这是一个关于机械传动零碎设计PPT，这节课次要是理解3.1 概述 3.2 传动机构 3.3 导向机构 3.4 执行机构等等引见。欢送点击下载机械传动零碎设计PPT哦。机电一体化产品中的机械零碎次要包括支承、传动、执行机构等，普通由加速安装、丝杠螺母副、涡轮涡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、轴系及机架等机构组成。
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机电零碎检测与控制 Measurement and Control in Mechatronics System 第三章 机械传动零碎 3.1 概述 3.2 传动机构 3.3 导向机构 3.4 执行机构 3.1 概 述 3.1.1 机电一体化对机械零碎的根本要求 机电一体化产品中的机械零碎次要包括支承、传动、执行机构等，普通由加速安装、丝杠螺母副、涡轮涡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、轴系及机架等机构组成。与普通的机械零碎相比，其特点是： （1）高精度。由于机电一体化产品在技术功能、工艺程度、功用上都要比普通的机械产品要求高，因而对机械零碎的精度提出了更高的要求。 3.1 概 述 （2）疾速呼应。机电一体化零碎中既有高速的信息处置单元，也有慢速的机械单元，若希望进步全体速度，就要求机械局部有更高的呼应速度。 （3）良好的波动性，抗搅扰才能强，环境顺应性好。 简言之，就是&ldquo稳、准、快&rdquo。此外，还须有较大的刚度、良好的牢靠性、分量轻、体积小、寿命长等要求。 3.1 概 述 为确保机械零碎的传动精度和任务波动性，在设计中常提出无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。为到达上述要求，次要从以下几方面采取措施： （1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件。如采用滚珠丝杠副、滚动导向支承、动（静）压导向支承等。 （2）延长传动链，简化主传动零碎的机械构造。主传动常采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副衔接，以增加两头传动环节。 3.1 概 述 （3）进步传动与支承刚度。如采用预加紧的办法进步滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动与支承刚度，丝杠的支承设计中采用二端轴向预紧或预拉伸支承构造等。 （4）选用最佳传动比，以到达进步零碎分辨率、增加到执行元件输入轴上的等效转动惯量，尽能够进步减速才能。 （5）减少反向死区误差。在进给传动中，一方面采用无间隙且增加摩擦的滚珠丝杠副，预加载荷的双齿轮齿条副等精细机构，另一方面采取消弭传动间隙、增加支承变形等措施。 3.1 概 述 （6）改良支承及架体的构造设计以进步刚性、增加振动、降低噪声。如选用复合资料等来进步刚度和强度、加重分量、减少体积，使构造严密化，以确保零碎的小型化、轻量化、高速化和高牢靠性。 3.1.2 机械零碎的次要组成 机电一体化零碎中的机械零碎通常由传动机构、支承与导向机构、执行机构及机架等组成。各机构辨别承当着不同的功用，有着不同的要求。 传动机构：次要完成转速、转矩的婚配，要求有良好的伺服功能。 支承与导向机构：次要起支承和导向作用，为机械零碎中各运动部件平安、精确地完成特定运动提供保证。 执行机构：完成详细的举措，要求有高的灵敏度、准确度和良好的反复性、牢靠性。 3.2 传动机构 3.2.1 传动机构的功能要求 机电一体化零碎中的传动机构通常采用滚珠丝杠副、精细齿轮副、挠性传动机构、间歇传动机构等。为取得良好的伺服功能，传动零碎应满足如下功能要求： 1.足够的刚度 所谓刚度，就是指抵抗变形的才能。对机械零碎来说，满足刚度要求具有如下优点： （1）增加机构弹性变形，从而增加伺服零碎的动力损失，可到达分明的节能效果。 （2）机械安装固有频率高，不易发生共振。 （3）能添加闭环伺服零碎的波动性。 3.2 传动机构 2.惯量小 在刚度满足要求的前提下，应尽量减小传动机构的质量和转动惯量。大惯量会使零碎的机*Ｊ增大，固有频率降低，从而使零碎负载大、呼应慢、灵敏度低，易发生谐振。 3.阻尼适中 大阻尼能抑制振动的最大振幅，且使振动疾速衰减，但同时也使零碎的稳态误差增大，精度降低，因而阻尼应适中。 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 1.滚珠丝杠副的任务原理 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 滚珠丝杠副的构造原理图 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 2.滚珠丝杠副的特点 滚珠丝杠副是滑动丝杠副的开展与延伸，属于螺旋机构。与滑动丝杠相比，滚珠丝杠具有以下特点： （1）传动效率高：以滚动摩擦替代了滑动摩擦，整个传动副的驱动力矩增加至滑动丝杠的1/3左右，传动效率到达90%以上，发热率大幅降低。 （2）定位精度高：由于发热率低，温升小，可以采取预拉伸（预紧）消弭轴向间隙等措施，因而滚珠丝杠副具有高的定位精度和反复定位精度。 （3）传动可逆性：可以完成两种传动方式，将旋转运动转化为直线运动或将直线运动转化为旋转运动并传递动力。 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 （4）运用寿命长：由于对丝杠滚道外形的精确性、外表硬度、资料的选择等方面加以严厉控制，因此滚珠丝杠副的实践寿命远高于滑动丝杠副。 （5）同步功能好：由于滚珠丝杠副具有运转顺滑、消弭了轴向间隙以及制造的分歧性等特点，因而，当采用多套滚珠丝杠副驱动同一安装或多个相反部件时，可取得很好的同步功能。 但是，与滑动丝杠副相比拟，滚珠丝杠副的缺陷是构造和制造工艺比拟复杂、本钱较高；另外，滚珠丝杠副不具有自锁性，尤其是垂直装置时需添加制动安装。 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 （1） 垫片调隙式。 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 3）资料 滚珠丝杠副中丝杠与螺母的资料普通与滚珠的资料相反，经过采用GCr15、GCr6、GCr9等，硬度为HRC60±2，而螺母应取下限。当需求特别高的耐磨性时，可以用20CrMnA、40CrMnA、38CrMoLlA、38CrWVAlA等合金钢制造。 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 4.滚珠丝杠副的次要参数及标注办法 1）次要参数 公称直径、根本导程、小径、大径、滚动体直径 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 2）标注办法 滚动螺旋副的型号由代号和数字组成，依据其构造、规格、精度等级、螺纹旋向等特征，不同的厂家的标注办法略有不同。 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 5.滚珠丝杠副的装置方式、制动与选用 1）滚珠丝杠副的装置方式 滚珠丝杠副的装置方式不同（支承方式不同），将影响到丝杠的轴向刚度和传动精度，各种装置方式各有优缺陷，应视不同需求而定，在设计装置时应仔细思索。为了进步轴向刚度，常用以止推轴承为主的轴承组合来支承丝杠，当轴向载荷较小时，也可用向心推力轴承来支承丝杠。