机电一体化系统的机械传动

机电一体化系统设计攀枝花学院张祺

第二章机械系统部件的选择与设计（含工业机器人）

2.1机械系统部件设计要求1、机电一体化机械系统的特殊要求机电一体化的机械系统与一般机械系统相比，具有一定的特殊要求：(1）较高的定位精度精度直接影响产品的质量，尤其是机电一体化产品，其技术性能、工艺水平和功能比普通的机械产品都有很大的提高，因此机电一体化机械系统的高精度是其首要的要求。

（2）良好的动态响应特性—响应快、稳定性好。要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的任务之间的时间间隔短，这样控制系统才能及时根据机械系统的运行状态信息，下达指令，使其准确地完成任务。要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响，抗干扰能力强。(3）无间隙、低摩擦、低惯量、大刚度。（4）高的谐振频率、合理的阻尼比。2、主要措施和手段

（1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑件。如：滚珠丝杠副、滚动导向和支承、动静压导向和支承。（2）缩短传动链，提高传动与支承刚度。如：大扭矩、宽调速的伺服电动机；轴端预紧或预拉伸、滚珠丝杠副或滚动导轨副预紧消除间歇提高刚度。（3）选择合理（最佳）传动比，提高系统分辨率，减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能的提高系统的加速能力。（4）尽可能地减小或消除传动误差和反转误差、减少支承变形，最终缩小反向死区误差。（5）改进和合理设计支承件和机架结构，提高刚度、减少振动和噪音。

2.2机电一体化系统的机械结构及功能德国的排爆机器人（一）机械系统组成

1、传动结构：主要功能是传递能量和运动，是一种力、速度变换器。2、导向机构：支撑和限制运动部件按给定的运动要求和给定的运动方向运动，为机械系统中各运动装置安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障。

3、支承件：机座或机架是支承其他零部件的基础部件。它既承受其它零部件的重量和工作载荷，又起保证零件相对位置的基准作用。

三者功能总结：实现传递运动和动力，支撑和导向，联系机电一体化系统各部件并实现其构造功能。1、机械传动部件的主要功能是传递转矩和转速；

2、它的实质是一种转矩、转速变换器；

3、它的目的是使执行部件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。

4、对传动件的要求：间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递扭矩大。（二）常见的机械传动装置及功能常见传动动机构及及功能（三）丝杠螺母母机构基基本传动动形式1、含义2、分类3、特点（（优点、、缺点））滑动丝杠杠螺母机机构：结构简简单、加加工方便便、成本本低，且且有自锁锁功能，，但摩擦擦阻力较较大、传传动效率率低(30%~40%)。滚动丝杠杠螺母机机构：结构复复杂、成成本高、、无自锁锁功能，，但摩擦擦阻力小小、传动动效率高高（92%~98%）、传动动精度高高。4、丝杠杠螺母机机构传递递运动的的基本条条件1）滑动丝丝杠螺母母机构传传递运动动基本条条件：应有足够够的滑移移间隙和和充分地地润滑，，热胀冷冷缩补偿偿空间；；因而，，存在一一定的空空回间隙隙。2）滚珠丝丝杠螺母母机构传传递运动动的基本本条件：：应有足够够的润滑滑储油空空间和热热胀冷缩缩弹性补补偿能力力，可实实现无间间隙工作作；因而而，存在在一定的的表面应应力；为为了实现现连续运运转，需需一滚珠珠的回珠珠装置（（内或外外）。5、丝杠螺母母传动的的类型与与特点图a丝丝杠杠螺母机机构基本本传动形形式1)螺母固定定、丝杆杆转动并并移动如如图图a所示，该该传动形形式因螺螺母本身身起着支支承作用用，消除除了丝丝杆轴承承可能产产生的附附加轴向向窜动，，结构较较简单，，可获得得较高的的传动精精度。但但其轴向向尺寸不不易太长长，刚性性较差。。因此只只适用于于行程较较小的场场合。2)丝杆转动动、螺母母移动如如图b所示，该该传动形形式需要要限制螺螺母的转转动，故故需导向向装置。。其其特点是是结构紧紧凑、丝丝杆刚性性较好。。适用于于工作行行程较大大的场合合。3)螺母转动动、丝杆杆移动如如图c所示，该该传动形形式需要要限制螺螺母移动动和丝杆杆的转动动，由于于结构较较复杂且且占用轴轴向空间间较大，，故应用用较少。。图丝丝杠螺母母机构基基本传动动形式4)丝杆固定定、螺母母转动并并移动如如图d所示，该该传动方方式结构构简单、、紧凑，，但在多多数情况况下，使使用极不不方便，，故很少少应用。。图差差动传动动原理该方式的的丝杆上上有基本本导程(或螺距)不同的(如l01、l02)两段螺纹纹，其旋旋向相同同。当丝丝杆2转动时，，可动螺螺母1的移动距距离为S=n××(l01－l02)，如果两两基本导导程的大大小相差差较少，，则可获获得较小小的位移移S。因此，，这种传传动方式式多用于于各种微微动机构构中。