1機電一體化技術Mechatronics

單元二機電一體化機械技術2.1概述2.2機械傳動結構2.3機械導向結構2.4機械的支承結構2.5機械執行結構學習目標1.了解機電一體化系統的功能組成、構成要素、機械執行機構2.掌握機電一體化系統的機械傳動機構、機械支承結構3.重點掌握機電一體化系統的機械運動要求、螺旋傳動、機械導向結構和支承件的設計原則4門座起重機主要由金屬結構、工作機構(起升、運行、變幅及回轉機構)、動力裝置和控制系統組成，門座起重機可實現環形圓柱體空間貨物的升降、移動，并可調整整機的工作位置，故可在較大的作業范圍內滿足貨物的裝卸門座起重機2.1概述機械系統傳動機構導向機構執行機構傳遞轉矩與轉速支撐和限制運動部件，使之按給定的運動要求和運動方向運動完成操作任務6機構：由若干運動副組成的具有確定運動的裝置。常用的機械機構有連桿機構、凸輪機構、間歇機構。相關知識機電一體化產品的運動包括沿特定軸旋轉的旋轉運動、沿規定直線的直線運動以及平面運動等，比如機器人和數控機床等。機械系統設計要求在機械系統設計時，除考慮一般機械設計要求外，還必須考慮機械結構因素與整個伺服系統的性能參數、電氣參數的匹配，以獲得良好的伺服性能。

傳統機械系統一般是由動力件、傳動件、執行件三部分加上電氣、液壓和機械控制等部分組成，而機電一體化中的機械系統是由計算機協調和控制的，用于完成包括機械力、運動和能量流等動力學任務的機械和(或)機電部件相互聯系的系統組成。其核心是由計算機控制的，包括機、電、液、光、磁等技術的伺服系統。這就對執行器提出了更高的要求，存在機械裝置、執行器及驅動器之間的協調與匹配問題。從總體上講，機電一體化中的機械系統除了滿足一般機械設計的要求外，還必須滿足以下幾種特殊要求。

高精度精度是機電一體化產品的重要性能指標，對其機械系統設計主要是執行機構的位置精度，其中包括結構變形、軸系誤差和傳動誤差，另外還要考慮溫度變化的影響。小慣量傳動件本身的轉動慣量會影響系統的響應速度及系統的穩定性。大剛度機電一體化機械系統要有足夠的剛度，彈性變形要限制在一定范圍之內。機械系統設計要求9機械系統設計機電一體化機械系統設計一樣有傳動設計和結構設計部分，只是由于機電一體化的特征決定了在機械系統設計過程中有它自身的特點。

機械傳動

設計

機械結構

設計機械傳動設計的任務是把動力機產生的機械能傳遞到執行機構上去，機電一體化系統中機械傳動系統的設計就是面向機電伺服系統的伺服機械傳動系統設計。綜合考慮各個零部件的制造、安裝精度，結構剛度，穩定性以及動作的靈敏性和易控性。2.2機械傳動機構機械傳動機構基本要求:轉動慣量小、剛度大、阻尼合適，此外還要求摩擦小、抗振性好、間隙小，特別是其動態特性與伺服電動機等其他環節的動態特性相匹配。2.2機械傳動機構2.2.1齒輪傳動提高傳動精度的結構措施有以下幾種。①適當提高零部件本身的精度。②合理設計傳動鏈，減少零部件制造、裝配誤差對傳動精度的影響。③采用消隙機構，以減少或消除空程圓柱齒輪傳動1.偏心軸套調整法。簡單的偏心軸套式消隙結構。電機1是通過偏心軸套2裝到殼體上，通過轉動偏心軸套的轉角，就能夠方便地調整兩嚙合齒輪的中心距，從而消除了圓柱齒輪正、反轉時的齒側隙。1-電動機;2-偏心軸套圓柱齒輪傳動(2)錐度齒輪調整法。用帶有錐度的齒輪來消除間隙的機構。在加工齒輪1和2時，將假想的分度圓柱面改變成帶有小錐度的圓錐面，使其齒厚在齒輪的軸向稍有變化(其外形類似于插齒刀)。裝配時只要改變墊片3的厚度就能調整兩個齒輪的軸向相對位置，從而消除了齒側間隙。但如增大圓錐面的角度，則將使嚙合條件惡化。1、2-齒輪;3-熱片圓柱齒輪傳動

(3)雙向薄齒輪錯齒調整法。采用這種消除齒側隙的一對嚙合齒輪中，其中一個是寬齒輪，另一個由兩相同齒數的薄片齒輪套裝而成，兩薄片齒輪可相對回轉。裝配后，應使一個薄片齒輪的齒左側和另一個薄片齒輪的齒右側分別緊貼在寬齒輪的齒槽左、右兩側，這樣錯齒后就消除了齒側隙，反向時不會出現死區。1、2-齒輪;3、8-凸耳;4-彈簧;5、6-螺母;7-螺釘斜齒輪傳動左圖是墊片錯齒調整法，薄片齒輪由平鍵和軸連接，互相不能相對回轉。斜齒輪1和2的齒形拼裝在一起加工。裝配時，將墊片厚度增加或減少△t，然后再用螺母擰緊。這時兩齒輪的螺旋線就產生了錯位，其左右兩齒面分別與寬齒輪的齒面貼緊，從而消除了間隙。墊片錯齒調整法斜齒輪傳動右圖是軸向壓簧錯齒調整法，其特點是齒側隙可以自動補償，但軸向尺寸較大，結構不緊湊。軸向壓簧錯齒調整法2.2機械傳動機構2.2.2帶傳動普通帶傳動優點:①運行平穩無噪聲;②過載時將引起帶在帶輪上打滑，因而可防止其他零件損壞;③制造和安裝精度不像嚙合傳動那樣嚴格;④可增加帶長以適應中心距較大的工作條件(可達15m)。缺點:①帶與帶輪的彈性滑動使傳動比不準確，效率較低，壽命較短;②傳遞同樣大的圓周力時，外廓尺寸和軸上的壓力都比嚙合傳動大;③不宜用于高溫、易燃等場合。2.2.2帶傳動帶傳動張緊裝置(1)定期張緊裝置:調節中心距使帶重新張緊。(a)移動式(b)擺動式1-滑軌;a-螺母;3-調節螺釗

