第4章　机械系统设计

4.1　智能装备机械系统的基本要求和组成

传统机械一般由动力件、传动件、执行件三部分加上电气和机械控制部分组成。1984年美国机械工程师协会（ASME）提出，现代机械的定义为“由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统”。由此可见，现代机械应是一个智能化的光机电一体化的机械系统，其核心应是由计算机控制的，包括机、电、液、光等技术的伺服系统。

由于计算机的强大功能，使传统的作为动力源的电机转换为具有动力、变速与执行等多重功能的伺服电机。伺服电机的伺服变速功能在很大程度上代替了机械传动中对传动比有严格要求的“内联系”传动链中调整速比的“换置机构”，缩短了每条传动链和取代了几个执行件之间的传动联系，大大减少了传动件的数量，简化了结构，使动力件、传动件与执行件朝着合为一体的最小系统前进。

因此，智能装备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。一个典型的光机电一体化系统，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组成。这里所说的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、轴系及机架等结构组成。

智能装备对机械系统的基本要求及为了达到基本要求可以采取的措施见表22-4-1。一般来说，智能装备机械系统应包括传动机构、导向支承机构、执行机构三大部分，如表22-4-2所示。

4.2　机械传动机构设计

智能装备系统中的传动系统是将动力机的运动和动力传递给工作（执行）机构的中间传动装置，主要有机械传动、流体传动、电力和磁力传动等几种形式，这里主要介绍机械传动。

传动的主要任务是：①将动力机输出的速度降低或增高，以适合工作机构的需要；②用动力机构直接进行调速不经济或不可能时，采用变速传动来满足工作机构经常变速的需要；③将动力机输出的转矩变换为工作机构所需要的转矩或力；④将动力机输出的等速旋转运动转变为工作机构所需要的按某种规律变化的旋转或非旋转运动；⑤实现由一个或多个动力机驱动若干个相同或不相同的工作机构；⑥由于受到动力机或工作机构机体外形、尺寸等的限制，或为了安全和操作方便，工作机构不宜与动力机构直接联系，也需要用传动装置来连接。

因此，机械传动机构实质上是一种转矩、转速变换器。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。对工作机中的传动机构，既要求能实现运动的变换，又要求能实现动力的变换；对信息机中的传动机构，则主要要求具有运动的变换功能，只需要克服惯性力（力矩）和各种摩擦阻力（力矩）及较小的负载即可。

4.2.1　机械传动机构的分类及选用

4.2.1.1　智能装备系统对机械传动的要求

机械的主功能是完成机械运动。一部机器必须完成相互协调的若干机械运动。每个机械运动可由单独的由控制电机、传动件和执行机构组成的子系统来完成，若干个机械运动由计算机来协调与控制。这就使设计机械时的总体布局、机构选型和结构造型更加合理和多样化。

由于受当前技术发展水平的限制，智能装备系统的各种元器件目前还不能完全满足需要，机械传动机构还不能完全取消。但是，智能装备机械系统中的机械传动装置，已不仅仅是变换转速和转矩的变换器，而成为伺服系统的组成部分，要根据伺服控制的要求来进行选择设计。近年来，由控制电机不通过机械传动装置直接驱动负载的“直接驱动”（D.D.）技术得到发展，但一般都需要低转速大转矩的伺服电机，并要考虑负载的非线性和耦合性等因素对执行电机的影响，从而增加了控制系统的复杂性。所以，在一般情况下，尽可能缩短传动链，但还不能取消传动链。

传动机构的性能主要取决于传动类型及其传动方式、传动精度、动态特性及可靠性等。在伺服控制中，还要考虑其对伺服系统的精度、稳定性和快速性的影响。开环伺服系统中的传动机构的传动精度，不仅取决于组成系统的各单个传动件的精度，还取决于传动机构的系统精度。闭环伺服系统中的传动机构，虽然对各单个传动件的精度要求可以稍低，但对系统精度仍有相当高的要求，以免在控制时因误差随机性太大不能补偿。

对工作机中的传动机构，既要求能实现运动的变换，又要求能实现动力的变换。对信息机中的传动机构，则主要要求具有运动的变换功能，只需要克服惯性力（力矩）和各种摩擦阻力（力矩）及较小的负载即可。

