机电一体化--机械受控模块

1、机电一体化系统设计机电一体化系统设计第二章第二章 机械受控模块机械受控模块 第一节第一节 齿轮系及蜗杆副齿轮系及蜗杆副 第二节第二节 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副 第三节第三节 谐波齿轮减速器谐波齿轮减速器 第四节第四节 轴系轴系 第五节第五节 导轨及支撑件导轨及支撑件 第六节第六节 并联机构并联机构 第七节第七节 数学模型和设计要求数学模型和设计要求第二章第二章 机械受控模块机械受控模块 机械受控模块包含机械传动装置与支撑导向等部机械受控模块包含机械传动装置与支撑导向等部件件 在机电一体化系统中起传递运动和负载、匹配转在机电一体化系统中起传递运动和负载、匹配转矩和转速、隔离环境温度和振动以及

2、支撑和防护矩和转速、隔离环境温度和振动以及支撑和防护等作用等作用 主要介绍在机电一体系统中常用的一些机械传动主要介绍在机电一体系统中常用的一些机械传动部件、轴系、导轨及支撑件。部件、轴系、导轨及支撑件。2.1 2.1 机械传动装置机械传动装置 1.高精度高精度 2.快速响应性快速响应性 3.良好的稳定性良好的稳定性第一节第一节 齿轮系及蜗杆副齿轮系及蜗杆副一、分类及选用一、分类及选用第一节第一节 齿轮系及蜗杆副齿轮系及蜗杆副二、齿轮系传动比最佳分配条件二、齿轮系传动比最佳分配条件最小等效转动惯量原则最小等效转动惯量原则44311421JJiJJi，22241213111122222121112

3、2111241112212421121()1(1)J01 20122JJJiJJJJi JJiiiiiiJJiiiiiiiii 令可解得：设各齿轮材料相同，厚度相同，齿轮1和3一样大，则有第一节第一节 齿轮系及蜗杆副齿轮系及蜗杆副二、齿轮系传动比最佳分配条件二、齿轮系传动比最佳分配条件1.最小等量转动惯量原则最小等量转动惯量原则2.重量最轻原则重量最轻原则3.输出轴转角误差最小原则输出轴转角误差最小原则 第一节第一节 齿轮系及蜗杆副齿轮系及蜗杆副三、齿轮副间隙的消除三、齿轮副间隙的消除齿轮传动间隙的调整目的间隙的调整目的：提高齿轮传动的精度和消除齿轮传动的正反转误差。调整方法：调整方法： 刚性

4、调整法1. 柔性调整法第一节第一节 齿轮系及蜗杆副齿轮系及蜗杆副三、齿轮副间隙的消除三、齿轮副间隙的消除 刚性调整法刚性调整法 调整中心距法、选择装配法、带锥度齿轮法和斜齿轮法 第一节第一节 齿轮系及蜗杆副齿轮系及蜗杆副三、齿轮副间隙的消除三、齿轮副间隙的消除 刚性调整法刚性调整法 调整中心距法、选择装配法、带锥度齿轮法和斜齿轮法 第一节第一节 齿轮系及蜗杆副齿轮系及蜗杆副三、齿轮副间隙的消除三、齿轮副间隙的消除 柔性调整法柔性调整法 通过双齿轮中间加入弹性元件，使双齿轮分别贴紧其啮合齿轮的两侧，以消除齿轮的间隙。第一节第一节 齿轮系及蜗杆副齿轮系及蜗杆副三、齿轮副间隙的消除三、齿轮副间隙的消

5、除 柔性调整法柔性调整法 通过双齿轮中间加入弹性元件，使双齿轮分别贴紧其啮合齿轮的两侧，以消除齿轮的间隙。第一节第一节 齿轮系及蜗杆副齿轮系及蜗杆副三、齿轮副间隙的消除三、齿轮副间隙的消除 柔性调整法柔性调整法 通过双齿轮中间加入弹性元件，使双齿轮分别贴紧其啮合齿轮的两侧，以消除齿轮的间隙。第一节第一节 齿轮系及蜗杆副齿轮系及蜗杆副三、齿轮副间隙的消除三、齿轮副间隙的消除 柔性调整法柔性调整法 通过双齿轮中间加入弹性元件，使双齿轮分别贴紧其啮合齿轮的两侧，以消除齿轮的间隙。第一节第一节 齿轮系及蜗杆副齿轮系及蜗杆副三、齿轮副间隙的消除三、齿轮副间隙的消除 柔性调整法柔性调整法 齿轮传动中各级齿

6、轮的传动间隙对系统精度影响程度不同，设各级齿轮间隙分别为 ，则归算到负载轴上的总间隙为： 后级的间隙比前级的间隙影响大，最后一级间隙对系统的精度影响最大，应此，对于减速传动，保证最后一级精度最为重要。 12,.,n 第二节第二节 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠副滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其螺杆和螺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，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。提高了传动效率和传动精度。 丝

7、杠螺母机构的传动形式丝杠螺母机构的传动形式 丝杠螺母机构又称螺旋传动机构，用来将旋转运动变为直线运动丝杠螺母机构又称螺旋传动机构，用来将旋转运动变为直线运动或将直线运动变为旋转运动。或将直线运动变为旋转运动。 A、按功能分为： 有传递能量（千斤顶，螺旋压力机）；有传递能量（千斤顶，螺旋压力机）； 有传递运动（工作台的进给丝杠）；有传递运动（工作台的进给丝杠）； 调整位置（螺旋测微器）。调整位置（螺旋测微器）。B、按运动副分为： 滑动摩擦机构：结构简单，成本低，具有自锁功能，但摩擦力滑动摩擦机构：结构简单，成本低，具有自锁功能，但摩擦力大，传动效率低；大，传动效率低；滚动摩擦机构：结构复杂，成本

