机电一体化教案与(共27页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上第三章 机电一体化机械设计机电一体化的机械系统研究的三大结构包括传动机构、导向机构和执行机构，机械设计主要包括传动、支承、导轨等内容。机械传动机构的主要种类有：齿轮传动机构、滚珠丝杠副、滑动丝杠副、同步带传动副、间歇机构、绕性传动机构等，传动装置不仅是转速和转矩的变换器，而且还能实现转动到直线运动的转换。由于机电一体化系统的机械结构要求有较小的摩擦、较高的精度和刚度。所以在机械设计的时，应尽量采用现代的精密机械设计方法以提高系统的性能。第一节 无侧隙齿轮传动机构齿轮传动是机电一体化机械传动系统中应用最广泛的一种机械传动，通常用齿轮传动装置传递转矩、转速和位移，使电机和滚珠丝杠副及工作台之间的转矩、转速和位移得到匹配。所以齿轮传动装置的设计是伺服机械传动系统设计的一个重要部分，在各类型机电一体化机械传动系统中得到广泛使用。齿轮传动的瞬时传动比为常数，传动精确度高，可做到零侧隙无回差，强度大能承受重载，结构紧凑，摩擦力小和效率高，成为在机电一体化机械系统中使用最多的传动机构。对传动装置总的要求是传动精度高、稳定性好和灵敏度高（响应速度快）。传动误差会直接影响到系统的控制精度。对于开环控制而言，传动误差直接影响设备的工作精度，因而应尽可能的缩短传动链、消除传动间隙，以提高传动精度和刚度。对于闭环控制系统，齿轮传动装置完全在伺服回路中，给系统增加了惯性环节，其性能参数将直接影响整个系统的稳定性。无论是开环还是闭环控制，齿轮传动装置都将影响整个系统的灵敏度（响应速度），从这个角度考虑应注意减少摩擦、减少转动惯量，以提高传动装置的加速度。特别是当传动机构有自动变向功能时，会使运动反向时滞后于指令信号，造成反向死区也会影响传动精度和系统的稳定性。所以为了提高系统的传动精度，必须采取措施消除齿轮机构的齿侧间隙，保证齿轮的双向传动精度。下面介绍几种消除齿轮间隙的方法。 一、直齿圆柱齿轮传动机构 1、偏心轴套调整法 图3-1所示为最简单的偏心轴套式消隙结构。电动机2通过偏心轴套1装在壳体上。转动偏心轴套l可以调整两啮合齿轮的中心距，消除直齿圆柱齿轮传动的齿侧间隙及其造成的换向死区。 这种方法结构简单，但侧隙调整后不能自动补偿。 图3-1 偏心轴套式消隙结构2、双片薄齿轮错齿调整法 1偏心轴套 2电动机图3-2所示为双片齿轮周向可调弹簧错齿消隙结构。两个啮合的直齿圆柱齿轮中一个采用宽齿轮，另一个由两片可以相对转动的薄片齿轮组成。装配时使一片薄齿轮的齿左侧和另一片的齿右侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左、右两侧，通过两薄片齿轮的错齿，消除齿侧间隙，反向时也不会出现死区。如图3-2所示，两薄片齿轮1、2上各装入有螺纹的凸耳3、4，螺钉5装在凸耳3上，螺母6、7可调节螺钉5的伸出长度。弹簧8一端勾在凸耳9上，另一端勾在螺钉5上。转动螺母7（螺母6用于锁紧）可改变弹簧8的张力大小，调节齿轮1、2的相对位置，达到错齿。双片齿轮错齿法调整间隙，在齿轮传动时，由于正向和反向旋转分别只有一片齿轮承受扭矩，因此承载能力受到限制，并有弹簧的拉力要足以能克服最大扭矩，否则起不到消隙作用，这种方法称为柔性调整法，它适用于负荷不大的传动装置中。这种结构虽然结构复杂，但是装配好后，齿侧间隙自动消除（补偿），可始终保持无间隙啮合，是一种常用的无间隙齿轮传动结构。 图3-2 圆柱薄片齿轮错齿调整 图 3-3 斜齿薄片齿轮垫片调整1、2薄片齿轮 3、4、9凸耳 1斜齿轮 2垫片 3、4薄片斜齿轮5螺钉 6、7螺母 8弹簧 二、斜齿轮传动机构1、垫片调整法 垫片调整法与错齿调整法基本相同，两薄片斜齿轮之间的错位由两者之间的轴向距离获得。