（5）差动传传动方式式(四)、、滚动螺螺旋传动动1、滚珠珠丝杠副副的组成成及特点点（1）、滚滚珠丝杠杠副是一种新新型螺旋旋传动机机构，其其螺杆和和螺母的的螺纹滚滚道间置置滚珠，，当螺杆杆或螺母母传动时时，滚动动沿螺纹纹滚道滚滚动，使使螺杆和和螺母作作相对运运动时为为滚动摩摩擦，提提高了传传动效率率和传动动精度。。图滚滚珠丝丝杠副的的构成原原理1-反向器2-螺母3-丝杠4-滚珠（2）、、滚珠丝丝杠结构构组成工作说明明：滚珠丝丝杠转动动时，带带动滚珠珠沿螺纹纹滚道滚滚动，为为防止滚滚珠从滚滚道端面面掉出，，在螺母母的螺旋旋槽两端端设有滚滚道回程程装置，，构成滚滚珠的循循环返回回通道，，从而形形成滚珠珠流动的的闭合通通道。（3）、、滚珠丝丝杠的特特点滚珠丝杠杠副与滑滑动丝杠杠副相比比有如下下特点：：优点：①传动效效率高（（0.9～0.95））；②传动精精度高；；③摩擦小小、不易易磨损，，寿命长长；④运动的的可逆性性；⑤结构复复杂，工工艺性差差，成本本高。⑥轴向刚刚度高(即通过过适当预预紧可消消除丝杠杠与螺母母之间的的轴向间间隙)；；⑦运动平平稳。缺点：不能自锁锁，传动动可逆，，在用作作升降传传动机构构时，需需要采取取制动措措施。内循环单螺母式滚珠丝杠副2、滚珠珠丝杠副副的典型型结构类类型滚珠珠丝丝杠杠副副的的结结构构类类型型可可以以从从①螺纹纹滚滚道道的的截截面面形形状状、、②②滚滚珠珠的的循循环环方方式式和和③消除轴向间隙隙的调整方法法进行区别。。（1）、螺纹纹滚道型面(法向)的形形状及主要尺尺寸图螺纹滚道道法向截面形形状单圆弧滚道和和双圆弧滚道道的结构特点点单圆弧滚道：结构简单，存存在轴向间隙隙，加工质量量易于保证，，在使用双螺螺母结构的条条件下，具有有轴向间隙调调整和预紧能能力，传递精精度高。因此运行特性性不够稳定。。双圆弧滚道：结构简单，传传递精度由加加工质量保证证，轴向间隙隙小，无轴向向间隙调整和和预紧能力，，加工困难，，加工精度要要求高，成本本高，一般在在轻载条件下下工作。接触角在工作作过程中基本本不变。双圆弧滚道单圆弧滚道（2）、滚珠的循环方式图内循环工作原理在螺母2的侧面孔内装有接通相邻滚道的反向器4，利用反向器引导滚珠3越过丝杆1的螺纹顶部进入相邻滚道，形成一个循环回路。a,内循环方式（始终接触）特点：优：滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。

缺：反向器加工困难、装配调整也不方便。结构：实例：浮动式反向器器的循环内循循环滚珠丝杠杠副反向器1拱形片簧4弹簧套2优点：是在高频浮浮动中达到回回珠圆弧槽进进出口的自动动对接，通道道流畅、摩擦擦特性较好，，更适用于高高速、高灵敏敏度、高刚性性的精密进给给系统。b,外循环方方式1）螺旋槽式结构：在螺母2的外圆表面上上铣出螺纹凹凹槽，槽的两两端钻出两个个与螺纹滚道道相切的通孔，螺纹纹滚道内装入入两个挡珠器器4引导滚珠3通过这两个孔孔，应用套筒筒1盖住凹槽，构构成滚珠的循循环回路。结构的特点：：工艺简单、径径向尺寸小、、易于制造，，但是挡珠器器刚性差、易易磨损。2）插管式结构：用一弯管管1代替螺纹凹槽槽，弯管的两两端插入与螺螺纹滚道5相切的两个内内孔，用弯管管的端部引导导滚珠4进入弯管，构构成滚珠的循循环回路，再再用压板2和螺钉将弯管管固定。特点：插管式结构构简单、容易易制造。但是是径向尺寸较较大，弯管端端部用作挡珠珠器比较容易易磨损。3）端盖式结构：在螺母1上钻出纵向孔孔作为滚子回回程滚道，螺螺母两端装有有两块扇形盖盖板或套筒2，滚珠的回程程道口就在盖盖板上。滚道道半径为滚珠珠直径的1．4～1．6倍。特点：这种方式结结构简单、工工艺性好，但但滚道吻接和和弯曲处圆角角不易准确制制作而影响其其性能，故应应用较少。常常以单螺母形形式用作升降降传动机构。。3、滚珠丝杠杠副的主要尺尺寸参数4、滚珠丝杠杠副的精度等等级及标注方方法×螺纹旋向，右旋不标检查项目标号精度等级负载滚珠总圈数基本导程公称直径预紧方式（见各厂代号）循环方式（见各厂代号）外形结构特征（见各厂代号）（1）、精度度等级（2）、标注注方法3、尺寸系列4、推荐采用的的精度等级5、消除间隙隙和调整预紧紧1）、双螺母母螺纹预紧调调整式结构：螺母3的外端有凸缘缘，而螺母4的外端虽无凸凸缘，但制有有螺纹，并通通过二个圆螺螺母固定。原理：调整时旋转转圆螺母2消除轴向间隙隙并产生一定定的预紧力，，然后用锁紧紧螺母1锁紧。预紧后后两个螺母中中的滚珠相向向受力(如图b所示)，从而消除轴轴向间隙。特点：结构简单、、刚性好、预预紧可靠，使使用中调整方方便，但不能能精确定量地进行调整。。2）、双螺母母齿差预紧调调整式结构：两个螺母的的两端分别制制有圆柱齿轮轮3，二者齿数相相差一个齿，，通过二端的的两个内齿轮轮2与上述圆柱齿齿轮相啮合并并用螺钉和定定位销固定在在套筒1上。工作原理：调整时先取下下两端的内齿齿轮2，当二个滚珠珠螺母相对于于套筒同一方方向转动同一一个齿后固定定后，则一个个滚珠螺母相相对于另一个个滚珠螺母产产生相对角位位移，使二个个滚珠螺母产产生相对移动动，从而消除除间隙并产生生一定的预紧紧力。特点：可实现定量量调整即可进进行精密微调调(如0．002mm)，使用中调整整较方便。间隙的调整量量：3）、双螺母垫片调调整预紧式结构与原理：调整垫片1的厚度，可使使两螺母2产生相对位移移，以达到消消除间隙、产产生预紧拉力力之目的。特点：结构简单刚刚度高、预紧紧可靠，但使使用中调整不不方便。