第三章机电一体化机械设计 机电一体化的机械设计主要包括传动、支承、导轨等设计内容，由于机电一体化系统的机城 结构要求有较小的摩擦、较高的精度和刚性，因此，在用传统的方法进行机械设计的同时，应尽 量采用现代的精密机械设计方法以提高系统的性能。本章主要介绍一些目前应用较多的机电一体 化机械设计的方法。 第一节无侧隙齿轮传动机构 齿轮传动是机电一体化系统中常用的传动装置，它在同服运动中的主要作用是实现同服电机 与执行机构间的力矩匹配和速度匹配，还可以实现直线运动与旋转运动的转换。由于齿轮传动的 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，结较多的机电 机城的方法。韵聚流接力小效辛高等因，齿轮传动成为班机电华器 统中目前使用最多的传动机构。 机电一体化产品往往要求传动机构具有自动变向功能，这就要求齿轮传动机构必须采取措施 消除齿侧间隙，以保证机构的双向传动精度。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 1、偏心轴套调整法 图31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1可以调整两啮合齿轮的中心距，从而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。 2、双片薄齿轮错齿调整法 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 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，另一瑞勾在螺钉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。这种错齿 调整法的齿侧间隙可自动补偿，但结构复杂 图31偏心轴套式消隙结构 1一偏心轴套2一电动机
1 第三章 机电一体化机械设计 机电一体化的机械设计主要包括传动、支承、导轨等设计内容，由于机电一体化系统的机械 结构要求有较小的摩擦、较高的精度和刚性，因此，在用传统的方法进行机械设计的同时，应尽 量采用现代的精密机械设计方法以提高系统的性能。本章主要介绍一些目前应用较多的机电一体 化机械设计的方法。 第一节无侧隙齿轮传动机构 齿轮传动是机电一体化系统中常用的传动装置，它在伺服运动中的主要作用是实现伺服电机 与执行机构间的力矩匹配和速度匹配，还可以实现直线运动与旋转运动的转换。由于齿轮传动的 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，结较多的机电一 体化机械设计的方法。构紧凑，摩擦力小和效率高等原因，齿轮传动副成为在机电一体化机械系 统中目前使用最多的传动机构。 机电一体化产品往往要求传动机构具有自动变向功能，这就要求齿轮传动机构必须采取措施 消除齿侧间隙，以保证机构的双向传动精度。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，从而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。 2、双片薄齿轮错齿调整法 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。这种错齿 调整法的齿侧间隙可自动补偿，但结构复杂。 图 3-1 偏心轴套式消隙结构 1－偏心轴套 2－电动机
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、2一薄片齿轮3、4、9一凸耳 1一斜齿轮2一垫片3、4一薄片斜齿轮 5一螺钉6.7一蝶母8一弹簧 二、斜齿轮传动机构 1、垫片调整法 与错齿调整法基本相同，也采用两薄片齿轮与宽齿轮啮合，只是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 H=△cosB (3-) 式中，B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。 2、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，其大小必须恰当。该方法的特点是齿侧间隙可以自动补偿，但轴向尺寸较大，结构不 紧渗
2 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 与错齿调整法基本相同，也采用两薄片齿轮与宽齿轮啮合，只是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 H = cos (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。 2、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，其大小必须恰当。该方法的特点是齿侧间隙可以自动补偿，但轴向尺寸较大，结构不 紧凑
图34斜齿薄片齿轮轴向压簧调整 1、2一薄片齿轮3一弹簧4-健了一螺母6一轴7-宽齿轮 三、齿轮传动机构 工、轴向压簧调整 如图35所示，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维齿纶周向谦簧调整 ,4一锥齿轮2、3一键 大片锥齿轮2一小片锥齿轮3一锥齿料 5一压簧6一螺母7一轴 4 镶块5一弹簧6-止动爆钉7-凸爪8-情 2、周向弹簧调整法 如图3-6所示，将与锥齿轮3啮合的齿轮作成大小两片(1、2)，在大片锥齿轮1上制有 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，一端项
