精密机械技术专项课程PPT课件( 143页)
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由于传动部件直接影响着机电一体化系统的精度、 稳定性和快速响应性，因此，应设计和选择满足传 动间隙小、精度高、低摩擦、体积小、重量轻、运 动平稳、响应速度快、传递转矩大、谐振频率高以 及与伺服电动机等其他环节的动态性能相匹配等要 求的传动部件。主要有以下五方面基本要求。
2.2.1 机械传动机构的基本要求
2)高速化。产品工作效率的高低，直接与机械传动部 件的运动速度相关。因此，传动机构应能适应高速运 动的要求。
3)小型化、轻量化。随着机电一体化系统精密化、高 速化的发展，必然要求传动机构的小型化、轻量化， 以提高运动灵敏度(快速响应性)、减小冲击、降低能 耗。为了与微电子部件微型化相适应，也要尽可能做 到使传动部件短、小、轻、薄。
3)螺母转动、丝杠移动。如图3，该形式需要限制螺母移动和丝 杠的转动，由于结构较复杂且占用轴向空间较大，故应用较少。
4)丝杠固定、螺母转动并移动。如图4，该传动方式结构简单、 紧凑，但在多数情况下使用极不方便，故很少应用。
5l距可20)离获)差两为得动段较S传螺=小动n纹的×方，位(式其l1移，0旋－S如向。l2图0相因)5，同此。如。，该果当此方两丝方式基杠式的本2多丝转导用杠动程于上时的微有，大动螺可小机距动相构不螺差中同母较。的1少的(，如移则l1动0、
机械传动机构的基本要求
1)系统传动部件的静摩擦力应尽可能小，动摩擦力 应是尽可能小的正斜率，若为负斜率则易产生爬行， 精度降低，寿命减小。
• 因此，要求较高的机电一体化系统经常采用低摩擦阻力的 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，提高传动与支承刚度，如
2.1.3 精密机械系统设计过程中的特点
机电一体化机械系统设计与传统的机械系统设计 一样有传动设计和结构设计两部分，只是由于机 电一体化的特征决定了在机械系统设计过程中有 它自身的特点。 • 1)机械传动设计的 精密机械传动机构
常用机械传动机构－－螺旋传动、齿轮传动、同步 带传动、高速带传动、各种非线性传动等。
精密机械技术
2.1 机电一体化中的机械系统
机电一体化系统中的机械系统是由计算机协调 与控制，用于完成一系列机械运动的机械和机电部 件相互联系的系统。
概括地讲，机电一体化系统中机械系统主要包 括以下五大部分： • 1)传动机构(传递能量和运动) • 2)导向机构 (支承和限制运动部件，获得给定运动方向) • 3)执行机构(按指令要求，完成预定操作) • 4)轴 系(传递转矩获得回转运动，承受外力) • 5)机座或机架 (支承、承重、保证相对位置、作基准) 传统机械系统和机电一体化系统对比
4)缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少 支承变形等。
5)适当的阻尼比，机械零件产生共振时，系统中阻 尼越大，最大振幅就越小，且衰减越快；但大阻尼 也会使系统的失动量和反转误差增大、稳态误差增 大，精度降低。所以在设计时要注意传动机构的阻 尼应合适。
对机械传动结构的新技术要求
1)精密化。对某种特定的机电一体化系统(或产品)来 说，应根据其性能需要提出适当的精密度要求。虽说 不是越精密越好，但由于要适应产品高定位精度等性 能要求，对传动机构的精密度要求也越来越高。
• 用预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；
• 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，以减少中间传动机构；
• 丝杠的支承设计采用两端轴向预紧或预拉伸支承结构等。
3)选用最佳传动比，以达到减少等效到执行元件输 出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力的目 的。
丝杠基本传动形式的5种类型
1)螺母固定、丝杠转动并移动。如图1，该传动形式因螺母本身 起着支承作用，消除了丝杠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。只适用于行程较小的场合。
2)丝杠转动、螺母移动。如图2，该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、丝杠刚性较好。适用于工作 行程较大的场合。
