第2章-机械机构与系统课件

华北电力大学Monday,October2,2023机电一体化系统设计第二章机械机构与系统

本章教学目标及要求：机电一体化系统对机械传动系统部件的要求；滚珠丝杠的传动与间隙调整；齿轮（谐波齿轮）传动与间隙调整；导轨副的选择与间隙调整；旋转支承部件的选择；机械系统的精度2.1机电系统机械设计技术概述

现代机械：由计算机信息网络协调与控制的、用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和（或）机电部件一体化的机械系统。（ASME，美国机械工程师学会）在机电一体化产品中广泛采用伺服技术和计算机控制技术，每一个机械运动都可单独由控制电动机、传动机构和执行机构组成子系统来完成，而各个子系统之间的运动协调则由计算机来实现。2.1机电系统机械设计技术概述

机电一体化系统中的机械设计要遵循机电结合、机电互补的原则，满足高精度、快速响应速度和稳定性的要求。主要包括两大部分的内容：一是机械传动装置的设计，一是机械结构的设计。机械设计技术机械传动装置设计机械结构设计滚珠丝杠传动无侧隙齿轮传动谐波齿轮传动同步齿形带传动膜片弹性联轴器导轨设计支承装置主轴组件设计2.1.1机电一体化机械系统的要求

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。（2）良好的动态响应特性。

——响应快、稳定性好。（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。

这表明了机械系统部件选择与设计时的特点和要求。

要达到上述要求，在机电一体化系统机械系统设计中，可采取的主要措施：

（1）低摩擦。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）短传动链。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。

在机电一体化机械系统设计中的主要措施和手段：（3）最佳传动比。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）反向死区误差小。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）高刚性。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。传动机构要适应三个方面技术要求：

高精度：影响产品的性能和可靠性

高速化：影响产品工作效率的高低小型化、轻量化：提高运动灵敏度（响应性）、减小冲击、降低能耗机电一体化机械系统主要包括以下三大部分机构：（1）传动机构，机电一体化机械系统中的传动机构不仅仅是转速和转矩的变换器，而是已成为伺服系统的一部分，它要根据伺服控制的要求进行选择设计，以满足整个机械系统良好的伺服性能。（2）导向机构，其作用是支承和导向，为机械系统中各运动装置能安全、准确地完成其待定方向的运动提供保障。（3）执行机构，它是用以完成操作任务的。执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的操作。2.1.2机电一体化机械系统的构成2.2机械传动机构常用传动部件：螺旋传动、齿轮传动、同步齿形传动、高速带传动，及各种凸轮、连杆其它非线性传动元件。其主要功能是传递转矩和转速。因此，它实质上是一种转矩、转速变换器。目的是使执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。2.2机械传动装置概述一、传动装置功能功能：传递运动（速度、位移）和动力（力、力矩）增速或减速；变速；改变运动规律或形式动力机的动力传递给执行机的驱动力(力矩）螺旋传动：改变运动形式和动力形式；

齿轮传动：改变运动方向、改变速度/动力大小；

同步带传动：改变运动方向、改变速度/动力大小；二、传动装置的类型啮合传动(齿轮传动、齿形带传动)摩擦传动(带传动、钢丝绳传动)推动传动(凸轮连杆机构)机械传动液压传动气压传动液力传动流体传动交流电力传动直流电力传动交、直流电力传动电力传动磁力传动按工作原理分转速恒定传动转速可调传动按输出速度情况分为：

“齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器”一、齿轮传动系统的总传动比及其分配设计机电一体化齿轮传动系统，主要是研究它的动力学特性。2.2.1齿轮传动

1.最佳总传动比由于负载特性和工作条件的不同，最佳传动比有各种各样的选择方法。在伺服电动机驱动负载的传动系统中常采用使负载加速度最大的方法。

2．总传动比分配齿轮系统的总传动比确定后，根据对传动链的技术要求，选择传动方案，使驱动部件和负载之间的转矩、转速达到合理匹配。若总传动比较大，又不准备采用谐波、少齿差等传动，需要确定传动级数，并在各级之间分配传动比。单级传动比增大使传动系统简化，但大齿轮的尺寸增大会使整个传动系统的轮廓尺寸变大。可按下述三种原则适当分级，并在各级之间分配传动比。2.2.1齿轮传动

复习：转动惯量的计算：（单位：kg·m2）

(1)圆柱体转动惯量

(2)直线移动工作台折算到丝杠上的转动惯量

（5)相邻两轴，后轴向前轴转动惯量的折算

(3)齿轮齿条传动时工作台折算到小齿轮轴上的转动惯量

(4)工作台折算到钢带传动驱动轴上的转动惯量(1)最小等效转动惯量原则利用该原则所设计的齿轮传动系统，换算到电机轴上的等效转动惯量为最小。2.2.1齿轮传动

如右图，若不计轴和轴承的转动惯量，则根据系统动能不变的原则，等效到电机轴上的等效转动惯量为：2.2.1齿轮传动因为：所以：即：令可得同理,对于n级齿轮系,则有：

由此可见,各级传动比分配的结果应遵循“前小后大”的原则。

例2-1设有i=80,传动级数n=4的小功率传动,试按等效转动惯量最小原则分配传动比。 解 验算I=i

1

i

2

i

3

i

4≈80。(2)重量最轻原则

对于小功率传动系统，使各级传动比满足，即可使传动装置的重量最轻。上述结论对于大功率传动系统是不适用的，因其传递扭矩大，故要考虑齿轮模数、齿轮齿宽等参数要逐级增加的情况，此时应根据经验、类比方法以及结构紧凑之要求进行综合考虑。各级传动比一般应以“先大后小”原则处理。2.2.1齿轮传动(3)输出轴转角误差最小原则

为了提高机电一体化系统中齿轮传动系统传递运动的精度，各级传动比应按“先小后大”原则分配，以便降低齿轮的加工误差、安装误差以及回转误差对输出转角精度的影响。设齿轮传动系统中各级齿轮的转角误差换算到末级输出轴上的总转角误差为，则式中：:第个齿轮所具有的转角误差；

:第个齿轮的转轴至第级输出轴的传动比。则四级齿轮传动误差()换算到末级输出轴上的总转角误差为：2.2.1齿轮传动由式可以看出：总转角误差主要取决于最末一级齿轮的转角误差和传动比的大小。因此,要提高传动精度,就应减少传动级数,并末级齿轮的传动比尽可能大,制造精度尽可能高。小结：齿轮传动传动链的级数和级比的选择

总原则：尽量采用较大传动比的单级传动配置传动比的目的：满足驱动元件与负载之间的位移、速度、加速度、传动精度（误差）相互匹配的基本要求。多级传动时，遵循如下的原则：1、最小等效转动惯量原则

传动比i的分配先小后大，级数越多等效转动惯量越小，但级数太多时，结构复杂化，并且等效转动惯量降低不明显。2、输出轴转角误差最小原则

传动比i的分配先小后大，并且提高末一级齿轮副的精度，使输出轴转角误差最小。3、重量最轻原则小功率传动时，i的分配各级相等；大功率传动时，i

的分配先大后小。对数减少传动精度提高

4.三种原则的选择

结合可行性、经济性对转动惯量、结构尺寸和传动精度提出适当要求。要求体积小、重量轻的齿轮：采用重量最轻的原则要求运动平稳、起停频繁和动态性能好的轮系：采用最小转动惯量原则、输出轴转角误差最小原则提高传动精度和减小回程误差为主的轮系：转角误差最小原则较大传动比：采用定轴轮系和行星轮系结合，且要求传动精度、效率、平稳、轻小：谐波齿轮传动。齿轮传动的特点作用：用来传递转矩和转速、转向。