(2)自動張緊裝置:常用于中小功率的傳動。下圖所示是將裝有帶輪的電動機安裝在擺架上，而利用電動機和擺架的重量，自動保持張緊力。2.2.2帶傳動帶傳動張緊裝置

(3)使用張緊輪的張緊裝置:當中心距不能調節時，可使用張緊輪把帶張緊，如圖所示。張緊輪一般應安裝在松邊內側，使帶只受單向彎曲，以減少壽命的損失;同時張緊輪還應盡量靠近大帶輪，以減少對包角的影響。張緊輪的使用會降低帶輪的傳動能力，在設計時應適當考慮。2.2.2帶傳動帶傳動張緊裝置2.2.2帶傳動同步帶傳動是一種嚙合型帶傳動，兼有帶傳動和齒輪傳動的特點。同步帶傳動工作時無相對滑動，能保證準確的傳動比。傳動功率較大(數百千瓦)、傳動效率高(達0.98)，傳動比較大(i<12～20)，允許帶速高(最大50m/s)，而且初拉力較小，對軸和軸承產生的壓力小，但制造、安裝要求高、價格較貴。同步齒形帶傳動2.2.3齒輪齒條傳動機構優點：承載力大，傳動精度較高，可達0.1mm，可無限長度對接延續，傳動速度可以很高，>2m/s，缺點：若加工安裝精度差，傳動噪音大，磨損大。典型用途：大版面鋼板、玻璃數控切割機，建筑施工升降機可達30層樓高。特點：2.2.3齒輪齒條傳動機構1.雙片薄齒輪錯齒調整法：適用于小傳動負載。2.雙齒輪調整法：適用于大傳動負載。如圖所示，小齒輪1,6分別與齒條7嚙合，與小齒輪1,6同軸的大齒輪2,5分別與齒輪3嚙合，通過預載裝置4向齒輪3上預加負載，使大齒輪2,5同時向兩個相反方向轉動，從而帶動小齒輪1,6轉動，其齒便分別緊貼在齒條7上齒槽的左、右側，消除了齒側間隙。消除齒隙方法：1、6-小齒輪;2、5-大齒輪;3-齒輪;4-預載裝置;7-齒條2.2.4螺旋傳動2.2.4螺旋傳動（b）壓力機螺旋傳動的功用：★利用螺桿和螺母實現傳遞運動和動力。FNTFNT★它既能將回轉運動轉變為直線運動，又能將直線運動轉變為回轉運動。（a）千斤頂（c）進給機構F絲杠螺母機構的分類1）按功能分a)傳遞力/能量為主（傳力螺旋）千斤頂壓力機2.2.4螺旋傳動特點：低速、間歇工作，傳遞軸向力大、能自鎖。b)傳遞運動為主（傳動螺旋）機床工作臺的進給絲杠特點：速度高、連續工作、精度高。2.2.4螺旋傳動c)調整位置（調整螺旋）特點：受力較小且不經常轉動。虎鉗微調螺旋2.2.4螺旋傳動2）按摩擦方式分滑動絲杠螺母機構：優點：a)結構簡單b)加工方便c)成本低d)具有自鎖功能缺點：a)摩擦阻力較大b)傳動效率低(30%~40%)絲杠螺母機構的分類2.2.4螺旋傳動（a）滑動螺旋滾動絲杠螺母機構：優點：a)傳動效率高（92%~98%）b)摩擦阻力小c)傳動精度高缺點：a)結構復雜b)成本高c)無自鎖功能2）按摩擦方式分絲杠螺母機構的分類2.2.4螺旋傳動（b）滾動螺旋2.2.4螺旋傳動滑動螺旋傳動的形式與應用三大類：1.其中一個固定不動，另一個即作回轉運動，又作直線移動。2.（兩個件都動）；其中一個作回轉運動，另一個作直線移動。3.差動螺旋傳動。（1）、螺母固定不動，螺桿既回轉又作直線移動例如：臺虎鉗（2）、

