钢丝绳精密传动机构的分析与实验研究_图文

1、分类号工学硕士学位论文学号钢丝绳精密传动机构的分析与实验研究硕士生姓名金思庆学科领域机械工程研究方向精密工程与计算机控制指导教师范大鹏教授国防科学技术大学研究生院二六年十一月国防科学技术大学研究生院学位论文摘要高性能光电稳定跟踪平台要求平台机械系统精度高、动态性能好，采用钢丝绳精密传动可以满足这种需求。钢丝绳精密传动具有低噪声、无空回、高刚度、小惯量、传动平稳和维护费用较低等优点，它在工业、商业、航空、军事、医疗和研究的应用，：都具有较高的性价比。本文以此为背景，研究钢丝绳精密传动的关键技术问题。论文研究了钢丝绳精密传动不同的结构形式，提出了钢丝绳精密传动的设计方案，分析了钢丝绳在不同绳槽上的

2、受力、运动情况和绳槽之间的匹配关系，得出有效传动的条件。对钢丝绳精密传动精度进行了理论分析，求解出实际传动比、滑移角、传动系统各部分的刚度和总的扭转刚度。运用计算机仿真分析出系统各部分刚度和负载之间的关系、系统总刚度相对于系统中各参数改变的规律和灵敏度。设计了测试钢丝绳精密传动特性的试验台，验证了钢丝绳精密传动的精度，测试了传动系统的动态性能。本文为开发基于钢丝绳精密传动的高性能光电稳定平台奠定了初步的基础。关键词：精密传动，钢丝绳传动，绳槽匹配，刚度，灵敏度第页，研，：，第页表目录表格表格表格表格表格表格表格表格表格表格钢丝绳精密传动结构形式综合比较。钢丝绳选型设计方法编码器型号说明编码器机

3、械参数传动结构试验结果磁粉制动器的电压电流关系。试验数据采集表（）试验数据采集表（）轴的数据（共点）轴的数据（共点）第页国防科学技术大学研究生院学位论文图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图目录钢丝绳精密传动典型示意图“系列产品图“灵巧眼”产品图机械手臂中钢丝绳精密传动图应用钢丝绳精密传动的天线座结构简图钢丝绳轴向投影图“型变异结构示意图多轮传动示意图“锥齿轮”型结构图“齿轮齿条”型结构示意图“”字缠绕方式实物图开口式缠绕模型图新型预紧方式模型图（钢丝绳端部固定结构图螺钉压紧端部固定微犁钢丝绳专用的端部固定件绳在无槽轮上的缠绕示意图平行单绳槽传动轮的模型钢丝绳在平行

4、多绳槽上示意图螺旋槽典型槽形示意图。绳槽展开图绳在无槽轮的轴向位置偏差螺旋槽的绳出轮的受力分析一钢丝绳缠绕径向投影传动轮机械误差示意图加载后钢丝绳运动受力示意图钢丝绳微元受力分析图钢丝绳滑移角、自由段示意图钢丝绳精密传动刚度模型。传动精度和负载的关系钢丝绳刚度模量求解原理图各部分刚度随负载变化的仿真第页国防科学技术大学研究生院学位论文图图图图图图图图图图图图扭转刚度与钢丝绳预紧力的函数关系及相对于的敏感度一扭转刚度与负载拉力的函数关系及相对于的敏感度扭转刚度与传动中心角的函数关系及相对于的敏感度绳与轮的摩擦系数埘刚度的影响及相对于肛的敏感度主动轮实物图从动轮实物图预紧方式实物图试验台主要元器件

5、系统总体部分结构图。试验系统组装图钢丝绳精密传动系统的阶跃响应图钢丝绳精密传动系统的阶跃响应图第页独创性声明本人声明所星交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文题目：塑丝缦撞窒笾叠狃擅煎金堑生塞坠盈壅：学位论文作者签名：名澄量呔日期：一年月日学位论文版权使用授权书本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授

6、权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文（保密学位论文在解密后适用本授权书）学位论文题目：塑丝缦擅窒笾叠扭拉数金堑皇塞坠亟窒学位论文作者签名作者指导教师签名日期：沙。犀【月“日日期：力妒饵，月巧日国防科学技术大学研究生院学位论文第一章绪论课题的来源及研究意义课题来源与背景在现代高技术武器装备中，光电稳定跟踪平台由于能隔离载体（战车、导弹、飞机、舰船）的运动，实现对目标的自动跟踪，因此得到了广泛的应用。光电目标跟踪平台要求稳定平台动态

7、性能好、运动精度高，同时还应能提供较大的控制转矩。光电稳定跟踪平台伺服系统的刚度是影响其动态性能和精度的主要因素。机械系统的传动窄回是影响伺服系统刚度的关键因素之一。传动空回对伺服系统性能有两个影响：一是产生相位滞后（传动空回相当于滞后环节），影响系统的稳定性；二是使系统出现自持振荡的现象产生自振荡静态误差。传统的光电稳定跟踪平台的机械传动多采用齿轮减速，然而即便是最精密齿轮传动也存在着问隙、磨损等缺陷，不可避免的存在空回，从而制约了精度和动态性能的提高。如果采用力矩电机来直接驱动，要驱动力矩要求大时，力矩电机的体积、重量较大，给系统的小型化和轻量化带来刖难。例如，某海上光电稳定平台为保证远距