滚珠丝杠的组成特点
滚珠丝杠副由带螺旋槽的丝杠与螺母及中间传动元件滚 珠组成。图为滚珠丝杠螺母机构示意图，它由丝杠、螺 母、滚珠和反向器(滚珠循环装置)4部分组成。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珠回程引导装置构 成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠流动闭合通路。
机电一体化中的机械系统需使伺服马达和负载之间 的转速与转矩得到匹配。也就是在满足伺服系统高 精度、高响应速度、良好稳定性的前提下，还应该 具有较大的刚度、较高的可靠性和重量轻、体积小、 寿命长等特点。
2.1.2 机电一体化系统对机械技 术的特殊要求
基于以上原因，机电一体化中的机械系统除了满 足一般机械设计的要求以外，还必须满足机电一 体化系统的各种特殊要求。总体上讲，这些要求 主要可归纳为以下3个方面： • 1．高精度 • 2．小惯量 • 3．大刚度
2.2.2 丝杠螺母传动
丝杠螺母机构（螺旋传动机构）：主要用来将旋转 运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。 有以传递能量为主的(如螺旋压力机、千斤顶等)；也有以传 递运动为主的(如机床工作台的进给丝杠)；还有调整零件之 间相对位置的螺旋传动机构等。
丝杠螺母机构分为滑动摩擦机构和滚动摩擦机构。 滑动丝杠螺母机构结构简单、加工方便、制造成本 低、具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大、传动效率 低(30％～40％)。滚珠丝杠螺母机构虽然结构复杂、 制造成本高，但其最大优点是摩擦阻力矩小、传动 效率高(92％～98％)，因此在机电一体化系统中得 到广泛应用。
传统机械系统和机电一体化系统对比
两类系统的主要功能都是完成一系列的机械运动，但 由于组成的不同，导致运动实现的方式也不同。
传统机械系统一般是由动力件、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，而机电 一体化中的机械系统由计算机协调与控制，用于完成 包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械或机 电部件相互联系的系统组成。其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。
2.2.1 机械传动机构的基本要求
2)高速化。产品工作效率的高低，直接与机械传动部 件的运动速度相关。因此，传动机构应能适应高速运 动的要求。
3)小型化、轻量化。随着机电一体化系统精密化、高 速化的发展，必然要求传动机构的小型化、轻量化， 以提高运动灵敏度(快速响应性)、减小冲击、降低能 耗。为了与微电子部件微型化相适应，也要尽可能做 到使传动部件短、小、轻、薄。
3)螺母转动、丝杠移动。如图3，该形式需要限制螺母移动和丝 杠的转动，由于结构较复杂且占用轴向空间较大，故应用较少。
4)丝杠固定、螺母转动并移动。如图4，该传动方式结构简单、 紧凑，但在多数情况下使用极不方便，故很少应用。
5l距可20)离获)差两为得动段较S传螺=小动n纹的×方，位(式其l1移，0旋－S如向。l2图0相因)5，同此。如。，该果当此方两丝方式基杠式的本2多丝转导用杠动程于上时的微有，大动螺可小机距动相构不螺差中同母较。的1少的(，如移则l1动0、
机械传动机构的基本要求
1)系统传动部件的静摩擦力应尽可能小，动摩擦力 应是尽可能小的正斜率，若为负斜率则易产生爬行， 精度降低，寿命减小。
• 因此，要求较高的机电一体化系统经常采用低摩擦阻力的 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，提高传动与支承刚度，如
2.1.3 精密机械系统设计过程中的特点
机电一体化机械系统设计与传统的机械系统设计 一样有传动设计和结构设计两部分，只是由于机 电一体化的特征决定了在机械系统设计过程中有 它自身的特点。 • 1)机械传动设计的 精密机械传动机构
常用机械传动机构－－螺旋传动、齿轮传动、同步 带传动、高速带传动、各种非线性传动等。
精密机械技术
2.1 机电一体化中的机械系统
机电一体化系统中的机械系统是由计算机协调 与控制，用于完成一系列机械运动的机械和机电部 件相互联系的系统。
