第4章　機械系統設計

4.1　智能裝備機械系統的基本要求和組成

傳統機械一般由動力件、傳動件、執行件三部分加上電氣和機械控制部分組成。1984年美國機械工程師協會（ASME）提出，現代機械的定義為“由計算機信息網絡協調與控制的，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”。由此可見，現代機械應是一個智能化的光機電一體化的機械系統，其核心應是由計算機控制的，包括機、電、液、光等技術的伺服系統。

由于計算機的強大功能，使傳統的作為動力源的電機轉換為具有動力、變速與執行等多重功能的伺服電機。伺服電機的伺服變速功能在很大程度上代替了機械傳動中對傳動比有嚴格要求的“內聯系”傳動鏈中調整速比的“換置機構”，縮短了每條傳動鏈和取代了幾個執行件之間的傳動聯系，大大減少了傳動件的數量，簡化了結構，使動力件、傳動件與執行件朝著合為一體的最小系統前進。

因此，智能裝備的機械系統與一般的機械系統相比，除要求具有較高的定位精度之外，還應具有良好的動態響應特性，就是說響應要快、穩定性要好。一個典型的光機電一體化系統，通常由控制部件、接口電路、功率放大電路、執行元件、機械傳動部件、導向支承部件，以及檢測傳感部件等組成。這里所說的機械系統一般由減速裝置、絲杠螺母副、蝸輪蝸桿副等各種線性傳動部件以及連桿機構、凸輪機構等非線性傳動部件、導向支承部件、旋轉支承部件、軸系及機架等結構組成。

智能裝備對機械系統的基本要求及為了達到基本要求可以采取的措施見表22-4-1。一般來說，智能裝備機械系統應包括傳動機構、導向支承機構、執行機構三大部分，如表22-4-2所示。

4.2　機械傳動機構設計

智能裝備系統中的傳動系統是將動力機的運動和動力傳遞給工作（執行）機構的中間傳動裝置，主要有機械傳動、流體傳動、電力和磁力傳動等幾種形式，這里主要介紹機械傳動。

傳動的主要任務是：①將動力機輸出的速度降低或增高，以適合工作機構的需要；②用動力機構直接進行調速不經濟或不可能時，采用變速傳動來滿足工作機構經常變速的需要；③將動力機輸出的轉矩變換為工作機構所需要的轉矩或力；④將動力機輸出的等速旋轉運動轉變為工作機構所需要的按某種規律變化的旋轉或非旋轉運動；⑤實現由一個或多個動力機驅動若干個相同或不相同的工作機構；⑥由于受到動力機或工作機構機體外形、尺寸等的限制，或為了安全和操作方便，工作機構不宜與動力機構直接聯系，也需要用傳動裝置來連接。

因此，機械傳動機構實質上是一種轉矩、轉速變換器。其目的是使執行元件與負載之間在轉矩與轉速方面得到最佳匹配。對工作機中的傳動機構，既要求能實現運動的變換，又要求能實現動力的變換；對信息機中的傳動機構，則主要要求具有運動的變換功能，只需要克服慣性力（力矩）和各種摩擦阻力（力矩）及較小的負載即可。

4.2.1　機械傳動機構的分類及選用

4.2.1.1　智能裝備系統對機械傳動的要求

機械的主功能是完成機械運動。一部機器必須完成相互協調的若干機械運動。每個機械運動可由單獨的由控制電機、傳動件和執行機構組成的子系統來完成，若干個機械運動由計算機來協調與控制。這就使設計機械時的總體布局、機構選型和結構造型更加合理和多樣化。

由于受當前技術發展水平的限制，智能裝備系統的各種元器件目前還不能完全滿足需要，機械傳動機構還不能完全取消。但是，智能裝備機械系統中的機械傳動裝置，已不僅僅是變換轉速和轉矩的變換器，而成為伺服系統的組成部分，要根據伺服控制的要求來進行選擇設計。近年來，由控制電機不通過機械傳動裝置直接驅動負載的“直接驅動”（D.D.）技術得到發展，但一般都需要低轉速大轉矩的伺服電機，并要考慮負載的非線性和耦合性等因素對執行電機的影響，從而增加了控制系統的復雜性。所以，在一般情況下，盡可能縮短傳動鏈，但還不能取消傳動鏈。

傳動機構的性能主要取決于傳動類型及其傳動方式、傳動精度、動態特性及可靠性等。在伺服控制中，還要考慮其對伺服系統的精度、穩定性和快速性的影響。開環伺服系統中的傳動機構的傳動精度，不僅取決于組成系統的各單個傳動件的精度，還取決于傳動機構的系統精度。閉環伺服系統中的傳動機構，雖然對各單個傳動件的精度要求可以稍低，但對系統精度仍有相當高的要求，以免在控制時因誤差隨機性太大不能補償。

對工作機中的傳動機構，既要求能實現運動的變換，又要求能實現動力的變換。對信息機中的傳動機構，則主要要求具有運動的變換功能，只需要克服慣性力（力矩）和各種摩擦阻力（力矩）及較小的負載即可。

