2024年4月23日发(作者：翁灵寒)
第１９卷第２期
２０１２年４月
Ｃｈｉｎｅｓｅ
工
Ｊｏｕｒｎａｌ
程设计
ｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉ
学报
ｏｆ Ｅｎｇｉｇｎ Ｖｏｌ＿１９ ＮＯ．２
ＡＤｒ．２０１２
ＤＯＩ：１０．３７８５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—７５４Ｘ．２０１２．０２．０１ １
用于直线运动部件位置反馈的新型钢带传动机构研究
刘立国 一，丁亚林 ，
田海英 ，远国勤
（１．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春１３００３３；２．中国科学院研究生院，北京１０００３９）
摘要：为了提高直线传动机构运动精度，提出了一种基于钢带传动的位置反馈方法，并设计了单带轮位置反馈机
构．通过建模及理论分析，该机构与常用的钢带传动机构相比，在带轮最大转角固定的情况下，具有带轮半径小、体
积小、质量轻等优点，在传动系统结构总体设计的合理性及制造成本方面具有显著优势．实验结果表明，直线运动
部件行程为１０９．９ ｍｍ时，直线运动部件最大位移误差为０．００６ ｍｍ，满足使用要求．该机构结构紧凑、设计简单，可
在各种仪器中广泛使用．
关键词：位置反馈机构；钢带传动；单带轮结构
中图分类号：Ｖ ４７５．２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００６—７５４Ｘ（２０１： ）０２—０１３３—０５
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ
ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｉｏｎ ｐａｒｔ
ＬＩＵ Ｌｉ—ｇｕｏ ，ＤＩＮＧ Ｙａ—ｌｉｎ ，ＴＩＡＮ Ｈａｉ—ｙｉｎｇ ，ＹＵＡＮ Ｇ ＵＯ—ｑｉｎ ’
（１．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００３３，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ。Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈ ｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｉｏｎ ｐａｒｔ，ａ Ｄｅ Ⅳｐｏｓｉｔｉｏｎ ｆｅｅｄｂａｃｋ
ｍｅｔｈｏｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄ ａ ｓｅｔ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｎｇｌｅ ｂｅｌｔ ｗｈｅｅｌ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．
Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｗｈｅｅｌ ｗａｓ ｆｉｘｅｄ，ｔｈｅ ｎｅｗ ｋｉｎｄ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ
ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｈａｓ ｍａｎｙ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｓｍａｌｌｅｒ ｒａｄｉｕｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅｌｔ ｗｈｅｅｌ，ｔｈｅ ｓｍａｌｌｅｒ ｖｏｌ—
ｕｍｅ，ｔｈｅ ｌｉｇｈｔｅｒ ｗｅｉｇｈｔ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ，ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｕｓｕａｌ ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ．
Ｓｏ ｔｈｅ ｎｅｗ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｈａｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉ ｇｎ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒ—
ｉｎｇ ｃｏｓｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ，ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｉｏｎ
ｓｔｒｏｋｅ ｉＳ １０９．９ ｍｍ，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｅｒｒｏｒ ｉＳ ０．００６ ｍＩｎ．Ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｍｐｏ—
ｎｅｎｔｓ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｕｓｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｃｏｍ—
ｐａｃｔ，ｓｉｍｐｌｅ ｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄ ｃａｎ ｂｅ Ｍｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｖａｒｉｏｕｓ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ ｔｒａｎｓｆｎｉｓｓｉｏｎ；ｓｉｎｇｌｅ ｗｈｅｅｌ ｄｅｖｉｃｅ
