机电一体化技术机械系统
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一般用增大尺寸和合理布置筋和筋板等办法解决。 （2）局部变形
发生在载荷集中的地方。 加强导轨的局部刚度。
（3）接触变形 由于加工造成的微观不平度，使两实际接触面积仅是
名义接触面积的很小一部分，因而产生接触变形。
提高接触精度，施加预载荷。
3、精度保持性 取决于导轨的耐磨性。 进行正确的润滑与保护。
在正常工作的条件下，力求结构简单，制造容易，调 整、维修方便，最大限度的降低成本。
三、常用机构
1、塑料导轨 特点：在滑动导轨上镶装塑料而成。化学稳定性高、工艺
性 好、使用维护方便；耐热性差，易蠕变，需散热。 （1）塑料导轨软带
平面式
埋头式
（2）金属塑料复合导轨板 自润滑层 中间层 内层
（3）塑料涂层
第二章机械系统
机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，除 要求具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特 性，就是说响应要快、稳定性要好。一个典型的机电一体化 系统，通常由控制部件、接口电路、功率放大电路、执行元 件、机械传动部件、导向支承部件以及检测传感部件等部分 组成。这里所说机械系统一般由减速装置、丝杠螺母副、蜗 轮蜗杆副等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非 线性传动部件、导向支承部件、旋转支承部件、轴系及架体 等机构组成。
磁致伸缩机构
1-伸缩棒
2-运动件
机器人末端执行器
圆弧开合型
圆弧平行开合型
直线平行开合型
特种执行器
真空吸附手
空气袋膨胀手
电磁吸附手
思考题
2.1对传动机构的要求是什么？ 2.2滚珠丝杠传动副有哪些特点？ 2.3滚珠丝杠传动副有哪些传动形式，各有何特点？ 2.4如何选择滚珠丝杠传动副？ 2.5说明同步带的结构及各部分的作用。 2.6同步带传动副有哪些特点？ 2.7同步带传动副的主要失效形式与设计准则是什么？ 2.8导轨副的基本要求是什么？ 2.9导轨变形有哪些形式，分析产生原因及解决的措施。 2.10滚动导轨根据滚动体形状不同分为哪些形式，各有什么特点。 2.11查阅资料,了解磁悬浮技术。试分析磁悬浮技术在机械传动和 导向中的应用。
4、同步带主要参数、型式和规格
a、主要参数 节距 pb
单面齿 b、带齿型式
双面齿
c、规格
按节距分为7种。
型号 MXL XXL XL
L
H
XH
节距 (mm)
2.023
3.175
5.080
9.525 12.700
22.225
XXH 31.75
d、标记
420 L 050
长度代号 (节线长1066.80mm)
机械系统
传
导
执
动
向
行
机
机
机
构
构
构
传递转矩 与转速
支承和限制运 动部件,并使之 按给定的运动 要求和规定的 运动方向运动
完成操作 任务
第一节 传动机构
一、种类和特点 机械传动部件的主要功能是传递转矩和转速，其目的是使
执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。
二、基本要求
机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很 大影响，特别是其传动类型、传动方式、传动 刚性以及传动的可靠性对机电一体化系统的精 度、稳定性和快速响应性有重大影响。
三、滚珠丝杠传动副
微小型丝杠
1、构成原理与工作特点
1—丝杠 2—螺母 3—滚珠 4—回程引导装置
外滚道 滚珠
反向器
螺母 丝杠
内滚道
工作特点: a、传动效率高。
b、运动可逆。 c、刚度好。 d、传动精度高。 e、寿命长。 f、不能自锁。 g、工艺复杂。
2、丝杠螺母机构传动形式 1）螺母固定、丝杠转动并移动
四、同步带传动副
1、传动特点 综合了带传动、齿轮传动和链传动的特点
a、可实现较远距离中心距的传动，传动比准确，效率高 b、传动平稳 c、强度高 d、安装精度高 e、维护保养方便
f、制造工艺复杂、成本高
2、种类 按用途分
a)工业用同步带 一般为梯形齿，主要用于中、小功率的同步带传动。
b)大转矩同步带 一般为圆弧齿，主要用于重型机械的传动。
ξωn。在ωn确定以后，ξ越小，其振荡越剧烈，过渡过程越长。
相反，ξ越大，则振荡越小，过渡过程越平稳，系统稳定性越 好，但响应时间较长，系统的灵敏度降低。
因此，在系统设计时，一般取当阻尼比0.4≤ξ≤0.8的欠 阻尼系统。既能保证振荡在一定的范围内，过渡过程较平 稳，过渡时间较短，又具有较高的灵敏度。