优点：①齿轮传动的瞬时传动比为常数，传动精确；②强度大、能承受重载、结构紧凑；③摩擦力小、传动效率高；④电动机轴与丝杠不必在同一条直线上，即电动机的安装可以有多种方式；⑤外部转动惯量Ｊｍ折算到电动机轴上按比值1/i2减少，电动机轴上的驱动转矩按负载力矩减少1/i，这表明可使用较小的电动机。缺点：①齿轮传动装置是一个附加的结构部件，对其设计和生产都有一定的要求，增加了制造成本；②齿轮传动可以把附加的非线性(间隙)引入位置控制环，而且这类非线性只能部分地予以消除；③虽然齿轮传动装置输出端的全部转动惯量可以通过齿轮速比予以减少，但齿轮转动惯量本身影响驱动装置的总转动惯量；④齿轮转角的制造和安装误差、齿轮轴的弹性扭转角等，影响到传动精度；⑤齿轮的磨损可能引起反转误差的逐渐扩大，因此必须及时重新调整。在下列情况下，在进给轴上常用上齿轮传动：使伺服电动机的转速与低速的滚珠丝杠装置、齿轮齿条传动装置、蜗轮传动装置的转速相匹配。减少外部转动惯量折算到电机轴上的值。增大主动轴的转矩。把电动机的实际位置与机床所需要的位置联成一休。对于增速驱动装置，齿轮最重要任务是与外部转动惯量相适应。二、齿轮传动间隙的调整方法

(1)圆柱齿轮传动

(a)偏心套(轴)调整法如右图所示，将相互啮合的一对齿轮中的一个齿轮4装在电机输出轴上，并将电机2安装在偏心套1(或偏心轴)上，通过转动偏心套(偏心轴)的转角，就可调节两啮合齿轮的中心距，从而消除圆柱齿轮正、反转时的齿侧间隙。特点是结构简单，但其侧隙不能自动补偿。2.2.1齿轮传动1偏心套2电动机3减速箱4和5减速齿轮

齿轮啮合间隙会造成传动死区，若死区在闭环系统中，则可能造成系统不稳定，常会使得系统产生以1～5倍的间隙而进行的低频振荡。为此尽量采用齿侧隙较小、精度较高的齿轮传动副。但为了降低制造成本，则多采用各种调整齿侧隙的方法来消除或减小啮合间隙，以提高传动精度和系统的稳定性。(b)轴向垫片调整法如右图所示，齿轮1和2相啮合，其分度圆弧齿厚沿轴线方向略有锥度，这样就可以用轴向垫片3使齿轮2沿轴向移动，从而消除两齿轮的齿侧间隙。装配时轴向垫片3的厚度应使得齿轮1和2之间既齿侧间隙小，运转又灵活。特点同偏心套(轴)调整法。2.2.1齿轮传动1、2---齿轮

3--垫片(c)双片薄齿轮错齿调整法

这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个做成宽齿轮，另一个用两片可相对转动的薄齿轮组成。采取措施使一个薄齿轮的左齿侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左、右两侧，以消除齿侧间隙，反向时不会出现死区。具体措施有：

（1）周向弹簧式（2）可调拉簧式

2.2.1齿轮传动C.双片薄齿轮错齿调整法（1）周向弹簧式：在两个薄片齿轮3和4上各开几条周向槽，并在3和4的端面上配有安装弹簧1的短柱2，在弹簧1的作用下使薄片齿轮4与3错位而消除齿侧隙。弹簧1的张力必须足以克服传动扭矩才能起作用，在设计弹簧1时必须进行强度计算。由于周身圆槽及弹簧的尺寸不能太大，此结构仅适用于读数装置或传动力矩很小的机械装置。

双齿轮错齿式消除间隙结构

1、2—薄齿轮；3—弹簧；4、8—凸耳；

5—调节螺钉；6、7—螺母

两个相同齿数的薄齿轮1和2与另一个厚齿轮啮合。两个薄齿轮套装在一起，并可作相对回转。每个齿轮的端面均匀分布着四个螺孔，分别装上凸耳4和8。齿轮1的端面还有另外四个通孔，凸耳8可以在其中穿过。弹簧3的两端分别钩在凸耳4和调节螺钉5上，通过螺母6调节弹簧的拉力，调节完毕用螺母7锁紧。弹簧的拉力使薄齿轮错位，即两个薄齿轮的左、右齿面分别紧贴在厚齿轮齿槽的左、右齿面上，消除了齿侧间隙。由于正向和反向旋转，分别只有一片齿轮承受扭矩，因此承载能力受到了限制。在设计时必须计算弹簧的拉力，使它能够克服最大扭矩，否则将失去消除间隙的作用。（2）可调拉簧式：(2)斜齿轮传动消除斜齿轮传动齿轮侧隙的方法与上述错齿调整法基本相同，也是用两个薄片齿轮与一个宽齿轮啮合，只是在两个薄片斜齿轮的中间隔开了一小段距离，这样它的螺旋线便错开了。2.2.1齿轮传动2、斜齿轮传动a垫片调整法b轴向（压簧）调整法a垫片调整法

图中两薄片斜齿轮3、4中间加一垫片2,使薄片斜齿轮3、4的螺旋线错位,齿侧面相应地与宽齿轮1的左、右侧面贴紧。垫片的厚度H与齿侧间隙Δ的关系为:H=Δ

ctgβ式中,β为螺旋角。

实践中通常采用试测法，用磨削厚度不同的垫片来试测。b轴向压簧调整法

两薄片齿轮1、2用鍵滑套在轴6上，弹簧3的轴向压力可用螺母5调节，而使1和2的齿侧面分别贴紧在宽齿轮7齿槽的左右侧面。弹簧力的大小须调整恰当，过紧磨损过快过松不起消除间隙作用。此法的特点是齿侧隙可自动补偿，但轴向尺寸较大，结构不紧凑。齿轮传动间隙不仅影响系统精度，也影响系统的稳定性。多级齿轮传动中，各级齿轮间隙的影响是不相同的。设有一传动链为三级传动，R为主动轴，C为从动轴，各级传动比分别为i1、i2、i3，齿侧间隙分别为Δ1、Δ2、Δ3，将各传动间隙换算到末级输出轴上的总间隙Δc为：将各传动间隙换算到输入轴上的总间隙ΔR为：如果是减速运动，则i1、i2、i3均大于1，故由上式可知，最后一级齿轮的传动间隙Δ3影响最大。为了减小其间隙的影响，除尽可能地提高齿轮的加工精度外，装配时还应尽量减小最后一级齿轮的传动间隙。三、谐波齿轮传动（补充）1、谐波齿轮传动原理

利用行星轮系传动原理，波发生器转动，迫使柔性齿轮产生可控制的变形波（近似谐波），并和刚轮作用引起齿间相对位移，传递运动和动力。由三个基本构件组成：波发生器、柔轮、刚轮，其实质是一种新型减速器。波发生器是行星轮系的转臂刚轮是中心轮柔轮是行星轮啮合啮合啮出啮入脱开脱开