4）、弹簧式式自动调整预预紧式结构原理：双螺母中一一个活动、另另一个固定，，用弹簧使其其间始终具有有产生轴向位位移的推动力力，从而获得得预紧力。特点点：能消除使用用过程中因磨磨损或弹性变变形产生的间间隙，但其结结构复杂、轴轴向刚度低，，适合用于轻轻载场合。弹簧5）、单螺母母变位导程自自预紧式和单单螺母滚珠过过盈预紧式结构原理：在滚珠螺母母体内的两列列循环滚珠链链之间，使内内螺纹滚道在在轴向制作一一个的导程突变量，从而使二列列滚珠产生轴轴向错位而实实现预紧，预紧力的大小小取决于突变变量和单列滚滚珠的径向间间隙。特点：结构简单紧紧凑，但使用用中不能调整整，且制造困困难。图单螺母母变位导程预预紧式6、滚珠丝杠杠副支承方式式的选择（1）、支承承方式1）单推———单推式结构：止推轴承分分别装在滚珠珠丝杠的两端端并施加预紧紧力。特点：轴向刚度度较高，预拉拉伸安装时，，预紧力较大大；轴承寿命比双双推一双推式式低；2）双推一双推推式结构：两端分别安安装止推轴承与深沟球轴承的组合，并施施加预紧力，，其轴向刚度度最高。特点：该方式适合合于高刚度、、高转速、高高精度的精密密丝杠传动系系统。但随温度的升高会使丝丝杠的预紧力力增大，易造成两端支支承的预紧力力不对称。3）双推——简支式结构：一端安装止止推轴承与深深沟球轴承的的组合，另一一端仅安装深深沟球轴承，，其轴向刚度度较低，使用用时应注意减减少丝杠热变变形的影响。。特点：双推端可预预拉伸安装，，预紧力小，，轴承寿命较较高，适用于于中速、传动动精度较高的的长丝杠传动动系统。4）双推——自由式结构与特点：一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端悬空呈自自由状态，故轴向向刚度和承载载能力低，多多用于轻载、、低速的垂直直安装的丝杠杠传动系统。。（2）、轴承承的组合安装装支承示例（3）、制动动装置图超越离离合器1－外圈2－星轮3－滚柱4－活销5－弹簧2）常用的制动装装置有体积小小、重量轻、、易于安装的的超越离合器器。选购滚珠珠丝杠副时可可同时选购相相宜的超越离离合器。1）制动原因因：因滚珠丝杠杠传动效率高高，无自锁作作用，故在垂垂直安装状态态，必须设置置防止因驱动动力中断而发发生逆传动的的自锁、制动动或重力平衡衡装置。图电磁——摩擦制动装置置原理图3）制动实例A：结构组成B：制动原理运动部件摩擦离合器电磁线圈铁心7、滚珠丝杠杠副的密封与与润滑1-螺旋弹簧钢带式伸缩套管；2-波纹管密封套原因：滚珠丝杠副副可用防尘密密封圈或防护护套密封来防防止灰尘及杂杂质进人滚珠珠丝杠副，使使用润滑剂来来提高其耐磨磨性及传动效效率，从而维维持其传动精精度、延长其其使用寿命。。密封圈类型：接触式和非非接触式两种种，其装在滚滚珠螺母的两两端。非接触式密封封圈通常由聚聚氯乙烯等塑塑料制成，其其内孔螺纹表表面与丝杠螺螺纹之间略有有间隙，故又又称迷宫式密密封圈。接触式密封圈圈用具有弹性性的耐油橡胶胶或尼龙等材材料制成，因因此有接触压压力并产生一一定的摩擦力力矩，但其防防尘效果好。。常用的润滑滑剂有润滑油油和润滑脂两两类。润滑脂脂一般在装配配时放进滚珠珠螺母滚道内内定期润滑，，商使用润滑滑油时应注意意经常通过注注油孔注油。。防护套的形形式有折叠式式密封套、伸伸缩套管和伸伸缩挡板。其其材料有耐油油塑料、人造造革等。8、滚动螺旋旋传动的设计计计算（1）、滚珠珠丝杠副结构构的选择根据防尘防护护条件以及对对调隙及预紧紧的要求，可可选择适当的的结构形式。。例如，当允许有间隙隙存在时（如如垂直运动））可选用具有有单圆弧螺纹纹滚道的单螺螺母滚珠丝杠杠副；当必须有预紧紧或使用过程程中因磨损而而需要定期调调整时，应采采用双螺母螺螺纹预紧或齿齿差预紧式结结构；当具备良好的的防尘条件，，且只需在装装配时调整间间隙及预紧力力时，可采用用结构简单的的双螺母垫片片调整预紧式式结构。（2）、滚珠珠丝杠副结构构尺寸的选择择选用滚珠丝杠杠副时通常主主要选择的公公称直径d0和基本导程l0。①公称直径d0应根据轴向最最大载荷按滚滚珠丝杠副尺尺寸系列选择择。螺纹长度度ls在允许的情况况下要尽量短短，一般ls/d0小于30为宜宜；②基本导程l0应按承载能力力、传动精度度及传动速度度选取，l0大承载能力也也大，l0小传动精度较较高。要求传传动速度快时时，可选用大大导程滚珠丝丝杠副。（3）、滚珠珠丝杠副的选选择步骤选用时，必须须知道实际的的工作条件（（已知参量））：*最大的工工作载荷Fmax（或平均工作作载荷Fcp（N）作用下下的使用寿命命T（h））；*丝杠的长长度（或螺母母的有效行程程）l（mm）；*丝杠的转转速n（或平均转速速ncp）（r/min）；*滚道的硬硬度HRC及及丝杠的工况况。1）承载能力选选择计算作用于丝丝杠轴向最大大动载FQ，然后根据FQ值选择丝杠副副的型号。2）压杆稳定定性核算3）刚度的验算算（五）、齿轮轮传动1、齿轮传动动形式及其传传动比的最佳佳匹配1）、常用的的齿轮减速装装置传动形式式图常用减减速装置传动动形式2）齿轮传动动系总传动比比的确定P38在伺服系统中中,通常采用用负载角加速度度最大原则选择总传动比比,以提高伺伺服系统的响响应速度。传传动模型如图图2-1所示示。图中：Jm——电动机M转子的转动惯量；θm——电动机M的角位移；JL——负载L的转动惯量；；θL——负载L的角位移；TLF——摩擦阻抗转矩矩；i——齿轮系G的总传动比。。