第二章机械受控模块

1、第二章 机械受控模块 齿轮及蜗杆副 滚珠丝杠螺母副 谐波齿轮减速器 轴系 导轨及支承件 并联机构 数学模型和设计要求第一节 齿轮系及蜗杆副 机械传动主要的三种形式： 1.齿轮、蜗杆传动 2.丝杠螺母传动 3.谐波传动第一节 齿轮系及蜗杆副 齿轮系及蜗杆副工作可靠、传动比恒定、结构成熟，但制造复杂。 主要精度要求：瞬时传动比不变 分类： 直齿轮、斜齿轮、人字齿轮等 各种用途和特点 蜗轮蜗杆副在一定意义上可看成一种特殊的齿轮第一节 齿轮系及蜗杆副 蜗轮蜗杆副： 只传递空间垂直交错轴之间的回转运动。 蜗杆为传动副的主动构件，蜗轮为从动件。（单包、双包） 蜗杆副为线接触，可传递较大功率，传动比大。优点

2、： 传动平衡、噪声小、可自锁，但传动效率低，功率损失较大。第一节 齿轮系及蜗杆副第一节 齿轮系及蜗杆副 齿轮传动比最佳分配条件 用于：伺服系统的减速增矩 要求：转动惯量尽可能小 原则：最小等效转动惯量 动能守恒定律：2211221122J nJn第一节 齿轮系及蜗杆副 齿轮传动比最佳分配条件 可使转动惯量最小的 和 的关系式：由于 1，近似为：1i2i41212ii1i2122ii第一节 齿轮系及蜗杆副 上式同样适用于多级减速装置 齿轮传动的总等效惯量随着传动级数增加而减小，但传动效率随着传动级数增加而降低，齿隙和摩擦的来源也随之增加。 结构上，满足强度的前提下，尽可能把齿轮做小，选用轻质合金

3、以及采用在齿轮上开孔等措施 随转矩逐级增大相应各级齿轮的模数、齿宽，尺寸大小也应逐级增大。第一节 齿轮系及蜗杆副 齿轮副间隙的消除 1.刚性调整法 调整中心距法、选择装配法、带锥度齿轮法以及斜齿轮法。 2.柔性调整法 在双齿轮中间加入弹性元件，使双齿分别贴紧其啮合轮齿的两侧，以消除啮合间隙。第一节 齿轮系及蜗杆副 齿轮副间隙的消除 多级传动时，负载轴上的总间隙后级的间隙比前级的间隙影响大！1111 21.nnnniiii第二节 滚珠丝杠螺母副 分类： 普通滑动摩擦、滚动摩擦、液浮摩擦型和电螺母丝杠型。 优点： 磨损小、传动效率高、传动平衡、寿命长、精度高、温升低等。 不足： 不能自锁，结构复杂

4、、成本偏高，传动的距离和速度有限。 第二节 滚珠丝杠螺母副第二节 滚珠丝杠螺母副 结构类型 外循环插管式：结构简单，制造容易，但径向尺寸大，耐磨性和抗冲击性差。 内循环反向器式：摩擦小，效率高，径向尺寸小，但制造成本较高。 第二节 滚珠丝杠螺母副 间隙消除及预紧方法： 1.双螺母齿差式 精度高，预紧准确可靠，不易松动，调整方便。 2.双螺母螺纹式 结构简单，但较难控制，容易松动，准确性和可靠性差。 3.双螺母垫片式 结构简单，拆卸方便，工作可靠，刚性好；但使用中不便于随时调整，调整精度较低。 4.单螺母变位导程自预紧式 结构最简单、尺寸最紧凑，且价格低廉，但不便于随时调整。第二节 滚珠丝杠螺母

5、副 支承结构形式 主要要求：约束丝杠的轴向窜动和径向摆动。 1.两端固定（双推双推，F-F） 结构刚度最高，预拉伸后可减少丝杠自重变形和补偿热变形，使刚度更高，适用于高精度高刚度的工作条件。但结构复杂，工艺困难，成本最高。 2.一端固定一端游动（双推简支，F-S） 留给丝杠膨胀的余地 3.两端均为单向推力（单推单推，J-J） 可根据预计温升产生的膨胀量，进行预拉伸 4.一端固定一端自由（双推自由，F-O） 适用于较短和竖起安装的丝杠第三节 谐波齿轮减速器第三节 谐波齿轮减速器 依靠柔性轮产生的可控变形波引起的齿间的相对错齿传递动力和运动。 分为：连续作用式和脉冲作用式 脉冲作用式又分为液动式波

