、高刚性的精密进给系统。
攀枝花学院机电学院——机电一体化系统设计
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（2）外循环方式 1）螺旋槽式
结构：在螺母2的外圆表面上 铣出螺纹凹槽，槽的两端钻出两个 与螺纹滚道相切的通孔，螺纹滚道
滚珠丝杠副与滑动丝杠副相比有如下特点： 优点： ①传动效率高（0.9～0.95）；
②传动精度高；
③摩擦小、不易磨损，寿命长； ④运动的可逆性；
内循环单螺母式滚珠丝杠副
⑤结构复杂，工艺性差，成本高。
⑥轴向刚度高(即通过适当预紧可消除丝杠与螺母之间的轴向间隙)； ⑦运动平稳。 缺点：不能自锁，传动可逆，在用作升降传动机构时，需要采取制动措施。
内装入两个挡珠器4引导滚珠3通
过这两个孔，应用套筒1盖住凹槽， 构成滚珠的循环回路。
结构的特点：工艺简单、径向尺寸
小、易于制造，但是挡珠器刚性差、 易磨损。
攀枝花学院机电学院——机电一体化系统设计
2）插管式
结构： 用一弯管1代替螺纹凹槽， 弯管的两端插入与螺纹滚道5相切 的两个内孔，用弯管的端部引导 滚珠4进入弯管，构成滚珠的循环 回路，再用压板2和螺钉将弯管固 定。 特点：插管式结构简单、容易制 造。但是径向尺寸较大，弯管端 部用作挡珠器比较容易磨损。
攀枝花学院机电学院——机电一体化系统设计
2、双螺母齿差预紧调整式
结构：两个螺母的两端分别制有圆柱齿轮3，二者齿数相差一个齿，通过二端的
两个内齿轮2与上述圆柱齿轮相啮合并用螺钉和定位销固定在套筒1上。
工作原理：调整时先取下两端的内齿轮2，当二个滚珠螺母相对于套筒同一方向
转动同一个齿后固定后，则一个滚珠螺母相对于另一个滚珠螺母产生相对角位移， 使二个滚珠螺母产生相对移动，从而消除间隙并产生一定的预紧力。 间隙的调整量：
攀枝花学院机电学院——机电一体化系统设计
（3）双推——简支式
结构：一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端仅安装深沟球轴承，其轴 向刚度较低，使用时应注意减少丝杠热变形的影响。 特点：双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速、传动精度
较高的长丝杠传动系统。
攀枝花学院机电学院——机电一体化系统设计
传动机构及功能
运动的变换 方向 速度 大小 √ √ √ 动力的变换 形式 √
蜗轮蜗杆
间歇机构 √
√
√
√
攀枝花学院机电学院——机电一体化系统设计
二、丝杠螺母机构基本传动形式
1、含义 2、分类 3、特点（优点、缺点）
攀枝花学院机电学院——机电一体化系统设计
4、传动的基本形式
图 丝杠螺母机构基本传动形式 1)螺母固定、丝杆转动并移动 如图a所示，该传动形式因螺母本身起着支承 作用，消 除了丝杆轴承可能产生的附加轴向窜动，结构较简单，可获得较高 的传动精度。但其轴向尺寸不易太长，刚性较差。因此只适用于行程较小的 场合。
特点：可实现定量调整即可进行精密微调(如0．002 mm)，使用中调整较方便。
攀枝花学院机电学院——机电一体化系统设计
3、双螺母垫片调整预紧式
结构与原理：调整垫片1的厚度，可使两螺母2产生相对位移，以达到
消除间隙、产生预紧拉力之目的。 特点：结构简单刚度高、预紧可靠，但使用中调整不方便。
攀枝花学院机电学院——机电一体化系统设计
2、滚珠丝杠结构组成
图 滚珠丝杠副的构成原理 1-反向器 2-螺母 3-丝杠 4-滚珠
工作说明：滚珠丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从 滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚道回程装置，构成滚珠的循 环返回通道，从而形成滚珠流动的闭合通道。
攀枝花学院机电学院——机电一体化系统设计
3、滚珠丝杠的特点
4、弹簧式自动调整预紧式
弹簧
结构原理：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。 特 点：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，适合用于轻载场合。
攀枝花学院机电学院——机电一体化系统设计
5、单螺母变位导程自预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式
第二章 机电一体化系统的机械系统 部件选择与设计
第一节 机械传动部件的选择与设计 第二节 导向支撑件的选择与设计
第三节 轴系部件的选择和设计
第四节 机电一体化系统（产品）的机座或机架 第五节 工业机器人机械构件简介 第六节 机械系统特性
攀枝花学院机电学院——机电一体化系统设计
攀枝花学院机电学院——机电一体化系统设计
（1）单推——单推式
结构：止推轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧力。
特点： 轴向刚度较高，预拉伸安装时，预紧力较大；
轴承寿命比双推一双推式低；
攀枝花学院机电学院——机电一体化系统设计
（2）双推一双推式
结构：两端分别安装止推轴承与深沟球轴承的组合，并施加预紧力，
其轴向刚度最高。 特点：该方式适合于高刚度、高转速、高精度的精密丝杠传动系统。 但随温度的升高会使丝杠的预紧力增大，易造成两端支承的预紧力不 对称。
一、机电一体化系统的机械结构及功能
德国的排爆机器人
攀枝花学院机电学院——机电一体化系统设计
（一）机械系统组成
1、传动结构：主要功能是传递能量和运动 ，是一种力、速度变换器。
2、导向机构：支撑和限制运动部件按给定的运动要求和给定的运动方向运
动，为机械系统中各运动装置安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障。
图 单螺母变 位导程预紧式
结构原理：在滚珠螺母体内的两列循环滚珠链之间，使内螺纹滚道在 轴向制作一个的导程突变量，从而使二列滚珠产生轴向错位而实现预 紧，预紧力的大小取决于突变量和单列滚珠的径向间隙。 特点：结构简单紧凑，但使用中不能调整，且制造困难。
攀枝花学院机电学院——机电一体化系统设计
（六）滚珠丝杠副支承方式的选择 1、支承方式
攀枝花学院机电学院——机电一体化系统设计
二、机电一体化系统对机械系统的基本要求
（一）基本要求
（1）低摩擦； （2）无间隙； （3）低惯量； （4）高刚度；k=F/δ
（5）（部分提出）高谐振频率、适当的阻尼比等要求。
攀枝花学院机电学院——机电一体化系统设计
（二）应采取的措施
①采用低摩擦阻尼的传动件和导向件； ②减小反向死区误差（消除传动间隙、减少支承变形） ；
攀枝花学院机电学院——机电一体化系统设计
2)丝杆转动、螺母移动如图b所示，该传动形式需要限制螺母的转动，故 需导向装置。 其特点是结构紧凑、丝杆刚性较好。适用于工作行程较大的场 合。
攀枝花学院机电学院——机电一体化系统设计
3)螺母转动、丝杆移动 如图c所示，该传动形式需要限制螺母移动和丝杆 的转动，由于结构较复杂且占用轴向空间较大，故应用较少。