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机电一体化论文

机械传动技术在机电一体化系统中的应用及发展

摘要：

在当今社会，机电一体化设备越来越多的进入了我们的生活之中，极大的丰富了我们的生活，给我们的日常生活带来的极大的便利。

现如今，纯机械设备已经难觅踪迹，各种机电一体化设备一家独大，但是这并不代表着传统机械传动从此退出历史舞台，各种机械传动机构仍然在机械设备中有着极大的应用。

成为机电一体化设备设计中的中流砥柱。

关键词：

机械传动，机电一体化，应用。

正文：

科学技术的发展总是没有尽头，各个学科的发展都方兴未艾，不仅仅是新兴的计算机技术，就连古老的机械技术也越来越多的添加了新鲜的元素。

如今电力技术的迅速发展，在一定程度上促进了机械学科的进步，越来越多的机电一体化设备横空出世，有可上九天揽月的月球车，还有下五洋捉鳖的水下机器人，还有如今正值研究热门的智能机器人。

这些成果的发展固然离不开电子和信息工业的迅速发展，同样机械传动技术也在其中扮演了十分重要的角色，而其中最基本的机械传动仍然发挥着重要作用。

首先机电一体化系统中的机械传动机构必须要有以下几点性质。

一，高精度：

精度直接影响了产品的质量，尤其是机电一体化产品，其技术性能，工艺水平和功能比普通的机械产品都有很大的提高，因此，机电一体化机械系统的高精度是其首要要求。

二，快速响应：

即要求机械系统从指令到开始执行指令指定的任务之间的时间间隔短，这样控制系统才能及时根据机械系统的运行状态信息，下达指令，使其准确的完成任务。

三，良好的稳定性：

即要求机械系统的工作性能不受外界影响，抗干扰能力强。

其次，机电一体化设备中的机械传动机构主要有以下几类。

机电一体化系统中，用于传递执行装置的能量，改变运动方向，速度和转矩的机构，主要有带传动，链传动，齿轮传动，和滚珠丝杠等。

同步带传动：

同步带传动是综合了普通带传动和链条传动的优点的一种新型传动。

在带的工作面及带轮外周上均制有啮合齿，通过带齿和轮齿啮合传动来传递运动和动力。

为保证带和带轮做无滑差的同步传动，其齿形带采用了承载后无弹性变形的高强力材料，以保证节距不变。

与一般传送带相比较，同步带传动具有以下优点：

1，传动比准确，传动效率高。

2，工作平稳，结构紧凑，无噪声，能吸收振动。

3，能高速运动，线速度可以达40-80m/s。

4，不需要润滑，耐油，耐高温，耐蚀，维护保养方便。

5，制造工艺复杂，成本高于一般带传动，中心距要求严格，安装精度要求较高。

同步带传动带轮齿形主要有梯形齿轮和圆弧齿轮。

我国有关同步带传动部件的国家标准已经颁布实施，并非专门生产厂家生产，可供选用。

一般重工业用同步带传动，主要应用在中、小、功率的同步传动中，如精密仪器、计算机外设、轻工机械等各类产品；而大转矩同步带传动，主要用于重型机械的传动中，如运输机械，石油机械，发电机等。

综合来看同步带传动具有普通带传动所不可比拟的优点，它能实现定比传动，不会发生弹性滑动的现象。

相比于普通带传动，其寿命和稳定性都更胜一筹。

所以不失为为机电一体化设备量身定做的机械传动类型。

齿轮传动：

齿轮传动是机电一体化系统中使用最多的一种传动，具有工作可靠，传动比恒定，结构紧凑，强度大，能承受重载，摩擦力小，效率高等特点。

1，齿轮的种类和应用：

作为机械行业的象征性标志，按照齿轮轴线的相对位置关系，有平行轴的直齿轮和斜齿轮，相交轴圆锥齿轮，交错轴的蜗轮蜗杆和螺旋齿轮，同心轴的行星齿轮及人字齿条，齿轮齿条等。

选择传动形式时，根据传动轴的不同特点，可选用不同的齿轮系组成传动机构。

用于平行轴之间的传递运动的正齿轮易于设计制造，成本低，使用最为广泛。

斜齿轮可用于高速，重载，要求噪声低的场合，但斜齿轮存在较大的轴向推力。

人字齿轮则由于左右齿推力平衡而不产生轴向推力，其中一个齿轮的安装应有一定轴向间隙，以便安装。

相交轴传动中直齿圆锥齿轮为线接触，传动效率较高。

交错轴斜齿轮有滑动作用，传动效率低，同时为点接触只能承受轻载。

行星齿轮尺寸小，重量轻，效率高。

能传递较大的功率，但是结构复杂。

蜗杆副也可以看做一种特殊的齿轮，用于传递空间垂直交错轴之间的回转运动，蜗杆为传动副的主动构件，蜗杆为从动构件。

蜗杆副为线接触，可以传递大功率，传动比大。

蜗杆有1-8个头，优点是传动平稳，噪声少，可自锁，但是传动效率低，且功率损失大，齿轮齿条用在将旋转运动转化为直线往复运动场合，如多关节机器人的手爪张开和抓紧机构。

