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精密机械技术2.1机电一体化中的机械系统机电一体化系统中的机械系统是由计算机协调与控制，用于完成一系列机械运动的机械和机电部件相互联系的系统。概括地讲，机电一体化系统中机械系统主要包括以下五大部分：•1)传动机构(传递能量和运动)•2)导向机构(支承和限制运动部件，获得给定运动方向)•3)执行机构(按指令要求，完成预定操作)•4)轴系(传递转矩获得回转运动，承受外力)•5)机座或机架(支承、承重、保证相对位置、作基准)传统机械系统和机电一体化系统对比两类系统的主要功能都是完成一系列的机械运动，但由于组成的不同，导致运动实现的方式也不同。传统机械系统一般是由动力件、传动件、执行件三部分加上电器、液压和机械控制等部分组成，而机电一体化中的机械系统由计算机协调与控制，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械或机电部件相互联系的系统组成。其核心是由计算机控制的，包括机、电、液、光、磁等技术的伺服系统。机电一体化中的机械系统需使伺服马达和负载之间的转速与转矩得到匹配。也就是在满足伺服系统高精度、高响应速度、良好稳定性的前提下，还应该具有较大的刚度、较高的可靠性和重量轻、体积小、寿命长等特点。传统机械系统和机电一体化系统对比2.1.2机电一体化系统对机械技术的特殊要求基于以上原因，机电一体化中的机械系统除了满足一般机械设计的要求以外，还必须满足机电一体化系统的各种特殊要求。总体上讲，这些要求主要可归纳为以下3个方面：•1．高精度•2．小惯量•3．大刚度2.1.3精密机械系统设计过程中的特点机电一体化机械系统设计与传统的机械系统设计一样有传动设计和结构设计两部分，只是由于机电一体化的特征决定了在机械系统设计过程中有它自身的特点。•1)机械传动设计的特点•2)机械结构设计的特点2.2精密机械传动机构常用机械传动机构－－螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动、各种非线性传动等。由于传动部件直接影响着机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性，因此，应设计和选择满足传动间隙小、精度高、低摩擦、体积小、重量轻、运动平稳、响应速度快、传递转矩大、谐振频率高以及与伺服电动机等其他环节的动态性能相匹配等要求的传动部件。主要有以下五方面基本要求。2.2.1机械传动机构的基本要求机械传动机构的基本要求1)系统传动部件的静摩擦力应尽可能小，动摩擦力应是尽可能小的正斜率，若为负斜率则易产生爬行，精度降低，寿命减小。•因此，要求较高的机电一体化系统经常采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，如采用滚珠丝杠副、滚动导向支承、动(静)压导向支承等。2)缩短传动链，提高传动与支承刚度，如•用预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动与支承刚度；•采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接，以减少中间传动机构；•丝杠的支承设计采用两端轴向预紧或预拉伸支承结构等。3)选用最佳传动比，以达到减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力的目的。4)缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支承变形等。5)适当的阻尼比，机械零件产生共振时，系统中阻尼越大，最大振幅就越小，且衰减越快；但大阻尼也会使系统的失动量和反转误差增大、稳态误差增大，精度降低。所以在设计时要注意传动机构的阻尼应合适。对机械传动结构的新技术要求1)精密化。对某种特定的机电一体化系统(或产品)来说，应根据其性能需要提出适当的精密度要求。虽说不是越精密越好，但由于要适应产品高定位精度等性能要求，对传动机构的精密度要求也越来越高。2)高速化。产品工作效率的高低，直接与机械传动部件的运动速度相关。因此，传动机构应能适应高速运动的要求。3)小型化、轻量化。随着机电一体化系统精密化、高速化的发展，必然要求传动机构的小型化、轻量化，以提高运动灵敏度(快速响应性)、减小冲击、降低能耗。为了与微电子部件微型化相适应，也要尽可能做到使传动部件短、小、轻、薄。