第二章機(jī)電一體化機(jī)械技術(shù)

第二章機(jī)電一體化機(jī)械技術(shù)本章導(dǎo)讀機(jī)電一體化產(chǎn)品的機(jī)械系統(tǒng)通常是伺服系統(tǒng)的有機(jī)組成部分，是由計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)與控制、用于完成包括機(jī)械力、運(yùn)動(dòng)和能量流等動(dòng)力學(xué)任務(wù)的機(jī)械和（或）機(jī)電部件，其核心是由計(jì)算機(jī)控制的，包括機(jī)、電、液、光、磁等技術(shù)的伺服系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)相比，除應(yīng)具有較高的定位精度外，它還應(yīng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，即響應(yīng)快、穩(wěn)定性好。因此，在進(jìn)行機(jī)電一體化產(chǎn)品的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除考慮一般機(jī)械設(shè)計(jì)的要求外，還須考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)與整個(gè)伺服系統(tǒng)性能參數(shù)和電氣參數(shù)的匹配，以獲得良好的伺服性能。學(xué)習(xí)內(nèi)容與要求了解伺服控制對(duì)機(jī)械傳動(dòng)性能的要求；掌握慣量、阻尼、剛度等參數(shù)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響；了解系統(tǒng)傳動(dòng)精度的主要影響因素和減少誤差的主要措施；了解機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用機(jī)械傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)性能和一般設(shè)計(jì)方法；了解機(jī)電一體化系統(tǒng)中機(jī)械傳動(dòng)方案的選擇原則；了解機(jī)電一體化系統(tǒng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)；了解虛擬樣機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)及其應(yīng)用。本章重點(diǎn)機(jī)電一體化系統(tǒng)常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的滾珠螺旋傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)及其提高傳動(dòng)精度的措施；機(jī)電一體化系統(tǒng)常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中工業(yè)機(jī)械手末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)。本章難點(diǎn)機(jī)電一體化系統(tǒng)常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的滾珠螺旋傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)及其提高傳動(dòng)精度的措施。媒體使用說(shuō)明學(xué)生通過(guò)文字教材可掌握機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求，常用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及虛擬樣機(jī)技術(shù)等知識(shí)。文字教材中的重點(diǎn)、難點(diǎn)在錄像教材和流媒體課件中有較詳盡的講解;機(jī)電一體化產(chǎn)品機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理等用文字不易表達(dá)清楚的教學(xué)內(nèi)容以實(shí)物、照片、場(chǎng)景等視頻方式作為輔助教學(xué)手段；另外，在流媒體課件中著重講解本章知識(shí)重點(diǎn)、難點(diǎn)的典型實(shí)例以及本章的學(xué)習(xí)思路和方法等內(nèi)容。2.1機(jī)電一體化中的機(jī)械系統(tǒng)傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)和機(jī)電一體化系統(tǒng)的主功能都是完成一系列的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，但由于兩者的組成不同，導(dǎo)致其各自實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的方式也不同。傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)一般由動(dòng)力件、傳動(dòng)件和執(zhí)行件3部分加上電器、液壓和機(jī)械控制等部分組成；而機(jī)電一體化系統(tǒng)中的機(jī)械系統(tǒng)則是由計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)與控制的、用于完成包括機(jī)械力、運(yùn)動(dòng)和能量流等動(dòng)力學(xué)任務(wù)的、機(jī)電部件信息流相互聯(lián)系的系統(tǒng)，其核心是由計(jì)算機(jī)控制的，包括機(jī)、電、液、光、磁等技術(shù)的伺服系統(tǒng)。由于計(jì)算機(jī)的控制功能，使傳統(tǒng)機(jī)械中作為動(dòng)力源的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為具有動(dòng)力、變速與執(zhí)行等多種功能的伺服電動(dòng)機(jī)，其伺服變速功能，又在很大程度上代替了機(jī)械傳動(dòng)中的變速機(jī)構(gòu)。伺服電動(dòng)機(jī)的使用，縮短了系統(tǒng)的傳動(dòng)鏈，使系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，并使動(dòng)力件、傳動(dòng)件與執(zhí)行件逐步向著合為一體的系統(tǒng)發(fā)展。每個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)可由單獨(dú)的控制電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)部件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的若干子系統(tǒng)來(lái)完成，而且每個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)都由計(jì)算機(jī)來(lái)協(xié)調(diào)和控制。因此，機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)機(jī)械裝置具有更高的要求。2.1.1機(jī)械系統(tǒng)的構(gòu)成一個(gè)典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品的機(jī)械系統(tǒng)主要包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、軸系、機(jī)座或機(jī)架5大部分，如圖2-1所示。圖2-1機(jī)械系統(tǒng)的構(gòu)成一工業(yè)機(jī)器人外觀圖傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主功能是傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，因此，它實(shí)際上是一種轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變換器。機(jī)械傳動(dòng)部件對(duì)伺服系統(tǒng)的特性有很大影響，特別是其傳動(dòng)類(lèi)型、傳動(dòng)方式、傳動(dòng)剛性以及傳動(dòng)的可靠性，對(duì)系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和快速性有重大影響。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用是支承和限制運(yùn)動(dòng)部件按給定的運(yùn)動(dòng)要求和給定的運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，為機(jī)械系統(tǒng)中各運(yùn)動(dòng)裝置能安全、準(zhǔn)確地完成其特定方向的運(yùn)動(dòng)提供保障。執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)操作指令的要求在動(dòng)力源的帶動(dòng)下完成預(yù)定的操作，一般要求它具有較高的靈敏度、精確度、良好的重復(fù)性和可靠性等。軸系軸系由軸、軸承及安裝在軸上的齒輪、帶輪等傳動(dòng)部件組成。軸系的主要作用是傳遞轉(zhuǎn)矩及精確的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它直接承受外力（力矩）。機(jī)座或機(jī)架機(jī)座或機(jī)架是支承其他零部件的基礎(chǔ)部件。它既可承受其他零部件的重量和工作載荷，又起保證各零部件相對(duì)位置的基準(zhǔn)作用。2.1.2機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)與一般的機(jī)械系統(tǒng)相比，除了要求具有較高的定位精度等靜態(tài)特性外，還應(yīng)具有特別良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，即動(dòng)作響應(yīng)要快、穩(wěn)定性要好，以滿足伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。高精度機(jī)電一體化產(chǎn)品的技術(shù)性能、功能和工藝水平比普通機(jī)械產(chǎn)品均有大幅提高。其中，機(jī)械系統(tǒng)本身的高精度是首要的要求，如果其精度不能滿足要求，則無(wú)論采用何種控制方式也不能達(dá)到機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。良好的穩(wěn)定性機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指其工作性能不受外界環(huán)境影響和抗干擾的能力。當(dāng)收到的擾動(dòng)信號(hào)消失后，穩(wěn)定的伺服系統(tǒng)能夠很快恢復(fù)到原有的穩(wěn)定狀態(tài)并運(yùn)行；反之則易受干擾，甚至可能產(chǎn)生振蕩。機(jī)械傳動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、剛度和阻尼、固有頻率等因素皆會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，所以要合理地選擇這些參數(shù)，做到互相匹配?？