第05章螺旋传动2

机 械
收缩利用这一原理实现微位移的变化。
设
计
46
精 密 机 械 设 计
47
(一)圆管式压电陶瓷及其应用
1刀体，2圆形楔
块，3刀套，4镗
刀，5压板弹簧，
6方形楔块，7滑
柱，8圆管状压
电陶瓷，
精 密 机 械
PZT—5型的圆管 状压电陶瓷为 Ф24×Ф27×48
设
mm,刀尖总位移
计
量为0.1mm。
48
设 的最小值可达0.25°。若t=1mm，则运动件
计 的微量位移可达0.0014mm。
27
(一)螺旋式微量进给装置
精 密 机 械 设 计
28
差动螺旋微量进给装置
具有两段螺距为t1、t2，螺杆l为主动件，
t2＞t1，螺旋方向相同。螺母2的微量位
移s为：
s
=
±
t2 −
2π
t1
ϕ
精 密 机
例如：t1＝1mm，t2＝1.5mm，手轮的圆周刻 度分划为100格(3.6°／格)，则手轮转动
精
密
机
械 1套筒， 2传动杆，3热元件， 4托架 ， 5
设 计
运动件， 6导线， 7绝缘体， 8托架，
此装置可保证微米级的位移精度
36
三、磁致伸缩传动式微量进给装置
精
密 1.磁致伸缩棒，2.运动件，绕在捧１外的线圈通电
机 械 设
计
激磁后，在磁场的作用下，伸缩捧产生变形使运动 件实现微量位移。改变磁场强度可以得到不同的位 移进给量。磁致伸缩式微量进给装置具有重复位移
成本高。
精 密 机
滚珠螺旋动适用于传动精度和灵敏度 要求高的场合，例如数控机床的进给机构，
械 各种精密机械与仪器。
设
计
4
二、滚珠螺旋传动的结构型式与类型
1）螺纹滚道法向截形
通过滚珠中心的螺旋线的法平面与螺杆或螺母 滚道面交线的形状。 δ为接触角δ ＝45˚
精 密 机 械 设
计
单圆弧
双圆弧
5
单圆弧滚道表面的特点是砂轮成型比较简单， 易于得到较高的精度。但接触角随着初始间隙和 轴向力大小而变化，因而效率、承载能力及轴向 刚度均不够稳定。
15
3）消除轴向间隙的调整预紧方法
双螺母调整法消除空回误差
精
密
机
械
设
计
(1)垫片调隙式 ，(2)螺纹调隙式
(3)齿差调隙式
16
(1)
垫
片
调
隙
精 密
式
机
械
设
计
17
(2)
螺
纹
精调 密隙
机 械 设
计 1.滚珠螺母1，2.调整螺母，2滚珠螺母2,
4.键(防止两个螺母的相对转动)。
18
(3)齿差调隙式
精 ２）工作寿命长
密
主要零件表面均经过硬化处理，故耐磨损、维
机 护简单；
械 设 计
３）传动精度高 通过轴向预紧，提高传动刚度，能做到无间隙
传动，运动灵敏度高，摩擦力矩不受速度变化的
影响，传动灵活平稳； 3
一、滚珠螺旋传动的特点
（４）不能自锁
传动具有可逆性，当用于垂直传动时， 需增加防止逆转装置；
（５）结构比较复杂、工艺性差、体积大、
达到最佳情况，因此一般取Fa0~1/3Famax。
20
三、滚珠螺旋传动的设计和计算问题
1.由于滚珠螺旋已标准化、系列化，生产 工艺比较复杂，并由专业工厂生产，故 对使用者主要是选用问题，有关的设计 计算不再赘述，如需要设计可参照滑动 螺旋传动及有关设计手册。
精 2.滚珠螺旋的工作状态类似于滚动轴承，
精 密 机 械 设 计
在螺母1和2的凸 缘上切出齿数相 差一个齿的外齿 轮 与内齿轮3和4 啮合，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。
如果z1＝99，z2＝100，t＝8毫米，则∆s＝0.8微米 19
齿差调隙式－借助辅助套筒调整
精
密
机
械 设 计
对螺旋副进行调整顶紧时，需加预紧力，当 预紧力Fa0约为最大载荷Famax的1/3时，将
双圆弧滚道表面的特点是接触角在工作过程中
基本保持不变，效率、承裁能力及轴向刚度比较
精 密 机
稳定，底部不与滚珠接触，可存一定的润滑油和 脏物，使磨损减小。但砂轮修整、加工、检验比 较因难。
械 螺纹滚道半径R与滚珠直径d0的比值，对承载
设 能力影响较大，称为适应度ƒn=R/d0 一般取ƒn= 计 0.51～0.55，我国目前采用的有0.52和0.55两种。
算公式。由于滚珠螺旋传动副的螺旋角大于
2°，其值远远大于自锁条件，故不能自锁。
精 密 机
为防止滚珠螺旋传动不自锁而可能产失的逆 转动，可采用单向连轴器或反向制动装置。