电机、传动装置和负载的传动模型根据传动关系系有式中:——电动机机的角位移、、角速度、角角加速度；——负载的的角位移、角速速度、角加速速度。在式(2-1)中,若改改变总传动比比i,则也随之之改变。根据据负载角加速度度最大的原则则,令,则解解得若不计摩擦,即TLF＝0,则(2-2)(2-2)TLF换算到电动机机轴上的阻抗抗转矩为TLF/i；JL换算到电动机机轴上的转动动惯量为JL/i2。设Tm为电动机的驱驱动转矩,在在忽略传动动装置惯量的的前提下,根根据旋转运动动方程,电动动机轴上的合合转矩Ta为：(2-1)式表明,得得到传动装置置总传动比i的最佳值的时时刻就是JL换算到电动机机轴上的转动动惯量正好等等于电动机转转子的转动惯惯量Jm的时刻,此时,电电动机的输输出转矩一半用于加速速负载,一半半用于加速电电动机转子,达到了惯性负负载和转矩的的最佳匹配。。齿轮系统的总总传动比确定定后，根据对对传动链的技技术要求，选选择传动方案案，使驱动部部件和负载之之间的转矩、、转速达到合合理匹配。若总传动比较较大，又不准准备采用谐波波、少齿差等等传动，需要要确定传动级级数，并在各各级之间分配配传动比。单级传动比增增大使传动系系统简化，但但大齿轮的尺尺寸增大会使使整个传动系系统的轮廓尺尺寸变大。可可按下述三种原则适当分级，并并在各级之间间分配传动比比。3）传动链链的级数和各各级传动比的的分配a、等效转动惯惯量最小原则则P40利用该原则所所设计的齿轮轮传动系统，，换算到电机机轴上的等效效转动惯量为为最小。齿轮系传递的的功率不同,其传动比比的分配也有有所不同。对于n级齿轮系,有有（P31））由此可见,各级传动比分分配的结果应应遵循“前小后大”的原则。（2-3）（2-4）（1）小功率传动动装置例2-1设有i=80,传传动级数n=4的小功率率传动,试试按等效转动动惯量最小原原则分配传动动比。解：验算i=i1i2i3i4≈80。若以传动级数数n为参变量,齿齿轮系中折折算到电动机轴上的的等效转动惯惯量Je与第一级主动齿齿轮的转动惯惯量J1之比为Je/J1,其变化与与总传动比i的关系如图2-3所示。。可利用Je/J1与i的关系确定传传动级数。图2-3小功率传动装装置确定传动动级数曲线(2)大大功率传动动装置大功率传动动装置传递递的扭矩大大,各级齿齿轮副的模模数、齿宽宽、直径等等参数逐级级增加,各各级齿轮的的转动惯量量差别很大大。大功率传动动装置的传动级数及及各级传动动比可依据图2-4、图图2-5、、图2-6来确定。。传动比分分配的基本本原则仍应应为“前小后大”。图2-4、、图2-5及图2-6的用法法参见例2-2。。图2-4大功率传动动装置确定定传动级数数曲线图2-5大功率传动动装置确定定第一级传动比曲线线图2-6大功率传动动装置确定定各级传动动比曲线例2-2设有i=256的的大功率传传动装置,试按等等效转动惯惯量最小原原则分配传传动比。解：查图2-4,得n=3,Je/J1=70；n=4,Je/J1=35；n=5,Je/J1=26。兼兼顾到Je/J1值的大小和和传动装置置的结构,选n＝4。查图2-5,得i1＝3.3。。查图2-6,在横坐坐标ik-1上3.3处处作垂直线线与A线交交于第一点点,在纵坐坐标ik轴上查得i2＝3.7。。通过该点作作水平线与B曲线相交得得第二点i3＝4.24。由第二点点作垂线与与A曲线相交得得第三点i4＝4.95。验算i1i2i3i4＝256.26。满足设计计要求。b、质量最最小原则（1）小功率率传动装置置对于小功率率传动系统统，使各级级传动比满满足：即可使传动动装置的重重量最轻。。上述结论对对于大功率率传动系统统是不适用用的，因其其传递扭矩矩大，故要要考虑齿轮轮模数、齿齿轮齿宽等等参数要逐逐级增加的的情况。（2）大功功率传动装装置大功率减速速传动装置置按质量最最小原则确确定的各级级传动比表表现为“前大后小”的传动比分分配方式。。减速齿轮传传动的后级级齿轮比前前级齿轮的的转矩要大大得多,同同样传动比比的情况下下齿厚、质质量也大得得多,因此此减小后级传传动比就相相应减少了了大齿轮的的齿数和质质量。大功率减减速传动装装置的各级级传动比可可以按图2-7和图图2-8选选择。图2-7大功率传动动装置两级级传动比曲曲线（i<10时,使用图中的的虚线）图2-8大功率传动动装置三级级传动比曲曲线（i<100时,使用图中的的虚线）例2-4设设n＝3,i＝202,求各级级传动比。。解：查图2-8可得得i1≈12，i2≈5，i3≈3.43、输出轴轴转角误差差最小原则则为了了提高机电电一体化系系统中齿轮轮传动系统统传递运动动的精度，，各级传动动比应按“先小后大”原则分配，，以便降低低齿轮的加加工误差、、安装误差差以及回转转误差对输输出转角精精度的影响响。图2-10四级减速齿齿轮传动链链以图2-10所示四级齿齿轮减速传传动链为例例。四级传传动比分别别为i1、i2、i3、i4,齿轮1~8的转角误差差依次为ΔΦ1~ΔΦ8。该传动链输输出轴的总总转动角误误差ΔΦmax为由式(2-7)可以以看出,如如果从输入入端到输出出端的各级级传动比按按“前小后大”原则排列列,则总总转角误差差较小,而而且低速速级的误差差在总误差差中占的比比重很大。。因此,要要提高传动动精度,就就应减少传动级级数,并并使末级齿齿轮的传动动比尽可能能大,制造造精度尽可可能高。4、三种原原则的选择择在设计齿轮轮传动装置置时,上述述三条原则则应根据具具体工作条条件综合考考虑。