焖夙憫?yīng)性系統(tǒng)的快速響應(yīng)性是要求機(jī)械系統(tǒng)從接到運(yùn)行指令到開(kāi)始執(zhí)行指令之間的時(shí)間盡可能短。這樣，系統(tǒng)的運(yùn)行情況才能快速反饋到控制系統(tǒng)，以便控制系統(tǒng)能及時(shí)下達(dá)命令，使機(jī)械系統(tǒng)準(zhǔn)確運(yùn)行。影響機(jī)械系統(tǒng)快速響應(yīng)性的主要參數(shù)是系統(tǒng)的阻尼比和固有頻率。2.1.3機(jī)械參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響影響機(jī)電一體化系統(tǒng)中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的因素主要有以下5方面。負(fù)載的變化在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)有直線運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、間歇運(yùn)動(dòng)等多種運(yùn)動(dòng)方式，其負(fù)載包括工作負(fù)載（外力）、慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載等。在設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)對(duì)其執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)作出分析，確定負(fù)載的大小，從而合理地選擇驅(qū)動(dòng)部件和設(shè)計(jì)傳動(dòng)部件，并使其與負(fù)載的變化相匹配。傳動(dòng)系統(tǒng)的慣性機(jī)械傳動(dòng)中，從驅(qū)動(dòng)部件、傳動(dòng)部件到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)各部分的慣性都要充分考慮，因?yàn)閼T性不但會(huì)影響傳動(dòng)系統(tǒng)的啟停特性，而且還會(huì)影響控制的快速響應(yīng)性、位移偏差和速度偏差。傳動(dòng)系統(tǒng)的慣性可用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來(lái)計(jì)算，它主要取決于機(jī)構(gòu)中各部件的質(zhì)量和尺寸參數(shù)。傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，各傳動(dòng)部件并非剛體，而是具有彈性的。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)可視為質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，并具有一定的固有頻率。當(dāng)外界傳來(lái)的振動(dòng)的激振頻率接近或等于系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生諧振而不能正常工作。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際上是個(gè)多自由度的系統(tǒng)，它有一個(gè)最基本的固有頻率和若干個(gè)高階固有頻率。為減少機(jī)械傳動(dòng)部件的扭矩反饋對(duì)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)性能的影響，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的基本固有頻率應(yīng)高于電氣驅(qū)動(dòng)部件固有頻率的2?3倍，同時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率還應(yīng)遠(yuǎn)離控制系統(tǒng)的工作頻率，以免系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩而失去穩(wěn)定性。二階振動(dòng)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的固有頻率①n為：因此，傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率與傳動(dòng)部件的質(zhì)量和綜合剛度有關(guān)，增加剛度或減小質(zhì)量可提高系統(tǒng)的固有頻率。此外，傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率對(duì)傳動(dòng)精度也有影響，提高固有頻率可減小系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差。傳動(dòng)系統(tǒng)中的摩擦與潤(rùn)滑物體間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)或已經(jīng)產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在其接觸面間會(huì)產(chǎn)生摩擦力，而摩擦力又會(huì)影響傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。工作中機(jī)械導(dǎo)軌的摩擦特性是很復(fù)雜的，它們不僅與摩擦性質(zhì)不同的導(dǎo)軌材料和表面狀態(tài)有關(guān)，而且也受潤(rùn)滑條件和環(huán)境溫度的影響。此外，靜摩擦力還會(huì)使機(jī)械傳動(dòng)部件發(fā)生彈性變形而造成位置誤差；反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，位置誤差會(huì)形成回程誤差。因此，機(jī)械傳動(dòng)部件的摩擦特性應(yīng)為：靜摩擦力盡可能?。粍?dòng)摩擦力應(yīng)為盡可能小的正斜率，若為負(fù)斜率，則易產(chǎn)生爬行、精度降低且壽命減小。傳動(dòng)系統(tǒng)中的間隙機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，各類(lèi)傳動(dòng)零部件的傳動(dòng)間隙都會(huì)產(chǎn)生回程誤差，增加輪廓誤差，從而影響到系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。齒輪傳動(dòng)的嚙合間隙會(huì)造成一定的傳動(dòng)死區(qū)，即主動(dòng)齒輪要轉(zhuǎn)過(guò)一定間隙角后從動(dòng)齒輪才會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)死區(qū)也稱(chēng)為失動(dòng)量。若在閉環(huán)系統(tǒng)中，傳動(dòng)死區(qū)還可能使系統(tǒng)以1?5倍的頻率產(chǎn)生低頻振蕩，為此，應(yīng)采用齒側(cè)間隙小、精度較高的齒輪，或采用各種調(diào)整齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)來(lái)減小或消除嚙合間隙。常見(jiàn)的間隙類(lèi)型有齒輪傳動(dòng)的齒側(cè)間隙、絲杠螺母的傳動(dòng)間隙、絲杠軸承的軸向間隙和聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)間隙等，具體的消隙方法詳見(jiàn)2.2節(jié)的相關(guān)介紹。2.2機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由于受到技術(shù)發(fā)展水平的限制，目前機(jī)電一體化的各種元器件還不能完全滿足需要，機(jī)械傳動(dòng)鏈還不能完全取消。但是，機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)中的機(jī)械傳動(dòng)裝置，已不僅僅是轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變換器，而成為伺服系統(tǒng)的組成部分。近年來(lái)，由控制電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載的'直接驅(qū)動(dòng)”技術(shù)得到了很大的發(fā)展，但一般機(jī)械都需要低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的伺服電動(dòng)機(jī)，并要考慮負(fù)載的非線性耦合性等因素對(duì)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的影響，從而增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，所以，在一般情況下，應(yīng)盡可能縮短傳動(dòng)鏈，但還不能完全取消傳動(dòng)鏈。機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有螺旋傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)、高速帶傳動(dòng)以及各種非線性傳動(dòng)等。如表2-1所示，一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可滿足一項(xiàng)或同時(shí)滿足幾項(xiàng)功能要求，其主功能是傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，其目的是確保執(zhí)行元件和負(fù)載之間在轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩方面得到最佳匹配。傳動(dòng)部件直接影響著伺服系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)性，因此要根據(jù)伺服控制的要求進(jìn)行選擇設(shè)計(jì)，使其滿足傳動(dòng)間隙小、精度高、低摩擦、體積小、質(zhì)量輕、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、響應(yīng)速度快、傳遞轉(zhuǎn)矩大、高諧振頻率以及與伺服電動(dòng)機(jī)等其他環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)性能相匹配等要求。表2-1傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其功能隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，要求傳動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)不斷適應(yīng)新的技術(shù)要求，具體有以下幾方面：精密化對(duì)某種特定的機(jī)電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）來(lái)說(shuō)，應(yīng)根據(jù)其性能的需要提出適當(dāng)?shù)木芏纫?。雖然不是越精密越好，但由于要滿足產(chǎn)品的高定位精度等性能要求，所以對(duì)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精密度要求越來(lái)越高。