8、离目标图象的稳定性，平台的动态指向精度优于±。（即±），而齿轮传动的最高精度只能达到，采用传统的齿轮传动方式显然不能满足需求。如果采用力矩电机，则会造成平台体积和重量的增加。光电稳定跟踪平台系统对于机械结构的高刚度、无空回、高精度、小惯量的需求，迫切需要采用简洁、高效的新型精密机械传动方式，钢丝绳精密传动就是据这类需要而产生的。钢丝绳精密传动具有精度高、噪声低、传动平稳、无需润滑、易于安装和维护等特点，在国外已被用到机器人和光电精密传动装置中。而国内在此方面的研究与应用并不多见。作者所在研究室在开发新型高精度光电稳定平台系统的过程中，迫切需要一种传递扭矩大、精度高、结构紧凑

9、、布局灵活的传动装置，课题就是据这种需求提出的。课题的研究意义钢丝绳精密传动是简单有效的传动方式。其典型的应用是采用多股钢丝绳缠绕在两个传动轮上，钢丝绳端部固定在大轮（一般为从动轮）上，应用多股钢丝绳传递转距（如图所示）。它能实现有限回转角度的旋转运动。与齿轮传动相比，除第页国防科学技术大学研究生院学位论文了驱动力是靠钢丝绳与轮之间的摩擦力和钢丝绳的张力传递的外，其它传动原理和齿轮传动基本一致，如其减速比就是大轮和小轮的直径比，它可提供从：到：甚至更高的传动比。绳面蟹争组锅丝绳图钢丝绳精密传动典型示意图与齿轮传动相比，钢丝绳精密传动具有以下主要特点：传动精度高钢丝绳在预紧力的作用下，能实现零回

10、差的传动，使传动系统具有较高的刚度。而在齿轮传动中，将轮齿接触面预紧，会加重齿轮之间的摩擦，加快齿轮的磨损，减小齿轮的使用寿命。钢丝绳精密传动的高精度特性是同成本的齿轮传动很难达到的。传动平稳性好钢丝绳精密传动一般采用多股钢丝绳来分担载荷，即使在钢丝绳或轮毂某处有小的质量缺陷或不规则的形状，都不会造成运动上的不连续，从而不会对整个传动系统有大的影响。相对于齿轮的单齿啮合，这种多绳分担载荷传动的平稳性的优势就显现出来了。加工成本低传动轮大多选用圆柱形，易于加工，而且钢丝绳在轮上缠绕时也不易小角度的弯折，必要时可以在轮上开绳槽或轮的中间加工孔来有效的减小惯量。圆柱形的传动轮加工与齿轮比较起来，钢丝

11、绳传动装置的制造加工成本较低。维护费用低钢丝绳精密传动是靠钢丝绳的拖动力和传动轮的摩擦来传递转距的，传动轮上有预紧装置对传动过程中的钢丝绳施加张紧力，使钢丝绳与传动轮之间有较大的正压力，从而增大摩擦力，防止钢丝绳在传动轮上打滑。预紧装置还能补偿传动中钢丝绳的塑性变形，确保传动的长期有效。无论是工作还是停机状况，预紧装置都在工作，保持钢丝绳内部有适当的张紧力，在长期工作后，仍能保持稳定的传动刚度和传动比，基本上实现了零维修费用。若采用齿轮箱来实现传动，轮齿在传动中不第页国防科学技术大学研究生院学位论文可避免的存在磨损和退化，为了削弱齿轮的磨损，系统需要对齿轮箱密封、润滑，但加入润滑油又增加了系统

12、的重量，限制了齿轮的工作温度；在使用中还要定期更换润滑油，又增加了系统的维护工作。钢丝绳精密传动的高刚度和无空回（零回差）特性可以保证光电稳定跟踪伺服系统的快速动态响应，提高平台的动态指向精度。本论文针对钢丝绳精密传动的关键技术问题展开研究，以应用这种高效的传动方式研制光电稳定跟踪平台系统。钢丝绳精密传动的研究现状国内外在一些精密机电产品中应用了钢丝绳精密传动，也有一些文献对钢丝绳精密传动的特点进行了研究，但总的来说，对于钢丝绳精密传动机理的研究还不够深入、系统，特别是针对传动机理所开展的理论分析还不够，无疑这将影响钢丝绳传动的设计、制造，以及机构的灵活运用。现将有关研究介绍如下。国内夕卜研究

13、现状国外对钢丝绳精密传动的应用比较多，大多应用在机器人精密传动和平台类产品中。在机器人精密传动中大多利用钢丝绳精密传动的设计灵巧性和传动中的高精度特性，在平台类产品中的应用则体现了钢丝绳精密传动的高刚度和高精度特性。国内对钢丝绳精密传动的应用和研究都比较少，鲜有理论分析的文献。本小节通过对一些应用钢丝绳精密传动产品的介绍、分析，来研究钢丝绳精密传动研究的技术现状。“，产品 图“”系列产品图技术公司开发了钢丝绳精密传动的典型传动形式，在激光通信工程项目中采用了钢丝绳精密传动，该公司把这种传动方式称为“旋转传动器”。并应用在了军事和民用产品中，从人造卫星天线和视频照相机系统、自第页国防科学技术大学

