机电一体化机械设计

第3章机电一体化机械设计3.13.2滑动螺旋传动3.3滚珠螺旋传动3.4滑动摩擦导轨3.5滚动摩擦导轨3.6静压螺旋传动与静压导轨简介思考题3.11.偏心轴套调整法图3-1所示为最简单的偏心轴套式消隙结构。电动机2通过偏心轴套1装在壳体上。1.偏心轴套调整法转动偏心轴套1可以调整两啮合齿轮的中心距,从而消除直齿圆柱齿轮传动的齿侧间隙及其造成的换向死区。这种方法结构简单,但侧隙调整后不能自动补偿。图3-1偏心轴套式消隙结构如图3-2所示,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。图3-2圆柱薄片齿轮错齿调整3.1.2斜齿轮传动机构1.垫片调整法图3-3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=Δcosβ(3-1)式中,β2.轴向压簧调整法如图3-4所示。图3-3斜齿薄片齿轮垫片调整图3-4斜齿薄片齿轮轴向压簧调整3.1.31.如图3-5所示,在锥齿轮4的传动轴7上装有压簧5,其轴向力大小由螺母6调节。锥齿轮4在压簧5的作用下可轴向移动,从而消除了其与啮合的锥齿轮1之间的齿侧间隙。图3-5锥齿轮轴向压簧调整2.周向弹簧调整法如图3-6所示,将与锥齿轮3啮合的齿轮作成大小两片（1、2）,在大片锥齿轮1上制有三个周向圆弧槽8,小片锥齿轮2的端面制有三个可伸入槽8的凸爪7。弹簧5装在槽8中,一端顶在凸爪7上,另一端顶在镶在槽8中的镶块4上。止动螺钉6装配时用,安装完毕将其卸下,则大小片锥齿轮1、2在弹簧力作用下错齿,从而达到消除间隙的目的。图3-6锥齿轮周向弹簧调整3.1.4如图3-7所示,小齿轮1、6分别与齿条7啮合,与小齿轮1、6同轴的大齿轮2、5分别与齿轮3啮合,通过预载装置4向齿轮3上预加负载,使大齿轮2、5同时向两个相反方向转动,从而带动小齿轮1、6转动,其齿便分别紧贴在齿条7上齿槽的左、右两侧,消除了齿侧间隙。图3-7双齿轮调整3.2滑动螺旋传动螺旋传动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,（3-2）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。3.2.11.降速传动比大2.具有增力作用3.能自锁4.效率低、磨损快3.2.2滑动螺旋传动的形式及应用1.螺母固定,如图3-8(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（螺杆行程的两倍加上螺母高度）,刚性较差。因此该形式仅适用于行程短的情况。2.螺杆转动,如图3-8(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。图3-8滑动螺旋传动的基本型式除上述两种基本传动形式外,还有一种螺旋传动——差动螺旋传动,其原理如图3-9所示。图3-9差动螺旋传动原理设螺杆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,则当螺杆转动φ角时,可动螺母2的移动距离为（3-4）可见,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。(3-3)3.2.3螺旋副零件与滑板连接结构的确定1.刚性连接结构;图3-10所示为刚性连接结构,这种连接结构的特点是牢固可靠。图3-10刚性连接结构2.弹性连接结构;图3-11所示的装置中,螺旋传动采用了弹性连接结构。图3-11测量显微镜纵向测微螺旋3.活动连接结构;图3-12所示为活动连接结构的原理图。恢复力F（一般为弹簧力）使连接部分保持经常接触。当滑板1的运动方向与螺杆2的轴线不平行时,通过螺杆端部的球面与滑板在接触处自由滑动（图3-12(a)）,或中间杆3自由偏斜（图3-12(b)）,可以避免螺旋副中产生过大的应力。