图3-3中两薄片斜齿轮3、4中间加一垫片2，使薄片斜齿轮3、4的螺旋线错位，齿侧面相应地与宽齿轮1的左右侧面贴紧。垫片的厚度H与齿侧间隙的关系为 (3-1)式中，为螺旋角。 该方法结构简单，但在使用时往往需要反复测试齿轮的啮合情况，反复调节垫片的厚度才能达到要求，而且齿侧间隙不能自动补偿，并且承载能力小。 2、轴向压簧调整法专心-专注-专业轴向压簧调整法如图3-4所示。该方法是用弹簧3的轴向力来获得薄片斜齿轮1、2之间的错位，使其齿侧面分别紧贴宽齿轮7的齿槽的两侧面。薄片齿轮1、2用键4套在轴6上。弹簧3的轴向力用螺母5来调节，其大小必须调整合适，压力过大会加快齿轮磨损，压力过小达不到消隙作用。这种结构齿轮间隙能自动消除，能够保持无间隙的啮合，但它只适用于负载较小的场合。而且这种结构轴向尺寸较大。图3-4 斜齿薄片齿轮轴向压簧调整1、2薄片齿轮 3弹簧 4键 5螺母 6轴 7宽齿轮三、锥齿轮传动机构锥齿轮同圆柱齿轮一样可用上述类似的方法来消除齿侧间隙。1、轴向压簧调整法如图3-5所示为锥齿轮轴向压簧调整法，在锥齿轮4的传动轴7上装有压簧5，其轴向力大小由螺母6调节。锥齿轮4在压簧5的作用下可轴向移动，从而消除了其与啮合的锥齿轮1之间的齿侧间隙。 图 3-5 锥齿轮轴向压簧调整 图3-6 锥齿轮周向弹簧调整 1、4锥齿轮 2、3键 5压簧 6螺母 7轴 1大片锥齿轮 2小片锥齿轮 3锥齿轮 4镶块 5弹簧 6止动螺钉 7凸爪 8槽2、周向弹簧调整法如图3-6所示，与锥齿轮3啮合的齿轮作成大小两片（1、2），在大片锥齿轮1上制有三个周向圆弧槽8，小片锥齿轮2的端面制有三个可伸入槽8的凸爪7。弹簧5装在槽8中，一端顶在凸爪7上，另一端顶在镶在槽8中的镶块4上。止动螺钉6装配时用，安装完毕将其卸下，则大小片锥齿轮1、2在弹簧力作用下错齿，从而达到消除间隙的目的。四、齿轮齿条传动机构齿条同侧齿廓为平行线,它在与齿定线平行的任一直线上具有相同齿距；齿条直线齿廓上各点的压力角相同,等于直线齿廓的齿形角。机电一体化系统中大行程传动机构往往采用齿轮齿条传动，齿轮齿条机构的特点是刚度、精度和工作性能不会因行程增大而明显降低，但也存在齿侧间隙，应消隙。 当传动负载小时，可采用类似于圆柱齿轮中的双片薄齿轮错齿调整法，通过错齿的方法消除间隙。当传动负载大时，可采用双厚齿轮调整法。如图3-7所示，小齿轮1、6分别与齿条7啮合，与小齿轮1、6同轴的大齿轮2、5分别与齿轮3啮合，通过预载装置4向齿轮3上预加负载，使大齿轮2、5同时向两个相反方向转动，从而带动小齿轮l、6转动，其齿便分别紧贴在齿条7上齿槽的左、右侧，消除了齿侧间隙。 图 3-7 双齿轮调整 1、6小齿轮 2、5大齿轮 3齿轮 4预载装置 7齿条第二节 滑动螺旋传动螺旋运动是构件的一种空间运动，它由具有一定制约关系的转动及沿转动轴线方向的移动两部分组成。组成运动副的两构件只能沿轴线作相对螺旋运动的运动副称为螺旋副。螺旋副是面接触的低副。螺旋传动是机电一体化系统中常用的一种传动形式， 螺旋传动是利用螺旋副来传递运动和 (或)动力的一种机械传动，可以方便地把主动件的回转运动转变为从动件的直线运动，其运动关系为 L = （3-2）式中， L螺杆（或螺母）的位移； Ph 导程； 螺杆和螺母间的相对转角。根据用途不同，螺旋传动可以分为传力螺旋、传导螺旋、调整螺旋；根据摩擦性质的不同，可以分为滑动螺旋传动、滚动螺旋传动和静压滑动摩擦螺旋传动。 一、滑动螺旋传动的特点与其他将回转运动转变为直线运动的传动装置 (如曲柄滑块机构)相比，螺旋传动具有结构简单、传动比大、承载能力大和自锁等特点。1、降速传动比大 螺杆（或螺母）转动一转，螺母（或螺杆）移动一个螺距（单头螺纹）。采用螺旋副可以大大缩短机构的传动链。螺旋传动结构简单、紧凑，传动精度高，工作平稳。2、具有增力作用 只要给主动件（螺杆）一个较小的输入转矩，从动件即能得到较大的轴向力输出，因此带负载能力较强。