机电一体化系统设计
机电一体化系统设计
机电一体化系统设计一、概论1、机电一体化：是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。
2、对检测传感器的要求：要求检测传感器具有高精度、高灵敏度和高可靠性。
3、检测传感技术的主要难点：提高可靠性、精度和灵敏度。
需要研究的问题有：①提高各种敏感材料和元件灵敏度及可靠性②改进传感器结构，开发温度与湿度、视觉与触觉同时存在的符合传感器③研究在线检测技术，提高抗干扰能力④研究具有自动诊断与自动补偿功能的传感器。
4、自动控制：自动控制是指在没有人参与的情况下，通过控制装置使被控制的对象或控制过程自动的按照预定的规律运行。
5、系统总体技术：系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统的观点和方法将总体分解成若干功能单元，找出能完成各个功能的技术方案，再把功能与技术方案组合成方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。
6、系统总体技术包括：插件、接口转换、软件开发、微机应用技术、控制系统的成套性和成套设备自动化技术。
7、系统总体技术需要研究的问题：①软件开发与应用技术，包括过程参数应用软件、实时精度补偿软件②研究接插件技术，体改可靠性③通过接口和数据总线标准化④控制系统成套性和成套设备自动化⑤软件的标准化。
8、机电一体化系统由机械系统、信息处理系统、动力系统、传感检测系统、执行元件系统五个系统组成。
9、系统的五种内部功能：即主功能、动力功能、计策功能、控制功能、构造功能。
主功能是实现系统“目的功能”直接必须的功能，主要是对物质、能量、信息及其相互结合进行变换、传递和存储。
动力功能的作用是根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转，实时“目的功能”。
而构造功能则是使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必须的功能。
10、机电一体化系统设计的考虑方法同城有：几点互补法、融合法和组合法。
11、系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方法。
机电一体化系统设计(054312)
一、单选题1.在机电一体化产品中，对一些少量的数值型参数的输入可以考虑使用（）A、控制开关B、BCD拨码盘C、行列式键盘D、鼠标答案： B2.全闭环数控机床上位置传感元件是装在（）A、电机轴端B、减速齿轮轴端C、滚珠丝杆轴端D、工作台运动部件上答案： D3.( )是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。
A、可靠性B、安全性C、保障性D、测试性答案： A4.以下那项属于机械系统的制造误差A、机构原理误差B、零件原理误差C、技术原理误差D、装配与调整误差答案： D5.在机电一体化系统中，机械传动要满足伺服控制的三个主要要求是（）A、传动精度、稳定性、快速响应性B、传动精度、稳定性、低噪声C、传动精度、高可靠性、小型轻量化D、传动精度、高可靠性、低冲击振动答案： A6.在机电一体化产品中，对于一些简单的二值性的控制参数，可以考虑采用（）。
A、控制开关B、BCD拨码盘C、行列式键盘D、鼠标答案： A7.下列几种电动机中，不属于固定磁阻电动机的是（）A、直流电机B、步进电机C、永磁同步电机D、交流感应电机答案： B8.数控机床若要求高速快进与单步点动，则伺服系统的调速范围应（）A、很窄B、很宽C、较窄D、为零答案： B9.下列哪一项属于变异性设计A、没有参照样板的设计B、原理不变，改变结构C、局部更改，适应性变动D、适应于量的方面变更要求，方案功能结构不变答案： D10.机电一体化优化设计通常采用 ( ) 的方法。
A、单目标规划B、整体规划C、多目标规划D、详细规划答案： C11.哪一项是滚珠丝杠副的特点。