图3-12活动连接结构3.2.4影响螺旋传动精度的因素及提高传动精度的措施1.螺纹参数误差（1）螺距误差。（2）中径误差。（3）牙型半角误差。螺纹实际牙型半角与理论牙型半角之差称为牙型半角误差（如图3-13所示）图3-13牙型半角误差2.如图3-14所示,若螺杆轴肩的端面与轴承的止推面不垂直于螺杆轴线而有α1和α2的偏差,则当螺杆转动时,将引起螺杆的轴向窜动误差,并转化为螺母位移误差。螺杆的轴向窜动误差是周期性变化的,以螺杆转动一周为一个循环。最大Δmax=Dtanαmin（3-5）式中:;D——螺杆轴肩的直径；αmin——α1和α2中较小者,对于图3-14,αmin为α2。图3-14螺杆轴向窜动误差3.在螺旋传动机构中,如果螺杆的轴线方向与移动件的运动方向不平行而有一个偏斜角ψ（见图3-15）时,就会发生偏斜误差。设螺杆的总移动量为L,移动件的实际移动量为x,ΔL=L-x=L（1-cosψ）=2Lsin2由于ψ一般很小,因此sin(ψ/2)≈ψ/2,（3-6）2图3-15偏斜误差4.当螺旋传动的工作温度与制造温度不同时,将使螺杆长度和螺距发生变化,从而产生传动误差,这种误差称为温度误差,ΔLt=LωaΔt（3-7）式中:Lω——螺杆螺纹部分的长度；a——螺杆材料的热膨胀系数,对于钢,一般取为11.6×10-6/℃。Δt——工作温度与制造温度之差。3.2.5消除螺旋传动的空回的方法1.利用单向作用力同时,这种结构在螺母上无需开槽或剖分（见图3-16）,因此螺杆与螺母接触情况较好,有利于提高螺旋副的寿命。图3-16螺纹间隙径向调整结构2.（1）径向调整法。图3-16所示为径向调整法的典型示例。图3-16(a)采用开槽螺母结构,拧动螺钉可以调整螺纹间隙。图3-16(b)采用卡簧式螺母结构,在主螺母1上铣出纵向槽,拧紧副螺母2时,靠主、副螺母的圆锥面,可迫使主螺母径向收缩,以消除螺旋副的间隙。图3-16(c)采用对开螺母结构。为了便于调整,螺钉和螺母之间装有螺旋弹簧,这样可使压紧力均匀稳定。为了避免螺母直接压紧在螺杆上而增加摩擦力矩,加速螺纹磨损,可在此结构中装入紧定螺钉以调整其螺纹间隙,如图3-16(d)所示。（2）轴向调整法。图3-17为轴向调整法的典型结构示例。图3-17(a)为开槽螺母结构,拧紧螺钉强迫螺母变形,使其左、右两半部的螺纹分别压紧在螺杆螺纹相反的侧面上,从而消除了螺杆相对螺母轴向窜动的间隙。图3-17(b)为刚性双螺母结构,主螺母1和副螺母2之间用螺纹连接。图3-17螺纹间隙轴向调整结构3.图3-18所示是用聚乙烯或聚酰胺(尼龙)制作的螺母结构,用金属压圈压紧,利用塑料的弹性可很好地消除螺旋副的间隙。图3-18塑料螺母结构3.3滚珠螺旋传动如图3-19所示，当螺杆转动时,滚珠沿螺纹滚道滚动。图3-19滚珠螺旋传动的工作原理图3.3.1(1)运动效率高,一般可达90%以上,约为滑动螺旋传动效率的三倍。在伺服控制系统中采用滚动螺旋传动,不仅可以提高传动效率,而且可以减小启动力矩、颤动及滞后时间。(2)运动精度高。由于其摩擦力小,工作时螺杆的热变形小,螺杆尺寸稳定,并且经调整预紧后,可得到无间隙传动,因而具有较高的传动精度、定位精度和轴向刚度。(3)具有传动的可逆性,但不能自锁。用于垂直升降传动时,需附加制动装置。(4)制造工艺复杂,成本较高,但使用寿命长,维护简单。3.3.2滚珠螺旋传动的结构形式与类型1.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。常用的截形有两种:单圆弧形（见图3-20(a)）和双圆弧形（见图3-20(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°。