械 4.为提高效率、减小磨损，滚珠螺旋工作时
设 必须进行润滑，高速时宜用稀润滑油，端部 计 须采用密封装置。
22
§5-５ 微量进给装置
微量进给运动装置的设计要求是：
微量位移值精确、稳定、无空程；
具有较高的方向精度、制动后能保
精 持稳定的位置；
密 机
降速比大；
械 设 计
传动件的刚度高；结构简单、使用 方便。
23
§5-５ 微量进给装置
常用的微量进给装置，按照它们的传动原 理不同，可分为：
一.机械传动式微量进给装置
二.热变形传动式微量进给装置
(二)叠片式压电陶瓷
1
2
精 密 机 械 设 计
1.压电陶瓷，2.铜片
许多相同的 压电陶瓷片 串联而成的。 使用时，电 场以并联方 式加到每片 上。相邻的 陶瓷片有相 反的极化方 向，但每片 的极化方向 与电场方向 都一致。
49
(二)叠片式压电陶瓷
加上电场以后，每片均有相同的伸长量
⊿l，总伸长量⊿s＝n⊿l，n是叠片的片
微量位移。
34
二、热变形传动式微量送给装置
精 密
l.传动杆，2.线圈，3.运动部件
机 线圈通电加热时，使传动杆受热伸长，其伸长量为：
械 设 计
∆L = αl(t1 − t0 ) = αl∆t
式中：α－传动杆材料的线胀系数；L－传动杆的长
度；t1－加热时的温度；t2－加热前的温度。
35
机床的热变形微量进给装置
轮
式
精 密 机 械
微 动 装 置
设
磨床工作台：l.手轮,2.螺杆，3.锥轮，4.工
计 作台，5.锥轮，6.螺母。手轮转动使螺杆产生轴
向位移，经斜面作用而使工作台产生微量位移。
31
蜗轮-凸轮 齿轮-杠杆
精 密 机 械 设 计
32
正弦尺-行星齿轮微动装置
精
密
机 其最小进给量可达0.05µm。该机构用于磨
光栅分
度头机
械细分
精 密
测微装
机
置的结
械
构简图
设
计
44
五、压电式微量进给装置
利用压电陶瓷的逆压电效应来实现微量位移，
它不必象传统的传动系统那样通过机械传动
机构把转动变为直线运动，因而避免了机械
结构造成的误差。具有位移分辨率极高(可达
精 千分之几微米)、结构简单、尺寸小、发热少、
密 无杂散电磁场和便于遥控的特点。
精
密
机
械
设
计
扁圆形反向器
圆柱凸键反向器
10
浮动式反向器
精 密 机 械 设 计 1.浮动反向器，2.弹簧套，３.螺杆， 4.拱形片簧，
5.螺母
11
浮动反向器的定位
精 密 机 械 设 计
12
•外循环
滚珠在返回时与螺杆脱离接触的循环称为 外循环。外循环可分为螺旋槽式、插管式 和端盖式三种。
螺
精旋
密槽
数。当压电陶瓷的一端固定，另一端就可
以推动负载产生微量位移。叠片式压电陶
瓷具有位移量大的优点，如用50片1mm厚
精 的片子，叠加起来后，只需2000V的电压
密 机
就可得到50µm的总位移量。
械
Hale Waihona Puke 设计50(三)足蠖式压电陶瓷微量位移装置
构紧凑，这些反向器是沿螺母圆周均匀分
布的，即对应于2列、3列、4列的滚珠螺旋
的反向器分别沿螺母圆周方向互错180˚、
精 密 机
120˚、90˚，反向器的轴向间隔视反向器的 型式不同，分别为螺杆导程Ph的
械 设
1 1 、11、1 1 、2 1 、2 1、2 1
计
234 2 3 4
8
滚珠在每一循环中绕经螺纹滚道的圈数称
6
2） 滚道循环方式（按滚珠在整个循环过程中
与螺杆表面的接触情况）
•内循环
滚珠在循环
过程中，始终
与螺杆保持接
触的循环叫做
精
内循环 。
密
机 械 设
1.螺母，2.滚珠， 3.反向器
计
7
在同一个螺母上，具有循环回路的数目
称为列数，内循环的列数通常为2~4列(即
一个螺母上装有2~4个反向器)。为了使结
械 设
4之间施加一垂直作用力P，而使支承在床
计 身2上的砂轮架1产生弹性交形，实现砂轮
与工件之间的相对微量位移。
42
四、弹性变形传动式微量进给装置
精
密
机
械 设 计
a.用两个不同刚度的弹性元件来产生微量 位移的微量进给。
b.超薄切片机工作台结构简图
43
四、弹性变形传动式微量进给装置
弹性测 微装置：
机 械
压电式微量进给装置可按压电陶瓷的结构形
设 式不同而分为：圆管式、叠片式、尺蠖式和
计 蚯蚓式等。
45
(一)圆管式压电陶瓷及其应用
外形为圆管状的压电陶瓷用具有结构简
单、行程小的特点。圆管状压电陶瓷