高速化產(chǎn)品工作效率的高低，直接與機(jī)械傳動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)，因此，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)能適應(yīng)高速運(yùn)動(dòng)的要求。小型化、輕量化隨著機(jī)電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）精密化、高速化的發(fā)展，必然要求其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)小型化、輕量化，以提高運(yùn)動(dòng)靈敏度（快速響應(yīng)性），減小沖擊，降低能耗。為與微電子部件微型化相適應(yīng)，也要盡可能做到使機(jī)械傳動(dòng)部件短小、輕薄化。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面。其具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：（1）估算載荷；（2）選擇總傳動(dòng)比和伺服電動(dòng)機(jī)；（3）選擇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的形式；（4）確定傳動(dòng)級(jí)數(shù)，分配各級(jí)傳動(dòng)比；（5）配置傳動(dòng)鏈，估算傳動(dòng)鏈精度；（6）進(jìn)行傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（7）計(jì)算傳動(dòng)裝置的剛度和結(jié)構(gòu)固有頻率；（8）作必要的工藝分析和經(jīng)濟(jì)分析。2.2.1機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的特性機(jī)電一體化中的機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)具有良好的伺服性能，并要求機(jī)械傳動(dòng)部件有足夠的制造精度，以滿足轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、摩擦小、阻尼合理、剛度大、振動(dòng)特性好以及傳動(dòng)間隙小等要求，另外，還要求機(jī)械傳動(dòng)部分的動(dòng)態(tài)特性與執(zhí)行元件的動(dòng)態(tài)特性相匹配。機(jī)械系統(tǒng)的主要特性有：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼、剛度和傳動(dòng)精度等。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（1）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大會(huì)產(chǎn)生以下不利影響：①機(jī)械負(fù)載增加，功率消耗大；②系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，靈敏度降低；③系統(tǒng)的固有頻率下降，容易產(chǎn)生諧振；④電氣驅(qū)動(dòng)部件的諧振頻率降低，阻尼增大等。因此，在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，機(jī)械部分的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)盡可能小。圖2-2所示為機(jī)械傳動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)小慣量電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)諧振頻率的影響。圖中橫坐標(biāo)為外載荷折算到電動(dòng)機(jī)軸的當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之比，縱坐標(biāo)為系統(tǒng)帶有折算到電動(dòng)機(jī)軸的外載荷時(shí)的諧振頻率與不帶外載荷時(shí)的諧振頻率之比，其中電動(dòng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與諧振頻率可視為常數(shù)。從曲線的變化趨勢(shì)可看出，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際諧振頻率隨慣性負(fù)載增大而降低。當(dāng)折算的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，固有頻率下降為空載諧振頻率的50%；當(dāng)折算慣量小于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，系統(tǒng)有較好的快速性。因此，在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可作為選擇電動(dòng)機(jī)動(dòng)力參數(shù)的依據(jù)。（2）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，齒輪、絲杠等傳動(dòng)件可視為圓柱體來(lái)近似計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。直線運(yùn)動(dòng)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為保證系統(tǒng)具有較好的快速響應(yīng)性，通常希望伺服傳動(dòng)系統(tǒng)具有小慣量。如數(shù)控機(jī)床中的傳動(dòng)方式一般有3種：絲杠傳動(dòng)、齒輪齒條傳動(dòng)和蝸輪蝸桿傳動(dòng)。以絲杠傳動(dòng)為例，絲杠與伺服電動(dòng)機(jī)的連接方式有兩種：①直接傳動(dòng)；②中間用齒輪或者同步齒形帶傳動(dòng)。在同樣的工作條件下，絲杠的參數(shù)和齒輪的傳動(dòng)比也可以不同。3種方案都可滿足最大進(jìn)給力和最高進(jìn)給速度的要求，但它們的折算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相差卻很大，由此帶來(lái)的結(jié)果是不同方案系統(tǒng)的最大固有頻率是最小固有頻率的2倍多，因此，系統(tǒng)的快速性和振動(dòng)特性會(huì)相差很大?？梢?jiàn)，在選擇傳動(dòng)方案時(shí)，不僅要滿足驅(qū)動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)速度的要求，而且還要考慮折算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小，這對(duì)提高系統(tǒng)的綜合性能非常重要。表2-2不同傳動(dòng)方案的比較阻尼由于機(jī)械部件的慣性和摩擦特性，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)可視為帶有阻尼的質(zhì)量一彈簧系統(tǒng)。機(jī)械部件產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)中阻尼越大，最大振幅越小，且衰減越快。適當(dāng)?shù)淖枘峥梢蕴岣呦到y(tǒng)的穩(wěn)定性。機(jī)械部件振動(dòng)時(shí)，金屬材料的內(nèi)摩擦較小，一般情況下，摩擦阻尼都發(fā)生在運(yùn)動(dòng)副的構(gòu)件之間，其中，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)影響最大的是導(dǎo)軌副的摩擦阻尼。阻尼對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有多方面的影響：（1）系統(tǒng)的靜摩擦阻尼大，會(huì)使系統(tǒng)的回程誤差增大，定位精度降低。低速運(yùn)動(dòng)的滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌副如果在摩擦一速度特性的負(fù)斜率上運(yùn)行則易產(chǎn)生爬行降低機(jī)械的傳動(dòng)性能。滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦小，低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好，因而在當(dāng)前的機(jī)電伺服系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。（2）系統(tǒng)的黏性阻尼摩擦越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差就越大，精度降低。（3）系統(tǒng)的黏性阻尼摩擦?xí)?duì)系統(tǒng)的快速響應(yīng)性產(chǎn)生不利影響。（4）如果機(jī)械系統(tǒng)剛度低而質(zhì)量大，則系統(tǒng)的固有頻率較低，此時(shí)應(yīng)增大系統(tǒng)的黏性摩擦阻尼，以減小振幅和衰減振動(dòng)。剛度剛度是使彈性體產(chǎn)生單位變形量所需的作用力，包括構(gòu)件產(chǎn)生各種基本變形時(shí)的剛度和兩接觸面的接觸剛度。（1）機(jī)械系統(tǒng)的剛度對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的主要影響失動(dòng)量。系統(tǒng)剛度越大，因靜摩擦力作用所產(chǎn)生的傳動(dòng)部件的彈性變形越小，系統(tǒng)的失動(dòng)量也越小。固有頻率。機(jī)械系統(tǒng)剛度越大，固有頻率越高，可遠(yuǎn)離控制系統(tǒng)或驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的頻帶寬度，從而避免產(chǎn)生共振。穩(wěn)定性。剛度對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大影響，提高剛度可增加閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（2）拉壓剛度的計(jì)算絲杠螺母機(jī)構(gòu)的拉壓剛度由絲杠構(gòu)件的拉壓剛度、絲杠螺母間的接觸剛度及絲杠軸承的支承三部分組成。絲杠的拉壓剛度與絲杠的幾何尺寸和軸向支承的形式有關(guān)。一端軸向支承的絲杠。在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)，工作臺(tái)位置的變化使絲杠的受力部位也發(fā)生相應(yīng)變化，當(dāng)工作臺(tái)位于距絲杠軸向支承端最遠(yuǎn)的位置時(shí)，絲杠的全部工作長(zhǎng)度都將受力，此時(shí)絲杠的拉壓剛度取最小值。兩端軸向支承的絲杠?？梢?jiàn)，絲杠采用兩端軸向支承形式時(shí)，其最小拉壓剛度是一端軸向支承的4倍。絲杠軸承的支承剛度與所采用的軸承類(lèi)型、軸承結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)軸承有預(yù)緊時(shí)，其支承剛度應(yīng)為無(wú)預(yù)緊時(shí)的兩倍。絲杠螺母的軸向接觸剛度與絲杠螺母副的尺寸和結(jié)構(gòu)有關(guān)，絲杠螺母的預(yù)緊可提高軸向接觸剛度。以上兩剛度數(shù)值均可從產(chǎn)品樣本中查得。