机械工程专业课程设计指导书结构设计

机械工程专业课程设计指导书结构设计

序言（编写说明）

随着科学技术不断发展，对工科院校学生的质量要求也在逐步提高，尤其要求机械工程专业学生应对机电一体化系统有较深刻的了解，同时要求学生有较强的综合能力和创新能力。因此，作为联系机械设计理论教学与毕业设计环节的重要的过渡性实践教学手段的专业课程设计环节，对于学生设计能力的初步培养是非常重要的。目前，关于“机电一体化产品结构设计”的相关课程设计指导书尚无成熟的教材。为填补这一教学环节的不足，我们编写了这本指导书。

按照机械工程专业的课程设置，专业课开设了《机械系统设计》、《机械设计方法学》、《微机接口技术》等课程。但因教学时间的限制，不可能每一门专业课都设置课程设计环节。所以，我们在综合上述几门专业课的基本内容上，开设了综合性的课程设计环节。企图通过这个课程设计，使学生能综合运用过去所学理论知识，培养和提高其设计技能，掌握机械产品设计的过程及方法，使学生理论联系实际的分析问题和解决问题的能力得到进一步培养，并为毕业设计打下基础。

本课程设计涵盖包括《机械系统设计》、《机电一体化系统设计》、《机械设计方法学》、《微机接口技术》、《传感器与测试技术》等专业课程的基本内容。在有条件的情况下，利用AutoCAD或CAXA电子图板，还可实现对学生进行现代设计手段的训练。

对于设计的选题，我们力求坚持机电一体化的综合性；力求实用化、通用化。在实施时，改变专业基础课程设计中，全班用同一方案的做法，企图通过从设计方法的角度去引导学生的思路进行创造性设计。

参加本指导书编著者有天津理工大学魏璇（第一、三、四、六章、§2.2）、刘艳玲（第五章）、陆波（§2.1、§2.3、）。魏璇担任主编。限于编者水平，又没有同类教材参考，难免存在缺点和不足，谬误之处恳切希望专家及同行批评指正。

第一章概述

§1.1 机电一体化基本概念

1.1.1机电一体化的定义

机电产品传统的定义为：“由传动件、动力件、执行件及电气和机械控制组成的产品”。随着以大规模集成电路和计算机为代表的微电子技术与信息技术的飞跃发展，形成了将机械技术与微电子技术、信息技术相结合的机电一体化技术，这一技术的运用已使机电产品的功能、性能及制造技术产生了一次飞跃，给传统机电工业带来了巨大变革，出现了机械与微电

子技术相结合的一大类产品。为此，1984年美国机械工程师协会（ASME）将现代机械系统定义为：“由计算机信息网络协调与控制的、用于完成包括机械力、运动和能量流动等动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统”。现在，机电一体化已成为当今世界机械电子工业发展的必然趋势，也是振兴我国机械电子工业的根本途径。图⒈１是机械电子系统各组成部分框图：

图中：机械系统包括

动力单元、传动单元、执

行单元等基本机械部件，

机械系统对其对象可以

完成加工、驱动、测试等

功能；传感器可以接收机

械系统和（或）工作方法

对象及系统外部的各种

参数信号；信号处理器部

分进行信号处理与转换；计算机完成全部信息处理并发出控制信号，经过驱动部分最终作用在机械系统和（或）对象上，完成全部动作（工作）循环。

综上所述，机电一体化技术是多学科、多专业技术相结合的综合性技术，也是今后机械产品的发展方向。

1.1.2 机电一体化系统的功能要求

机电一体化系统的种类繁多，任何一个具体的系统都要完成其具体的使用功能，这是不言而喻的。每个系统的要求也各不相同，但从广义的角度概括起来，机电一体化系统区别于传统机械设备的基本要求为：

⑴精确性要求

提高机电产品的测量精度、机械运动精度、机械电子设备的加工精度等精度要求是机电一体化系统的基本要求。因此设计机电一体化系统时，更多地是从刚度理论（尤其是动态刚度）而不是从度理论出发去进行机械构件设计。同时，机电一体化系统中机械结构的小型化、轻量化、高效率、高可靠性也对零部件的加工、装配提出了更高的精度指标。

⑵数字化要求

对于测量和控制而言，由于模拟量存在与生具来的精度低、抗干扰差等缺陷，因此包括将模拟量控制转变为数字量控制，将目视刻度、模拟量仪表转变为数字显示在内的数字化要求，已经成为机电一体化系统的基本特征。

⑶智能化要求

控制工程理论尤其是模糊控制理论的发展与实际应用，使机电一体化系统具有了主动测量、闭环控制、能够自主分析与决策的智能化特点。因此，设计者应对系统的信号反馈与处理及信号分析与决策有预先的整体考虑。

⑷稳定性和可靠性要求

对机电一体化系统来说，系统工作的稳定性和可靠性要求不仅是针对机械构件，更多地

是针对完成测量、数据传递和控制任务的电子构件而言的。这其中主要包括系统对环境（温度、湿度）的要求、抗干扰性、使用安全性和平均无故障时间等较具体的要求。

⑸小型化和最优化要求

即减小产品的体积和质量，优化结构设计。例如：将台式仪器转变为便携式仪器，增加对环境的适应性。优化传动机构设计，提高平稳性，延长使用寿命等。

1.1.3 机电一体化系统的一般设计过程

机电一体化系统的设计是一个多学科、多专业相结合的设计过程。一般包括如下几个方面：

⑴系统的功能设计

机电一体化系统的功能是用来改变物质、信号或能量的形式、状态、位置或特征，其所实现运动的自由度、轨迹、行程、精度、速度、等性能指标，通常要根据工作对象的性质，特别是根据系统所能实现的功能指标来确定的。进行系统功能设计，首先要构成如图⒈１所示的控制、动力、驱动、执行这四大基本功能，然后由若干功能子系统组成各种具体功能，用户提出的功能要求系统一定要满足，对于多余或过剩功能则应剔除。