常用轴承的组合方式有： 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 ①单推&mdash单推式：如图3－9所示，止推轴承辨别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧力。其特点是轴向刚度较高，预拉伸装置时预紧力较大；轴承寿命比双推&mdash双推式低。 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 ②双推&mdash双推式：如图3－10所示，两端装有止推轴承及向心轴承的组合，并施加预紧力，使其刚度最高。该方式合适于高刚度、高速度、高精度的精细丝杠传动零碎。由于任务时随着温度的降低会形成丝杠的预紧力增大，因此易形成两端支承的预紧力不对称。 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 ③双推&mdash简支式：一端装止推轴承，另一端装向心球轴承，轴向刚度不太高。运用时应留意增加丝杠热变形的影响。双推端可预拉伸装置，预紧力小，轴承寿命较长，适用于中速、精度较高的长丝杠传动零碎。 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 ④双推&mdash自在式：一端装止推轴承，另一端悬空。因其一端是自在形态，故轴向刚度和承载才能低，多用于轻载、低速的垂直装置丝杠传动零碎。 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 2）滚珠丝杠副的制动 滚珠丝杠副垂直装置时，无自锁作用，故须设置当驱动力中缀后避免被驱动部件因自重而发作逆传动的自锁或制动安装。滚珠丝杠副的制动可运用制动电机、逾越离合器或其他方式的制动安装。 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 3）滚珠丝杠副的选择办法 （1）滚珠丝杠副构造的选择。 依据防尘、防护条件以及对调隙及预紧的要求，可选择适当的构造方式。例如，当允许有间隙存在（如垂直运动）时，可选器具有单圆弧形螺纹滚道的单螺母滚珠丝杠副；当必需有预紧或在运用进程中因磨损而需求活期调整时，应采用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式构造；当具有良好的防尘条件且只需在拆卸时调整间隙及预紧力时，可采用构造复杂的双螺母垫片调整预紧式构造。 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 （2）滚珠丝杠副构造尺寸的选择。 选用滚珠丝杠副时，通常次要选择丝杠的公称直径d0和根本导程l0。公称直径d0应依据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸系列选择。在允许的状况下，螺纹长度ls要尽量短，普通取ls/d0<30为宜；根本导程l0（或螺距t）应按承载才能、传动精度及传动速度选取，l0大时，承载才能也大；l0小时，传动精度会较高。要求传动速度快时，可选用大导程滚珠丝杠副。 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 4）滚珠丝杠副在选用和运用中的留意事项 （1）预紧载荷确实定。 为了避免形成丝杠传动零碎的任何失位，保证传动精度，进步丝杠零碎的刚度是很重要的，而要进步螺母的接触刚度，则必需施加一定的预紧载荷。 施加了预紧载荷后，摩擦转矩添加，并使任务时的温升进步。因而，必需恰外地确定预紧载荷（最大不得超越10%的额外动载荷），以便在满足精度和刚度的同时取得最佳的寿命和较低的温升效应。 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 （2）光滑。 在运用滚珠丝杠副时，必需要有足够的光滑，假如光滑不够，则将招致摩擦和磨损的添加，形成毛病或延长寿命等。光滑可采用油光滑或脂光滑。 （3）防尘。 滚珠丝杠与滚动轴承一样，假如污物及异物（切屑、碎屑）进入，就会很快使它磨损。因而，必需采用防护安装（折叠式或伸缩式丝杠护套）将丝杠轴完全防护起来；同时，在有浮尘时，要在螺母两端采用刮屑式防尘圈停止密封。 3.2.2 精细传动机构&mdash&mdash滚珠丝杠副 （4）装置。 将滚珠丝杠副装置到机床时，不应把螺母从丝杠上拆上去。在必需把螺母卸上去的场所，要运用比丝杠底径小0.2～0.3mm的装置辅佐套筒，将装置辅佐套筒推至螺纹起始端面，从丝杠上将螺母旋至辅佐套筒上，连同螺母、辅佐套筒一并小心取下，留意不要使滚珠散落。 3.2.3 齿轮传动 齿轮传动在机电一体化零碎中失掉了普遍的使用。设计时，除了要确定齿轮传动方式、传动比的婚配、各级传动比的最佳分配等要素外，还应思索进步齿轮传动精度的成绩。 齿轮传动时，为了构成光滑油膜和防止轮齿摩擦发热收缩，齿廓之间必需留有齿侧间隙，简称侧隙。但侧隙会发生齿间冲击，影响传动的颠簸性（呈现传动死区）。若死区在闭环零碎中，则能够招致零碎不波动，使零碎发生低频振荡。适当控制侧隙可以进步齿轮传动的精度。常用的调整齿侧间隙的办法有以下几种： 3.2.3 齿轮传动 3.2.3 齿轮传动 3.2.3 齿轮传动 3.2.3 齿轮传动 3.2.3 齿轮传动 （3）锥齿轮传动机构 1）轴向压簧调整法 3.2.3 齿轮传动 2）周向弹簧调整法 3.2.3 齿轮传动 （4） 齿轮齿条传动机构 3.2.4 同步带传动 3.2.4 同步带传动 1、同步带传动的特点 3.2.4 同步带传动 3.2.4 同步带传动 3.2.4 同步带传动 3.2.5 间歇传动 在机械、电子、轻工等行业的消费中，为了进步消费率或满足某些工艺标准上的要求，很多状况下需求执行部件作周期性停歇的双方向运动，来完成间歇送料、运输、分度转位、加工、计数、检测等工艺标准的操作。常用的间歇传动机构有槽轮机构、棘轮机构、转位凸轮机构、非完好齿轮机构及伺服电机分度等。 3.2.5 间歇传动立体外槽轮机构实物图 3.2.5 间歇传动外啮合式棘轮机构 3.2.5 间歇传动外啮合式不完全齿轮机构 3.3 导向机构 3.3.1 导轨副的组成及品种 3.3 导向机构 1. 导轨副的品种及根本要求各种机械运转时，由导轨副保证执行件的正确运动轨迹，并影响执行件的运动特性。导轨副包括运动导轨和支承导轨两局部。支承导轨用以支承和约束运动导轨，使之按功用要求作正确的运动。 1)．按导轨副运动导轨的轨迹分类（a）直线运动导轨副 支承导轨约束了运动导轨的五个自在度，仅保存沿给定方向的直线挪动自在度。（b）旋转运动导轨副 支承导轨约束了运动导轨的五个自在度，仅保存绕给定轴线的旋转运动自在度。 3.3 导向机构 2)．按导轨副导轨面间的摩擦性质分类（a）滑动摩擦导轨副；（b）滚动摩擦导轨副；（c）流体摩擦导轨副。 3)．按导轨副构造分类（a）开式导轨 必需借助运动件的自重或外载荷，才干保证在一定的空间地位和受力形态下，运动导轨和支承导轨的任务面坚持牢靠的接触，从而保证运动导轨的规则运动。开式导轨普通受温度变化的影响较小。（b）闭式导轨 借助导轨正本身的封锁式构造，保证在变化的空间地位和受力形态下，运动导轨和支承导轨的任务面都能坚持牢靠的接触，从而保证运动导轨的规则运动。闭式导轨普通受温度变化的影响较小。 3.3 导向机构 4)．按直线运动导轨副的根本截面外形分类 3.3 导向机构 5). 导轨副应满足的根本要求（a）导向精度 导向精度次要是指动导轨沿支承导轨运动的直线度或圆度。影响它的要素有：导轨的几何精度、接触精度、构造方式、刚度、热变形、拆卸质量以及液体动压和静压导轨的油膜厚度、油膜刚度等。（b）耐磨性 是指点轨在临时运用进程中能否坚持一定的导向精度。