2.2.2丝杠螺母传动丝杠螺母机构（螺旋传动机构）：主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。有以传递能量为主的(如螺旋压力机、千斤顶等)；也有以传递运动为主的(如机床工作台的进给丝杠)；还有调整零件之间相对位置的螺旋传动机构等。丝杠螺母机构分为滑动摩擦机构和滚动摩擦机构。滑动丝杠螺母机构结构简单、加工方便、制造成本低、具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大、传动效率低(30％～40％)。滚珠丝杠螺母机构虽然结构复杂、制造成本高，但其最大优点是摩擦阻力矩小、传动效率高(92％～98％)，因此在机电一体化系统中得到广泛应用。丝杠基本传动形式的5种类型1)螺母固定、丝杠转动并移动。如图1，该传动形式因螺母本身起着支承作用，消除了丝杠轴承可能产生的附加轴向窜动，结构较简单，可获得较高的传动精度。但其轴向尺寸不易太长，刚性较差。只适用于行程较小的场合。2)丝杠转动、螺母移动。如图2，该形式需要限制螺母的转动，故需导向装置。其特点是结构紧凑、丝杠刚性较好。适用于工作行程较大的场合。3)螺母转动、丝杠移动。如图3，该形式需要限制螺母移动和丝杠的转动，由于结构较复杂且占用轴向空间较大，故应用较少。4)丝杠固定、螺母转动并移动。如图4，该传动方式结构简单、紧凑，但在多数情况下使用极不方便，故很少应用。5)差动传动方式，如图5。该方式的丝杠上有螺距不同的(如l10、l20)两段螺纹，其旋向相同。当丝杠2转动时，可动螺母1的移动距离为S=n×(l10－l20)，如果两基本导程的大小相差较少，则可获得较小的位移S。因此，此方式多用于微动机构中。滚珠丝杠的组成特点滚珠丝杠副由带螺旋槽的丝杠与螺母及中间传动元件滚珠组成。图为滚珠丝杠螺母机构示意图，它由丝杠、螺母、滚珠和反向器(滚珠循环装置)4部分组成。丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠流动闭合通路。滚珠丝杠与滑动丝杠相比，除上述优点外，还具有轴向刚度高(即通过适当预紧可消除丝杠与螺母之间的轴向间隙)、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长等优点。但由于不能自锁，具有传动的可逆性，作升降传动机构时，需采取制动机构。滚珠丝杠副的主要尺寸参数公称直径d0：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l0：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l：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d、丝杠螺纹小径d1、滚珠直径db、螺母螺纹大径D、螺母螺纹小径D1、丝杠螺纹全长ls等。基本导程的大小应根据机电一体化产品的精度要求确定。精度要求高时应选取较小的基本导程。滚珠的工作圈(或列)数和工作滚珠的数量N由试验得到：一般第一、第二和第三圈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(或2)～3.5(或3)。滚珠总数N一般不超过150个。滚珠丝杠副的选择方法1)滚珠丝杠副结构的选择。根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，可选择适当的结构形式。例如，当允许有间隙存在时(如垂直运动)可选用具有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时，应采用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式结构；当具备良好的防尘条件，且只需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式结构。2)滚珠丝杠副结构尺寸的选择。选用滚珠丝杠副时通常主要选择丝杠的公称直径d0和基本导程l0。公称直径d0应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸系列选择。螺纹长度ls在允许的情况下要尽量短，一般取ls/d0小于30为宜；基本导程l0应按承载能力、传动精度及传动速度选取，l0大承载能力也大，l0小传动精度较高。