⑵系统的总体设计

系统的总体设计的核心是在确定系统功能的基础上构思整机原理方案、确定总体参数和总体布局，其中重要的是从系统的观点出发，把控制、动力、驱动、传感器、执行单元融合起来通盘考虑，需要对不同的方案进行整体评价，力求实现硬件组合的最佳形式，除此之外，各分系统的技术指标也要在此阶段加以确定。

⑶系统的结构设计

部件是可以完成一定功能的整体，部件设计方案可以

有一定的选择性，同时又要满足整体设计的功能要求，即

部件的精度要满足整体精度的分配；部件大小应限制在整

体设计给定的空间内；部件间要有可靠的接口。在此阶段

还要完成部件、零件、接口的设计图及必要的计算。

⑷系统的精度设计

机电一体化系统的精度包括机械精度和信息传递精度

两大部分，机械精度部分有运动精度、传动精度、刚度等；

信息传递精度涉及传感器、A/D、D/A转换器、计算机等电

子设备精度。精度设计的主要任务是分析影响精度的因素，

按不同性质进行误差综合，按照误差对整体精度影响的重

要程度进行精度分配并提出减小误差的解决措施。

⑸系统的可靠性设计

可靠性是在规定条件下和规定时间内，系统完成规定

功能的能力（概率），它用可靠度、失效率、寿命及维修

度和有效度来表征。可靠性设计的核心是减少故障和及时

修复。进行可靠性设计时，要根据系统实际结构与寿命要

求，确定重要零部件的平均无故障工作时间、平均使用寿

命、维修周期等定性、定量的可靠性指标；发现可能存在的潜在隐患并提出解决办法。

⑹传统设计过程

传统设计过程一般称为“三段设计法”。即：总体设计阶段、技术设计阶段和施工设计阶段（亦称：外部、内部、制造销售阶段）。图１－２说明了传统机械设计的一般过程。应当指出的是：

①系统功能指标通常由用户（甲方）初定，设计人员主要考虑用户的要求能否实现。亦即任务分析。

②在总体设计阶段，虽然在图中将整机原理方案设计、系统要素定型、总体布局设计等主要三项设计任务并列，但实际上这三项工作仍然是基本从左到右顺序进行的，只不过设计中是有交叉的。

③在这个阶段，设计者需要进行大量的调研、计算（原理计算）并结合标准部件选型与总体初步布局，随时评价总体原理方案的可行性与最优性。

④系统要素是指标准部件选类型。

⑤总体设计完成后的系统要素设计及选型是指标准选型号与非标准部件设计，由此开始已进入技术设计阶段。在此阶段，设计人员需要完成全部零部件图纸设计。

⑥在进行每一项设计时，设计者不仅要完成其所负责部分的部件、零件的设计，更重要的是需要保证自己所设计的部分与其它部分的合理结合。

⑦完成全部零部件图纸设计及控制系统软硬件设计后，试制与调试过程中出现的问题一般应返回调试前的阶段，通过找出问题所在（如：加工精度问题、装配调整问题等）来解决。但也不排除结构设计、软硬件设计不合理产生的问题，必须返回到技术设计阶段重新进行结构设计的可能。从试制调试阶段发现问题再返回总体设计阶段的可能一般不存在。

⑧图1-2并未画出施工设计阶段。在此阶段中，一般过程是由工艺设计人员针对每个零件编制工艺路线、设计工装卡具，甚至是设计专用机床。这方面问题因为与本专业方向研究的问题有一定距离，所以省略了。