因导轨在任务进程中难免有所磨损，所以应力图减小磨损量，并在磨损后能自动补偿或便于调整。（c）疲劳和压溃 导轨面由于过载或接触应力不平均而使导轨外表发生弹性变形，重复运转屡次后就会构成疲劳点，呈塑性变形，外表构成龟裂、剥落而呈现凹坑，这种景象就是压溃。疲劳和压溃饰淦黯动导轨生效的次要缘由，为此应控制滚动导轨接受的最大载荷和受载的平均性。 3.3 导向机构 （d）刚度 导轨受力变形会影响导轨的导向精度及部件之间的绝对地位，因而要求导轨应有足够的刚度。为加重或均衡外力的影响，可采用加大导轨尺寸或添加辅佐导轨的办法进步刚度。（e）低速运动颠簸性 低速运动时，作为运动部件的动导轨易发生匍匐景象。低速运动的颠簸性与导轨的构造和光滑，动、静摩擦系数的差值，以及导轨的刚度等有关。（f）构造工艺性 设计导轨时，要留意制造、调整和维修的方便，力图构造复杂，工艺性及经济性好。 3.3 导向机构 2. 导轨副间隙调整 为保证导轨正常任务，导轨滑动外表之间应坚持适当的间隙。间隙过小，会添加摩擦阻力；间隙过大，会降低导向精度。导轨的间隙如依托刮研来保证，要费很大的休息量，而且导轨经临时运用后，会因磨损而增大间隙，需求及时调整，故导轨应有间隙调整安装。矩形导轨需求在垂直和程度两个方向上调整间隙。 3.3 导向机构 常用的调整办法有压板和镶条法两种办法。对燕尾形导轨可采用镶条(垫片)办法同时调整垂直和程度两个方向的间隙。 3.3 导向机构 对矩形导轨可采用修刮压板、修刮调整垫片的厚度或调整螺钉的办法停止间隙的调整 3.3 导向机构 3. 导轨副的资料选择滑动导轨常用资料有铸铁、钢、有色金属和塑料等 1)．铸铁 铸铁有良好的耐磨性、抗振性和工艺性。常用铸铁的品种有：（1）灰铸铁 普通选择HT200，用于手工刮研、中等精度和运动速度较低的导轨，硬度在HB180以上； （2）孕育铸铁 把硅铝孕育剂参加铁水而得，耐磨性高于灰铸铁； （3）合金铸铁 3.3 导向机构 铸铁导轨的热处置办法，通常有接触电阻淬火和中高频感应淬火。接触电阻淬火，淬硬层为0.15~0.2mm。硬度可达HRC55。中高频感应淬火， 淬硬层为2~3mm，硬度可达HRC48~55，耐磨性可进步二倍，但在导轨全长上顺次淬火易发生变形，全长上同时淬火需求相应的设备。 3.3 导向机构 2)．钢 镶钢导轨的耐磨性较铸铁可进步五倍以上。常用的钢有：9Mn2V、CrWMn、GCr15、T8A、45、40Cr等采用外表淬火或全体淬硬处置，硬度为52~58HRC；20Cr、20CrMnTi、15等渗碳淬火，渗碳淬硬至56~62HRC；38CrMoAlA等采用氮化处置。 3)．有色金属 常用的有色金属有黄铜HPb59-l，锡青铜ZCuSn6Pb3Zn6，铝青铜ZQAl9-2和锌合金ZZn-Al10-5，超硬铝LC4、铸铝ZL106等，其中以铝青铜较好。 3.3 导向机构 4)．塑料 镶装塑料导轨具有耐磨性好(但略低于铝青铜)，抗振功能好，任务温度顺应范围广(-200~+260℃)，抗撕伤才能强，动、静摩擦系数低、差异小，可降低低速运动的临界速度，加工性和化学波动件好，工艺复杂，本钱高等优点。目前在各类机床的动导轨及图形发作器任务台的导轨上都有使用。塑料导轨多与不淬火的铸铁导轨搭配。 3.3 导向机构 导轨的运用寿命取决于导轨的构造、资料、制造质量、热处置办法、以及运用与维护。进步导轨的耐磨性，使其在较长时期内坚持一定的导向精度，就能延伸设备的运用寿命。常用的进步导轨耐磨性的办法有：采用镶装导轨、进步导轨的精度与改善外表粗糙度、采用卸荷安装减小导轨单位面积上的压力(即比压)等。 3.3 导向机构 4 滚动导轨副 1)．滚动导轨的特点 （1）滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力，从而取得： 动、静摩擦力之差很小，随动性极好 驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的非常之一； 与V型十字穿插滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约40倍； 能完成高定位精度和反复定位精度； 顺应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨进步约10倍； 能完成无间隙运动，进步机械零碎的运动刚度。 3.3 导向机构 （2）承载才能大 其滚道采用圆弧方式，增大了滚动体与圆弧滚道接触面积，从而大大地进步了导轨的承载才能，可到达立体滚道方式的13倍。（3）刚性强 在该导轨制造时，常需求预加载荷，这使导轨零碎刚度得以进步。 （4）寿命长 由于是纯滚动，摩擦系数为滑动导轨的l／50左右，磨损小，因此寿命长，功耗低。 （5）成对运用导轨副时，具有&ldquo误差均化效应&rdquo。 3.3 导向机构 （6）传动颠簸牢靠 由于摩接力小，举措笨重，因此定位精度高，微量挪动灵敏精确。（7）具有构造自调整才能 拆卸调整容易，因而降低了对配件加工精度要求。（8）导轨采用外表硬化处置，使导轨具有良好的耐磨性；心部坚持良好的机械功能。（9）简化了机械构造的设计和制造。 3.3 导向机构 2)．滚动直线导轨的分类（1）按滚动体的外形分类 3.3 导向机构 （2）按导轨截面外形分类 3.3 导向机构 （3）按滚道沟槽外形分类 3.3 导向机构 3．滚动直线导轨的有关计算循环式直线导轨副的承载才能用额外动载荷Ca和额外静载荷Coa表示。其额外寿命L用下式计 3.3 导向机构 额外寿命L与额外动载荷Ca的关系式可表示为： 3.3 导向机构 3.3 导向机构 3.3 导向机构 3.3 导向机构 3.3 导向机构 3.3.2 导轨的根本要求 1.导向精度 导向精度是指动导轨按给定方向作直线运动的精确水平。导向精度的上下次要取决于导轨的构造类型，导轨的几何精度和接触精度，导轨的配合间隙、油膜厚度和油膜刚度，导轨和根底件的刚度和热变形等。 直线运动导轨的几何精度普通有下列几项规则： （1）导轨在垂直立体内的直线度（即导轨纵向直线度），见图3－23（a）。 （2）导轨在程度立体内的直线度（即导轨横向直线度），见图3－23（b）。 3.3 导向机构 导轨在垂直立体和程度立体内的直线度 3.3 导向机构 理想的导轨与垂直和程度立体的交线，均应是一条直线，但由于制造的误差，使实践轮廓线偏离理想的直线，测得实践容纳线的两平行直线间的宽度&DeltaV和&DeltaH，即为导轨在垂直立体内和程度立体内的直线度。在这两种精度中，普通规则导轨全长上的直线度或导轨在一定长度上的直线度。 3.3 导向机构 （3）导轨间的平行度也叫歪曲度，这项误差普通规则用在导轨一定长度上（1000mm）和全长上的横向歪曲值&delta表示，如图3－24所示。 3.3 导向机构 导轨间的平行度 3.3 导向机构 2.刚度 导轨的刚度就是抵抗载荷的才能。抵抗恒定载荷的才能称为静刚度；抵抗交变载荷的才能称为动刚度。在恒定载荷作用下，物体变形的大小表示静刚度的好坏。导轨变形普通有本身、部分和接触三种变形。 导轨的本身变形由作用在导轨面上的零、部件分量（包括自重）而惹起，它次要与导轨的类型、尺寸以及资料等有关。因而，增强导轨本身刚度常用增大尺寸和合理布置筋与筋板等方法处理。 3.3 导向机构 导轨部分变形发作在载荷集中的中央，因而，必需增强导轨的部分刚度。在两个立体接触处，由于加工形成的微观不平度，使其实践接触面积仅仅是名义接触面积的很小一局部，因此发生接触变形。由于接触面积是随机的，故接触变形不是定值，亦即接触刚度也不是定值，但在使用时，接触刚度必需是定值。为此，关于动导轨与支承导轨等活动接触面，需施加预载荷，以添加接触面积，进步接触刚度。预载荷普通等于运动件及其上的工件等的分量。为了保证导轨副的刚度，导轨副应有一定的接触精度。