l機(jī)械結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)的骨架，是系統(tǒng)重要的組成部分。在光機(jī)電一體化設(shè)備中．機(jī)械結(jié)構(gòu)的形式和功能等都與以往的傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)有所不同．它在傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)原理的基礎(chǔ)上融人了現(xiàn)代機(jī)械的設(shè)計(jì)理念．而且有些地方還采用的是新材料和新工藝，達(dá)到并體現(xiàn)出如高精度、小型化、輕量化、外形人性化和部件模塊化等特點(diǎn)。機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與系統(tǒng)的控制是緊密關(guān)聯(lián)的，應(yīng)盡量避免或減小非線性因素的影響，在符合動力學(xué)原理的前提下，保證系統(tǒng)高速狀態(tài)的穩(wěn)定性、剛性和實(shí)時性。
機(jī)械系統(tǒng)主要包括支撐、傳動機(jī)構(gòu)和作業(yè)保障裝置，而在開發(fā)光機(jī)電一體化產(chǎn)品時，考慮機(jī)構(gòu)的傳動是設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)。
傳動機(jī)構(gòu)有減速裝置、力(力矩)和速度傳遞轉(zhuǎn)換裝置。常用的有螺旋傳動、帶傳動、齒輪傳動、鏈傳動、桿機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)和諧波傳動等，此外還有一種新型的減速機(jī)構(gòu)RV傳動裝置，以及作為傳動的重要保障裝置的導(dǎo)向部件。
1．螺旋傳動
螺旋傳動是基本的傳動形式，主要是以螺母和絲杠之間的嚙合形成相對運(yùn)動來完成動力和速度的傳遞，這種傳動大體分為兩類．一是滑動摩擦傳動形式，另一個是滾動摩擦傳動形式�；瑒幽Σ潦侵嘎菽负徒z杠之間的關(guān)系處于相互接觸的滑動狀態(tài)。圖1一l是絲杠與螺母滑動摩擦形式的螺旋傳動結(jié)構(gòu)形式。
這種形式的螺旋傳動機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是加工方便、成本較低、具有一定的自鎖性，但是其傳動效率不高，一般在30％～40％，由于其磨損較嚴(yán)重，因此有高精度要求時需要具 有間隙檢測和調(diào)節(jié)裝置。在實(shí)際應(yīng)用過程中，根據(jù)所構(gòu)成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及作業(yè)任務(wù)的要求，有四種基本傳動方式。第一種是螺母固定，絲杠轉(zhuǎn)動并移動。這種結(jié)構(gòu)由于絲杠為桿件，在穩(wěn)定性方面受到限制．因此絲杠的長度不宜過長。第二種是螺母轉(zhuǎn)動，絲杠移動。對于小型的裝置來說，由于這種結(jié)構(gòu)需要較大的空間來布置傳動機(jī)構(gòu)，因此實(shí)用性受到一定的限制。第三種是絲杠轉(zhuǎn)動，螺母移動。這種方式是將螺母與運(yùn)動部件固連在一起，因此需要有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)來保證傳動的精度和平穩(wěn)性。第四種是螺母轉(zhuǎn)動并移動，絲杠固定。該結(jié)構(gòu)由于在使用上不是很方便，因此很少被設(shè)計(jì)采納。
螺旋傳動的另外一種是采用滾珠絲杠的滾動摩擦的形式．滾珠絲杠如圖1- 2所示。