§1.2 本课程设计的目的

本课程设计是在《机械系统设计》、《微机原理与接口技术》、《传感器与机械测试技术》、《计算机辅助设计》等专业课完成后，毕业设计前的过渡性实践教学环节。其目的在于：

⒈掌握机械设计的一般设计过程及方法。如：如何进行原理方案设计及选择；总体设计及布局；参数确定；结构设计及计算等。

⒉进行设计的基本训练。如：计算；绘图；试验；设计资料的选取；编写技术文件等。

⒊综合运用已学过的知识和理论，进一步进行自学能力和实际动手能力的训练。使理论联系实际的分析问题、解决问题的能力和实际操作能力得到进一步提高。

⒋培养学生的团队合作精神。

⒌完成学生从被动接受课堂教学的学习模式到自主学习、独立工作的设计工作形式的转变，并为毕业设计打好基础。

§1.3 设计题目及要求

⒈设计题目：数控极坐标工作台设计

该工作台能够安装在普通万能铣床、普通立式铣床上，用于凸轮加工，可加工凸轮形状为盘形、端面或圆柱凸轮任选一种或三种均可。

⒉主要功能要求：

①该装置应能实现平面极坐标形式（旋转+直线移动）的连续运动。

②可以显示运动位置参数（角度和直线移动位置）。

③既可以自动运行也可以手动调整。

④控制电路应包括步进电机驱动功能。

⑤控制方式可以是开环、闭环或半闭环系统。

⒊主要技术参数要求（表1－1）

⒊任务要求及时间安排：

①分组：3人/组

②每组任务：⑴完成装配图一份、零件图一张（零件可选：轴、箱体、齿轮）；

⑵控制电路原理图一份；

⑶控制程序框图一份；

⑷完成三维动态仿真程序（运动演示）；

⑸设计说明书一份（不少于25页）。

注：每组由一人负责总体，并负责组内任务分配与工作协调。

③时间安排：分散课外完成；随时答疑、答辩；学期末考试周前一周的周五为最后期限。第二章常用机电元器件

§2.1 电机

为了实现机电一体化系统中机械运动部件准确、高效和精密的运动，必须首先选择合适的驱动装置，而目前最实用的伺服驱动装置是电气伺服装置。虽然也有直线电机、电致微动驱动器、电—液伺服马达等电气驱动装置，但由于直流、交流电机和步进电机伺服驱动具有高精度、响应速度快、超调小、调速范围大以及有快速的应变能力和较长时间的过载能力等特点，已经成为了机电一体化伺服驱动的三大主流格局。本节我们将结合本课程设计介绍这三种电机的特点、适用场合与几种常用电机型号，在第四章介绍电机相应的设计计算。

2.1.1步进电机

一、原理与类型

步进电机是一种可将电脉冲信号变为相应角位移或直线

位移的同步电机，其基本工作原理为：以一定的方式给其定

子上的控制绕组依次通入电流，就会在空间产生一步一步的

旋转磁场，其转子就会跟随旋转磁场一步一步的旋转，因此

称为步进电机。对应一个脉冲转子转过的角度称为步距角。

同时因步进电机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，

时间上与输入脉冲同步。只要控制输入脉冲的数量、频率和

电机绕组的相序，即可获得所需转角的转速和转动方向，因

而可构成直接数字控制。另一方面，步进电机自身的动态特

性和驱动方式对快速动作及工作可靠性影响很大，它的动态

输出转矩是随控制脉冲频率的不同而改变的，脉冲频率增加，动态转矩变小，这称为步进电机的矩—频特性。

步进电机大致可以分成三种类型。即①转子无绕组，步进运行是由定子绕组通电激磁产生的反应力矩作用来实现的反应式步进电机（基本特点为：结构简单、工作可靠、运行频率高、步距角小）。②转子为圆周多极磁化的永磁铁，靠与定子绕组产生的电磁力相互吸引或相斥来实现运行的永磁型步进电机（基本特点为：控制功率小、效率高、造价低、无励磁也具有保持力、电机频率响应低、步距角较大）。③结合了反应式与永磁式步进电机两种基本

结构特点的混合式步进电机（基本特点为：步距角小、工作频率高、控制功率小、无励磁也具有保持力、结构相对复杂、成本相对较高）。

由以上对步进电机的简单介绍可看出，步进电机伺服驱动具有结构简单、控制容易、而且是全数字化装置的特点，因此在小容量、工作速度低、精度要较高的场合使用较多。

二、常用步进电机型号

(注：点击电机系列可察看相应电机参数（可以脱机使用）；

点击公司名称可以进入该公司主页（必须联网）)

1、 混合式步进电机BYG 系列 (北京四通电机技术有限责任公司)；

2、 反应式步进电机 (常州戚墅堰新月电机厂)；

3、 混合式步进电机 (常州戚墅堰新月电机厂)；

4、 减速步进电机 (常州戚墅堰新月电机厂)；

5、 H S 高扭矩系列步进电机 （北京斯达特机电科技发展有限公司）；

2.1.2直流伺服电机

一、直流伺服电机简介

直流伺服电机有永磁式、它激式等几种形式。这种电机工作原理与一般直流电机工作原理相似，其结构也包括定子、转子与换向装置。直流伺服电机具有线性的静态机械特性，有良好的起动、制动和调速性能。同时由于在伺服系统中，电机经常处于过程状态工作，为取得平稳的、无振荡的、单调上升的转速过渡过程，因此直流伺服电机比一般直流电机和其它驱动元件有更大的力矩—惯量比。

由于直流伺服电机的机械特性为： M t e a e a T k k R k U 2

0??ω-= 若令：??t T e E k K k K ==;

则理想的空载转速和起动转矩为：

???

????==T a a s E a K R U T K U 0ω 上述式中：a U —电枢上的直流电压

a R —电枢电阻

e k 和t k —电枢电势常数和转矩常数

?—定子磁场磁通

ω—电机转速（角速度）

M T —电磁转矩

0ω—理想空载转速（负载转矩为零）

s T —起动转矩（转速为零）

ω?—转速降（电机带动负载T L 时的转速ω与理想空载转速0ω的差）。

而通过解直流电机的动态特性方程得到：只有当阻尼比121≥=

c m t t ξ(式中：a a e R L t =为电器时间常数、J

T K K R J t S T E a M 0ω=?=为机械时间常数)时，系统的过渡过程才是稳定而不振荡的，而且转速没有超调。而J T S 又称为转矩—惯量比，它标志着电机的加速性能，为减小电机的过渡过程时间就应减小M t ，因此不同的伺服电机采用了不同的方式：减小转子的转动惯量J 的方法，则称为小惯量电机；提高起动转矩s T 的方法，则称为大惯量电机。