随着智能化技术的不断发展，要求传动机构不断适应新的技术要求，具体内容见表22-4-3。

影响智能装备系统中传动机构的动力学性能的因素，一般有以下几个。

①负载的变化。负载包括工作负载、摩擦负载等。要合理选择驱动电机和传动链，使之与负载变化相匹配。

②传动链惯性的大小。惯性不但影响传动链的启停特性，也影响控制的快速性、位移偏差和速度偏差的大小等。

③传动链固有频率的大小。固有频率影响系统谐振和传动精度。

④间隙、摩擦、润滑和温升影响传动精度和运动平稳性。

4.2.1.2　机械传动机构的分类

4.2.1.3　机械传动机构的选用

常用机械传动机构有丝杠螺母、齿轮、同步带、蜗杆、链及间歇机构等。

智能装备机械系统中目前使用最多的是齿轮传动，主要原因是齿轮传动的瞬时传动比为常数，传动精确，可做到零侧隙无回差，强度大，能承受重载，结构紧凑，摩擦力小，效率高。蜗杆传动与齿轮传动比较，主要缺点是摩擦因数较大，效率较低。新型蜗杆效率较高，但技术要求高，成本高。丝杠螺母传动可以方便地实现转动和移动之间的运动形式的变换。同步带传动可做到传动比准确，效率高，工作平稳，能吸收振动，噪声小，维护保养方便，不需润滑；缺点是安装带轮中心距要求严格，在传递同样功率转速的条件下，结构不如齿轮传动紧凑，常用于轻载工作条件。链传动由于其瞬时传动比不为常数，金属链易产生冲击噪声，惯性较大，使用较少。间歇机构应用在有间歇要求的场合。

智能装备系统中所用的传动机构及其传动功能如表22-4-5所示。从表中看出，一种传动机构可满足一项或同时满足几项功能要求。如齿轮齿条传动既可将直线运动或回转运动转换为回转运动或直线运动，又可将直线驱动力或转矩转换为转矩或直线驱动力；带传动、蜗轮蜗杆及各类齿轮减速器（如谐波齿轮减速器）既可进行升速或降速，也可进行转矩大小的变换。

4.2.1.4　机械传动系统方案的选择

智能装备机械系统要求高精度、运行平稳、工作可靠。这不仅是机械传动和结构本身的问题，而且要通过控制装置，使机械传动部分与伺服电机的动态性能相匹配，要在设计过程中综合考虑这三部分的相互影响。

对于伺服机械传动系统，一般来说，应达到高的机械固有频率、高刚度、合适的阻尼、线性的传递性能、小惯量等。这些都是保证伺服系统具有良好的伺服特性（精度、快速响应和稳定性）所必需的。应考虑多种设计方案，进行优化评价决策，反复比较，选出最佳方案。

以数控机床进给系统为例，可以有三种选择：丝杠传动、齿条传动和蜗杆传动（蜗轮：旋转工作台），如图22-4-1所示。若丝杠行程大于4m，由于刚度原因，可选择齿条传动。

当选择丝杠传动后，丝杠与伺服电机的连接关系有两种：直接传动；中间用齿轮或同步带传动。在同样的工作条件下，选择不同类型的电机，相应的丝杠尺寸和齿轮传动比也不同。

4.2.2　传动因素分析

4.2.3 　丝杠螺母机构传动设计

机械设备的进给运动链中丝杠螺母副是常用的方法之一。丝杠螺母机构又称为螺旋传动机构，它主要用来将旋转运动变为直线运动或将直线运动变为旋转运动。有以传递能量为主的（如螺旋压力机、千斤顶等），也有以传递运动为主的（如工作台的进给丝杠），还有调整零件之向相对位置的螺旋传动机构等。

丝杠螺母机构有滑动摩擦和滚动摩擦之分。滑动丝杠螺母机构结构简单、加工方便、制造成本低、具有自锁功能。但其摩擦阻力大、传动效率低。滚动丝杠螺母机构虽然结构复杂、制造成本高，但其最大优点是摩擦阻力小、传动效率高。

所谓滚珠丝杠螺母副是将螺纹变成了半圆弧槽，形成圆弧形的螺旋滚道，然后在滚道中放入钢球，通过滚动体来传递运动，将滑动摩擦变成滚动摩擦。滚珠必须放在螺母中形成循环，必须有回珠器和回珠通道。滚珠丝杠螺母副由弧形滚道面的丝杠、滚珠、滚珠循环返回器（回珠器），以及圆弧形滚道面的螺母组成。

滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间传动元件——滚珠。图22-4-2为滚珠丝杠螺母机构组成示意图，从图可知，它由螺母1、滚珠2、丝杠3和反向器（滚珠循环反向装置）4四部分组成。当丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠流动的闭合通路。

由于滚珠丝杠螺母副是以滚动摩擦代替滑动摩擦，所以具有下列特点。

①摩擦损失小，传动效率高，效率可以达到0.92～0.96，相当于滑动丝杠的4倍。

②动作灵敏，低速运动平稳性好，随动精度和定位精度高；滚珠丝杠螺母副的摩擦阻力小，动静摩擦力差小，不易产生爬行现象。

③磨损小，精度保持性好，使用寿命长。

④不自锁，可以进行逆向传动。

⑤进行适当的预紧后，可以消除轴向间隙，提高轴向运动精度和刚度。

滚珠丝杠副与滑动丝杠副相比，除上述优点外，还具有轴向刚度高（即通过适当预紧可消除丝杠螺母之间的轴向间隙）、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长等优点。但由于不能自锁，具有传动的可逆性，在用作升降传动机构时，需要采取制动等措施。