工作原理

刚轮柔轮波发生器

波发生器旋转时，迫使柔轮变为椭圆，使长轴两端附近的齿进入啮合状态，短轴附近的齿则脱开，其余不同区段上的齿处于逐渐啮入状态或逐渐啮出状态。

波发生器连续转动时，柔轮的变形部位也随之转动，使轮齿依次进入啮合，然后又依次退出啮合，从而实现啮合传动。1、柔轮周期性变形，易疲劳破坏；2、转动惯量和启动力矩大，不适宜于小功率传动；3、不能用于传动比较小场合（i小于35）；4、散热差

缺点2.谐波齿轮传动特点1、传动比大：几十至几百；2、承载能力高；3、传动平稳，精度高；4、体积小，噪声低

优点3谐波齿轮传动的传动比计算刚轮1固定，波发生器H主动，柔轮2从动柔轮2固定，波发生器H主动，刚轮1从动啮合啮合啮出啮入脱开脱开刚轮柔轮波发生器4.谐波齿轮减速器产品常见的谐波齿轮减速器标记代号如下图三、谐波齿轮传动/index.html北京谐波传动技术研究所2.2.2螺旋传动(丝杠螺母)简介一、分类：按工作特点﹐螺旋传动用的螺旋分为传力螺旋﹑传导螺旋和调整螺旋。(1)传力螺旋﹕以传递动力为主﹐它用较小的转矩产生较大的轴向推力﹐一般为间歇工作﹐工作速度不高﹐而且通常要求自锁﹐例如螺旋压力机和螺旋千斤顶上的螺旋。

螺旋传动(丝杠螺母)是机电一体化系统中常用的一种传动形式。它利用螺杆与螺母的相对运动，将旋转运动变为直线运动或反之,其运动关系为

式中:L-螺杆（或螺母）的位移；Ph-导程；Φ-螺杆和螺母间的相对转角。(2)传导螺旋﹕以传递运动为主﹐常要求具有高的运动精度﹐一般在较长时间内连续工作﹐工作速度也较高﹐如机床的进给螺旋(丝杠)。(3)调整螺旋﹕用于调整并固定零件或部件之间的相对位置﹐一般不经常转动﹐要求自锁﹐有时也要求很高精度﹐如机器和精密仪表微调机构的螺旋。按螺纹间摩擦性质﹐螺旋传动可分为滑动螺旋传动和滚动螺旋传动。滑动螺旋传动又可分为普通滑动螺旋传动和静压螺旋传动。二、丝杠螺母机构传递运动的基本条件1）滑动丝杠螺母机构传递运动基本条件：应有足够的滑移间隙和充分地润滑，热胀冷缩补偿空间；因而，存在一定的空回间隙。2）滚珠丝杠螺母机构传递运动的基本条件：应有足够的润滑储油空间和热胀冷缩弹性补偿能力，可实现无间隙工作；因而，存在一定的表面应力；为了实现连续运转，需一滚珠的回珠装置（内或外）。

三、螺旋传动(丝杠螺母)的形式及应用1).螺母固定,螺杆转动并移动如图2-8(a)所示,这种传动型式的螺母本身就起着支承作用,从而简化了结构,消除了螺杆与轴承之间可能产生的轴向窜动,容易获得较高的传动精度。缺点是所占轴向尺寸较大,刚性较差。因此该形式仅适用于行程短的情况，如螺旋压力机、千分尺等。2).螺杆转动,螺母移动如图2-8(b)所示,这种传动形式的特点是结构紧凑（所占轴向尺寸取决于螺母高度及行程大小）,刚度较大,因此适用于工作行程较长的情况，如机床的滑板移动机构。3.螺母回转、螺杆移动:

如应力试验机上的观察镜螺旋调整装置。4.螺杆固定、螺母回转并移动：如用于插齿机刀架传动等。

若丝杆3左、右两段螺纹的旋向相同,且导程分别为Ph1和Ph2

。当螺杆转动φ角时,可动螺母2的移动距离为 如果Ph1

与Ph2相差很小,则L很小。因此差动螺旋常用于各种微动装置中。若螺杆3左、右两段螺纹的旋向相反,此时差动螺旋变成快速移动螺旋,即螺母2相对螺母1快速趋近或离开。这种螺旋装置用于要求快速夹紧的夹具或锁紧装置中。1-螺母2-可动螺母3-丝杆差动螺旋传动，指导程不同或旋向不同的螺纹零件和其它螺纹零件形成的螺旋传动。表1：螺旋传动应用形式种类定义运动形式移动距离移动速度移动方向普通螺旋传动由构件螺杆和螺母组成的简单螺旋副实现的传动1、螺母固定不动，螺杆回转并作直线运动L=Ph*Nv=Ph*n左右手法则和大拇指方向相同2、螺杆固定不动，螺母回转并作直线运动3、螺杆回转，螺母作直线运动左右手法则和大拇指方向相反4、螺母回转，螺杆作直线运动差动螺旋传动由两个螺旋副组成的使活动的螺母与螺杆产生差动（即不一致）的螺旋传动）活动螺母与螺杆产生差动L=（Ph1±Ph2）*Nv=（Ph1±Ph2）*n见表2

表2：差动螺旋传动的计算和判断求解对象方法说明移动距离L=（Ph1±Ph2）*N1、Ph1：机架固定螺母的导程；Ph2：活动螺母的导程2、“±”的选用：两螺纹旋向相反时用“+，反之用“-”3、N：回转圈数；n：转速移动速度v=（Ph1±Ph2）*n移动方向1、计算结果为“+”时，实际移动方向与螺杆移动方向相同；2、计算结果为“-”时，实际移动方向与螺杆移动方向相反；3、关键点：利用左右手法则，把握机架处的螺杆移动方向。四、滑动螺旋传动的特点1、降速传动比大:

螺杆（或螺母）转动一转，螺母（或螺杆）移动一个螺距（单头螺纹）。因为螺距一般很小，所以在转角很大的情况下，能获得很小的直线位移量，可以大大缩短机构的传动链，因而螺旋传动结构简单、紧凑，传动精度高，工作平稳。2、具有增力作用:

只要给主动件（螺杆）一个较小的输入转矩，从动件即能得到较大的轴向力输出，因此带负载能力较强。3、能自锁:

当螺旋线升角小于摩擦角时，螺旋传动具有自锁作用。4、效率低、磨损快:

由于螺旋工作面为滑动摩擦，致使其传动效率低（约30％～40％），磨损快，因此不适于高速和大功率传动。2.2.3滚珠丝杠副传动部件滚动螺旋传动的滚动体有球和滚子两大类。一、滚珠丝杠副的组成滚珠丝杠副是在丝杠和螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动部件，它可将旋转运动变为直线运动，或相反。

在19世纪末就发明了滚珠丝杠副，但很长一段时间未能实际应用，因制造难度太大。世界上第一个使用滚珠丝杠副的是美国通用汽车公司萨吉诺分厂，它将滚珠丝杠副用于汽车的转向机构上。

如图所示，当螺杆转动时,滚珠沿螺纹滚道滚动。

二、滚珠丝杠副的结构（1）螺纹滚道型面的（法向）形状及主要尺寸螺纹滚道法向截形：单圆弧形（图a）和双圆弧形（图b）。滚珠与滚道表面在接触点处的公法线与过滚珠中心的螺杆直径线间的夹角β叫接触角。理想接触角为β＝45°，双圆弧形接触角在工作过程保持不变。