螺桿固定不動、螺母既回轉又作直線運動

螺紋千斤頂（3）、

螺桿（一個）回轉，螺母（另一個）作直線運動

2.2.4螺旋傳動滑動螺旋傳動的形式與應用1、2-螺母;3-螺桿差動螺旋傳動；由兩個螺旋副組成的使活動螺母與螺桿產生差動的螺旋傳動。說明：組合螺桿由兩段螺距或旋向不同的螺桿組合為一體，分別與活動螺母和固定螺母配合，組成兩組螺旋副。當螺桿回轉時，螺桿相對于固定螺母、活動螺母相對于螺桿均有直線運動，最終體現為活動螺母的運動，形成一種差動關系。2.2.4螺旋傳動例：普通機床絲杠螺母傳動的類型和特點1）螺母固定，絲杠轉動并移動：特點：結構簡單，傳動精度較高，螺母支撐桿可消除附加軸向竄動，剛性較差。2）絲杠轉動，螺母移動：特點：結構緊湊，絲桿剛性高。要限制螺母轉動，故需導向裝置。2.2.4螺旋傳動例：普通機床絲杠螺母傳動的類型和特點3）螺母轉動，絲杠移動：特點：結構復雜，占用空間大，傳動時需限制螺母移動和絲杠轉動。2.2.4螺旋傳動例：普通機床絲杠螺母傳動的類型和特點4）絲杠固定，螺母轉動并移動：特點：結構簡單，緊湊，絲桿剛性較高，但使用不方便，應用較少。2.2.4螺旋傳動例：普通機床絲杠螺母傳動的類型和特點2.2.4螺旋傳動螺旋副零件與滑板連接結構的確定。1.剛性連接結構。2.彈性連接結構。1-轉動手輪;2-絲杠;3-活動螺母;4-彈簧;5-支承鋼珠;6-端蓋;7-片簧;8-工作臺2.2.4螺旋傳動螺旋副零件與滑板連接結構的確定。3.活動連接結構。1-滑板;2-螺桿;3-中間桿影響螺旋傳動精度的因素及提高傳動精度的措施。螺紋參數誤差螺桿軸向竄動誤差偏斜誤差溫度誤差2.2.4螺旋傳動消除螺旋傳動空回的方法。利用單向作用力利用調整螺母利用塑料螺母徑向調整法軸向調整法開槽螺母結構卡簧式螺母結構對開螺母結構緊定螺釘螺母結構當螺旋機構中存在間隙，若螺桿的轉動方向改變，螺母不能立即產生反向運動，只有螺桿轉動某一角度后才能使螺母開始反向運動的現象。

滑動絲杠螺母傳動存在如下問題：接觸面間存在著較大的滑動摩擦阻力傳動效率低磨損快精度不高使用壽命短已不能適應機電一體化設備在高速度、高效率、高精度等方面的要求。2.2.4螺旋傳動滾珠絲杠螺母傳動則是為了適應機電一體化機械系統的要求而發展起來的一種新型傳動機構。滾動螺旋傳動—滾珠絲杠螺母副機構在螺桿和螺母制建設有封閉循環的滾道，在滾道間填充鋼珠，使螺旋副的滑動摩擦變為滾動摩擦，提高傳動效率，這種傳動稱為螺旋傳動，又稱為滾珠絲杠副。滾動螺旋傳動—滾珠絲杠螺母副機構滾動螺旋傳動—滾珠絲杠螺母副機構（1）滾珠絲杠螺母的工作原理滾珠絲杠副的結構原理圖滾珠絲杠副由絲杠、螺母、滾動體和滾動體循環裝置組成。工作時，螺母4與需作直線往復運動的零部件相連，絲杠1旋轉帶動螺母4作直線往復運動，從而帶動零部件作直線往復運動。在絲杠1、螺母4和端蓋2（滾珠循環裝置）上都制有螺旋槽，由這些槽對合起來形成滾珠循環通道，滾珠3在此通道內循環滾動。為了防止滾珠3從螺母中掉出，螺母螺旋槽的兩端應封住。滾動螺旋傳動—滾珠絲杠螺母副機構（1）滾珠絲杠螺母的工作原理滾動螺旋傳動—滾珠絲杠螺母副機構（2）滾珠絲杠螺母的特點

滾珠絲杠副的特點如下。①傳動效率高。②給予適當預緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時就可以消除空行程死區，定位精度高，剛度好③運動平穩，無爬行現象，傳動精度高④運動具有可逆性，可以從旋轉運動轉換為直線運動，也可以從直線運動轉換為旋轉運動，即絲杠和螺母都可以作為主動件。⑤磨損小，使用壽命長⑥制造工藝復雜。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。⑦不能自鎖。特別是對于垂直絲杠，由于自重慣力的作用，下降時當傳動切斷后，不能立刻停止運動，故常需添加制動裝置。1）按用途a)定位滾珠絲杠通過旋轉角度和導程控制軸向位移量。稱為P類滾珠絲杠。滾動螺旋傳動—滾珠絲杠螺母副機構b)傳動滾珠絲杠

用于傳動動力的滾珠絲杠。

稱為

T類

滾珠絲杠。滾動螺旋傳動—滾珠絲杠螺母副機構2）按螺紋滾道法向截形螺紋滾道法向截形是指通過滾珠中心且垂直于滾道螺旋面的平面和滾道表面交線的形狀。常用的截形有兩種，單圓弧形和雙圓弧形。滾珠與滾道表面在接觸點處的公法線與過滾珠中心的螺桿直徑線間的夾角β叫接觸角。理想接觸角β＝450。滾動螺旋傳動—滾珠絲杠螺母副機構a)單圓弧形螺紋滾道法向截形為單圓弧形。