14、研究生院学位论文动组织检台单元甚至摄影调焦装置都采用“”机械装置来实现精确角度定位。“”中的每组钢丝绳上都串联弹簧，拉伸弹簧使每组钢丝绳在工作前就预先加载一定的预紧力，并可以通过精确调整弹簧的长度来定量的设定预紧力。“”产品“天线远程位置调节器”和“万向节模型”产品的图片如图所示。技术公司声称钢丝绳精密传动的刚度可达到同精度齿轮传动或者谐波系统的倍以上，该公司对钢丝绳精密传动的应用有丰富的经验，但从目前公开的资料来看，对钢丝绳精密传动的深入理论分析，对于设计中预紧力的选择、刚度和精度的具体计算方法，该公司都没有提供可参考的理论依据。“灵巧眼”系统中的并行钢丝绳精密传动系统 图“灵巧眼”产品图澳

15、大利亚国立大学信息技术与工程学院应用钢丝绳精密传动研制出灵巧机器人眼装置，下文称之为“灵巧眼”，如图所示。该装置采用并行机械系统，充分利用钢丝绳精密传动的零回差、角度灵敏性高等特性来提高传动的灵敏度和精度。他们对系统的结构进行了优化，系统的最大尺寸为，可驱动的重量，实现每秒扫描次即扫描频率为月。“灵巧眼”每次扫描范围为，三个轴的角度重复性精度和分辨率为。，系统的最大速度为。，最大角加速度为。【”。从这个装置的技术指标可以看出，钢丝绳精密传动可以为现代机电系统提供简洁的结构，可以达到极高的灵敏度。在“灵巧眼”的设计文献中，作者只提到钢丝绳精密传动的优点，对系统的动力学特性进行了测试和仿真分析。对

16、钢丝绳精密传动本身机理缺少深入的理论分析。机器人手臂中应用钢丝绳精密传动【”】美国佛罗里达大学的硕士论文【】，详细介绍了在设计机器人手第页国防科学技术大学研究生院学位论文臂过程中对钢丝绳精密传动的应用，如图所示，为机器手臂的理论模型，为实物图。论文对系统各部分的刚度进行分析计算，但是论文对钢丝绳传动中预紧力，缠绕，刚度的分析都不够深入，没有得到理论公式来指导设计。而且论文的分析只限于该机器人手臂的设计，通用性不强。 （）（）图机械手臂中铜丝绳精密传动卧”车载卫通天线座中对钢丝绳精密传动的应用研究国内也有研究机构对钢丝绳精密传动进行研究，其中南京电子科技研究所研制的车载卫通天线座采用了钢丝绳精密

17、传动。如图所示，天线座体积小，重量轻满足了系统可靠性和机动性要求。该系统的主要技术指标如下：（）天线运动范围：方位驱动范围为±。：俯仰驱动范围为一。（）天线运动速度：方位运动速度为。（可无级调速）；俯仰运动速度为。厶（可无级调速）。（）方位俯仰传动精度：。图应用钢丝绳精密传动的天线座结构简图”南京电子科技研究所的设计沿用了传统的钢丝绳传动的设计方法，系统所达到的精度不是很高，没有充分发挥钢丝绳精密传动的优势。而这个产品的出现却证明了钢丝绳精密传动在平台类产品中应用是有广阔前景的【。陀螺跟踪平台第页国防科学技术大学研究生院学位论文周内某犁陀螺跟踪平台的机械传动系统利用了钢丝绳传动机构，

18、对跟踪平台内外框架的转动进行联动控制，其设计思想比较新颖独特，结构设计巧妙。但该平台研究中着重研究钢丝绳精密传动机构的联动控制，并没有对钢丝绳传动本身进行全而的研究。技术现状总结钢丝绳精密传动在很多高性能产品中已经得到应用，国外有些公司以这种传动方式为“卖点”开发设计了精密灵巧的机电产品，这些产品都充分的展示了钢丝绳精密传动的性能优势性，显示出这种传动方式在现代机电产品设计中的竞争力。钢丝绳精密传动在稳定平台类产品中的应用也很多，这为开发基于钢丝绳精密传动的高性能光电稳定跟踪系统树立了信心。国外的很多公司、科研机构对钢丝绳精密传动的应用有丰富的经验，但是对钢丝绳精密传动本身的研究并不多，而且理

19、论分析的深度也不够。对钢丝绳精密传动的大多数研究都是以整个系统为研究对象的，而不是研究钢丝绳传动本体，明确的分析如何应用钢丝绳传动达到较高的精度，应用中对系统的结构如何设计，要得到高精度在设计中要如何选取有关参数。而且大多也没有提供文献资料来为钢丝绳的高精度提供理论依据。只有少数的专家对钢丝绳精密传动本身的精度问题有研究，美匡麻省理工大学机械工程系的有两位学者对钢丝绳精密传动有较深的研究“。其研究针对钢丝绳精密传动系统精度进行分析，设计试验测试了钢丝绳精密传动的刚度，对钢丝绳精密传动的设计应用有一定的指导作用，其研究只针对传动中的刚度问题，没涉及钢丝绳精密传动中的具体设计问题和其他精度问题，对