（1）对于于传动精度度要求高的的降速齿轮轮传动链,可按输出出轴转角误误差最小原原则设计。。（2）对于于要求运转转平稳、启启停频繁和和动态性能能好的降速速传动链,可按等效效转动惯量量最小原则则和输出轴轴转角误差差最小原则则设计。（3）对于于要求质量量尽可能小小的降速传传动链,可可按质量最最小原则设设计。总之，减速传动装装置传动比比的分配原原则是设计减速速器的指导导思想和基基本方法。。在实际减减速器设计计中，应结结合减速器器的具体要要求，认真真分析、论论证方案实实现的可行行性、经济济性、可靠靠性等指标标，并对减减速器的转转动惯量、、结构尺寸寸、精度要要求等进行行合理协调调，尽可能能达到合理理的匹配，，达到减速速器具有体积小小、重重量轻轻、运运转平平稳、、可频频繁启启动和和动态态特性性好、、传动动精度度高、、误差差最小小等基本本要求求。4）谐谐波齿齿轮传传动谐波齿齿轮传传动产产品图谐谐波波齿轮轮传动动组成成与原原理3（H）－波波形发发生器器1－刚轮轮2－柔轮轮【一】谐波发发生器器（简简称波波发生生器））……是凸轮轮（通通常为为椭圆圆形））及薄薄壁轴轴承组组成，，随着着凸轮轮转动动，薄薄壁轴轴承的的外环环作椭椭圆形形变形形运动动（弹弹性范范围内内）。。【二】刚轮……是刚性性的内内齿轮轮。【三】柔轮……是薄壳壳形元元件，，具有有弹性性的外外齿轮轮。1、结构构组成成2、工作作原理理波形发发生器器为主主动件件，刚轮或或柔轮轮为从从动件件。刚轮轮有内内齿圈圈，柔柔轮有有外齿齿圈，，其齿齿形为为渐开开线或或三角角形，，周节节相同同而齿齿数不不同，，刚轮轮的齿齿数Zg比柔轮轮的齿齿数Zr多几齿齿。柔柔轮是是薄圆圆筒形形，由由于波波形发发生器器的长长径比比柔轮轮内径径略大大，故故装配配在一一起时时就将将柔轮轮撑成成椭圆圆形。。工程上上常用用的波形发发生器器有两个个触头的即为为双波波发生生器，，也有有三个个触头头的。。具有有双波波发生生器的的谐波波减速速器，，其刚刚轮和和柔轮轮的齿齿数之之差为为Zg－Zr＝2。其椭椭圆长长轴的的两端端柔轮轮与刚刚轮的的牙齿齿相啮啮合，，在短短轴方方向的的牙齿齿完全全分离离。当当波形形发生生器逆逆时针针转一一圈时时，两两轮相相对位位移为为两个个齿矩矩。当当刚轮轮固定定时，，则柔柔轮的的回转转方向向与波波形发发生器器的回回转方方向相相反。。3、谐波波齿轮轮传动动比(钢轮固定定与柔轮轮固定)4、谐波齿齿轮减速速产品及及选用XB1最大回差（单位：角分）减速比机型（指柔轮内径，单位为mm）单级、卧式安装通用谐波减速器优点：①传动比比大（单单级传动动比可达达60～250）；②承载能能力强；；③传动精精度高、、回程误差差小；④传动效效率高；；⑤体积小小，重量量轻；⑥噪声低传传动平稳稳；⑦结构简单单。缺点：对材材料料、、加加工工、、热热处处理理要要求求把把高高，，散散热热条条件件差差，，转转动动惯惯量量大大。。4））齿齿轮轮传传动动间间隙隙的的消消除除措措施施(1)、、圆圆柱柱齿齿轮轮传传动动图偏偏心心轴轴套套式式消消除除间间隙隙结结构构1、偏偏心心环环2－电电液液脉脉冲冲马马达达（a））偏心心轴轴套套调调整整法法图带带锥锥度度齿齿轮轮的的消消除除间间隙隙结结构构1、3－齿齿轮轮2－垫垫片片（b））轴向向垫垫片片调调整整法法（（锥锥度度齿齿轮轮调调整整法法））（c））双片片薄薄齿齿轮轮错错齿齿调调整整法法圆柱柱薄薄片片齿齿轮轮周周向向弹弹簧簧错错齿齿调调整整法法1－弹弹簧簧2－短短柱柱3、4－齿齿轮轮A、周周向向弹弹簧簧式式（（不不用用于于功功率率驱驱动动））圆柱柱薄薄片片齿齿轮轮可可拉拉簧簧错错齿齿调调整整法法1,2－－薄薄片片齿齿轮轮3,8－－凸凸耳耳4－－弹弹簧簧5,6－－螺螺母母7－－调调整整螺螺钉钉B、周周向向可可调调拉拉簧簧式式2、斜斜齿齿轮轮传传动动齿齿侧侧隙隙的的消消除除方方法法。。斜齿齿薄薄片片齿齿轮轮垫垫片片错错齿齿调调整整法法1、、2－－薄薄片片齿齿轮轮3－－宽宽齿齿轮轮4－－垫垫片片（1）垫垫片片调调整整法法斜齿齿薄薄片片齿齿轮轮轴轴向向压压簧簧错错齿齿调调整整法法1、2－薄薄片片齿齿轮轮3－－宽宽齿齿轮轮4－键键5－－弹弹簧簧6－－螺螺母母（2）轴向压簧调调整法3、锥齿轮传动动锥齿轮轴向压压簧调整法1、4－锥齿轮2、3－键5－压簧6－螺母7－传动轴（1）轴向压簧调调整法锥齿轮周向弹弹簧调整法1－大片锥齿轮轮2－小片锥齿轮轮3－小锥齿轮4－镶块5－弹簧6－螺钉7－凸爪8－圆弧槽（2）轴向弹簧调调整法4、齿轮齿条传传动图齿轮齿齿条传动的齿齿侧隙消除法法1、6－小齿轮2、5－大齿轮3－齿轮4－预载力装置置7－齿条（六)、挠性性传动除滚珠丝杠副副、齿轮副等等传动部件之之外，机电系系统中还大量量使用同步齿齿形带、钢带带、链条、钢钢丝绳及尼龙龙等挠性传动动部件。1、同步带传动动同步带传动是是综合了普通通传动和链轮轮链条传动的的优点的一种种新型传动，，它在带的工工作面及带轮轮外周上均制制有啮合齿，，通过带齿于于与轮齿作啮啮合传动。为为保证带轮和和带作无滑差差的同步传动动，其齿形带带均采用了承载后无弹性性变形的高强力材料料，以保证带带的节距不变变。优点：①传动比准确确；②传动效率高高（0.98）；③传动平稳，，能吸振，噪噪声小。④能高速传动动，维护保养养方便，且不不需润滑，传传动功率（由由几瓦→几百百千瓦），速速度（可达50m/s）），速比（可可达10左右右）。