螺纹滚道法向截形是指通过滚珠中心且垂直于滚道螺旋面的平面和滚道表面交线的形状。

单圆弧型的螺纹滚道特点：接触角随轴向载荷大小的变化而变化，加工成型简单。双圆弧型的螺纹滚道特点：接触角在工作过程中基本保持不变，两圆弧相交处的小空隙可以存储润滑油以减少摩擦，加工成型复杂。（2）滚珠的循环方式滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环两种。内循环：滚珠在循环过程中始终与螺杆保持接触的循环叫内循环。外循环：滚珠在返回时与螺杆脱离接触的循环称为外循环。按结构的不同,外循环可分为螺旋槽式、插管式和端盖式三种。轴向反向结构

内循环返向结构

图2-21内循环图2-22螺旋槽式外循环图2-23插管式外循环图2-24端盖式外循环丝杠螺母结构(a)插管循环

丝杠螺母结构(b)端盖循环

三、滚珠丝杠的主要尺寸、精度等级和标注方法1、主要尺寸公称直径（d0）:它指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径。它是滚珠丝杠副的特征（或名义）尺寸。

基本导程(Ph)(或螺距t)：它指丝杠相对于螺母旋转2π弧度时，螺母上基准点的轴向位移。

行程：它指丝杠相对于螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点的轴向位移。此外还有丝杠螺纹大径d1、丝杆螺纹底径d2、滚珠直径DW、螺母螺纹底径D2、螺母螺纹内径D3、丝杠螺纹全长等。※

滚珠丝杠副结构尺寸的选择公称直径应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸系列选样；螺纹长度在允许的情况下要尽量短，一般取(螺纹长度／公称直径)小于30为宜；基本导程(或螺距）的大小应根据机电一体化系统的承载能力、传动精度要求确定。基本导程大承载能力也大，基本导程小传动精度较高。要求传动速度快时，可选用大导程滚珠丝扛副。滚珠的工作圈（或列）数和工作滚珠的数量N由试验可知：第一、第二和第三圈（或列）分别承受轴向载荷的50％、30％和20％左右。因此，工作圈（或列）数一般取2.5～3.5。滚珠总数N一般不超过150个。三、滚珠丝杠的主要尺寸、精度等级和标注方法2、精度等级

滚珠螺旋副的精度包括螺母的行程误差和空回误差。影响螺旋副精度的因素主要是：螺旋副的参数误差、机构误差及因受轴向力后滚珠与螺纹滚道面的接触变形和螺杆刚度不足引起的螺纹变形等所产生的动态变形误差。

根据《GB/T17587.3-1998滚珠丝杠副精度》标准规定分为7个等级：1、2、3、4、5、7、10级，1级最高，10级最低。一般动力传动选4、5级数控机床、精密机械或仪器选1、2、3级3、标注方法GB/T17587.1-1998规定滚珠丝杠的标识符号应按下图给定顺序排列的内容标注。4.尺寸系列

国际标准化组织(ISO／DIS3408-2-1991)和GB/T17587.2-1998中规定：公称直径(mm)：6，8，10，12，16，20，25，32，40，50，63，80，100，125，160及200。公称基本导程(mm)：1，2，2．5，3，4，5，6，8，10，12，16，20，25，32，40。尽可能优先选用：2.5，5，10，20及40。四、支承方式的选择为保证滚珠丝杠副传动的刚度和精度，应选择合适的支承方式，选用轴承组合，一般常用推力轴承和向心球轴承。四种典型的支承方式：

两端都装止推轴承，承受轴向载荷两端都装止推轴承和向心球轴轴承，承受轴向、径向载荷固定端装深沟球轴承和双向推力轴承，承受径向、轴向载荷，简支端用深沟球轴承径向约束固定端以用深沟球轴承和双向推力轴承组合或用圆锥滚子轴承

轴承的组合安装支承示例

1)简易单推-单推式支承

2)双推-简支支承方式

采用双向推力球轴承和深沟球轴承作为支撑。轴向刚度低，丝杠有热膨胀的余地。

3)双推-自由式支承五、轴向间隙的调整轴向间隙通常是指丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间的最大轴向窜动。除了结构本身的游隙之外，在施加轴向载荷之后，轴向间隙还包括弹性变形所造成的窜动。滚珠与螺母原有的间隙承载时滚珠与滚道弹性变形引起的间隙

当丝杠改变转动方向时，间隙会使运动产生空程，从而影响机构的传动精度。通常采用双螺母预紧的方法消除间隙，提高刚度。常用调整结构形式：★垫片调隙式★螺纹调隙式★齿差调隙式★变位螺距调隙式（不常用）当螺旋机构中存在间隙，若螺杆的转动方向改变，螺母不能立即产生反向运动，只有螺杆转动某一角度后才能使螺母开始反向运动，这种现象称为空回。

轴向间隙包括两部分(1)双螺母螺纹预紧调整式如下图所示，其中，螺母3的外端有凸缘，而螺母4的外端虽无凸缘，但制有螺纹，并通过两个圆螺母固定。调整时旋转圆螺母2消除轴向间隙并产生一定的预紧力，然后用锁紧螺母1锁紧。预紧后两个螺母中的滚珠相向受力(如图b所示)，从而消除轴向间隙。其特点是结构简单、刚性好、预紧可靠，使用中调整方便，但不能精确定量地进行调整。1-锁紧螺母；2-调整螺母；3、4-滚珠螺母(2)双螺母齿差预紧调整式

丝杠4两端的两个螺母分别制有圆柱齿轮的螺母3，两者齿数相差一个齿，通过两端的两个内齿轮2与上述圆柱齿轮相啮合，并用螺钉和定位销固定在套筒1上。调整时先取下两端的内齿轮2，当两个滚珠螺母相对于套筒同一方向转动同一个齿固定后，则一个滚珠螺母相对于另一个滚珠螺母产生相对角位移，使两个滚珠螺母产生相对移动，从而消除间隙并产生一定的预紧力。其特点是可实现定量调整，即可进行精密微调(如0.002mm)，使用中调整较方便。1-套筒；2-内齿轮；3-螺母；4-丝杠(2)双螺母齿差预紧调整式

两螺母的凸缘上制有圆柱外齿，齿数Z

1、Z2

且Z

2-Z1=1

，分别与内齿轮啮合，调整时先取下内齿轮，使两螺母产生相对位移（即在同方向转过一个齿或几个齿，根据间隙大小），然后将内齿轮复位固定，达到消除间隙的目的。产生的轴向位移（即间隙）δ为：其中：n为螺母同方向转过的齿数p为丝杠的导程

例：若Z1=99，Z2=100，n=1,p=6mm则δ=0.6μm

该结构复杂，加工和装配工艺性差，但是调整的精度高，工作可靠。(3)双螺母垫片调整预紧式

如下图所示，调整垫片l的厚度，可使两螺母2产生相对位移，以达到消除间隙、产生预紧拉力之目的。其特点是结构简单、刚度高、预紧可靠，但使用中调整不方便。

双螺母垫片预紧式

1-垫片；2-螺母（4）弹簧式自动调整预紧式

如下图所示，双螺母中一个活动另一个固定，用弹簧使其间始终具有产生轴向位移的推动力，从而获得预紧力。其特点是能消除使用过程中因磨损或弹性变形产生的间隙，但其结构复杂、轴向刚度低，适用于轻载场合。

弹簧自动调整预紧式

（5）单螺母变位导程自预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式

下图为单螺母变位导程自预紧方式。它是在滚珠螺母体内的两列循环滚珠链之间，使内螺纹滚道在轴向制作一个∆Ph的导程突变量，从而使二列滚珠产生轴向错位而实现预紧，预紧力的大小取决于∆Ph和单列滚珠的径向间隙。其特点是结构简单紧凑，但使用中不能调整，且制造困难。六、滚珠丝杠副的润滑与密封