钢带传动广泛应用在现代精密机械仪器中，它 传动及链传动虽能实现远距离传动，但定位精度低
具有结构简单、传动平稳、传动距离远、传动精度高
于钢带传动．国外对钢带传动研究较早［１］，技术很成
等优点，适用于直线和回转传动系统．特别在远距离
熟．近年来，国内对钢带传动的研究也日益增多 ，
传动方面，钢带传动较传统的机构具有显著优势：齿
在机床、纺织机械、航空遥感器等行业应用逐渐
轮机构在远距离传动时需要齿轮较多，成本很高；带
增多．
收稿日期：２０１１一ＩＩ一０１．
基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３计划）资助项目（２００６ＡＡ０６Ａ２０８）．
作者简介：刘立国（１９７８一），男，黑龙江七台河人，助理研究员，硕士生，从事航空相机结构设计研究，Ｅ－ｍａｉｌ：９５２８９２２０３＠
ｑｑ．ｃｏｒｎ．
通信联系人：丁亚林，研究员，Ｅ＿ｍａｉｌ：４５５７５５７９＠ｑｑ．ｃｏｍ
工程设计学报 第１９卷
按带轮最大转角分类，钢带传动机构可分为多
圈大角度和非整圈有限角度传动．多圈大角度传动
由于钢带的多圈缠绕产生传动比误差，不适合精密
传动，因此精密传动系统中非整圈有限角度钢带传
动机构比较常用．目前常用的非整圈有限角度传动
钢带机构多采用双带轮支撑钢带，随之而来的问题
是由于有压块等压紧结构，带轮最大转角小于
１８０。，带轮不能被有效地利用．若直线运动部件行程
较大，两带轮中心距也必然很大，导致整个结构外形
尺寸很大、结构松散，给仪器结构总体设计带来困
难．本文提出单带轮钢带传动机构，以有效地缩小结
图２新型钢带传动机构原理图
Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ ｔｒａｎｓｍｉｓ
ｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
构外形尺寸，提高仪器结构总体设计合理性．
１ 常用钢带传动机构与新型钢带传动机构
的比较
１．１钢带传动机构工作原理
目前常用于直线运动部件位置反馈的钢带传动
机构原理图如图１所示，直线运动部件在驱动力作
用下作往复运动，直线运动部件带动钢带，钢带带动
带轮和编码器旋转，编码器输出位置反馈信号．张紧
机构用于张紧钢带，保持传动关系的正确性．为防止
钢带与带轮之间打滑引起传动误差和仪器故障，采
用压块将带轮和钢带连接，保证传动同步性．新型钢
带传动机构原理图如图２所示，与常用钢带传动机
构的不同之处在于采用单带轮即可实现位置反馈的
功能．驱动力Ｆ作用在直线运动部件上，直线运动
部件在其作用下往复运动，按图示方向运动时，张紧
机构始终保持钢带张紧．反向运动时，张紧机构变为
带轮驱动力，驱动带轮旋转，使钢带缠绕在带轮上，
保持编码器输出正确反馈信号．
压块 直线运动部件下钢带 编码器
图１ 常用钢带传动机构原理图
Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｕｓｕａｌ ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ ｔｒａｎｓ
ｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
直线运动部件位移ｚ与带轮转角 关系为
ｆ—Ｔ＇ｍｉｎ ， （１）
式中：Ｆｍｉｎ——各带轮的最小半径；
最小半径带轮的转角．
１．２ 带轮最大转角与带轮半径的关系分析
常用钢带传动机构中，直线运动部件的最大行
程与带轮最大转角、带轮半径的关系如式（２）所示，
在结构设计中常希望带轮有较大的最大转角，以有
效地减小带轮半径．而带轮的包角是影响带轮最大
转角的重要因素，其关系如图３所示，假定ｒ ≤ｒ２．
．
图３常用钢带传动机构帝轮包角与最大转角分析图
Ｆｉｇ．３ Ｂｅｌｔ ｃｏｎｔａｃｔ ａｎｇｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｔｕｒｎｉｎｇ ａｎｇｌｅ
ｏｆ ｕｓｕａｌ ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
ｚ…≤ｍｉｎ［ｒ１卢ｌ ，ｒ２ …］， （２）
ｙ 一丌一２ａｒｃｓｉｎ（ ）， （３）
），１＋），２—２ｎ， （４）
１…一ｙｌ一 ｌ， （５）
…
一），ｚ一 ｚ， （６）
式中：ｙ ——带轮１包角
ｙ ——带轮２包角；
…——
带轮１最大转角；
——
…
带轮２最大转角；
西 ——压块在带轮１上对应的弧度值；
压块在带轮２上对应的弧度值；
ｌｍ．ｘ——直线运动部件最大行程．
因为巾 ≥巾ｚ，７ ≤７２，由式（３）、（４）、（５）、（６）
可知，
ｒｌ …≤ｒ２ …． （７）
因此，为有效提高带轮最大转角，减小结构尺
第２期 刘立国，等：用于直线运动部件位置反馈的新型钢带传动机构研究
寸，使结构合理化，常选取两带轮半径值相等，采用
图１的结构形式，，－ ＝ｒ ，１ 一 …
由公式可以看出声 ， 。也是影响带轮最大转角
的一个因素，而带轮与钢带的连接方式也存在多种
形式，最常用的是压块连接，如图４，常用钢带传动
机构最大转角的计算公式可用下式表示：
ｌｆｌ 一ｙ 一２ａｒｃｓｉｎ（ ）． （８）
式中：ｎ——带轮半径；
６——压块宽度．
图４ 常用钢带传动机构带轮最大转角分析图
Ｆｉｇ．４ Ｂｅｌｔ ｗｈｅｅｌ’Ｓ ｍａｘｉｍｕｍ ｔｕｒｎｉｎｇ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｕｓｕａｌ
ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
新型钢带传动机构由于采用单带轮，如图５，其
最大转角增大，可用以下公式计算：
一
２ｒｅ－２ａｒｃｓｉｎ（ ）－ａｒｃｃｏｓ ｒ＿Ａ３、），（９）