20、于钢丝绳的应用理论还不够全面。钢丝绳精密传动是新兴的传动方式，按机械手册上传统的设计方法不能实现较高的传动精度。而且钢丝绳精密传动和常规的钢丝绳传动的应用特点有较大差异，常规的钢丝绳传动主要用于传递力矩，而钢丝绳精密传动却必须同时做到既传递力矩，又传递精确的运动。因此在分析和设计、计算时必须考虑两者的区别。从目前的动力学仿真设计方法实现来看，无法应用动力学仿真分析的方法来指导对钢丝绳精密传动的设计。钢丝绳的理论模型是柔性体，对柔性体的仿真分析是很困难的。文献资料“中给出了整个三维仿真过程，将钢丝绳仿真为有限个小段刚体靠约束和力来联接起来。但是仔细研究其仿真过程，就可以发现其假设的约束和力与实际

21、相比有较大差异。只能进行运动仿真，不能真实的反应传动中的运动和受力情况。总之，目前国内外对钢丝绳精密传动的研究都不够深入、系统。本文就是力图第页国防科学技术大学研究生院学位论文系统地分析钢丝绳精密传动机理，寻求有效的设计方法，以指导高性能光电稳定跟踪系统中精密机械装置的开发。论文研究的主要内容和目标结合光电稳定跟踪系统的实际需要，借鉴国内外钢丝绳精密传动产品的经验，本文先对钢丝绳精密传动结构形式进行研究；然后对影响钢丝绳精密传动精度的主要冈素进行理论分析，并仿真得出理论依据和设计规律：最后专门设计了试验系统对钢丝绳精密传动特性及精度做出了测试。目的是为以后有效的应用钢丝绳精密传动的优点、研究开

22、发光电平台高精度机械机构提供理论分析和设计、试验依据。论文研究的主要内容有：第一章：该章根据光电稳定跟踪系统的需求，分析了钢丝绳精密传动在高性能伺服系统中的应用优势，研究了钢丝绳精密传动的特性，分析了钢丝绳精密传动研究的技术现状，对课题以后的工作做出安排，并明确要达到的目标。第二章：对钢丝绳精密传动的不同结构形式进行了分析，总结了不同结构的应用条件及在应用中要注意的问题，研究了钢丝绳精密传动的设计方法，并针对钢丝绳使用中应注意的绳的选择、使用、维护、绳槽匹配关系、中心距选择等问题进行理沦分析，得出了有效传动条件。第三章：主要分析研究钢丝绳精密传动系统影响精度的因素，推导了传动比的实际计算公式，

23、分析了加工误差对传动精度的影响，研究了钢丝绳精密传动中钢丝绳在传动轮上滑移的问题，推导了系统刚度的理论计算公式，通过仿真分析提出传动系统的精度设计方法。第四章：本章结合试验系统的设计参数，对系统的刚度理论计算公式进行仿真，分析了系统各参数对总刚度的影响和系统总刚度相对于各参数的灵敏度。第五章：本章设计并研制了钢丝绳精密传动的试验台，试验了不同的传动轮结构及不同的绳槽匹配，为以后应用这种传动提供了实践依据，并应用该试验台对钢丝绳传动的特性进行测试，根据获取的试验数据，分析了影响精度的主要因素。本课题准备对钢丝绳精密传动方式进行深入、全面、系统的研究，通过本课题的研究，应该达到以下几个目标：掌握国

24、内外应用钢丝绳精密传动的各种伺服系统的系统构成，分析钢丝绳精密传动的传动形式和运行原理，熟悉钢丝绳精密传动的各种特性。通过对钢丝绳精密传动试验装置的设计和实验测试，对钢丝绳精密传动的结构形式、预紧装置都提出相应的设计方案：研究影响钢丝绳精密传动性能的因素，第页国防科学技术大学研究生院学位论文保证在应用钢丝绳精密传动中能达到所需的精度。通过对钢丝绳精密传动的研究，整体上掌握这种新型的传动方式的理论分析和设计方法，结合本实验室的科研情况，为钢丝绳传动应用在高性能光电稳定跟踪平台中的应用奠定基础。第页第二章钢丝绳精密传动设计方案分析钢丝绳精密传动在传动性能上有显著的特点，但要想在光电稳定跟踪系统中有

25、效地应用，还需要对这种传动方式的设计问题进行研究，本章将对钢丝绳精密传动灵活应用要注意的问题进行研究。钢丝绳精密传动结构形式的分析钢丝绳精密传动可以根据系统不同的结构需求改变结构形式。本节分别从不同结构传递的运动形式、传动两轴的位置关系、传动比、传动中的运动方向、传动角等方面进行分析，为以后的设计提供新的思路和方法。“”型结构这是钢丝绳精密传动常用的传动结构，也是技术公司开发产品的典型传动结构。两个传动轮都采用圆柱体形状，如图所示，在大轮上的钢幺幺绳串联预紧弹簧，来施加预紧力。这种传动结构的输入轴与输出轴的轴线平行，两轮转动方向相反，理论的传动比就是两轮直径之比。大轮（大多为从动轮）的有效传动