二、几种直流伺服电机

1、英国SEM 公司MT22D2系列 (英国SEM 公司)

2、英国SEM 公司MT22G2系列

3、英国SEM 公司MT22R2系列

4、英国SEM 公司MT30E4系列

5、英国SEM 公司MT30F4系列

6、SY 系列永磁直流伺服电动机 (漳州航天电机有限公司)

7、SY 系列直流机器人伺服电机 (漳州航天电机有限公司)

8、上海瑞克科技发展有限公司

2.1.3交流伺服电机

一、交流伺服电机简介

交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似，如图所示。其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf ，它始终接在交流电压Uf 上；另一个是控制绕组L ，联接控制信号电压Uc 。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。

交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺

服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自

转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具

有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的

转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做

成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯

量，转子做得细长；另一种是采用

铝合金制成的空心杯形转子，杯壁

很薄，仅0.2-0.3mm ，为了减小磁路

的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子，如图所示。空心杯

形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。

交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。

交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点：

1、起动转矩大

由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。它可使临界转差率S0＞1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。

2、运行范围较宽

如图所示，较差率S在0到1的范围内伺服电动

机都能稳定运转。

3、无自转现象

正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电

机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后，它

处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相

反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转

矩特性（T1－S1、T2－S2曲线）以及合成转矩特性（T

－S曲线）如图所示，与普通的单相异步电动机的转

矩特性（图中T′－S曲线）不同。这时的合成转矩T

是制动转矩，从而使电动机迅速停止运转。

交流伺服电动机的输出功率一般是

0.1-100W。当电源频率为50Hz，电压有36V、

110V、220、380V；当电源频率为400Hz，电压

有20V、26V、36V、115V等多种。

交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控

制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗

大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相

比，体积大、重量重，所以只适用于0.5-100W

的小功率控制系统。

在一些定位精度或动态响应要求比较高

的机电一体化产品中，广泛使用数字式交流伺服系统。这种伺服系统的驱动器对电机轴后端部的光电编码器进行位置采样，在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制系统。位置控制分辨高，可靠性好。

通常带位置环的伺服系统，位置环的反馈采样取自伺服电机的编码器，对于传动链上的间隙及误差还不能补偿克服，只能形成半闭环的位置控制系统。松下公司新近推出了一种更完善、可以实现更高精度的全闭环全数字式伺服系统，其控制原理如图所示。

二、几种交流伺服电机

1、Panasonic(松下)全数字式交流伺服电机，北京元茂兴控制设备技术有限责任公司代理。

2、SD系列交流伺服电动机，南京华凯微电机有限公司

3、CB MB 系列交流伺服电动机，北京四通电机技术有限责任公司

4、日本三洋P系列交流伺服电机，深圳市雷赛机电技术开发有限公司

§2.2 常用机械传动元件和装置

机械传动的目的是使驱动电机与负载之间在扭矩和转速上得到合理匹配、改变负载的运动形式或（和）运动方向。对机电一体化系统来说，机械传动装置除了应满足上述基本功能以外，还需满足小型化、轻量化、高速化、低振动、高可靠性等方面的要求。近年来，虽然采用由电机不通过减速的传动链直接驱动负载的“直接驱动”技术得到了重视和应用，但都要求有低速大扭矩的电机，而且负载的非线性和耦合性又增加了控制系统的复杂性。所以通常不能取消传动链。本节将结合本课程设计介绍几种可供选择的新型传动元件，并简要介绍相应的设计计算、调隙、润滑、防护等问题。

2.2.1齿轮传动

一般齿轮传动的特点、设计要求和计算在前导课程中已有详细介绍，这里就不再鏊述。需要指出的是，因为多数情况下机电一体化系统的工作负载不是很大，而精度要求都较高，所以传动齿轮设计时，强度要求并非主要设计依据（虽

然必要时也需要进行强度校核），而既要保证传动扭矩，

又要在足够的刚度条件下实现无间隙传动，已成为齿轮

传动设计的关键。当前，常用的齿轮传动形式主要有：

一、双片齿轮消隙传动

图⒉１所示为一种双片齿轮结构。该齿轮的两部分

之间可以沿周向相互错动。松开紧定螺钉，调整活动部分使两片齿轮充满与之相啮合齿轮的全部齿间，然后用紧固螺钉将两片齿轮固定。这种方法可以传递较大扭矩，结构简单，但磨

损后不能自动调整间隙。这种齿轮一般用于中小功率传动中高速级的被动齿轮。

二、偏心轴齿轮消隙传动

图⒉２所示为一种可调中心距的齿轮传动结构示意图。装配时利用转动偏心轴来调整两齿轮之间的中心距，使齿侧间隙达到最小。这种方法的特点是结构简单、刚性好，但只能补偿齿厚误差和中心距误差引起的间隙，不能补偿齿轮制造的偏心误差引起的间隙。