4、运动的灵活性与低速运动的平稳性 工作应轻便省力，速度均匀（高速不振动、低速不爬行）。
解决爬行的措施： a、采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、贴塑料层导轨等。 b、使用导轨油。 c、提高传动系统刚度。
5、对温度的敏感性和结构工艺性 在环境温度变化的情况下，应能正常工作。 取决于导轨材料和导轨配合间隙的选择。
短、流畅性好、效率高、螺母径向尺寸小。反向器加工困 难，装配调整不方便。
外循环
插管式外循环结构 1-弯管 2-压板 3-丝杠 4-滚珠 5-螺纹滚道
滚珠在循环过程中有一段离开了丝杠表面。
4、主要尺寸参数
d1---丝杠内径 D1---螺母内径
d---丝杠外径 D---螺母外径
d0---标称直径 L0---基本导程（螺距）
2、滚动导轨 按滚动体的形状不同分为三种
1-动导轨 2-滚珠 3-定导轨 4-滚柱 5-滚针
滚珠导轨
滚柱导轨
滚针导轨
特点：点线尺接寸触小、摩承紧擦载凑小能密、力集灵和、敏刚承度载高较能；大力承，大载制、能造摩力安擦小装较、要大刚求，度高精低。度。偏低。 应用：载荷不较大大，、的导行场轨程合尺较。寸小受、限灵制敏的度场较合高。的场合。
二、导轨副的基本要求
1、精度要高 影响导向精度的因素：
导轨的结构类型、导轨的几何精度与接触精度、导 轨的配合间隙、油膜厚度、油膜刚度、导轨和基础件的 刚度、热变形。
纵向直线度
横向直线度
平行度
2、刚度
导轨变形有自身、局部和接触三种形式。
（1）自身变形 由于作用在导轨面上的零、部件重量（包括自重）而引起。 主要与导轨的类型、尺寸及材料有关。
型号
带宽代号 （10.7mm）
800 DI H 300
5、同步带轮
a、结构与材料
为防止带脱落，两侧有挡圈。材料有铸铁、钢、塑料和轻合金
b、带轮参数与尺寸规格
参数
齿形 齿数
直线形、渐开线形 大于等于10
c、规格 规格同带
d、标记
齿数 (30)
30 L 075
型号
轮宽代号 （19.05mm）
6、同步带传动副的主要失效形式
2）摩擦
粘性摩擦 摩擦力
(a)引起动态滞后和系统误差。
(b)引起低速爬行。
爬行： 由于非线性摩擦的存在，
机械系统在低速运行时出现 的时起时停、时快时慢的不 平稳运动现象。
静摩擦 库仑摩擦
库仑摩擦 静摩擦
速度
粘性摩擦 理想摩擦力—速度特性曲线
3）刚度 -------使弹性体产生单位变形量所需的作用力。
刚度越大，系统固有频率越高，不易产生共振， 系统稳定性高。
4）质量、惯量 质量与惯量影响系统的固有频率，影响系统的
稳定性。
在不影响系统刚度的条件下，传动机构的质量 与转动惯量应尽可能小。
5）间隙
在传动装置逆运行时造成回程误差，影响系统精 度；产生传动死区，使系统产生自激振荡，影响系统 稳定性。
为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，在 设计中，要提出无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、 高谐振频率、适当的阻尼比等要求。
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。因此只适 用于行程较小的场合
2）丝杠转动、螺母移动
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
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。
动导轨
支承导轨
2、分类 （1）根据接触面的摩擦性质分类
滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨 （2）根据结构特点分类
开式导轨、 闭式导轨
No Image
常用导轨结构示意图
开式圆柱面导轨
闭式圆柱面导轨
燕尾导轨
闭式直角导轨
开式V形导轨
开式滚珠导轨
闭式滚珠导轨
开式滚柱导轨
滚动轴承导轨 液体静压导轨
1、影响传动机构动力学特性的因素及其要求
1）阻尼
二阶系统单位阶跃响应曲线
(a)当阻尼比ξ=0时，系统处于等幅持续振荡状态。
(b)当阻尼比ξ≥1时，系统为临界阻尼或过阻尼系统。 过渡过程无振荡，但响应时间较长。
(c)当阻尼比0＜ξ＜1时，系统为欠阻尼系统。系统在过渡过 程中处于减幅振荡状态，其振幅衰减的快慢，取决于衰减系数
2、采取的具体技术措施