隨著智能化技術的不斷發展，要求傳動機構不斷適應新的技術要求，具體內容見表22-4-3。

影響智能裝備系統中傳動機構的動力學性能的因素，一般有以下幾個。

①負載的變化。負載包括工作負載、摩擦負載等。要合理選擇驅動電機和傳動鏈，使之與負載變化相匹配。

②傳動鏈慣性的大小。慣性不但影響傳動鏈的啟停特性，也影響控制的快速性、位移偏差和速度偏差的大小等。

③傳動鏈固有頻率的大小。固有頻率影響系統諧振和傳動精度。

④間隙、摩擦、潤滑和溫升影響傳動精度和運動平穩性。

4.2.1.2　機械傳動機構的分類

4.2.1.3　機械傳動機構的選用

常用機械傳動機構有絲杠螺母、齒輪、同步帶、蝸桿、鏈及間歇機構等。

智能裝備機械系統中目前使用最多的是齒輪傳動，主要原因是齒輪傳動的瞬時傳動比為常數，傳動精確，可做到零側隙無回差，強度大，能承受重載，結構緊湊，摩擦力小，效率高。蝸桿傳動與齒輪傳動比較，主要缺點是摩擦因數較大，效率較低。新型蝸桿效率較高，但技術要求高，成本高。絲杠螺母傳動可以方便地實現轉動和移動之間的運動形式的變換。同步帶傳動可做到傳動比準確，效率高，工作平穩，能吸收振動，噪聲小，維護保養方便，不需潤滑；缺點是安裝帶輪中心距要求嚴格，在傳遞同樣功率轉速的條件下，結構不如齒輪傳動緊湊，常用于輕載工作條件。鏈傳動由于其瞬時傳動比不為常數，金屬鏈易產生沖擊噪聲，慣性較大，使用較少。間歇機構應用在有間歇要求的場合。

智能裝備系統中所用的傳動機構及其傳動功能如表22-4-5所示。從表中看出，一種傳動機構可滿足一項或同時滿足幾項功能要求。如齒輪齒條傳動既可將直線運動或回轉運動轉換為回轉運動或直線運動，又可將直線驅動力或轉矩轉換為轉矩或直線驅動力；帶傳動、蝸輪蝸桿及各類齒輪減速器（如諧波齒輪減速器）既可進行升速或降速，也可進行轉矩大小的變換。

4.2.1.4　機械傳動系統方案的選擇

智能裝備機械系統要求高精度、運行平穩、工作可靠。這不僅是機械傳動和結構本身的問題，而且要通過控制裝置，使機械傳動部分與伺服電機的動態性能相匹配，要在設計過程中綜合考慮這三部分的相互影響。

對于伺服機械傳動系統，一般來說，應達到高的機械固有頻率、高剛度、合適的阻尼、線性的傳遞性能、小慣量等。這些都是保證伺服系統具有良好的伺服特性（精度、快速響應和穩定性）所必需的。應考慮多種設計方案，進行優化評價決策，反復比較，選出最佳方案。

以數控機床進給系統為例，可以有三種選擇：絲杠傳動、齒條傳動和蝸桿傳動（蝸輪：旋轉工作臺），如圖22-4-1所示。若絲杠行程大于4m，由于剛度原因，可選擇齒條傳動。

當選擇絲杠傳動后，絲杠與伺服電機的連接關系有兩種：直接傳動；中間用齒輪或同步帶傳動。在同樣的工作條件下，選擇不同類型的電機，相應的絲杠尺寸和齒輪傳動比也不同。

4.2.2　傳動因素分析

4.2.3 　絲杠螺母機構傳動設計

機械設備的進給運動鏈中絲杠螺母副是常用的方法之一。絲杠螺母機構又稱為螺旋傳動機構，它主要用來將旋轉運動變為直線運動或將直線運動變為旋轉運動。有以傳遞能量為主的（如螺旋壓力機、千斤頂等），也有以傳遞運動為主的（如工作臺的進給絲杠），還有調整零件之向相對位置的螺旋傳動機構等。

絲杠螺母機構有滑動摩擦和滾動摩擦之分。滑動絲杠螺母機構結構簡單、加工方便、制造成本低、具有自鎖功能。但其摩擦阻力大、傳動效率低。滾動絲杠螺母機構雖然結構復雜、制造成本高，但其最大優點是摩擦阻力小、傳動效率高。

所謂滾珠絲杠螺母副是將螺紋變成了半圓弧槽，形成圓弧形的螺旋滾道，然后在滾道中放入鋼球，通過滾動體來傳遞運動，將滑動摩擦變成滾動摩擦。滾珠必須放在螺母中形成循環，必須有回珠器和回珠通道。滾珠絲杠螺母副由弧形滾道面的絲杠、滾珠、滾珠循環返回器（回珠器），以及圓弧形滾道面的螺母組成。

滾珠絲杠副是一種新型螺旋傳動機構，其具有螺旋槽的絲杠與螺母之間裝有中間傳動元件——滾珠。圖22-4-2為滾珠絲杠螺母機構組成示意圖，從圖可知，它由螺母1、滾珠2、絲杠3和反向器（滾珠循環反向裝置）4四部分組成。當絲杠轉動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動，為防止滾珠從滾道端面掉出，在螺母的螺旋槽兩端設有滾珠回程引導裝置構成滾珠的循環返回通道，從而形成滾珠流動的閉合通路。

