机电一体化系统中的机械传动

4．滚珠丝杠副的精度等级
JB3162.2—91（ ISO3408—3：1992 ）《滚珠丝杠 副的验收技术条件》，将滚珠丝杠副的精度分为7个精度 等级，即1，2，3，4，5，7，10级。1级精度最高，依 次递减。标准中对各级精度的滚珠丝杠副的行程偏差有 多个项目的规定。 5．滚珠丝杠副的选择步骤
3、传动机构的基本要求：
① 在不影响系统刚度的条件下，传动机构的质量和转 动惯量要小；转动惯量大会对系统造成机械负载增大（ T电=T负+Jε ）；系统响应速度变慢，灵敏度降低；系统 固有频率下降，产生谐振；使电气部分的谐振频率变低 P20。 ② 刚度越大，伺服系统动力损失越小；刚度越大，机 器的固有频率越高，不易振动( n K )；刚度越大，闭 J 环系统的稳定性越高。 ③ 机械系统产生共振时，系统中阻尼越大，最大振幅就 越小，且衰减越快；但阻尼大会使系统损失动量，增大 稳态误差，降低精度，故应选合适阻尼。 ④ 静摩擦力要小，动摩擦力要小的正斜率；或者会出现 爬行。
1 2
1/ 3
( 2i)
1/ 3
i2 i / 2
2 1
对于n级齿轮系分析可得：
2 n 1 1 2 ( 2 n 1) 2 n 1
n
i1 2
i
i iK 2 n / 2 2
2( K 1) 2 n 1
( K 2 ~ n)
各级转动比的分配按“前小后大”次序
2．滚珠循环的方式 （1）内循环 紧调整式
（2）双螺母齿差预紧调整式
（3）双螺母垫片调整预紧式
（4）弹簧式自动调整预紧式
（5）单螺母变位导程自预紧式
滚珠丝杠副支承方式的选择
滚珠丝杠副的选择
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， 可选择适当的结构型式。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。
由上述分析可知，低速进给爬行现象的 产生主要取决于下列因素：
① 静摩擦力与动摩擦力之差，这个差值越大， 越容易产生爬行。 ② 进给传动系统的刚度K越小、越容易产生 爬行。 ③ 运动速度太低。
2）不发生爬行的临界速度
临界速度可按下式进行估算
（m/s） 式中 ΔF-----静、动摩擦力之差（N）； K------传动系统的刚度（N／m）； ξ------阻尼比； m------从动件的质量（kg）。 以下两种观点有利于降低临界速度： 适当的增加系统的惯性J和粘性摩擦系数f，有利于改善低 速爬行现象，但惯性增加会引起伺服系统响应性能降低；增加 粘性摩擦系数也会增加系统的稳态误差，设计时应优化处理。
8．谐振频率
对于闭环系统，要求机械传动系统中的最 低固有频率（最低共振频率）必须大于电气驱 动部件的固有频率。
对于机械传动系统，它的固有频率取决于 系统各环节的刚度及惯量，因此在机械传动系 统的结构设计中，应尽量降低惯量，提高刚度， 达到提高传动系统固有频率的目的。 一般要求机械传动系统最低固有频率 WOI≥300rad／s，其他机械系统WOI≥600rad／ s。
L J m 2
2
(3) 齿轮齿条传动时工作台折算到小齿轮轴上的转动惯量
J m R
2
(4) 工作台折算到钢带传动驱动轴上的转动惯量
u J m
2
(5) 相邻两轴，后轴向前轴转动惯量的折算
JS J 2 i
例1：丝杠传动时，传动系统折算到电机轴上的总转动惯 量
F VK 4Km
3）消除爬行现象的途径（实际做法） ① 提高传动系统的刚度 a．在条件允许的情况下，适当提高各传动件或组件的刚度，减小 各传动轴的跨度，合理布置轴上零件的位置。如适当的加粗传动丝 杠的直径，缩短传动丝杠的长度，减少和消除各传动副之间的间隙。 b．尽量缩短传动链，减小传动件数和弹性变形量。 c．合理分配传动比，使多数传动件受力较小，变形也小。 d．对于丝杠螺母机构，应采用整体螺母结构，以提高丝杠螺母的 接触刚度和传动刚度。 ② 减少摩擦力的变化 a．用滚动摩擦、流体摩擦代替滑动摩擦，如采用滚珠丝杠、静压 螺母、滚动导轨和静压导轨等。从根本上改变摩擦面间的摩擦性质， 基本上可以消除爬行。 b．选择适当的摩擦副材料，降低摩擦系数。 c．降低作用在导轨面的正压力，如减轻运动部件的重量，采用各 种卸荷装置，以减少摩擦阻力。 d．提高导轨的制造与装配质量，采用导轨油等都可以减少摩擦力 的变化。
齿轮传动间隙的调整
1．直齿圆柱齿轮传动副 （1）偏心套调整法
（2）锥度齿轮调整法
（3）双片齿轮错齿调整法
2．斜齿圆柱齿轮传动副 （1）轴向垫片调整法 （2）轴向压簧调整法