3、能自锁 当螺旋线升角小于摩擦角时，螺旋传动具有自锁作用。4、效率低、磨损快 螺旋工作面为滑动摩擦，所以传动效率低（约3040），磨损快，不适于高速和大功率传动。5、低速或运动微调时会出现爬行现象。由于滑动螺旋具有以上特点，所以滑动螺旋主要用在机床进给、定位等机构，如压力机、千斤顶的传力机构等。二、滑动螺旋传动的形式及应用滑动螺旋传动主要有以下两种基本型式。1、螺母固定，螺杆转动并移动如图3-8a所示，这种传动型式的螺母起着支承作用，简化了结构，消除了螺杆与轴承之间可能产生的轴向窜动，传动精度高。但是轴向尺寸较大（螺杆行程的两倍加上螺母高度），刚性较差，仅适用于行程短的情况。 图 3-8 滑动螺旋传动的基本型式2、螺杆转动，螺母移动如图3-8b所示，这种传动型式的特点是结构紧凑（所占轴向尺寸取决于螺母高度及行程大小），刚度较大。适用于工作行程较长的情况。但是传动精度不如上一种，例如机床工作台的运动常采用这种方式。 图3-9 差动螺旋原理3、差动螺旋传动。差动螺旋传动的原理如图3-9所示。螺杆3左、右两段螺纹的旋向相同，导程分别为Ph1和Ph2。当螺杆转动角时，可动螺母2的移动距离为 （3-3） 如果Ph1与Ph2相差很小，则 L很小。因此差动螺旋常用于各种微动装置中，如分度机构、测微机构等。 若螺杆3左、右两段螺纹的旋向相反，则当螺杆转动角时，可动螺母2的移动距离为 （3-4）可知，此时差动螺旋变成快速移动螺旋。这种螺旋装置用于要求快速夹紧的夹具或锁紧装置中。三、螺旋副零件与滑板联接结构的确定螺旋副零件与滑板的联接结构对螺旋副的磨损有直接影响，设计时应注意。常见的联接结构有下列几种： 图 3-10 刚性连接结构1、刚性联接结构 图3-10所示为刚性联接结构，这种联接结构的特点是牢固可靠，但当螺杆轴线与滑板运动方向不平行时，螺纹工作面的压力增大，磨损加剧，严重（ 、较大）时还会发生卡住现象。刚性联接结构多用于受力较大的螺旋传动中。 图 3-11 测量显微镜纵向测微螺旋2、弹性联接结构 图3-11所示的装置中，螺旋传动采用了弹性联接结构。片簧7的一端在工作台（滑板）8上，另一端套在螺母的锥形销上。为了消除两者之间的间隙，片簧以一定的预紧力压向螺母（或用螺钉压紧）。当工作台运动方向与螺杆轴线偏斜角（图3-10a）时，可以通过片簧变形进行调节。如果偏斜角（图3-10b）时，螺母可绕轴线自由转动而不会引起过大的应力。弹性联接结构适用于受力较小的精密螺旋传动。3、活动联接结构 图3-12所示为活动联接结构的原理图。恢复力F（一般为弹簧力）使联接部分保持经常接触。当滑板1的运动方向与螺杆2的轴线不平行时，通过螺杆端部的球面与滑板在接触处自由滑动（图3-12a），或中间杆3自由偏斜（图3-12b），从而可以避免螺旋副中产生过大的应力。 图3-12 活动联接结构四、影响螺旋传动精度的因素及提高传动精度的措施螺旋传动的传动精度是指螺杆与螺母间实际相对运动保持理论值（公式3-2）的准确程度。影响螺旋传动精度的因素主要有以下几项： 1、 螺纹参数误差 螺纹的各项参数误差中，影响传动精度的主要是螺距误差、中径误差以及牙型半角误差。 （1）螺距误差 螺距误差分为单个螺距误差和螺距累积误差。单个螺距误差与螺纹的长度无关。而螺距累积误差与螺纹的长度有关。 从式(3-2)可知，螺距误差对传动精度的影响是很明显的。螺距累积误差和单个螺距误差都将直接影响传动精度。而螺母的螺距累积误差对传动精度没有影响，它的单个螺距误差也只有当螺杆也有单个螺距误差时才会引起传动误差。所以在精密螺旋传动中，对螺杆的精度比对螺母的精度要求高一些。 （2）中径误差 中径是螺杆和螺母的配合尺寸，为了使螺杆和螺母转动灵活和储存润滑油，配合处需要有一定的均匀间隙，因此对螺杆全长上中径尺寸变动量的公差应予以控制。