内外壁为电极。当压电陶瓷通上正向
精
直流电压后，向一方伸长，而当压电
密
陶瓷通上反向直流电压时，向反方向
精度高、无间隙、刚性好、传动惯量小、工作稳定
性好、结构简单紧凑等优点。
37
磁致伸缩式微量进给精密工作台
精 密 机 械 设
计 微量位移由装在螺母与工作台3之间的磁致 伸缩棒2实现。
38
磁致伸缩式步进进给机构
精
密
机
械 设
1.伸缩棒，3.激磁线圈，2、4.夹头；
计 可使伸缩棒实现步进进给⊿l或位移n×⊿l，
三.磁致伸缩传动式微量进给装置
精 密
四.弹性变形传动式微量进给装置
机 械
五.压电传动式微量进给装置
设
计
24
一、机械传动式微量进给装置
这种装置应用广泛，结构型式多样。
常用的有：螺旋机构、齿轮机构、
精
斜面机构、凸轮机构和杠杆机构以
密 机
及由上述机构组合而成的机构。
械
设
计
25
(一)
螺
旋
式
微
量
精进
密给
机装
械 设
置
计
一、机械传动式微量进给装置
26
(一)螺旋式微量进给装置
运动件的位移s与手轮转角ϕ 的关系是：
s=± t ϕ 2π
在螺杆螺距2已定的前提下，欲使运动件作
微量位移，必须控制 ϕ值。而 ϕ 值的大小
精 与手轮直径、机构传动的灵敏度、操作力
密 机 械
和手轮位置有关。在手轮直径为40～50mm，
螺杆与螺母配研和传动较平稳的情况下，ϕ
为工作圈数。内循环的工作圈数是一列 只有一圈，因而回路短，滚珠少，滚珠 的流畅性好，效率高。此外，它的径向 尺寸小，零件少，装配简便。
内循环的缺点是反向器的回珠槽具有空间
精 曲面，加工复杂。
密 机
反向器是内循环滚珠螺旋传动的关键零件
械 之一，按其定位方式可分为固定式和浮
设 计
动式两类。
9
固定式反向器
(n为线圈激磁循环的次数)。
39
步
进
进
给
机
构
精 密
的
机工
械 设
作
计原
理
40
四、弹性变形传动式微量进给装置
精
密 机
在构件的弹性限度内，只要精确地控制所
械 施加的力就能得到稳定的弹性变形，实现
设 计
所需的微量进给。
41
四、弹性变形传动式微量进给装置
精
密 a. 砂轮架1受活塞秆的推动产生弹性变形，
机 而使砂轮实现微量进给的。B.砂轮架支点3、
械 设 计
床砂轮架上。1油缸推动2正弦尺运动，使3 行星齿轮箱摆动，4齿轮产生微量转动，经
丝杠螺母机构推动砂轮架作微量进给。改变
正弦尺的倾角就可实现不同的微量进给。 33
摩擦传动式微动装置
7
精 密 机
大型工具显微镜中的微动装 置：1.工作台，2.动杆，3.
械 滚轮，4.滑杆，5.蜗轮副
设 6.旋转手轮，7.滚轮。 计 由于滚轮与滑杆之间的摩擦作用而使工作台作
机 械
式
设
计
1.螺母， 2.套筒， 3.滚珠， 4.挡珠器， 5.螺杆。
13
插管式
插管式结构简单，工艺性好，适于批量生
产。缺点是弯管突出在螺母的外部，径向
尺寸较大，若用弯管端部作挡珠器时，则
耐磨性较差。
1.外加压
板，
精
密
2.弯管，
机 械
3.螺母，
设
4.滚珠，
计
5.螺杆。
14
端 盖 式
精 密 机 械 设 计
密
故在高速条件下(n＞100r／min)工作时，
机 械
其主要失效形式是滚道或滚珠表面疲劳
设
点蚀，需按滚动轴承的动强度计算；
计
21
三、滚珠螺旋传动的设计和计算问题
在低速条件下(n＜10r／min)工作时，主要失 效形式是滚珠或滚道表面产生过大的塑性变 形，需要按滚动轴承进行静压强度计算。
3.效率计算可近似采用滑动螺旋传动效率计
械 1格时，运动件的位移量为0.005mm。
设
计
29
(二)凸轮式微量进给装置
o
精
密 机
械 设
a：1.凸轮，2.支点，3.砂轮架；b: 1.快速进退
计 油缸， 2.砂轮架 ， 3.齿轮， 4.螺钉，5.进给
油缸。砂轮架2可绕轴O作摆动，滚轮A固定在砂
轮架上。
30
(三)组合式微量进给装置
螺 旋 、
锥
精密机械设计
精 密
第五章：螺旋传动２
机
械
设
计
1
§5-4 滚珠螺旋传动
它由螺杆１、螺母２、滚珠３及滚珠循环返 回装置４四个部分组成。
精 密 机 械 设 计
2
一、滚珠螺旋传动的特点
滚珠螺旋传动除具有一般螺旋传动的特点之外， 还具有以下特点：
１）传动效率高
由于滚动摩擦系数小，摩擦损失小，故传动效 率可达90％以上，且逆传动效率接近于正传动效 率；