由于滾珠絲杠螺母副是以滾動摩擦代替滑動摩擦，所以具有下列特點。

①摩擦損失小，傳動效率高，效率可以達到0.92～0.96，相當于滑動絲杠的4倍。

②動作靈敏，低速運動平穩性好，隨動精度和定位精度高；滾珠絲杠螺母副的摩擦阻力小，動靜摩擦力差小，不易產生爬行現象。

③磨損小，精度保持性好，使用壽命長。

④不自鎖，可以進行逆向傳動。

⑤進行適當的預緊后，可以消除軸向間隙，提高軸向運動精度和剛度。

滾珠絲杠副與滑動絲杠副相比，除上述優點外，還具有軸向剛度高（即通過適當預緊可消除絲杠螺母之間的軸向間隙）、運動平穩、傳動精度高、不易磨損、使用壽命長等優點。但由于不能自鎖，具有傳動的可逆性，在用作升降傳動機構時，需要采取制動等措施。

缺點是工藝復雜、制造成本高；另外，由于不能自鎖，垂直和傾斜安裝的時候需考慮制動裝置；運動速度受到一定的限制，傳動速度過高時，容易出現滾珠在其回路滾道內卡珠的現象。

目前我國已經制定了相應的國家標準和行業標準，我國滾珠絲杠專業生產廠家都是按照這些標準生產的。有關滾珠絲杠的國家標準有GB/T 17587.1—1998《滾珠絲杠副第1部分：術語和符號》、GB/T 17587.2—1998《滾珠絲杠副第2部分：公稱直徑和公稱導程 公制系列》和GB/T 17587.3—1998《滾珠絲杠副第3部分：驗收條件和驗收檢驗》，行業標準JB/T 3162.4—1993《滾珠絲杠副　絲杠軸端型式尺寸》及JB/T 9893—1999《滾珠絲杠副 滾珠螺母 安裝連接尺寸》。

4.2.3.1　滾珠絲杠副基本結構

（1）絲杠螺母基本傳動形式

根據絲杠和螺母相對運動組合情況，其基本傳動形式有五種，如表22-4-7所示。

（2）滾珠絲杠副的典型結構類型

根據滾珠絲杠螺母副的滾道型面不同，可以分為圓弧型面和雙圓弧型面兩種類型。對于雙圓弧型面，滾珠與滾道只在內相切的兩點接觸，接觸角不變。兩圓弧交接處有一小空隙，可容納一些臟物，這對滾珠的流動有利。對于單圓弧型面，接觸角隨著負載的大小而變化，因而軸承剛度和承載能力也隨之而變化，應用較少。雙圓弧型面，接觸角選定后是不變的，應用較廣泛。

滾珠絲杠副的結構類型可以從螺紋滾道的截面形狀、滾珠的循環方式和消除軸向間隙的調整預緊方式進行區別，如表22-4-8所示。

（3）滾珠絲杠副精度和剛度選擇

①滾珠絲杠的精度及其選擇。目前我國滾珠絲杠螺母副的精度標準為四級，即普通級P、標準級B、精密級J和超精密級C。各級精度所規定的各項允差可查有關手冊。一般的數控機床可選用標準級B，精密數控機床可選精密級J或超精密級C。

在設計和選用滾珠絲杠螺母副時，首先要確定螺距t、名義直徑D₀、滾珠直徑d₀等主要參數。在確定參數時，采用與驗算滾珠軸承相似的方法進行校核，即規定在最大軸向載荷Q作用下，滾珠絲杠能以33.3r/min的轉速運轉500h而不出現點蝕。

選擇螺距t時，一般應根據絲杠的承載能力和剛度要求，首先確定名義直徑D₀，之所以稱為名義直徑，是指滾珠中心圓的直徑，而絲杠的實際外徑略小于名義直徑。然后根據名義直徑D₀盡量取較大的螺距，常用的螺距t=4，5，6，8，10，12（mm）。螺距小，在一定軸向力作用下摩擦力矩較??；但t小時（滾珠也?。瑢е聺L珠絲杠承載能力顯著下降。另外，絲杠名義直徑D₀一定時，t減小，螺旋升角也隨之減小，傳動效率也隨之降低。D₀根據承受的載荷來選取。D₀愈大，絲杠承載能力和剛度愈大。為了滿足傳動剛度和穩定性的要求，D₀通常應大于絲杠長度的1/30～1/35。

滾珠直徑d₀對承載能力有直接影響，應盡可能取較大的數值。一般d₀≈0.6t，其最后尺寸按照滾珠標準選用。

滾珠的工作圈數j、列數K和工作滾珠總數N對絲杠工作特性影響很大。根據試驗，每一個循環回路中，各圈所受軸向載荷不均勻，滾珠第一圈約承受總載荷的50%，第二圈約承受30%，第三圈約承受20%。因此，圈數過多，并不能加大承載能力，反而增加了軸向尺寸。一般工作圈數j=2.5～3.5圈。若工作圈數必須超過3.5圈時，可制成雙列或三列，列數多，增加了接觸剛度，提高了承載能力。但并不是成比例增加，列數多，增加承載能力并不顯著，反而加大了螺母的軸向尺寸。一般K=2～3列。工作滾珠總數N不宜過多，一般N<150；否則，容易引起流通不暢而堵塞。但也不宜過少，這樣會使每個滾珠所受載荷加大，彈性變形也大。