26、角度一般小于石，若系统需要，也可以选用有效传动角大于万的形式。传动角大于石的这种传动结构一般用在两级钢丝绳精密传动的第一级（或者是多级传动形式的中间级）。如图所示，为传动中心角，它是钢丝绳出绳（或入绳）段对于传动轮的圆心角。有效传动角度的具体范围要由预紧弹簧的长度，大轮的半径，绳在大轮上的缠绕圈数疗，还有传动中心角口的决定：（）一一（）高石，奇蚁图钢丝绳轴向投影图（）（）图“”型变异结构示意图第页把“”结构中大轮的形状根据需求做些优化，就得如图所示的结构。如图（）所示，将大轮的部分圆周削平安置预紧装置，图（）是把大轮设计成了扇形。可以有效的节省空间，减小惯量，有利于机械结构的优化设计，更显现出

27、钢丝绳精密传动的优势。但是，这种结构也够成了转动惯量的不平衡，当传动速率很高时，输出轴有不平衡负载的时候，电机断电后系统无法实现自锁，解决办法就是尽量在转动惯量上配平，若无法配平时，就在输出轴上附加制动装置来实现自锁。“”优化结构的包角为，传动角的范围是：伊一）（）传动中，当钢丝绳将要了离开大轮圆柱面边缘时，传动系统的特性复杂，不能达到理论的传动比和预期的精度，也容易发生脱槽现象，所以在设计传动角时要避免传动角伊接近圆周角位一船）。“”型结构在设计中要注意弹簧种类、弹性模量的选择，要考虑预紧装置的实现方法，预紧的方法将在小节中详细的论述。传动中要考虑弹簧和大轮表面的摩擦是否会影响弹簧模量的变化

28、。小轮的包角一般为：万一扣，大轮的包角是大轮的有效圆周减去。两轮的中心距是设计中要考虑的问题，将在小节中给出详细的原则。多转向轮传动钢丝绳精密传动结构中可以应用多个传动轮改变传动方向，这就可以为系统的空间结构提供多种选择，如图所示为多转向轮的传动结构。图多轮传动示意图该传动结构类似于无级绳传动，它既可以实现两轴线平行的旋转运动的传递，也可以实现两轴线任意角度的旋转运动传递，在适当的位置加滑轮就可以改变绳的运动方向。绳和轮是相互摩擦运动的，绳和轮接触部位的线速度方向是一致的，可以根据这个规律来判断传动的运动方向，设计中要对传动方向进行详细分析。其理论传动比也要根据两轮的直径之比逐级计算，总的传动

29、比是多级之间的传动比的乘积。传动角范围也要根据具体情况来分析。有些系统需要实现远距离变角度传动，第页就可以选择这种传动结构。机器人、机器手的精密传动中大多应用这种传动结构。类似“锥齿轮”的结构形式 （）（）图“锥齿轮”型结构图该结构可以实现两轴线互相垂直的两轴的旋转运动，类似“锥齿轮”的传动方式。两个轴上都有阶梯轮的结构，图（）为类似“锥齿轮”传动的实物模型，它需要两根钢丝绳来实现往复转动，每根提供一个转动方向的拉力。也可以采用两组钢丝绳来增加传动的平稳性，如图（）所示。这种结构的传动比是大轮和小轮上对应阶梯轮的直径之比。有效传动角要根据钢丝绳在两轮圆周缠绕的角度（用表示）来定，具体范围是：妒

30、（）这种结构的传动方向与“”型传动结构的判断是类似的，要根据锥齿轮的传动方向来判断。在设计中要特别注意钢丝绳在两轮之间转绕的部分，钢丝绳在此处的拐角很小，要规整钢丝绳缠绕的路径，确保钢丝绳的弯曲半径在钢丝绳疲劳工作的允许范围之内，以免弯折处钢丝绳因为疲劳而在反复运转的过程中发生断丝或破裂。在设计中还要考虑预紧装置和钢丝绳端部固定的安装位置和空间，如图（）中有碟形弹簧预紧的安装方法和位置。类似“齿轮齿条”的结构形式图“齿轮齿条”型结构示意图第页该传动结构实现了网周运动与直线运动之间的转变，是类似“齿轮齿条”的传动方式，如图为该传动结构的理论模型。主动轮转动圈，滑条（类似齿条的构件）就移动主动轮周

31、长的距离。已知每股钢丝绳在轮上缠绕的圈数，传动轮的半径，那么有效传动长度的具体范围是：（一）（工钢丝绳的效传动长度；栉钢幺幺绳在传动轮上缠绕的圈数；足传动轮的半径。为获得更大的传动长度，可以适当地增加传动轮的直径或增加钢丝绳缠绕的圈数。这种结构的预紧装置可以设计在做直线运动的滑条上，设计应用起来比较容易。钢丝绳精密传动结构形式综合比较如表所示。表格钢丝绳精密传动结构形式综合比较传动喵构传动“，”型多轮传动类似“锥齿轮”类似“齿轮齿条”搿拦传递的运动旋转旋转旋转旋转旋转旋转旋转直线传动两轴关轮轴线与滑条空间垂系两轴线平行两轴任意角度两轴线垂直直对应轮赢径之传动比直径之比直径之比乘积比按绳轮速度一