除去图⒉２所示偏心轴齿轮消隙传

动以外，还可以将偏心轴改为偏心套形

式。通过转动偏心套来改变齿轮的中心

距。

三、轴向移动式消隙传动

图⒉３为用于蜗轮蜗杆传动中的一

种消除间隙的结构。在这一方案中，蜗杆被分成了两部分，利用弹簧可使活动的蜗杆产生轴向移动，从而达到消除间隙的目的。此方案结构简单、

可以自动补偿因磨损而产生齿隙，但由于弹簧刚度有

限，所以此种结构仅用于小扭矩传动，而且弹簧刚度

必须要加以校核。

轴向移动式消隙传动也可用于斜齿圆柱齿轮。具

体方法如图⒉４所示。

2.2.2同步齿形带

一、特点

齿形带传动，亦称同步齿形带传动，如图所示。齿形带传

动综合了带传动和链

传动的优点。齿形带

通常是以钢丝为强力

层，聚胺脂或橡胶为

基体，工作面上带齿

的环状带。带的凸齿

与带轮外缘上的齿槽

进行啮合传动。由于

强力层承载后变形小，能保证齿形的周节不变，带与带轮之间没有相对滑动，从而保证了同步传动。同步齿形带传动与一般带传动相比的特点有：

1、传动过程中无相对滑动，可保持恒定的传动比，传动精度较高。

2、工作平稳，传动速度高，线速度可达40~80 m/s（不同基体的齿形带最高线速度不同）。

3、带轮直径小，传动比变化范围较大（可达10~20）。

4、不靠摩擦传动，所以予紧力小，传动效率高可达0.98。

5、噪音小，不需润滑。

6、中心距要求严格，安装要求较高。

正因为上述优点，所以同步齿形带传动在机电一体化系统中得到广泛应用。

二、同步齿形带生产厂与规格

1、青岛同步带厂

2、慈溪市汇鑫同步带有限公司

3、泰州市泰丰胶带厂

2.2.3滚珠丝杠

一、滚珠丝杠副的特点

滚珠丝杠螺母副是为适应机电一体化设备的高速度、高效率、高精度的要求而发展起来的一种新型传动机构。它在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间元件，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺旋槽滚动，滚珠在丝杠上滚过数圈后，通过回程引导装置，逐个滚回最初的起点，构成了一个闭环的循环回路。滚珠丝杠副与普通滑动丝杠副相比有明显的特点：

1、传动效率高、

摩擦损失小

滚珠丝杠副的摩

擦系数一般为

0.0025~0.0035，传动效

率可达90%以上。

2、传动具有可逆

性

一般的螺旋传动

是将回转运动变为直

线运动（正传动），而

滚珠丝杠副还可将直

线运动变为回转运动，

即逆传动，同时滚珠丝

杠副的逆传动效率同样可达90%。

3、传动精度高

滚珠丝杠副属精密机械传动机构，高精度滚珠丝杠副的导程累计误差为mm

μm

4。

/

300

4、磨损小、寿命长

5、滚珠丝杠副不能自锁

因为滚珠丝杠副传动具有可逆性，因此在一些不允许产生逆运动的地方必须设制动或自

锁机构才能使用。

二、滚珠丝杠副的规格

1、南京工艺装备厂

2、天津太敬集团（需上网）

3、华珠机械有限公司

4、博特精密丝杠制造有限公司

2.2.4滚动导轨副

一、滚动导轨副特点

直线滚珠导轨是为适应数控机械需要而发展的一种导轨形式。它的优点是：

1、将直线式滚动导轨副制成标准部件，只要安装在相对运动的导轨平面上，就可组成合适的导轨，因而设计和装配简单、方便；

2、在所有方向均能承受载荷；

3、通过预加负荷，可以得到高刚

度、高精度及能承受切削负荷的动

刚度；

4、具有自动调整功能，因而可达

微米级的运动精度

二、滚动导轨副的规格

1、南京工艺装备厂

2、博特精密丝杠制造有限公司

3、天津太敬集团（需上网）

2.2.5无键联接

一、无键联接的特点

无键联接是近年发展起来的不同于键联接、花键联接、紧配合联接的一种新型联接方式。其基本原理是利用相互配合的两个（或多个）分别具有内、外锥的锥套在受到轴向外力作用时，依靠锥套自身的径向弹性变形产生的胀紧力将轴与轮毂（如：皮带轮、齿轮、联轴器）联结在一起，并通过由此产生的摩擦力传递一定扭矩、轴向力，从而达到机构运转的目的。这种轴与毂的联结型式具有承载能力强、定心性好、装卸方便、使用寿命长等特点，能运用于多种场合的轴毂联接，例如：轴与齿轮、链轮、带轮、大型风扇及船用螺旋桨等的联接，其中胀紧联结套是一种近代新型先进的机械基础件。是当今国际广泛用于实现机件和轴联接，靠拧紧12.9级高强度螺钉使包容面间产生的压力和摩擦力来实现负荷传递的一种新型无键联接装置。

二、胀紧联接套生产厂

商

1、温州市华丰标准件有

限公司

2、威欧特机电设备有限

公司

2.2.6机床防护罩

为防止导轨副和丝

杠螺母副在运动时其表

面被铁屑、灰尘等污物

污染，进而造成工作面的划伤，机

床导轨副和丝杠螺母副一般都要

安装防护罩。防护罩一般有风琴

式、伸缩板式、卷帘式等。风琴式

防护罩通常使用皮革或人造革制

造，具有价格低廉、安装简单等特

点，但风琴式防护罩的缝隙中容易

存留污物，而且清扫较费时；伸缩

板式防护罩具有外观美观、及不易

存留污物的优点，也有占用空间较大、成本相对较高的缺陷；卷帘式防护罩占用空间小、安装简单、不易存留污物，同时防护效果低于伸缩板式防护罩、结构相对复杂、防护面积较小是这种防护罩缺陷。机床防护罩已有专业生产厂生产，使用时可根据实际需要订货加工。生产机床防护罩的厂家如：沧州远东机床附件厂、沧州市永兴机床附件制造有限公司、保定东风机床附件有限公司等。