A、同步性好B、运动不具有可逆性C、无法消除间隙D、低速时爬行答案： A12.要使一个空间物体定位，需要适当配置几个约束加以限制（）A、3B、4C、6D、8答案： C13.机电一体化产品的设计注重（）A、安全系数设计B、功能设计C、机械设计D、电路设计答案： B14.机电一体化系统中解决功能模块间的信号匹配问题的是（）A、通信模块B、接口模块C、测量模块D、软件模块答案： B15.机床的调速方法很多，其中最有利于实现自动化，并可简化机械结构的方法是（）。
机电一体化系统设计-概论
三大“目的功能”
1。变换功能 2。传递功能 3。储存功能
系统的目的功能
系统内部功能
• 主功能 • 动力功能 • 检测功能 • 控制功能 • 构造功能
机电一体化系统设计
课程介绍
第一章。概论 第二章。机械系统设计 第三章。检测系统设计* 第四章。驱动系统设计 第五章。接口技术 第六章。控制系统设计* 第七章。机电一体化系统设计典型实例
（机器人）
参考书
• 郑堤 等主编。 机电一体化设计基础（机械工业出版社） • 李成华 等主编。 机电一体化技术（中国农业大学出版社） • 刘杰 等主编。 机电一体化技术基础与产品设计（冶金工业
是由日本人通过截取英文机械学(Mechanics) 的词头和电子学(Electronics)的词尾组合在 一起而创造出来的一个新的英文名词.这一名 词最早出现在1971年日本的<机械设计>杂志副 刊上,后来随着机电一体化的发展而被广泛引 用
机电一体化的含义
日本<<机械振兴协会经济研 究所>>于1981年提出的解释:“机 电一体化乃是机械的主功能、动 力功能、信息功能和控制功能上 引进微电子技术,并将机械装置 与电子装置用相关软件有机结合 而构成系统的总称.”
• 直到70年代初，日本人对机电一体化的 长期实践和最新应用成果加以系统的概 括和总结，才形成一个比较完整的机电 一体化概念。此后由于大规模集成电路 技术和微型计算机技术的迅速发展，使 得机电结合的形式更加灵活，内容更加 丰富，应用更加广泛，因而在以机械工 业为主的传统产业中引发了一场大规模 的机电一体化技术革命。
机电一体化系统的设计与评估
机电一体化系统的设计与评估1.引言机电一体化系统是将机械、电气和电子技术相结合，形成一个整体的系统。
其设计与评估是保证系统高效运行和性能优化的重要环节。
本文将从设计流程、关键技术和评估方法等方面进行探讨。
2.设计流程机电一体化系统的设计流程包括需求分析、系统设计、电气设计、机械设计和联合调试等环节。
首先，需求分析阶段明确系统的功能和性能要求，确定设计目标。
然后，进行系统设计，包括确定系统的整体框架、模块划分以及传感器、执行器等元件的选型。
接下来，进行电气设计，包括电路设计、控制策略设计和通信设计等。
同时，进行机械设计，包括结构设计、传动设计和配置布局等。
最后，进行联合调试，验证系统的功能和性能是否满足需求。
3.关键技术（1）传感技术：机电一体化系统需要对系统内外的物理量进行测量和控制，传感技术是实现这一功能的关键。
传感器的选型和布局要根据系统的需求进行合理选择，并考虑传感器精度、可靠性和成本等因素。
（2）控制技术：机电一体化系统的控制是对系统各部分进行协调和调整，确保整个系统的稳定运行。
控制方法可以采用传统的PID控制、模糊控制或者现代的自适应控制等。
（3）通信技术：机电一体化系统中的各个模块需要相互通信，实现信息的交互和控制命令的传递。
常见的通信技术包括CAN总线、以太网和无线通信等，根据系统的需求和规模选择合适的通信技术。
（4）集成技术：机电一体化系统的设计要求不同模块之间的紧密集成和协同工作。
集成技术包括硬件集成和软件集成，其中软件集成包括系统架构设计、接口协议设计和数据交换等。
4.评估方法机电一体化系统的评估可从性能评估和可靠性评估两个方面进行。
（1）性能评估：通过实验和数值模拟等手段，对机电一体化系统的性能进行评估。
性能评估指标可以包括系统的响应速度、能耗、精度和稳定性等。