导轨的接触精度以导轨外表的实践接触面积占实际接触面积的百分比或在25×25mm2面积上的接触点的数目和散布情况来表示。这项精度普通依据精刨、磨削、刮研等加工办法按规范规则。 3.3 导向机构 3.精度坚持性 导轨的精度坚持性是指点轨在临时运用后，应能坚持一定的导向精度，又称为耐磨性。导轨的耐磨性次要取决于导轨的构造、资料、摩擦性质、外表粗糙度、外表硬度、外表光滑及受力状况等。要进步导轨的精度坚持性，必需停止正确的光滑与维护，普遍采用独立的光滑零碎停止自动光滑；防护办法很多，目前普通采用多层金属薄板伸缩式防护罩停止防护。 3.3 导向机构 4.运动的灵敏性和低速运动的颠簸性 机电一体化零碎和计算机核心设备等的精度和运动速度都比拟高，因而，其导轨应具有较好的灵敏性战争稳性，任务时应笨重省力，速度平均，低速运动或微量位移时不呈现匍匐景象，高速运动时应无振动。所谓低速匍匐，是指在低速运转时（如0.05mm/min），往往不是作延续的匀速运动而是时走时停（即匍匐）。其次要缘由是摩擦系数随运动速度变化和传动零碎刚度缺乏形成的。如图3－25所示，将传动零碎和摩擦副简化成弹簧－阻尼零碎，传动零碎2带动运动件3在静导轨4上运动时，作用在导轨副内的摩擦力F是变化的。导轨副绝对运动时，静摩擦系数较大。运动开端的低速阶段，动摩擦系数是随导轨副绝对滑动速度的增大而降低的，直到绝对速度增大到某一临界值，动摩擦系数才随绝对速度的减小而添加。详细来说，匀速运动的自动件1，经过紧缩弹簧推进运动的运动件3，当运动件3遭到的逐步增大的弹簧力小于静摩擦力F时，3不动。 3.3 导向机构 直到弹簧力刚刚大于F时，3才开端运动，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上的弹簧力逐步减小，3发生负减速度，速度降低，动摩擦力相应增大，速度逐步下降，直到3中止运动，自动件1重新紧缩弹簧，匍匐景象进入下一个周期。为避免匍匐景象的呈现，可同时采取以下几项措施：采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、贴塑料层导轨等；在普通滑动导轨上运用含有极性添加剂的导轨油；用增加结合面、增大构造尺寸、延长传动链、增加传动副等办法来进步传动零碎的刚度。 3.3 导向机构 弹簧&mdash阻尼零碎 3.3 导向机构 5.对温度的敏理性和构造工艺性 导轨在环境温度变化的状况下，应能正常任务，既不&ldquo卡死&rdquo，亦不影响零碎运动精度。导轨对温度变化的敏理性次要取决于导轨资料和导轨配合间隙的选择。 构造工艺性是指零碎在正常任务的条件下，应力图构造复杂，制造容易，装拆、调整、维修及检测方便，从而最大限制地降低本钱。 3.3 导向机构 6.导轨副的设计内容 设计导轨副时，次要包括下列几方面内容： （1）依据任务条件选择适宜的导轨类型。 （2）选择导轨的截面外形，以保证导向精度。 （3）选择适当的导轨构造及尺寸，使其在给定的载荷及任务温度范围内，有足够的刚度、良好的耐磨性以及运动笨重和低速颠簸性。 （4）选择导轨的补偿及调整安装，经临时运用后，经过调整能坚持所需求的导向精度。 （5）选择合理的耐磨涂料、光滑办法和防护安装，使导轨有良好的任务条件，以增加摩擦和磨损。 （6）制定保证导轨正常任务所必需的技术条件，如选择适当的资料，以及热处置、精加工和测量办法等。 3.3 导向机构 2.3.3 滑动导轨副 1.滑动导轨副的构造及特点 滑动摩擦导轨的特点是运动件与承导件直接接触。其优点是构造复杂、接触刚度大；缺陷是摩擦阻力大、磨损快、低速运动时易发生匍匐景象。 表3－1列出了滑动摩擦导轨截面的常用构造方式。 3.3 导向机构 表3－1 滑动摩擦导轨截面的常用方式 3.3 导向机构 （1）三角形导轨（V形导轨）。导轨尖顶朝上的称三角形导轨，尖顶朝下的称V形导轨。该导轨在垂直载荷的作用下，磨损后能自动补偿，不会发生间隙，故导向精度较高。但压板面仍需有间隙调整安装。它的截面角度由载荷大小及导向要求而定，普通为90°。为添加承载面积，减小比压，在导轨高度不变的条件下，应采用较大的顶角（110°～120°）；为进步导向性，可采用较小的顶角（60°）。假如导轨上所受的力在两个方向上的分力相差很大，则应采用不对称三角形，以使力的作用方向尽能够垂直于导轨面。此外，导轨程度与垂直方向的误差将发生互相影响，会给制造、检验和修缮带来困难。 3.3 导向机构 （2）矩形导轨。矩形导轨的特点是构造复杂，制造、检验和修缮方便，导轨面较宽，承载才能大，刚度高，故使用普遍。 矩形导轨的导向精度没有三角形导轨高，磨损后不能自动补偿，须有调整间隙安装，但程度和垂直方向上的地位各不相关，即一方向上的调整不会影响到另一方向上的位移，因而装置、调整均较方便。在导轨的资料、载荷、宽度相反的状况下，矩形导轨的摩擦阻力和接触变形都比三角形导轨小。 3.3 导向机构 （3）燕尾形导轨。此类导轨磨损后不能自动补偿间隙，需设调整间隙安装。两燕尾面起压板面作用，用一根镶条就可调理程度与垂直方向的间隙，且高度小，构造紧凑，可以接受倾覆力矩。但其刚度较差，摩擦力较大，制造、检验和维修都不方便。该类导轨用于运动速度不高，受力不大，高度尺寸遭到限制的场所。 3.3 导向机构 （4）圆形导轨。 圆形导轨制造方便，加工和检验比拟复杂，外圆采用磨削，内孔经过珩磨，可到达精细配合，但磨损后很难调整和补偿间隙，对温度变化比拟敏感。圆形导轨有两个自在度，适用于同时作直线运动和转动的中央。在只需作直线运动时，为了避免运动件发生不用要的回转，普通需设计相应的防转构造，但不能接受大的扭矩。图3－26为最罕见的五种圆形导轨防转构造。 3.3 导向机构 圆形导轨的防转构造 3.3 导向机构 2.滑动导轨副的组合方式 1）双三角形导轨 双三角形导轨如图3－27所示。其两条三角形导轨同时起支承和导向作用，由于构造对称，驱动元件可对称地放在两导轨面两头，并且两条导轨磨损平均，磨损后绝对地位不变，能自动补偿垂直和程度方向的磨损，故导向性和精度坚持性都高，接触刚度好。双三角形导轨的工艺性较差，对导轨的四个外表停止刮削和磨削时也难以完全接触，假如床身和运动部件的热变形不同，则很难保证四个面同时接触。因而，此类导轨多用于精度要求较高的机床设备。 3.3 导向机构 双三角形导轨 3.3 导向机构 2）三角形和矩形导轨组合 图3－28所示为三角形和矩形导轨组合。这种组合方式兼有三角形导轨的导向性好，矩形导轨的制造方便、刚性好的优点，可防止由于热变形所惹起的配合变化。但是，这种组合导轨磨损不均，普通是三角形导轨比矩形导轨磨损快，磨损后又不能经过调理来补偿，故对地位精度有影响。组合导轨有压板面，能接受推翻力矩。 3.3 导向机构 三角形和矩形导轨组合 3.3 导向机构 3）三角形战争面导轨组合 图3－29所示为三角形战争面导轨组合。这种组合方式的导轨具有三角形和矩形组合导轨的根本特点，但由于没有闭合导轨安装，因而只能使用于受力方向向下的场所。 3.3 导向机构 三角形战争面导轨组合 3.3 导向机构 关于三角形和矩形、三角形战争面组合导轨，由于三角形和矩形（或立体）导轨的摩擦阻力不相等，因而在布置牵引力的地位时，应使导轨的摩擦阻力的合力与牵引力在同不断线上，否则就会发生力矩，使三角形导轨对角接触，影响运动件的导向精度和运动的灵敏性。 3.3 导向机构 3.滑动导轨副间隙的调整 为了保证导轨正常任务，导轨滑动外表之间应坚持适当的间隙。间隙过小，会添加摩擦阻力；间隙过大，会降低导向精度。导轨的间隙如依托刮研来保证，休息强度很大，而且导轨经临时运用后，会因磨损而增大间隙，需求及时调整，故导轨应有间隙调整安装。矩形导轨需求在垂直和程度两个方向上调整间隙，常用的调整办法有压板法和镶条法。对燕尾形导轨，可采用镶条（垫片）办法同时调整垂直和程度两个方向的间隙。 3.3 导向机构 4.