图3-20滚道法向截形示意图滚道半径rs（或rn）与滚珠直径Dω的比值称为适应度frs=rs/Dω(或frn=rn/Dω)。适应度对承载能力的影响较大,一般取frs(或frn)=0.25～0.55。2.按滚珠在整个循环过程中与螺杆表面的接触情况,可将滚珠的循环方式分为内循环和外循环两类。（1）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（见图3-21）。图3-21内循环（2）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。螺旋槽式（见图3-22）端盖式（见图3-24）是指在螺母1上钻有一个纵向通孔作为滚珠返回通道,螺母两端装有铣出短槽的端盖2,短槽端部与螺纹滚道相切,并引导滚珠返回通道,构成滚珠循环回路。端盖式的优点是结构紧凑,工艺性好。缺点是滚珠通过短槽时容易卡住。图3-22螺旋槽式外循环图3-23插管式外循环图3-24端盖式外循环3.消除轴向间隙的调整预紧方法（见图3-25）图3-25双螺母预紧（1）垫片调隙式。如图3-26所示图3-26垫片调隙式（2）螺纹调隙式。如图3-27所示。图3-27螺纹调隙式（3）齿差调隙式。如图3-28所示。当两个螺母按同方向转过一个齿时,其相对轴向位（3-8）式中,Ph为导程。如果z1=99,z2=100,Ph=8mm,则ΔL=0.8μm。可见,这种方法的特点是调整精度很高,工作可靠,但结构复杂,加工工艺和装配性能较差。21211221)()11(zzPPzzzzPzzLhhh图3-28齿差调隙式3.3.3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同滑动螺旋副一样,主要是螺旋副的参数误差、机构误差以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。在JB/T3162.2—19标准中,根据滚珠螺旋副的使用范围和要求将其分为两个类型：P类定位滚珠螺旋副和T类传动滚珠螺旋副,并分成7个精度等级,即1、2、3、4、5、7和10级。其中,1级精度最高,其余的依次递减。3.4滑动摩擦导轨由机械运动学原理可知,一个刚体在空间有6个自由度,即沿x、y、z轴移动和绕它们转动（见图3-29(a)）。对于直线运动导轨,必须限制运动件的5个自由度,仅保留沿一个方向移动的自由度。以棱柱面相接触的零件只有沿一个方向移动的自由度,如图3-29(b)、(c)、(d)所示的棱柱面导轨,运动件只能沿x方向移动。以圆柱面相配合的两个零件,有绕圆柱面轴线转动及沿此轴线移动的两个自由度,在限制转动这一自由度后,则只有沿其轴线方向移动的自由度（如图3-29(e)所示）。图3-29导轨的导向原理3.4.1(1)导向精度高。如图3-30（a）、（b,理想的导轨面与垂直平面A-A或水平面B-B的交线均应为一条理想直线,但由于存在制造误差,致使交线的实际轮廓偏离理想直线,其最大偏差量Δ即为导轨全长在垂直平面（图3-30(a)）和水平面（图3-30(b)）内的直线度误差。导轨面间的平行度。图3-30(c)所示为导轨面间的平行度误差。图3-30导轨的几何角度(2)运动轻便、平稳,低速时无爬行现象。(3)耐磨性好。(4)对温度变化的不敏感性。(5)足够的刚度。(6)结构工艺性好。3.4.2按导轨承导面的截面形状,可将滑动导轨分为圆柱面导轨和棱柱面导轨（见图3-31）。图3-31滑动摩擦导轨截面形状1.在图3-32所示的结构中,支臂3和立柱5构成圆柱面导轨。立柱5的圆柱面上加工有螺纹槽,转动螺母1即可带动支臂3上下移动。螺钉2用于锁紧,垫块4用于防止螺钉2压伤圆柱表面。图3-32圆柱面导轨图3-33(a)、(b)、(c)是这种防转结构的几个例子。利用辅助导向面可以更好地限制运动件的转动（见图3-33(d)）,适当增大辅助导向面与基本导向面之间