缺点是工艺复杂、制造成本高；另外，由于不能自锁，垂直和倾斜安装的时候需考虑制动装置；运动速度受到一定的限制，传动速度过高时，容易出现滚珠在其回路滚道内卡珠的现象。

目前我国已经制定了相应的国家标准和行业标准，我国滚珠丝杠专业生产厂家都是按照这些标准生产的。有关滚珠丝杠的国家标准有GB/T 17587.1—1998《滚珠丝杠副第1部分：术语和符号》、GB/T 17587.2—1998《滚珠丝杠副第2部分：公称直径和公称导程 公制系列》和GB/T 17587.3—1998《滚珠丝杠副第3部分：验收条件和验收检验》，行业标准JB/T 3162.4—1993《滚珠丝杠副　丝杠轴端型式尺寸》及JB/T 9893—1999《滚珠丝杠副 滚珠螺母 安装连接尺寸》。

4.2.3.1　滚珠丝杠副基本结构

（1）丝杠螺母基本传动形式

根据丝杠和螺母相对运动组合情况，其基本传动形式有五种，如表22-4-7所示。

（2）滚珠丝杠副的典型结构类型

根据滚珠丝杠螺母副的滚道型面不同，可以分为圆弧型面和双圆弧型面两种类型。对于双圆弧型面，滚珠与滚道只在内相切的两点接触，接触角不变。两圆弧交接处有一小空隙，可容纳一些脏物，这对滚珠的流动有利。对于单圆弧型面，接触角随着负载的大小而变化，因而轴承刚度和承载能力也随之而变化，应用较少。双圆弧型面，接触角选定后是不变的，应用较广泛。

滚珠丝杠副的结构类型可以从螺纹滚道的截面形状、滚珠的循环方式和消除轴向间隙的调整预紧方式进行区别，如表22-4-8所示。

（3）滚珠丝杠副精度和刚度选择

①滚珠丝杠的精度及其选择。目前我国滚珠丝杠螺母副的精度标准为四级，即普通级P、标准级B、精密级J和超精密级C。各级精度所规定的各项允差可查有关手册。一般的数控机床可选用标准级B，精密数控机床可选精密级J或超精密级C。

在设计和选用滚珠丝杠螺母副时，首先要确定螺距t、名义直径D₀、滚珠直径d₀等主要参数。在确定参数时，采用与验算滚珠轴承相似的方法进行校核，即规定在最大轴向载荷Q作用下，滚珠丝杠能以33.3r/min的转速运转500h而不出现点蚀。

选择螺距t时，一般应根据丝杠的承载能力和刚度要求，首先确定名义直径D₀，之所以称为名义直径，是指滚珠中心圆的直径，而丝杠的实际外径略小于名义直径。然后根据名义直径D₀尽量取较大的螺距，常用的螺距t=4，5，6，8，10，12（mm）。螺距小，在一定轴向力作用下摩擦力矩较小；但t小时（滚珠也小），导致滚珠丝杠承载能力显著下降。另外，丝杠名义直径D₀一定时，t减小，螺旋升角也随之减小，传动效率也随之降低。D₀根据承受的载荷来选取。D₀愈大，丝杠承载能力和刚度愈大。为了满足传动刚度和稳定性的要求，D₀通常应大于丝杠长度的1/30～1/35。

滚珠直径d₀对承载能力有直接影响，应尽可能取较大的数值。一般d₀≈0.6t，其最后尺寸按照滚珠标准选用。

滚珠的工作圈数j、列数K和工作滚珠总数N对丝杠工作特性影响很大。根据试验，每一个循环回路中，各圈所受轴向载荷不均匀，滚珠第一圈约承受总载荷的50%，第二圈约承受30%，第三圈约承受20%。因此，圈数过多，并不能加大承载能力，反而增加了轴向尺寸。一般工作圈数j=2.5～3.5圈。若工作圈数必须超过3.5圈时，可制成双列或三列，列数多，增加了接触刚度，提高了承载能力。但并不是成比例增加，列数多，增加承载能力并不显著，反而加大了螺母的轴向尺寸。一般K=2～3列。工作滚珠总数N不宜过多，一般N<150；否则，容易引起流通不畅而堵塞。但也不宜过少，这样会使每个滚珠所受载荷加大，弹性变形也大。

②滚珠丝杠的刚度。丝杠刚度主要包括拉压刚度和扭转刚度。滚珠丝杠的刚度与直径大小直接相关，直径大，刚度好，但直径大转动惯量也大大增大。所以，一般在兼顾二者的情况下选取最佳直径。有关资料推荐：小型加工中心采用32mm、40mm的滚珠丝杠；中型加工中心选用40mm、50mm的滚珠丝杠；大型加工中心采用50mm、63mm的滚珠丝杠。