导轨副资料的选择及搭配 导轨常用的资料有铸铁、钢、有色金属和塑料等，常运用铸铁&mdash铸铁、铸铁&mdash钢的导轨资料搭配。 （1）铸铁。铸铁具有耐磨性和减振性好，热波动性高，易于铸造和切削加工，本钱高等特点。常用的铸铁有灰铸铁、耐磨铸铁、高磷铸铁、低合金铸铁、稀土铸铁、孕育铸铁等。 （2）钢。为了进步导轨的耐磨性，可以采用淬硬的钢导轨。淬火的钢导轨都是镶装或焊接上去的。淬硬钢导轨的耐磨性比不淬硬铸铁导轨的耐磨性高5～10倍。 3.3 导向机构 普通要求的导轨，常用的钢有45、40Cr、T10A、GCr15、GCr15SiMn等，外表淬火和全淬，硬度为HRC52～58。要求高的导轨，常采用的钢有20Cr、20CrMnTi、15等，渗碳淬硬至HRC56～62，磨削加工后淬硬层深度不得低于1.5mm。 3.3 导向机构 (3)有色金属。常用的有色金属有黄铜（HPb59－1）、锡青铜（ZQSn6－6－3）、铝青铜（ZQAl9－2）、锌合金（ZZn－Al10－5）、超硬铝（LC4）、铸铝（ZL6）等，其中以铝青铜较好。 （4）塑料。镶装塑料导轨具有耐磨性好（但略低于铝青铜），抗振功能好，任务温度顺应范围广（-200～+26℃），抗撕伤才能强，动、静摩擦系数低、差异小，可降低低速运动的临界速度，加工性和化学波动性好，工艺复杂，本钱高等优点，目前在各类机床的动导轨及图形发作器任务台的导轨上都有使用。塑料导轨多与不淬火的铸铁导轨搭配。 3.3 导向机构 （5）导轨资料的搭配。为了进步导轨的耐磨性，动导轨和支承导轨应具有不同的硬度。假如采用相反的资料，则也应采用不同的热处置，以使动、静导轨的硬度不同，其差值普通在HB20～40范围内，而且，最低硬度应不低于所用资料规范硬度值的上限。滑动导轨常用资料的搭配见表3－2。 3.3 导向机构 表3－2 滑动导轨常用资料的搭配 3.3 导向机构 3.3.4 滚动直线导轨副和圆柱直线滚动导轨副 1.滚动直线导轨副的构造和任务原理 滚动直线导轨副由导轨7、滑块5、钢球2、返向器4、坚持架1、密封端盖3及侧密封垫8等组成（见图3－30）。当导轨与滑块作绝对运动时，钢球沿着导轨上的经过淬硬和精细磨削加工而成的四条滚道滚动，在滑块端部钢球又经过返向安装（返向器）进入返向孔后再进入滚道。返向器两端装有防尘密封端盖，可无效避免灰尘、切屑进入滑块外部。 3.3 导向机构 滚动直线导轨副的构造 3.3 导向机构 2.滚动直线导轨副的优点 由于在滚动直线导轨副的滑块与导轨之间放入了钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，因而它具有如下优点： （1）降低了滑块与导轨之间的运动摩擦阻力，使得动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械举措滞后工夫极短，无益于进步呼应速度和灵敏度。与V形十字穿插滚子导轨相比，其摩擦阻力为后者的1/40，瞬时速度比滑动导轨进步约10倍。 （2）驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的1/10。 （3）能完成高定位精度和反复定位精度。 3.3 导向机构 （4）能完成无间隙运动，进步机械零碎的运动刚度。成对运用导轨副时，具有&ldquo误差均化效应&rdquo，从而降低根底件（导轨装置面）的加工精度要求，降低根底件的机械制形成本与难度。 （5）导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接才能及刚度比立体与钢球点接触时大大进步。 （6）导轨采用外表硬化处置，心部坚持良好的机械功能，使导轨具有良好的可校性。 但是，该导轨副的构造较为复杂，加工较困难，本钱较高，对脏物及导轨面的误差比拟敏感。 3.3 导向机构 3.滚动直线导轨副的类型及构造特点 （1）依据滚动体的循环方式分有滚动体循环式和滚动体不循环式两种。目前使用较多的饰淦黯动体循环式。 （2）按滚动体的外形可以分为滚珠式（图3－30）和滚柱式（图3－31）两种。滚柱式由于为线接触，故有较高的承载才能，但摩擦力较大，同时加工分配也绝对复杂。目前运用较多的饰淦黯珠式。 3.3 导向机构 滚柱导轨 3.3 导向机构 （3）按导轨截面外形分有矩形和梯形两种。矩形导轨的四个方向是等载荷式的，导轨截面为矩形，承载时各方向受力大小相等（图3－32）。梯形截面导轨能接受较大的垂直载荷，而其他方向的承载才能较低，但关于装置基准的误差调整才能较强。 3.3 导向机构 矩形导轨及滚动体 3.3 导向机构 （4）按轨道沟槽外形分有单圆弧和双圆弧两种。单圆弧沟槽为两点接触，双圆弧沟槽为四点接触，前者的运动摩擦和对装置基准的误差均匀作用比后者要小，但其静刚度比后者稍差。 3.3 导向机构 圆柱直线滚动导轨副 3.3 导向机构 4.圆柱直线滚动导轨副 图3－33为圆柱直线滚动导轨副的外形图。导轨副和其上的直线运动球轴承（可与相应轴承座相配合）构成直线运动的滚动导轨副。直线运动球轴承由外套筒、坚持架、滚珠（负载滚珠和前往滚珠）、镶有橡胶密封垫的挡圈组成。这种轴承只能在导轨副上作轴向直线往复运动，而不能旋转。当其在导轨副上作直线运动时，滚珠在坚持架的长环形通道内循环活动。滚珠列数有3、4、5、6等几种，可保证负载滚珠与导轨副之间的接触刚度。这种导轨运动笨重、灵敏、精度高、价钱较低、维护方便、改换容易，但因导轨副之间为点接触，所以常用于轻载挪动、保送零碎。 3.3 导向机构 2.3.5 静压导轨副 静压导轨副将具有一定压力的油或气体介质通入导轨的运动件与承导件之间，使运动件浮在压力油或气体薄膜之上，与承导件脱离接触，可使摩擦阻力（力矩）大大降低。运动件受外载荷作用后，介质压力会反应降低，以支承外载荷。图3－34为能接受载荷F与推翻力矩M的闭式液体静压导轨任务原理图。当任务台受集中载荷F（外力和任务台重力）作用而下降时，间隙h1、h2减小，h4、h6增大，流经节流阀1、2的流量增加，其压力降也相应增加，油腔压力p2、p3降低，流经节流阀5、7的流量增大，其压力p5、p6则相应降低。当四个油腔所发生的向上的支承合力与力F到达均衡形态时，可使任务台波动在新的均衡地位。若任务台遭到程度力作用，则h3增加、h5增大，左、右油腔发生的压力p1、p4的合力与程度方向的外力处于均衡形态。 3.3 导向机构 闭式液体静压导轨任务原理图 3.3 导向机构 开式液体静压导轨任务原理图 3.3 导向机构 要进步静压导轨的刚度，可经过以下途径完成：进步零碎的供油压力；加大油腔受力面积；减小导轨间隙。要进步静压导轨的导向精度，必需进步导轨外表加工的几何精度和接触精度，精滤过的液压油液的杂质微粒的最大尺寸应小于导轨间隙。 3.3 导向机构 作业 1.滑动摩擦导轨截面的常用方式有哪些？各有什么特点？使用场所有哪些？滚动导轨有哪几种罕见的方式？各有什么特点？滚动导轨与滑动导轨相比有什么特点？ 3.4 执行机构 3.4.1 执行机构及其技术特点 所谓执行机构，是指能提供直线或旋转运动的驱动安装，它应用某种驱动动力并在某种控制信号的作用下任务。执行机构接纳弱电控制信号，完成对大功率机械的运动驱动和行为控制，普通运用电力、液体、气体或其它动力并经过电机、油缸、气缸或其它安装完成驱举措用。假如将驱动元件和执行元件(机构)合为一体，则此类执行机构又可称为狭义执行机构。 执行机构的技术特点是呼应速度快，静态功能好，静态精度高。另外，执行机构还需求举措灵敏度高、牢靠性好、任务效率高、体积小、分量轻、便于集中控制。 3.4.2 电磁执行机构 1.电主轴 电主轴是一套组件，包括电主轴、高频变频安装、油气光滑零碎、冷却零碎、内置编码器和换刀安装，如图3－36所示。高速电主轴运用内装式电机，取消了诸如齿轮、皮带等两头传动环节，使机床主轴与主轴电机融为一体，主轴电机的转子即为主轴的旋转局部，电主轴的关键技术是在高转速下完成动均衡。