8、高，摩擦力小，传动效率高，滚动摩擦机构：结构复杂，成本高，摩擦力小，传动效率高，无自锁功能，传动距离和速度有限；无自锁功能，传动距离和速度有限；液浮摩擦性液浮摩擦性电螺母丝杠型电螺母丝杠型2.3.2 2.3.2 滚珠丝杠传动部件滚珠丝杠传动部件 1）滚珠丝杠副的组成在螺母的内壁和丝杠的外壁分别加工一条螺旋形的滚道，在滚道中装在螺母的内壁和丝杠的外壁分别加工一条螺旋形的滚道，在滚道中装入滚珠，在螺母的滚道两端装一个挡住滚珠的螺母（螺母内壁有滚珠入滚珠，在螺母的滚道两端装一个挡住滚珠的螺母（螺母内壁有滚珠槽，反向器），就构成了滚珠丝杠传动部件。槽，反向器），就构成了滚珠丝杠传动部件。2）滚珠丝杠副

9、的特点 4 4）运动具有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动）运动具有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。母都可以作为主动件。5 5）磨损小，使用寿命长。）磨损小，使用寿命长。6 6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。7 7）不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的）不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的作用，下降时当传动切断后，不能立刻停

10、止运动，作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需添加制动装置。故常需添加制动装置。（3）滚珠丝杠副的典型结构类型滚珠丝杠副的结构类型滚珠循环方式滚道截面形状单圆弧型：双圆弧型:内循环：外循环：丝杆和螺母的滚道都是一个半圆弧丝杆和螺母的滚道分别由两个1/4圆弧滚珠循环时始终与丝杆表面保持接触滚珠循环时离开丝杆表面，在螺母体内或体外循环单圆弧形与双圆弧形的特点单圆弧形与双圆弧形的特点 显然，单圆弧型滚珠丝杠幅存在一定的传动间隙，因此显然，单圆弧型滚珠丝杠幅存在一定的传动间隙，因此，传动精度稍差，但滚道加工容易。如图所示，左边为，传动精度稍差，但滚道加工容易。如图所示，左边为单圆弧型，可以

11、看到，螺杆和螺母的螺纹都是半圆弧型单圆弧型，可以看到，螺杆和螺母的螺纹都是半圆弧型，显然它们之间的间隙比较大，因此其传动误差就较大，显然它们之间的间隙比较大，因此其传动误差就较大。图右边是。图右边是1/4圆弧型螺纹，双圆弧型滚珠丝杠幅传动间圆弧型螺纹，双圆弧型滚珠丝杠幅传动间隙相对较小，传动精度高，但滚道加工困难些。隙相对较小，传动精度高，但滚道加工困难些。内循环与外循环方式的特点 滚珠内循环方式的反向器的转动可调整滚珠的循环方滚珠内循环方式的反向器的转动可调整滚珠的循环方向，滚珠循环回路短、流畅性好；而且螺母的径向尺向，滚珠循环回路短、流畅性好；而且螺母的径向尺寸也较小（反向器可以做的很小）

12、。但反向器的加工寸也较小（反向器可以做的很小）。但反向器的加工困难，而且装配调整也比较困难。困难，而且装配调整也比较困难。内循环方式内循环方式滚珠丝杠内循环方式滚珠丝杠内循环的反向器外循环方式外循环方式n而外循环方式中滚道循环道路长，在高频浮动中达到回珠圆弧槽进出口自动而外循环方式中滚道循环道路长，在高频浮动中达到回珠圆弧槽进出口自动对接，通道流畅，摩擦小，更适合于高速高灵敏度高刚性的精密进给系统。对接，通道流畅，摩擦小，更适合于高速高灵敏度高刚性的精密进给系统。 滚珠丝杠外循环结构图（4）调整轴向间隙方式常用的双螺母消除轴向间隙的结构型式有以下三种。(a)垫片调隙式垫片调隙式 通常用螺钉来连

13、接滚珠丝杠两个螺母的凸缘，并在凸缘间加垫片。调整垫片的厚度使螺母产生轴向位移，以达到消除间隙和产生预拉紧力的目的。 这种结构的特点是构造简单、可靠性好、刚度高以及装卸方便。但调整费时，并且在工作中不能随意调整，除非更换厚度不同的垫片。4321 图7-18 双螺母垫片调隙式结构1、2-单螺母 3-螺母座 4-调整垫片双螺母垫片调隙式结构 (b)螺纹调隙式 其中一个螺母的外端有凸缘而另一个螺母的外端没有其中一个螺母的外端有凸缘而另一个螺母的外端没有凸缘而制有螺纹，它伸出套筒外，并用两个圆螺母固凸缘而制有螺纹，它伸出套筒外，并用两个圆螺母固定着。旋转圆螺母时，即可消除间隙，并产生预拉紧定着。旋转圆螺

14、母时，即可消除间隙，并产生预拉紧力，调整好后再用另一个圆螺母把它锁紧。力，调整好后再用另一个圆螺母把它锁紧。图 7-19 双 螺 母 螺 纹 调 隙 式 结 构1、 2-单 螺 母 3-平 键 4-调 整 螺 母1234双螺母螺纹调隙式结构 (c)齿差调隙式齿差调隙式在两个螺母的凸缘上各制有圆柱齿轮，两者齿数相差一个齿，并装入内齿圈中，内齿圈用螺钉或定位销固定在套筒上。调整时，先取下两端的内齿圈，当两个滚珠螺母相对于套筒同方向转动相同齿数时，一个滚珠螺母对另一个滚珠螺母产生相对角位移，从而使滚珠螺母对于滚珠丝杠的螺旋滚道相对移动，达到消除间隙并施加预紧力的目的。图7-20 双螺母齿差调隙式结构