缺点：安装精度要求求高、中心距距要求严格，，具有一定的的蠕变性，带带轮制造成本本高；同步带齿形：梯形齿形和和圆弧齿形。。图同步带的的结构1－加强筋；2－带齿；3－带背图带轮结结构2、钢带传动特点:钢带与带轮间间接触面积大大、无间隙、、摩擦阻力大大；无滑动、、结构简单紧紧凑、运行可可靠、噪声低低、驱动力大大、寿命长，，钢带无蠕变变。图a钢带传动定位位机构1－导杆；2－轴承；3－小车；4－导轨；5－磁头；6－钢带；7－步进电动机机高弹性模量的的弹簧钢3、绳轮传动优点:结构简单、传传动刚度大、、结构柔软、、成本低、噪噪声低等。缺点:带轮较大，安安装面积大、、加速度不易易太高。图绳轮传传动在打印机机字车送进机机构中的应用用1－字车；2－绳轮(电动机输出轴轴上)；3－伺服电动机机；4－钢丝绳（七）、间歇歇传动机电一体化系系统中常用的的间歇传动有有棘轮传动、、槽轮传动、、蜗形凸轮传传动等部件。。这些传动部部件可将输入入的连接运动动转化为间歇歇运动。其基基本要求是移移位迅速，移移位过程中运运动无冲击，，停位准确可可靠。图蜗形凸凸轮传动机构构1－转盘2－滚子3－蜗形凸轮1、蜗形凸轮传传动机构2、棘轮传动机机构图棘轮转转动工作原理理图齿式棘轮轮机构的形式式3、槽轮传动机机构图槽轮传动动机构工作原原理1－拨销盘；2－锁紧弧；3－槽轮；4－定位弧；5－拨销返回2.3导导轨支承部件件的选择与设设计一、导轨副的的定义、组成成、分类及其其应满足的要要求1、定义:支承和限制运动部件按给给定的要求和和规定的运动动方向运动，，这样的部件件通常称为导导轨副，简称称导轨。图导导轨副副组成1-承导件2-运动件2、组成3、分类（2）按接触面摩擦性性质分类（1）按运动形式分类：直线运动导轨副、、回转运动导轨副。。（4）按导轨的结构形式分类常用导轨副结结构示意图（3）按导轨的结构特点分类：开式、、闭式。表常用导导轨性能比较较4、导轨副应满满足的要求图直线运动动导轨的几何何精度（1）导向精度：指动导轨按按给定方向作作直线运动的的准确程度。。（2）刚度：抵抗载荷的的能力，有静静刚度与动刚刚度之分。（3）精度的保持性性：导轨保持精精度的能力，，取决于耐磨磨性。（4）运动的的灵活性和低低速运动平稳稳性。（5）对温度度的敏感性和和结构工艺性性。5、导轨副的设设计内容设计导轨应包包括下对几方方面内容：1)根据工作条件，选择合适的导轨类类型。2)选择导轨轨的截面形状，以保证导向精度度；3)选择适当当的导轨结构及尺寸，使其在给定定的载荷及工工作温度范围围内，有足够够的刚度、良好的耐磨性以及运动轻便和低速平稳性。4)选择导轨轨的补偿及调调整装置，经经长期使用后，通过调整整能保持所需要的导向精度；5)选择合理理的耐磨涂料、润滑方法和防护装置使导轨有良好好的工作条件件，以减少摩擦和磨磨损；6)制订保证导轨所必必需的技术条件，如选择适当的材料，以及热处理、精加工和测量方法等。二、滑动导轨轨副的结构及及其选择图导轨的的截面形状1、导轨副的截截面形状及其其特点（1）三角形导轨轨（2）矩形导轨（3）燕尾形导轨轨（4）圆形导轨2、导轨副的组合形式（1）双三角形导轨

（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3、导轨副间隙隙的调整图矩形导导轨垂直方向向间隙的调整整图矩形燕尾尾导轨水平间间隙的调整（1）压板（2）镶条法4、导轨副材料料的选择1）铸铁（灰口铸铁、、高磷铸铁、、低合金铸铁铁、稀土铸铁铁、孕育铸铁铁等）；2）钢（45钢、40Cr、T8A、T10A、GCr15、GCr15SiMn等）；3）有色金属（黄铜、锡青青铜、铝青铜、锌合金、超超硬铝、铸铝铝）；4）塑料（聚四氟乙烯烯等）；5）导轨材料的的搭配。5、提高导轨副副耐磨性的措措施1）采用镶装导轨①镶钢导轨轨②镶装塑料料导轨③镶装有色色金属导轨2）提高导轨的精精度与改善表面粗糙糙度3）减小导轨单位面积积上的压力（（即压强）三、滚动导轨轨副的类型与与选择1、直线运动滚滚动导轨副的的特点及要求求（1）优点：（2）缺点：（3）对该动导轨轨的基本要求求：导向精度、耐耐磨性、工艺艺性、刚度2、滚动导轨副副的分类不循环循环1循环2滚动轴承导轨轨四、静压导轨轨副工作原理理1、定义静压导轨是将具有一定定压力的油或或气体介质通通入导轨的运运动件与导向向支承件之间间，运动件浮浮在压力油或或气体薄膜之之上，与导向向支承件脱离离接触，致使使摩擦阻力（（力矩）大大大降低。3、特点优点：导轨运运动速度的变变化对油膜厚厚度的影响很很小；载荷的的变化对油膜膜厚度的影响响很小；液体体摩檫，摩檫檫系数仅为0.005左左右，油膜抗抗振性好。缺缺点：：导轨自身结结构比较复杂杂；需要增加加一套供油系系统；对润滑滑油的清洁程程度要求很高高。图闭式式液体静压导导轨工作原理理图2、工作原理2.4轴系系部件的选择择和设计一、轴系设计计的基本要求求1）旋转精度2）刚度3）抗振性4）热变形5）轴上零件的的布置机床主轴传动动齿轮空间布布置比较二、轴（主轴轴）系用轴承承的类型与选选择1、标准滚动轴轴承（1）深沟球轴承承（（2）双列向心短短圆柱滚子轴轴承（3）圆锥滚子轴轴承（（4）推力轴承双列向心短圆圆柱滚子轴承承圆锥滚子轴承承推力轴承表几种常常见主轴滚动动轴承配置型型式及其工作作性能2、非标滚动轴轴承非标滚动轴承承是适应轴承精精度要求较高高，结构尺寸寸较小或因特特殊要求而不不能采用标准准轴承时自行行设计的。