概括地讲，机电一体化系统中机械系统主要包 括以下五大部分： • 1)传动机构(传递能量和运动) • 2)导向机构 (支承和限制运动部件，获得给定运动方向) • 3)执行机构(按指令要求，完成预定操作) • 4)轴 系(传递转矩获得回转运动，承受外力) • 5)机座或机架 (支承、承重、保证相对位置、作基准) 传统机械系统和机电一体化系统对比
4)缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少 支承变形等。
5)适当的阻尼比，机械零件产生共振时，系统中阻 尼越大，最大振幅就越小，且衰减越快；但大阻尼 也会使系统的失动量和反转误差增大、稳态误差增 大，精度降低。所以在设计时要注意传动机构的阻 尼应合适。
对机械传动结构的新技术要求
1)精密化。对某种特定的机电一体化系统(或产品)来 说，应根据其性能需要提出适当的精密度要求。虽说 不是越精密越好，但由于要适应产品高定位精度等性 能要求，对传动机构的精密度要求也越来越高。
• 用预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；
• 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，以减少中间传动机构；
• 丝杠的支承设计采用两端轴向预紧或预拉伸支承结构等。
3)选用最佳传动比，以达到减少等效到执行元件输 出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力的目 的。
丝杠基本传动形式的5种类型
1)螺母固定、丝杠转动并移动。如图1，该传动形式因螺母本身 起着支承作用，消除了丝杠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。只适用于行程较小的场合。
2)丝杠转动、螺母移动。如图2，该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、丝杠刚性较好。适用于工作 行程较大的场合。
滚珠丝杠的组成特点
滚珠丝杠副由带螺旋槽的丝杠与螺母及中间传动元件滚 珠组成。图为滚珠丝杠螺母机构示意图，它由丝杠、螺 母、滚珠和反向器(滚珠循环装置)4部分组成。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珠回程引导装置构 成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠流动闭合通路。
机电一体化中的机械系统需使伺服马达和负载之间 的转速与转矩得到匹配。也就是在满足伺服系统高 精度、高响应速度、良好稳定性的前提下，还应该 具有较大的刚度、较高的可靠性和重量轻、体积小、 寿命长等特点。
2.1.2 机电一体化系统对机械技 术的特殊要求
基于以上原因，机电一体化中的机械系统除了满 足一般机械设计的要求以外，还必须满足机电一 体化系统的各种特殊要求。总体上讲，这些要求 主要可归纳为以下3个方面： • 1．高精度 • 2．小惯量 • 3．大刚度
2.2.2 丝杠螺母传动
丝杠螺母机构（螺旋传动机构）：主要用来将旋转 运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。 有以传递能量为主的(如螺旋压力机、千斤顶等)；也有以传 递运动为主的(如机床工作台的进给丝杠)；还有调整零件之 间相对位置的螺旋传动机构等。
丝杠螺母机构分为滑动摩擦机构和滚动摩擦机构。 滑动丝杠螺母机构结构简单、加工方便、制造成本 低、具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大、传动效率 低(30％～40％)。滚珠丝杠螺母机构虽然结构复杂、 制造成本高，但其最大优点是摩擦阻力矩小、传动 效率高(92％～98％)，因此在机电一体化系统中得 到广泛应用。
传统机械系统和机电一体化系统对比
两类系统的主要功能都是完成一系列的机械运动，但 由于组成的不同，导致运动实现的方式也不同。
传统机械系统一般是由动力件、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，而机电 一体化中的机械系统由计算机协调与控制，用于完成 包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械或机 电部件相互联系的系统组成。其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。