特别对长径比较大的螺杆，由于其细而长，刚性差、易弯曲，使螺母在螺杆上各段的配合产生偏心，引起螺杆螺距误差，故应控制其中径跳动公差。（3）牙型半角误差 如图3-13，当螺纹各牙之间的牙型角有差异（牙型半角误差各不相等）时，会引起螺距变化，从而影响传动精度。但是，如果螺纹全长是在一次装刀切削出来的，所以牙型半角误差在螺纹全长上变化不大，对传动精度影响很小。 图313 牙型半角误差 图314 螺杆轴向串动误差 2、螺杆轴向窜动误差图3-14所示，若螺杆轴肩的端面与轴承的止推面不垂直于螺杆轴线而有1和2的偏差，则当螺杆转动时，将引起螺杆的轴向窜动误差，并转化为螺母位移误差。最大的轴向窜动误差为max=Dtanmin （3-5） 式中，D螺杆轴肩的直径； min1和2中较小者，图3-14为2图3-15 偏斜误差3、偏斜误差在螺旋传动机构中，若螺杆的轴线方向与移动件的运动方向有一个偏斜角（图3-15）时，就会发生偏斜误差。设螺杆的总移动量为L ，移动件的实际移动量为x ，则偏斜误差为L =L x =L（1-cos）=2Lsin2/2 由于一般很小，sin/2/2，因此L=L2/2 （3-6） 由此可见，偏斜角对偏斜误差有很大的影响，对其值应该加以控制。4、温度误差螺旋传动的工作温度与制造温度不同时引起螺杆长度和螺距发生变化产生传动误差称为温度误差，大小L t=Lt （3-7） 式中，L螺杆螺纹部分长度； 螺杆材料热膨胀系数，对于钢，一般取为11.6×10-6/ °C t工作温度与制造温度之差 设计时为了提高传动精度，应尽可能减小或消除这些误差。可以提高螺旋副零件的制造精度，但这样会使成本提高。因此，除了规定合理的制造精度以外，可采取某些结构措施提高其传动精度。螺杆的螺距误差是造成螺旋传动误差的最主要因素，因此采用螺距误差校正装置是提高螺旋传动精度的有效措施之一。 五、消除螺旋传动的空回的方法当螺旋机构中存在间隙，若改变螺杆的转动方向，螺母不能立即产生反向运动，只有螺杆转动某一角度后才能使螺母开始反向运动，这种现象称为空回。空回将直接引起传动误差，消除空回的方法就是在保证螺旋副相对运动要求的前提下消除螺杆与螺母之间的间隙。下面是几种常见的消除空回的方法。1、利用单向作用力 在螺旋传动中，利用弹簧产生单向恢复力，使螺杆和螺母螺纹的工作表面保持单面接触，从而消除了另一侧间隙对空回的影响。这种结构在螺母上无需开槽或剖分（图3-16），螺杆与螺母接触情况较好，提高了螺旋副的寿命。 2、利用调整螺母（1）径向调整法 利用不同的结构，使螺母产生径向收缩，以减小螺纹旋合处的间隙，从而减小空回。图3-16所示为径向调整法的典型示例。图3-16a为开槽螺母结构，拧动螺钉调整螺纹间隙。图3-16b为卡簧式螺母结构。主螺母1上铣出纵向槽，拧紧副螺母2，靠主副螺母的圆锥面，迫使主螺母径向收缩消除螺旋副的间隙。图3-16c是为对开螺母结构。在螺钉和螺母之间装有螺旋弹簧，可使压紧力均匀稳定。当在此结构中装入紧定螺钉调整螺纹间隙时，可避免螺母直接压紧在螺杆上而增加摩擦力矩，加速螺纹磨损，如图3-16d所示。 图 3-16 螺纹间隙径向调整结构（2）轴向调整法 图3-17为轴向调整法的典型结构示例。图3-17a为开槽螺母结构。拧紧螺钉强迫螺母的左、右两半部的螺纹分别压紧在螺杆螺纹相反的侧面上，消除了螺杆相对螺母轴向窜动的间隙。图3-17b为刚性双螺母结构。主螺母1和副螺母2之间用螺纹联接，联接螺纹的螺距P´不等于螺杆螺纹的螺距P，主副螺母相对转动即可消除螺杆相对螺母轴向窜动的间隙，再用紧定螺钉将其固定。图3-17c为弹性双螺母结构。它是利用弹簧的弹力来达到调整的目的。螺钉3的作用是防止主螺母1和副螺母2的相对转动。图 3-17 螺纹间隙轴向调整结构 3、利用塑料螺母消除空回图3-18所示是用聚乙烯或聚酰胺(尼龙)制作螺母，用金属压圈压紧，利用塑料的弹性能很好地消除间隙。图3-18 塑料螺母结构第三节 滚珠螺旋传动螺旋传动中最常见的是滑动螺旋传动。