15、 1、2-单螺母 3、4-内齿轮z13z2124双螺母齿差调隙式结构 除了上述三种双螺母加预紧力的方式外，还有除了上述三种双螺母加预紧力的方式外，还有单螺母变导单螺母变导程自预紧程自预紧及及单螺母钢球过盈预紧方式单螺母钢球过盈预紧方式等方式。等方式。（5）滚珠丝杆副支承方式 丝杠的轴承组合及轴承座的连接刚性不足时将严重影响滚珠丝杠传动丝杠的轴承组合及轴承座的连接刚性不足时将严重影响滚珠丝杠传动副的传动精度和刚度，为了提高轴向刚度，常用止推轴承为主的轴承副的传动精度和刚度，为了提高轴向刚度，常用止推轴承为主的轴承组合来支承丝杠，当轴向载荷较小时，也可用向心推力球轴承来支承组合来支承丝杠，当轴向载

16、荷较小时，也可用向心推力球轴承来支承丝杠。丝杠。 单推单推式：在支承座内安装向心推力轴承，外边安装止推轴承：在支承座内安装向心推力轴承，外边安装止推轴承 双推双推式：刚度最好，但容易造成两端支承的预紧力不对称：刚度最好，但容易造成两端支承的预紧力不对称 双推双推简支式：左端安装双止推轴承，右端只安装双向心简支式：左端安装双止推轴承，右端只安装双向心轴承，轴向刚度不高。轴承，轴向刚度不高。双推自由式：一端安装双止推轴承，另一端自由状态，轴：一端安装双止推轴承，另一端自由状态，轴向刚度和承载能力低，适于轻载，低速的垂直安装。向刚度和承载能力低，适于轻载，低速的垂直安装。 轴承的类型与选择轴承的类型

17、与选择 标准滚动轴承：标准滚动轴承： 标准轴承向心推力轴承： 既能承受径向载荷又能承受轴向载荷向心轴承： 只能承受径向载荷推力轴承： 只能承受轴向载荷按承受载荷的类型：标准轴承按滚珠的类型：球轴承：圆锥滚子轴承：圆柱滚子轴承：滚针轴承：滚珠为小钢球（有单列和双列）滚珠为短圆柱体（有单列和双列）滚珠为圆锥体（有单列和双列）滚珠为针形（有单列和双列）（6 6）滚珠丝杠副的选择方法）滚珠丝杠副的选择方法 （1）结构型式的选择：根据防尘防护条件及对调整间隙和预紧的要求来选择根据防尘防护条件及对调整间隙和预紧的要求来选择。 例如：当允许有间隙时（如垂直运动），可选择具有例如：当允许有间隙时（如垂直运动）

18、，可选择具有单圆弧形螺纹滚道的单螺母滚珠丝杠副；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；时，应采用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式结构； 当具有良好的防尘条件，且只需要在装配时调整间隙当具有良好的防尘条件，且只需要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；式结构； 滚珠丝杠副的选择方法滚珠丝杠副的选择方法（2）结构尺寸的选择 公称直径公称直径d d0 0：轴向最大载荷：轴向最大载荷基本导程基本导程

19、l l0 0：设计要求：设计要求螺纹长度螺纹长度l ls s：在满足：在满足l l0 0的条件下尽可能短的条件下尽可能短螺距螺距t t：传动精度、传动速度：传动精度、传动速度 滚珠丝杠副的精度 滚珠丝杠副的精度等级为1、2、3、4、5、7、10级精度，代号分别为1、2、3、4、5、7、10。其中1级为最高，依次逐级降低。第三节第三节 谐波齿轮减速器谐波齿轮减速器 谐波齿轮传动是建立在弹性变形理论基础上的一种新型传动，是由行星齿轮传动行星齿轮传动演变而来的。第三节第三节 谐波齿轮减速器谐波齿轮减速器 谐波齿轮传动是建立在弹性变形理论基础上的一种新型传动，是由行星齿轮传动行星齿轮传动演变而来的。一

20、、工作原理一、工作原理刚轮刚轮1 1是刚性的内齿轮。 柔轮柔轮2 2是薄壳形元件，具有弹性的外齿轮。谐波发生器谐波发生器3 3是凸轮（通常为椭圆形）及薄壁轴承组成，随着凸轮转动，薄壁轴承的外环作椭圆形变形运动（弹性范围内）。 第三节第三节 谐波齿轮减速器谐波齿轮减速器一、工作原理一、工作原理 波形发生器为主动件主动件，刚轮或柔轮为从动件从动件。刚轮有内齿圈，柔轮有外齿圈，其齿形为渐开线或三角形，周节相同而齿数不同齿数不同，刚轮的齿数Zg比柔轮的齿数Zr多几齿。柔轮是薄圆筒形，由于波形发生器的长径比柔轮内径略大，故装配在一起时就将柔轮撑成椭圆形。 第三节第三节 谐波齿轮减速器谐波齿轮减速器一、工

21、作原理及结构一、工作原理及结构 工程上常用的波形发生器有两个触头两个触头的即为双波发生器，也有三个触头的。具有双波发生器的谐波减速器，其刚轮和柔轮的齿数之差为ZgZr2。其椭圆长轴的两端柔轮与刚轮的牙齿相啮合，在短轴方向的牙齿完全分离。当波形发生器逆时针转一圈时，两轮相对位移为两个齿矩当波形发生器逆时针转一圈时，两轮相对位移为两个齿矩。当刚轮固定刚轮固定时，则柔轮的回转方向与波形发生器的回转方向相反方向相反。 第三节第三节 谐波齿轮减速器谐波齿轮减速器一、工作原理及结构一、工作原理及结构第三节第三节 谐波齿轮减速器谐波齿轮减速器二、谐波齿轮传动的特点二、谐波齿轮传动的特点 谐波齿轮传动与普通齿