机械手由汽缸驱动，汽缸直线运动直接驱动机械手的一个爪向前或者向后运动，由齿条与齿带带动另一个爪向前或者向后运动。

为了提高机电一体化系统的运动平稳性，设计师们设计开发出了谐波齿轮传动。

谐波齿轮传动是随着空间科学，宇航尖端科学的发展而出现的一种新型传动机构。

谐波传动的原理建立在薄壳弹性变形理论基础上，依靠柔性齿轮所产生的可控制弹性变形波。

引起齿间的相对位移传递运动和动力。

柔轮的变形是一个基本对称的和谐波，故称为谐波传动。

通过对齿轮的研究我们发现出，人们总是会根据时代的发展，改变已有的机械机构以适应新技术的发展。

创新不一定要创造新的东西，也可以根据已有的东西，做出突出的改变，这样何尝不是一种创新。

滚珠丝杠机构：

螺旋传动最常见的是滑动螺旋传动，用于将回转运动转化为直线运动。

但是滑动螺旋传动的接触面间存在着较大的摩擦阻力，因此传动效率低。

磨损大，精度不高，使用寿命短，已经不能满足机电一体化系统高精度，高效率，高速度的要求。

滚珠丝杠传动则是一种为了克服普通螺旋传动的缺点，而发展起来的新型螺旋传动。

它用滚动摩擦螺旋代替滑动摩擦螺旋，具有摩擦阻力小，传动效率高，传动平稳，寿命长，精度高的优点，广泛应用于机器人，数控机床，精密机械，自动搬运车等机电一体化产品。

工作原理：

螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间元件的传动机构称为滚珠丝杠副，当丝杠或者螺母转动时，滚珠沿螺旋槽滚动，滚珠在丝杠上滚过数圈后，通过回程引导装置，逐个地滚回到丝杠和螺母之间，构成了一个闭合的循环回路。

这种机构把丝杠和螺母之间的滑动摩擦变成滚动摩擦。

．滚珠丝杠副的特点

滚珠丝杠副与滑动丝杠副相比，具有其明显的特点。

（1）传动效率高、摩擦损失小

丝杠螺母副的传动效率η为

式中λ——中径处的螺旋线升角；

——当量摩擦角（对于滚珠丝杠约为8ˊ~12ˊ）。

滚动摩擦阻力很小，实验测得的摩擦系数—般为0.0025~0.0035，因而传动效率很高，可达0.92~0.96（滑动丝杠为0.2~0.4），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）传动的可逆性、不可自锁性

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。

（3）传动精度高

传动精度主要是指进给精度和轴向定位精度。

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。

高精度滚珠丝杠副，任意300mm的导程累积误差为4urn/300mm。

滚珠丝杠螺母副采用专门的设计，可以调整到完全消除轴向间隙，而且还可以施加适当的预紧力，在不增加驱动力矩和基本不降低传动效率的前提下，提高轴向刚度，进一步提高正向、反向传动精度。