式中： ——带轮半径；
ｒ ——压块最大半径．
／ ＼
图５新型钢带传动机构带轮最大转角分析图
Ｆｉｇ．５ Ｂｅｌｔ ｗｈｅｅｌ’Ｓ ｍａｘｉｍｕｍ ｔｕｒｎｉｎｇ ａｎｇ￣ｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ
ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
显然，在满足直线运动部件具有相同的最大行
程时，２种机构带轮所需最小半径是不同的．图６为
最大行程相同时，２种机构带轮所需虽小半径的关
系曲线．根据工程设计经验，取ｂ：１０ Ｈｉｍ，ｒ４一 ＋
６ ｍｍ，取ｙ１一ｙ２—７【．
图６ ２种机构带轮最小半径的关系曲线
Ｆｉｇ．６ Ｂｅｌｔ ｗｈｅｅｌ’Ｓ ｍｉｎｉｍｕｍ ｒａＩ：ｌｉｕｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ
显然 ＜ｒ ，ｌｍ． 一１０９．９ ｍｍ，可以根据公式（１）、
（８）、（９）计算出 一２１．３９５ ｎｍ１，ｒｌ一３８．１７５ ｍｍ．新
型钢带机构带轮较小，相应的支撑结构也必然随
之减小，应用新型钢带机构可明显减小机构外形
尺寸．
１．３结构总体设计分析
在航空及航天遥感器中，质量和体积存在较为
苛刻的限制，体积、质量是设计需考虑的重要因素．
为满足要求，应尽量减少各传动机构尺寸、质量，并
对各部件进行合］里布局＿５卅．
结构总体设计随空间限制、工作原理、设计方法
的不同有多种布局形式．下面对所研制的直线传动
系统进行讨论．ＣＣＤ在驱动机构作用下作往复运
动，钢带机构反馈ＣＣＤ的位置信号，由于ＣＣＤ周围
有光学镜头和大量电缆，钢带机构只能布置在图示
平面内，图７为采用常用钢带传动机构的直线传动
系统，图８为采用新型钢带传动机构的直线传动系
统．显然，常用钢带机构中采用双带轮，导致结构复
杂，且带轮半径较大，占用空问较大，相对应的基座、
支撑部件、轴承尺寸也相应增大，质量相对较大．对
于远距离传动，常用钢带机构两带轮中心距较大，装
调相对困难．而新型钢带机构尺寸较小，占用空间
小，并能较好利用狭小空间。质量相对较小．表１为
２种结构形式的参数比较．
工程设计学报 第１９卷
常用钢带机构 直线运动部件（ＣＣＤ） 驱动机构
图７应用常用钢带机构的直线传动系统
Ｆｉｇ．７ Ｔｈｅ ｕｓｕａｌ ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｕｓｅｄ ｉｎ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｉｏｎ ａｓｓｅｍｂｌｙ
２ 应 用
本文论述的新型钢带传动机构已成功应用于航
空相机直线传动系统中，如图９所示．直线运动部件
行程为１０９．９ ｉｉｌｍ，经多次测试，编码器输出直线运
动部件最大位移误差为０．００６ ＩＩｌｍ，满足使用需求．
新型钢带传动机构在严格限制质量和体积的仪器中
使用具有明显优势，这种新型钢带传动机构也可以
在自动化装配、制药业、食品业、造纸行业、机器人、
精密机床等方面推广使用．
图８应用新型钢带机构的直线传动系统
Ｆｉｇ．８ Ｔｈｅ ｎｅｗ ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
ｕｓｅｄ ｉｎ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｉｏｎ ａｓｓｅｍｂｌｙ
新型钠带机构直线运动部件（ＣＣＤ）
表Ｉ ２种结构形式的参数比较
Ｔａｂｌｅ １ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔＷＯ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
通过上述的比较可以看出，新型钢带机构具有
以下优点：
图９新型钢带机构应用实例
Ｆｉｇ．９ Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ
１）体积小，适应性好，能更好地适应空间限制严
格的仪器，降低仪器总体设计难度．
２）质量小，带轮半径小，只需要一套支撑结构，
质量不足常用机构的一半，适合在便携式仪器、航空
ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
３ 结 论
基于某航空相机直线传动系统的研制，为了减
小直线传动系统体积，降低结构复杂程度，提高可靠
性，提出一种新型钢带机构，它具有体积小、质量小、
结构简单和利于结构总体设计的优点．实际测试表
明，该机构能实现较高的反馈精度，可广泛应用于精
及航空遥感器等对质量要求严格的仪器中使用．
３）结构简单，可靠性高，比常用钢带机构容易装
调，易维修．
４）制造成本低，只需要加工一个带轮和相应支
撑结构，成本低于常用机构的一半．
第２期 刘立国，等：用于直线运动部件位置反馈的新型钢带传动机构研究
［４］何竞飞，高志雄，聂荣光，等．挠性带传动对速度波动影响
的计算机仿真［．Ｊ］．工程设计学报，２００７，１４（４）：３０８—３１４．
ＨＥ Ｊｉｎｇ—ｆｅｉ，ＧＡＯ Ｚｈｉ—ｘｉｃ・ｎｇ，ＮＩＥ Ｒｏｎｇ—ｇｕａｎｇ，ｅｔ ａ１．
密仪器中．对于有成本要求的普通仪器，新型钢带机
构可完全取代常用钢带机构，发挥其低成本的优势．
参考文献：
［１］ＧＵＥＢＥＬＩ Ｍ，ＭＩＣＫＬＥＭ Ｊ Ｄ．Ｍａｘｉｍｕｍ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ
ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ａ ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ｗｔｒｉａｂｌｅ ｔｒａｎｓｍｉｓ—
Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｂｅｌｔ ｄｒｉｖｅ ｏｎ