对细长丝杠来说，扭转刚度是不可忽视的因素。因为扭矩引起的扭转变形会使轴向移动产生滞后。

滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷来自卧式丝杠的自重。因此，滚珠丝杠的轴向刚度和位移精度要求很高。为提高传动刚度，不仅应合理确定滚珠丝杠螺母副的参数，还应合理确定螺母座的结构、丝杠两端的支承形式，以及它们与机床的连接刚度。因此，螺母座的孔与螺母之间必须有良好的配合，保证孔与端面的垂直度，螺母座宜增添加强筋，加大螺母座和机床结合面的接触面积，这些措施均可提高螺母座的局部刚度和接触刚度。

（4）滚珠丝杠副支承方式的选择

①支承方式。 实践证明，丝杠的轴承组合、轴承座及其他零件的连接刚性不足，将严重影响滚珠丝杠副的传动精度和刚度，在设计安装时应认真考虑。为了提高轴向刚度，常用止推轴承为主的轴承组合来支承丝杠。当轴向载荷较小时，也可用向心推力球轴承来支承丝杠。滚珠丝杠传动常用轴承的组合方式如表22-4-9所示。

②轴承组合支承安装示例。如图22-4-3所示。丝杠两端采用多重支承，即多个止推轴承和向心球轴承，并施加预紧拉力。这种结构方式可以使丝杠的热变形转化为止推轴承的预紧力，但设计时要注意提高止推轴承的承载能力和支架刚度。

实践证明，丝杠的轴承组合、轴承座及其他零件的连接刚性不足，将严重影响滚珠丝杠副的传动精度和刚度，在设计安装时应认真考虑。为了提高轴向刚度、常用止推轴承为主的轴承组合来支承丝杠。当轴向载荷较小时，也可用向心推力球轴承来支承丝杠。

接触角为60°的角接触球轴承可以组成面对面、背靠背的形式承受两个方向的轴向载荷。由于丝杠支承与螺母中心线不可避免有误差，希望轴承有一定的调心作用，面对面时两接触线与轴线支点间的距离比背靠背时小，调心较容易。所以丝杠支承多采用面对面的结构（这与主轴多用背靠背结构正好相反）。此外还有三联（两个同向与第三个面对面）、四联（两两同向、面对面，三个同向与另-个面对面）多重支撑结构。

美国CINCINNATI 10HC卧式加工中心的Z坐标（立柱水平方向移动）的滚珠丝杠支承采用一端固定一端自由的结构形式，如图22-4-4所示。固定端采用四个60°接触角的推力角接触球轴承，两个同向面对面安装，加上预紧，轴向刚度和承载能力都很高。该固定端连同伺服电机都安装在支架2上。丝杠的另一端自由悬伸，滚珠丝杠螺母固定在底座上，可视为一种辅助支承。工作时，伺服电机4带动滚珠丝杠3旋转，并推动支架和重达5t的立柱1（包括主轴箱和刀库）沿着Z方向的800mm行程范围运动。

CINCINNATI 10HC卧式加工中心的Y坐标如图22-4-5所示，为实现主轴箱和刀库在立柱上的升降运动，行程为1000mm，其轴向刚度和位移精度同样要求很高，故Y坐标的滚珠丝杠支承结构与X坐标相同，不再赘述。这里要特别提到的是Y坐标滚珠丝杠处于垂直位置，为了防止在停机时，因滚珠丝杠不自锁造成主轴箱自动下滑的事故，在滚珠丝杠的下端设置了液压制动器。当机床工作时，高压油进入油缸活塞的上腔，活塞下移压缩弹簧，下摩擦盘随着活塞下移，使上摩擦盘和下摩擦盘之间分开的间隙达到0.1～0.3mm，滚珠丝杠便能自由转动；当停机或断电时，油缸活塞的上腔无高压油，在弹簧恢复力作用下，上、下摩擦盘接触，滚珠丝杠即被制动而不能自由旋转。

滚珠丝杠工作时要发热，其热膨胀将使导程加大，影响定位精度。为补偿热膨胀，可将丝杠预拉伸，预拉伸量应略大于热膨胀量。发热后，热膨胀量抵消了部分预拉伸量，使丝杠的拉应力下降，长度却没有变化。需预拉伸的丝杠在制造时，应使其目标行程（在常温下螺纹部分的长度）等于公称行程（螺纹部分的理论长度等于公称导程乘以丝杠上螺纹圈数）减去预拉伸量。拉伸后恢复公称行程值减去的量，称为行程补偿值。根据预拉伸量和丝杠的尺寸，采用拉伸公式可计算轴预拉力的大小。