但是，由于滑动螺旋传动的接触面间存在着较大的滑动摩擦阻力，故其传动效率低，磨损快、精度不高，使用寿命短，已不能适应机电一体化设备与产品在高速度、高效率、高精度等方面的要求。滚珠丝杠螺母副则是为了适应机电一体化机械传动系统的要求而发展起来的一种新型传动机构。滚珠螺旋传动是在螺杆和螺母间放入适量的滚珠，使滑动摩擦变为滚动摩擦的螺旋传动。滚珠螺旋传动是由螺杆、螺母、滚珠和滚珠循环返回装置四部分组成，如图3-19所示。当螺杆转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动。为了防止滚珠沿滚道面掉出来，螺母上设有滚珠循环返回装置，构成了一个滚珠循环通道，滚珠从滚道的一端滚出后，沿着循环通道返回另一端，重新进入滚道，从而构成一闭合回路。图 3-19 滚珠螺旋传动工作原理图 一、滚珠螺旋传动的特点 滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动相比较，具有下列特点：1、运动效率高，摩擦力小。滚动摩擦阻力很小，实验测得的摩擦系数般为0.00250.0035，因而传动效率很高，可达0.920.96（滑动丝杠为0.20.4），相当于普通滑动丝杠螺母副的3 4倍。这样滚珠丝杠副相对于滑动丝杠副来说，仅用较小的扭矩就能获得较大的轴向推力，功率损耗只有滑动丝杠副的1/4 1/3，这对于机械传动系统小型化、快速响应能力及节省能源等方面，都具有重要意义。2、运动精度高。摩擦力小，工作时螺杆的热变形小，螺杆尺寸稳定，经预紧调整后可得到无间隙传动。滚珠丝杠螺母副属于精密机械传动机构，丝杠与螺母经过淬硬和精磨后，本身就具有较高的定位精度和进给精度。滚珠丝杠副的摩擦损失小，因而工作时本身温度变化很小，丝杠尺寸稳定，有利于提高传动精度。由于滚动摩擦的启动摩擦阻力很小，所以滚珠丝杠螺母副的动作灵敏，且滚动摩擦阻力几乎与运动速度无关，这样就可以保证运动的平稳性，即使在低速下，仍可获得均匀的运动，保证了较高的传动精度。 3、具有传动的可逆性，但不能自锁。一般的螺旋传动是指其正传动，即把回转运动转变成直线运动。而滚珠丝杠副不仅能实现正传动，还能实现逆传动将直线运动变为旋转运动。这种运动上的可逆性是滚珠丝杠螺母副所独有的。而且逆传动效率同样高达90以上。滚珠丝杠副传动的特点，可使其开拓新的机械传动系统，但另一方面其应用范围也受到限制，在一些不允许产生逆运动的地方，如横梁的升降系统等，必须增设制动或自锁机构才可使用。4、制造工艺复杂，成本较高，但使用寿命长，维护简单。滚动磨损要比滑动磨损小得多，而且滚珠、丝杠和螺母都经过淬硬，所以滚珠丝杠副长期使用仍能保持其精度，工作寿命比滑动丝杠副高5 6倍。 二、滚珠螺旋传动的结构型式与类型 各种设计制造的滚珠丝杠螺母副，尽管在结构上式样很多，但其主要区别是在螺纹滚道截面的形状，滚珠循环的方式，以及轴向间隙的调整和施加预紧力的方法等三个方面。 1、螺纹滚道法向截形螺纹滚道的截面形状和尺寸是滚珠丝杠最基本的结构特征。螺纹滚道法向截形是指通过滚珠中心且垂直于滚道螺旋面的平面和滚道表面交线的形状。常用的截形有两种，单圆弧形（图3-20a）和双圆弧形（图3-20b）。滚珠与滚道表面在接触点处的公法线与过滚珠中心的螺杆直径线间的夹角叫接触角。理想接触角450。滚道半径rs（或rn）与滚珠直径D的比值，称为适应度frs=rs/D(或frn=rn/D)。适应度对承载能力的影响较大，一般取frs(或frn)=0.250.55。(1) 单圆弧滚道型面单圆弧滚道型面如图2-40a所示，其形状简单，磨削螺纹滚道的砂轮成型比较简便，易于获较高的加工精度。但其接触角随着轴向负载的大小不同而变化，因而使得传动效率、承载能力及轴向刚度等变得不稳定。(2) 双圆弧滚道型面如图2-40b所示为双圆弧滚道型面，它是由两个不同圆心的圆弧组成。