润滑：主要有脂润滑和滴油润滑。

密封：接触式密封（动或静密封）和非接触式密封（迷宫式密封）。

防尘与防护：折叠式防尘套、伸缩式防尘套、伸缩挡板防尘装置等。七、滚珠丝杠的特点1、传动效率高3、传动精度高精度其中：中径处的螺旋升角，当量摩擦角（）一般而言，摩擦系数较小因此，效率很高，可达90%-95%。2、运动具有可逆性：回转运动变直线运动正传动直线运动变回转运动逆传动高重复定位精度（1～2μm）高的定位精度（5μm/300mm）4、磨损小，使用寿命长

滚珠、滚道、丝杠、螺母都经过淬火、硬化处理HRC58-65。5、不能自锁

垂直安装时，当运动停止后，螺母在重力作用下下滑，故需设置制动装置。6、制造工艺复杂，结构复杂，制造较难，成本高；抗冲击性能差。(一）滚珠丝杠副的选择方法

1）滚珠丝杠副结构形式确定依据预紧条件和防尘条件决定滚珠丝杠副的结构形式。

单圆弧螺纹滚道的单螺母丝杠副

——以动力传动为主，允许传动存在一定间隙，且垂直安装。常用在高精度压力设备上（导向精度由导轨保证）。

单圆弧螺纹滚道的双螺母丝杠副

——主要用在传递轻载荷、对传递动力的平稳性和丝杆刚度要求比高（预紧力较小）的小型设备上。

八、滚珠丝杠副的选择与设计计算双圆弧螺纹滚道的双螺母丝杠副——主要用于重载，以传递动力和运动为主，对传递动力和运动的平稳性有较高的要求，传递精度高、丝杠刚度大防尘效果好的高精度机器设备上。预紧原理预紧结构2）滚珠丝杠副基本结构尺寸的选择

主要依据滚珠丝杠副传递的最大载荷、运动特性（传递速度）和范围（有效行程）、传递精度要求，选定滚珠丝杠副的公称直径、基本导程以及传递精度等级。滚珠丝杠螺母传动机构的规格尺寸举例确定基本参数的原则

·

公称直径大，承载能力强；反之，承载能力弱。

·

基本导程大，承载能力强，传动速度快，传动精度降低；反之，承载能力减弱，传动速度慢，传动精度高。

·

传递精度：决定设备静态定位和运动精度、动态响应特性、动态稳定特性。3）滚珠丝杠副的选择设计验算步骤

依据最大工作载荷(N)或平均工作载荷(N)作用下的使用寿命T(h)、丝杆有效工作行程(mm)、丝杠转速(r/min)或平均转速(r/min)、滚道硬度HRC以及工况等实际工作条件，进行一系列的验算。

·

承载能力计算与滚珠丝杠副型号选择在最大静载荷和动载荷条件下，进行弯曲强度、接触应力强度、疲劳强度等验算，综合决定选择滚珠丝杠副型号。

·

压杆稳定性验算或校核压杆稳定性验算或校的基本要求是不影响滚珠丝杠副的精度和变形附加载荷产生的摩擦阻力超过极限值。

·

刚度验算结构刚度（支承方式相关）和接触刚度（导轨滚道）。**由此才能完成滚珠丝杠副的选择设计工作。滚珠丝杠副计算流程

(二)、滚珠丝杠的设计计算

已知条件：工作载荷或平均工作载荷（F或Fm）;

丝杠副的使用寿命L；丝杠的工作长度（或螺母的有效长度）l;

丝杠的转速n;

滚道硬度HRC及运转情况。

设计步骤：1、求出计算载荷FcFc=KFmK为工况系数

2、根据寿命计算出额定动载荷其中：小时3、查滚珠丝杠副系列中的额定动载荷，使，初选几个规格（或型号），列出其主要参数4、验算传动效率、刚度、稳定性等工作状况

载荷系数

KF平稳运转1～1.2一般运转1.2～1.5冲击载荷1.5～2.5计算载荷

：HRC硬度系数KH>581.0=551.11=501.56=452.4=403.85行程范围行程系数KL1m11m-1.5m1.11.5m-2m1.2以上1.3载荷性质无冲击平稳运转一般运转有冲击和振动运转1~1.21.2~1.51.5~2.5滚道实际硬度HRC≥58555045401.01.111.562.43.85精度系数C、DE、FGH1.01.11.251.43—丝杠副的平均转速（r/min）；

计算额定动载荷

式中：—运转寿命（h）；

—计算载荷（N）。

滚珠丝杠的拉压刚度KC

滚珠丝杠与螺母接触刚度KN

滚珠丝杠轴承与轴承座的支承刚度KB（1）拉压刚度KCa、一端固定，一端自由根据材料力学知识其中：为行程比；

d1为丝杠螺纹底径；E为弹性模量b、两端固定MLl刚度最低点在：3、滚珠丝杠副传动刚度的计算

传动刚度由三部分组成：MLl刚度最低点在：（2）接触刚度KN

根据经验公式：其中：i为滚珠螺母的有效工作圈数

F为轴向载荷R为滚道半径

rb

、db为滚珠半径、直径（指轴向）（3）支承刚度

包括三部分内容轴承轴向刚度KB轴承支座刚度KBR螺母支座刚度KNR这三部分刚度，一般难以精确计算，根据结构而定。4、滚珠丝杠副传动的力学模型传动系统的力学模型可以简化成如下图所示的弹簧质量系统图示丝杠副传动系统的力学模型m2KBKCminKBRKNKNR传动系统的传动刚度为：

例2-1试设计一数控铣床工作台进给用滚珠丝杠副。已知平均工作载荷Fm＝3800N，丝杠工作长度l＝1.2m，平均转速nm＝100r/min，最大转速nmax＝10000r/min，使用寿命＝15000h左右，丝杠材料为CrWMn钢，滚道硬度为58~62HRC，传动精度要求

解：(1)求计算载荷Fc

(2)根据寿命条件计算额定动载荷(3)根据必须的额定动载荷选择丝杠副尺寸，查表，得如下规格：规格型号公称导程p丝杠外径d钢球直径dW丝杠底径d1循环圈数动负荷Ca(KN)FFZD3210-3321032.57.14427.3325.7FFZD5006-550648.9445.9526.4考虑各种因素，选FFZD5006-5，其中：公称直径：D0=50mm

导程：p=6mm

螺旋角：λ=arctan(6/(50π))=2°11′

滚珠直径：d0=4mm

滚道半径：R=0.52d0=0.52×4=2.08mm

偏心距：丝杠内径：d1=45.9mm(4)稳定性验算：

①假设为双推—简支（F—S），因为丝杠较长，所以用压杆稳定性来求临界载荷式中：E—丝杠的弹性模量，对钢

—丝杠危险截面的轴惯性矩

—长度系数，两端用铰接时，m丝杠是安全的，不会失稳。支承方式有关系数双推—自由F—O双推—简支F—S双推—双推F—F3~42.5~3.3—22/3—1.8753.9274.730

②临界转速验证高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杠最高转速。临界转速可按公式计算：（5）刚度验算：