丝杠精度中的导程误差对机床定位精度影响明显，而丝杠在运转中由于温升引起的丝杠伸长也将直接影响机床的定位精度。通常，需要把导程值预先置成负值，这叫做丝杠的方向目标值。用户在订购滚珠丝杠时，必须提出滚珠丝杠的方向目标值。

③制动装置。滚珠丝杠传动垂直安装时，因其传动效率高，无自锁作用，故必须设置当驱动力中断后防止被驱动部件因自重发生逆传动的自锁或制动装置，或重力平衡装置。常用的制动装置有体积小、重量轻、易于安装的超越离合器。选购滚珠丝杠副时可同时选购相宜的超越离合器（如图22-4-6所示）。另外还可选用如图22-4-7所示的制动装置。当主轴7作上、下进给运动时，电磁线圈2通电并吸引铁芯1，从而打开摩擦离合器4，此时电动机5通过减速齿轮、滚珠丝杠副6拖动上、下运动部件7作垂直上下运动。当电机停止运动或断电时，电磁线圈2也同时断电，在弹簧3的作用下，摩擦离合器4压紧制动轮，使滚珠丝杠不能自由转动。从而防止因上、下运动部件的自重而自动下降。

（5）滚珠丝杠副的密封与润滑

滚珠丝杠副可用防尘密封圈或防护套密封，防止灰尘及杂质进入滚珠丝杠副。使用润滑剂来提高耐磨性及传动效率，从而维持传动精度，延长使用寿命。密封圈有接触式和非接触式两种，将其安装在滚珠螺母的两端即可。非接触式密封圈通常由聚氯乙烯等塑料制成，其内孔螺纹表面与丝杠螺纹之间略有间隙，故又称为迷宫式密封圈。接触式密封圈用具有弹性的耐油橡胶或尼龙等材料制成，因此有接触压力并产生一定的摩擦力矩，但其防尘效果好。常用的润滑剂有润滑油和润滑脂两类。润滑脂一般在安装过程中放进滚珠螺母滚道内，因此为定期润滑，而使用润滑油时应注意经常通过注油孔注油。

防护套可防止尘土及杂质进入滚珠丝杠，影响其传动精度。防护套的形式有折叠式密封套、伸缩套管和伸缩挡板式。其材料有耐油塑料、人造革等。图22-4-8为防护套示例。

4.2.3.2　滚珠丝杠副的主要尺寸和精度等级

（1）滚珠丝杠副的主要尺寸参数

滚珠丝杠副的主要尺寸参数（GB/T 17587.1—1998）如表22-4-10所示，滚珠丝杠副的主要尺寸计算公式列于表22-4-11中。

（2）滚珠丝杠副的精度等级及标注方法

①精度等级，根据GB/T 17587.3—1998《滚珠丝杠副 第3部分：验收条件和验收检验》标准，对滚珠丝杠副的精度分为1、2、3、4、5、7、10共七个等级，最高级为1级，最低级为10级。一般情况下，标准公差等级1～5级精度用于P型，即采取预紧形式滚珠丝杠副，7级和10级精度的滚珠丝杠副为T型，即采用非预紧形式滚珠丝杠副。

滚珠丝杠副的精度指标包括目标行程偏差以及跳动和位置公差。行程偏差包括2π行程内允许的行程变动量V_2πP，300mm行程内允许的行程变动量V_300P，有效行程内允许的行程变动址V_uP，目标行程公差e_P。对定位型（P型）滚珠丝杠副要检验全部项目，对于传动型（T型）滚珠丝杠副只检验目标行程公差和300mm内行程变动量。

滚珠丝杠副的制造成本，主要取决于制造精度和长径比，因为制造精度越高，长径比越大，工艺难度越大，成品合格率就越低。因此在满足使用要求的前提下，尽可能选择低精度的滚珠丝杠副。设计选用时，要根据传动机构的精度（如定位精度，重复精度等）要求，选择滚珠丝杠副的精度等级。滚珠丝杠的行程偏差的验收检验项目如表22-4-12所示，其行程偏差和变动量如表22-4-13所示。按实际使用要求，在每一精度等级内制定了行程偏差和变动量允差大小，表22-4-14为滚珠丝杠的跳动和位置偏差。各类型机械产品使用的滚珠丝杠精度推荐如表22-4-15所示。

②滚珠丝杠副的标注方法

型号意义：

生产厂家一般省略GB号，而滚珠丝杠副的名称则以各厂自己的商标打头，后续加上表示循环方式、连接方式、预紧方式的字母。

4.2.3.3　滚珠丝杠副的选择设计计算

（1）滚珠丝杠副的选择设计计算步骤

滚珠丝杠在工作过程中承受轴向载荷，使得滚珠和滚道型面间产生接触应力，对滚道型面上某一点来说是交变接触应力，它的工作状况与滚动轴承类似，所以它的主要失效形式是疲劳点蚀和塑性变形。除此之外，对滚珠丝杠副还要进行效率计算和刚度、稳定性及临界转速等方面的校核计算。