由于接触角在工作过程中能基本保持不变，因而传动效率、承载能力和轴向刚度较稳定。一般均取=45°。另一方面，由于采用了双圆弧，螺旋槽底部不与滚珠接触，形成小小的空隙，可容纳润滑油，使磨损减小，对滚珠的流畅运动大有好处。因此，双圆弧滚道型面是目前普遍采用的滚道形状。但双圆弧形砂轮修整、加工、检验比较困难。图3-20 滚道法向截形示意图螺纹滚道的曲率半径（即滚道半径）R与滚珠半径r0比值的大小，对滚珠丝杠副承载能力有很大影响，一般取R/r01.04 1.11之间。比值过大摩擦损失增加；比值过小承载能力降低。2、滚珠循环方式滚珠的循环方式及其相应的结构对滚珠丝杠的加工工艺性、工作可靠性和使用寿命都有很大的影响。目前使用的有外循环和内循环两种。按滚珠在整个循环过程中与螺杆表面的接触情况，滚珠的循环方式可分为内循环和外循环两类。（1）内循环 滚珠在循环过程中始终与螺杆保持接触的循环叫内循环（图3-21）。在螺母1的侧孔内，装有接通相邻滚道的反向器，借助反向器上的回珠槽，迫使滚珠2沿滚道滚动一圈后越过螺杆螺纹滚道顶部，重新返回起始的螺纹滚道，构成单圈内循环回路。在同一个螺母上，具有循环回路的数目称为列数，内循环的列数通常有二四列。为了结构紧凑，反向器沿螺母周围均匀分布的，即对应二列、三列、四列的滚珠螺旋的反向器分别沿螺母圆周方向互错1800、1200、900。反向器的轴向间隔视反向器的型式不同，分别为3Ph/2、4Ph/3、5Ph/4或5Ph/2、7Ph/3、9Ph/4，其中Ph为导程。滚珠在每一循环中绕经螺纹滚道的圈数称为工作圈数。内循环的工作圈数是一列只有一圈，回路短，滚珠少，滚珠的流畅性好，效率高，装配简单；但反向器的回珠槽为空间曲面，加工复杂。图 3-21 内循环 （2）外循环 滚珠在循环过程中有一部分与丝杠脱离接触的循环方式称为外循环。外循环方式中的滚珠在循环返向时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外作循环运动。从结构上看，外循环有以下三种形式。 螺旋槽式（图3-22）是直接在螺母1外圆柱面上铣出螺旋线形的凹槽作为滚珠循环通道，凹槽两端钻出两个通孔分别与螺纹滚道相切，同时用两个挡珠器4引导滚珠3通过两通孔，用套筒2或螺母座内表面盖住凹槽，构成滚珠循环通道。螺旋槽式结构工艺简单，易于制造，螺母径向尺寸小，但是挡珠器刚度较差，容易磨损。图 3-22 螺旋槽式外循环插管式（图3-23）是用管2代替螺旋槽式中的凹槽，弯管的两端插入螺母3上与螺纹滚道相切的两个通孔内，外加压板1用螺钉固定，用弯管的端部或其它形式的挡珠器引导滚珠4进出弯管，构成循环通道。插管式结构简单，工艺性好，但弯管在螺母外部，径向尺寸较大，若用弯管端部作挡珠器，耐磨性较差。 图 3-23 插管式外循环 图 3-24 端盖式外循环端盖式（图3-24）在螺母1上钻出纵向孔作为滚子回程滚道，螺母两端装有的块扇形盖板或套筒2，滚珠的回程道口就在盖板上。滚道半径为滚珠直径的1.4 1.6倍。这种方式结构简单、工艺性好，但是滚珠通过短槽时容易卡住，影响性能，故应用较少。 3、消除轴向间隙的调整预紧方法若滚珠螺旋副中有轴向间隙，或在载荷作用下滚珠与滚道接触处有弹性变形，螺杆反向时会产生空回误差。这种空回是非连续的，既影响传动精度，又影响系统的动态性能。为了消除空回误差，在螺杆上装配两个螺母1和2，使两个螺母中的滚珠在承受载荷之前就以一定的压力分别压向螺杆螺纹滚道相反的侧面，使其产生一定的变形（图3-25），从而消除轴向间隙，提高轴向刚度。常用的调整预紧方法有三种。 图 3-25 双螺母预紧 图 3-26 垫片调隙式（1）垫片调隙式 如图3-26所示，调整垫片2的厚度，使螺母1轴向移动，从而消除轴向间隙并预紧。这种方法结构简单，可靠性高，刚性好。垫片制成剖分式可避免要调整时拆卸螺母；但是精确调整比较困难。