对于不同应用领域的机电一体化系统，可以根据具体要求设计相应的性能评估指标。
（2）可靠性评估：机电一体化系统的可靠性评估主要包括MTBF（平均无故障时间）、MTTR（平均修复时间）和系统冗余设计等。
机电一体化系统设计
机电一体化系统设计机电一体化系统设计是一种将机械结构、电气控制、传感器及计算机信息技术整合在一起，以实现自动化和智能化生产的工程设计。
机电一体化系统设计与传统的机械设计、电气设计有所不同，它要求设计人员具备广泛的专业知识，从机械、电气、传感器、控制、计算机等多个方面考虑，才能实现系统的各项性能指标。
机电一体化系统的设计过程通常包括系统需求分析、系统结构设计、电气控制设计、机械设计及系统软件编程等几个方面。
其中，系统需求分析是整个系统设计的关键，需要通过对用户需求、功能要求和性能指标等进行分析，来确定系统的技术方案和设计目标。
系统结构设计是机电一体化系统设计的第二个重要环节。
在系统结构设计阶段，设计人员需要考虑机械、电气、传感器、控制及计算机等相关因素，以确定最佳的系统结构和指标要求。
为了达到这个目标，设计人员通常需要运用多学科知识和专业技能，才能找到最佳的解决方案。
电气控制设计是机电一体化系统设计的关键部分，能够直接影响系统的性能指标和工作效率。
设计人员需要考虑不同的电气控制器和传感器，以实现针对不同工作条件和环境的多功能控制。
在进行电气控制设计时，设计人员需要先制定控制策略，然后选择适合的电气控制器和传感器设备，并设计相应的电路和软件程序，来实现系统的自动化、智能化和高效化。
机械设计是机电一体化系统设计的另一个重要环节。
在进行机械设计时，设计人员需要考虑机械结构的稳定性、刚度、精度、寿命等因素，并与电气控制和计算机等相关组成部分进行整合，以满足系统的各项性能指标。
设计人员还需要运用CAD软件等工具，完成机械结构的三维建模和分析等工作。
系统软件编程是机电一体化系统设计的最后一个环节。
在进行系统软件编程时，设计人员需要运用不同的编程语言，如C、C++、Java等，来实现系统的各种功能要求。
为了达到系统的高可靠性和高效率，设计人员还要进行功能测试和调试等相关工作，确保系统在生产环境下能够正常运行。
总之，机电一体化系统设计是一项复杂且综合性能强的工程设计，需要设计人员具备广泛的专业知识和多学科技能，以实现高效、精确、智能化的生产过程和产品。
机电一体化系统设计第7章机电一体化系统总体设计
1
9.1 系统原理方案设计
一、功能分析设计法
一切从系统的功能出发， 将设计任务抽象化 1、为什么要抽象化？
复杂的设计 分析 抽象 简单的模式
突出基本的、必要的 要求，摈弃偶然情况 和枝节问题，便于抓 住设计问题核心
避免构思方案前形成 的条条框框，放开视 野，寻求更为理想的 设计方案
此外还有一些原则，如：合理力流原则、变形协调原则、 变形最小原则、平均效应原则、稳定性原则等。
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9.3 机电一体化系统的评价
机电一体化的一个主要目的是提高产品的附加 价值，因而附加价值就成为机电一体化系统的综 合评价指标。 机电一体化系统的评价内容 ：
机电一体化系统
高附加价值化
主功能
高性能化
样机的试验分为实验室试验和实际工况试 验，通过试验考核样机的各种性能指标是否 满足设计要求，考核样机的可靠性。如果样 机的性能指标和可靠性不满足设计要求，则 要修改设计，重新制造样机，重新试验。如 果样机的性能指标和可靠性满足设计要求， 则进入产品的小批量生产阶段。
26
五、小批量生产
产品的小批量生产阶段实际上是产品的试生产试销 售阶段。这一阶段的主要任务是跟踪调查产品在市场 上的情况，收集用户意见，发现产品在设计和制造方 面存在的问题，并反馈给设计、制造和质量控制部门。
总功能
分功能
分功能的原理方案
5
Ⅰ层
总功能
1
23
Ⅱ层 1.1 1.2 1.3
3.1 3.2
Ⅲ层 1.2.1 1.2.2