（3）絲杠扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算傳動(dòng)精度（1）傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差分析機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)傳動(dòng)精度的誤差可分為傳動(dòng)誤差和回程誤差兩種。傳動(dòng)誤差傳動(dòng)誤差是指輸入軸單向回轉(zhuǎn)時(shí)，輸出軸轉(zhuǎn)角的實(shí)際值相對(duì)于理論值的變動(dòng)量。由于傳動(dòng)誤差的存在，使輸出軸的運(yùn)動(dòng)時(shí)而超前，時(shí)而滯后。若傳動(dòng)裝置各組成零部件（齒輪、軸、軸承或箱體）的制造和裝配絕對(duì)準(zhǔn)確，同時(shí)又忽略使用過(guò)程中的溫度變形和彈性變形，則在傳動(dòng)過(guò)程中輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入軸轉(zhuǎn)角之間應(yīng)符合如下關(guān)系：此時(shí)，輸入軸若均勻回轉(zhuǎn)，則輸出軸亦均勻回轉(zhuǎn)；輸入軸若反向回轉(zhuǎn)，則輸出軸亦無(wú)滯后地立即反向回轉(zhuǎn)。實(shí)際上，各組成零部件不可能制造和裝配得絕對(duì)準(zhǔn)確，而且在使用過(guò)程中還會(huì)存在溫度變形和彈性變形，因此，在傳動(dòng)過(guò)程中，輸出軸的轉(zhuǎn)角總會(huì)存在誤差。回程誤差回程誤差是與傳動(dòng)誤差既有聯(lián)系又有區(qū)別的另一類(lèi)誤差。回程誤差可以是當(dāng)輸入軸由正向回轉(zhuǎn)變?yōu)榉聪蚧剞D(zhuǎn)時(shí)，輸出軸在轉(zhuǎn)角上的滯后量，也可把它理解成輸入軸固定時(shí)，輸出軸可以任意轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)角量?；爻陶`差使輸出軸不能立即隨著輸入軸反向回轉(zhuǎn)，即反向回轉(zhuǎn)時(shí)輸出軸產(chǎn)生滯后運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)誤差和回程誤差對(duì)機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)性能的影響，隨其在系統(tǒng)中所處的位置不同而不同。（2）減小傳動(dòng)誤差的措施減小傳動(dòng)誤差、提高傳動(dòng)精度的結(jié)構(gòu)措施有：適當(dāng)提高零部件本身的精度；合理設(shè)計(jì)傳動(dòng)鏈，減少零部件制造、裝配誤差對(duì)傳動(dòng)精度的影響；采用消隙機(jī)構(gòu)，以減少或消除回程誤差。①提高零部件本身的精度。提高零部件本身的精度即提高各傳動(dòng)零部件本身的制造和裝配精度。傳動(dòng)裝置的輸出軸與負(fù)載軸之間的聯(lián)軸器本身的精度，對(duì)傳動(dòng)精度的影響也很顯著，要予以足夠的重視。②合理設(shè)計(jì)傳動(dòng)鏈。A.合理選擇傳動(dòng)形式。在傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)中，各種不同形式的傳動(dòng)達(dá)到的精度是不同的。一般來(lái)說(shuō)，圓柱直齒輪與斜齒輪機(jī)構(gòu)的精度較高，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)次之，而圓錐齒輪較差。在行星齒輪機(jī)構(gòu)中，諧波齒輪精度最高，漸開(kāi)線行星齒輪機(jī)構(gòu)、少齒差行星齒輪機(jī)構(gòu)次之，擺線針輪行星齒輪機(jī)構(gòu)則較差。B.合理確定傳動(dòng)級(jí)數(shù)和分配各級(jí)傳動(dòng)比。減少傳動(dòng)級(jí)數(shù)，可減少零件數(shù)量，也就減少了產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié)。因此，在滿足使用要求的條件下，應(yīng)盡可能減少傳動(dòng)級(jí)數(shù)。對(duì)減速傳動(dòng)鏈來(lái)說(shuō)，各級(jí)傳動(dòng)比宜從高速級(jí)開(kāi)始逐級(jí)遞增，且在結(jié)構(gòu)空間允許的前提下，盡量提高末級(jí)傳動(dòng)比。一般來(lái)說(shuō)，減速傳動(dòng)采用大的傳動(dòng)比，可使從動(dòng)輪半徑增大，從而提高角值精度。C.合理布置傳動(dòng)鏈。在減速傳動(dòng)中，精度較低的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（如圓錐齒輪機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)）應(yīng)布置在高速軸上，這樣可減小低速軸上的誤差。圖2-6是齒輪和蝸輪蝸桿兩個(gè)傳動(dòng)鏈方案的比較。在（a）方案中，A為主動(dòng)，D為從動(dòng)；在（b）方案中，C為主動(dòng)，B為從動(dòng)。圖2-6傳動(dòng)鏈布置方案（a）合理分配；（b）不合理分配顯然，（a）方案要比（b）方案好。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)要求減小由于傳動(dòng)零件的制造、裝配誤差所引起的從動(dòng)軸的角值誤差時(shí)，應(yīng)在從動(dòng)軸之前選用減速鏈，因?yàn)檫@樣可使各項(xiàng)誤差對(duì)從動(dòng)輪的影響經(jīng)過(guò)減速環(huán)節(jié)而縮小。采用消隙機(jī)構(gòu)消隙機(jī)構(gòu)可有效地減小或消除傳動(dòng)中的回程誤差。在機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)中，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的消隙方法有很多種，常用的齒輪機(jī)構(gòu)和螺旋機(jī)構(gòu)的消隙方法詳見(jiàn)本章齒輪傳動(dòng)和螺旋傳動(dòng)部分的內(nèi)容。2.2.2螺旋傳動(dòng)螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)又稱(chēng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)，主要用來(lái)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，有以傳遞能量為主的（如螺旋壓力機(jī)、千斤頂?shù)龋?，也有以傳遞運(yùn)動(dòng)為主的（如機(jī)床工作臺(tái)的進(jìn)給絲杠），還有調(diào)整零件之間相對(duì)位置的螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。根據(jù)絲杠和螺母相對(duì)運(yùn)動(dòng)的組合情況，其基本傳動(dòng)形式有圖2-7所示的4種類(lèi)型。圖2-7螺旋傳動(dòng)的基本傳動(dòng)形式螺母固定、絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng)。如圖2-7（a）所示，該傳動(dòng)形式因螺母本身起支承作用，從而消除了絲杠軸承可能產(chǎn)生的附加軸向竄動(dòng)，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，可獲得較高的傳動(dòng)精度，但其軸向尺寸不易太長(zhǎng)，剛性較差，因此只適用于行程較小的場(chǎng)合。絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)、螺母移動(dòng)。如圖2-7（b）所示，該傳動(dòng)形式需要限制螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)，故需導(dǎo)向裝置，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、絲杠剛性較好，適用于工作行程較大的場(chǎng)合。螺母轉(zhuǎn)動(dòng)、絲杠移動(dòng)。如圖2-7（c）所示，該傳動(dòng)形式需要限制螺母的移動(dòng)和絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，由于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且占用軸向空間較大，故應(yīng)用較少。絲杠固定、螺母轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng)。如圖2-7（d）所示，該傳動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，但在多數(shù)情況下使用極不方便，故很少應(yīng)用。滾珠螺旋傳動(dòng)與滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)或其他直線運(yùn)動(dòng)副相比，有下列特點(diǎn)：傳動(dòng)效率高。一般滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率可達(dá)90%-95%，耗費(fèi)能量?jī)H為滑動(dòng)絲杠的1/30。運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。滾動(dòng)摩擦系數(shù)接近常數(shù)，啟動(dòng)與工作摩擦力矩差別很小。啟動(dòng)時(shí)無(wú)沖擊，預(yù)緊后可消除間隙產(chǎn)生過(guò)盈量，從而提高接觸剛度和傳動(dòng)精度。工作壽命長(zhǎng)。滾珠絲杠螺母副的摩擦表面為高硬度（HRC58?62）、高精度，具有較長(zhǎng)的工作壽命和精度保持性。其壽命約為滑動(dòng)絲杠副的4-10倍以上。定位精度和重復(fù)定位精度高。由于滾珠絲杠副摩擦小、溫升小、無(wú)爬行、無(wú)間隙，通過(guò)預(yù)緊進(jìn)行預(yù)拉伸以補(bǔ)償熱膨脹，因此可達(dá)到較高的定位精度和重復(fù)定位精度。同步性好。用多套相同的滾珠絲杠副同時(shí)傳動(dòng)幾個(gè)相同的運(yùn)動(dòng)部件，可得到較好的同步運(yùn)動(dòng)?？煽啃愿?。潤(rùn)滑密封裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便。不能自鎖。垂直傳動(dòng)時(shí)，必須在系統(tǒng)中附加自鎖或制動(dòng)裝置。制造工藝復(fù)雜。滾珠絲杠和螺母等零件的加工精度、表面粗糙度要求高，故制造成本較高。滾珠絲杠副的工作原理與結(jié)構(gòu)滾珠絲杠副外觀如圖2-8所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成如圖2-9所示。滾珠絲杠副主要由絲杠3、螺母2、滾珠4和反向器（滾珠循環(huán)反向裝置）1四部分組成。絲杠和螺母的螺紋滾道間裝有承載滾珠，滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)使?jié)L珠在螺母滾道內(nèi)循環(huán)。