所以这种方法一般用于精度要求较低的传动中。（2）螺纹调隙式 如图3-27所示，螺母1的外端有凸缘，螺母3没有凸缘但是加工有螺纹，它的外端伸出螺母座外，两个圆螺母2锁紧即可调整轴向间隙和预紧（里侧螺母调整间隙并加以一定预紧力，外侧螺母锁紧）。键4可防止两个螺母相对转动。预紧后两个螺母中的滚珠相向受力，从而消除轴向间隙。其特点是结构简单、刚性好、预紧可靠。使用中调整方便，但不能精确定量地调整。 图 327 螺纹调隙式 图 3-28 齿差调隙式 （3）齿差调隙式 如图3-28所示，螺母1和2的凸缘上分别制出圆柱外齿轮，外齿轮的齿数相差一齿（z2z1+1）。螺母1和2装入螺母座中，分别与有相应齿数（z1和z2）的内齿轮3和4啮合。调整时先取下内齿轮，将两个螺母相对螺母座同方向转动一定的齿数，则一个滚珠螺母相对于另一个滚珠螺母产生相对角位移，使两个滚珠螺母产生相对轴向移动，从而消除轴向间隙并产生一定的预紧力。当两个螺母按同方向转过一个齿时；其相对轴向位移为。 （3-8）式中，Ph为导程。如果z1=99，z2=100，Ph=8mm，则L=0.8m。可见，这种方法的调整精度很高，工作可靠；但结构复杂，加工工艺和装配性能较差。三、滚珠螺旋副的精度滚珠螺旋副的精度包括螺母的行程误差和空回误差。影响螺旋副精度的因素主要是螺旋副的参数误差，机构误差和动态变性误差。在JB/T3162. 2-19标准中，根据滚珠螺旋副的使用范围和要求分为两类：P类定位滚珠螺旋副和T类传动滚珠螺旋副。精度等级有7个，1级精度最高，其次递减。 四、滚珠丝杠副的标注方法滚珠丝杠副的型号根据其结构、规格、精度和螺纹旋向等特征按下列格式编写。 × 循环方式 预紧方式 公称直径 基本导程 负荷滚珠总圈数 精度等级 螺纹旋向负荷滚珠总圈数为1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5圈，代号分别为1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5。螺旋旋向为左、右旋，只标左旋代号为LH，右旋不标。滚珠螺纹的代号用GQ表示，标注在公称直径前，如GQ50×83。循环方式的标注参见表2-1。预紧方式的标注参见表2-2。第四节 滑动摩擦导轨 导轨的主要作用是支承和引导运动部件按一定的轨道作运动。在导轨副中，运动的一方叫做动导轨；不动的一方叫做支承导轨（或静导轨）。动导轨相对于支承导轨运动，通常是直线运动和回转运动。滑动摩擦导轨的运动件与承导件直接接触。优点是结构简单、接触刚度大；但是摩擦阻力大、磨损快、低速运动时易产生爬行现象。一个刚体在空间有6个自由度。对于直线运动导轨，必须限制运动件的5个自由度，只保留沿一个方向移动的自由度。导轨的导向面有棱柱面和圆柱面两种基本型式。 图3-29 导轨的导向原理 与棱柱面相接触的零件只有沿一个方向移动的自由度，如图3-29b、c、d所示的棱柱面导轨，运动件只能沿x方向移动。棱柱面由几个平面组成，但从便于制造、装配和检验出发，平面数量应尽量减少。限制运动件自由度的面，可以集中在一根导轨上。一般为了提高导轨的承载能力和抵抗倾复力矩的能力，往往采用两根导轨。以圆柱面相配合的两个零件，有绕圆柱面轴线转动及沿此轴线移动的两个自由度，在限制转动这一自由度后，则只有沿其轴线方向移动的自由度（图3-29e）。 一、导轨的基本要求1、导向精度高。导向精度是指运动件按给定方向作直线运动的准确程度，它主要取决于导轨本身的几何精度及导轨配合间隙。导轨的几何精度可用线值或角值表示。导轨的几何精度综合反映在静止或低速下的导向精度。直线运动导轨的检验内容主要是：导轨在垂直平面内的直线度；导轨在水平平面内的直线度；在水平面内，两条导轨的平行度。 