ｓｐｅｅｄ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ，
２００７，１４（４）：３０８—３１４．
ｓｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ，Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ
ｔｈｅ ＡＳＭＥ，１９９３，１１５（４）：１０４４—１０４８．
［５］辛明军，武聪．带传动方案设计专家系统知识模型的构
造方法［Ｊ］．工程设计学报，１９９８，８（３）：３６—３９．
ＸＩＮ Ｍｉｎｇ—ｊ ｕｎ，ＷＵ Ｃｏｎｇ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎ—
［２］濮良贵，纪名刚．机械设计（第７版）［Ｍ］．北京：高等教
育出版社，２０００：１４０－１６２．
ＰＵ Ｌｉａｎｇ—ｇｕｉ，ＪＩ Ｍｉｎｇ—ｇａｎｇ．Ｍｅｃｈａｎｉｃ ｄｅｓｉｇｎ（７ｔｈ ｅｄ）
ｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｂｅｌｔ ｄｒｉ ｖｅ ｏｎ ｓｐｅｅｄ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ［Ｊ］．
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ，１９９８，８（３）：３６—３９．
［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｈｉｇｈｅｒ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ Ｐｒｅｓｓ，２０００：１４０—１６２．
［３］孙桓，陈作模．机械原理（第６版）［Ｍ］．北京：高等教育
出版社，２０００：１５５—１８３．
ＳＵＮ Ｈｕａｎ。ＣＨＥＮ Ｚｕｏ—ｍｏ．Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ａｎｄ ｍａｃｈｉｎｅ
［６］宋伟刚，姜涛．带式输送机功率计算方法及其工程应用
问题的研究［Ｊ］．工程设计学报，２００８，１５（６）：４４８—４５６．
Ｓ０ＮＧ Ｗｅｉ—ｇａｎ ｇ。ＪＩＡＮＧ Ｔａｏ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｐｏｗｅｒ ｃａｌｃｕ—
ｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ｛ｏｒ ｂｅｌｔ ｃｏｎｖｅｙｏｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｐｒｏ—
ｔｈｅｏｒｙ（６ｔｈ ｅｄ）［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｈｉｇｈｅｒ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ Ｐｒｅｓｓ，
２０００：１５５—１８３．
ｊ ｅｃｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｉｎ ｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ，
２００８。１５（６）：４４８—４５６．
（上接第１２２页）
［１０］ＤＩＮＧ Ｘｉａｏ—ｈｏｎｇ，ＹＡＭＡＺＡＫＩ Ｋｏｅｓｔｕ． Ａｄａｐｔｉｖｅ
ｇｒｏｗｔｈ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｓｔｉｆｆｅｎｅｒ ｌａｙｏｕｔ ｐａｔｔｅｒｎ ｆｏｒ ｐｌａｔｅ
Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，２００８，ｌ２（１）：１２５—１３Ｏ．
［１２］丁晓红，林建中，山崎光悦．利用植物根系形态形成机理
的加筋薄壳结构拓扑优化设计［Ｊ］．机械工程学报，
２００８，４４（４）：２０１－２０５．
ａｎｄ ｓｈｅｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｍｉｎｉｍｕｍ ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ［Ｊ］．
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，２００５，３７（３）：２５９—２７６．
［１１］丁晓红，陈建来，程莉．抗振板壳结构的仿生拓扑优化
设计方法［Ｊ］．船舶力学，２００８，１２（１）：１２５—１３０．
ＤＩＮＧ Ｘｉａｏ—ｈｏｎｇ，ＣＨＥＮ Ｊｉａｎ－ｌａｉ，ＣＨＥＮＧ Ｌｉ．Ａ ｂｉｏｎ－
ｉｃ ａｐｐｒｏａｃｈ ｏｆ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｄｅｓｉｇｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｖｉｂｒａ—
ＤＩＮＧ Ｘｉａｏ—ｈｏｎｇ，ＬＩＮ Ｊｉａｎ—ｚｈｏｎｇ，ＹＡＭＡＺＡＫＩ Ｋｏｅｓ—
ｔｕ．Ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｄｅｓｉｇｎ ｏｐｔｉｒｒｄｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｉｆｆｅｎｅｄ ｔｈｉｎ－ｗａｌｌ
ｓｈｅｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｇｔ ｏｗｔｈ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｒｏｏｔ ｓｙｓ——