计算滚珠丝杠副尺寸之前，必须先弄清楚适用对象及工作条件，包括工作载荷、速度与加速度、工作行程、定位精度、运转条件、预期寿命、工作环境、润滑密封条件等，然后根据表22-4-16程序进行计算。

（2）滚珠丝杠副的选择设计实例

例　某台加工中心工作台进给用滚珠丝杠副的选择设计计算。已知：工作台重量W₁=6000N，工件及夹具最大重量W₂=2000N，工作台最大行程L_K=1000mm，工作台导轨的摩擦因数，动摩擦因数μ=0.1，静摩擦因数μ₀=0.2，快速进给速度V_max=15m/min，定位精度20μm/300mm，全行程25μm，重复定位精度10μm，要求寿命20000h（两班制工作十年）。表22-4-24所示为工作台工作循环。

解　选择设计计算具体步骤见表22-4-25。

4.2.3.4　滚珠螺母安装连接尺寸

我国机械行业标准JB/T 9893—1999中规定了常用滚珠丝杠副的滚珠螺母安装、连接尺寸。该标准适用于机床及各类机械产品使用的下列六种结构的公制滚珠丝杠副：a.内循环滚珠丝杠副（包括浮动反向器型和固定反向器型）；b.外循环埋入式滚珠丝杠副；c.外循环凸出式滚珠丝杠副；d.外循环埋入式大导程滚珠丝杠副；e.外循环凸出式大导程滚珠丝杠副；f.外循环埋入式微型滚珠丝杠副。表22-4-26～表22-4-31为六种结构的滚珠丝杠副滚珠螺母安装、连接尺寸。其他结构可参照使用。

该标准中的规格代号是用数字表示的，前两位或三位数字表示公称直径，后两位数字表示公称导程。

4.2.3.5　静压丝杠螺母副

静压丝杠螺母副是在丝杠和螺母的螺纹之间保持一定厚度，且具有一定刚度的压力油膜，使丝杠和螺母之间由边界摩擦而变为液体摩擦。当丝杠转动时通过油膜推动螺母直线移动，反之，螺母转动也可使丝杠直线移动。

（1）静压丝杠螺母的特点

①摩擦系数很小，仅为0.0005，比滚珠丝杠（摩擦系数为0.002～0.005）的摩擦损失还小，启动力矩很小，传动灵敏，避免了爬行。

②油膜层可以吸振，提高了运动的平稳性，由于油液不断流动，有利于散热和减少热变形，提高了机床的加工精度和粗糙度。

③油膜层具有一定刚度，大大减小了反向间隙，同时油膜层介于螺母与丝杠之间，对丝杠的误差有“均化”作用，即丝杠螺母副的传动误差比丝杠本身的制造误差还小。

④承载能力与供油压力成正比，与转速无关。

静压丝杠螺母副要有一套供油系统，而且对油的清洁度要求较高，如果在运行中供油突然中断，将造成不良后果。下面就其工作原理、结构与类型做简要介绍。

（2）工作原理

油膜在螺旋面的两侧，而且互不相通，如图22-4-9所示。压力油经节流器进入油腔，并从螺纹根部与端部流出。设供油压力为p_H，经节流器后的压力为p_i（即油腔压力），当无外载时，螺纹两侧间隙h₁=h₂，从两侧油腔流出的流量相等，两侧油腔中的压力也相等，即p₁=p₂。这时，丝杠螺纹处于螺母螺纹的中间平衡状态的位置。

当丝杠或螺母受到轴向力F作用后，受压一侧的间隙减小，油腔压力p₂增大。相反的一侧间隙增大，而压力p₁下降，因而形成油膜压力差Δp=p₂-p₁，以平衡轴向力F。平衡条件近似地表示为

　　（22-4-1）

式中　A——单个油腔在丝杠轴线垂直面内的有效承载面积；

n——每扣螺纹单侧油腔数；

Z——螺母的有效扣数。

油膜压力差力图平衡轴向力，使间隙差减小并保持不变，这种调节作用总是自动进行的。

（3）结构与类型

静压丝杠副结构设计主要是螺母部分的结构设计，油腔节流器一般在螺母上，而丝杠结构与一般滑动丝杠基本相同。静压丝杠副的设计原则是：在保证设计要求刚度的前提下，使结构尽量简单，制造、安装和维修尽量方便。