3.1.1 3.1.2
功能结构示意图
6
最小的基本分功能或满足功能要求的最小单位称之为功能元。
机电一体化系统基本功能元 物理功能元：变换、合并分离、传导隔阻、储存 逻辑功能元：与、或、非 数学功能元：加、减、乘、除、乘方、开方、微分、积分
机电一体化系统设计有机结合分析与设计
推动模块的标准化和互换性，降低维护成本和提高系统灵活性。
结合实例分析
实例一
数控机床的机电一体化系统设计， 通过电子系统实现对机床运动的
精确控制，提高加工精度和效率。
实例二
智能机器人的机电一体化系统设计， 集成传感器、控制器和执行器，实 现机器人的自主导航、物体识别和 抓取等功能。
实例三
机床的性能和稳定性。
数控机床的应用范围广泛，可适用于各种复杂零件的 加工，为现代制造业的发展提供了重要的技术支持。
自动化生产线设计
自动化生产线是机电一体化系统设计 的又一重要应用，通过自动化技术实 现生产过程的连续性和高效性。
自动化生产线在汽车、电子产品、食 品等领域得到广泛应用，提高了生产 效率和产品质量，降低了生产成本。
结合原则
确保机电一体化系统的稳定性、可靠性、高效性 和低成本。
接口设计
合理设计机械与电子系统之间的接口，实现数据 和信号的有效传输。
结合策略与实现
策略
采用模块化设计方法，将机电一体化系统划分为若干个功能模块， 分别进行设计、优化和集成。
实现
利用现代计算机辅助设计工具进行建模、仿真和分析，确保各模块 之间的协调性和整体性能的最优化。
风力发电机的机电一体化系统设计， 将机械能转换为电能，同时考虑风 能利用率和系统稳定性。
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机电一体化系统设计案例
数控机床设计
数控机床是机电一体化系统设计的典型案例，通过将 机械、电子、控制等技术有机结合，实现高精度、高
效率的加工能力。
数控机床设计过程中，需要考虑机床的整体布局、传 动系统、控制系统、冷却系统等方面的设计，以确保
机械系统设计是机电一体化系统 的核心部分，包括机械结构、传
机电一体化系统设计
机电一体化系统设计一、引言机电一体化系统是指将机械和电气控制系统相结合，实现自动化控制和监测，以提高生产效率和产品质量。
在现代制造业中，机电一体化系统已经成为不可或缺的重要部分。
本文将探讨机电一体化系统设计的重要性、原则和实施步骤。
二、机电一体化系统设计的重要性1.提高生产效率机电一体化系统可以实现自动化生产，减少人为操作，提高生产效率。
通过优化机械和电气系统的配合，可以实现更高的生产速度和稳定性。
2.优化产品质量机电一体化系统可以实现精准控制和监测生产过程，减少因人为因素引起的错误，提高产品质量和一致性。
3.节约能源资源机电一体化系统可以实现能源的合理利用和分配，优化能源消耗结构，降低生产成本。
4.提升生产安全性机电一体化系统可以实现安全监测和自动报警，减少生产过程中的安全隐患，提高生产操作的安全性。
5.降低维护成本机电一体化系统可以实现在线监测和故障诊断，及时发现和排除问题，减少维护和维修成本。
三、机电一体化系统设计的原则1.整体性原则机电一体化系统设计要以整体性为原则，全面考虑机械和电气系统之间的协调和配合，确保系统各部分之间的一致性和稳定性。
2.可靠性原则机电一体化系统设计要考虑到系统的可靠性，选择高品质的机械和电气元器件，确保系统长期稳定运行。
3.灵活性原则机电一体化系统设计要具有一定的灵活性，能够根据生产需求进行调整和改进，适应市场的变化。
4.通用性原则机电一体化系统设计要具有一定的通用性，可以适用于不同的生产场景和环境，提高系统的适用性和可扩展性。
5.安全性原则机电一体化系统设计要考虑到系统的安全性，确保生产过程中的操作安全和人员安全，防止事故的发生。
四、机电一体化系统设计的实施步骤1.需求分析首先进行生产需求分析，明确机电一体化系统的功能和性能要求，确定系统的基本架构和设计方案。
2.系统设计根据需求分析的结果，进行系统设计，包括机械结构设计、电气控制系统设计、传感器和执行器的选择等。