32、传动方向输入输出转动方向相反同锥齿轮传动同齿轮齿条致判断传动角（或（）万缈且具体情况具体传动长度）（肝万一抬一分析妒（）常规结构；传动角大于需要改变方向两轴垂直，往圆周运动转变直线运适用范围的用在多级钢丝绳的传动；远距精密传动的中离传动复转动动，往复运动应用注意事弹簧的选择，考虑弹簧传动方向的判拐角处钢丝绳和轮的摩擦，转动惯量预紧方式的选择项断的弯曲半径的配平第页国防科学技术大学研究生院学位论文本文以卜研究的情况都以“”的变形结构为例，试验测试的传动结构也选用：两传动轮轴线平行，钢丝绳在小轮上缠绕两圈，角度小于石，在大轮上缠绕一圈，角度小于万，大轮上设计有预紧装置。下面就对这种传动结构的设计进

33、行分析。钢丝绳的选择与使用钢丝绳的缠绕和预紧钢丝绳的缠绕与预紧是钢丝绳精密传动中必须考虑的问题。合理的缠绕能增大钢丝绳与轮的摩擦力。保证传动的平稳和有效。有效的选择预紧方式，能保证传动中钢丝绳的张紧力，增大绳与轮的摩擦力，消除钢丝绳在传动轮上的滑移。缠绕方式 图，“”缠绕方式实物例钢丝绳精密传动中都应用“”字缠绕方法，这种缠绕方式可以增大两轮的包角，如图，所示，钢丝绳在传动轮上是交叉进出的，钢丝绳在小轮上可缠绕多圈来增大摩擦。在缠绕时要顺着有绳槽的方向，在绳槽设计时，要保证钢丝绳在两轮上的旋向是相反的。若旋向相同，钢丝绳交叉的部分也会紧压在一起，摩擦严重，传动轮无法自由转动，影响有效传动。传动

34、中的每组钢丝绳的缠绕都要相同，否则股与股之间也容易干涉、交叠。钢丝绳精密传动中，也可以采用开口式缠绕方式，如图所示，但这种缠绕包角小，会导致精密传动的刚度降低，从而降低传动精度，不提倡采用。第页国防科学技术大学研究生院学位论文钢丝绳精密传动中，也可以采用开口式缠绕方式，如图所示，但这种缠绕包角小，会导致精密传动的刚度降低，从而降低传动精度，不提倡采用。预紧方式（）弹簧秤预紧在装配时用弹簧秤拉紧钢丝绳，达到要预紧的拉力，用紧定螺钉固定，保持预紧力。这种方法只能一次施加预紧力，即使在系统运行中，可以定期用同样方法施加预紧力，但是不能时刻都施加预紧力、调整绳长。这种方法比较原始，成本低，适宜应用在精

35、度要求不高或试验的情况下（）碟形弹簧预紧钢丝绳精密传动属于挠性传动，挠性传动由于刚度的单方向性，在实际应用中常常要用力补偿或设置张紧机构才能防止传动的松弛。碟形弹簧是用钢板冲压成形的截锥形压缩弹簧，是一种刚度很大的压缩弹簧，能在很小的变形条件下，承受范围很大的载荷，加压均匀，具有独特的非线性弹性特性，而且体积小，重量轻，结构紧凑，外形美观。所以，选用碟形弹簧用于钢丝绳张紧装置，能自动调节张紧和缓冲减振。在应用中，把碟形弹簧和钢丝绳串联起来，对每根钢丝绳都设置一组碟簧张紧装置，通过调整与钢丝绳连接的螺杆的轴向位移来调节钢丝绳的张紧力。在运行中。碟形弹簧可以时刻都提供预紧力，就算钢丝绳长期在负载的

36、作用下产生一定的伸长量，预紧装置也可以吸收掉。当系统运行一段时间后，再调节螺杆的轴向位移来补充预紧力，还可以保持钢丝绳传动的高精度。（）蜗轮蜗杆预紧方式匦性体譬咤妥骁罄图新型预紧方式模型图这是一种便于调节钢丝绳张力预紧改进装置。将钢丝绳的两端分别固定在同轴的两个圆筒上，在传动中，两个圆筒是锁定的，这样就能使钢丝绳保持预先设定的张紧力。调节预紧力，先对两个圆筒解锁，向拉伸钢丝绳的方向转动它们增加预紧第页国防科学技术大学研究生院学位论文力，再锁定两圆筒。传统的这种预紧结构，都是采用固定螺钉来锁定两圆筒的，预紧工作很复杂，要改变钢丝绳的预紧力，就要解松固定螺钉，转动两圆筒达到所需要的预紧力，然后紧定

37、螺钉。这个过程很繁琐，而且可操作性不强，所以这种预紧方式迫切需要改进。改进后的装置采用蜗轮蜗杆来调整两圆筒的相互转动，如图所示，在内圆筒外壁上开蜗轮，外圆筒上安装蜗杆，这样只要用一个扳手转动蜗杆就可以实现相互转动了，蜗轮蜗杆传动还可以实现自锁，不再用紧定螺钉来锁定了，操作简单方便。端部固定方式、传统钢丝绳端部固定方法当钢丝绳直径较大时，可依照传统起重设备的钢丝绳端部固定方法来固定。具体方法有：编结法，楔形套筒固定法、锥形套筒固定法，绳卡固定法。具体可见参考文献。当传动中所选用的钢丝绳直径较大、传动轮上的空间允许时，可以选用这些端部固定方式。、压紧法在钢丝绳精密传动中，很多精密的机械系统钢丝绳的