如图22-4-10所示，8为丝杠，节流器7安装在螺母1的侧端面，并用油塞6堵住，螺母全部有效牙扣上的同侧同圆周位置上的油腔共用一个节流器控制，若每扣同侧圆周分布有三个油腔，则共需要六个节流器。从油泵来的油由螺母座4上的进油孔3和5经节流器7进入螺母外圆面上的进油槽13，再经进油孔12进入油腔11，油液经回油槽10从螺母端面流回油箱。接压力表油孔2用于安装油压表。

1）按照油腔开在螺纹面上的形式和节流控制方式的不同。目前，机床上采用的静压丝杠有以下三种。

①在螺纹面中径上开一条连通的螺旋沟槽油腔。每一侧油腔只用一个节流器控制，称为集中阻尼节流。其结构示意图如图22-4-11所示。这种形式的静压丝杠基本上不能承受径向载荷和颠覆力矩。

②在螺纹面每侧中径上开3～4个油腔，每个油腔用一个节流器控制称为分散阻尼节流。其结构示意如图22-4-12所示。这种形式的静压丝杠具有一定的径向承载能力和抗颠覆力矩能力，但节流器的数目较多，结构较复杂，制造和安装困难。

③在螺纹面每侧中径上开3～4个油腔，将分布于同侧、同方位上的油腔用—个节流器控制，称为分散集中阻尼节流。其结构示意如图22-4-13所示。这种形式的静压丝杠具有一定的径向承载能力和抗颠覆力矩能力。节流器的数量较少（一般6～8个节流器），制造和安装较方便，使用可靠。

2）按照节流形式不同，目前，机床上采用的静压丝杠有以下两种。

①毛细管节流式（属于固定节流）。结构简单、调试方便、使用可靠、性能稳定，节流器制造也简便，主要用于中、小型机床，目前国内应用较多。但此种节流方式对油液的清洁程度要求较高。实践证明，当油温超过40℃时，油膜刚度有下降的趋势。

②薄膜双面反馈式（属于可变节流）。油膜刚度较高，适用于大型重载机床。此种节流方式对油液的清洁程度要求较低。由于薄膜的制造精度不易保证，调整费事，往往影响使用。

4.2.4　其他传动机构

4.2.4.1　齿轮传动

齿轮传动是机械传动系统中最常见的形式，在光机电一体化系统设计中普通齿轮传动和谐波齿轮传动最为常见。普通齿轮传动需要特别注意其传动类型、传动比及齿轮间隙的调整等问题，谐波齿轮传动涉及传动原理、传动比大小及产品类型选择等情况，详见表22-4-32。

4.2.4.2　挠性传动

除滚珠丝杠副、齿轮副等传动部件之外，光机电一体化系统中还大量使用同步齿形带、钢带、钢丝绳及尼龙绳等挠性传动部件。光机电一体化系统中常用的挠性传动机构见表22-4-33。

4.2.4.3　间歇传动

光机电一体化系统中常用的间歇传动部件有：棘轮传动、槽轮传动、蜗形凸轮传动等部件。这种传动部件可将原动机构的连续运动转换为间歇运动。其基本要求是移位迅速，移位过程中运动无冲击，停位准确可靠，基本情况见表22-4-34。

4.3　机械导向机构设计

导向支承部件的作用是支承和限制运动部件按给定运动要求和规定的方向运动。这样的部件通常被称为导轨副，简称导轨。运动方向为直线的被称为直线运动导轨副，运动方向为回转的被称为回转运动导轨副。常用的导轨副的种类很多，按其接触面的摩擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨等。按其结构特点可分为开式（借助重力或弹簧弹力保证运动件与承导面之间的接触）导轨和闭式（只靠导轨本身的结构形状保证运动件与承导面之间的接触）导轨。

智能装备系统对导轨的基本要求是导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好等。对精度要求高的直线运动导轨，还要求导轨的承载面与导向面严格分开。当运动件较重时，必须设有卸荷装置，运动件的支承必须符合三点定位原理。

常见的导轨副的结构特点及设计要点见表22-4-35。常用导轨结构形式及其性能比较见表22-4-36。

4.4　机械执行机构设计

4.4.1　执行机构分析

智能装备系统执行机构，一般是指根据操作信号完成位移或动作的执行元件或执行机构。一般要求执行机构动作敏捷（灵敏度高）、精确度高、重复性好、可靠性高。光机电一体化系统就其本质而言，是以提高或变更价值为目的的，具有信息处理系统、物流系统和加工系统。因此，机电产品或设备是以能量或者信息传递、处理、转换、保存等为目的的技术系统，从而需要各种形式的执行装置。

智能装备系统的执行机构是实现系统主要功能的重要环节，其动力源（电动式、气动式、液压式或综合式）应根据整个系统的具体技术要求而定。执行机构能快速完成预期的动作，响应速度要快，动态特性要好，静动态精度要高。此外，动作灵敏度要高，便于集中控制，因此应具备高效率、体积小、重量轻、自控性强、可靠性高等技术特点。