這種方式傳動乎穩(wěn)、精度較高、螺母和絲杠之間的間隙容易調(diào)整，但是沒有自鎖性，對于自鎖的場合需要設(shè)計(jì)并安裝自鎖機(jī)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)基本是由絲杠、滾珠、螺母和返向器(主要實(shí)現(xiàn)的循環(huán))組成．在某些精度較高的傳動系統(tǒng)中可采用滾珠絲桿的傳動形式，但是相對于滑動螺旋傳動來說其成本較高·同時對絲杠的密封和防塵有一定的要求。滾珠絲杠傳動有內(nèi)、外循環(huán)兩種方式，內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)上比較緊湊，外循環(huán)結(jié)構(gòu)比較粗大，此外．這兩種方式在加工和調(diào)整方面的難易程度不同。
2．帶傳動
帶傳動也是一種普遍應(yīng)用的傳動形式，可以應(yīng)用于較大距離的傳動，在傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)中，通常依靠帶與帶輪間產(chǎn)生的摩擦力來傳遞動力，由于帶與帶輪之間容易產(chǎn)生滑動，造成丟轉(zhuǎn)，因此對于位置和速度要求精確的傳動不宜采用這種方式。不過打滑現(xiàn)象可以避免傳動機(jī)構(gòu)由于卡死而導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞或者電機(jī)等毀壞。在光機(jī)電一體化系統(tǒng)中常常采用同步帶來實(shí)現(xiàn)較大距離的傳動。圖l-3即為同步帶以及帶與帶輪的嚙合。
同步帶傳動具有帶傳動、齒輪傳動和鏈傳動的優(yōu)點(diǎn)，帶與帶輪靠嚙合傳遞運(yùn)動和動力，帶與帶輪間無相對滑動，能保證準(zhǔn)確的傳動比，此外這種傳動噪聲比帶傳動、齒輪傳動和鏈傳動小，耐磨性好，不需油潤滑，壽命比摩擦帶長。主要缺點(diǎn)是制造和安裝精度要求較高．中心距要求較嚴(yán)格，在某些場合也需要有帶的張緊裝置。針式打印機(jī)上的打印頭的運(yùn)動是由同步帶來帶動的。同步帶有單面有 齒和雙面有齒兩種形式，其齒形有多種，我國有同步帶的國家標(biāo)準(zhǔn)，其品種可由專門的生產(chǎn)廠家提供。
’ 對于鏈傳動和齒輪齒條機(jī)構(gòu)，由于這兩種傳動形式是比較傳統(tǒng)和普遍的．在機(jī)械設(shè)計(jì)上的資料很多，也很詳細(xì)，因此在這里不做主要介紹。連桿機(jī)構(gòu)也是很常見的機(jī)構(gòu)形式，資料也很多，實(shí)際應(yīng)用中如果使平面連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行小范圍的空間運(yùn)動，可采取在該機(jī)構(gòu)的鉸鏈處安裝角軸承等措施加以解決。
3．諧波傳動
諧波傳動原理最開始是由美國人在20世紀(jì)50年代發(fā)明的，此后通過不斷改進(jìn)和不斷應(yīng)用，從而形成一種新型的傳動方式．它利用行星輪系少齒差傳動的原理，主要由三個基本構(gòu)件組成——波發(fā)生器、剛輪和作為柔輪的中間撓性體，對于柔輪為杯形的諧波齒輪機(jī)構(gòu)，波發(fā)生器為動力的輸入端，柔輪為輸出端；對于扁平形的結(jié)構(gòu)，一個剛輪是固定的，另一個剛輪則是輸出端。這種傳動方式在傳動過程中，柔輪產(chǎn)生的彈性變形波近似于諧波，故稱之為諧波傳動。
諧波傳動具有傳動比大、傳動平穩(wěn)、精度高、回程誤差小、噪聲低、能夠傳遞很大的力矩，并且結(jié)構(gòu)緊湊簡單的特點(diǎn)。在同樣傳動比的情況下，如果使用諧波傳動，可以使結(jié)構(gòu)尺寸更小，因此在小結(jié)構(gòu)、大輸出的傳動設(shè)計(jì)中被經(jīng)常使用。