22、轮副传动相比有以下特点。（1）结构简单，体积小，重量轻，传动效率高。（2）传动比范围大。（3）同时啮合的齿数多，运动精度高，承载能力大。（4）运动平稳，无冲击，噪声小。（5）齿侧间隙可以调整（6）可实现密闭空间传动运动及动力（7）可实现高增速运动（8）方便实现差速运动 第三节第三节 谐波齿轮减速器谐波齿轮减速器三、传动刚度三、传动刚度 22dTkd消除传动间隙的措施第三节第三节 谐波齿轮减速器谐波齿轮减速器谐波齿轮谐波齿轮行星轮系行星轮系波发生器波发生器转臂（转臂（H）柔轮柔轮行星轮行星轮刚轮刚轮太阳轮太阳轮()RHRHGHGHHGRHRHRGGHGHRziz1.刚轮固定刚轮固定 波发生器输入

23、，柔轮输出；柔轮输入，波发生器输出2.柔轮固定柔轮固定 波发生器输入，刚轮输出；刚轮输入，波发生器输出3.波发生器固定波发生器固定 柔轮输入，刚轮输出；刚轮输入，柔轮输出四、谐波齿轮传动速比及柔轮直径的计算四、谐波齿轮传动速比及柔轮直径的计算 例题：例题：如题如题19图所示，已知双波传动谐波齿轮减图所示，已知双波传动谐波齿轮减速器中，柔轮齿数速器中，柔轮齿数ZR=200，刚轮齿数，刚轮齿数ZG=202，波，波发生器转速发生器转速nH=1500rmin。 试求：试求：(1)刚轮固定时柔轮的转速刚轮固定时柔轮的转速nR? (2)柔轮固定时刚轮的转速柔轮固定时刚轮的转速nG? （2008）第三节第三

24、节 谐波齿轮减速器谐波齿轮减速器五、谐波齿轮减速器的选用五、谐波齿轮减速器的选用 XBD 100-125-250-表示柔轮小径为表示柔轮小径为100mm，传动比为，传动比为125，输出，输出转矩为转矩为250Nm，精度等级为普通级，卧式双轴伸出型谐波减速器。，精度等级为普通级，卧式双轴伸出型谐波减速器。第四节第四节 轴系轴系 轴系由轴系由轴、轴颈、轴承以及轴上的传动件轴、轴颈、轴承以及轴上的传动件等组等组成，分为一般成，分为一般工作轴工作轴和和主轴主轴。对于对于主轴主轴的要求包括：的要求包括： （1）回转精度含轴向精度）回转精度含轴向精度 （2）静刚度）静刚度 （3）动特性）动特性 （4）热特

25、性）热特性主要介绍支承型式主要介绍支承型式 第四节第四节 轴系轴系一、滚动摩擦支撑轴系一、滚动摩擦支撑轴系圆柱滚子轴承推力球轴承角接触球轴承圆锥滚子轴承调心球轴承深沟球轴承深沟球轴承第四节第四节 轴系轴系二、滑动摩擦支撑轴系二、滑动摩擦支撑轴系 1. 1.液体动压轴承液体动压轴承液体动压支承工作原理：液体动压支承工作原理：若两平面之间的油液成楔形，两者相对运动时将产生压力，从而可以若两平面之间的油液成楔形，两者相对运动时将产生压力，从而可以承载承载第四节第四节 轴系轴系 1轴的启动阶段轴的启动阶段轴静止时，轴处于轴承孔的最下方、最稳定位置，自然形成一弯曲的楔形，轴静止时，轴处于轴承孔的最下方、

26、最稳定位置，自然形成一弯曲的楔形，开始转动并转速很低时，完全是金属直接接触，轴承对轴颈的摩擦力方向开始转动并转速很低时，完全是金属直接接触，轴承对轴颈的摩擦力方向与轴颈表面圆周速度方向相反，迫使轴颈向右滚动而偏移。与轴颈表面圆周速度方向相反，迫使轴颈向右滚动而偏移。 3液体动力润滑运转阶段液体动力润滑运转阶段当转速当转速n增加到一定值时，轴颈带入足够油量把两摩擦表面分开，形增加到一定值时，轴颈带入足够油量把两摩擦表面分开，形成承载油膜，这时，油层内的压力已能支承外载荷成承载油膜，这时，油层内的压力已能支承外载荷,达到平衡的轴颈开达到平衡的轴颈开始按液体摩擦状态工作，即进入稳定运转阶段。始按液体

27、摩擦状态工作，即进入稳定运转阶段。 当转速继续升高当转速继续升高,油油膜承载能力进一步提高时，轴颈又抬起，当转速膜承载能力进一步提高时，轴颈又抬起，当转速n趋向无穷大时；时趋向无穷大时；时两轴心重合，轴颈轴心轨迹为半圆形两轴心重合，轴颈轴心轨迹为半圆形。2不稳定运转阶段不稳定运转阶段 随着转速的提高，带人楔形中的油量也逐渐增加，油膜承载面积加大，随着转速的提高，带人楔形中的油量也逐渐增加，油膜承载面积加大，因而摩擦阻力逐渐减少，于是轴颈又向左下方移动。因而摩擦阻力逐渐减少，于是轴颈又向左下方移动。第四节第四节 轴系轴系 1. 1.液体动压轴承液体动压轴承球头浮动式球头浮动式根据形成油楔的结构不

28、同，液体动压支承可分为：球头浮动式球头浮动式薄壁弹性变形式薄壁弹性变形式加工形成式加工形成式 1. 1.液体动压轴承液体动压轴承薄壁弹性变形式薄壁弹性变形式第四节第四节 轴系轴系二、滑动摩擦支撑轴系二、滑动摩擦支撑轴系 2. 2.气体动压支承气体动压支承气体动压支承技术是利用气体动压支承技术是利用空气空气作润滑剂的一种轴承。它通过作润滑剂的一种轴承。它通过空气的弹性空气的弹性起支承作用，可避起支承作用，可避免固体面之间的直接接触。其免固体面之间的直接接触。其原理和液体动压支承基本相同，原理和液体动压支承基本相同，在轴颈和轴瓦之间形成气楔。在轴颈和轴瓦之间形成气楔。第四节第四节 轴系轴系二、滑动