当前，执行机构正朝标准化、系列化和智能化方向发展。

4.4.1.1　主要性能指标

为了更好地达到系统目标，把完全确定的输入量，即把物料、能量和信息（指令）在一定空间、时间条件下，完成所期望的转化效应（输出量），则要求执行机构能经济有效地达到主要性能指标。精度、稳定性、响应速度和可靠性的详细情况见表22-4-37。

4.4.1.2　系统的品质

系统的最基本要求是工作稳定性、精确性（稳态精度）、快速性和阻尼程度等。通常它们是通过系统输入特定信号的过渡过程和稳态的一些特征值来表征的。

这些品质指标是比较各种方案优劣以及制定产品协议的基础，是检验最佳化的尺度。一般是按实际要求由实验方法确定的。

过渡过程表征了系统的动态性能。它是指系统的被控制量c（t），在受到控制量或扰动量作用时，由原来的平衡状态（或稳态）变化到新的平衡状态时的过程而言的。

如图22-4-14所示为单位阶跃信号作用下控制系统的过渡过程曲线c（t）。曲线①振荡收敛，系统稳定；曲线②单调收敛，系统稳定；曲线③振荡发散，系统不稳定；曲线④单调发散，系统不稳定。

稳定性是控制系统自身的固有特性，也是系统能正常工作的首要条件。精确性指的是控制系统的稳态精度。

（1）系统的品质指标

如图22-4-15所示为二阶系统在单位阶跃信号作用下过渡过程的一般形式。通常，希望二阶系统工作在欠阻尼状态。在这种状态下将有一个振荡特性适度、持续时间较短的过渡过程。但并不排除在某些情况需要采用过阻尼或临界阻尼状态。

二阶系统（图22-4-15）在欠阻尼状态下用阶跃响应的特征值来表征系统的品质指标，如表22-4-38所示。

t_s、t_p、σ和N称为控制系统的动态品质指标，其中t_s和t_p表征系统的快速性能，σ和N表征系统的阻尼性能。

设计一个智能装备系统，其中执行装置作为子系统，既要保证系统的稳定性和稳态精度的要求，又要满足动态品质指标，这是一项必须实现的基本任务。

（2）单位阶跃响应的特征量计算（表22-4-39）

（3）频率特性法的品质指标

在工程上，通常传动系统的设计多采用频率特性法，系统品质指标应当用频率特性来表示，见表22-4-40。

4.4.1.3　能量转换接口

智能装备执行系统的能量转换接口主要包括系统的接口和系统-机械装置的能量转换接口两部分内容，详见表22-4-41。

4.4.2　微动机构

4.4.3　误差补偿机构

在智能装备系统中，由于各种因素（元器件磨损、腐蚀、变形、工作环境的变化等）的影响易造成误差，使系统不能达到预期的输出。采用按误差正负变化作反向修正的机构，则称为误差补偿机构。

误差补偿动作由测试系统或伺服驱动系统的补偿机构来实现，则称为硬件误差补偿。

对误差补偿机构的要求是：结构简单，灵敏度高，能有效地消除或减小误差，同时制造和装配调整要方便。

4.4.4　定位机构

定位机构是智能装备系统中一种确保移动件占据准确位置的机构。通常采用将分度机构和锁紧机构组合的机构，来实现精密定位的要求。

4.4.5　设计实例

4.4.5.1　数控机床动力卡盘与回转刀架

4.4.5.2　工业机器人末端执行器

工业机器人末端执行器装在操作机手腕的前端，它是操作机直接执行工作的装置。

末端执行器因用途不同而结构各异，一般可分为三大类：机械夹持器、特种末端执行器和万能手（或灵巧手）。

4.5　支撑系统和机架设计

4.5.1　轴系设计的基本要求及类型

轴系由轴及安装在轴上的齿轮、带轮等传动部件组成，有主轴轴系和中间传动轴轴系。轴系的主要作用是传递转矩及精确的回转运动，它直接承受外力（力矩）。在智能装备系统设计中，轴系设计主要考虑轴系设计的基本要求、轴系轴承的类型与选择以及提高轴系性能的措施等基本问题，详见表22-4-47。

4.5.2　机架的基本要求及结构设计要点

机座或机架是支承其他零部件的基础部件。它既承受其他零部件的重量和工作载荷，又起保证各零部件相对位置的基准作用。机座多采用铸件，机架多由型材装配或焊接构成。其基本特点是尺寸较大、结构复杂、加工面多，几何精度和相对位置精度要求较高。在设计时，首先应对某些关键表面及其相对位置精度提出相应的精度要求，以保证产品总体精度。其次，机架或机座的变形和振动将直接影响产品的质量和正常运转，故应对其提出下列基本要求。机架设计的基本要求及结构设计要点见表22-4-48。