2.3.1脉冲编码器

脉冲编码器又称旋转编码器。是集光、机、电技术于一体的转速、位移传感器。当编码器轴带动光栅盘旋转时，经发光元件发出的光被光栅盘的狭缝切割成断续光线并被接收元件接收，产生初始信号，该信号经后继电路处理后，输出脉冲（或代号）信号。右图为光电编码器的原理示意图。

特点：有体积小、重量轻、安装方便、互换性好、性能稳定、功能全、高频响、抗干扰能力强、力矩小、耗能低、使用寿命长。

应用范围：用于速度反馈，位置搜索等。

主要生产厂：长春禹衡光学有限公司、长春时代光电有限责任公司。

2.3.2感应同步器

感应同步器与旋转变压器一

样，是利用电磁耦合原理，将位

移或转角转化成电信号的位置检

测装置。实质上，感应同步器是

多极旋转变压器的展开形式。感

应同步器按其运动形式和结构形

式的不同，可分为旋转式（或称

圆盘式）和直线式两种。前者用

来检测转角位移，用于精密转台，

各种回转伺服系统；后者用来检测直线位移，用于大型和

精密机床的自动定位，位移数字显示和数控系统中，两者

工作原理和工作方式相同。

直线式感应同步器的结构由定子和滑尺两部分组成（见

右图）。定尺和滑尺通常以优质碳素钢作为基体，一般选

用导磁材料，其膨胀系数尽量与所安装的主基体相近。定

尺与滑尺平行安装，且保持一定间隙。定尺表面制有连续

平面绕组（在基体上用绝缘的粘合剂贴上铜箔，用光刻或

化学腐蚀方法制成方形开口平面绕组）；在滑尺的绕组周

围常贴一层铝箔，防止静电干扰，滑尺上制有两组分段绕

组，分别称为正弦绕组和余弦绕组，，这两段绕组相对于

定尺绕组在空间错开1/4的节距，节距用2τ表示，安装时

定尺组件与滑尺组件安装在机床的不动和移动部件上，例如工作台和床身，滑尺安装在机床上，并自然接地。工作时，当在滑尺两个绕组中的任一绕组加上激励电压时，由于电磁感应，在定尺绕组中会感应出相同频率的感应电压，通过对感应电压的测量，可以精确的测量出位移量。

右图所示为滑尺在不同位置时定尺上的感应电压。在a点时，定尺与滑尺绕组重合，这时感应电压最大；当滑尺相对于定尺平行移动后，感应电压逐渐减少，在错开1/4节距的b

点时，感应电压为零；继续移至1/2节距的c点时，得到的电压值与a点相同，但极性相反；在3/4节距时达到d点，又变为零；再移动一个节距到e点，电压幅值与a点相同。这样，滑尺在移动一个节距的过程中，感应电压变化了一个余弦波形。由此可见，在励磁绕组中加上一定的交变励磁电压，感应绕组中会感应出相同频率的感应电压，其幅值大小随着滑尺移动作余弦规律变化。滑尺移动一个节距，感应电压变化一个周期。感应同步器就是利用感应电压的变化进行位置检测的。

感应同步器的特点：（1）精度高。因为定尺的节距误差有平均自补偿作用，所以尺子本身的精度能做得较高。直线感应同步器对机床位移的测量是直接测量，不经过任何机械传动装置，测量精度主要取决于尺子的精度。感应同步器的灵敏度（或称分辨率），取决于一个周期进行电气细分的程度，灵敏度的提高受到电子细分电路中信噪比的限制，只要对线路进行精心设计和采取严密的抗干扰措施，可以把电噪声减到很低，并获得很高的稳定性。（2）测量长度不受限制。当测量长度大于250㎜时，可以采用多块定尺接长，相邻定尺间隔可用块规或激光测长仪进行调整，使总长度上的累积误差不大于单块定尺的最大偏差。行程为几米到几十米的中型或大型机床中，工作台位移的直线测量，大多数采用直线式感应同步器来实现。（3）对环境的适应较高。因为感应同步器金属基板和床身铸铁的热胀系数相近，当温度变化时，还能获得较高的重复精度，另外，感应同步器是非接触式的空间耦合器件，所以对尺面防护要求低，而且可选择耐温性能良好的非导磁性涂料作保护层，加强感应同步器的抗温防湿能力。（4）维护简单，寿命长。感应同步器的定尺和滑尺互不接触，因此无任何摩擦，磨损，使用寿命长，且无须担心元件老化等问题。（5）抗干扰能力强，工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。

主要生产厂：中国船舶工业第六三五四研究所。

2.3.3光栅

计量光栅是用于数控机床的精密检测元件，是闭环系统中另一种用得较多的测量装置，用作位移或转角的测量，测量精度可达几微米。

（一）光栅的种类

在玻璃的表面上制成透明与不透明间隔相等的线纹，称为透射光栅；在金属的镜面上制成全反射与漫反射间隔相等的线纹，称为反射光栅，也可以把线纹做成具有一定衍射角度的定向光栅。计量光栅分为长光栅（测量直线位移）和圆光栅（测量角位移），而每一种又根据其用途和材质的不同分为多种。如可将长光栅分为玻璃透射光栅和金属反射光栅。由于激光技术的发展，光栅制作精度可以提高，再通过细分电路可以做到0.1μm，甚至更高的分辨率。