29、摩擦支撑轴系二、滑动摩擦支撑轴系 3. 3.液体静压支承液体静压支承液体静压轴承是依靠外界供给液体静压轴承是依靠外界供给压力以产生压力油膜压力以产生压力油膜 ,支承主轴支承主轴使其承载。使其承载。 液体静压支承液体静压支承特点：精度高、刚度大、抗震特点：精度高、刚度大、抗震性好、摩擦力矩小。性好、摩擦力矩小。用于中低速重载高精度机械设用于中低速重载高精度机械设备。备。第四节第四节 轴系轴系二、滑动摩擦支撑轴系二、滑动摩擦支撑轴系 4 4. .气体静压支承气体静压支承气模压力有外部气源提供。外部的压缩空气由气源经节流器，气模压力有外部气源提供。外部的压缩空气由气源经节流器，进入轴承间隙，然后连续

30、排入大气。它是通过负载使轴承产进入轴承间隙，然后连续排入大气。它是通过负载使轴承产生气动补偿力来获得承载能力和刚度生气动补偿力来获得承载能力和刚度第四节第四节 轴系轴系二、滑动摩擦支撑轴系二、滑动摩擦支撑轴系 4 4. .气体静压支承气体静压支承 气膜压力有外部气源提供。外部的压缩空气由气源经气膜压力有外部气源提供。外部的压缩空气由气源经节流器，进入轴承间隙，然后连续排入大气。它是通过负载节流器，进入轴承间隙，然后连续排入大气。它是通过负载使轴承产生气动补偿力来获得承载能力和刚度使轴承产生气动补偿力来获得承载能力和刚度第五节第五节 导轨及支承件导轨及支承件一、导轨一、导轨 导轨副用于引导运动部

31、件的走向，保证执行件的正确运动轨迹，并通过摩擦和阻尼影响执行件的运动特性，如定位精度和低速均匀性。导轨副包括运动导轨和支承导轨两部分。 对导轨副的性能要求是：导向精度、接触刚度、精度保持性以及低速运动稳定性。 导轨副组成1-支承件 2-运动件 第五节第五节 导轨及支承件导轨及支承件1.分类分类 按运动导轨的轨迹分：按运动导轨的轨迹分： （1） 直线运动导轨直线运动导轨 （2）旋转运动导轨）旋转运动导轨 按导轨面的摩擦性质分：按导轨面的摩擦性质分： （1）滑动导轨）滑动导轨 （2）滚动导轨）滚动导轨 （3）液体静压导轨）液体静压导轨 （4）气浮导轨）气浮导轨 （5）磁浮轨道）磁浮轨道 按导轨副结

32、构可分为按导轨副结构可分为: （1）开式导轨）开式导轨 （2） 闭式导轨闭式导轨第五节第五节 导轨及支承件导轨及支承件导轨类型导轨类型优点优点缺点缺点滑动导轨滑动导轨导轨机构简单，阻尼系数大，刚度大；易产生低速爬行现象，易磨损滚动导轨滚动导轨摩擦系数小，不存在低速爬行现象；刚度系数小，阻尼系数小，可能引起振荡。液体静压导轨液体静压导轨无磨损，无静摩擦，无低速爬行现象，阻尼系数大，设计制造使用均复杂气浮导轨气浮导轨无磨损，无静摩擦，无低速爬行现象，无需回行管路，不产生污染刚度小，阻尼系数小，容易引起振荡。磁浮轨道磁浮轨道配对导轨面具有相同极性装置，利用同性相斥的原理，使两导轨面脱离接触，无摩擦，

33、刚度和承载能力可调使用时发热较厉害，需很好的冷却和防护，防止含铁尘埃粉末落入导轨面，技术复杂，成本较高。 按导轨面的摩擦性质分：按导轨面的摩擦性质分：第五节第五节 导轨及支承件导轨及支承件2. 滑动导轨结构滑动导轨结构 （1）基本形式基本形式 第五节第五节 导轨及支承件导轨及支承件三角形和矩形组合：这种组合形式以三角导轨为导向面，导向精度较高，而平导轨的工艺性好，因此应用最广。矩形和矩形组合：承载面和导向面分开，因而制造和调整简单。导向面的间隙用镶条调整，接触刚度低。2. 滑动导轨结构滑动导轨结构 （2）组合形式组合形式 机电工程学院蒋发光机电一体化系统设计导轨副的组合形式（1）双三角形导轨

34、（ 2）矩形和矩形组合（3）三角形和矩形组合 （4）三角形和平面导轨组合 （5）燕尾形导轨及其组合 滑动导轨副材料选择滑动导轨副材料选择 常用材料：常用材料： 铸铁、钢、有色金属、塑料铸铁、钢、有色金属、塑料(1) 铸铁铸铁具有耐磨性和减震性好，热稳定性高，易于铸铸铁铸铁具有耐磨性和减震性好，热稳定性高，易于铸造和切削加工，成本低等特点，因此在滑动导轨中被广造和切削加工，成本低等特点，因此在滑动导轨中被广泛采用。常用的铸铁有：泛采用。常用的铸铁有： 灰铸铁常用的是灰铸铁常用的是HT20 - 40HT20 - 40（一级铸铁），硬度以（一级铸铁），硬度以HB180HB180200200较为合适。

35、适当增加铸铁中含碳量和含磷量较为合适。适当增加铸铁中含碳量和含磷量，减少含硅量，可提高导轨的耐磨性。，减少含硅量，可提高导轨的耐磨性。 第五节第五节 导轨及支承件导轨及支承件 若灰口铸铁不能满足耐磨性要求，可使用耐磨铸铁。常用若灰口铸铁不能满足耐磨性要求，可使用耐磨铸铁。常用的耐磨铸铁有：的耐磨铸铁有： 高磷铸铁它是指含磷量为0.3%0.65%的灰口铸铁，其硬度为HB180220，耐磨性能比灰铸铁HT2040约高1倍。若加入一定量的铜和钛，成为磷铜钛铸铁，其耐磨性能比HT2040约高2倍。高磷铸铁的脆性和铸造应力较大，易产生裂纹，生产中应采用适当的铸造工艺。 低合金铸铁如钒钛铸铁、中磷钒钛铸铁