特點：成型比較簡單，易于得到較高的精度。但接觸角轉動中不斷變化，因此，效率、承載能力和軸向剛度均不夠穩定。一般在輕載條件下工作。單圓弧形滾動螺旋傳動—滾珠絲杠螺母副機構b)雙圓弧形螺紋滾道法向截形為雙圓弧形。特點：接觸角在工作過程中基本保持不變，效率、承載能力和軸向剛度穩定，磨損較小，傳遞精度高。但雙圓弧形砂輪修整、加工、檢驗比較困難。雙圓弧形滾動螺旋傳動—滾珠絲杠螺母副機構3）按滾珠循環方式按滾珠在整個循環過程中與螺桿表面的接觸情況，滾珠的循環方式可分為內循環和外循環兩類。滾珠在循環過程中始終與螺桿保持接觸的循環叫內循環。滾珠在返回時與螺桿脫離接觸的循環稱為外循環。滾動螺旋傳動—滾珠絲杠螺母副機構內循環的工作圈數是一列只有一圈，因而回路短，滾珠少，滾珠的流暢性好，效率高。此外，它的徑向尺寸小，零件少，裝配簡單。內循環的缺點是反向器的回珠槽具有空間曲面，加工較復雜。a)內循環滾動螺旋傳動—滾珠絲杠螺母副機構按結構的不同，外循環可分為：b)外循環螺旋槽式插管式端蓋式滾動螺旋傳動—滾珠絲杠螺母副機構特點：結構工藝簡單，易于制造，螺母徑向尺寸小。缺點是擋珠器剛度較差，容易磨損。螺旋槽式滾動螺旋傳動—滾珠絲杠螺母副機構特點：結構簡單，工藝性好，適于批量生產。缺點是彎管突出在螺母的外部，徑向尺寸較大，若用彎管端部作擋珠器，則耐磨性較差。插管式滾動螺旋傳動—滾珠絲杠螺母副機構特點：結構緊湊，工藝性好。缺點是滾珠通過短槽時容易卡住。端蓋式滾動螺旋傳動—滾珠絲杠螺母副機構4）按消除軸向間隙的調整預緊方法滾珠絲杠副除了對本身單一方向的傳動精度有要求外，對其軸向間隙也有嚴格要求，以保證其反向傳動精度。滾珠絲杠副的軸向間隙是承載時在滾珠與滾道型面接觸點的彈性變形所引起的螺母位移量和螺母原有間隙的總和。滾動螺旋傳動—滾珠絲杠螺母副機構通常采用雙螺母預緊或單螺母的方法，把彈性變形控制在最小限度內，以減小或消除軸向間隙，并可以提高滾珠絲杠副的剛度。常用的雙螺母預緊調整方法有三種：墊片調隙式、螺紋調隙式、齒差調隙式。滾動螺旋傳動—滾珠絲杠螺母副機構墊片調隙式調整墊片2的厚度Δ，可使螺母1產生軸向移動，以達到消除軸向間隙和預緊的目的。滾動螺旋傳動—滾珠絲杠螺母副機構根據墊片厚度不同分成兩種形式，當墊片厚度較厚時即產生“預拉應力”，而當墊片厚度較薄時即產生“預壓應力”以消除軸向間隙。特點：結構簡單，可靠性高，剛性好。缺點是精確調整比較困難。故適用于一般精度的傳動機構。滾動螺旋傳動—滾珠絲杠螺母副機構螺紋調隙式螺母1的外端有凸緣，螺母3加工有螺紋的外端伸出螺母座外，以兩個圓螺母2鎖緊。旋轉圓螺母即可調整軸向間隙和預緊。特點：結構緊湊，工作可靠，調整方便。缺點是不很精確。滾動螺旋傳動—滾珠絲杠螺母副機構(3)滾珠絲杠副的精度。

滾珠絲杠副的精度等級為1,2,3,4,5、7,10級精度，代號分別為1,2,3,4,5,7,10。其中1級為最高，依次逐級降低

(4)滾珠絲杠副的標注方法。

滾珠絲杠副的型號根據其結構、規格、精度和螺紋旋向等特征按下列格式編寫:

負荷滾珠總圈數為1.5,2,2.5,3,3.5,4,4.5,5圈，代號分別為1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5。螺旋旋向為左、右旋，只標左旋代號為LH，右旋不標。滾珠螺紋的代號用GQ表示，標注在公稱直徑前，如GQ50x8-3滾動螺旋傳動—滾珠絲杠螺母副機構

例：CTC63x10-3.5-3.5/2000x1600

表示為插管突出式外循環(CT)，雙螺母齒差預緊(C)的滾珠絲杠副，公稱直徑63mm，基本導程10mm，負荷滾珠總圈數3.5圈，精度等級3.5級，螺紋旋向為右旋，絲杠全長為2000mm,螺紋長度為1600mm滾動螺旋傳動—滾珠絲杠螺母副機構682.3機械導向結構692.3機械導向結構

機電系統的支承部件包括導向支承部件、旋轉支承部件和機座機架。作用：支承和限制運動部件按給定的運動要求和規定的運動方向運動。基本組成：定導軌、動導軌、輔助導軌、間隙調整元件以及工作介質/元件等組成。分類：（1）按運動軌跡分：直線和圓周運動導軌（2）按運動性質分：

主運動導軌:動導軌與支承導軌之間，相對運動的速度較高。進給運動導軌:動導軌與支承導軌之間，相對運動的速度較低。

移置導軌：只用于調整部件之間的相對位置，移置后固定，在加工時沒有相對運動。（3）按摩擦性質分：滑動導軌

滾動導軌：在兩導軌面間裝有球、滾子或滾針等滾動元件，具有滾動摩擦的性質，廣泛地應用于進給運動導軌和旋轉主運動導軌。

靜壓導軌：油膜壓強靠液壓泵建立，兩導軌面間有一層靜壓油膜，多用于進給運動導軌。

動壓導軌：當導軌面間的相對滑動速度達到一定值后，液體的動壓效應使導軌油腔處出現壓力油楔，把兩導軌面分開，從而形成液體摩擦。只能用于高速的場合，故僅用作主運動導軌。普通滑動導軌

流體介質導軌

三角形導軌：磨損后，能自動補償間隙，導向精度隨其頂角的減小而提高，但頂角的減小使承載能力和剛性下降；三角形導軌的制造工藝較復雜。矩形導軌：承載能力大，剛性較高，形狀規則，制造和維修方便；但矩形導軌側面有間隙，導向精度較低。燕尾形導軌：高度尺寸小，結構緊湊，能承受顛復力矩；但燕尾形導軌磨擦阻力大，制造工藝復雜。圓柱形導軌：導向性好，剛性高；但其制造精度要求較高，磨損后，導軌間隙調整較困難。特點：2.3.1滑動摩擦導軌一、導軌的截面形狀及其特點1、直線運動滑動導軌截面形狀：主要有三角形、矩形、燕尾形、圓柱形，都有凹凸之分。二、導軌的基本要求1、導向精度高。導向精度是指運動件按給定方向作直線運動的準確程度，它主要取決于導軌本身的幾何精度及導軌配合間隙。導軌在豎直平面內的直線度。導軌在水平平面內的直線度。兩導軌面間的平行度。