ｔｅｒｎ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，
２００８，４４（４）：２０１－２０５．
ｔｉｏｎ－ｐｒｏｏｆ ｐｌａｔｅ ａｎｄ ｓｈｅｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈｉｐ
（上接第１２７页）
［１Ｏ］ＥＶＡＮＳ Ｃ，ＲＥＥＳ Ｄ，ＪＯＮＥＳ Ｌ，ｅｔ ａ１．Ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｓｉｇｎａｌｓ
ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｖｏｌｔｅｒｒａ ｋｅｒｎｅｌｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ—
ａｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，１９９６，４５（２）：３６２—３７１．
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ—
ｉｎｇ，２００７：５３－７４．
［１３］曹建福，韩崇昭，方洋旺．非线性系统理论及应用［Ｍ］．
西安：西安交通大学出版社，２００６；１２８—１４０．
ＣＡＯ Ｊｉａｎ—ｆｕ，ＨＡＮ Ｃｈｏｎｇ—ｚｈａｏ，ＦＡＮＧ Ｙａｎｇ—ｗａｎｇ．
［１１］ＣＨＵＡ Ｌ Ｏ，ＮＧ Ｃ Ｙ．Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ
ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｓｙｓｔｅｍｓ：ｇｅｎｅｒａｌ ｔｈｅｏｒｙ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｉｒ—
ｃｕｌｔ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ，１９７９，３（４）：１６５—１８５．
Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｓｙｓｔｅｍ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｍ］．Ｘｉ ａｎ：
Ｘｉ ａｎ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，２００６：１２８—１４０．
［１２］殷时蓉．基于Ｖｏｌｔｅｒｒａ级数和神经网络的非线性电路
故障诊断研究［Ｄ］．成都：电子科技大学自动化工程学
院，２００７：５３～７４．
ＹＩＮ Ｓｈｉ—ｒｏｎｇ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｆｏｒ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ
［１４］马红光，韩崇昭．电路中的混沌与故障诊断［Ｍ］．北京：
国防工业出版社，２００７：２２８－２４８．
ＭＡ Ｈｏｎｇ—ｇｕａｎｇ。ＨＡＮ Ｃｈｏｎｇ—ｚｈａｏ．Ｃｈａｏｓ ａｎｄ ｆａｕｌｔ
ｃｉｒｃｕｉｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｖｏｌｔｅｒｒａ ｓｅｒｉｅｓ ａｎｄ ｎ ｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋｓ
ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔｓ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｄｅｆｅｎｃｅ Ｉｎ—
ｄｕｓｔｒｙ Ｐｒｅｓｓ，２００７：２２８—２４８．
［Ｄ］．Ｃｈｅｎｇｄｕ：Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ
2024年4月23日发(作者：翁灵寒)
第１９卷第２期
２０１２年４月
Ｃｈｉｎｅｓｅ
工
Ｊｏｕｒｎａｌ
程设计
ｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉ
学报
ｏｆ Ｅｎｇｉｇｎ Ｖｏｌ＿１９ ＮＯ．２
ＡＤｒ．２０１２
ＤＯＩ：１０．３７８５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—７５４Ｘ．２０１２．０２．０１ １
用于直线运动部件位置反馈的新型钢带传动机构研究
刘立国 一，丁亚林 ，
田海英 ，远国勤
（１．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春１３００３３；２．中国科学院研究生院，北京１０００３９）
摘要：为了提高直线传动机构运动精度，提出了一种基于钢带传动的位置反馈方法，并设计了单带轮位置反馈机
构．通过建模及理论分析，该机构与常用的钢带传动机构相比，在带轮最大转角固定的情况下，具有带轮半径小、体
积小、质量轻等优点，在传动系统结构总体设计的合理性及制造成本方面具有显著优势．实验结果表明，直线运动
部件行程为１０９．９ ｍｍ时，直线运动部件最大位移误差为０．００６ ｍｍ，满足使用要求．该机构结构紧凑、设计简单，可
在各种仪器中广泛使用．
关键词：位置反馈机构；钢带传动；单带轮结构
中图分类号：Ｖ ４７５．２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００６—７５４Ｘ（２０１： ）０２—０１３３—０５
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ
ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｉｏｎ ｐａｒｔ