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。

正是由于这些特点使得滚珠丝杠螺母副在机电一体化设备与产品中得到了广泛的应用。

（4）磨损小、使用寿命长

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。

伺服传动机构：

伺服系统是指以机械运动量作为控制对象的自动控制系统，又称为随动系统。

伺服系统中所采用的机械传动装置，简称为伺服机械传动系统。

它是伺服系统的一个组成环节。

它广泛应用于数控机床、计算机外部设备、工业机器人等机电一体化系统中。

伺服机械传动系统是整个伺服系统的一个组成环节。

其作用是传递扭矩、转速和进行运动变换，使伺服电机和负载之间转矩与转速得到匹配。

往往是将伺服电动机输出轴的高转速、低转矩转换成为负载轴所要求的低转速、高转矩或将回转运动变换成直线运动。

伺服机械传动系统大功率传动装置，既要考虑强度、刚度，也要考虑精度、惯量、摩擦、阻尼等因素。

小功率传动装置，则主要是考虑精度、惯量、摩擦、刚度、阻尼等因素。

伺服系统的基本指标是，高精度，高响应速度，稳定性好及足够的功率。

1.传动精度

传动精度主要是由传动件的制造误差、装配误差、传动间隙和弹性变形所引起。

2.响应速度

对于伺服系统，数据的运算和处理速度远比机械装置的运动速度快。

而机械传动系统的响应主要取决于加速度。

从传动系统的角度看，在不影响系统刚度的条件下，主要从减小摩擦力矩，减小机械部件的质量、减小电动机的负载和转动惯量，来提高系统的传动效率。

3.稳定性

伺服系统不但要求稳态误差小，并且要求能够稳定工作、动态品质好，这与振动、热以及其他许多环境因素有关。

要提高传动系统的抗振性，就必须提高传动系统的固有频率，一般不应低于50~100Hz，并须提高系统的阻尼能力。

在实际设计与使用中，还应根据不同的实际情况有所侧重和增加必要的指标。

联轴器：

在数控机床进给传动系统中，滚珠丝杠与驱动电机的连接是数控机床稳定工作的重要环节之一。

目前，在直线进给传动系统中，滚珠丝杠与驱动电机的连接方式主要有联轴器、齿轮和同步带，本节主要介绍的是联轴器。

联轴器是用来连接进给机构的两根轴使之一起回转，以传递扭矩和运动的一种装置。

机器运转时，被连接的两轴不能分离，只有停车后，将联轴器拆开，两轴才能脱开。

目前联轴器的类型繁多，有液压式、电磁式和机械式；而机械式联轴器是应用最广泛的一种，它借助于机械构件相互间的机械作用力来传递扭矩，大致可作如下划分：

刚性联轴器和弹性联轴器。

刚性联轴器包括固定式联轴器（套筒联轴器、凸缘联轴器和夹壳联轴器等）和可移式联轴器（齿轮联轴器、十字滑块联轴器和万向联轴器等）。

弹性联轴器包括金属弹性件联轴器（簧片联轴器、膜片联轴器和波形管联轴器等）和非金属弹性联轴器（轮胎式联轴器、整圈橡胶联轴器和橡胶块联轴器）。

下面，介绍典型机电一体化产品数控机床常用的几种联轴器。

一般联轴器：

1，套筒联轴器由连接两轴端的套筒和联接套筒与轴的联接件键或销子所组成，一般当轴端直径d≤80mm时，套筒用35或45钢制造；当轴端直径d＞80mm时，可用强度较高的铸铁制造。

套筒联轴器各部分尺寸间的关系如下：

套筒长L≈3d；

套筒外径D≈1.5d；

销子直径

=（0.3～0.25）d（对小联轴器，取0.3；对大联轴器取0.25）；

销子中心到套筒端部的距离e≈0.75d。

此种联轴器构造简单，径向尺寸小，但其装拆困难（轴需作轴向移动），且要求两轴严格对中，不允许有径向及角度偏差，因此使用上受到一定限制。

2．凸缘联轴器

凸缘联轴器是把两个带有凸缘的半联轴器分别与两轴连接，然后用螺栓把两个半联轴器连成一体，以传递动力和扭矩，凸缘联轴器还有两种对中方法：

一种是用一个半联轴器上的凸肩与另一个半联轴器上的凹槽相配合而对中，另一种则是共同与另一部分环相配合而对中，前者在装拆时轴必须作轴向移动，后者则无此缺点。

联接螺栓可以采用半精制的普通螺栓，此时螺栓杆与钉孔壁间存有间隙，扭矩靠半联轴器结合面间的摩擦力来传递（也可采用铰制孔用螺栓，此时螺栓杆于钉孔为过渡配合，靠螺栓杆承受挤压与剪切来传递扭矩。

凸缘联轴器可作成带防护边的或不带防护边的。

凸缘联轴器的材料可用HT250或碳钢，重载时或圆周速度大于30m/s时应用铸钢或锻钢。

凸缘联轴器对于所联接的两轴的对中性要求很高，当两轴间有位移与倾斜存在时，就在机件内引起附加载荷，使工作情况恶化，这是它的主要缺点。

但由于其结构简单、成本低以及可传递较大扭矩，故当转速低、无冲击、轴的钢性大以及对中性较好时亦常采用。

2.5.2锥环无键联轴器

1．工作原理及特点

该联轴器是利用锥环之间的摩擦实现轴与毂之间的无间隙联结而传递扭矩。

且可以任意调节两联结件之间的角度位置。

通过选择所用锥环的对数，可以传递不同大小的扭矩。

为采用锥环无键消隙联轴器，可使动力传递没有反向间隙。

该联轴器的工作原理是：

当拧紧螺钉5时，发兰盘3对内外锥环2施加轴向力，由于锥环之间的楔紧作用，内外锥环分别产生径向弹性变形（内锥环的外径涨大，外锥环的内径收缩），消除轴4与套筒1之间的配合间隙，并产生接触压力，通过摩擦传递扭矩，而且套筒1与轴4之间的角度位置可以任意调节。

这种联轴器定心性好，承载能力强，传递功率大、转速高、使用寿命长，具有过载保护能力，能在受振动和冲击载荷等恶劣条件下连续工作，安装、使用和维护方便，作用于系统中的载荷小，噪声低。

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