②滾珠絲杠的剛度。絲杠剛度主要包括拉壓剛度和扭轉剛度。滾珠絲杠的剛度與直徑大小直接相關，直徑大，剛度好，但直徑大轉動慣量也大大增大。所以，一般在兼顧二者的情況下選取最佳直徑。有關資料推薦：小型加工中心采用32mm、40mm的滾珠絲杠；中型加工中心選用40mm、50mm的滾珠絲杠；大型加工中心采用50mm、63mm的滾珠絲杠。

對細長絲杠來說，扭轉剛度是不可忽視的因素。因為扭矩引起的扭轉變形會使軸向移動產生滯后。

滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷，徑向載荷來自臥式絲杠的自重。因此，滾珠絲杠的軸向剛度和位移精度要求很高。為提高傳動剛度，不僅應合理確定滾珠絲杠螺母副的參數，還應合理確定螺母座的結構、絲杠兩端的支承形式，以及它們與機床的連接剛度。因此，螺母座的孔與螺母之間必須有良好的配合，保證孔與端面的垂直度，螺母座宜增添加強筋，加大螺母座和機床結合面的接觸面積，這些措施均可提高螺母座的局部剛度和接觸剛度。

（4）滾珠絲杠副支承方式的選擇

①支承方式。 實踐證明，絲杠的軸承組合、軸承座及其他零件的連接剛性不足，將嚴重影響滾珠絲杠副的傳動精度和剛度，在設計安裝時應認真考慮。為了提高軸向剛度，常用止推軸承為主的軸承組合來支承絲杠。當軸向載荷較小時，也可用向心推力球軸承來支承絲杠。滾珠絲杠傳動常用軸承的組合方式如表22-4-9所示。

②軸承組合支承安裝示例。如圖22-4-3所示。絲杠兩端采用多重支承，即多個止推軸承和向心球軸承，并施加預緊拉力。這種結構方式可以使絲杠的熱變形轉化為止推軸承的預緊力，但設計時要注意提高止推軸承的承載能力和支架剛度。

實踐證明，絲杠的軸承組合、軸承座及其他零件的連接剛性不足，將嚴重影響滾珠絲杠副的傳動精度和剛度，在設計安裝時應認真考慮。為了提高軸向剛度、常用止推軸承為主的軸承組合來支承絲杠。當軸向載荷較小時，也可用向心推力球軸承來支承絲杠。

接觸角為60°的角接觸球軸承可以組成面對面、背靠背的形式承受兩個方向的軸向載荷。由于絲杠支承與螺母中心線不可避免有誤差，希望軸承有一定的調心作用，面對面時兩接觸線與軸線支點間的距離比背靠背時小，調心較容易。所以絲杠支承多采用面對面的結構（這與主軸多用背靠背結構正好相反）。此外還有三聯（兩個同向與第三個面對面）、四聯（兩兩同向、面對面，三個同向與另-個面對面）多重支撐結構。

美國CINCINNATI 10HC臥式加工中心的Z坐標（立柱水平方向移動）的滾珠絲杠支承采用一端固定一端自由的結構形式，如圖22-4-4所示。固定端采用四個60°接觸角的推力角接觸球軸承，兩個同向面對面安裝，加上預緊，軸向剛度和承載能力都很高。該固定端連同伺服電機都安裝在支架2上。絲杠的另一端自由懸伸，滾珠絲杠螺母固定在底座上，可視為一種輔助支承。工作時，伺服電機4帶動滾珠絲杠3旋轉，并推動支架和重達5t的立柱1（包括主軸箱和刀庫）沿著Z方向的800mm行程范圍運動。

CINCINNATI 10HC臥式加工中心的Y坐標如圖22-4-5所示，為實現主軸箱和刀庫在立柱上的升降運動，行程為1000mm，其軸向剛度和位移精度同樣要求很高，故Y坐標的滾珠絲杠支承結構與X坐標相同，不再贅述。這里要特別提到的是Y坐標滾珠絲杠處于垂直位置，為了防止在停機時，因滾珠絲杠不自鎖造成主軸箱自動下滑的事故，在滾珠絲杠的下端設置了液壓制動器。當機床工作時，高壓油進入油缸活塞的上腔，活塞下移壓縮彈簧，下摩擦盤隨著活塞下移，使上摩擦盤和下摩擦盤之間分開的間隙達到0.1～0.3mm，滾珠絲杠便能自由轉動；當停機或斷電時，油缸活塞的上腔無高壓油，在彈簧恢復力作用下，上、下摩擦盤接觸，滾珠絲杠即被制動而不能自由旋轉。