ＬＩＵ Ｌｉ—ｇｕｏ ，ＤＩＮＧ Ｙａ—ｌｉｎ ，ＴＩＡＮ Ｈａｉ—ｙｉｎｇ ，ＹＵＡＮ Ｇ ＵＯ—ｑｉｎ ’
（１．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００３３，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ。Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈ ｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｉｏｎ ｐａｒｔ，ａ Ｄｅ Ⅳｐｏｓｉｔｉｏｎ ｆｅｅｄｂａｃｋ
ｍｅｔｈｏｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄ ａ ｓｅｔ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｎｇｌｅ ｂｅｌｔ ｗｈｅｅｌ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．
Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｗｈｅｅｌ ｗａｓ ｆｉｘｅｄ，ｔｈｅ ｎｅｗ ｋｉｎｄ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ
ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｈａｓ ｍａｎｙ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｓｍａｌｌｅｒ ｒａｄｉｕｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅｌｔ ｗｈｅｅｌ，ｔｈｅ ｓｍａｌｌｅｒ ｖｏｌ—
ｕｍｅ，ｔｈｅ ｌｉｇｈｔｅｒ ｗｅｉｇｈｔ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ，ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｕｓｕａｌ ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ．
Ｓｏ ｔｈｅ ｎｅｗ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｈａｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉ ｇｎ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒ—
ｉｎｇ ｃｏｓｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ，ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｉｏｎ
ｓｔｒｏｋｅ ｉＳ １０９．９ ｍｍ，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｅｒｒｏｒ ｉＳ ０．００６ ｍＩｎ．Ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｍｐｏ—
ｎｅｎｔｓ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｕｓｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｃｏｍ—
ｐａｃｔ，ｓｉｍｐｌｅ ｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄ ｃａｎ ｂｅ Ｍｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｖａｒｉｏｕｓ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ ｔｒａｎｓｆｎｉｓｓｉｏｎ；ｓｉｎｇｌｅ ｗｈｅｅｌ ｄｅｖｉｃｅ
钢带传动广泛应用在现代精密机械仪器中，它 传动及链传动虽能实现远距离传动，但定位精度低
具有结构简单、传动平稳、传动距离远、传动精度高
于钢带传动．国外对钢带传动研究较早［１］，技术很成
等优点，适用于直线和回转传动系统．特别在远距离
熟．近年来，国内对钢带传动的研究也日益增多 ，
传动方面，钢带传动较传统的机构具有显著优势：齿
在机床、纺织机械、航空遥感器等行业应用逐渐
轮机构在远距离传动时需要齿轮较多，成本很高；带
增多．
收稿日期：２０１１一ＩＩ一０１．
基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３计划）资助项目（２００６ＡＡ０６Ａ２０８）．
作者简介：刘立国（１９７８一），男，黑龙江七台河人，助理研究员，硕士生，从事航空相机结构设计研究，Ｅ－ｍａｉｌ：９５２８９２２０３＠
ｑｑ．ｃｏｒｎ．
通信联系人：丁亚林，研究员，Ｅ＿ｍａｉｌ：４５５７５５７９＠ｑｑ．ｃｏｍ
工程设计学报 第１９卷
按带轮最大转角分类，钢带传动机构可分为多
圈大角度和非整圈有限角度传动．多圈大角度传动
由于钢带的多圈缠绕产生传动比误差，不适合精密
传动，因此精密传动系统中非整圈有限角度钢带传
动机构比较常用．目前常用的非整圈有限角度传动
钢带机构多采用双带轮支撑钢带，随之而来的问题
是由于有压块等压紧结构，带轮最大转角小于
１８０。，带轮不能被有效地利用．若直线运动部件行程
较大，两带轮中心距也必然很大，导致整个结构外形
尺寸很大、结构松散，给仪器结构总体设计带来困
难．本文提出单带轮钢带传动机构，以有效地缩小结
图２新型钢带传动机构原理图
Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ ｔｒａｎｓｍｉｓ
ｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
构外形尺寸，提高仪器结构总体设计合理性．
１ 常用钢带传动机构与新型钢带传动机构
的比较
１．１钢带传动机构工作原理
目前常用于直线运动部件位置反馈的钢带传动
机构原理图如图１所示，直线运动部件在驱动力作
用下作往复运动，直线运动部件带动钢带，钢带带动
带轮和编码器旋转，编码器输出位置反馈信号．张紧
机构用于张紧钢带，保持传动关系的正确性．为防止
钢带与带轮之间打滑引起传动误差和仪器故障，采
用压块将带轮和钢带连接，保证传动同步性．新型钢
带传动机构原理图如图２所示，与常用钢带传动机
构的不同之处在于采用单带轮即可实现位置反馈的
功能．驱动力Ｆ作用在直线运动部件上，直线运动
部件在其作用下往复运动，按图示方向运动时，张紧
机构始终保持钢带张紧．反向运动时，张紧机构变为
带轮驱动力，驱动带轮旋转，使钢带缠绕在带轮上，
保持编码器输出正确反馈信号．
压块 直线运动部件下钢带 编码器
图１ 常用钢带传动机构原理图
Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｕｓｕａｌ ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ ｔｒａｎｓ
ｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
直线运动部件位移ｚ与带轮转角 关系为
ｆ—Ｔ＇ｍｉｎ ， （１）
式中：Ｆｍｉｎ——各带轮的最小半径；
最小半径带轮的转角．
１．２ 带轮最大转角与带轮半径的关系分析
常用钢带传动机构中，直线运动部件的最大行
程与带轮最大转角、带轮半径的关系如式（２）所示，
在结构设计中常希望带轮有较大的最大转角，以有
效地减小带轮半径．而带轮的包角是影响带轮最大
转角的重要因素，其关系如图３所示，假定ｒ ≤ｒ２．
．
图３常用钢带传动机构帝轮包角与最大转角分析图
Ｆｉｇ．３ Ｂｅｌｔ ｃｏｎｔａｃｔ ａｎｇｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｔｕｒｎｉｎｇ ａｎｇｌｅ
ｏｆ ｕｓｕａｌ ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
ｚ…≤ｍｉｎ［ｒ１卢ｌ ，ｒ２ …］， （２）
ｙ 一丌一２ａｒｃｓｉｎ（ ）， （３）
），１＋），２—２ｎ， （４）
１…一ｙｌ一 ｌ， （５）
…
一），ｚ一 ｚ， （６）
式中：ｙ ——带轮１包角
ｙ ——带轮２包角；
…——
带轮１最大转角；
——
…
带轮２最大转角；
西 ——压块在带轮１上对应的弧度值；
压块在带轮２上对应的弧度值；
ｌｍ．ｘ——直线运动部件最大行程．
因为巾 ≥巾ｚ，７ ≤７２，由式（３）、（４）、（５）、（６）
可知，
ｒｌ …≤ｒ２ …． （７）
因此，为有效提高带轮最大转角，减小结构尺
第２期 刘立国，等：用于直线运动部件位置反馈的新型钢带传动机构研究
寸，使结构合理化，常选取两带轮半径值相等，采用
图１的结构形式，，－ ＝ｒ ，１ 一 …
由公式可以看出声 ， 。也是影响带轮最大转角
的一个因素，而带轮与钢带的连接方式也存在多种
形式，最常用的是压块连接，如图４，常用钢带传动
机构最大转角的计算公式可用下式表示：
ｌｆｌ 一ｙ 一２ａｒｃｓｉｎ（ ）． （８）
式中：ｎ——带轮半径；
６——压块宽度．
图４ 常用钢带传动机构带轮最大转角分析图
Ｆｉｇ．４ Ｂｅｌｔ ｗｈｅｅｌ’Ｓ ｍａｘｉｍｕｍ ｔｕｒｎｉｎｇ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｕｓｕａｌ
ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
新型钢带传动机构由于采用单带轮，如图５，其
最大转角增大，可用以下公式计算：
一
２ｒｅ－２ａｒｃｓｉｎ（ ）－ａｒｃｃｏｓ ｒ＿Ａ３、），（９）
式中： ——带轮半径；
ｒ ——压块最大半径．
／ ＼
图５新型钢带传动机构带轮最大转角分析图
Ｆｉｇ．５ Ｂｅｌｔ ｗｈｅｅｌ’Ｓ ｍａｘｉｍｕｍ ｔｕｒｎｉｎｇ ａｎｇ￣ｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ
ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
显然，在满足直线运动部件具有相同的最大行
程时，２种机构带轮所需最小半径是不同的．图６为
最大行程相同时，２种机构带轮所需虽小半径的关
系曲线．根据工程设计经验，取ｂ：１０ Ｈｉｍ，ｒ４一 ＋
６ ｍｍ，取ｙ１一ｙ２—７【．
图６ ２种机构带轮最小半径的关系曲线
Ｆｉｇ．６ Ｂｅｌｔ ｗｈｅｅｌ’Ｓ ｍｉｎｉｍｕｍ ｒａＩ：ｌｉｕｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ
显然 ＜ｒ ，ｌｍ． 一１０９．９ ｍｍ，可以根据公式（１）、
（８）、（９）计算出 一２１．３９５ ｎｍ１，ｒｌ一３８．１７５ ｍｍ．新
型钢带机构带轮较小，相应的支撑结构也必然随
之减小，应用新型钢带机构可明显减小机构外形
尺寸．
１．３结构总体设计分析
在航空及航天遥感器中，质量和体积存在较为
苛刻的限制，体积、质量是设计需考虑的重要因素．
为满足要求，应尽量减少各传动机构尺寸、质量，并
对各部件进行合］里布局＿５卅．
结构总体设计随空间限制、工作原理、设计方法
的不同有多种布局形式．下面对所研制的直线传动
系统进行讨论．ＣＣＤ在驱动机构作用下作往复运
动，钢带机构反馈ＣＣＤ的位置信号，由于ＣＣＤ周围
有光学镜头和大量电缆，钢带机构只能布置在图示
平面内，图７为采用常用钢带传动机构的直线传动
系统，图８为采用新型钢带传动机构的直线传动系
统．显然，常用钢带机构中采用双带轮，导致结构复