电主轴通常采用复合陶瓷轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；也可采用磁悬浮轴承或静压轴承，轴承内、外圈不接触，实际上寿命有限。 电主轴的转速可以到达每分钟几万转甚至十几万转。普通经过高频变频安装驱动电主轴电机，变频器的输入频率必需到达上千或几千赫兹。 3.4.2 电磁执行机构电主轴的构造 3.4.2 电磁执行机构 电主轴的光滑办法有多种，其中油气光滑是一种较理想的光滑方式。其任务原理是，将具有一定压力的紧缩空气和由定量分配器每隔一定工夫定量输入微量的光滑油，在一定长度的管道中混合，经过紧缩空气在管道中的活动，把油气混合物抽送到轴承左近的喷嘴，经喷嘴射向轴承内圈和滚动体的接触点，完成光滑和冷却。油气光滑零碎实践上是应用轴承温升和发热量与光滑油量的关系，完成了&ldquo最佳供油量&rdquo和&ldquo紧缩空气冷却&rdquo。图3－37是油气光滑零碎的表示图。光滑油量的控制很重要，油量太少，起不到光滑作用；油量太多，轴承在高速旋转时会因油的阻力而发热。 3.4.2 电磁执行机构电主轴的油气光滑零碎 3.4.2 电磁执行机构电主轴的冷却零碎 3.4.2 电磁执行机构 高速运转的电主轴需求经过冷却零碎对其外壁通以循环冷却剂完成散热，冷却零碎可以坚持冷却剂的温度恒定。图3－38是电主轴冷却零碎的表示图。サ缰髦峥梢阅谥寐龀灞嗦肫鳎用于自动换刀以及刚性攻螺纹时完成精确的相角控制以及与进给的配合。 为了使用于加工中心，电主轴装备自动换刀安装，包括碟形簧、拉刀油缸等，普通应与高速刀具的装卡方式相婚配。 3.4.2 电磁执行机构 电主轴的功能目标包括旋转精度、功率、刚度、振动、噪声、温升和寿命。其中，刚度目标十分重要。主轴在任务进程中将接受较大的切削力，若主轴刚度缺乏，则在切削力作用下会发生变形，转子处的挠渡过大，将惹起加工误差、轴振动和切削进程颤振，影响加工精度，降低加工质量。 电主轴的刚度分为静刚度和动刚度。静刚度是指主轴抵抗静态外载荷的才能，简称刚度。电主轴径向刚度定义为使主轴前端发生径向单位位移，在位移方向测量处所需施加力的数值。电主轴轴向刚度定义为使主轴轴向发生单位位移，在轴向所需施加力的数值。 3.4.2 电磁执行机构 电主轴不只要求具有一定的静刚度，而且要求具有足够的抑制各种搅扰惹起振动的才能，即抗振性。电主轴部件的抗振性次要由动刚度来权衡。电主轴的动刚度和静刚度的关系为 3.4.2 电磁执行机构 进步电主轴静刚度的次要措施有： （1）进步支承刚度，包括添加轴承数量、采用高刚度的轴承和进步轴承预紧力。但是，在进步支承刚度的同时，会影响主轴的极限转速和添加支承温升。 ィ2）优化主轴设计，包括尽量延长前悬伸量，并选择最佳支承跨距，在满足轴承、电机转子等任务功能的前提下，增大主轴直径，尤其是主轴任务端悬伸局部的直径。 3.4.2 电磁执行机构 进步电主轴动刚度的次要措施有： ィ1）进步电主轴静刚度。 ィ2）采用阻尼比大的主轴轴承，消弭轴承游隙并适当加大预加载荷，进步主轴部件的阻尼比。 ィ3）经过静态特性优化，使主轴部件的低阶固有频率远离任务频率。 ィ4）进步旋转零件的加工及拆卸精度并停止精细动均衡。 3.4.2 电磁执行机构 电主轴轴承的预紧力可以经过预紧力控制器停止在线调理。预紧力控制器的构造如图3－39所示。当转速较低时，在控制器作用下，经过液压油缸活塞(与弹性元件并用)施加预紧力，以到达与转速相顺应的最佳预加载荷值，从而完成电主轴在含低速大转矩段与高速大功率段整个任务转速范围内的优秀动力学质量。 3.4.2 电磁执行机构轴承预紧力控制器的构造图 3.4.2 电磁执行机构 预紧力控制器与自动换刀安装的液压控制零碎如图3－40所示。换刀液压零碎经过手动控制三位四通电磁换向阀，改动油路方向，完成双向缸的双向挪动，从而完成换刀功用。关于预紧力控制液压零碎，经过比例减压阀失掉实践工况所需求的压力，同时为了保证压力的波动，在回路中参加一个蓄能器以增加走漏形成的压力下降。 3.4.2 电磁执行机构电主轴的液压零碎图 3.4.2 电磁执行机构 电主轴停止粗加工时的转速低、切削量大，需求较大的扭矩，此时电主轴必需具有较大的刚度使零碎可以抵抗受迫振动与自激振动，预紧力控制以进步支撑刚度为优化原则。精加工时的转速高、切削力小，要求电主轴输入大功率，由于轴承随转速的降低其温度将大幅度攀升，此时希望在满足主轴零碎动力学特性要求的前提下，尽量降低轴承预紧力，预紧力控制以主轴转子不发作共振为优化原则。 磁悬浮轴承应用可控电磁力将转轴悬浮于空间，使用磁悬浮轴承作为电主轴支承，可以使电主轴的转轴与定子之间没无机械接触，从而可任务在极高的转速下。它具无机械磨损小、功耗低、噪声小、寿命长、无需光滑、无油净化等优点。磁悬浮轴承是可控轴承，转子地位可控，主轴刚度和阻尼可调。 3.4.2 电磁执行机构 图3－41所示为一个单自在度径向磁悬浮轴承零碎表示图，次要包括控制器、功率缩小器、传感器、电磁铁、转子等部件。位移传感器检测转子的地位信号，经缩小后传送到控制器，控制器基于一定的控制算法失掉控制信号并经过功率缩小器转换为电磁铁线圈中的电流，从而改动作用在转子上的电磁力，进而改动转子的位移，坚持转子的波动悬浮。 3.4.2 电磁执行机构单自在度径向磁悬浮轴承零碎表示图 3.4.2 电磁执行机构 2.直线电机 绝对于传统的采用滚珠丝杠传动的进给方式，直线电机驱动零碎具有如下特点： （1）呼应疾速。由于取消了呼应工夫常数较大的丝杠等机械传动件，因而可以大大进步整个闭环控制零碎的静态呼应功能，使传动零碎反响灵敏快捷，加、加速进程大大延长，启动时可霎时到达高速，高速运转时又能霎时中止，减速度普通可到达2~10g。 （2）精度高。由于取消了丝杠等机械传动机构，因而减小了插补时因传动零碎滞后带来的跟踪误差。配合在线地位反应控制，可大大进步机床的定位精度。 3.4.2 电磁执行机构 （3）传动刚度高。由于运用直接驱动原理，并且采用直线电机的规划，可依据机床导轨的形面构造及其任务台运动时的受力状况来布置，因而可以无效进步传动刚度。 （4）噪声低。由于取消了传动丝杠等部件，采用直线滚动导轨，使零碎的机械摩擦减小，因此运动噪声大大降低。 （5）效率高。由于减去了两头传动环节，因此增加了机械摩擦招致的能量损耗。 （6）行程长度不受限制。在导轨上经过串联直线电动机的定子，就可恣意延伸动子的行程长度。 3.4.2 电磁执行机构 直线电机的任务原理如图3－42所示。直线电机将传统圆筒型电机的初级展开拉直，变初级的封锁磁场为开放磁场，而将旋转电机的定子局部变为直线电机的初级，将旋转电机的转子局部变为直线电机的次级。直线电机的初级铁芯可由带槽的电工钢片叠成，槽内为三相绕组，次级为钢板，上覆以一薄的铝板，下层的铝板作为导体运用，上层的钢板作为磁路的一局部，以增加次级的漏磁。初、次级间的气隙为电磁功率交流区域。 3.4.2 电磁执行机构图3－42 直线电机的任务原理 3.4.2 电磁执行机构 在直线电机的三相绕组中通入三绝对称正弦电流后，将在初、次级间发生气隙磁场，其散布状况与旋转电机类似，沿展开的直线方向呈正弦散布。三相电流随工夫变化，使气隙磁场按定向相序沿直线挪动，该气隙磁场称为行波磁场。当次级的感应电流和气隙磁场互相作用，便发生了电磁推力，假如初级饰淦魈定不动的，则次级就能沿着行波磁场运动的方向作直线运动。把直线电机的初级和次级辨别装置在机床的任务台与床身上，即可完成机床的直线电机直接驱动，由于这种进给传动方式的传动链延长为零，因而被称为机床进给零碎的&ldquo零传动&rdquo。 3.4.2 电磁执行机构 直线电机进给闭环控制零碎可分为地位调理、速度调理和电流调理等三局部，如图3－43所示。零碎输出为上位机发送的地位指令，输入为直线电机的位移。