當(dāng)絲杠或螺母轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，絲杠與螺母之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦。為防止?jié)L珠從滾道中滾出，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有回程引導(dǎo)裝置，它們與螺紋滾道形成循環(huán)回路。滾珠絲杠副中滾珠的循環(huán)方式有內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種。（1）內(nèi)循環(huán)如圖2-10所示，內(nèi)循環(huán)方式的滾珠在循環(huán)過(guò)程中始終與絲杠表面保持接觸，在螺母的側(cè)面孔內(nèi)裝有接通相鄰滾道的反向器，利用反向器引導(dǎo)滾珠越過(guò)絲杠的螺紋頂部進(jìn)入相鄰滾道，形成一個(gè)循環(huán)回路。同一螺母上一般裝有2-4個(gè)滾珠用反向器，并沿螺母圓周均勻分布。內(nèi)循環(huán)方式的優(yōu)點(diǎn)是滾珠循環(huán)的回路短，流暢性好，效率高，螺母的徑向尺寸較??；其不足之處是反向器加工困難，裝配調(diào)整也不方便。圖2-8滾珠絲杠副外觀圖圖2-9滾珠絲杠副內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成（2）外循環(huán)外循環(huán)方式中的滾珠在循環(huán)反向時(shí)，離開(kāi)絲杠螺紋滾道，在螺母體內(nèi)或體外作循環(huán)運(yùn)動(dòng)。從結(jié)構(gòu)上看，外循環(huán)有以下3種形式，即螺旋槽式（如圖2-11所示）、端蓋式（如圖2-12所示）和插管式（如圖2-13所示）。圖2-10內(nèi)循環(huán)式絲杠螺母結(jié)構(gòu)1一絲杠；2一螺母；3一滾珠；4一反向器圖2-12端蓋式外循環(huán)絲杠螺母結(jié)構(gòu)圖2-11螺旋槽式外循環(huán)絲杠螺母結(jié)構(gòu)1一套筒；2一螺母；3一滾珠；4一擋珠器；5

一絲杠圖2-13插管式外循環(huán)絲杠螺母結(jié)構(gòu)滾珠絲杠副間隙的調(diào)整和預(yù)緊滾珠絲杠副除了要求其自身在單一方向的傳動(dòng)精度外，對(duì)其軸向間隙也有嚴(yán)格要求，以保證其反向傳動(dòng)精度。滾珠絲杠副的軸向間隙是在承載時(shí)由于滾珠與滾道型面接觸點(diǎn)的彈性變形所引起的螺母位移量和螺母原有間隙的總和。通常，可采用雙螺母預(yù)緊和單螺母（適于大滾珠、大導(dǎo)程）兩種方法將彈性變形控制在最小限度內(nèi)，以減小或消除軸向間隙，并可提高滾珠絲杠副的剛度。目前制造的單螺母式滾珠絲杠副的軸向間隙可達(dá)0.05皿山，而雙螺母式滾珠絲杠副經(jīng)加預(yù)緊力調(diào)整后基本上能消除軸向間隙。（1）雙螺母預(yù)緊原理常用的雙螺母消除軸向間隙的結(jié)構(gòu)形式有3種：螺紋調(diào)隙式、雙螺母墊片調(diào)隙式和齒差調(diào)隙式。螺紋調(diào)隙式如圖2-14所示，雙螺母中一個(gè)外端有凸緣，一個(gè)外端無(wú)凸緣，但制有螺紋，它伸出套筒外用兩個(gè)螺母固定鎖緊，并用鍵來(lái)防止兩螺母相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)圓螺母可調(diào)整、消除間隙并產(chǎn)生預(yù)緊力，之后再用鎖緊螺母鎖緊。該種形式結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，調(diào)整方便，但不能進(jìn)行很精確的調(diào)整。圖2-14雙螺母螺紋預(yù)緊調(diào)隙式l一鎖緊螺母；2一圓螺母；3一帶凸緣的螺母；4一無(wú)凸緣螺母雙螺母墊片調(diào)隙式該預(yù)緊方法如圖2-15所示，在兩個(gè)螺母之間加墊片來(lái)消除絲杠和螺母之間的間隙，根據(jù)墊片厚度不同可分成兩種形式，當(dāng)墊片厚度較厚時(shí)即產(chǎn)生”預(yù)拉應(yīng)力”，當(dāng)墊片厚度較薄時(shí)即產(chǎn)生”預(yù)壓應(yīng)力”，以消除軸向間隙。齒差調(diào)隙式如圖2-16所示，在兩個(gè)螺母的凸緣上各制有圓柱外齒輪，分別與內(nèi)齒圈嚙合，內(nèi)齒圈用螺釘或定位銷(xiāo)固定在套筒上。調(diào)整時(shí)，先取下兩端的內(nèi)齒圈，使兩螺母產(chǎn)生相對(duì)角位移，相應(yīng)地產(chǎn)生軸向相對(duì)位移，從而使兩螺母中的滾珠分別緊貼在螺旋滾道兩個(gè)相反的側(cè)面上，然后將內(nèi)齒圈復(fù)位固定，故而達(dá)到消除間隙、產(chǎn)生預(yù)緊力的目的?？梢?jiàn)，該種形式的調(diào)整精度很高，而且工作可靠，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工和裝配工藝性較差。圖2-15雙螺母墊片預(yù)緊原理圖2-16齒差調(diào)隙式的滾珠絲杠副（2）單螺母預(yù)緊原理單螺母消隙常用增大滾珠直徑法和偏置導(dǎo)程法兩種預(yù)緊方法。增大滾珠直徑法如圖2-17所示，為了補(bǔ)償滾道間隙，設(shè)計(jì)時(shí)可將滾珠的尺寸適當(dāng)增大，使其4點(diǎn)接觸，產(chǎn)生預(yù)緊力，另外，為了提高工作性能，可以在承載滾珠之間加入間隔鋼球。圖2-17增大滾珠直徑法單螺母預(yù)緊原理偏置導(dǎo)程法偏置導(dǎo)程法原理如圖2-18所示，僅僅是在螺母中部將其導(dǎo)程增加一個(gè)預(yù)壓量，就可達(dá)到預(yù)緊的目的。圖2-18偏置導(dǎo)程法單螺母預(yù)緊原理滾珠絲杠副的參數(shù)滾珠絲杠副的安裝絲杠的軸承組合及軸承座、螺母座以及其他零件的連接剛性，對(duì)滾珠絲杠副傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度和精度都有很大影響，需在設(shè)計(jì)、安裝時(shí)認(rèn)真考慮。為了提高軸向剛度，絲杠支承常用推力軸承為主的軸承組合，僅當(dāng)軸向載荷很小時(shí)，才用向心推力軸承。表2-4中列出了滾珠絲杠副的4種典型支承方式及其特點(diǎn)。表2-4滾珠絲杠副的4種典型支承方式及其特點(diǎn)另外，滾珠絲杠副工作時(shí)會(huì)因受熱（摩擦及其他熱源）而伸長(zhǎng)，對(duì)于采用第一種支承方式的預(yù)緊軸承將會(huì)引起卸載，甚至產(chǎn)生軸向間隙，此時(shí)與第三種和第四種支承方式類(lèi)似。第二種為高剛度、高精度的支承方式，更適宜于精密絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)。第三種、第四種方案因其費(fèi)用較低廉，常用于普通機(jī)械中，并分別適用于長(zhǎng)、短絲杠副。滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算（1）絲杠副的計(jì)算載荷。（2）計(jì)算額定動(dòng)載荷。（3）根據(jù)額定動(dòng)載荷在滾珠絲杠系列中選擇所需要的規(guī)格，并使所選規(guī)格的絲杠副的額定動(dòng)載荷大于計(jì)算額定動(dòng)載荷。（4）驗(yàn)算傳動(dòng)效率、剛度及工作穩(wěn)定性，如不滿足要求，則應(yīng)另選其他型號(hào)并重新驗(yàn)算。（5）對(duì)于低速傳動(dòng)，只按額定靜載荷計(jì)算即可。2.2.3齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)部件是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變換器。由于齒輪傳動(dòng)的瞬時(shí)傳動(dòng)比為常數(shù)，并具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)精確、強(qiáng)度大、能承受重載、摩擦小和效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以在機(jī)電一體化產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是一個(gè)力矩變換器，其輸入量為電動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩，而輸出量則為低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩。因此，不但要求齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)要有足夠的剛度，還要求其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡量小，以便在獲得同一加速度時(shí)所需轉(zhuǎn)矩最小，即在同一驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，其加速度響應(yīng)為最大。此外，齒輪副的嚙合間隙會(huì)造成不明顯的傳動(dòng)死區(qū)。在閉環(huán)系統(tǒng)中，傳動(dòng)死區(qū)能使系統(tǒng)以1-5倍的間隙角產(chǎn)生低頻振蕩，為此，要采用消隙裝置，以提高傳動(dòng)精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本節(jié)將重點(diǎn)介紹齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中傳動(dòng)比的選擇及其分配、齒輪機(jī)構(gòu)的消隙措施和諧波齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)比的最佳選擇及其分配常用的齒輪減速裝置有一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)等傳動(dòng)形式，如圖2-20所示。設(shè)計(jì)齒輪系統(tǒng)時(shí)，傳動(dòng)比應(yīng)滿足驅(qū)動(dòng)部件與負(fù)載之間位移及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的匹配要求，為滿足傳動(dòng)的快速響應(yīng)性，提高傳動(dòng)精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)選擇最佳傳動(dòng)比并實(shí)現(xiàn)各級(jí)傳動(dòng)比合理分配。圖2-20常用的減速裝置傳動(dòng)形式（a）一級(jí)傳動(dòng)（反向）；（b）二級(jí)傳動(dòng)；（c）三級(jí)傳動(dòng)；（d）一級(jí)傳動(dòng)（同向）（1）齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的總傳動(dòng)比由于負(fù)載特性和工作條件的不同，最佳傳動(dòng)比有多種選擇方法。在伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的傳動(dòng)系統(tǒng)中，常采用使負(fù)載加速度最大的方法，即首先把傳動(dòng)系統(tǒng)中的工作負(fù)載、慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載綜合為系統(tǒng)的總負(fù)載，負(fù)載綜合時(shí)，要轉(zhuǎn)化到電動(dòng)機(jī)軸上成為綜合負(fù)載轉(zhuǎn)矩。