滚珠丝杠在工作负载F（N）和转矩T（Nm）共同作用下引起每个导程的变形量（m）为式中：A—丝杠的截面积，(m2)；

—丝杠的极惯性矩，(m4)；

G—钢的切变模量，对于钢G=83.3GPa；

T—转矩（Nm）按最不利的情况，即取F=Fm，则

丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为通常要求丝杠的导程误差应小于其传动精度的1/2，即

（6）效率验算滚珠丝杠副的传动效率为

η要求在90%~95%之间，所以该丝杠副能满足使用要求。经上述计算验证，FFZD5006-5各项性能指标均符合题目要求，可选用。机电系统的支承部件包括导向支承部件、旋转支承部件和机座机架。（一）支承件设计的基本要求1．应具有足够的刚度和抗振性

刚度是抵抗载荷变形的能力。抵抗恒定载荷变形的能力称为静刚度；抵抗交变载荷变形的能力称为动刚度。

机座或机架的静刚度，主要是指它们的结构刚度和接触刚度。动刚度与静刚度、材料阻尼及固有振动频率有关。2.3导向与支承机构

2．应具有较小的热变形和热应力设备在工作时由于传动系统中的齿轮、轴承，以及导轨等因摩擦而发热，电动机、强光灯、加热器等热源散发出的热量，都将传到支承件上，由于热量分布，散发的不均匀，支承件各处温度不同，由此产生热变形、影响系统原有精度。对于数控机床及其它精密机床，热变形对机床的加工精度有极其重要的影响。在设计这类设备时，应予以足够的重视。2.3支撑件的选择与设计

3．耐磨性为了使设备能持久地保持其精度，支承件上的导轨应具有良好的耐磨性。因此对导轨的材料、结构和形状，热处理及保护和润滑等应作周密的考虑。

4．结构工艺性及其它要求设计支承件时，还应考虑毛坯制造、机械加工和装配的结构工艺性。正确地进行结构设计和必要的计算以保证用最少的材料达到最佳的性能指标，并达到缩短生产周期，降低造价，操作方便，搬运装吊安全等要求。2.3支撑件的选择与设计

支承件的材料，除应满足上述要求外，还应保证足够的强度、冲击韧性和耐磨性等。目前常用的材料有铸铁、钢板和型钢、天然和人造花岗岩、预应力钢筋混凝土等。

1．铸铁铸造可以铸出形状复杂的支承件，存在铸铁中的片状或球状石墨在振动时形成阻尼，抗振性比钢高3倍。但生产铸铁支承件需要制作木模、芯盒等，制造周期长，成本高，故适宜于成批生产。

（二）支承件的材料选择2．钢板与型钢用钢板与型钢焊接成支承件，生产周期比铸造快1.7~3.5倍，钢的弹性模量约为铸铁的2倍，承受同样载荷，壁厚可做得比铸件薄，重量也轻。但是，钢的阻尼比只为铸铁的约1/3，抗振性差，结构和焊缝上要采取抗振指施。2.3支撑件的选择与设计

3．天然和人造花岗岩天然花岗岩的优点：性能稳定，精度保持性好。由于经历长期的自然时效，残余应力极小，内部组织稳定；抗振性好，阻尼比钢大15倍；耐磨性比铸铁高5~10倍；导热系数和线膨胀系数小，热稳定性好；抗氧化性强；不导电；抗磁；与金属不粘合，加工方便，通过研磨和抛光容易得到很高的精度和表面粗糙度。目前用于三坐标测量机和印刷板数控钻床等。用作气浮导轨的基底很理想。主要缺点:结晶颗粒粗于钢铁的晶粒，抗冲击性能差，脆性较大，油和水等液体易渗入晶界中，使岩石局部变形胀大，难于制作形状复杂的零件。4．预应力钢筋混凝土主要用于制造不常移动的大型机械的机身、底座、立柱等支承件。预应力钢筋混凝土支承件的刚度和阻尼比较之铸铁大5倍，抗振性好，成本较低。但钢筋的配置对支承件影响较大，应按弹性理论或有限元法所得的主应力方向进行钢筋的配置。制作时混凝土的保养方法也影响性能，混凝土耐腐蚀性差，油渗导致疏松，表面应喷漆或喷涂塑料，脆性也较大。使用条件较为严格方能保持工作寿命。2.3支撑件的选择与设计

2.3.1导向支承部件(导轨副)导向支承部件的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。这样的部件通常被标为导轨副，简称导轨。导轨副主要由承导件1和运动件2两部分组成，如图2-20所示。运动方向为直线的被称为直线导轨副，为回转的被称为回转运动导轨副。常用的导轨副种类很多，按其接触面的摩擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨等。

图2-20导轨副的组成1－承导件2－运动件1.导轨副的分类常用导轨结构形式2.导轨的基本要求（6项）：导向精度高刚度好：运动轻便平稳：耐磨性好：温度变化影响小：结构工艺性好：导向精度高：导轨按给定方向运动的准确程度要高；导向精度的高低，主要取决于导轨的结构类型、导轨的几何精度和接触精度、导轨的配合间隙、油膜厚度和油膜刚度、导轨和基础件的刚度和热变形等。直线运动导轨的几何精度(3项)：

导轨纵向直线度导轨横向直线度导轨面间的平行度②刚度

导轨的刚度就是抵抗载荷的能力。抵抗恒定载荷的能力称为静刚度；抵抗交变载荷的能力称为动刚度。在恒定载荷作用下，物体变形的大小，表示静刚度的好坏。导轨变形一般有自身、局部和接触三种变形。导轨局部变形发生在载荷集中的地方，因此，必须加强导轨的局部刚度。可用加大尺寸、添加辅助导轨或施加预载荷等方法提高刚度；③精度的保持性

精度的保持性主要由导轨的耐磨性决定。导轨的耐磨性是指导轨在长期使用后，应能保持一定的导向精度。导轨的耐磨性，主要取决于导轨的结构、材料、摩擦性质、表面粗糙度、表面硬度、表面润滑及受力情况等；提高导轨的精度保持性，必须进行正确的润滑与保护。采用独立的润滑系统自动润滑已被普遍采用。防护方法很多，目前多采用多层金属薄板伸缩式防护罩进行防护。

机电一体化系统和计算机外围设备等的精度和运动速度都比较高，因此，其导轨应具有较好的灵活性和平稳性，工作时应轻便省力，速度均匀，低速运动或微量位移时不出现爬行现象；高速运动时应无振动。在低速运行时(如0.05mm/min)，往往不是作连续的匀速运动而是时走时停(即爬行)。其主要原因是摩擦系数随运动速度的变化和传动系统刚性不足。④运动的灵活性和低速运动的平稳性导轨的爬行现象机理（弹簧-阻尼系统）

传动系统2带动运动件3在静导轨4上运动时，作用在导轨副内的摩擦力是变化的。导轨副相对静止时，静摩擦系数较大。运动开始的低速阶段，动摩擦系数随导轨副相对滑动速度的增大而降低，直到相对速度增大到某一临界值，动摩擦系数才随相对速度的减小而增加。分析下图所示的运动系统：匀速运动的主动件1，通过压缩弹簧推动静止的运动件3，当运动件3受到的逐渐增大的弹簧力小于静摩擦力F时，3不动。直到弹簧力刚刚大于静摩擦力F时，3才开始运动，动摩擦力随着动摩擦系数的降低而变小，3的速度相应增大，同时弹簧相应伸长，作用在3上的弹簧力逐渐减小，3产生负加速度，速度降低，动摩擦力相应增大，速度逐渐下降，直到3停止运动，主动件l这时再重新压缩弹簧，爬行现象进入下一个周期。弹簧-阻尼系统图1-主动件；2-弹簧-阻尼；3-运动件；4-静导轨