其进程为上位机收回的地位指令与地位检测安装反应值比拟后，经接口电路转换缩小成为控制速度的给定信号，速度给定信号同速度反应值比拟后转换为电流给定信号，电流给定信号经过电流环调理后成为驱动直线电机的电流，直线电机通电，经过电磁转换发生推力来推进任务台及负载运动。 3.4.2 电磁执行机构直线电机进给闭环控制零碎 3.4.5 液压机构 液压机构是以液压油为动力源来完成预定运动要求和完成各种机构功用的机构。液压机构与纯机械机构和电力驱动机构相比，次要有以下优点： ィ1）在输入同等功率的条件下，机构构造紧凑，体积小、分量轻、惯性小。 （2）任务颠簸，冲击、振动和乐音都较小，易于完成频繁的启动、换向，可以完成旋转运动和各种往复运动。 （3）操作复杂、调速方便，并能在大的范围内完成无级调速，调速比可达5000。 （4）可完成低速鼎力矩传动，无需加速安装。 3.4.5 液压机构 1.直线液压缸 用电磁阀控制的直线液压缸是最复杂和最廉价的开环液压驱动安装。在直线液压缸的操作中，经过受控节流口调理流量，可以在到达运动起点时完成加速，使中止进程失掉控制。 如图3－68所示，液压油经控制阀送入液压缸的一端，在开环零碎中，控制阀是由电磁铁翻开和控制的；在闭环零碎中，控制阀是由电液伺服阀等来控制的。最后呈现的Unimate机器人也是用液压驱动的。 3.4.5 液压机构用伺服阀控制的直线液压缸 3.4.5 液压机构 2.旋转执行元件 图3－69是一种旋转式执行元件。它的壳体由铝合金制成，转子是钢制的。密封圈和防尘圈辨别用来避免油的外泄和维护轴承。在电液阀的控制下，液压油经进油口进入，并作用于固定在转子上的叶片上，使转子转动。隔板用来避免液压油短路。经过一对由消隙齿轮带动的电位器和一个解算器给出转子的地位信息，电位器给出粗略值，而准确地位由解算器测定，这样，解算器的高精度和小量程就由低精度少量程的电位器予以弥补。当然，整个精度不会超越驱动电位器和解算器的齿轮系精度。 3.4.5 液压机构旋转液压马达 3.4.5 液压机构 3.电液伺服阀 电液伺服阀次要有两品种型：图3－70所示的喷嘴挡板伺服阀和图3－71所示的射流管伺服阀。 在喷嘴挡板伺服阀中，挡板接在衔铁中部，从两个喷嘴两头穿过，在喷嘴与挡板间构成两个可变节流口。电信号发生磁场带动衔铁和挡板，张大一侧的节流口而关小另一侧的节流口，这样就在滑阀两端树立起不同的油压，从而使滑阀挪动。由于滑阀挪动，它压弯了抵抗它运动的反应弹簧，当油压差发生的力等于弹簧力时，滑阀即中止运动。滑阀的挪动翻开了主活塞的油路，从而按所需的方向驱动主活塞运动。 3.4.5 液压机构喷嘴挡板伺服阀 3.4.5 液压机构射流管伺服阀 3.4.5 液压机构 射流管伺服阀与喷嘴挡板伺服阀的不同点在于流向滑阀的液流是受控的。当力矩马达加电时，将使衔铁和射流管组件偏转，流向滑阀一端的油流量多于流向另一端的油流量，从而使滑阀挪动；当力矩马达不加电时，流向两边的液流量根本上相等。射流管伺服阀的优点在于油流量控制口的面积较大，不容易被油液中的脏物所梗塞。 3.4.5 液压机构 4.电液直接数字控制阀 随着计算机控制技术在流体控制零碎的少量使用，流体控制元件的数字化成了一种必定的趋向。传统的比例阀或伺服阀等模仿信号控制元件可以经过D/A接口完成直接数字控制，但是，这种办法存在一些缺陷。例如，控制器中的模仿电路易发生温漂和零漂，使控制零碎功能受温度影响分明，对零碎存在的死区、滞环等非线性要素难以补偿；比例电磁铁在高频任务时温升严重，经过阀芯地位检测完成闭环控制的本钱较高。 3.4.5 液压机构 与直接数字控制绝对应，有两种直接数字控制办法。テ湟皇嵌愿咚倏关阀的PWM（脉宽调制）控制，即经过控制开关元件的通断工夫比，以取得在某一工夫段内流量的均匀值，进而完成对下一级执行机构的控制。这种办法具有不梗塞、抗净化才能强及构造复杂的优点。但是其存在以下缺陷：噪声大，易于诱发管路中的压力脉动和冲击，影响零碎寿命和牢靠性；元件输出、输入之间没有严厉比例关系，普通不能用于开环控制；控制特性受机械调制频率不易进步的限制。 3.4.5 液压机构 另一种办法是应用步进电机加适当的旋转&mdash直线运动转换机构驱动阀芯完成直接数字控制。这种办法对应的控制元件普通称为步进式数字阀或团圆式比例阀，此类阀普通具有反复精度高，无滞环的优点。经过步进电机的延续跟踪控制办法，在步进控制中引入脉宽调制控制技术，使得步进电机输入的角位移开环延续可控，可以消弭步进式数字阀所固有的量化误差，并可大大进步数字阀的呼应速度。 3.4.5 液压机构 滑阀阀芯在阀芯孔中具有两个自在度，一是可以停止轴向往复运动，另外还可以绕轴线转动，两个自在度互不干预。普通可以采用步进电机控制阀芯的往复运动或旋转运动，某些场所也可以采用伺服电机或力矩马达控制阀芯的旋转运动。采用步进电机控制阀芯往复运动（完成滑阀功用）的方案如图3－72和图3－73所示。采用步进电机控制阀芯旋转运动（完成转阀功用）的方案如图3－74所示。 3.4.5 液压机构采用步进电机与凸轮控制阀芯轴向往复运动 3.4.5 液压机构采用步进电机与钢丝控制阀芯轴向往复运动 3.4.5 液压机构采用步进电机与齿轮控制阀芯旋转运动 3.4.5 液压机构 应用滑阀阀芯轴向和旋转两个互不干预的自在度，可以完成双级阀的导控和主阀的功用。普通应用滑阀阀芯的旋转自在度完成先导阀功用，应用轴向自在度完成主阀的功用。螺旋伺服机构具有将阀芯的旋转角位移按比例转换为阀芯轴向位移的功用。图3－75给出了基于螺旋伺服机构的四通比例换向阀的原理图。该阀经过步进电机控制阀芯旋转，发生角位移，阀的导控级由高、高压孔和螺旋槽之间的阻力半桥构成，主阀的启齿则由阀芯两侧的压力差推进阀芯的轴向位移完成控制。这种应用阀芯双运动自在度和螺旋伺服机构设计的数字阀称为2D数字阀。 3.4.5 液压机构基于螺旋伺服机构的四通比例换向阀的原理图 3.4.5 液压机构 步进电机作为电&mdash液数字控制元件的驱动安装，若按惯例步进方式任务，则难以同时统筹量化精度和呼应速度的要求，采用步进电机的延续跟踪控制办法可以处理这个成绩。以两相混合式步进电机为例，要控制旋转磁场抵达A相和B相之间的恣意地位&alpha，只需使A相与B相的电流ia、ib满足如下条件即可： 3.4.5 液压机构 3.4.5 液压机构 如图3－76（a）所示，高频电液激振器由高频激振阀、并联数字阀、液压缸、负载传感器及位移传感器构成。其中，高频激振阀次要用于发生幅值和频率可调的高频正弦激振波形，并联数字阀用于控制激振偏载。 高频激振阀是一种2D阀，阀芯具有旋转运动和轴向运动双自在度。阀芯由一伺服电机驱动旋转，使得沿阀芯台肩周向平均开设的沟槽与阀套上的窗口相配合的阀口面积大小成周期性变化，由于沟槽互相错位而使进出液压缸的两个容腔的流量大小和方向以相位角180°成周期性变化，驱动液压缸活塞作周期性的往复运动。 3.4.5 液压机构高频电液激振器任务原理图 3.4.5 液压机构 高频激振阀阀芯的旋转运动可以控制油路的通断关系。在P－A、B－T相通时，液压缸左腔进油，右腔回油，如图3－76（b）所示；当阀芯旋转过一定角度后，P、A、B、T都不通，液压缸中止；当阀芯再旋转过一定角度后，如图3－76（c）所示，P－B、A－T相通，液压缸右腔进油，左腔回油，液压缸反向运动。阀芯旋转时，油路接通时面积以及面积大小的变化率是由阀芯轴向地位决议的，阀芯轴向运动则经过步进电机停止控制。经过阀芯的轴向运动控制，可以决议液压缸活塞的往复运动幅值。 3.4.5 液压机构 显然，电液激振器的任务频率等于阀芯的转速与每转阀芯的沟槽与阀套窗口之间的沟通次数的乘积。由于阀芯为细长构造，转动惯量较小，又处于很好的液压油光滑形态中，因此很容易完成高频激振。此外，也可经过添加阀芯的沟槽与阀套窗口之间的沟通次数来进步频率。采用2D高频激振阀可以对大吨位的振动载荷完成高达400Hz的激振。 