（二）光栅的工作原理

光栅位置检测装置由光源，长光栅（标尺光栅），短光栅（指示光栅）和光电元件等组成，如图所示根据光栅的工作原理分为透射直线式和莫尔条纹式光栅两类。

1、透射直线式光栅

透射直线式光栅的结构如

图所示它是用光电元件把两块

光栅移动时产生的明暗变化转

变为电流变化的方式。长光栅

装在机床移动部件上，称为标

尺光栅；短光栅装在机床固定

部件上，称为指示光栅。标尺

光栅和指示光栅均由窄矩形不

透明的线纹和与其等宽的透明

间隔组成。当标尺光栅相对线纹垂直移动时，光源通过标尺光栅和指示光栅再由物镜聚焦射到光电元件上，若指示光栅的线纹与标尺光栅透明间隔完全重合，光电元件接受到的光通量最小。若指示光栅的线纹与标尺光栅的线纹完全重合，光电元件接受到的光通量最大。因此，标尺光栅移动过程中，光电元件接受到的光通量忽大忽小，产生了近似正弦波的电流。再用电子线路转变为数字以显示位移量。为了辨别运动方向，指示光栅的线纹错开1/4栅距，并通过鉴向线路进行辨别。由于这种光栅只能透过透明间隔，所以光强度较弱，脉冲信号不强，往往在光栅线较粗的场合使用。

2、莫尔条纹式光栅

用得较普遍的是莫尔条纹式光栅，是将栅距相同的标尺光栅与指示光栅互相平行的叠放并保持一定的间隙（0.1㎜），然后将指示光栅在自身平面内转过一个很小的角度θ，那么两块光栅尺上的刻线交叉，在光源的照射下，相交点附近的小区域内黑线重叠，透明区域变大，挡光面积最小，挡光效应最弱，透光的累积使这个区域出现亮带。相反，距相交点越远的区域，两光栅不透明黑线的重叠部分越少，黑线占据的空间增大，因而挡光面积增大，挡光效应增强，只有较少的光线透过光栅而使这个区域出现暗带。如图所示，此明暗相间条纹称之为莫尔条纹，其光强度分布近似于正弦波形。如果将指示光栅沿标尺光栅长度方向平行的移动，则可看到莫尔条纹也跟着移动，但移动方向与指示光栅移动方向垂直。当指示光栅移动一条刻线时，莫尔条纹也正好移过一个条纹。

主要生产厂与供应商：长春三峰传感技术有限公司、成都量具刃具股份有限公司、元茂兴控制设备技术有限责任公司、天津罗升企业有限公司

第三章原理方案和总体设计

在接受设计任务后首先进行的是对设计任务的分析，一求彻底了解任务的内容与技术要求。在这之后即可进入原理方案的设计和总体设计阶段了。其中原理方案的设计过程包括：在寻求功能原理的基础上，选择能完成功能原理的技术物理效应，相应选择实现功能的机械元件并进行组合。选择传动形式、控制形式，完成机械简图和传动系统图、控制原理图等项工作。在总体设计过程中要：确定运动参数、主要结构尺寸参数、主要动力参数及总体结构布局等。当以上工作经多次论证选择完成后，设计工作可向具体结构设计深入进行。

§3.1 控制系统类型与选择

数控机床的主要控制功能包括对坐标位置、主轴、刀具以及辅助功能的控制。坐标的位置控制就是对机床的进给控制，其中可以有直线进给坐标，也可以有回转进给坐标。对进给坐标的控制包括：

1. 连续进给时控制各瞬间坐标轴移动的位置（即刀具相对于工件的运动轨迹）；目的是实现复杂的曲线轨迹运动，这要求几个坐标必须同时运动（坐标联动）。

2. 坐标位置的精确定位（亦称点位控制）；这时，一般不要求坐标联动，仅要求坐标的移动能精确地停在指定的位置。

3. 运动（或定位）速度控制；主要控制：a. 在坐标联动时各坐标运动速度的比率。b. 起、制动或拐角处的自动加减速。c. 空行程时的快速进给。

其它如：主轴的控制包括主轴转速、转向、定向准停、转速与进给量同步控制等；刀具的控制包括刀具的更换、刀具的管理等；辅助功能控制包括交换工作台的控制、冷却和润滑

的控制等。

控制系统分为：开环系统、半闭环系

统和闭环系统，设计时可根据控制精度要

求和预期成本进行选择。

3.1.1开环系统

凡是不使用误差调节控制的系统，即

为开环系统。这种系统不使用位置检测元件和反馈元件，计算机将算出的坐标位置指令送入减法计数器，经减速电路由脉冲发生器产生连续的脉冲序列，与门一面将脉冲经驱动电路使步进电机运行、一方面将脉冲送回减法计数器，使计数器减1。当计数器的内容减为零时，判零电路发出信号，关掉与门，使步进电机停止。开环系统的基本特点是：控制系统结构简单、容易控制、成本低廉、控制精度偏低（一般可达到0.01mm、定位精度误差大于±0.02mm）。