为防止爬行现象的出现，可同时采取以下几项措施：

★采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、贴塑料层导轨等；

★在普通滑动导轨上使用含有极性添加剂的导轨油；

★用减小结合面、增大结构尺寸、缩短传动链、减少传动副等方法来提高传动系统的刚度。

防止爬行现象采取以下几项措施⑤对温度的敏感性和结构工艺性

导轨在环境温度变化的情况下，应能正常工作，既不“卡死”，亦不影响系统的运动精度。导轨对温度变化的敏感性，主要取决于导轨材料和导轨配合间隙的选择。

结构工艺性是指系统在正常工作的条件下，应力求结构简单，制造容易，装拆、调整、维修及检测方便，从而最大限度地降低成本。3.导轨副的设计内容根据工作条件，选择合适的导轨类型；选择导轨的截面形状，以保证导向精度；选择适当的导轨结构及尺寸，使其在给定的载荷及工作温度范围内，有足够的刚度、良好的耐磨性以及运动轻便和低速平稳性；3.导轨副的设计内容选择导轨的补偿及调整装置，经长期使用后，通过调整能保持所需要的导向精度；选择合理的耐磨涂料、润滑方法和防护装置，使导轨有良好的工作条件，以减少摩擦和磨损；制订保证导轨正常工作所必需的技术条件，如选择适当的材料，以及热处理、精加工和测量方法等。常见的导轨截面形状，有三角形（分对称、不对称两类）、矩形、燕尾形及圆形等四种(见下表)，每种又分为凸形和凹形两类。凸形导轨不易积存切屑等脏物，也不易储存润滑油。宜在低速下工作，凹形导轨则相反，可用于高速，但必须有良好的防护装置，以防切屑等脏物落入导轨。2.3.2滑动导轨副一、滑动导轨副的截面形状及其特点2．滑动导轨副的组合形式双三角形导轨矩形和矩形组合1－三角形导轨；2－V型导轨；3－压板1－承载面；2－导向面；3－辅助导轨面2．滑动导轨副的组合形式三角形与矩形、平面导轨的组合为保证导轨正常工作，导轨滑动表面之间应保持适当的间隙。间隙过小、会增加摩擦阻力；间隙过大，会降低导向精度。导轨的间隙若用刮研来保证，费时且长期使用后会因磨损而增大间隙。故导轨要用间隙调整装置，矩形导轨需要在垂直和水平两个方向上调整间隙。常用的调整方法有：压板法、镶条法。对燕尾型导轨可用镶条(垫片)方法同时调整垂直和水平两个方向。图2-22燕尾型导轨及其组合的间隙调整1－斜镶条2－压板3－直镶条二、滑动导轨副间隙的调整对矩形导轨可采用修刮压板、修刮调整垫片的厚度或调整螺钉的方法进行间隙的调整。二、导轨副间隙的调整矩形导轨垂直方向间隙的调整1-压板；2-接合面；3-调整螺钉；4-调整垫片三、滑动导轨常用材料的搭配滑动导轨常用材料有铸铁、钢、有色金属和塑料等导轨的使用寿命取决于导轨的结构、材料、制造质量、热处理方法、以及使用与维护。提高导轨的耐磨性，使其在较长时期内保持一定的导向精度，就能延长设备的使用寿命。常用的提高导轨耐磨性的方法有：采用镶装导轨、提高导轨的精度与改善表面粗糙度、采用卸荷装置减小导轨单位面积上的压力(即比压)等。四、提高导轨副耐磨性的措施图2-41塑料导轨板截面示意图1.合理选择导轨的材料及热处理用于导轨的材料,应具有耐磨性好,摩擦系数小,并具有良好的加工和热处理性质。以聚四氟乙烯为基体的塑料导轨性能良好，它是一种在钢板上烧结球状青铜颗粒并浸渍聚四氟乙烯塑料的板材。导轨板的厚度为1.5～3mm，在多孔青铜颗粒上面的聚四氟乙烯表层厚为0.025mm。这种塑料导轨板既有聚四氟乙烯的摩擦特性，又具有青铜和钢铁的刚性与导热性，装配时可用环氧树脂粘接在动导轨上。这种导轨用在数控机床、集成电路制板设备上，可保证较高的重复定位精度和满足微量进给时无爬行的要求。2.减小导轨面压强导轨面的平均压强越小，分布越均匀，则磨损越均匀，磨损量越小。导轨面的压强取决于导轨的支承面积和负载，设计时应保证导轨工作面的最大压强不超过允许值。为此，许多精密导轨，常采用卸载导轨，即在导轨截荷的相反方向给运动件施加一个机械的或液压的作用力（卸载力），抵消导轨上的部分载荷，从而达到既保持导轨面间仍为直接接触，又减小导轨工作面的压力。一般卸载力取为运动件所受总重力的2/3左右。（1）静压卸载导轨。 在运动件导轨面上开有油腔，通入压力为Ps的液压油，对运动件施加一个小于运动件所受载荷的浮力，以减小导轨面的压力。油腔中的液压油经过导轨表面宏观与微观不平度所形成的间隙流出导轨，回到油箱。图2-42静压卸载导轨原理

（2）水银卸载导轨 在运动件下面装有浮子1（木块），并置于水银槽2中，利用水银产生的浮力抵消运动组件的部分重力。这种卸载方式结构简单，缺点是水银蒸气有毒，故必须采取防止水银挥发的措施。图2-43水银卸载导轨原理

（3）机械卸载导轨 选用刚度合适的弹簧，并调节其弹簧力，以减小导轨面直接接触处的压力。图2-44机械卸载导轨

3.保证导轨良好的润滑 保证导轨良好的润滑,是减小导轨摩擦和磨损的另一个有效措施。这主要是润滑油的分子吸附在导轨接触表面,形成厚度约为0.005～0.008mm的一层极薄的油膜,从而阻止或减少导轨面间直接接触的缘故。 选择导轨润滑油的主要原则是：载荷越大、速度越低,则油的粘度应越大；垂直导轨的润滑油粘度,应比水平导轨润滑油的粘度大些；在工作温度变化时,润滑油的粘度变化要小；润滑油应具有良好的润滑性能和足够的油膜强度,不浸蚀机件,油中的杂质应尽量少。

4.提高导轨的精度 提高导轨精度主要指保证导轨的直线度和各导轨面间的相对位置精度。导轨的直线度误差都规定在对导轨精度有利的方向上,如精密车床的床身导轨在垂直面内的直线度误差只允许上凸,以补偿导轨中间部分经常使用而产生向下凹的磨损。 适当减小导轨工作面的粗糙度,可提高耐磨性,但过小的粗糙度不易储存润滑油,甚至产生“分子吸力”,以致撕伤导轨面。粗糙度一般要求Ra≤0.32μm。

五、滑动导轨主要尺寸的确定

导轨的主要尺寸有运动件和承导件的长度、导轨宽度、两导轨之间的距离及三角形导轨的顶角等。 增大导轨运动件长度L,有利于提高导轨的导向精度和运动灵活性,但却使工作台的尺寸和重量加大。因此,设计时一般取L=(1.2～1.8)a。其中,a为两导轨之间的距离。 如结构允许,则可取L≥2a。承导件的长度则主要取决于运动件的长度及工作行程。

两导轨之间的距离减小,则导轨尺寸减小,但导轨稳定性变差。设计时应在保证导轨工作稳定的前提下,减小两导轨之间的距离。 三角形导轨的顶角一般取为90°。导轨宽度B可根据载荷F和允许压强p求出：直线运动滚动导轨副的特点及要求