滾珠絲杠工作時要發熱，其熱膨脹將使導程加大，影響定位精度。為補償熱膨脹，可將絲杠預拉伸，預拉伸量應略大于熱膨脹量。發熱后，熱膨脹量抵消了部分預拉伸量，使絲杠的拉應力下降，長度卻沒有變化。需預拉伸的絲杠在制造時，應使其目標行程（在常溫下螺紋部分的長度）等于公稱行程（螺紋部分的理論長度等于公稱導程乘以絲杠上螺紋圈數）減去預拉伸量。拉伸后恢復公稱行程值減去的量，稱為行程補償值。根據預拉伸量和絲杠的尺寸，采用拉伸公式可計算軸預拉力的大小。

絲杠精度中的導程誤差對機床定位精度影響明顯，而絲杠在運轉中由于溫升引起的絲杠伸長也將直接影響機床的定位精度。通常，需要把導程值預先置成負值，這叫做絲杠的方向目標值。用戶在訂購滾珠絲杠時，必須提出滾珠絲杠的方向目標值。

③制動裝置。滾珠絲杠傳動垂直安裝時，因其傳動效率高，無自鎖作用，故必須設置當驅動力中斷后防止被驅動部件因自重發生逆傳動的自鎖或制動裝置，或重力平衡裝置。常用的制動裝置有體積小、重量輕、易于安裝的超越離合器。選購滾珠絲杠副時可同時選購相宜的超越離合器（如圖22-4-6所示）。另外還可選用如圖22-4-7所示的制動裝置。當主軸7作上、下進給運動時，電磁線圈2通電并吸引鐵芯1，從而打開摩擦離合器4，此時電動機5通過減速齒輪、滾珠絲杠副6拖動上、下運動部件7作垂直上下運動。當電機停止運動或斷電時，電磁線圈2也同時斷電，在彈簧3的作用下，摩擦離合器4壓緊制動輪，使滾珠絲杠不能自由轉動。從而防止因上、下運動部件的自重而自動下降。

（5）滾珠絲杠副的密封與潤滑

滾珠絲杠副可用防塵密封圈或防護套密封，防止灰塵及雜質進入滾珠絲杠副。使用潤滑劑來提高耐磨性及傳動效率，從而維持傳動精度，延長使用壽命。密封圈有接觸式和非接觸式兩種，將其安裝在滾珠螺母的兩端即可。非接觸式密封圈通常由聚氯乙烯等塑料制成，其內孔螺紋表面與絲杠螺紋之間略有間隙，故又稱為迷宮式密封圈。接觸式密封圈用具有彈性的耐油橡膠或尼龍等材料制成，因此有接觸壓力并產生一定的摩擦力矩，但其防塵效果好。常用的潤滑劑有潤滑油和潤滑脂兩類。潤滑脂一般在安裝過程中放進滾珠螺母滾道內，因此為定期潤滑，而使用潤滑油時應注意經常通過注油孔注油。

防護套可防止塵土及雜質進入滾珠絲杠，影響其傳動精度。防護套的形式有折疊式密封套、伸縮套管和伸縮擋板式。其材料有耐油塑料、人造革等。圖22-4-8為防護套示例。

4.2.3.2　滾珠絲杠副的主要尺寸和精度等級

（1）滾珠絲杠副的主要尺寸參數

滾珠絲杠副的主要尺寸參數（GB/T 17587.1—1998）如表22-4-10所示，滾珠絲杠副的主要尺寸計算公式列于表22-4-11中。

（2）滾珠絲杠副的精度等級及標注方法

①精度等級，根據GB/T 17587.3—1998《滾珠絲杠副 第3部分：驗收條件和驗收檢驗》標準，對滾珠絲杠副的精度分為1、2、3、4、5、7、10共七個等級，最高級為1級，最低級為10級。一般情況下，標準公差等級1～5級精度用于P型，即采取預緊形式滾珠絲杠副，7級和10級精度的滾珠絲杠副為T型，即采用非預緊形式滾珠絲杠副。

滾珠絲杠副的精度指標包括目標行程偏差以及跳動和位置公差。行程偏差包括2π行程內允許的行程變動量V_2πP，300mm行程內允許的行程變動量V_300P，有效行程內允許的行程變動址V_uP，目標行程公差e_P。對定位型（P型）滾珠絲杠副要檢驗全部項目，對于傳動型（T型）滾珠絲杠副只檢驗目標行程公差和300mm內行程變動量。

滾珠絲杠副的制造成本，主要取決于制造精度和長徑比，因為制造精度越高，長徑比越大，工藝難度越大，成品合格率就越低。因此在滿足使用要求的前提下，盡可能選擇低精度的滾珠絲杠副。設計選用時，要根據傳動機構的精度（如定位精度，重復精度等）要求，選擇滾珠絲杠副的精度等級。滾珠絲杠的行程偏差的驗收檢驗項目如表22-4-12所示，其行程偏差和變動量如表22-4-13所示。按實際使用要求，在每一精度等級內制定了行程偏差和變動量允差大小，表22-4-14為滾珠絲杠的跳動和位置偏差。各類型機械產品使用的滾珠絲杠精度推薦如表22-4-15所示。