要求传动速度快时，可选用大导程滚珠丝杠。滚珠丝杠副的选择步骤在选用滚珠丝杠副时，必须知道实际的工作条件，如：最大的工作载荷Fmax(或平均工作载荷FCD(N)作用下的使用寿命T(h))、丝杠的工作长度(或螺母的有效行程)l(mm)、丝杠的转速n(或平均转速nCD)(r/min)、滚道的硬度HRC及丝杠的工况，然后按下列步骤进行选择。•①承载能力选择•②压杆稳定性核算•③刚度验算2.2.3齿轮传动1)机电一体化系统中齿轮传动设计的若干问题1.齿轮传动形式及其传动比的最佳匹配选择。2.各级传动比的最佳分配原则。当计算出传动比之后，为了使减速系统结构紧凑，满足动态性能和提高传动精度的要求，常常需对各级传动比进行合理分配，其分配原则如下：•①重量最轻原则•②输出轴转角误差最小原则•③等效转动惯量最小原则在设计中应根据上述的原则并结合实际情况的可行性和经济性对转动惯量、结构尺寸和传动精度提出适当要求。具体讲有以下几点：①对于要求体积小、重量轻的齿轮传动系统可用重量最轻原则。②对于要求运动平稳、起停频繁和动态性能好的伺服系统的减速齿轮系，可按最小等效转动惯量和总转角误差最小的原则来处理。对于变负载的传动齿轮系统的各级传动比最好采用不可约的比数，避免同期啮合以降低噪声和振动。③对于以提高传动精度和减小回程误差为主的传动齿轮系，可按总转角误差最小原则。对于增速传动，由于增速时容易破坏传动齿轮系工作的平稳性，应在开始几级就增速，并且要求每级增速比最好大于1︰3，以有利于增加轮系刚度、减小传动误差。④对以较大传动比传动的齿轮系，往往需要将定轴轮系和行星轮系结合为混合轮系。对于相当大的传动比、并且要求传动精度与传动效率高、传动平稳、体积小重量轻时，可选用谐波齿轮传动。2)无侧隙齿轮传动机构齿轮传动中的齿侧间隙的存在，不仅会影响机电一体化系统的传动精度，还会在电机驱动系统中引起严重的噪声，因此，对于机电一体化的齿轮传动，一般要求采取措施消除齿侧间隙。齿轮传动侧隙的调整有偏心轴套调整法、双片薄齿轮错齿调整法、垫片调整法等多种方法。图示为双片薄齿轮错齿调整法。一对啮合的直齿圆柱齿轮中一个采用宽齿轮，另一个由两片可以相对转动的薄片齿轮组成。装配时使一片薄齿轮的齿左侧和另一片的齿右侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左、右两侧，通过两薄片齿轮的错齿，消除齿侧间隙，反向时也不会出现死区。两薄片齿轮1、2上各装入有螺纹的凸耳3、4，螺钉5装在凸耳3上，螺母6、7可调节螺钉5的伸出长度。弹簧8一端勾在凸耳9上，另一端勾在螺钉5上。转动螺母7(螺母6用于锁紧)可改变弹簧8的张力大小，调节齿轮1、2的相对位置，达到错齿。这种错齿调整法的齿侧间隙可自动补偿，但结构复杂。各侧隙调整方法各有优缺点，应根据设计需要合理选用.谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大(几十至几百)、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高等一系列优点。故在工业机器人、航空、航天等机电一体化系统中应用广泛。谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似。它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力和运动的。因此它与一般齿轮传动具有本质上的差别。3)谐波齿轮传动如图，谐波齿轮传动由波形发生器3(H)和刚轮1、柔轮2组成。波形发生器为主动件，刚轮或柔轮为从动件。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，刚轮的齿数zg比柔轮的齿数zr多几个齿。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。工程上常用的波形发生器有2个触头的即为双波发生器，也有3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zg－zr＝2。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2个齿距。当刚轮固定时，则柔轮的回转方向与波形发生器的回转方向相反。（试想想，柔轮固定时情况？）刚轮与发生器同向旋转2.2.4挠性传动除滚珠丝杠副、齿轮副等传动部件之外，机电一体化系统中还大量使用同步齿形带、钢带、链条、钢