有杯形外圈而而没有内圈碟形垫圈来消消除轴承间隙隙3、静压轴承图液体体静压轴承工工作原理油腔和轴节流器4、磁悬浮轴承承图磁悬浮浮轴承工作原原理磁悬浮轴承是是利用磁场力力将轴无机械械摩擦、无润润滑地悬浮在在空间的一种种新型轴承三、提高轴系系性能的措施施1、提高轴系的的旋转精度（1）轴向跳动的引起因素（2）径向跳动的引起因素（3）提高旋转精度的措措施（3点）2、提高轴系组组件的抗振性（1）强迫振动与自激振动的引起因素（2）提高抗振性性的措施（3）点3、其他方法如减小热变形形等。2.5机电电一体化系统统（产品）的的机座或机架架一、机座或机机架的作用及基本要求1、刚度与抗振振性2、热变形3、稳定性4、其它要求二、机座或机机架的结构设设计要点1、铸造机座的的设计要点（1）保证自身刚刚度措施：1）合理的截面面形状和尺寸寸2）合理布置筋筋板和加强肋肋3）合理的开孔孔和加盖（2）提高机座连连接处的接触触刚度（3）机座的模型型刚度试验（4）机座的结构构工艺性（5）材料2、焊接机架的的设计（接接头与坡口））2.6工工业机器人机机械构件简介介北京理工大学机器人“汇童”导游机器人机器人的开发发与使用（1）直角坐标式机器人具有三个移动关节，能使手臂末端沿直角坐标系的X、Y、Z三个坐标轴作直线移动。（3）球坐标式机器人具有两个转动关节和一个移动关节，构成球缺形状的工作范围。（2）圆柱坐标式机器人具有一个转动关节和两个移动关节，构成圆棒形状的工作范围。（4）关节坐标式机器人具有三个转动关节，其中两个关节轴线是平行的，构成较为复杂形状的工作范围。1、从整体结结构形式上可可将机器人分分为五种基本本坐标式机器器人它是一种装配配机器人，也也叫作SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm)机器人，在垂垂直平面内具具有很好的刚刚度，在水平平面内具有较较好的柔顺性性，故在装配配作业中能获获得良好的应应用，常常将将它专门列出出一类。（5）平面关节式机机器人可以看作是关关节坐标式机机器人的特例例，它具有平平行的肩关节节和肘关节，，关节轴线共共面。图机器人机机械结构组成成1-手部；2-手腕；3-手臂；4-机座二、工业机器器人机械结构构构成1、分类（1）按手臂的结结构形式区分分单臂、双臂及悬挂式。（一)手臂作用：将被抓取的的工件运送到到给定的位置置上。图手臂的结结构形式（a）、（b）—单臂式；（c）—双臂式；（d）—悬挂式（2）按手臂的运运动形式区分分直线运动手臂，如手臂臂的伸缩、升升降及横向(或纵向)移动；回转运动手臂，如手臂臂的左右回转转，上下摆动动(即俯仰)；复合运动手臂，如直线线运动和回转转运动的组合合，两直线运运动的组合，，两回转运动动的组合。图铰接活塞塞缸实现手臂臂俯仰运动的的结构示意图图1－手部2－夹紧缸3－升降缸4－小臂5、7－铰接活塞缸缸6－大臂8－立柱3、臂部设计的的基本要求（1）刚度要求高高（2）导向性要好好（3）重量要轻（4）运动平稳、、定位精度要要高2、设计手臂结结构形式的依依据手臂的结构、、工作范围、、灵活性以及及抓重大小(即臂力)和定位精度都都直接影响机机器人的工作作性能，所以以必须根据机机器人的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度以及定位精度的要求。（二）手腕1、涵义工业机器人的的腕部是联接手部与臂臂部的部件，起支承手部的的作用。机器人一般般其有六个自自由度才能使使手部(末端操作器)达到目标位置置和处于期望望的姿态，手腕上的自由由度主要起实实现所期望的的姿态。2、手腕的分类类（1）手腕按自由度数目来分，可分为为单自由度手手腕，二自由由度手腕，三三自由度手腕腕。（2）按驱动方式分为直接驱动动手腕、远距距离传动手腕腕。腕部实际际所需要的自自由度数目应应根据机器人人的工作性能能要求来确定定。图手腕的的自由度(a)手腕的翻转Roll(b)手腕的傅仰Pitch(c)手腕的偏转Yaw(d)腕部坐标系（1）自由度为了使手部能能处于空间任任意方向，要要求腕部能实实现对空间三三个坐标轴X、Y、Z的转动，即具具有翻转、俯仰和偏转三个自由度，，如下图所示示。通常也把把手腕的翻转转叫做Roll，用R表示；把手腕腕的俯仰叫做做Pitch，用P表示；把手腕腕的偏转叫做做Yaw，用Y表示。3、手腕的自由由度与设计（2）手腕设计注注意事项在有些情况下下，腕部只有有两个自由度度——翻转和俯仰或或翻转和偏转转。一些专用用机械手甚至至没有腕部。。但有的腕部部为了特殊要要求还有横向向移动自由度度。因为手腕腕是安装装在手臂臂的末端端，所以以手腕的大大小和重量是手腕设设计时要要考虑的的关键问问题，希希望能采采用紧凑凑的结构构，合理理的自由由度。手腕（三）手手部1、概述（1）含义工业机器器人的手手部（hand）也叫末末端操作作器（End－Effector），它是是在工业业机器人人腕部上上直接抓抓握工件件或执行行作业的的部件。。人的手有有两种含含义：第第一种是是医学上上把上臂臂、手腕腕在内的的整体叫叫手；第第二种是是把手掌掌和手指指叫手。。工业机机器人的的手部含含义接近近于第二二种含义义。（2）工业机机器人手手部的特特点1）手部与与腕部相相连处可可拆卸。。2）手部是是工业机机器人的的末端操操作器。。3）手部的的通用性性比较差差。4）手部是是一个独独立的部部件。