36、、中磷铜钒钛铸铁等。这类铸铁具有较好的耐磨性（与高磷铜钛铸铁相近），且铸造性能优于高磷系铸铁。稀土铸铁它具有强度高、韧性好的特点，耐磨性与高磷铸铁相近。但铸铁性能和减震性较差，成本也较高。孕育铸铁常用的孕育铸铁是HT3054，它比HT2040的耐磨性高。(2)钢为了提高导轨的耐磨性，可以采用滓硬钢导轨。淬火的钢导轨都是镶装或焊接上去的。淬硬钢导轨的耐磨性比不淬硬铸铁导轨高510倍。要求一般的导轨，常用的钢有45号钢、40Cr、T8A、TlOA、GCr15、GCr15 SiMn等，表面淬火或全淬，硬度为HRC5258。要求高的导轨，常采用的钢有20Cr、20CrMnTi、15号钢等，渗碳淬硬至H

37、RC5662，磨硝加工后淬硬层深度不得低于1.5 mm。(3) 有色金属常用的有色金属有黄铜HPb59-1、锡青铜ZQSn6-6-3、铝青铜ZQA19-2、锌合金ZZn-All0-5、超硬铝I,C4和铸铝ZL6等，其中以铝青铜较好。(4) 塑料镶装塑料导轨具有耐磨性好（但略低于铝青铜），抗震性能好，工作温度适应范围广（-200+2600C），抗撕伤能力强，动、静摩擦系数低、差别小，可降低低速运动的临界速度，加工性和化学稳定好，工艺简单，成本低等优点。目前在各类机床的动导轨及图形发生器工作台的导轨上都有应用。塑料导轨多与不淬火的铸铁导轨搭配。 用作导轨的塑料有锦纶和酚醛夹布塑料；环氧树脂耐磨涂料

38、；以聚四氟乙烯为基体的塑料。 聚四氟乙烯是现有材料中干摩擦系数（P一0.04）最小的一种。但是，纯聚四氟乙烯机械强度低，刚性差，极不耐磨。因此要加入填充剂，以增加其耐磨性。由于填充剂不同，就可得到不同性能的导轨材料。 (5)导轨材料的搭配为了提高导轨的耐磨性，动导轨和支承导轨应具有不同的硬度。如果采用相同的材料，也应采用不同的热处理，以使动、静导轨的硬度不同，其差值一般在FIB2040范围内，而且，最低硬度应不低于所用材料标准硬度值的下限。通常支承导轨高硬度 ，运动导轨低硬度(6)铸铁导轨的热处理为提高铸铁导轨的耐磨性，常对导轨表面进行淬火处理。表面淬火方法有：火焰淬火、高频淬火和电接触淬火。

39、火焰淬火设备简单，但淬火温度不易控制，变形较大，应用较少。高频淬火是使导轨在高频交变电磁场作用下，表面产生感应电流而加热，然后冷却。由于加热速度快、效率高、淬火质量稳定、耐磨性高（比灰口铸铁提高2倍多）、工艺参数易于调整，故应用较广。需进行高频淬火的导轨面，其原始硬度不得低于HB187，表面粗糙度应低于Ra为5m，表面不允许有过多砂眼、气孔、疏松、夹杂等铸造的缺陷，不应有尖角。为避免高频淬火后的导轨变形过大，必须采用一定的工艺措施。高频淬火后的变形量为0. 10.3 mm，应采用磨削加工，使其达到一定的精度要求。淬火后硬度达到HRC453，导轨表面淬硬层深度为1. 22.5 mm。电接触淬火是

40、用一个通低电压、大电流的铜滚轮和导轨表面瞬时接触，利用接触电阻热加热导轨表面，并凭铸铁导轨自身的热传导而迅速冷却的一种淬火方法。它具有设备简单，操作容易的优点，且淬火后变形量很小，一般为0. 010. 05 mm，故电接触淬火可在导轨精加工后进行，淬火后只需用油石磨光即可使用。 电接触淬火后的耐磨性不如高频淬火，但比未淬火的灰口铸铁高1倍以上。电接触淬火后的淬硬层深度只有0.2 mm，不能用一般的硬度计来检查表面的硬度。第五节第五节 导轨及支承件导轨及支承件3. 滚动导轨滚动导轨 在承导件和运动件之间放入一些滚动体（滚珠、滚柱在承导件和运动件之间放入一些滚动体（滚珠、滚柱或滚针），使相配的两个

41、导轨面不直接接触的导轨，称为或滚针），使相配的两个导轨面不直接接触的导轨，称为滚动导轨。滚动导轨。 优点：滚动导轨的摩擦阻力小，磨损小，精度保持性好，优点：滚动导轨的摩擦阻力小，磨损小，精度保持性好，运动灵敏轻便。运动灵敏轻便。 缺点：结构相对复杂，刚度及承载能力较滑动导轨弱，对缺点：结构相对复杂，刚度及承载能力较滑动导轨弱，对脏物敏感，需有良好防护。脏物敏感，需有良好防护。 滚动直线导轨副的结构 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）

42、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。 滚动直线导轨副的性能特点 1.定位精度高 滚动直线导轨的运动借助钢球滚动实现，导轨副摩擦阻力小，动静摩擦阻力差值小，低速时不易产生爬行。重复定位精度高，适合作频繁启动或换向的运动部件。可将机床定位精度设定到超微米级。同时根据需要，适当增加预载荷，确保钢球不发生滑动，实现平稳运动，减小了运动的冲击和振动。 2.磨损小 对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度误差是无法避免的。在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在