②滾珠絲杠副的標注方法

型號意義：

生產廠家一般省略GB號，而滾珠絲杠副的名稱則以各廠自己的商標打頭，后續加上表示循環方式、連接方式、預緊方式的字母。

4.2.3.3　滾珠絲杠副的選擇設計計算

（1）滾珠絲杠副的選擇設計計算步驟

滾珠絲杠在工作過程中承受軸向載荷，使得滾珠和滾道型面間產生接觸應力，對滾道型面上某一點來說是交變接觸應力，它的工作狀況與滾動軸承類似，所以它的主要失效形式是疲勞點蝕和塑性變形。除此之外，對滾珠絲杠副還要進行效率計算和剛度、穩定性及臨界轉速等方面的校核計算。

計算滾珠絲杠副尺寸之前，必須先弄清楚適用對象及工作條件，包括工作載荷、速度與加速度、工作行程、定位精度、運轉條件、預期壽命、工作環境、潤滑密封條件等，然后根據表22-4-16程序進行計算。

（2）滾珠絲杠副的選擇設計實例

例　某臺加工中心工作臺進給用滾珠絲杠副的選擇設計計算。已知：工作臺重量W₁=6000N，工件及夾具最大重量W₂=2000N，工作臺最大行程L_K=1000mm，工作臺導軌的摩擦因數，動摩擦因數μ=0.1，靜摩擦因數μ₀=0.2，快速進給速度V_max=15m/min，定位精度20μm/300mm，全行程25μm，重復定位精度10μm，要求壽命20000h（兩班制工作十年）。表22-4-24所示為工作臺工作循環。

解　選擇設計計算具體步驟見表22-4-25。

4.2.3.4　滾珠螺母安裝連接尺寸

我國機械行業標準JB/T 9893—1999中規定了常用滾珠絲杠副的滾珠螺母安裝、連接尺寸。該標準適用于機床及各類機械產品使用的下列六種結構的公制滾珠絲杠副：a.內循環滾珠絲杠副（包括浮動反向器型和固定反向器型）；b.外循環埋入式滾珠絲杠副；c.外循環凸出式滾珠絲杠副；d.外循環埋入式大導程滾珠絲杠副；e.外循環凸出式大導程滾珠絲杠副；f.外循環埋入式微型滾珠絲杠副。表22-4-26～表22-4-31為六種結構的滾珠絲杠副滾珠螺母安裝、連接尺寸。其他結構可參照使用。

該標準中的規格代號是用數字表示的，前兩位或三位數字表示公稱直徑，后兩位數字表示公稱導程。

4.2.3.5　靜壓絲杠螺母副

靜壓絲杠螺母副是在絲杠和螺母的螺紋之間保持一定厚度，且具有一定剛度的壓力油膜，使絲杠和螺母之間由邊界摩擦而變為液體摩擦。當絲杠轉動時通過油膜推動螺母直線移動，反之，螺母轉動也可使絲杠直線移動。

（1）靜壓絲杠螺母的特點

①摩擦系數很小，僅為0.0005，比滾珠絲杠（摩擦系數為0.002～0.005）的摩擦損失還小，啟動力矩很小，傳動靈敏，避免了爬行。

②油膜層可以吸振，提高了運動的平穩性，由于油液不斷流動，有利于散熱和減少熱變形，提高了機床的加工精度和粗糙度。

③油膜層具有一定剛度，大大減小了反向間隙，同時油膜層介于螺母與絲杠之間，對絲杠的誤差有“均化”作用，即絲杠螺母副的傳動誤差比絲杠本身的制造誤差還小。

④承載能力與供油壓力成正比，與轉速無關。

靜壓絲杠螺母副要有一套供油系統，而且對油的清潔度要求較高，如果在運行中供油突然中斷，將造成不良后果。下面就其工作原理、結構與類型做簡要介紹。

（2）工作原理

油膜在螺旋面的兩側，而且互不相通，如圖22-4-9所示。壓力油經節流器進入油腔，并從螺紋根部與端部流出。設供油壓力為p_H，經節流器后的壓力為p_i（即油腔壓力），當無外載時，螺紋兩側間隙h₁=h₂，從兩側油腔流出的流量相等，兩側油腔中的壓力也相等，即p₁=p₂。這時，絲杠螺紋處于螺母螺紋的中間平衡狀態的位置。

當絲杠或螺母受到軸向力F作用后，受壓一側的間隙減小，油腔壓力p₂增大。相反的一側間隙增大，而壓力p₁下降，因而形成油膜壓力差Δp=p₂-p₁，以平衡軸向力F。平衡條件近似地表示為

　　（22-4-1）

式中　A——單個油腔在絲杠軸線垂直面內的有效承載面積；

n——每扣螺紋單側油腔數；

Z——螺母的有效扣數。

油膜壓力差力圖平衡軸向力，使間隙差減小并保持不變，這種調節作用總是自動進行的。

（3）結構與類型

靜壓絲杠副結構設計主要是螺母部分的結構設計，油腔節流器一般在螺母上，而絲杠結構與一般滑動絲杠基本相同。靜壓絲杠副的設計原則是：在保證設計要求剛度的前提下，使結構盡量簡單，制造、安裝和維修盡量方便。