(1)

、滚动导轨副的特点

滚动导轨作为滚动摩擦副的一类，具有许多特点：①摩擦系数小(0.003~0.005)，运动灵活；②动、静摩擦系数基本相同，因而启动阻力小，而不易产生爬行；③可以预紧,刚度高；④寿命长；⑤精度高；⑥润滑方便，可以采用脂润滑，一次装填，长期使用；⑦由专业厂生产，可以外购选用。因此滚动导轨副广泛地被应用于精密机床、数控机床、测量机和测量仪器等。2.3.3滚动导轨副的类型与选择直线运动滚动导轨副的特点及要求滚动导轨的缺点是：导轨面与滚动体是点接触或线接触，所以抗振性差，接触应力大；对导轨的表面硬度、表面形状精度和滚动体的尺寸精度要求高，若滚动体的直径不一致，导轨表面有高低，会使运动部件倾斜，产生振动，影响运动精度；结构复杂，制造困难，成本较高；对脏物比较敏感，必须有良好的防护装置。2.3.3滚动导轨副的类型与选择(2)对滚动导轨副的基本要求

1)导向精度。导向精度是导轨副最基本的性能指标。移动件在沿导轨运动时，不论有无载荷，都应保证移动轨迹的直线性及其位置的精确性。这是保证机床运行工作质量的关键。各种机床对导轨副本身平面度、垂直度及等高、等距的要求都有规定或标准。

2)耐磨性。导轨副应在预定的使用期内，保持其导向精度。精密滚动导轨副的主要失效形式是磨损，因此耐磨性是衡量滚动导轨副性能的主要指标之一。

3)刚度。为了保证足够的刚度，应选用最合适的导轨类型、尺寸及其组合。选用可调间隙和预紧的导轨副可以提高刚度。

4)工艺性。导轨副要便于装配、调整、测量、防尘、润滑和维修保养。

二、滚动导轨的分类及结构(1)滚动体不循环的滚动导轨副1-动导轨；2-滚珠；3-定导轨；4-滚柱；5-滚针(1)滚动体不循环的滚动导轨副①形式因为滚动体不循环，行程不能太长。结构简单，制造容易，有时间隙调整困难，滚动体有滚珠、滚柱和滚针等形式。②特点：滚珠式：摩擦阻力小，但承载能力差，刚度低；经常工作的滚珠接触部位，容易压出凹坑，适用于载荷不超过200N的小型部件；滚柱式：承荷能力比滚珠导轨副高近10倍，刚度高；但对导轨面的平行度误差比较敏感，容易侧向偏移，引起磨损加剧；滚针式：与滚柱式特点相同，结构尺寸受限制时选用。③应用实例下图分别为几种滚动体不循环的导轨在轻载、中载和重载下的应用。三角-平面滚珠导轨双三角滚珠导轨

双三角交叉滚柱导轨、滚动导轨副滚柱导轨块介绍(补充)优点

滚柱导轨块是标准化独立组件

运动件行程无限长对安装基面精度要求不高安装调整方便防护好应用高精、高速、重载、长导轨滚柱导轨块结构图滚柱导轨块实物1滚柱导轨块实物2直线滚动导轨由一根长导轨（导轨条）和一个或几个滑块组成。直线滚动导轨的特点是摩擦系数小，精度高，安装和维修都很方便。由于直线滚动导轨是一个独立的部件，对机床支承导轨部分的要求不高，既不需要淬硬也不需要磨削或刮研，只需精铣或精刨。因为这种导轨可预紧，因此其刚度高。回转圆运动滚柱导轨块实物滚动轴承导轨

滚动轴承导轨与滚珠、滚柱导轨的主要区别是：它不仅起着滚动体的作用，而且还代替了导轨。

它的主要特点是：摩擦力矩小，运动平稳、灵活，承载能力大，调节方便，导轨面积小，加工工艺性好，能长久地保持较高的精度。但其精度直接受到轴承精度的影响。

滚动轴承导轨在精密机械设备和仪器中均有采用，如精缩机、万能工具显微镜、测长仪等。执行机构的作用是将传动机构传递过来的运动和动力进行必要的传递或变换，以使机电一体化系统实现预期功能（运动和动作）的要求，比如夹持、搬运、焊接、包装等。要具有响应速度快、动态特性好、动静态精度高、动作灵敏度高等特点，另外为便于集中控制，还应满足效率高、体积小、质量轻、自控性强、可靠性高等要求。为实现不同的目的功能，需要采用不同的执行机构，其中有机械、电动、液动、气动、电液等。2.4机械执行机构数控机床自动回转刀架是在一定空间范围内，能使刀架执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作的机构。影响机床的切削性能和工作效率。回转式刀架上的各种回转头刀座用于安装和支持各种不同用途的刀具，通过回转头的旋转、分度和定位，实现机床的自动换刀。回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时切削抗力和减小刀架在切削力作用下的位移变形，提高加工精度。2.4.1数控机床回转刀架工业机器人是一种自动控制，可重复编程，多功能、多自由度的操作机，是搬运物料、工件或操作工具以及完成其他各种作业的机电一体化设备。工业机器人末端执行器安装在操作机手腕的前端，是直接实现操作功能的机构。末端执行器因用途不同而结构各异，一般可分为4大类：机械夹持器、特种末端执行器、工具型末端执行器和万能手（或灵巧手）。2.4.2工业机器人末端执行器1．机械夹持器机械夹持器应具有夹持和松开的功能。还应保证工件夹持姿态出现的几何偏差在给定的公差带内。机械夹持器常用压缩空气作为动力源，经传动机构实现手指的运动。根据手指夹持工件时运动轨迹的不同，机械夹持器分为：圆弧开合型、直线平行开合型。2.4.2工业机器人末端执行器2．特种末端执行器

特种末端执行器供工业机器人完成某类特定的作业。(a)真空吸附手(b)电磁吸附手3．工具型末端执行器工具型末端执行器是指机器人手臂运动或定位时自身能进行工作的末端执行器，如弧焊枪、点焊枪、喷砂器、清毛刺器、砂轮、成形铣、钻孔器、喷枪、涂胶枪、自动拧螺钉装置、激光切割器和水射流枪等。4．灵巧手

简单的两指单一自由度夹持不能适应物体外形的变化，不能对物体施加任意方向的微小位移，不能控制夹持器在抓取物体时的夹持内力。灵巧手是一种模仿人手制作的多指关节的机器人末端执行器，可以适应物体外形的变化对物体施加任意方向、任意大小的夹持力，可满足对任意形状、不同材质物体的操作和抓持要求。2.5机械系统的精度

1．误差和精度概念精度的高低是用误差的大小来衡量的。误差理论是研究影响测量或设备精度的误差来源及特性、误差评定和估计方法、误差的传递、转化与相互作用的规律、误差的合成和分配原则等从而为精密测量和精度设计提供科学依据。

误差是对某个物理量进行测量时，所得数值与真值的差值。误差的特点是：任何测量手段无论精度多高，误差总是存在的；多次重复测量某物理量时，各次测量值是不等的，总会存在重复测量误差。1．误差和精度概念

误差分为：随机误差、系统误差、粗大误差。随机误差：由许多独立因素的微量变化综合的结果，其误差大小和方向随机变化，表面看来无规律，但随着测量次数的增加和测量值的增多，它将服从一定的统计规律，多数随机误差呈正态分布。系统误差：大小和方向在测