1） 采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件。
2）缩短传动链，提高传动与支承刚度。
3）选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、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。 4）缩小反向死区误差。
5）改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、 降低噪声。
4）丝杠固定、螺母转动并移动
结构简单、紧凑，但在多数情况下，使用极不 方便，很少应用。
3、结构类型 ①按螺纹滚道法向截面形状分
单圆弧
β-接触角 rb-滚珠半径
双圆弧
R-滚道半径 e-偏心距
②按滚珠循环方式分 内循环
1—丝杠 2—螺母百度文库
3—滚珠 4—回程引导装置
滚珠在循环过程中始终与丝杠表面接触。循环回路
四、常用导轨特点
第三节 执行机构
机械系统的执行机构根据操作指令的要求，直接作用 于对象，完成规定的动作和任务。其形式多种多样。它 是系统实现主功能的重要环节。
执行机构要能保证按时、准确地完成预期动作，应具 有动态特性好、响应速度快、精度高、灵敏度高等特点。
常见机构
热变形式微动机构 1-传动杆 2-电阻丝 3-运动件
c)特种规格同步带 根据某种机器特殊需要而设计的同步带。
d)特殊用途同步带 具有特殊性能的同步带。
3、同步带结构
1-带背
2-承载绳
3-包步层 4-带齿
要作作要材材求用用求料料：：：：有连传有聚钢用与同仅高接递良氨丝尼带用的、动好酯、龙轮背于抗包力的橡玻或啮。以剪覆，韧 胶 璃 棉 合氯强承同性和纤纶，丁度载时和氯维丝传橡与绳保耐丁、织递胶耐，证弯橡芳成扭为磨在带曲胶纶。矩基性运的疲。等。体、转节劳。的耐过距的同油程不能步性中变力带、承。，，耐受以可热弯及增性曲与加。应承带力载齿。 要求：绳的有良耐较好磨高的性的粘，强接提度性高和能带较。的小抗的拉伸强长度率。。
a、承载绳疲劳拉断 b、打滑和跳齿 c、带齿的磨损
7、同步带传动副设计准则
在不打滑的情况下，具有较高的抗拉强度。即保证承载 绳不被拉断。
第二节 导向机构
导向机构支承和限制运动部件按给定的运动要求和运动 方向运动。要保证运动部件相关零部件间的相互位置要求和 相对运动的精度要求。
一、导轨的组成和分类 1、组成
发生在载荷集中的地方。 加强导轨的局部刚度。
（3）接触变形 由于加工造成的微观不平度，使两实际接触面积仅是
名义接触面积的很小一部分，因而产生接触变形。
提高接触精度，施加预载荷。
3、精度保持性 取决于导轨的耐磨性。 进行正确的润滑与保护。
在正常工作的条件下，力求结构简单，制造容易，调 整、维修方便，最大限度的降低成本。
三、常用机构
1、塑料导轨 特点：在滑动导轨上镶装塑料而成。化学稳定性高、工艺
性 好、使用维护方便；耐热性差，易蠕变，需散热。 （1）塑料导轨软带
平面式
埋头式
（2）金属塑料复合导轨板 自润滑层 中间层 内层
（3）塑料涂层
第二章机械系统
机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，除 要求具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特 性，就是说响应要快、稳定性要好。一个典型的机电一体化 系统，通常由控制部件、接口电路、功率放大电路、执行元 件、机械传动部件、导向支承部件以及检测传感部件等部分 组成。这里所说机械系统一般由减速装置、丝杠螺母副、蜗 轮蜗杆副等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非 线性传动部件、导向支承部件、旋转支承部件、轴系及架体 等机构组成。
磁致伸缩机构
1-伸缩棒
2-运动件
机器人末端执行器
圆弧开合型
圆弧平行开合型
直线平行开合型
特种执行器
真空吸附手
空气袋膨胀手
电磁吸附手
思考题
2.1对传动机构的要求是什么？ 2.2滚珠丝杠传动副有哪些特点？ 2.3滚珠丝杠传动副有哪些传动形式，各有何特点？ 2.4如何选择滚珠丝杠传动副？ 2.5说明同步带的结构及各部分的作用。 2.6同步带传动副有哪些特点？ 2.7同步带传动副的主要失效形式与设计准则是什么？ 2.8导轨副的基本要求是什么？ 2.9导轨变形有哪些形式，分析产生原因及解决的措施。 2.10滚动导轨根据滚动体形状不同分为哪些形式，各有什么特点。 2.11查阅资料,了解磁悬浮技术。试分析磁悬浮技术在机械传动和 导向中的应用。