3.1.2半闭环系统

亦称增量闭环系统。这种系统虽然使

用了位置检测元件，但是因交、直流伺服

电机都是连续运动元件，只能藉助于测量

元件检测位移量，所以检测元件的安装位

置通常在电机的尾部。由于检测元件不是

检测运动零件的最终输出位置（速度），所以这种在传动链中间有反馈的系统称为半闭环系统。在工作时计算机给减法计数器置数后就使电机转动，每转过一个单位距离，脉冲编码器就发出一个脉冲，该脉冲使减法计数器减一，计数器内容减为零时，判零电路发出停止信号，切断电机驱动控制，使电机停止转动，工作台定位。当然，检测元件也可安装在传动链的中间，间接测量工作负载的位置、速度，并反馈到位置（速度）比较电路，电机控制电路输出的是位置指令（插补器插补后的输出）与工作负载实际位置的差值，系统仅可以补偿整个传动链的部分累计误差，这也是半闭环系统的一种工作方式。半闭环系统的特点是：驱动功率大、运动速度快、起制动迅速、控制精度高于开环系统，但低于闭环系统。

3.1.3闭环系统

与半闭环系统不同，闭环系统的检

测元件安装在传动链的末端，直接测量工作负载的位置、速度，并反馈到位置（速度）比较电路，电机控制电路输出的是位置指令（插补器插补后的输出）与工作负载实际位置的差值，系统可以补偿整个传动链的全部累计误差，系统精度只取决于测量元件的制造精度和安装精度，因此闭环系统可获得高伺服精度。目前，闭环系统的分辨率多数为1μm，定位精度可达±0.003mm；高精度闭环系统分辨率可达0.1μm。

§3.2 功能载体形式选择与应用

功能载体是指实现任务要求的运动形式与精度可选择的结构工作原理与形式。不同的运动形式要求有不同的功能载体，同一运动形式也可由不同的功能载体形式来实现。以下结合本课程设计任务分别介绍实现不同功能的几种功能载体的结构工作原理与特点。

3.2.1回转工作台的支承与传动

一、主轴旋转支撑方式

这里主要介绍圆回转工作台主轴的几种支撑原理。

1、前锥后柱滑动支撑

如图3—4，前支撑采用锥度为1：20的滑动轴承。后支撑为

普通园柱形滑动轴承。前支撑间隙靠调整后支撑上的修正圈来完

成，此类形式的特点为：结构简单、摩擦力大、实现高精度回转

困难。

2、前锥滚动后柱滑动

如图3—5，前支撑采用锥度为：1：10的圆锥密珠轴承，后

支撑仍为普通滑动轴承。位于后支撑的滚动止推轴承起到调整圆

锥密珠轴承间隙和承受主要轴向力的作用。此种形式支撑回转精

度高，承载能力大，工艺要求较严格。

3、前园柱滑动后半球面滑动支撑

如图3—6，前支撑采用滑动园柱轴承，后支撑采用半球式滑动

轴承。用圆形弹簧片来保证两个半径相差3—5μm的半球永远接

触。前支撑处布置了密珠止推轴承，承受轴向力，此种形式的支撑

不能承受径向力，只能竖直使用，主要用于测量分度台。

4、园柱形密珠轴承支撑，滑动轴承止推

如图3—7，径向力由长密珠轴承承受，轴向力由滑动轴承承担，

滑动止推轴承同时亦可视为圆形平面导轨。这类轴承适用于单向轴向力的竖直使用的短轴系统。

5、利用密珠轴承支撑与止推

如图3—8，径向力与轴向力的承担均为密珠轴承。轴向止

推轴承亦可视为园平面滚动导轨。这种形式的支撑特点为承载

能力高，回转精度高，摩擦力小，寿命长。

6、前圆锥滚柱轴承后向心球轴承

如图3—9，前支撑采用一对圆锥滚子轴承（或向心推力轴承），

后支撑采用向心球轴承。这种轴系径向和轴向承载能力均较大，但

若达到较高回转精度，则对轴承精度要求较高。

7、前为滚动园导轨，后为向心推力轴承

前支撑采用滚动园导轨，兼做轴向支撑。后支撑采用向心推力轴

承（或圆锥滚子轴承），用来承受轴向力。前后支撑的间距可以

很小，但此类结构承受径向力的能力较之承受轴向力的能力为

低，因此一般仅用于竖直使用场合。

8、前后均为圆锥滚子轴承（或向心推力球轴承）

如图3—11，前后支撑均采用两组相对的带有锥度的滚子轴承

（或向心推力球轴承），使得结构较简单，承载能力大，但加工

要求高。

综上所述，对于不同的回转轴系，因精度要求、承载能力、用途、布局形式、测量元件的不同，其结构有很大差异。又由于加工方法、使用场合的不同，所以要求对于每一种支撑原理进行分析，综合考虑，加以使用。另外，用于园回转工作台的轴系支撑原理，除了上面介绍的几种以外，还有很多。

二、园回转工作台的传动形式

园回转工作台的传动机构主要用于传递运动和力有时也以示数传动（分度）为主。因此传动要平稳、准确、灵敏。另外园回转工作台的分度值一般较

小，通常要求传动机构有较大的降速比，以提高灵敏度和准确

性。但因空间、总体布局、结构实现的可能性的限制等，通常