43、这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小，滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使滚动直线导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易。 3.适应高速运动且大幅降低驱动功率 采用滚动直线导轨的机床由于摩擦阻力小，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，使驱动扭矩大大减少，使机床所需电力降低80%，节能效果明显。可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率2030%。4.承载能力强 滚动直线导轨副具有较好的承载性能，可以承受不同方向的力和力矩载荷，如承受上下左右方向的力,以及颠簸力矩、摇动力矩和摆动力矩。因

44、此，具有很好的载荷适应性。在设计制造中加以适当的预加载荷可以增加阻尼，以提高抗振性，同时可以消除高频振动现象。而滑动导轨在平行接触面方向可承受的侧向负荷较小，易造成机床运行精度不良。 5.组装容易并具互换性 传统的滑动导轨必须对导轨面进行刮研，既费事又费时，且一旦机床精度不良，必须再刮研一次。滚动导轨具有互换性，只要更换滑块或导轨或整个滚动导轨副，机床即可重新获得高精度。 如前所述，由于滚珠在导轨与滑块之间的相对运动为滚动，可减少摩擦损失。通常滚动摩擦系数为滑动摩擦系数的2%左右，因此采用滚动导轨的传动机构远优越于传统滑动导轨。 滚动导轨的分类及结构滚动导轨的分类及结构 按照滚动体形状分类按照

45、滚动体形状分类 滚珠式、滚柱式、滚针滚柱式滚珠式、滚柱式、滚针滚柱式 按照滚动体运动方式分类按照滚动体运动方式分类 滚动体不作循环运动滚动体不作循环运动 滚动体作循环运动滚动体作循环运动 第五节第五节 导轨及支承件导轨及支承件3. 滚动导轨滚动导轨第五节第五节 导轨及支承件导轨及支承件滚珠导轨介绍滚珠导轨介绍特点特点 滚珠与动静导轨之间为滚珠与动静导轨之间为点接触点接触优点优点 结构简单、制造容易、成本低结构简单、制造容易、成本低 缺点缺点 刚度差、抗震性差、承载力低刚度差、抗震性差、承载力低应用应用 轻载、小力矩轻载、小力矩 第五节第五节 导轨及支承件导轨及支承件滚柱导轨介绍滚柱导轨介绍特点

46、特点 滚珠与动静导轨之间为滚珠与动静导轨之间为线接触线接触优点优点 承载力是滚珠的承载力是滚珠的20302030倍倍 刚度、抗震性均优于滚珠刚度、抗震性均优于滚珠缺点缺点 滚柱体对导轨不平度敏感、易滚柱体对导轨不平度敏感、易 由于不平而产生侧向偏移和侧由于不平而产生侧向偏移和侧 向滑动，使导轨磨损加剧和降向滑动，使导轨磨损加剧和降 低精度。低精度。应用应用 适用于载荷较大的场合适用于载荷较大的场合 滚针导轨介绍滚针导轨介绍特点特点 滚珠与动静导轨之间为滚珠与动静导轨之间为线接触线接触优点优点 滚子直径小、数目多，承载大滚子直径小、数目多，承载大缺点缺点 摩擦系数大摩擦系数大 应用应用 应用于尺

47、寸受限制的场合应用于尺寸受限制的场合 第五节第五节 导轨及支承件导轨及支承件非循环式滚动导轨的设计计算非循环式滚动导轨的设计计算一般需要自行设计一般需要自行设计需要确定的参数：需要确定的参数： 滚动体直径滚动体直径 d 滚柱长度滚柱长度 lr 滚动体数目滚动体数目 z 支承导轨的长度支承导轨的长度 l第五节第五节 导轨及支承件导轨及支承件（1 1）滚动导轨参数选择）滚动导轨参数选择 滚动体直径滚动体直径d 滚柱：滚柱：d 6 mm 滚针：滚针：d 4mm 滚柱长度滚柱长度lr 淬硬导轨：淬硬导轨： lr /d 12-16第五节第五节 导轨及支承件导轨及支承件0(9.5(4.5rPPzPdPPz

48、ql对滚珠导轨）对于滚柱导轨）（2 2）滚动导轨参数的校核）滚动导轨参数的校核第五节第五节 导轨及支承件导轨及支承件2 ( (HrHPKd fPKl df对于滚珠导轨）对于滚柱导轨）校核每个滚动体所承受的最大载荷Pmax是否超过许用值Pmax / 2PPPK滚动体截面当量许用应力，查表2-6fH导轨硬度修正系数，查表2-7第五节第五节 导轨及支承件导轨及支承件（3）计算支承导轨的长度）计算支承导轨的长度L 0/ 2LLl（4）必要条件下还应校验滚动导轨的刚度，及计算滚动体的变形）必要条件下还应校验滚动导轨的刚度，及计算滚动体的变形循环式滚动导轨的设计计算循环式滚动导轨的设计计算设计时只需选用设

49、计时只需选用 选用计算与滚动轴承的选用计算相似，以选用计算与滚动轴承的选用计算相似，以额定载额定载荷下的额定寿命荷下的额定寿命为依据。为依据。 第五节第五节 导轨及支承件导轨及支承件导轨阻尼起因于以下物理过程：导轨阻尼起因于以下物理过程： 材料阻尼材料阻尼 摩擦阻尼摩擦阻尼 挤压薄膜效应挤压薄膜效应第五节第五节 导轨及支承件导轨及支承件4. 阻尼及其影响阻尼及其影响影响导轨阻尼系数的因素：影响导轨阻尼系数的因素： 表面压力大小表面压力大小 润滑类型润滑类型 摩擦类型摩擦类型导轨阻尼起因于以下物理过程：导轨阻尼起因于以下物理过程： 材料阻尼材料阻尼 摩擦阻尼摩擦阻尼 挤压薄膜效应挤压薄膜效应第五