4、同步带主要参数、型式和规格
a、主要参数 节距 pb
单面齿 b、带齿型式
双面齿
c、规格
按节距分为7种。
型号 MXL XXL XL
L
H
XH
节距 (mm)
2.023
3.175
5.080
9.525 12.700
22.225
XXH 31.75
d、标记
420 L 050
长度代号 (节线长1066.80mm)
机械系统
传
导
执
动
向
行
机
机
机
构
构
构
传递转矩 与转速
支承和限制运 动部件,并使之 按给定的运动 要求和规定的 运动方向运动
完成操作 任务
第一节 传动机构
一、种类和特点 机械传动部件的主要功能是传递转矩和转速，其目的是使
执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。
二、基本要求
机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很 大影响，特别是其传动类型、传动方式、传动 刚性以及传动的可靠性对机电一体化系统的精 度、稳定性和快速响应性有重大影响。
三、滚珠丝杠传动副
微小型丝杠
1、构成原理与工作特点
1—丝杠 2—螺母 3—滚珠 4—回程引导装置
外滚道 滚珠
反向器
螺母 丝杠
内滚道
工作特点: a、传动效率高。
b、运动可逆。 c、刚度好。 d、传动精度高。 e、寿命长。 f、不能自锁。 g、工艺复杂。
2、丝杠螺母机构传动形式 1）螺母固定、丝杠转动并移动
四、同步带传动副
1、传动特点 综合了带传动、齿轮传动和链传动的特点
a、可实现较远距离中心距的传动，传动比准确，效率高 b、传动平稳 c、强度高 d、安装精度高 e、维护保养方便
f、制造工艺复杂、成本高
2、种类 按用途分
a)工业用同步带 一般为梯形齿，主要用于中、小功率的同步带传动。
b)大转矩同步带 一般为圆弧齿，主要用于重型机械的传动。
ξωn。在ωn确定以后，ξ越小，其振荡越剧烈，过渡过程越长。
相反，ξ越大，则振荡越小，过渡过程越平稳，系统稳定性越 好，但响应时间较长，系统的灵敏度降低。
因此，在系统设计时，一般取当阻尼比0.4≤ξ≤0.8的欠 阻尼系统。既能保证振荡在一定的范围内，过渡过程较平 稳，过渡时间较短，又具有较高的灵敏度。
4、运动的灵活性与低速运动的平稳性 工作应轻便省力，速度均匀（高速不振动、低速不爬行）。
解决爬行的措施： a、采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、贴塑料层导轨等。 b、使用导轨油。 c、提高传动系统刚度。
5、对温度的敏感性和结构工艺性 在环境温度变化的情况下，应能正常工作。 取决于导轨材料和导轨配合间隙的选择。
短、流畅性好、效率高、螺母径向尺寸小。反向器加工困 难，装配调整不方便。
外循环
插管式外循环结构 1-弯管 2-压板 3-丝杠 4-滚珠 5-螺纹滚道
滚珠在循环过程中有一段离开了丝杠表面。
4、主要尺寸参数
d1---丝杠内径 D1---螺母内径
d---丝杠外径 D---螺母外径
d0---标称直径 L0---基本导程（螺距）
2、滚动导轨 按滚动体的形状不同分为三种
1-动导轨 2-滚珠 3-定导轨 4-滚柱 5-滚针
滚珠导轨
滚柱导轨
滚针导轨
特点：点线尺接寸触小、摩承紧擦载凑小能密、力集灵和、敏刚承度载高较能；大力承，大载制、能造摩力安擦小装较、要大刚求，度高精低。度。偏低。 应用：载荷不较大大，、的导行场轨程合尺较。寸小受、限灵制敏的度场较合高。的场合。
二、导轨副的基本要求
1、精度要高 影响导向精度的因素：
导轨的结构类型、导轨的几何精度与接触精度、导 轨的配合间隙、油膜厚度、油膜刚度、导轨和基础件的 刚度、热变形。
纵向直线度
横向直线度
平行度
2、刚度
导轨变形有自身、局部和接触三种形式。
（1）自身变形 由于作用在导轨面上的零、部件重量（包括自重）而引起。 主要与导轨的类型、尺寸及材料有关。
型号
带宽代号 （10.7mm）
800 DI H 300
5、同步带轮
a、结构与材料
为防止带脱落，两侧有挡圈。材料有铸铁、钢、塑料和轻合金
b、带轮参数与尺寸规格
参数
齿形 齿数
直线形、渐开线形 大于等于10
c、规格 规格同带
d、标记
齿数 (30)
30 L 075
型号
轮宽代号 （19.05mm）
6、同步带传动副的主要失效形式
2）摩擦
粘性摩擦 摩擦力
(a)引起动态滞后和系统误差。
(b)引起低速爬行。
爬行： 由于非线性摩擦的存在，
机械系统在低速运行时出现 的时起时停、时快时慢的不 平稳运动现象。
静摩擦 库仑摩擦