使等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩最小或負(fù)載加速度最大的總傳動(dòng)比，即為最佳總傳動(dòng)比。（2）各級(jí)傳動(dòng)比的最佳分配原則齒輪系統(tǒng)的總傳動(dòng)比確定后，根據(jù)對(duì)傳動(dòng)鏈的技術(shù)要求，選擇傳動(dòng)方案，使驅(qū)動(dòng)部件和負(fù)載之間的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速達(dá)到合理匹配。在總傳動(dòng)比較大時(shí)，若采用單級(jí)傳動(dòng)，雖然可簡(jiǎn)化傳動(dòng)系統(tǒng)，但大齒輪的尺寸增大會(huì)使整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的輪廓尺寸變大。為了使減速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，滿足動(dòng)態(tài)性能和提高傳動(dòng)精度的要求，可采用多級(jí)傳動(dòng)，此時(shí)，應(yīng)首先確定傳動(dòng)級(jí)數(shù)，然后對(duì)各級(jí)傳動(dòng)比進(jìn)行合理的分配。針對(duì)系統(tǒng)的不同要求，常用的分配原則有：等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則、質(zhì)量最輕原則和輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則。等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則按此原則計(jì)算的各級(jí)傳動(dòng)比是按”先小后大”的次序分配的，故可使其結(jié)構(gòu)緊湊。大功率傳動(dòng)裝置傳遞的轉(zhuǎn)矩大，各級(jí)齒輪副的模數(shù)、齒寬、直徑等參數(shù)逐級(jí)增加，上述的假定不適用，故其計(jì)算公式不能通用，但是，其分配次序則仍應(yīng)符合”先小后大”的原則。質(zhì)量最輕原則對(duì)于小功率傳動(dòng)系統(tǒng)，使各級(jí)傳動(dòng)比即可使傳動(dòng)裝置的質(zhì)量最輕。由于這個(gè)結(jié)論是在假定各主動(dòng)小齒輪模數(shù)、齒數(shù)均相同的條件下導(dǎo)出的，故所有大齒輪的齒數(shù)、模數(shù)也相同，每級(jí)齒輪副的中心距離也相同。上述結(jié)論對(duì)于大功率傳動(dòng)系統(tǒng)是不適用的，因其傳遞扭矩大，故要考慮齒輪模數(shù)、齒輪齒寬等參數(shù)逐級(jí)增加的情況，此時(shí)應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、類(lèi)比方法以及結(jié)構(gòu)緊湊之要求進(jìn)行綜合考慮。各級(jí)傳動(dòng)比一般應(yīng)以”先大后小”的原則進(jìn)行處理。輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則為了提高機(jī)電一體化系統(tǒng)中齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞運(yùn)動(dòng)的精度，各級(jí)傳動(dòng)比應(yīng)按”先小后大”的原則分配，以便降低齒輪的加工誤差、安裝誤差以及回轉(zhuǎn)誤差對(duì)輸出轉(zhuǎn)角精度的影響。綜上所述，在設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)上述原則并結(jié)合實(shí)際情況的可行性和經(jīng)濟(jì)性對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、結(jié)構(gòu)尺寸和傳動(dòng)精度提出適當(dāng)要求，具體講有以下幾點(diǎn)：①對(duì)于要求體積小、質(zhì)量輕的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)可用質(zhì)量最輕原則。②對(duì)于要求運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、啟停頻繁和動(dòng)態(tài)性能好的伺服系統(tǒng)的減速齒輪系，可按等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小和總轉(zhuǎn)角誤差最小的原則來(lái)處理。③對(duì)于以提高傳動(dòng)精度和減小回程誤差為主的傳動(dòng)齒輪系，可按總轉(zhuǎn)角誤差最小原則。④對(duì)以較大傳動(dòng)比傳動(dòng)的齒輪系，往往需要將定軸輪系和行星輪系巧妙地結(jié)合為混合輪系。⑤對(duì)于傳動(dòng)比相當(dāng)大并且要求傳動(dòng)精度與傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)、體積小、質(zhì)量輕的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，可選用新型的諧波齒輪傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)的消隙機(jī)構(gòu)齒輪傳動(dòng)中齒側(cè)間隙的存在，不僅會(huì)影響機(jī)電一體化系統(tǒng)的傳動(dòng)精度，而且還會(huì)在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中引起嚴(yán)重的噪聲。因此，對(duì)于機(jī)電一體化的齒輪傳動(dòng)，一般要求采取措施消除齒側(cè)間隙。圓柱齒輪傳動(dòng)側(cè)隙的調(diào)整有偏心套（軸）調(diào)整法、雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法、軸向墊片調(diào)整法等多種方法。斜齒輪和齒輪齒條傳動(dòng)也各自有相應(yīng)的調(diào)隙措施。（1）圓柱齒輪傳動(dòng)偏心套（軸）調(diào)整法軸向墊片調(diào)整法雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法（2）斜齒輪傳動(dòng)消除斜齒輪傳動(dòng)齒輪側(cè)隙的方法與上述錯(cuò)齒調(diào)整法基本相同，也是用兩個(gè)薄片齒輪與一個(gè)寬齒輪嚙合，只是在兩個(gè)薄片斜齒輪的中間隔開(kāi)了一小段距離，這樣它的螺旋線使錯(cuò)開(kāi)了，如圖2-27所示。圖（a）是薄片錯(cuò)齒調(diào)整機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但調(diào)整較費(fèi)時(shí)，且齒側(cè)間隙不能自動(dòng)補(bǔ)償；圖（b）是軸向壓簧錯(cuò)齒調(diào)整機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是齒側(cè)間隙可以自動(dòng)補(bǔ)償，但軸向尺寸較大，結(jié)構(gòu)欠緊湊。（3）齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，對(duì)于大行程傳動(dòng)機(jī)構(gòu)往往采用齒輪齒條傳動(dòng)，因?yàn)槠鋭偠?、精度和工作性能不?huì)因行程增大而明顯降低，但它與其他齒輪傳動(dòng)一樣，也存在齒側(cè)間隙，所以應(yīng)采取消隙措施。當(dāng)傳動(dòng)負(fù)載小時(shí)，可采用雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法，使兩片薄齒輪的齒側(cè)分別緊貼齒條齒槽的兩個(gè)相應(yīng)側(cè)面，以消除齒側(cè)間隙。當(dāng)傳動(dòng)負(fù)載大時(shí)，可采用雙齒輪調(diào)整法。譜波齒輪傳動(dòng)諧波傳動(dòng)是建立在彈性變形理論基礎(chǔ)上的一種新型傳動(dòng)，它的出現(xiàn)為機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)帶來(lái)了重大突破。諧波齒輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)比范圍大（幾十至幾百）、傳動(dòng)精度高、回程誤差小、噪聲低、傳動(dòng)平穩(wěn)、承載能力強(qiáng)、效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，故在電子、工業(yè)機(jī)器人、航空、航天等機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，另外，由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在化工行業(yè)的應(yīng)用也逐漸增多。（1）工作原理（2）諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比計(jì)算諧波齒輪傳動(dòng)比的計(jì)算與行星齒輪輪系傳動(dòng)比的計(jì)算相類(lèi)似，即：當(dāng)柔輪固定時(shí)，Wr=0，則：當(dāng)剛輪固定時(shí)，Wg=0，則：（3）諧波齒輪減速器的標(biāo)記及選用諧波減速器在國(guó)內(nèi)于20世紀(jì)六七十年代才開(kāi)始研制，目前已有不少?gòu)S家專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)，并形成系列化。不同廠家的標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)不盡相同，以XB1型通用諧波減速器為例，其標(biāo)記代號(hào)如圖2-32所示。諧波齒輪減速器的選用原則如下：標(biāo)準(zhǔn)諧波減速器的技術(shù)參數(shù)如表2-10所示，選型時(shí)需確定以下3項(xiàng)參數(shù)：傳動(dòng)比或輸出轉(zhuǎn)速（r/min）、減速器輸入功率（kW）和額定輸入轉(zhuǎn)速（r/min）。如果減速器的輸入轉(zhuǎn)速是可調(diào)的，則在選用減速器型號(hào)時(shí)應(yīng)分別確定：工作條件為“恒功率”時(shí)，按最低轉(zhuǎn)速選用機(jī)型；工作條件為”恒扭矩”時(shí)，按最高轉(zhuǎn)速選用機(jī)型。減速器輸入功率PCI與輸出扭矩的計(jì)算式為：減速器輸出軸裝有齒輪、鏈輪、三角皮帶輪及平皮帶輪時(shí)，需要校驗(yàn)軸伸的懸臂負(fù)荷，校驗(yàn)公式為：如減速器使用在有可能發(fā)生過(guò)載的工作場(chǎng)合，則應(yīng)安裝過(guò)載保護(hù)裝置。2.2.4同步帶傳動(dòng)同步帶傳動(dòng)（如圖2-33所示）早在1900年就已有人研究并多次提出專(zhuān)利，但其實(shí)用化卻是在第二次世界大戰(zhàn)以后。由于同步帶是一種兼有鏈、齒輪、三角膠帶優(yōu)點(diǎn)的傳動(dòng)零件，隨著第二次大戰(zhàn)后工業(yè)的發(fā)展而得到重視，并于1940年由美國(guó)尤尼羅爾橡膠公司首先開(kāi)發(fā)。1946年，辛加公司把同步帶用于縫紉機(jī)針和纏線管的同步傳動(dòng)上，取得了顯著效益，隨后被逐漸引用到其他機(jī)械傳動(dòng)上。