因此，在設計或選用導軌副時，重點考慮影響導向精度的主要因素有：

·

導軌結構類型。

·

導向精度（直線度）和接觸精度（平面度和接觸面積）。

·

導軌運動配合精度（間隙）。

·

油膜厚度和油膜剛度。

·

導軌和機架的結構剛度和接觸剛度。

·

導軌和機架的熱變形（熱敏感性）。

·

裝配質量以及液體動壓和靜壓導軌的油膜厚度、油膜剛度等。二、導軌的基本要求2、運動輕便、平穩、低速時無爬行現象。消除爬行現象的主要措施：（1）減少動、靜摩擦系數的之差和改變動摩擦系數隨速度變化的特性。用滾動摩擦代替滑動摩擦；采用卸荷導軌和靜壓導軌；采用減摩材料；采用導軌油。（2）提高傳動機構的剛度。影響精度保持性的主要因素是磨損。必須提高導軌的耐磨性，盡可能減小導軌的磨損的不均勻程度（沿導軌全長的均勻和不均勻磨損都會影響其精度），并使磨損后能自動補償或調整。影響因素：導軌的材料、熱處理、加工的工藝方法、磨擦性質及受力情況（即導軌的比壓、潤滑和防護）等有關。二、導軌的基本要求3、耐磨性好。在可能的情況下，應盡量使導軌結構簡單，便于制造和維護。對于刮研導軌，應盡量減少刮研量。對于鑲裝導軌，應做到更換容易。二、導軌的基本要求4、結構簡單、工藝性好。5、足夠的剛度。

導軌的剛度（要求）：導軌抵抗外載荷的能力，從而不影響導向部件的導向精度（運動精度）。通常分為：靜剛度——抵抗恒定載荷的能力。動剛度——抵抗交變載荷的能力。每一類剛度都包括：結構剛度、接觸剛度、局部剛度。在一般情況下，為減輕或平衡外力的影響，可采用加大導軌尺寸或添加輔助導軌的方法提高剛度。二、導軌的基本要求6、對溫度變化的不敏感性。三、常見導軌副組合與間隙調整、特點(1)圓柱面導軌。優點：導軌面的加工和檢驗比較簡單，易于達到較高的精度;缺點：對溫度變化比較敏感，間隙不能調整。1-螺母;2-螺釘;3-支臂;4-墊塊;5-立柱最簡單的防轉結構是在運動件和承導件的接觸表面上作出平面、凸起或凹槽。圖2-30(a),(b)、(c)是這種防轉結構的幾個例子。利用輔助導向面可以更好地限制運動件的轉動[圖2-30(d)],適當增大輔助導向面與基本導向面之間的距離，可減小由導軌間的間隙所引起的轉角誤差。當輔助導向面也為圓柱面時，即構成雙圓柱面導軌[圖2-30(e)]，它既能保證較高的導向精度，又能保證較大的承載能力。（2）棱柱面導軌

特點：兩導軌磨損均勻，能自動補償垂直和水平方向下磨損，接觸剛度好，導向和精度保持性高，但工藝性差，熱敏感性較大。主要用于高精機床。

1）雙三角形導軌（2）棱柱面導軌

特點：導向精度高、承載能力大的優點，避免了由于熱變形所引起的配合狀況的變化，且工藝性比雙三角形導軌大為改善，因而應用很廣。缺點是兩條導軌磨損不均勻，磨損后不能自動調整間隙。2）三角形-平面導軌（2）棱柱面導軌

特點：承載能力和剛度較大。優點是結構簡單，制造、檢驗、修理較易。缺點是磨損后不能自動補償間隙，導向精度不如三角形導軌。3）矩形導軌（2）棱柱面導軌

特點：優點是結構緊湊、調整間隙方便。缺點是幾何形狀比較復雜，難以達到很高的配合精度，并且導軌中的摩擦力較大，運動靈活性較差。4）燕尾導軌1、2-零件;3-墊片四、導軌間隙的調整導軌接合面之間都存在間隙。間隙過小，增加運動阻力，加速導軌磨損間隙過大，降低導向精度，容易產生振動調整方法：采用鑲條和壓板。1.

采用磨、刮相應的結合面或加墊片的方法，以獲得合適的間隙。2．鑲條

鑲條用來調整矩形導軌和燕尾形導軌的側隙，以保證導軌面的正常接觸。常用的有平鑲條和斜鑲條。放在導軌受力較小的一側。（1）平鑲條

（2）斜鑲條

斜鑲條的兩個面分別與動導軌和支承導軌均勻接觸，所以比平鑲條剛度高。斜鑲條的斜度為1∶100～1∶40，鑲條越長斜度應越小，以免兩端厚度相差太大。五、提高導軌耐磨性的措施

(1)合理選擇導軌的材料及熱處理。導軌的材料：鑄鐵、鋼、有色金屬、塑料等。對導軌材料的主要要求：耐磨性高、工藝性好、成本低等。（一）鑄鐵1、特點：成本低，有良好的減振性和耐磨性，易于鑄造和切削加工。