库仑摩擦 静摩擦
速度
粘性摩擦 理想摩擦力—速度特性曲线
3）刚度 -------使弹性体产生单位变形量所需的作用力。
刚度越大，系统固有频率越高，不易产生共振， 系统稳定性高。
4）质量、惯量 质量与惯量影响系统的固有频率，影响系统的
稳定性。
在不影响系统刚度的条件下，传动机构的质量 与转动惯量应尽可能小。
5）间隙
在传动装置逆运行时造成回程误差，影响系统精 度；产生传动死区，使系统产生自激振荡，影响系统 稳定性。
为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，在 设计中，要提出无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、 高谐振频率、适当的阻尼比等要求。
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。因此只适 用于行程较小的场合
2）丝杠转动、螺母移动
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
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。
动导轨
支承导轨
2、分类 （1）根据接触面的摩擦性质分类
滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨 （2）根据结构特点分类
开式导轨、 闭式导轨
No Image
常用导轨结构示意图
开式圆柱面导轨
闭式圆柱面导轨
燕尾导轨
闭式直角导轨
开式V形导轨
开式滚珠导轨
闭式滚珠导轨
开式滚柱导轨
滚动轴承导轨 液体静压导轨
1、影响传动机构动力学特性的因素及其要求
1）阻尼
二阶系统单位阶跃响应曲线
(a)当阻尼比ξ=0时，系统处于等幅持续振荡状态。
(b)当阻尼比ξ≥1时，系统为临界阻尼或过阻尼系统。 过渡过程无振荡，但响应时间较长。
(c)当阻尼比0＜ξ＜1时，系统为欠阻尼系统。系统在过渡过 程中处于减幅振荡状态，其振幅衰减的快慢，取决于衰减系数
2、采取的具体技术措施
1） 采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件。
2）缩短传动链，提高传动与支承刚度。
3）选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、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。 4）缩小反向死区误差。
5）改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、 降低噪声。
4）丝杠固定、螺母转动并移动
结构简单、紧凑，但在多数情况下，使用极不 方便，很少应用。
3、结构类型 ①按螺纹滚道法向截面形状分
单圆弧
β-接触角 rb-滚珠半径
双圆弧
R-滚道半径 e-偏心距
②按滚珠循环方式分 内循环
1—丝杠 2—螺母百度文库
3—滚珠 4—回程引导装置
滚珠在循环过程中始终与丝杠表面接触。循环回路
四、常用导轨特点
第三节 执行机构
机械系统的执行机构根据操作指令的要求，直接作用 于对象，完成规定的动作和任务。其形式多种多样。它 是系统实现主功能的重要环节。
执行机构要能保证按时、准确地完成预期动作，应具 有动态特性好、响应速度快、精度高、灵敏度高等特点。
常见机构
热变形式微动机构 1-传动杆 2-电阻丝 3-运动件
c)特种规格同步带 根据某种机器特殊需要而设计的同步带。
d)特殊用途同步带 具有特殊性能的同步带。
3、同步带结构
1-带背
2-承载绳
3-包步层 4-带齿
要作作要材材求用用求料料：：：：有连传有聚钢用与同仅高接递良氨丝尼带用的、动好酯、龙轮背于抗包力的橡玻或啮。以剪覆，韧 胶 璃 棉 合氯强承同性和纤纶，丁度载时和氯维丝传橡与绳保耐丁、织递胶耐，证弯橡芳成扭为磨在带曲胶纶。矩基性运的疲。等。体、转节劳。的耐过距的同油程不能步性中变力带、承。，，耐受以可热弯及增性曲与加。应承带力载齿。 要求：绳的有良耐较好磨高的性的粘，强接提度性高和能带较。的小抗的拉伸强长度率。。
a、承载绳疲劳拉断 b、打滑和跳齿 c、带齿的磨损
7、同步带传动副设计准则
在不打滑的情况下，具有较高的抗拉强度。即保证承载 绳不被拉断。
第二节 导向机构
导向机构支承和限制运动部件按给定的运动要求和运动 方向运动。要保证运动部件相关零部件间的相互位置要求和 相对运动的精度要求。
一、导轨的组成和分类 1、组成