6、发生器、气动式波发生器和电磁式波发生器。第三节 谐波齿轮减速器 谐波齿轮传动的特点 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.运动平衡，无冲击，噪声小。 5.齿侧间隙可以调整 6.可实现向密闭空间传递运动和动力 7.可实现高增速运动 8.方便地实现差速传动第三节 谐波齿轮减速器 传动刚度 消除传动间隙： 1.采用无间隙花键、过盈配合、销钉等方式联结柔轮和轴 2.将齿轮按照无间隙加工，由于存在柔性构件，这种无齿隙啮合传动不会有任何问题。谐波齿轮传动速比刚轮固定柔轮固定波发生器固定1. 两项输入，一项输出第三节 谐波齿轮减速器

7、 谐波齿轮减速器的选用 谐波齿轮减速器已有系列化的产品，按国家标准，单级谐波传动减速器的产品型号由系列代号、规格型号和精度等级三部分级成。第三节 谐波齿轮减速器第四节 轴 系轴系的组成及主要要求 轴系由轴、轴颈、轴承以及轴上的传动件等组成，分为一般传动轴和工作主轴。主轴的主要要求包括： 1. 回转精度含轴向精度； 2. 静刚度； 3. 动特性； 4. 热特性。第四节 轴 系滚动摩擦支承轴系标准滚动轴承 圆锥滚子轴承、双向推力角接触球轴承、角接触球轴承等。2. 新型滚动轴承 密集滚球轴承、变预紧力轴承、转盘轴承。第四节 轴 系 滑动摩擦支承轴系1. 液体动压支承2. 气体动压支承3. 液体静压支

8、承4. 气体静压支承第五节 导轨及支承件 导轨副：用于引导运动部件走向，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。 包括：运动导轨和支承导轨第五节 导轨及支承件 导轨副的性能要求：导向精度、接触精度、接触刚度、精度保持性以及低速运动稳定性（即摩擦特性） 分类： 按运动导轨的轨迹分；按摩擦性质分；按导轨副结构分。第五节 导轨及支承件 滑动导轨第五节 导轨及支承件 滚动导轨 配对导轨间由滚动体隔开，导轨面不直接接触，运动时与滚动体产生滚动摩擦，摩擦阻力和磨损相对较少，但结构相对复杂些，刚度和承载能力不及滑动导轨，且对脏物敏感，需有良好防护。第五节 导轨

9、及支承件 滚动导轨 分类 ：按其滚动类型分为滚珠式，滚柱/滚针式。 滚珠式结构简单紧凑，制造容易，成本较低；点接触，刚度和承载能力相对较低，适合载荷不大的情况下使用。 滚柱式可多向受力，为线接触，刚度承载能力较大，导向性好，但对导轨面的平行度较敏感。第五节 导轨及支承件 滚动导轨 分类：接运动形式分为循环式和非循环式 循环结构中行程不受导轨上滚动体数目的限制。 非循环结构运动行程将受到导轨上滚动体数目的限制，用于行程不大的场合。第五节 导轨及支承件 非循环式滚动导轨的设计计算 已知：载荷F，行程l,导向精度和导轨寿命等 求解：滚动体直径d，滚柱长度lr滚动体的数目z等第五节 导轨及支承件 非循

10、环式滚动导轨的设计计算 直径d:大可以减小摩擦阻力，提高刚度和承载能力，减少接触应力，延长寿命。 数目z：不少于1216个，z过少会降低导轨的刚度和承载能力，z过多和lr过长，也会由于制造误差而带来对导轨刚度和导向精度的影响。第五节 导轨及支承件 阻尼及其影响 起因：1.由于表面不平度的弹性和塑性变形产生的材料阻尼； 2.起因于在表面极限区周围运动的摩擦阻尼。 3.挤压薄膜效应第五节 导轨及支承件 支承件 包括：机身、基座、支柱及横梁等。 主要功能：支承固定连接件，或者相对运动的部件。 静刚度：静刚度等于支承件产生的静变形与承受的静载荷之比。 机械共振 热变形第六节 并联机构 定义： 具有多个

11、运动自由度，且驱动器分配在不同环路上的闭式多环机构被称为并联机构。第六节 并联机构 主要优点： 刚度高，承载能力与整机质量比大 移动部件质量轻，可获得很高的动态特性，容易实现高速、高加速度的运动 不存在误差累计，可获得较高的运动精度 零件标准化程度高，易于实现模块化设计 作业空间与机器尺寸比小主要缺点：1. 灵活性较差，运动平台的倾斜角度较小2. 在作业空间内部存在杆件干涉和奇异位形的危险。第七节 数学模型和设计要求 数学模型 1.广义执行机构的运动方程式：能量方程式、力矩和力方程式 2.广义执行机构的动力学方程式第七节 数学模型和设计要求 参数设计要求 1.足够高的谐振频率 2.高刚度和低转速转动惯量 3.适当的阻尼比 4.尽可能小的传动间隙