图3-30导轨的几何角度 （1）导轨在垂直平面和水平面内的直线度 如图3-30a、b所示，理想的导轨面与垂直平面A-A或水平面B-B的交线应为一条理想直线，但由于制造误差使交线的实际轮廓偏离理想直线，最大偏差量即为导轨全长在垂直平面（图3-30a）和水平面（图3-30b）内的直线度误差。 （2）导轨面间的平行度 图3-30c所示为导轨面间的平行度误差。设V形导轨没有误差，平面导轨纵向倾斜产生的误差即为导轨间的平行度误差。平行度误差一般以角度值表示，它会使运动件运动时发生“扭曲”。2、运动轻便、平稳、低速时无爬行现象导轨运动的不平稳性主要表现在低速运动时导轨速度的不均匀。在低速运动时，作为运动部件的动导轨易产生爬行。进给运动的爬行，将提高被加工表面的表面粗糙度值，故要求导轨低速运动平稳，不产生爬行，这对于高精度的机床尤其重要。设计时应合理选择导轨的类型、材料、配合间隙、配合表面的几何形状精度及润滑方式。3、耐磨性好导轨的耐磨性决定了导轨的精度保持性。动导轨沿支承导轨长期运行会引起导轨的不均匀磨损，破坏导轨的导向精度，从而影响机床的加工精度。例如：卧式车床的铸铁导轨，若结构欠佳，润滑不良或维修不及时，则靠近床头箱一段的前导轨，每年磨损量达0.20.3 mm，这样就降低了刀架移动的直线度对主轴的平行度，加工精度也就下降。导轨的耐磨性主要取决于导轨的类型、材料、导轨表面的粗糙度及硬度、润滑状况和导轨表面压强的大小。4、对温度变化的不敏感性导轨对温度变化的不敏感性主要取决于导轨类型、材料及导轨配合间隙等。5、足够的刚度刚度不足会导致导轨的变形过大，降低导向精度，加快导轨面的磨损。刚度主要与导轨的类型、尺寸以及导轨材料等有关。6、结构工艺性好导轨的结构应力求简单、便于制造、检验和调整，从而降低成本。 二、滑动摩擦导轨的类型及结构特点导轨的分类方法有多种。按运动轨迹可以分为直线导轨和圆导轨；按工作性质可分为主运动导轨、进给导轨和调整导轨，按受力情况可以分为开式导轨和闭式导轨。按摩擦性质可以分为滑动导轨和滚动导轨两种。按导轨承导面的截面形状，滑动导轨可分为圆柱面导轨和棱柱面导轨（图3-31）。其中凸形导轨不易积存切屑、脏物，但也不易保存润滑油，故宜作低速导轨，例如车床的床身导轨。凹形导轨则相反，可作高速导轨，如磨床的床身导轨，但需有良好的保护装置，以防切屑、脏物掉入。 图3-31 滑动摩擦导轨截面形状 1、圆柱面导轨圆柱面导轨导轨面的加工和检验比较简单，精度较高；但是对温度比较敏感，间隙不能调整。它适用于受轴向载荷的场合，如压力机、珩磨机、攻螺纹机和机械手等。图3-32结构中，支臂3和立柱5构成圆柱面导轨。立柱5的圆柱面上加工有螺纹槽，转动螺母1即可带动支臂3上下移动，螺钉2用于锁紧，垫块4用于防止螺钉2压伤圆柱表面。 图3-32 圆柱面导轨 在多数情况下，圆柱面导轨的运动件不允许转动，为此，可采用各种防转结构。最简单的防转结构是在运动件和承导件的接触表面上作出平面、凸起或凹槽，如图3-33a、b、c。图3-33d中利用辅助导向面也可限制运动件的转动。双圆柱面导轨（图3-33e），它既能保证较高的导向精度,又能保证较大的承载能力。 图3-33 有防转结构的圆柱面导轨 为了提高圆柱面导轨的精度，必须正确选择圆柱面导轨的配合。当导向精度要求较高时，常选用H7f7或H7S6配合。当导向精度要求不高时，可选用H8f7或H8s7配合。导轨表面粗糙度可根据相应的精度等级决定，通常被包容零件外表面的粗糙度小于包容件的内表面的粗糙度。 2、棱柱面导轨 常用的棱柱面导轨有三角形导轨、矩形导轨、燕尾形导轨以及它们的组合式导轨。（1）双三角形导轨 如图334a所示两条导轨同时起着支承和导向作用，导轨的导向精度高，承载能力大，磨损均匀且能自动补偿间隙，精度保持性好。但制造、检验比较困难，刮研量较大，对温度变化也较敏感。 （2）三角形一平面导轨(图3-34b) 保持了双三角形导轨导向精度高、承载能力大的优点，避免了由于热变形所引起的配合状况的变化，工艺性大为改善；但是两