諧波傳動與行星輪系的傳動比較類似，波發(fā)生器相當(dāng)于系桿，柔輪相當(dāng)于行星輪，剛輪相當(dāng)于太陽輪。柔輪具有外齒圈，剛輪具有內(nèi)齒圈，一般齒形為漸開線形或者三角形．剛輪的齒數(shù)比柔輪的齒數(shù)要多幾個齒。柔輪為薄圓筒形狀，能夠變形。波發(fā)生器的長軸尺寸比柔輪的內(nèi)徑要大，當(dāng)波發(fā)生器安裝到柔輪內(nèi)時，迫使柔輪變形為橢圓形，使得柔輪的部分外齒與剛輪的部分發(fā)生嚙合接觸，而其他部分的齒則處于逐漸進(jìn)入嚙合、逐漸脫開、不嚙合的狀態(tài)。圖1-4是諧波傳動裝置的結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖。
在工程應(yīng)用的諧波傳動裝置一般有兩個觸頭的波發(fā)生器和三個觸頭的波發(fā)生器。對于兩個觸頭的波發(fā)生器來說，剛輪與柔輪相差兩個齒數(shù)，當(dāng)波發(fā)生器轉(zhuǎn)一圈時，剛輪與柔輪相對轉(zhuǎn)過兩個齒距。
諧波齒輪的傳動比計(jì)算與行星輪系的傳動比計(jì)算類似，計(jì)算過程不復(fù)雜。目前有比較多的生產(chǎn)廠家，而且都有產(chǎn)品樣品手冊，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)任務(wù)的技術(shù)需要來選擇合理的諧波減速器。但是值得指出的是，微小型的光機(jī)電一體化系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)上往往受到體積的限制，當(dāng)選用諧波傳動裝置時，如果直接選用廠家的產(chǎn)品，則可能不滿足要求，因此一般的解決方案是選用諧波傳動裝置中的三大件(波發(fā)生器、柔輪、剛輪)，確定相應(yīng)的結(jié)構(gòu)連接方式。
4．Rv傳動裝置
20世紀(jì)80年代日本的帝人制機(jī)公司將RV(Rotate vector)減速器投放市場，尤其在機(jī)器人領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。這種傳動方式與擺線針輪傳動機(jī)構(gòu)類似，它是基于擺線針輪傳動而發(fā)展起來的一種新型傳動機(jī)構(gòu)，由漸開線圓柱齒輪行星傳動和擺線針輪傳動組成。圖1 5是該傳動的機(jī)構(gòu)原理圖，圖1-6是其實(shí)物
圖。在圖l一5中，部分I是開式漸開線圓柱齒輪行星傳動機(jī)構(gòu)，部分Ⅱ是擺線針輪傳動機(jī)構(gòu)·也就是說RV傳動裝置是由兩個基本周轉(zhuǎn)輪系所構(gòu)成的混合輪系，可以進(jìn)行二級減速。其特點(diǎn)是，運(yùn)動精度高、體積小、傳動比范圍大、回差小、剛度大、壽命長，以及抗沖擊能力較好。RV傳動裝置的傳動效率很高，這是因?yàn)镽V傳動機(jī)構(gòu)是二級減速傳動，擺線針輪與齒輪間可做成滾動摩擦副，而且整個傳動系統(tǒng)中不存在封閉功率，因此能以很高的效率進(jìn)行傳動。對于諧波傳動和RV傳動機(jī)構(gòu)，諧波傳動的輸入速度較低．當(dāng)輸入速度較高時會發(fā)出比較大的響聲．對諧波傳動機(jī)構(gòu)的壽命不利。此外其傳動回差較大．因此對于傳動精度要求較高的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行位置控制。RV傳動機(jī)構(gòu)的傳動精度很高，輸入速度較高時也較平穩(wěn)。諧波傳動機(jī)構(gòu)可以根據(jù)實(shí)際需要改變“三大件”的尺寸等參數(shù)，且安裝和拆卸方便，而RV傳動機(jī)構(gòu)就比較復(fù)雜。
5．導(dǎo)軌