38、直径都比较小，根据试验台的设计装配试验，将使用过的有效的几种端部固定的压紧方法列于下面：（）螺钉垫片压紧如图（）所示，用两垫片夹紧钢丝绳，用螺栓和螺母的螺纹配合来提供紧定的压力。装配时钢丝绳要穿过螺栓的孔，注意不要跑丝，孔可以比钢丝绳的直径大些，使装配方便。（）绳箍压紧设计钢丝绳绳箍，套在钢丝绳上，如图（）所示，钢丝绳穿过绳箍孔之后，用专门的钳子来把绳箍和钢丝绳压成图（）所示的形状，靠绳箍来压紧钢丝绳。在设计中，绳箍可选用铝合金的材料，在压紧的时候可以不需要太大的力，压紧时还要注意不要让绳箍的局部受力过大，以免将绳箍和钢丝绳截断。（）螺钉压紧如图所示，将钢丝绳垂直穿过螺筒，靠紧定螺钉和螺筒来压

39、紧钢丝绳。这种端部固定的方法还可以在固定后转动螺筒，让钢丝绳缠绕在螺筒上实现对钢丝绳的预紧。具体方法可结合蜗轮蜗杆预紧方式，把螺筒加工成蜗轮，再配置蜗杆来驱动蜗轮转动，实现对钢丝绳的拉伸预紧。第页蔽沁沁图钢丝绳端部固定结构图图螺钉压紧端部同定、微型钢丝绳专用的端部固定件常规的微型钢丝绳在应用中都有一些专用的端部固定件，供设计中选择使用，微型钢丝绳的销售商会提供常用的端部固定方案（如图所示），应用比较方便，可以酌情选用。有时应用的微型钢丝绳直径比较小，还需要订做。 鳘¨微型钢丝绳专的端部崮定件钢丝绳精密传动设计计算方法在设计中，选择了合理的缠绕、预紧和端部固定的方式，就可以根据传动机构

40、的尺寸参数和工作负载力矩选择钢丝绳的直径。本节将介绍钢丝绳精密传动的常规设计方法，给钢丝绳直径的选择提供一个依据。作用力计算钢丝绳精密传动设计中，要确定钢丝绳在运行中受的拉力来选择钢丝绳的种类和直径，预紧力是确定钢丝绳拉力的重要参数，按如下方法根据设计中的已知参数来确定预紧力。设传动的负载力矩为膨（单位：所），大轮的直径为（单位：珊历），为钢丝绳组数，则预紧力（单位）应为：（“）（）玎“一）“绳与轮的当量摩擦系数，例如，钢与铝的当量摩擦系数为；口主动轮全围包角（单位：弧度）。在传动中，紧边拉力和松边拉力与预紧力之间的关系如下：紧边拉力只（单位：）（钢丝绳最大拉力，钢丝绳选型参考拉力）；第页磊：

41、霸（）一十松边拉力（单位：）：昂万（）钢丝绳的选择在设计中，根据式（），带入传动机构的有关参数确定预紧力的大小，进而根据式（）、式（）确定松边拉力和紧边拉力，钢丝绳传动中受的紧边拉力即是最大拉力，根据紧边拉力来选择钢丝绳的种类和直径。表格钢丝绳选型设计方法计算式说明方法：钢丝绳最大工作静拉力（）按最大静拉力计算：选择因素（在选），见机械设计手册铜丝绳最小直径（所）方法：。由机构工作级别确定钢丝绳晟小安全按钢丝绳所在的机构的工作级别计算：因素（在选），见机械设计手册，。钢丝绳最小破断拉力（）。不同规格钢丝绳的最小破断拉力牵引绳的最小安全系数不得小于。在精密传动中对钢丝绳的选择，还要遵循一些矿山机

42、械中对钢丝绳的使用原则，设计传动轮时，其直径至少是钢丝绳直径的倍。钢丝绳的选择钢丝绳的选用钢丝绳是一种重要的空间螺旋结构制品，具有高强度柔软性和稳定可靠的特点，因而被广泛地应用于机械、建筑、交通、通讯和航空航天等领域。钢丝绳的种类很多，并都有其各自的特点，不同结构的钢丝绳适用于不同条件和场所。钢丝绳精密传动的精度一般要求较高，且钢丝绳的工作强度较大，钢丝绳受力比较复杂，所以对钢丝绳要求较严格。钢丝绳的理想结构应满足以下几项要求：（）钢丝绳和绳股捻制紧密；（）钢丝绳受力时，各钢丝的受力均匀，钢丝间的接触应力小；（）钢丝绳的编捻应力小；第页国防科学技术大学研究生院学位论文（）耐弯曲、疲劳性能高；（