3．齿轮齿条传动
滚珠螺旋传动
滑动螺旋传动的接触面间存在着较大的滑动摩擦阻 力，传动效率低，磨损快、精度不高，使用寿命短，已 不能适应机电一体化设备在高速度、高效率、高精度等 方面的要求。滚珠螺旋传动则是为了适应机电一体化机 械系统的要求而发展起来的一种新型传动机构。
爬行就产生在这非线形区。 在使用中应尽可能减小静摩擦力与动摩擦力的差值；并使 动摩擦力尽可能小且为正斜率较小的变化 。
5、爬行
当丝杠1作极低的匀速运动时，工作台2可能会 出现—快一慢或跳跃式的运动，这种现象称为爬 行。
1）产生爬行的原因和过程
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1这时再 重新压缩弹簧，爬行现象进入下一个周期。
4、摩擦
摩擦力可分为三种：
静摩擦力、库仑摩擦力和粘性摩擦力（动摩擦力=库仑摩擦力 +粘性摩擦力）。 负载处于静止状态时，摩擦力为静摩擦力，随着外力的增加 而增加，最大值发生在运动前的瞬间。运动一开始，静摩擦力消 失，静摩擦力立即下降为库仑摩擦力，大小为一常数F=μmg，随 着运动速度的增加，摩擦力成线性的增加，此时的摩擦力为粘性 摩擦力（与速度成正比的阻尼称为粘性阻尼）。 摩擦对机电一体化伺服系统的主要影响是：降低系统的响应 速度；引起系统的动态滞后和产生系统误差；在接近非线性区， 即低速时产生爬行。 根据经验，克服摩擦力所需的电机转矩Tf与电动机额定转矩 TK的关系为0.2TK＜Tf＜0.3 TK
设b1＝b2 ，b3＝b4 结论：
i i1 2i1 1
i2 2i1 1
对于三级齿轮传动
i i1 2i1 1(2 2i1 1 1) i2 2i1 1
1/ 2
1/ 2
i3 2i2 1 (2 2i1 1 1)
查表求法：
各级传动比是逐渐递减的 即满足”前大后小”原则.
6、阻尼 在系统设计时，考虑综合性能指标，一般取ξ＝0.5 ~ 0.8之间。 7．刚度 采用弹性模量高的材料，合理选择零件的截面形状和 尺寸，对齿轮、丝杠、轴承施加预紧力等方法提高系统 的刚度。 对于伺服机械传动系统，增大系统的传动刚度有以 下好处： （1）可以减少系统的死区误差（失动量），有利于 提高传动精度； （2）可以提高系统的固有频率，有利于系统的抗振 性； （3）可以增加闭环控制系统的稳定性。
滚珠丝杠副的特点 :
(1)传动效率高、摩擦损失小，传动效率很高，可达 0.92~0.96（滑动丝杠为0.2~0.4） (2)传动的可逆性、不可自锁性 (3) 传动精度高 (4) 磨损小、使用寿命长
螺纹滚道截面的形状、滚珠循环的方 式、轴向间隙的调整及施加预紧力的方法 三个方面介绍：
1．滚珠丝杠螺母副螺纹滚道的截面形状
2．滚珠丝杠副的主要尺寸参数
公称直径d0、基本导程L0（或螺距t）、行程L； 此外还有丝杆螺纹大径d、丝杆螺纹小径d1、滚珠直 径db、螺母螺纹大径D、螺母螺纹小径D1、丝杆螺纹全 长LS等。
3．滚珠丝杠副结构尺寸的选择
公称直径d0应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸 系列选样；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 （或螺距t）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。 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。
① 传动机构：考虑与伺服系统相关的精度、稳 定性、快速响应等伺服特性 ② 导向机构：考虑低速爬行现象 ③ 执行机构：考虑灵敏度、精确度、重复性、 可靠性
2.2传动机构
1、传动机构的种类： 齿轮传动机构、滚珠丝杠副、滑动丝杠副、同 步带传动副、间歇机构、绕性传动机构
2、传动机构的特点： 传动精度要高、 响应速度要快、稳定性高
三、输出轴转角误差最小原则
四级传动比分别为i1 、i2 、i3 、i4；齿轮1 ~ 8的 转角误差依次为ф1~ф8，该传动链输出轴的总转 角误差ф为：

1 2 3
i i2i3i4

4 5
i3i4

6 7
i4
8
各级传动比满足”前小后大”原则.
三种原则的选择： 对齿轮传动装置的设计，应根据具体 的工作条件综合考虑。 1.传动精度要求较高时采用输出轴转 角误差最小原则设计； 2.对于要求运转平稳、频繁启动和动 态性能好的传动装置，常用最小等效转动 惯量原则和输出轴转角误差最小原则设计； 3.对于有质量要求的其它传动装置用 重量最轻原则。