2、材料：灰鑄鐵HT200。孕育鑄鐵HT300。

耐磨鑄鐵加入合金元素，如高磷鑄鐵、磷銅鈦鑄鐵、釩鈦鑄鐵，耐磨性比孕育鑄鐵高一倍，力學性能好，成本高，多用于精密機床3、鑄鐵導軌的淬火：感應淬火和火焰淬火。

目的：提高導軌表面的硬度，提高耐磨性。

（二）鋼1、應用：鑲鋼支承導軌。2、特點：可大幅度地提高導軌的耐磨性。工藝復雜、加工較困難、成本也較高。3、常用材料：45或40Cr，整體淬硬，

HRC≥48。

20Cr，滲碳淬硬，

HRC≥60。（三）有色金屬1、應用：用有色金屬板材鑲裝導軌在動導軌上，與鑄鐵的支承導軌相搭配。2、特點：耐磨性較高，可以防止撕傷和保證運動的平穩性和提高移動精度。3、材料：錫青銅ZQSn6—6—3、鋁青銅ZQAl9-4、（黃銅H62、H68）。（四）塑料1、應用：在動導軌上鑲裝塑料軟帶。與淬硬的鑄鐵支承導軌和鑲鋼支承導軌組成導軌副。2、特點：摩擦系數低、耐磨性高、抗撕傷能力強、低速時不易出現爬行、加工性和化學穩定性好、工藝簡單、成本低等優點。3、材料：（1）塑料軟帶：氟塑料導軌軟帶五、提高導軌耐磨性的措施

(2)減小導軌面壓強。靜壓卸載導軌五、提高導軌耐磨性的措施

(2)減小導軌面壓強。水銀卸載導軌1-浮子;2-水銀槽五、提高導軌耐磨性的措施

(2)減小導軌面壓強。機械卸載導軌五、提高導軌耐磨性的措施

(3)保證導軌良好的潤滑。(4)提高導軌的精度。2.3.2滾動摩擦導軌型式－運動件和承導件之間放置滾動體（滾珠、滾柱、滾動軸承等）特點摩擦系數小、運動靈便，不易出現爬行現象；定位精度高；磨損較小，壽命長，潤滑方便；結構較為復雜，加工較困難，成本較高；對臟物及導軌面的誤差比較敏感。

1.滾珠導軌滾珠導軌有兩種典型結構形式。2.3.2滾動摩擦導軌1-隔離架;2-限動銷滾珠循環式滾動導軌的結構簡圖1-運動件;2-滾珠;3-承濘件;4-返回器;5-工作滾道;6-返回滾道2.3.2滾動摩擦導軌2.滾柱導軌和滾動軸承導軌為了提高滾動導軌的承載能力和剛度，可采用滾柱導軌或滾動軸承導軌。這類導軌的結構尺寸較大，常用在比較大型的精密機械上。

(1)交叉滾柱V一平導軌。特點：不用保持架，可增加滾動體數目，提高導軌剛度。2.3.2滾動摩擦導軌2.滾柱導軌和滾動軸承導軌為了提高滾動導軌的承載能力和剛度，可采用滾柱導軌或滾動軸承導軌。這類導軌的結構尺寸較大，常用在比較大型的精密機械上。(2)V一平滾柱導軌。特點：加工比較容易1042.4機械的支承結構床腿床腿床身支承機械系統其它各部件，承受切削力、重力、慣性力、摩擦力等靜態力和動態力。保證各部件之間的相對位置精度和運動部件的相對運動軌跡的準確關系。內部空間可存放冷卻液、潤滑液、液壓油的油箱、電動機。一、支承系統的功用支承件——床身、立柱、橫梁、搖臂、底座、刀架、工作臺、箱體和升降臺等尺寸及重量較大的零件大件2.4機械的支承結構二、支承件的類型臥式機座立式機座門式機座環式機座二、支承件的類型箱體蓋及外罩框架式機架珩架式機架臺式機架基座及基板梁類

一個方向的尺寸比另外兩個方向的尺寸大得多的零件。如機床的床身、立柱、橫梁、搖臂、滑枕等。板類

工作臺、刀架等。一個方向的尺寸比另外兩個方向的尺寸小得多的零件。如機床的底座箱類

三個方向的尺寸大致一樣的零件。如機床的箱體、升降臺等。框架類

如支架、橋架、桁架等。二、支承件的類型鑄造件：吸振能力強，剛度高，價格低。焊接件：用鋼板、槽鋼、工字鋼。單件小批，生產周期短。二、支承件的類型１.足夠的剛度支承件在靜載荷作用下抵抗變形的能力稱為支承件的靜剛度。要求支承件的額定載荷作用下，變形不超過允許值。支承件應具有較大的剛度——質量比。２.足夠的抗振性包括較大的動剛度和阻尼；與其它部件相配合，使整機的各階固有頻率不致與激振頻率重合而產生共振；不會發生薄壁振動而產生噪聲等。三、支承件的基本要求３.較小的熱變形由于動力系統發熱、摩擦熱、切削熱、環境溫度變化等使支承件產生不均勻熱變形和熱應力。熱變形和內應力都將破壞部件間的相互位置關系，降低機械系統的工作精度。４.小的內應力支承件在鑄造、焊接和粗加工過程中，材料內部形成內應力；使用中內應力會重新分布和逐漸消失，引起支承件變形；結構上要保證內應力最小，時效處理。５.其他應考慮吊運安全，液壓、電器布置合理、便于加工和裝配。機床支承件還要考慮便于冷卻液、潤滑液的回收、排屑方便。三、支承件的基本要求常用材料鑄鐵：材料價格便宜、阻尼大抗振性好、容易獲得復雜的結構。但鑄件需要木模，制造周期長，批量小時成本高，易產生縮孔與砂眼（氣泡）等缺陷。適用場合：生產批量較大的支承件。鑄鐵支承件，如果導軌與支承件鑄為一體，則鑄鐵的牌號應根據導軌的要求選擇；如果導軌是鑲裝上去的，或者支承件上沒有導軌，則一般可采用HT150。四、支承件的材料鋼材焊接：鋼材彈性模量大，重量可以輕一點；添加隔板、加強筋靈活，且容易改型，但鋼材的阻尼小；焊接時易產生變形。適用場合：單件小批生產的支承件，結構簡單，要求不高的機械。如果支承件由型鋼和鋼板焊接，則常用Q235AF或Q275鋼四、支承件的材料常用材料其他材料：輕合金，鋼板外殼的混凝土，包泥芯的鑄件，花崗巖。