43、）金属断面系数大；（）支撑表面大；（）钢丝绳的表面和绳股间应有耐磨损的特性；（）具有较高的耐腐蚀性能和耐热性能；（）有良好的柔软性。要求一种钢丝绳结构具备上述全部性能是很困难的。所以选择钢丝绳时，应按其使用条件和场所，使其满足最必要的性能。结合钢丝绳精密传动的实际情况和在试验中的应用经验，钢丝绳精密传动中钢丝绳往复运动，要经过反复弯折，容易断丝，工作循环次数较高，结构要求轻巧紧凑，弯曲部位的弯曲半径较小，钢丝绳受摩擦严重。所以选择时要求：钢丝绳和绳股的捻制紧密；钢丝绳受力时，各钢丝受力均匀，钢丝间的接触应力小；钢丝绳的编捻应力小；耐弯曲、疲劳性能高；有良好的柔软性和耐磨损的特性。钢丝绳的捻向选

44、择钢丝绕成股的方向和股捻成绳的方向相同的称同向捻，有左同向捻和右同向捻。方向不同称为交互捻，股右向捻绳左向称为左交互捻，反之印为右交互捻。交互捻绳的特点是僵性较大，使用寿命较低，但不容易松散和扭转。本文介绍的钢丝绳精密传动多应用同向捻绳，同向捻绳钢丝之间接触较好、表面比较光滑、挠性好、磨损小、使用寿命较长，适用于多次绕过滑轮的实际工作情况，但若不采用预变形处理，则易松散和扭转。钢丝绳的使用和维护汹钢丝绳精密传动对钢丝绳使用的强度较大，其中不利于钢丝绳维护和保养的因素如下；（）钢丝绳的缠绕方式直接影响钢丝绳的使用寿命，钢丝绳精密传动的缠绕方式是反复弯折，易造成疲劳，产生断丝，降低使用寿命。（）钢

45、丝绳的润滑对钢丝绳的使用寿命影响很大，有资料表明，对钢丝绳进行系统润滑，可使钢丝绳寿命延长倍。但是钢丝绳精密传动应用钢丝绳的摩擦力，特别是在小轮上缠绕的部分，是完全靠摩擦传动的，所以不能涂润滑油或润滑脂，所以在钢丝绳摩擦传动中不能用润滑来延长钢丝绳的寿命。（）钢丝绳精密传动的系统大都结构紧凑，钢丝绳缠绕复杂，系统运行后，钢丝绳做往复运动，特别是钢丝绳端部固定和预紧部位磨损更严重。基于以上的因素，钢丝绳摩擦传动对钢丝绳的应用是高强度的。在应用钢丝绳的过程中要把好每一关，才能保证系统的有效运行。下面对钢丝绳使用工作总结如第页国防科学技术大学研究生院学位论文；（）选择绳旋向根据右手定则来判断绳槽的旋

46、向，手指指向绳槽的旋转方向，拇指的指向向左就是左旋，反之就是右旋。当绳槽是左旋时就要选用右捻向的钢丝绳，反之当绳槽是右旋对就选用左捻向的钢丝绳。（）检验在应用钢丝绳时要对钢丝绳经常地进行检验，就钢丝绳的可见部分进行观察，以防损坏和断丝，要留心钢丝绳的端部固定部位，特别是采用压制或锻造的绳端固定装置更要仔细查看。由于预紧的需要，有时钢丝绳缠绕有很多小曲率半径的拐角部分，这些地方也是检查的重点。（）清理更换钢丝绳精密传动系统中，工作环境一般都比较清洁，可以较长时间才对工作环境清理一次。由于钢丝绳的使用量较小，清理后可直接更换钢丝绳，因为由于预紧力的长期作用，钢丝绳会产生塑性变形，所以要及时更换钢丝

47、绳以保证传动精度。绳槽的设计在钢丝绳精密传动中，钢丝绳与传动轮绳槽之间的作用力关系、两轮之间的绳槽匹配是保证有效传动的重要因素。在传动中，钢丝绳一直受传动轮绳槽的约束作用，两轮之间不同的绳槽匹配决定着绳在轮上不同的运动和受力情况，传动轮绳槽的合理设计是保证钢丝绳精密传动精度的前提条件。若两传动轮之间的绳槽匹配不合适，可能会导致传动轮和钢丝绳磨损严重，传动中有较大的噪音，无法保证传动精度，甚至造成钢丝绳折叠、脱槽，系统无法运行。本节将研究钢丝绳精密传动中绳槽的选择，结合设计制造的经验，加上理论分析来研究传动轮绳槽槽形及槽形匹配问题。钢丝绳在绳槽上的运动及受力分析目前应用的传动轮的槽形有种：一是无槽，二是平行槽，三是螺旋槽，四是矿山机械中常用的绳槽。以下就钢丝绳精密传动的实际情况分别对各种槽形进行分析。钢丝绳在无槽轮上的缠绕无槽就是传动轮上没有开槽，钢丝绳直接缠绕在圆柱形的传动轮上。钢丝绳在第页国防科学技术大学研究生院学位论文无槽的传动轮一卜紧密缠绕时，绳槽螺距就是钢丝绳的直径，小轮（大多为主动轮）采用这种槽形时，通常采用紧密缠绕，大轮用无槽轮时要根据小轮的情况定绳槽螺距，以下所分析的是钢丝绳的紧密缠绕情况。钢丝绳在轮上的轴向缠绕运动是靠前一圈钢丝绳的推挤来实现的。钢丝绳在无槽轮上的缠绕如图所示“。无槽轮无导向槽，绳从摆角转到螺旋缠绕状态时必然需有一段过渡导向段