3.4.6 气动机构 气动机构是以紧缩空气为任务介质来传递动力和控制信号的机构。与液压机构相比，气动机构具有以下优点： （1）以空气为任务介质，用后可直接排到大气中，处置方便。 （2）举措迅速、反响快，维护复杂，任务介质清洁，不存在介量变质成绩。 （3）任务环境顺应性好，特别是在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强振、湿润、有辐射和温度变化大的恶劣环境中任务时，平安牢靠性优于液压、电子和电气机构。 3.4.6 气动机构 气动机构的缺乏之处包括：由于空气具有可紧缩性，因而任务速度波动性稍差，但采用气液联动安装会失掉较称心的后果；任务压力低（普通为0.3～1.0MPa），难以取得很大的输入力；噪声大，在高速排气时要加消声器。 气动执行元件既有直线气缸，也有旋转气动马达。在原理上，它们很像液压驱动，但某些细节差异很大。 3.4.6 气动机构 少数气动驱动用来完成挡块间的运动。由于空气的可紧缩性，完成准确的地位和速度控制是很困难的。即便将高压空气施加到活塞的两端，活塞和负载的惯性仍会使活塞持续运动，直到它碰到机械挡块，或许空气压力最终与惯性力均衡为止。用机械挡块完成点位操作中的准确定位时，0.12mm的精度是很容易到达的。目前，关于气压驱动的速度控制仍未见报道。 手指型气缸用于物体的抓取，有双指型和多指型。其手指举措包括平行、摆动和旋转，如图3－77所示。 3.4.6 气动机构手指气缸的外形图 3.4.6 气动机构一些典型的气动抓取机构 3.4.6 气动机构典型的气动人工肌肉执行机构 3.4.6 气动机构 气动柔性球关节是一种经过气压控制的新型人工关节，其构造如图3－80(a)所示。其中，3个圆柱形弹性橡胶壳与前、后两个端盖密封紧固在一同，橡胶壳壁中沿圆周方向平均散布着螺旋缠绕的钢丝，以限制橡胶壳的径向收缩，独自一个橡胶壳在充气时可以以为只在轴向发作伸长变形。其任务原理如下：经过控制通入3个橡胶壳的紧缩气体的压力pL1、pL2和pL3，使得3个橡胶壳发作不同水平的伸长变形，则整个关节可以向不同的方向发作弯曲、偏转，如图3－80(b)所示。 3.4.6 气动机构气动柔性球关节 3.4.6 气动机构 气动控制阀在气动自动化零碎中用于控制气流的压力、流量和活动方向，以保证气动执行元件或机构按规则的顺序举措。气动控制阀包括用于控制和调理空气压力的压力控制阀，用于控制和调理空气流量的流量控制阀，用于改动气流活动方向和控制气流通断的方向控制阀。 3.4.6 气动机构 图3－81所示为比例压力阀的构造，在阀的输入口有一条反应管路通到阀芯的左端，电磁铁的吸力与输入压力之间的关系决议了阀芯的行程地位。 3.4.6 气动机构比例压力阀的构造图 3.4.6 气动机构 比例流量阀的任务原理是，在阀芯的另一端设置弹簧，用来均衡与阀芯行程地位成比例的电磁吸力，这样，经过电磁线圈中的电流大小就可决议阀的输入口开度，即输入流量的大小。 大少数气动元件，包括气源发作安装、执行元件、控制元件及各种辅件，都是在高于大气压力的气压作用下任务的，这些元件组成的零碎称为正压零碎。另有一类元件可在低于大气压力的气压作用下任务，这类元件称为真空元件，所组成的气动零碎称为负压零碎（或称真空零碎）。这里所说的负压并非是由电动机、真空泵等机械发生的，而是应用文丘里原理发生的负压。 3.4.6 气动机构 真空零碎普通由真空发作器(真空压力源)、吸盘(执行元件)、真空阀(控制元件，有手动阀、机控阀、气控阀及电磁阀)及辅佐元件(管件接头、过滤器和消声器等)组成。 图3－82所示为典型真空回路。其中，用真空发作器构成的真空回路，是正压零碎的一局部，同时组成一个完好的气动零碎。吸盘真空回路仅是气动零碎的一局部，吸盘是机械手的抓取机构，随着机械手手臂举措。 3.4.6 气动机构典型真空回路 3.4.6 气动机构 真空发作器是用来发生负压的元件。图3－83是真空发作器的符号和任务原理图，由任务喷嘴1、接纳室2、混合室3和分散室4组成。紧缩空气经过膨胀的喷嘴后构成射流，射流能卷吸四周的运动流体和它一同向前活动，称为射流的卷吸作用。而自在射流在接纳室2内的活动限制了射流与外界的接触，但从喷嘴流出的主射流还是要卷吸一局部四周的流体向前运动，于是在射流的四周构成一个高压区，接纳室2内的流体便被吸出去，与主射流混合后，经接纳室2另一端流出。这种应用一束高速流体将另一束流体（运动或低速流)吸出去，互相混合后一同流出的景象，称为引射景象。在喷嘴两端的压差到达一定值时，气流将达声速或亚声速活动，于是在喷嘴出口处（即接纳室内）可取得一定的负压。 3.4.6 气动机构真空发作器的符号和原理 3.4.6 气动机构 真空发作器的引射气流是无限的，若在引射通道接真空吸盘，则当吸盘与平板工件接触时，只需将吸盘腔室内的气体抽吸完并到达一定的真空度，就可将平板工件吸持住。 用真空发作器发生负压的特点有:①构造复杂，体积小，运用寿命长；②发生的负压力(真空度)、流量不大，但可控、可调，波动牢靠；③瞬时开关特性好，无剩余负压；④同一输入口可运用负压或交替运用正负压。 3.4.6 气动机构 真空发作器的功能目标包括： （1）耗气量。耗气量由任务喷嘴直径决议，喷嘴直径普通在0.5~3mm范围内。对同一喷嘴直径的真空发作器，其耗气量随任务压力的添加而添加。 （2）真空度。真空发作器发生的真空度最大可达88kPa。建议实践运用时，真空度可选定在70kPa，任务压力在0.5MPa左右。 （3）抽吸工夫。抽吸工夫表征了真空发作器的静态目标，表示在任务压力为0.6MPa时，抽吸1升容积空气所需工夫。显然，抽吸工夫与真空度有关，在一定的任务压力下，抽吸工夫长短决议于流经抽吸通道的抽吸流量的大小。 3.4.6 气动机构 真空吸盘是真空零碎中的执行元件，用于将外表润滑且平整的工件吸起并坚持住，柔软又有弹性的吸盘确保不会损坏工件。 图3－84为常用吸盘的构造。通常，吸盘是由橡胶资料与金属骨架压制而成的。橡胶资料有丁睛橡胶、聚胺酯和硅橡胶等，其中硅橡胶吸盘适用于食品工业。图3－84（a）所示为圆形平吸盘（VAS）；图3－84（b）所示为波纹形吸盘（VASB），其顺应性更强，允许工件外表有细微的不平、弯曲和倾斜，同时吸持工件的波纹形吸盘在挪动进程中有较好的缓冲功能。无论是圆形平吸盘还是波纹形吸盘，都在大直径吸盘构造上添加了一个金属圆盘，用以添加强度。 3.4.6 气动机构真空吸盘 3.4.6 气动机构 应用气动柔性驱动器和吸盘可以组装爬壁机器人。爬壁机器人采用气动多吸盘真空吸附，可以在空中及平整的壁面上直线匍匐与弯曲匍匐。 该机器人次要由驱动机构、吸附机构和提升安装组成。驱动机构是一个气动柔性驱动器，应用橡胶的伸缩性用特殊工艺加工而成，橡胶管壁内缠绕螺旋钢丝，以增强橡胶管的刚度，并限制橡胶管的径向变形。当通气管通入高压气体时，驱动器在气体压力的作用下发作变形，由于壁内钢丝的作用，径向变形很小，驱动器次要发生轴向的伸长；当气体压力逐步降低到与大气压相等时，螺旋钢丝和弹性橡胶膨胀，驱动器恢恢复形。 3.4.6 气动机构 吸附机构由5个吸盘及5个真空发作器组成，如图3－85所示。吸盘装置在吸盘支承板上，吸盘支承板和柔性驱动器之间经过连杆和弹簧相连，而真空发作器的出气口衔接吸盘上端的进气口。随着机器人的运动，当1组吸盘完全接触任务外表并抵达吸附形态时，对应的电磁阀翻开，与之相连的真空发作器任务并发生真空，吸盘即可吸附在任务外表上；反之，随着机器人的行进，当1组吸盘行将分开立体时，对应的电磁阀封闭，吸盘的吸附力逐步降到零而脱离任务外表。任何时辰都至多保证有3个吸盘同时吸附在任务外表上，以发生足够的吸附力，避免机器人从墙壁上滑下或倾翻。 3.4.6 气动机构气动爬壁机器人的柔性驱动器及吸附机构
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