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1. 机电一体化技术（或产品）的定义
定义：在机械的主功能，动力功能，信息功能，控制功能基础上引入微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机的结合所构成的系统的总称。
2. 机电一体化系统或产品设计的目的是什么？
主要目的：增加机械系统或产品的附加值和自动化程度
3. 机电一体化系统（产品）的主要构成单元或组成部分有哪些？
机械系统，电子信息处理系统，动力系统，传感系统，执行控制系统
4、简述机电一体化系统或产品的机电结合（融合）设计方法。
机电结合设计方法是将个组成要素有机的结合为一体而构成专用或通用的功能部件，其
要素之间机电参数的有机匹配比较充分
5、简述机电一体化系统（产品）的机电组合设计方法，特点是什么？。
机电一体化系统的机电组合设计方法是将用结合法制成的功能部件，功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统，特点是可以缩短设计与研制周期，节约工装设备费用，
且有利于生产管理，使用和维修。
6. 机械传动系统在机电一体化系统（产品）中的基本功能和作用是什么？
机械传动系统在机电一体化系统中的基本功能是传递力/转矩和速度/转速。
实质上是一种转矩，转速变换器。
作用是使执行原件与负载之间在转矩和转速方面达到合理的匹配。
7. 简答机电一体化机械传动的主要功能，目的，基本要求。
功能：传递力/转矩和速度/转速
目的：使执行元件与负载之间在转矩和转速方面达到合理的匹配。
基固本要求：转动间隙小，精度高，体积小，重量轻，运动平稳，传动转矩大。
8. 机电一体化系统（产品）的机械部分与一般机械系统相比，应具备哪些特殊要求？
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，收敛时间合理。
3。
无间隙，低摩擦，低惯量，大刚度。
4。
高的消振频率，合理的阻尼比。
9. 简述滚珠丝杠传动装置的组成，结构和应用特点。
滚珠丝杠传动装置的组成由带螺旋槽的丝杆，螺母，滚动元件，回珠装置组成。
结构：丝杆轻动时，带动滚珠螺纹滚道滚动，为阻止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端没有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠滚动的闭合通
路。
应用特点：阻尼小，传动效率高，合理的结构设计，适应大刚度传递，可实现无间隙工
作，不能自锁。
10. 试分析齿轮传动中，定轴传动、行星传动、谐波传动的组成与传动特点。
定轴传动由圆柱齿轮传动，圆锥齿轮传动，蜗杆蜗杆传动。
特点：结构简单。
传递可靠，用几何特性来实现传动。
行星传动主要是由传动齿轮，定位齿轮，行星轮和行星架组成。
特点。
结构紧凑，可实现传动比更大，几何特性＋机构传动原理来实现。
谐波传动主要又钢轮，柔轮，波发生器组成。
特点：结构紧凑，体积小，重量轻，充分发挥材料的特性，传动比可大，也相当可靠，几何特性＋材料弹性变化特性实现传动。
11. 滚动导轨副应达到的基本要求。
高的导向精度，高的耐磨性，足够的刚度，良好的工艺性
12. 导轨的刚度所包含的主要内容有哪些？以及各部分对导轨副的导向精度影响如
何？
静刚度－抵抗恒定载荷的能力。
动刚度－抵抗变变载荷的能力。
每一类刚度都包括：结
构刚度，接触刚度，局部刚度
13. 机电一体化系统（产品）对执行元件的基本要求是什么？
1惯量小，动力大。
2体积小，重量轻。
3安装方便，便于维护。
4易于实现自动化控制
14. 机电一体化系统对伺服控制电动机的基本要求
1性能密度大。
2快速响应性好。
3位置控制与速度控制精度高，调速范围大，低速平稳性好，分辨率高以及振动噪音小。
4能适应频繁启动，可靠性高，寿命长。