同步帶傳動(dòng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，至今已在各方面取得迅速進(jìn)展。同步帶傳動(dòng)概述（1）同步帶傳動(dòng)的分類(lèi)①按用途分類(lèi)按用途不同同步帶傳動(dòng)可分為一般工業(yè)用同步帶傳動(dòng)、高轉(zhuǎn)矩同步帶傳動(dòng)、特種規(guī)格的同步帶傳動(dòng)和特殊用途的同步帶傳動(dòng)。A.一般工業(yè)用同步帶傳動(dòng)，即梯形齒同步帶傳動(dòng)（如圖2-34所示），主要用于中、小功率的同步帶傳動(dòng)，如各種儀器、計(jì)算機(jī)、輕工機(jī)械中均采用這種同步帶傳動(dòng)。B.高轉(zhuǎn)矩同步帶傳動(dòng)，又稱(chēng)HTDCHighTorqueDrive）帶或STPD（SuperTorquePositiveDrive）帶傳動(dòng)，由于其齒形呈圓弧狀（如圖2-35所示），所以在我國(guó)通稱(chēng)為圓弧齒同步帶傳動(dòng)，主要用于重型機(jī)械的傳動(dòng)中，如運(yùn)輸機(jī)械（飛機(jī)、汽車(chē)）石油機(jī)械和機(jī)床、發(fā)電機(jī)等的傳動(dòng)。C.特種規(guī)格的同步帶傳動(dòng)是根據(jù)某種機(jī)器的特殊需要而采用的特種規(guī)格的同步帶傳動(dòng)，如工業(yè)縫紉機(jī)和汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)用的同步帶傳動(dòng)。D.特殊用途的同步帶傳動(dòng)即為適應(yīng)特殊工作環(huán)境而制造的同步帶。②按規(guī)格制度分類(lèi)A.模數(shù)制。即同步帶的主要參數(shù)是模數(shù)m（與齒輪相同），根據(jù)不同的模數(shù)值來(lái)確定帶的型號(hào)及結(jié)構(gòu)參數(shù)。B.節(jié)距制。即同步帶的主要參數(shù)是帶齒節(jié)距，節(jié)距大小不同，相應(yīng)帶、輪的結(jié)構(gòu)尺寸也不同。由于節(jié)距制來(lái)源于英、美，所以其計(jì)量單位為英制或經(jīng)換算的公制單位。C.DIN米制節(jié)距。DIN米制節(jié)距是德國(guó)同步帶傳動(dòng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定的規(guī)格制度，其主要參數(shù)為齒節(jié)距，但標(biāo)準(zhǔn)節(jié)距數(shù)值不同于ISO節(jié)距制，計(jì)量單位為公制。（2）同步帶傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)工作時(shí)無(wú)滑動(dòng)，有精確的傳動(dòng)比。同步帶傳動(dòng)是一種暗合傳動(dòng)，雖然同步帶是彈性體，但由于其中承受負(fù)載的承載繩具有在拉力作用下不變長(zhǎng)的特性，故能保持帶節(jié)距不變，使同步帶與帶輪齒槽能正確嚙合，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)滑差的同步傳動(dòng)，獲得精確的傳動(dòng)比。傳動(dòng)效率高，節(jié)能效果好。由于同步帶作無(wú)滑動(dòng)的同步傳動(dòng)，故有較高的傳動(dòng)效率，一般可達(dá)0.98，與三角帶傳動(dòng)相比，節(jié)能效果明顯。傳動(dòng)比范圍大，結(jié)構(gòu)緊湊。同步帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比一般可達(dá)到10左右，而且在大傳動(dòng)比的情況下，其結(jié)構(gòu)比三角帶傳動(dòng)緊湊。維護(hù)保養(yǎng)方便，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低。由于同步帶中的承載繩采用伸長(zhǎng)率很小的玻璃纖維、鋼絲等材料制成，故在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中帶伸長(zhǎng)很小，不像蘭角帶、鏈傳動(dòng)等機(jī)構(gòu)那樣需經(jīng)常調(diào)整張緊力。此外，同步帶在運(yùn)轉(zhuǎn)中也不需要任何潤(rùn)滑，所以維護(hù)保養(yǎng)很方便，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用比三角帶、鏈和齒輪要低得多。惡劣環(huán)境條件下仍能正常工作。盡管同步帶傳動(dòng)與其他傳動(dòng)相比有以上優(yōu)點(diǎn)，但它對(duì)安裝時(shí)的中心距要求等方面極其嚴(yán)格，同時(shí)制造工藝復(fù)雜、制造成本高。同步帶的結(jié)構(gòu)和規(guī)格（1）同步帶的結(jié)構(gòu)如圖2-36所示，同步帶一般由承載繩、帶齒、帶背和包布層組成。工業(yè)中常用的同步帶帶輪外觀如圖2-37所示。（2）同步帶的規(guī)格型號(hào)根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T11616-1989和GB/T11362-1989，我國(guó)同步帶的型號(hào)及標(biāo)記方法分別如表2-13和圖2-38所示。同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算在正常工作條件下，同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是在不打滑的條件下應(yīng)保證同步帶的抗拉強(qiáng)度，在灰塵、雜質(zhì)較多的條件下應(yīng)保證帶齒具有一定的耐磨性。（1）確定帶的設(shè)計(jì)功率；（2）選擇帶型和節(jié)距；（3）確定帶輪齒數(shù)和節(jié)圓直徑；（4）確定同步帶的節(jié)線長(zhǎng)度、齒數(shù)及傳動(dòng)中心距；（5）校驗(yàn)同步帶和小帶輪的晴合齒數(shù)；（6）確定實(shí)際所需的同步帶寬度；（7）驗(yàn)算帶的工作能力。2.3機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)向執(zhí)行未端件提供動(dòng)力并帶動(dòng)它實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，即把傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞過(guò)來(lái)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力進(jìn)行必要的交換，以滿足執(zhí)行末端件的要求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)與電子、電器、光學(xué)、液體和氣體不斷結(jié)合，形成了較先進(jìn)的機(jī)電、機(jī)光和機(jī)液等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。2.3.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基本要求機(jī)電一體化產(chǎn)品的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)其主功能的重要環(huán)節(jié)，它應(yīng)能快速地完成預(yù)期動(dòng)作，并應(yīng)具有響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)性能好、動(dòng)靜態(tài)精度高和動(dòng)作靈敏度高的特點(diǎn)，另外，為便于計(jì)算機(jī)集中控制，它還應(yīng)有以下要求：慣量小、動(dòng)力大體積小、質(zhì)量輕便于維修和安裝2.3.2微動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)微動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一種能在一定范圍內(nèi)精確、微量地移動(dòng)到給定位置或?qū)崿F(xiàn)特定進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，它一般用于精確、微量地調(diào)節(jié)某些部件的相對(duì)位置。如在一些讀數(shù)系統(tǒng)中，利用微動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整刻度尺的零位；在磨床中，用螺旋微動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整砂輪架的微量進(jìn)給；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，各種微型手術(shù)器械均采用微動(dòng)機(jī)構(gòu)。微動(dòng)機(jī)構(gòu)按執(zhí)行件運(yùn)動(dòng)原理的不同可分為機(jī)械式、電氣一機(jī)械式、彈性變形式、熱變形式、磁致伸縮式和壓電式等多種形式，下面簡(jiǎn)要介紹熱變形式和磁致伸縮式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。熱變形式熱變形式執(zhí)行機(jī)構(gòu)屬于微動(dòng)機(jī)構(gòu)，該類(lèi)機(jī)構(gòu)利用電熱元件作為動(dòng)力源，電熱元件通電后產(chǎn)生的熱變形可實(shí)現(xiàn)微小位移。熱變形微動(dòng)機(jī)構(gòu)具有高剛度和無(wú)間隙的優(yōu)點(diǎn)，并可通過(guò)控制加熱電流來(lái)得到所需的微量位移；但由于熱慣性以及冷卻速度難以精確控制等原因，這種微動(dòng)系統(tǒng)只適用于行程較短、頻率不高的場(chǎng)合。磁致伸縮式磁致伸縮式機(jī)構(gòu)是利用某些材料在磁場(chǎng)作用下具有改變尺寸的磁致伸縮效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)微量位移的。2.3.3工業(yè)機(jī)械手末踹執(zhí)行器工業(yè)機(jī)械手是一種自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、多自由度的操作機(jī)，是能搬運(yùn)物料、工件或操作工具以及完成其他各種作業(yè)的機(jī)電一體化設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手未端執(zhí)行器裝在操作機(jī)械手腕的前端，是直接執(zhí)行操作功能的機(jī)構(gòu)。工業(yè)機(jī)械手末端執(zhí)行器因用途不同而結(jié)構(gòu)各異，主要有3大類(lèi)：機(jī)械夾持器、特種末端執(zhí)行器和萬(wàn)能手（或靈巧手）。機(jī)械夾持器機(jī)械夾持器是工業(yè)機(jī)械手中最常用的一種末端執(zhí)行器。圖2-41所示為教學(xué)型機(jī)器人中的機(jī)械夾持器。（1）機(jī)械夾持器應(yīng)具備的基本功能首先，機(jī)械夾持器應(yīng)具有夾持和松開(kāi)的功能。