多指灵巧手2、手部的的分类（1）按用途途分1）手爪具有一定定的通用用性，它它的主要要功能是是：抓住工件，握持工件，释放工件。抓住——在给定的的目标位位置和期期望姿态态上抓住住工件，，工件在在手爪内内必须具具有可靠靠的定位位，保持持工件与与手爪之之间准确确的相对对位姿，，以保证证机器人人后继作作业的准准确性。。释放——在指定点点上除去去手爪和和工件之之间的约约束关系系。握持——确保工件件在搬运运过程中中或零件件在装配配过程中中定义了了的位置置和姿态态的准确确性。专用工具：喷枪、焊枪2）工具（2）按夹持持原理分分手爪按夹夹持原理理分类(3)按手指或或吸盘数数分1）按数目可分为：：二指手手爪、多多指手爪爪。2）机械手手爪按关节分：单关关节手指指手爪和和多关节节手指手手爪。柔性手指指手爪3）吸盘式式手爪按吸盘数数目分：单吸吸盘式手手爪、多多吸盘式式手爪。。(4)按智能化化分（1）普通式手爪。这种手爪爪不具备备传感器器。（2）智能化手爪手爪具备备一种或或多种传传感器，，如力传传感器、、触觉传传感器、、滑觉传传感器等等，手爪爪与传感感器集成成成为智智能化手手爪(IntelligentGrippers)。（四）机机身及行行走机构构具有行走走机构的的工业机机器人1、机身设设计（1）回转与升降机身链条链轮传动实现机身回转的原理图弧焊机器人（2）回转与与俯仰机机身回转与俯俯仰机身身示意图图20公斤点焊机器人2、行走机机构设计计（1）固定轨轨道可移移动机器器人该类机器器人机身身底座安安装在一一个可移移动的拖拖板座上上，靠丝丝杠螺母母驱动，，整个机机器人沿沿丝杠纵纵向移动动。除了了这种直直线驱动动方式外外，还有有类似起起重机梁梁行走方方式等。。这种可可移动机机器人主主要用在在作业区区域大的的场合，，比如大大型设备备装配，，立体化化仓库中中材料搬搬运，材材料堆垛垛和储运运，大面面积喷涂涂等。搬运机器人（2）无轨行行走机器器人无轨行走走机器人人必须具具备功能能完备的的外部传传感器，，能对环环境进行行了解和和判断，，能对环环境中发发生的事事件进行行监视和和反应，，机器人人具备自自我规划划能力，，包括任任务分解解，任务务排序，，信息资资源管理理，以及及几何规规划等。。（例如如）“土拨鼠”（右）和“野牛”（左）排爆机器人1）轮式、、履带式式月球车在月球2）自动导导航式我国“探索者”号无缆水水下机器器人在西西沙群岛岛附近海海域成功功地潜到到水下1000m深处，整整体功能能和主要要技术指指标均达达到国际际90年代先进进的同类类水下机机器人水水平。该该机器人人推进器器行走，，最大前前进速度度为4节，续航航能力为为6小时，主主要从事事水下工工程、海海洋石油油及矿产产资源开开发、海海洋科学学考察及及打捞救救生等作作业。“探索者号号”水下1000米机器人人（3）步行机机器人步行机器器人是非非常活跃跃的一个个研究领领域。轮式行走走机器人人在平地地上行驶驶比较方方便，履履带式行行走机器器人可以以在泥泞泞道路上上和沙漠漠中行驶驶，而与与人类腿腿十分相相似的步步行机器器人具有有它们无无可此拟拟的优点点，比如如能上下下楼梯、、跨越沟沟渠和障障碍、能能上陡坡坡、立地地转身等等等。步步行机器器人可以以根据足足的多少少来分类类：二足10自由度步步行机器器人1）二足步步行机器器人双足步行机器人在爬楼梯2）四足、、六足及及多足步步行机器器人四足步行行机器人人的平行行几何模模型六足缩放放式腿步步行机器器人机器蜘蛛第六节机机械械系统特特性1、系统的的输入与与输出(运动变换换)一、系统统的描述述及其传传递函数数图系系统的输输入与输输出框图图——线性系统统的运动变变换2、线性变变换运动动系统动动态特性性图机机构特性性的一般般表示X(s)/Fx(s)=1/[(Jm+JL/i2)s2]——动态特性性传递函函数3、非线性性变换运运动系统统动态特特性传递递函数（（用微分分方程表表示）其中：电机机械械力传动部分分机械力力二、变换换机构及及其运动动变换分分析1、齿轮传传动机构构及其运运动变换换3、回转-直线（或或直线-回转）2、挠带传传动机构构及其运运动变换换4、平面机机构运动动分析三、机构构静力学学特性机构静力力学所研研究的问问题是：：①机构构输出端所所受负载载（力或转转矩）向输入端端的换算算；②机构构内部的摩擦力（或转矩矩）对输入端的影响；；③求由由上述各各种力或或重力加加速度引引起的机构内部部各连杆杆、轴承承等的受受力。1、负载力力（或转转矩）向向输入端端的换算算（1）单输入入/单输出系系统力的变换换关系：：利用输入入功与输输出功相相等（忽忽略内部部损失））（2）多输入入/多输出系系统输入力（（或转矩矩）转转换关系系：由于δф1、δф2、……δфn相互独立立，对第第i个输输入有：：2、机构内内部摩擦擦力的影影响（1）线性变变换机构构滑动丝杠杠变换机机构Tx＝Fxr0＝Fyr0tan（β＋ρ）（2）非线性性变换机机构图曲柄柄滑块机机构运动变换换：力等式：：四、机构构动力学学特性1、平面运动机构构要素的的动态力力及动态态转矩刚体平面面运动的的动力学学动态力：：动态力矩矩：2、空间运动机构构要素的的动态力力及动态态转矩刚体空间间运动的的动力学学动态力矩矩：动态态力力：3、拉格朗朗日方法法（1）拉格格朗日日函数数（2）拉格格朗日日方程程（3）用拉拉格朗朗日法法建立立系统统动力力学方方程的的步骤骤（A）选取取坐标标系，，选定定完全全而独独立的的广义义关节节变量量qi（i＝1，2，…，n）。