3 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 1、轴向压簧调整法 如图 3-5 所示，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 1－大片锥齿轮 2－小片锥齿轮 3－锥齿轮 5－压簧 6－螺母 7－轴 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，将与锥齿轮 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、齿轮齿条传动城机构 在机电一体化产品中对于大行程传动机构往往采用齿轮齿条传动，因为其钢刚度、精度和工作 性能不会因行程增大而明显降低，但它与其它齿轮传动一样也存在齿侧间隙，应采取消隙措施。 当传动负找小时，可可采用双片薄齿轮错齿调整法，使两片满齿轮的齿侧分别紧贴齿条的齿槽 两相应侧面，以清除齿侧间隙 当传动负载大时 可采用双齿轮调整法。如图37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1、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 1,6一小齿轮2.5一大齿轮3一齿轮4一预载装置7-齿条 第二节滑动螺旋传动 螺旋传动是机电一体化系统中常用的一种传动形式。它是利用螺杆与螺母的相对运动，将旋转 运动变为直线运动，其运动关系为 L=0 (3-2) 式中L -螺杆（或螺母）的位移： Ph- 导程 0一 一螺杆和螺母间的相对转角。 一、滑动螺旋传动的特点 滑动螺旋传动具有传动此比大、驱动负载能力强和自锁等特点。 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）。因为螺距一般很小， 所以在转角很大的情况下，能获得很小的直线位移量，可以大大缩短机构的传动链，因而螺旋传 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
4 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 在机电一体化产品中对于大行程传动机构往往采用齿轮齿条传动，因为其刚度、精度和工作 性能不会因行程增大而明显降低，但它与其它齿轮传动一样也存在齿侧间隙，应采取消隙措施。 当传动负载小时，可采用双片薄齿轮错齿调整法，使两片薄齿轮的齿侧分别紧贴齿条的齿槽 两相应侧面，以消除齿侧间隙。 当传动负载大时，可采用双齿轮调整法。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 螺旋传动是机电一体化系统中常用的一种传动形式。它是利用螺杆与螺母的相对运动，将旋转 运动变为直线运动，其运动关系为 L = 2 Ph （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。 一、滑动螺旋传动的特点 滑动螺旋传动具有传动比大、驱动负载能力强和自锁等特点。 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）。因为螺距一般很小， 所以在转角很大的情况下，能获得很小的直线位移量，可以大大缩短机构的传动链，因而螺旋传 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 由于螺旋 工作面为滑动摩擦，致使其传动效率低（约30%~40%），磨损快，因此不适于高 速和大功率传动。 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。 螺母固 螺杆转动并移 如图3-8所示，这种传动型式的螺母本身就起者支承作用，从而简化了结构，消除了螺杆 轴承之间可能产生的轴向窜动，容易获得较高的传动精度。缺点是所占轴向尺寸较大（螺杆行程 的两倍加上螺母高度)，刚性较差。因此仅适用于行程短的情况。 ) b) 图3-8滑动螺旋传动的基本型式 2、螺杆转动，螺母移 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。 图3-9差动螺旋原理 除上述两种基本传动型式外，还有一种螺旋传动一一差动螺旋传动。其原理如图39所示 设螺杆3左、 右两段螺纹的旋向相同，且导程分别为P和PA2。 当螺 )角时，可动螺母 的移动距离为 I=是(P1-P2) (3-3) 如果P,与P,相弟很小，则L很小。因此苏动螺旋常用于各种微动装置中 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 I=品(P1+P2) (3-4) 可见，此时差动螺旋变成快速移动螺旋，即螺母2相对螺母1快速趋近或离开。这种螺旋装 置用于要求快速夹紧的夹只或锁紧装置中。 三、螺旋副零件与滑板联按结构的确定 螺旋副零件与滑板的联接结构对螺旋刷的磨损有直接影形响，设计时应注意。常见的联接结构 有下列几种：
5 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 由于螺旋工作面为滑动摩擦，致使其传动效率低（约 30％～40％），磨损快，因此不适于高 速和大功率传动。 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本身就起着支承作用，从而简化了结构，消除了螺杆与 轴承之间可能产生的轴向窜动，容易获得较高的传动精度。缺点是所占轴向尺寸较大（螺杆行程 的两倍加上螺母高度），刚性较差。因此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。 图 3-9 差动螺旋原理 除上述两种基本传动型式外，还有一种螺旋传动——差动螺旋传动。其原理如图 3-9 所示。 设螺杆 3 左、右两段螺纹的旋向相同，且导程分别为 Ph1和 Ph2。当螺杆转动 角时，可动螺母 2 的移动距离为 ( ) 2 Ph1 Ph2 l = − （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。 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 ( ) 2 Ph1 Ph2 l = + （3-4） 可见，此时差动螺旋变成快速移动螺旋，即螺母 2相对螺母 1快速趋近或离开。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：