50、节第五节 导轨及支承件导轨及支承件4. 阻尼及其影响阻尼及其影响影响导轨阻尼系数的因素：影响导轨阻尼系数的因素： 表面压力大小表面压力大小 润滑类型润滑类型 摩擦类型摩擦类型阻尼小阻尼小启动跟随快启动跟随快阻尼大阻尼大抗振性能好抗振性能好 5.支承件支承件 支承件是机床的基础构件，包括：床身、立柱、支承件是机床的基础构件，包括：床身、立柱、横梁、摇臂、底座、刀架、工作台、箱体和升降横梁、摇臂、底座、刀架、工作台、箱体和升降台等尺寸及重量较大的零件台等尺寸及重量较大的零件 支承件是机床的基础构件，包括： 床身、立柱、横梁、摇臂、底座、刀架、工作台、箱体和升降台等尺寸及重量较大的零件大件。 支承件

51、影响加工精度和表面质量 在切削时，刀具与工件之间相互作用的力，沿着大部分支承件逐个传递并使之变形； 机床的动态力(如变动的切削力，往复运动件的惯性，旋转件的不平衡等)使支承件和整机振动； 支承件的热变形，改变执行器官的相对位置或运动轨迹。 支承件是机床十分重要的构件。支承件的功用支承件的功用 支承机床各部件 承受力 切削力、重力、惯性力、摩擦力等静态力和动态力。 保证精度 各部件之间的相对位置精度和运动部件的相对运动轨迹的准确关系。 内部空间存放各种物体 可存放切削液、润滑液、液压油的油箱、电动机。基本要求基本要求1.足够的静刚度和较高的刚度重量比 要求在规定的最大载荷作用下，变形量不得超过一

52、定的数值。 重量占机床总重量的80以上，应尽量减轻支承件的重量。2.良好的动态特性，包括： 较大的动刚度和阻尼； 与其它部件相配合，使整机的各阶固有频率不与激振频率重合而产生共振； 不会发生薄壁振动而产生噪声等。3.应具有较好的热变形特性，使整机的热变形较小或热变形对加工精度的影响较小。 由于摩擦热、切削热等产生热变形和热应力； 在铸造、焊接和粗加工过程中，会形成内应力，使支承件变形； 热变形和内应力都将破坏部件间的相互位置关系和相对运动轨迹，影响加工精度。4.应该排屑畅通、吊运安全，并具有良好的工艺性以便于制造和装配。第六节第六节 并联机构并联机构并联机构的特点并联机构的特点（1）刚度高）刚

53、度高（2）移动部件质量轻，可获得很高的动态特性容易）移动部件质量轻，可获得很高的动态特性容易实现高速、高加速度运动。实现高速、高加速度运动。（3）不存在累计误差，可获得较高的运动精度）不存在累计误差，可获得较高的运动精度（4）零件标准化程度高，易于模块化设计）零件标准化程度高，易于模块化设计（5）作业空间与机器尺寸比较小）作业空间与机器尺寸比较小优点优点缺点缺点（1）灵活性较差，运动平台倾斜角度较小）灵活性较差，运动平台倾斜角度较小（2）在作业空间内部存在杆件干涉和奇异位形的危险）在作业空间内部存在杆件干涉和奇异位形的危险第七节第七节 数学模型和设计要求数学模型和设计要求 机电一体化系统中，机

54、械模块实现驱动电机与负机电一体化系统中，机械模块实现驱动电机与负载之间的转矩和转速的合理匹配。载之间的转矩和转速的合理匹配。 数学模型可以简化为由质量数学模型可以简化为由质量-弹簧弹簧-阻尼组成的二阻尼组成的二阶力学模型。阶力学模型。)(tfkxxcxm )(tTkcJ 第七节第七节 数学模型和设计要求数学模型和设计要求一、数学模型一、数学模型（一）广义执行机构的运动方程式（一）广义执行机构的运动方程式2211221122221122221 111221122drsdrsM dM dJJP dsPdsm vmv（对于转动情况）（对于移动情况）能量方程式能量方程式2222drdrddJMMJdt

55、ddvdm vPPmdtds（对于转动情况）（对于移动情况）力和力矩方程式第七节第七节 数学模型和设计要求数学模型和设计要求一、数学模型一、数学模型（二）广义执行机构的动力学方程式（二）广义执行机构的动力学方程式第七节第七节 数学模型和设计要求数学模型和设计要求1.齿轮传动情况齿轮传动情况211112222222222121221212112222222122122;/()()ccccdJTTdtddJBTTdtdtTiTiJdB dTJTidtidtiddi JJBiTTdtdt 不考虑刚度不考虑刚度注意转动惯量、阻尼系数的折算注意转动惯量、阻尼系数的折算第七节第七节 数学模型和设计要求数学

56、模型和设计要求1.齿轮传动情况齿轮传动情况转动惯量、阻尼系数的折算转动惯量、阻尼系数的折算第七节第七节 数学模型和设计要求数学模型和设计要求考虑刚度考虑刚度从动轴刚度为从动轴刚度为K2，则由于从动则由于从动轴的变形所引起的弹性力：轴的变形所引起的弹性力：122()Ki折算到主动轴上为：折算到主动轴上为：212()KiiK21.齿轮传动情况齿轮传动情况第七节第七节 数学模型和设计要求数学模型和设计要求考虑刚度考虑刚度主动轴的力矩平衡方程：主动轴的力矩平衡方程：K22211121( )( )( )( )KsJ sssT sii从动轴的力矩平衡方程：从动轴的力矩平衡方程：212222222( )( )( )( )( )sJ ssBssT sKsi最后求出传递函数最后求出传递函数1.齿轮传动情况齿轮传动情况第七节第七节 数学模型和设计要求数学模型和设计要求与齿轮传动情况分析过程一样，但需注