夾持器夾持工件時(shí)，應(yīng)有一定的力約束和形狀約束，以保證被夾工件在移動(dòng)、停留和裝入過(guò)程中不改變姿態(tài)；當(dāng)需要松開(kāi)工件時(shí)，應(yīng)完全松開(kāi)。另外，機(jī)械夾持器還應(yīng)保證工件夾持姿態(tài)再現(xiàn)幾何偏差在給定的公差帶內(nèi)。（2）機(jī)械夾持器的分類(lèi)和結(jié)構(gòu)形式機(jī)械夾持器常用壓縮空氣作動(dòng)力源，經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手指的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)手指夾持工件時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡的不同，機(jī)械夾持器可分為圓弧開(kāi)合型、圓弧平行開(kāi)合型和直線平行開(kāi)合型。圓弧開(kāi)合型這類(lèi)夾持器在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，手指指端的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓弧。圓弧平行開(kāi)合型這類(lèi)夾持器兩手指工作時(shí)作平行開(kāi)合運(yùn)動(dòng)，而指端運(yùn)動(dòng)軌跡為一圓弧。直線平衍開(kāi)合型這類(lèi)夾持器兩手指的運(yùn)動(dòng)軌跡為直線，且兩指夾持固始終保持平行。夾持器根據(jù)作業(yè)的需要形式繁多，有時(shí)為了抓取形體特別復(fù)雜的工件，還設(shè)計(jì)具有特種手指機(jī)構(gòu)的夾持器，如具有鋼絲繩滑輪機(jī)構(gòu)的多關(guān)節(jié)柔性手指夾持器、膨脹式橡膠手袋手指夾持右器^等。特種末端執(zhí)行器特種末端執(zhí)行器可供工業(yè)機(jī)器人完成某類(lèi)特定的作業(yè)，下面簡(jiǎn)單介紹其中的兩種。（1）真空吸附手工業(yè)機(jī)器人中常把真空吸附手與負(fù)壓發(fā)生器組成一個(gè)工作系統(tǒng)，控制電磁換向閥的開(kāi)合可實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的吸附和脫開(kāi)。真空吸附手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，且吸附作業(yè)具有一定的柔順性，這樣即使工件有尺寸偏差和位置偏差也不會(huì)影響吸附手的工作。它常用于小件搬運(yùn)，也可根據(jù)工件形狀、尺寸、質(zhì)量的不同將多個(gè)真空吸附手組合使用。（2）電磁吸附手電磁吸附手利用通電線圈的磁場(chǎng)對(duì)可磁化材料的作用力來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的吸附作用。它同樣具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，但其最特殊的特點(diǎn)是：吸附工件的過(guò)程是從不接觸工件開(kāi)始的，工件與吸附手接觸之前處于漂浮狀態(tài)，即吸附過(guò)程由極大的柔順狀態(tài)突變到低的柔順狀態(tài)。這種吸附手的吸附力是由通電線圈的磁場(chǎng)提供的，所以可用于搬運(yùn)較大的可磁化性材料的工件。靈巧手靈巧手是一種模仿人手制作的多指、多關(guān)節(jié)的機(jī)器人末端執(zhí)行器。它可以適應(yīng)物體外形的變化，對(duì)物體進(jìn)行任意方向、任意大小的夾持，可以滿足對(duì)任意形狀、不同材質(zhì)的物體進(jìn)行操作和抓持的要求，但其控制和操作系統(tǒng)技術(shù)難度較大。2.4機(jī)電一體化中的虛擬樣機(jī)技術(shù)虛擬樣機(jī)技術(shù)是近些年在開(kāi)發(fā)的CAX（如CAD，CAE，CAM等技術(shù)）和DFX［如DFA（DesignForAssembly，面向裝配的設(shè)計(jì)），DFM（DesignForManufacture，面向制造的設(shè)計(jì)）］等技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的綜合技術(shù)，它融合了現(xiàn)代信息技術(shù)、先進(jìn)仿真技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)，并將這些技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)全生命周期和全系統(tǒng)并對(duì)它們進(jìn)行綜合管理，進(jìn)而從系統(tǒng)的層面來(lái)分析復(fù)雜系統(tǒng)。虛擬樣機(jī)技術(shù)支持由上至下的復(fù)雜系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式。利用虛擬樣機(jī)代替物理樣機(jī)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)測(cè)試和評(píng)估，可縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高面向客戶與市場(chǎng)需求的能力。2.4.1虛擬樣機(jī)技術(shù)的內(nèi)容按照美國(guó)前MDI公司總裁RobertR.Ryan博士(MDI公司現(xiàn)已被MSC.Software公司收購(gòu))對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)的界定，虛擬樣機(jī)技術(shù)是面向系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的、應(yīng)用于基于仿真設(shè)計(jì)過(guò)程的技術(shù)，包含有數(shù)字化物理樣機(jī)(DigitalMock-Up，DMU)、功能虛擬樣機(jī)(FunctionalVirtualPrototyping，F(xiàn)VP)和虛擬工廠仿真(VirtualFactorySimulationVFS)3方面的內(nèi)容，如圖2-50所示。數(shù)字化物理樣機(jī)對(duì)應(yīng)于產(chǎn)品的裝配過(guò)程，用于快速評(píng)估組成產(chǎn)品的全部三維實(shí)體模型裝配件的形態(tài)特性和裝配性能；功能虛擬樣機(jī)對(duì)應(yīng)于產(chǎn)品的分析過(guò)程，用于評(píng)價(jià)已裝配系統(tǒng)的整體功能和操作性能；虛擬工廠仿真對(duì)應(yīng)于產(chǎn)品的制造過(guò)程，用于評(píng)價(jià)產(chǎn)品的制造性能。這三者在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(ProductDataManagement，PDM)系統(tǒng)或產(chǎn)品全生命周期管理(ProductLife-cycleManagement，PLM)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)集成。圖2-50虛擬樣機(jī)技術(shù)的內(nèi)容數(shù)字化物理樣機(jī)解決方案不同于以UC和CATIA為代表的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，它不是強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)，而是更重視物理樣機(jī)零部件的形態(tài)特性和系統(tǒng)裝配特性的數(shù)字化檢視。DMU充分利用鑲嵌式的三維零件實(shí)體造型技術(shù)，以增強(qiáng)對(duì)大型系統(tǒng)的快速顯示和瀏覽能力，實(shí)現(xiàn)造型、裝配、瀏覽、運(yùn)動(dòng)軌跡包絡(luò)、沖突檢測(cè)等功能，并有效支持協(xié)同設(shè)計(jì)、巡航瀏覽、干涉/碰撞檢測(cè)等。在與產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)集成的情況下，DMU還能提供有效的方法以保證產(chǎn)品的所有零部件都配合良好(Fit特性)，并顯示為所設(shè)計(jì)的形態(tài)(Form特性)。國(guó)外在這方面領(lǐng)導(dǎo)潮流的公司或產(chǎn)品主要有Tecoplan，EDS/VisMock-Up，Clams和Division等。功能虛擬樣機(jī)解決方案充分利用三維零件的實(shí)體模型和零件有限元模型的模態(tài)表示，在虛擬實(shí)驗(yàn)室或虛擬試驗(yàn)場(chǎng)的試驗(yàn)中精確地預(yù)測(cè)產(chǎn)品的操作性能，如運(yùn)動(dòng)/操縱性、振動(dòng)/噪聲、耐久性/疲勞、安全性/沖擊、工效學(xué)/舒適性等。在這方面居領(lǐng)先地位的主要產(chǎn)品有MSC/ADAMS，LMS/DADS等。虛擬工廠仿真解決方案對(duì)產(chǎn)品完整的制造和裝配過(guò)程進(jìn)行仿真，以解決產(chǎn)品制造和裝配過(guò)程中的公差、機(jī)器人、裝配和序列等問(wèn)題。在這方面突出的產(chǎn)品主要有TecnomatixleMPower，Deneb/QUEST(現(xiàn)為Delmia公司產(chǎn)品)。數(shù)字化物理樣機(jī)、功能虛擬樣機(jī)和虛擬工廠仿真聯(lián)合起來(lái)，可提供有效的方法，從而實(shí)現(xiàn)從實(shí)體物理樣機(jī)向軟件虛擬樣機(jī)的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而有效地支持虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。虛擬樣機(jī)技術(shù)的內(nèi)容如圖2-51所示。從20世紀(jì)70?80年代起，傳統(tǒng)意義上的CAD/CAE/CAM技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用階段，它們主要關(guān)注產(chǎn)品零部件的質(zhì)量和性能，通過(guò)采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程分析和制造過(guò)程控制軟件或工具，達(dá)到設(shè)計(jì)和制造高質(zhì)量零部件的目的。具體地說(shuō)，傳統(tǒng)的CAD技術(shù)基于三維實(shí)體幾何造型技術(shù)，支持產(chǎn)品零部件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和形態(tài)分析。傳統(tǒng)的CAE技術(shù)主要指應(yīng)用有限元軟件，完成產(chǎn)品零部件的結(jié)構(gòu)分析、熱分析、振動(dòng)特性等功能分析問(wèn)題。傳統(tǒng)的CAM技術(shù)旨在提高產(chǎn)品零部件的可制造性，以對(duì)機(jī)床、機(jī)器人等設(shè)備和鑄造過(guò)程、沖壓過(guò)程、鍛造加工等加工過(guò)程進(jìn)行更好的控制。圖2-51虛擬樣機(jī)技術(shù)的內(nèi)容在過(guò)去的幾十年里，傳統(tǒng)的CAD/CAE/CAM技術(shù)在主要的工業(yè)領(lǐng)域(汽車(chē)、航空、通用機(jī)械、機(jī)械電子等)得到了廣泛的應(yīng)用，并且取得了巨大的成效。以汽車(chē)工業(yè)來(lái)說(shuō)，在1995-1999年的5年時(shí)間里，零部件