如圖22-4-10所示，8為絲杠，節流器7安裝在螺母1的側端面，并用油塞6堵住，螺母全部有效牙扣上的同側同圓周位置上的油腔共用一個節流器控制，若每扣同側圓周分布有三個油腔，則共需要六個節流器。從油泵來的油由螺母座4上的進油孔3和5經節流器7進入螺母外圓面上的進油槽13，再經進油孔12進入油腔11，油液經回油槽10從螺母端面流回油箱。接壓力表油孔2用于安裝油壓表。

1）按照油腔開在螺紋面上的形式和節流控制方式的不同。目前，機床上采用的靜壓絲杠有以下三種。

①在螺紋面中徑上開一條連通的螺旋溝槽油腔。每一側油腔只用一個節流器控制，稱為集中阻尼節流。其結構示意圖如圖22-4-11所示。這種形式的靜壓絲杠基本上不能承受徑向載荷和顛覆力矩。

②在螺紋面每側中徑上開3～4個油腔，每個油腔用一個節流器控制稱為分散阻尼節流。其結構示意如圖22-4-12所示。這種形式的靜壓絲杠具有一定的徑向承載能力和抗顛覆力矩能力，但節流器的數目較多，結構較復雜，制造和安裝困難。

③在螺紋面每側中徑上開3～4個油腔，將分布于同側、同方位上的油腔用—個節流器控制，稱為分散集中阻尼節流。其結構示意如圖22-4-13所示。這種形式的靜壓絲杠具有一定的徑向承載能力和抗顛覆力矩能力。節流器的數量較少（一般6～8個節流器），制造和安裝較方便，使用可靠。

2）按照節流形式不同，目前，機床上采用的靜壓絲杠有以下兩種。

①毛細管節流式（屬于固定節流）。結構簡單、調試方便、使用可靠、性能穩定，節流器制造也簡便，主要用于中、小型機床，目前國內應用較多。但此種節流方式對油液的清潔程度要求較高。實踐證明，當油溫超過40℃時，油膜剛度有下降的趨勢。

②薄膜雙面反饋式（屬于可變節流）。油膜剛度較高，適用于大型重載機床。此種節流方式對油液的清潔程度要求較低。由于薄膜的制造精度不易保證，調整費事，往往影響使用。

4.2.4　其他傳動機構

4.2.4.1　齒輪傳動

齒輪傳動是機械傳動系統中最常見的形式，在光機電一體化系統設計中普通齒輪傳動和諧波齒輪傳動最為常見。普通齒輪傳動需要特別注意其傳動類型、傳動比及齒輪間隙的調整等問題，諧波齒輪傳動涉及傳動原理、傳動比大小及產品類型選擇等情況，詳見表22-4-32。

4.2.4.2　撓性傳動

除滾珠絲杠副、齒輪副等傳動部件之外，光機電一體化系統中還大量使用同步齒形帶、鋼帶、鋼絲繩及尼龍繩等撓性傳動部件。光機電一體化系統中常用的撓性傳動機構見表22-4-33。

4.2.4.3　間歇傳動

光機電一體化系統中常用的間歇傳動部件有：棘輪傳動、槽輪傳動、蝸形凸輪傳動等部件。這種傳動部件可將原動機構的連續運動轉換為間歇運動。其基本要求是移位迅速，移位過程中運動無沖擊，停位準確可靠，基本情況見表22-4-34。

4.3　機械導向機構設計

導向支承部件的作用是支承和限制運動部件按給定運動要求和規定的方向運動。這樣的部件通常被稱為導軌副，簡稱導軌。運動方向為直線的被稱為直線運動導軌副，運動方向為回轉的被稱為回轉運動導軌副。常用的導軌副的種類很多，按其接觸面的摩擦性質可分為滑動導軌、滾動導軌、流體介質摩擦導軌等。按其結構特點可分為開式（借助重力或彈簧彈力保證運動件與承導面之間的接觸）導軌和閉式（只靠導軌本身的結構形狀保證運動件與承導面之間的接觸）導軌。

智能裝備系統對導軌的基本要求是導向精度高、剛性好、運動輕便平穩、耐磨性好、溫度變化影響小以及結構工藝性好等。對精度要求高的直線運動導軌，還要求導軌的承載面與導向面嚴格分開。當運動件較重時，必須設有卸荷裝置，運動件的支承必須符合三點定位原理。

常見的導軌副的結構特點及設計要點見表22-4-35。常用導軌結構形式及其性能比較見表22-4-36。

4.4　機械執行機構設計

4.4.1　執行機構分析

智能裝備系統執行機構，一般是指根據操作信號完成位移或動作的執行元件或執行機構。一般要求執行機構動作敏捷（靈敏度高）、精確度高、重復性好、可靠性高。光機電一體化系統就其本質而言，是以提高或變更價值為目的的，具有信息處理系統、物流系統和加工系統。因此，機電產品或設備是以能量或者信息傳遞、處理、轉換、保存等為目的的技術系統，從而需要各種形式的執行裝置。