預應力鋼筋混凝土支承件(主要為床身、立柱、底座等）近年來有較大的發展。混凝土的比重是鋼的1/3，彈性膜量是鋼的1/10～1/15，阻尼高于鑄鐵，適合于制造受載均勻，截面積大、抗振性要求較高的支承件。

采用鋼筋混凝土可節約大量鋼材，降低成本。但鋼筋混凝土支承件的變形、侵蝕、導軌與支承件連接剛度不足等問題，有待進一步研究解決。四、支承件的材料常用材料支承件的結構設計主要是解決剛度問題，包括靜剛度和動剛度。因此，要正確選擇截面形狀和截面尺寸，合理布置隔板和加強筋，并注意多支承件之間的連接剛度。

1.提高支承件剛度的一般措施支承件是一個復雜的受力體，受到拉、壓、彎、扣的組合作用。從《材料力學》的知識我們知道:物體在受簡單的拉壓時，其變形與截面積有關而與截面形狀無關;在彎曲或扭轉時，則不但與截面積有關而且與截面形狀有關。五、支承件的設計原則支承件主要是承受力矩、扭矩以及彎扭復合載荷；自身剛度主要考慮——彎曲剛度和扭轉剛度；在彎、扭載荷作用下，支承件的變形與截面的抗彎慣性矩和抗扭慣性矩有關；材料和截面積相同而形狀不同時，截面慣性矩相差很大。（1）正確選擇支承件的截面形狀（1）正確選擇支承件的截面形狀（1）正確選擇支承件的截面形狀在截面積相同的條件下：空心截面慣性矩比實心的大；方形截面抗彎能力大，圓形截面抗扭能力強，矩形截面抗彎能力更好；封閉截面比非封閉截面的剛度大得多。（1）正確選擇支承件的截面形狀隔板（肋板）隔板（肋板）是指布置在支承件兩外壁之間并將兩外壁連接在一起的內板。隔板功用——把作用于支承件局部地區的載荷傳遞給其它壁板，從而使整個支承件各壁板能比較均勻的承受載荷。當支承件不能采用全封閉截面時，常常布置隔板來提高支承件的自身剛度。縱向隔板——主要提高抗彎剛度橫向隔板——主要提高抗扭剛度斜向隔板——兼有提高抗彎剛度和抗扭剛度的效果(2)合理設置隔板和加強筋Ｔ形隔板W形隔板Π形隔板半封閉斜向隔板床身隔板的幾種形式(2)合理設置隔板和加強筋必須注意隔板的布置方向：縱向隔板應布置在彎曲平面內，此時隔板對X軸的慣性矩為：Jb=ab3/12若將隔板布置在與彎曲平面相垂直的平面內時，則慣性矩為Ja=ba3/12由于Ja>Jb

，所以圖a的

抗彎剛度比圖b要大得多(2)合理設置隔板和加強筋龍門銑床立柱和床身中的肋條(2)合理設置隔板和加強筋(2)合理設置隔板和加強筋加強筋指配置在支承件內壁上的條狀金屬，它不連接支承件的整個斷面。功用——主要是為了減少支承件的局部變形和防止薄壁振動。(3)提高接觸剛度兩個平面相接觸時，由于平面的宏觀不平度和微觀不平度，所以只是一些高點相接觸；支承件各接觸面抵抗接觸變形的能力——接觸剛度。接觸剛度(3)提高接觸剛度兩個平面相接觸時，由于平面的宏觀不平度和微觀不平度，所以只是一些高點相接觸；支承件各接觸面抵抗接觸變形的能力——接觸剛度。接觸剛度(3)提高接觸剛度提高接觸剛度可采用以下措施。①減小表面粗糙度的數值一般應選到Ra<1.6um②擰緊固定螺栓，使接觸表面有200N/mm的預壓力，以消除表面不平整的影響，提高接觸剛度;預壓力應用測力扳手來控制。③合理選擇連接部位的形狀，提高局部剛度，以防止產生局部變形，造成接觸不良，降低接觸剛度。(3)提高接觸剛度圖2-47(a)為凸緣式，局部剛度較差:采用壁完式[圖2-47(b)]或局部加強（1）封砂、鑄造，即保留鑄造件中的砂芯。在支承件內腔充填泥芯或混凝土等具有高內阻尼的材料。2.提高阻尼的一般措施

五、支承件的設計原則（2）采用具有阻尼性能的焊接結構。如采用間斷焊縫、焊減振接頭等來加大摩擦阻尼。（３）對于彎曲振動結構尤其是薄壁結構，在其表面噴涂一層具有高內阻尼的粘滯性材料，如瀝青基制成的膠泥減振劑、高分子聚合物和油漆膩子等，或采用石墨纖維的約束帶和內阻尼高、剪切膜量極低的壓敏式阻尼膠等。2.提高阻尼的一般措施

1312.5機械執行機構刀架1322.5機械執行機構特點：響應速度快動態特性好動靜態精度高動作靈敏度高要求：應滿足效率高、體積小、質量輕、自控性強、可靠性高等要求。一種能在一定范圍內精確、微量地移動到給定位置或實現特定的進給運動的機構。