導(dǎo)軌在大多數(shù)光機(jī)電產(chǎn)品中都會用到，實(shí)際上導(dǎo)軌也是一種傳動副．主要起到機(jī)構(gòu)傳動定向和支撐作用。導(dǎo)軌的種類很多，一般按接觸面的摩擦性質(zhì)可以分為滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌和以流體為介質(zhì)的摩擦導(dǎo)軌。
對于導(dǎo)軌，一般要求具有必要的剛度、導(dǎo)向精度、運(yùn)動靈活且無爬行現(xiàn)象．對環(huán)境的適應(yīng)性好以及工藝上制造簡單等。
滑動導(dǎo)軌的截面形狀很多，如有三角形、矩形、燕尾形、圓形等。其結(jié)構(gòu)如圖1—7所示，一般由滑塊、導(dǎo)軌以及其他輔助部件組成，如螺釘、密封裝置、潤滑裝置和間隙調(diào)節(jié)裝置等。
滾動導(dǎo)軌副的滑塊和導(dǎo)軌之間是滾動體(如滾珠、滾柱或滾針)，滑塊在運(yùn)動過程中，滾珠或滾柱是轉(zhuǎn)動的，即滑塊與滾動體之間、導(dǎo)軌與滾動體之間處于滾動摩擦狀態(tài)。
如果導(dǎo)軌與滑塊之間的介質(zhì)為流體，則為非接觸式的摩擦導(dǎo)軌，如靜壓導(dǎo)軌、動壓導(dǎo)軌等，這種類型的導(dǎo)軌需有壓力提供裝置，以便使流體能夠以一定的壓力進(jìn)入滑塊和導(dǎo)軌之間，從而保持所需要的壓力。
導(dǎo)軌是光機(jī)電一體化產(chǎn)品的重要部件，其設(shè)計(jì)的合理性直接與系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度有關(guān)，同時對系統(tǒng)控制也有一定的影響，在實(shí)際設(shè)計(jì)或選擇導(dǎo)軌類型時，一般都采用組合式的，即導(dǎo)軌截面方向上的兩處參與配合的導(dǎo)軌副的截面并不是一樣的。因此導(dǎo)軌副的選擇應(yīng)注意以下問題：
1)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、載荷大小、運(yùn)動精度等選擇導(dǎo)軌的類型。
2)應(yīng)考慮導(dǎo)軌副的間隙調(diào)節(jié)。
3)應(yīng)考慮導(dǎo)軌副的潤滑。
4)應(yīng)考慮導(dǎo)軌副的密封。
5)導(dǎo)軌要有足夠的剛度。
6)導(dǎo)軌和滑塊的材料應(yīng)盡量不同。
7)應(yīng)考慮制造上的工藝性等。
此外值得指出的是，對于比較精密且傳動精度要求較高的微小型光機(jī)電產(chǎn)品，建議應(yīng)該優(yōu)先選擇滾動導(dǎo)軌或者具有自潤滑功能的滑動導(dǎo)軌。一般來講．滾動導(dǎo)軌磨損比較�。苿屿`活，用較小的功率就能驅(qū)動．在精密儀器中被廣泛采用．但是在滾動體之間或者滾動體與接觸面之間具有較高的密封要求，因此在防塵方面要有合理的措施，并且這種導(dǎo)軌的成本也比一般的滑動導(dǎo)軌要高，結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜。滾動導(dǎo)軌的一般結(jié)構(gòu)類型有：滾珠導(dǎo)軌、滾柱或者滾針導(dǎo)軌、滾動軸承導(dǎo)軌等。
滾珠導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式之一如圖1—8所示。
滾珠導(dǎo)軌的截面形式及組合方式也有多種，如雙v形滾道、四圓柱滾道、雙圓弧滾道、V平面滾道(見圖1 8)等。滾珠導(dǎo)軌被廣泛應(yīng)用到顯微鏡、投影儀、精密儀器、機(jī)器人等光機(jī)電一體化設(shè)備中。
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