5易于与计算
机对接，实现计算机控制。
15. 常用伺服电动机有哪些工作特点？
2个工作区。
1恒转矩工作区，2恒功率工作区
16. 对于伺服电动机半闭环控制系统而言，控制系统的主要构成有哪些？
主要是指令控制器，反馈调节器，功率放大与整形电路，执行元件
17. 步进电机驱动控制电路设计的基本要求是什么？
提高驱动信号，控制有效，可靠性，整形抗干扰电路
18. 简述机电一体化系统（产品）对检测传感器的基本要求。
1体积小，重量轻，适应性好。
2精度和灵敏性高，响应快，稳定性好，信噪比高。
3安全可靠，寿命长。
4便于与计算机对接。
5不易受被检测对象和外部环境的影响。
6环境适应能力强。
7现场安装处理简单，操作方便。
8价格便宜
19. 简答通用微机控制系统核心部件，通用微机控制系统的构成与特点。
通用微型计算机的核心部件为可编程控制器和工业计算机。
构成;控制系统以通用微型计算机为核心，设计专用或选用通用的集成IC芯片，接口电路，执行元件，传感器，以及相互合理匹配元件，组成具有较好通用能力的控制器。
软件
采用通用平台软件系统。
特点：具有可靠性高，适应性强，但成本高，应采取一定的抗干扰措施等特点。
适用于
多品种，中小批量生产的机电一体化产品。
20. 简答专用微机控制系统核心部件，专用微机控制系统的构成与特点。
核心部件为单片机和单板机
构成由专用IC芯片，接口电路，执行元件，传感器相互合理匹配成专用控制器。
特点：软件采用专用机器代码或语言，可靠性强，成本低，但适应能力差，用于大批量
生产的机电一体化产品。
21. 光电隔离电路的组成有哪些？主要作用是什么？
主要由光耦合器的光电转换元件输入电路，光源，光敏元件，输出放大电路组成
作用：1可将输入输出两部分的供电电源和电路的地线分离。
2可进行电平转换，实现要求的电平输出，从而具有初级功率放大作用。
3提高对负载的驱动能力。
22. 机电一体化系统设计中，驱动电路设计的目的和基本要求是什么？
目的：实现指令信号和执行驱动信号之间的有效匹配。
要求：信号类型转换，能量放大，
质量的保证。
23. 研究机电一体化系统稳态设计方法的主要目的是什么？
主要目的是使控制被控制对象能完成所需要的机械运动即进行机械系统的运动学，动力学分析以及计算，保障整个机电一体化系统的整体性能
24. 在机电一体化系统的稳态设计中，分析研究机械系统的负载和惯性特征，进行等效
负载和惯
原则：能量守恒。
目的：为使选择的执行软件与被控对象的固有参数相匹配，将输出轴个部分的惯量和负载转换到执行元件的输出端，以便确定执行元件。
25. 机电一体化系统的动态设计的目的是什么？
机电一体化动态设计的目的；在稳态设计的基础上，保证系统的动态稳定性，过度过程的品质，动态稳定精度，动态响应特性指标参数。
26. 机电一体化系统的动态设计研究的主要性能指标参数有哪些？
主要有：响应时间，超调量，稳态误差，收敛时间。
振荡次数，过度时间的位置误差。
（动态误差和稳态误差等）
分析题
1. 简述如图2所示死杠螺母传动机构的特点。
a：结构简单，传动精度高。
螺母支撑丝杆可消除轴向蹿动，刚性较差。
B,结构紧凑，丝刚刚性较高，要限制螺母移动，需导向装置。
C：结构复杂，占用空间较大，传动时间需限制螺母移动和丝杆转动。
D：结构简单，紧凑，丝杆刚性较高，但使用不方便，使用
较少。
2. 试分析单圆弧轨道和双圆弧轨道的结构特点（设计、制造、使用与维护
单圆弧滚道：结构简单，传递精度由加工质量保证，轴向间隙小，无轴向间隙调整和预紧能力，加工困难，加工精度要求高，成本高，一般在轻载条件下工作。
双圆弧滚道：结构简单，存在轴向间隙，加工质量易于保证，在使用双螺母结构的条
件下，具有轴向间隙调整和预紧能力，传递精度高。
3. 试分析图示消除滚珠丝杠轴向间隙调整与预紧的工作原理与结构特点。
双螺母垫片预紧调整的结构特点：结构简单，刚性好，预紧可靠，使用中调整不方便。
工作原理：在丝杆固定不动的条件下，增加垫片的厚度，左右丝杆螺母分别向左移动和向
右移动。