智能裝備系統的執行機構是實現系統主要功能的重要環節，其動力源（電動式、氣動式、液壓式或綜合式）應根據整個系統的具體技術要求而定。執行機構能快速完成預期的動作，響應速度要快，動態特性要好，靜動態精度要高。此外，動作靈敏度要高，便于集中控制，因此應具備高效率、體積小、重量輕、自控性強、可靠性高等技術特點。

當前，執行機構正朝標準化、系列化和智能化方向發展。

4.4.1.1　主要性能指標

為了更好地達到系統目標，把完全確定的輸入量，即把物料、能量和信息（指令）在一定空間、時間條件下，完成所期望的轉化效應（輸出量），則要求執行機構能經濟有效地達到主要性能指標。精度、穩定性、響應速度和可靠性的詳細情況見表22-4-37。

4.4.1.2　系統的品質

系統的最基本要求是工作穩定性、精確性（穩態精度）、快速性和阻尼程度等。通常它們是通過系統輸入特定信號的過渡過程和穩態的一些特征值來表征的。

這些品質指標是比較各種方案優劣以及制定產品協議的基礎，是檢驗最佳化的尺度。一般是按實際要求由實驗方法確定的。

過渡過程表征了系統的動態性能。它是指系統的被控制量c（t），在受到控制量或擾動量作用時，由原來的平衡狀態（或穩態）變化到新的平衡狀態時的過程而言的。

如圖22-4-14所示為單位階躍信號作用下控制系統的過渡過程曲線c（t）。曲線①振蕩收斂，系統穩定；曲線②單調收斂，系統穩定；曲線③振蕩發散，系統不穩定；曲線④單調發散，系統不穩定。

穩定性是控制系統自身的固有特性，也是系統能正常工作的首要條件。精確性指的是控制系統的穩態精度。

（1）系統的品質指標

如圖22-4-15所示為二階系統在單位階躍信號作用下過渡過程的一般形式。通常，希望二階系統工作在欠阻尼狀態。在這種狀態下將有一個振蕩特性適度、持續時間較短的過渡過程。但并不排除在某些情況需要采用過阻尼或臨界阻尼狀態。

二階系統（圖22-4-15）在欠阻尼狀態下用階躍響應的特征值來表征系統的品質指標，如表22-4-38所示。

t_s、t_p、σ和N稱為控制系統的動態品質指標，其中t_s和t_p表征系統的快速性能，σ和N表征系統的阻尼性能。

設計一個智能裝備系統，其中執行裝置作為子系統，既要保證系統的穩定性和穩態精度的要求，又要滿足動態品質指標，這是一項必須實現的基本任務。

（2）單位階躍響應的特征量計算（表22-4-39）

（3）頻率特性法的品質指標

在工程上，通常傳動系統的設計多采用頻率特性法，系統品質指標應當用頻率特性來表示，見表22-4-40。

4.4.1.3　能量轉換接口

智能裝備執行系統的能量轉換接口主要包括系統的接口和系統-機械裝置的能量轉換接口兩部分內容，詳見表22-4-41。

4.4.2　微動機構

4.4.3　誤差補償機構

在智能裝備系統中，由于各種因素（元器件磨損、腐蝕、變形、工作環境的變化等）的影響易造成誤差，使系統不能達到預期的輸出。采用按誤差正負變化作反向修正的機構，則稱為誤差補償機構。

誤差補償動作由測試系統或伺服驅動系統的補償機構來實現，則稱為硬件誤差補償。

對誤差補償機構的要求是：結構簡單，靈敏度高，能有效地消除或減小誤差，同時制造和裝配調整要方便。

4.4.4　定位機構

定位機構是智能裝備系統中一種確保移動件占據準確位置的機構。通常采用將分度機構和鎖緊機構組合的機構，來實現精密定位的要求。

4.4.5　設計實例

4.4.5.1　數控機床動力卡盤與回轉刀架

4.4.5.2　工業機器人末端執行器

工業機器人末端執行器裝在操作機手腕的前端，它是操作機直接執行工作的裝置。

末端執行器因用途不同而結構各異，一般可分為三大類：機械夾持器、特種末端執行器和萬能手（或靈巧手）。

4.5　支撐系統和機架設計

4.5.1　軸系設計的基本要求及類型

軸系由軸及安裝在軸上的齒輪、帶輪等傳動部件組成，有主軸軸系和中間傳動軸軸系。軸系的主要作用是傳遞轉矩及精確的回轉運動，它直接承受外力（力矩）。在智能裝備系統設計中，軸系設計主要考慮軸系設計的基本要求、軸系軸承的類型與選擇以及提高軸系性能的措施等基本問題，詳見表22-4-47。

4.5.2　機架的基本要求及結構設計要點

機座或機架是支承其他零部件的基礎部件。它既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位置的基準作用。機座多采用鑄件，機架多由型材裝配或焊接構成。其基本特點是尺寸較大、結構復雜、加工面多，幾何精度和相對位置精度要求較高。在設計時，首先應對某些關鍵表面及其相對位置精度提出相應的精度要求，以保證產品總體精度。其次，機架或機座的變形和振動將直接影響產品的質量和正常運轉，故應對其提出下列基本要求。機架設計的基本要求及結構設計要點見表22-4-48。