一、微動機構機電一體化機械系統中一種確保移動件占據準確位置的執行機構，通常采用分度機構和鎖緊機構組合的形式來實現精確定位的要求。

二、定位機構一種在一定空間范圍內，能使刀架執行自動松開、轉位、精密定位等一系列動作的一種機構。

三、數控機床回轉刀架1-軸;2-蝸輪;3-下端齒盤;4-上端齒盤;5-刀架;6-套筒;7-軸套;8-銷;9-聯軸套;10-軸;11-蝸桿;12-托縮開關;13-套筒;14-托縮彈簧;15-電動機工業機器人是一種自動控制、可重復編程、多功能、多自由度的操作機，用來搬運物料、工件或操作工具以及完成其他各種作業的機電一體化設備。工業機器人末端執行器裝在操作機手腕的前端，是直接實現操作功能的機構。四、工業機器人末端執行器末端執行器圓弧形夾持器特種末端執行器工具型末端執行器萬能手137(a)圓弧開合型夾持器;(b)圓弧平行開合型夾持器圖2-51圓弧型夾持器圖2-52特種末端執行器(a)真空吸附手(b)電磁吸附手圖2-53工具型末端執行器(a)弧焊焊槍;(b)點焊槍;(c)轉塔式多功能末端執行器圖2-54靈巧手小結１.機電一體化機械系統主要包括傳動機構、導向及支承機構、執行機構三大部分。２.機電一體化機械系統必須滿足高精度、小慣量、大剛度等要求。３.機械傳動部件有齒輪傳動、帶傳動、鏈傳動、螺旋傳動以及各種非線性傳動部件等。４.導軌副主要由定導軌、動導軌、輔助導軌、間隙調整元件以及工作介質/元件等組成。５.導軌的基本要求。6.支承件的設計原則。謝謝大家附錄資料：不需要的可以刪除濾波器

濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其它頻率成分。在測試裝置中，利用濾波器的這種選頻作用，可以濾除干擾噪聲或進行頻譜分析。

廣義地講，任何一種信息傳輸的通道（媒質）都可視為是一種濾波器。因為，任何裝置的響應特性都是激勵頻率的函數，都可用頻域函數描述其傳輸特性。因此，構成測試系統的任何一個環節，諸如機械系統、電氣網絡、儀器儀表甚至連接導線等等，都將在一定頻率范圍內，按其頻域特性，對所通過的信號進行變換與處理。一、濾波器的分類

根據濾波器的選頻作用，可將濾波器分為以下四類：

（1）低通濾波器

從0～f2頻率之間，幅頻特性平直，它可以使信號中低于f2的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而高于f2的頻率成分受到極大地衰減。

（2）高通濾波器

與低通濾波相反，從頻率f1～∞，其幅頻特性平直。它使信號中高于f1的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而低于f1的頻率成分將受到極大地衰減。06三月2023一、濾波器的分類

（3）帶通濾波器

它的通頻帶在f1～f2之間。它使信號中高于f1而低于f2的頻率成分可以不受衰減地通過，而其它成分受到衰減。

（4）帶阻濾波器

與帶通濾波相反，阻頻帶在頻率f1～f2之間。它使信號中高于f1而低于f2的頻率成分受到衰減，其余頻率成分的信號幾乎不受衰減地通過。

06三月2023一、濾波器的分類

低通濾波器和高通濾波器是濾波器兩種最基本的形式，其它的濾波器都可以分解為這兩種類型的濾波器。例如：低通濾波器與高通濾波器的串聯為帶通濾波器，低通濾波器與高通濾波器的并聯為帶阻濾波器。

帶通濾波器低通與高通濾波器的串聯帶阻濾波器低通與高通濾波器的并聯

06三月2023二、理想濾波器

理想濾波器是指能使通頻帶內信號的幅值和相位都不失真，阻帶內的頻率成分都衰減為零的濾波器，其通帶和阻帶之間有明顯的分界線。也就是說，理想濾波器在通帶內的幅頻特性應為常數，相頻特性的斜率為常值；在通帶外的幅頻特性應為零。

理想低通濾波器的頻率響應函數及圖形為：

06三月2023二、理想濾波器

分析上式所表示的頻率特性可知，該濾波器在時域內的脈沖響應函數h(t)為sinc函數，圖形如下圖所示。脈沖響應的波形沿橫坐標左、右無限延伸，從圖中可以看出，在單位脈沖輸入濾波器之前，即在t＜0時，濾波器就已經有響應了。顯然，這是一種非因果關系，在物理上是不能實現的。由此知在截止頻率處呈現直角銳變的幅頻特性，或者說在頻域內用矩形窗函數描述的理想濾波器是不可能存在的。實際濾波器的頻域圖形不會在某個頻率上完全截止，而會逐漸衰減并延伸到∞。三、實際濾波器

理想濾波器是不存在的，在實際濾波器的幅頻特性圖中，通帶和阻帶之間應沒有嚴格的界限。在通帶和阻帶之間存在一個過渡帶。在過渡帶內的頻率成分不會被完全抑制，只會受到不同程度的衰減。所以，當一個信號經過實際濾波器時，其帶寬B與響應建立時間T之間存在一個反比關系，即：

B·T=常數

帶寬標志著濾波器的分辨力，帶寬越窄，分辨力越高，但由上式可知濾波器達到穩態輸出的時間會加長，反之，若想獲得較快的輸出，就要選擇帶寬較大的濾波器，但由此會導致濾波的精度下降。實際使用時，要綜合考慮這兩個因素。

06三月2023三、實際濾波器1、實際濾波器

實際濾波器描述的主要參數有紋波幅度、截止頻率、品質因數等。下圖是一個典型的實際帶通濾波器：

品質因數Q：對于帶通濾波器，通常把中心頻率f0和帶寬B之比稱為濾波器的品質因數，其值越大，表明濾波器頻率分辨力越高。

06三月2023三、實際濾波器2、RC調諧式濾波器

在測試系統中，信號頻率相對來說不高，因此常用RC濾波器。RC濾波器電路簡單，抗干擾性強，有較好的低頻性能，并且選用標準的阻容元件易得，所以在工程測試的領域中經常用到。

(1)一階RC低通濾波器

RC低通濾波器的電路及其幅頻、相頻特性如下圖所示：06三月2023三、實際濾波器2、RC調諧式濾波器(2)一階RC高通濾波器

RC高通濾波器的電路及其幅頻、相頻特性如下圖所示：06三月