杂，且带轮半径较大，占用空问较大，相对应的基座、
支撑部件、轴承尺寸也相应增大，质量相对较大．对
于远距离传动，常用钢带机构两带轮中心距较大，装
调相对困难．而新型钢带机构尺寸较小，占用空间
小，并能较好利用狭小空间。质量相对较小．表１为
２种结构形式的参数比较．
工程设计学报 第１９卷
常用钢带机构 直线运动部件（ＣＣＤ） 驱动机构
图７应用常用钢带机构的直线传动系统
Ｆｉｇ．７ Ｔｈｅ ｕｓｕａｌ ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｕｓｅｄ ｉｎ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｉｏｎ ａｓｓｅｍｂｌｙ
２ 应 用
本文论述的新型钢带传动机构已成功应用于航
空相机直线传动系统中，如图９所示．直线运动部件
行程为１０９．９ ｉｉｌｍ，经多次测试，编码器输出直线运
动部件最大位移误差为０．００６ ＩＩｌｍ，满足使用需求．
新型钢带传动机构在严格限制质量和体积的仪器中
使用具有明显优势，这种新型钢带传动机构也可以
在自动化装配、制药业、食品业、造纸行业、机器人、
精密机床等方面推广使用．
图８应用新型钢带机构的直线传动系统
Ｆｉｇ．８ Ｔｈｅ ｎｅｗ ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
ｕｓｅｄ ｉｎ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｉｏｎ ａｓｓｅｍｂｌｙ
新型钠带机构直线运动部件（ＣＣＤ）
表Ｉ ２种结构形式的参数比较
Ｔａｂｌｅ １ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔＷＯ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
通过上述的比较可以看出，新型钢带机构具有
以下优点：
图９新型钢带机构应用实例
Ｆｉｇ．９ Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ
１）体积小，适应性好，能更好地适应空间限制严
格的仪器，降低仪器总体设计难度．
２）质量小，带轮半径小，只需要一套支撑结构，
质量不足常用机构的一半，适合在便携式仪器、航空
ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
３ 结 论
基于某航空相机直线传动系统的研制，为了减
小直线传动系统体积，降低结构复杂程度，提高可靠
性，提出一种新型钢带机构，它具有体积小、质量小、
结构简单和利于结构总体设计的优点．实际测试表
明，该机构能实现较高的反馈精度，可广泛应用于精
及航空遥感器等对质量要求严格的仪器中使用．
３）结构简单，可靠性高，比常用钢带机构容易装
调，易维修．
４）制造成本低，只需要加工一个带轮和相应支
撑结构，成本低于常用机构的一半．
第２期 刘立国，等：用于直线运动部件位置反馈的新型钢带传动机构研究
［４］何竞飞，高志雄，聂荣光，等．挠性带传动对速度波动影响
的计算机仿真［．Ｊ］．工程设计学报，２００７，１４（４）：３０８—３１４．
ＨＥ Ｊｉｎｇ—ｆｅｉ，ＧＡＯ Ｚｈｉ—ｘｉｃ・ｎｇ，ＮＩＥ Ｒｏｎｇ—ｇｕａｎｇ，ｅｔ ａ１．
密仪器中．对于有成本要求的普通仪器，新型钢带机
构可完全取代常用钢带机构，发挥其低成本的优势．
参考文献：
［１］ＧＵＥＢＥＬＩ Ｍ，ＭＩＣＫＬＥＭ Ｊ Ｄ．Ｍａｘｉｍｕｍ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ
ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ａ ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ｗｔｒｉａｂｌｅ ｔｒａｎｓｍｉｓ—
Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｂｅｌｔ ｄｒｉｖｅ ｏｎ
ｓｐｅｅｄ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ，
２００７，１４（４）：３０８—３１４．
ｓｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ，Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ
ｔｈｅ ＡＳＭＥ，１９９３，１１５（４）：１０４４—１０４８．
［５］辛明军，武聪．带传动方案设计专家系统知识模型的构
造方法［Ｊ］．工程设计学报，１９９８，８（３）：３６—３９．
ＸＩＮ Ｍｉｎｇ—ｊ ｕｎ，ＷＵ Ｃｏｎｇ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎ—
［２］濮良贵，纪名刚．机械设计（第７版）［Ｍ］．北京：高等教
育出版社，２０００：１４０－１６２．
ＰＵ Ｌｉａｎｇ—ｇｕｉ，ＪＩ Ｍｉｎｇ—ｇａｎｇ．Ｍｅｃｈａｎｉｃ ｄｅｓｉｇｎ（７ｔｈ ｅｄ）
ｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｂｅｌｔ ｄｒｉ ｖｅ ｏｎ ｓｐｅｅｄ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ［Ｊ］．
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ，１９９８，８（３）：３６—３９．
［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｈｉｇｈｅｒ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ Ｐｒｅｓｓ，２０００：１４０—１６２．
［３］孙桓，陈作模．机械原理（第６版）［Ｍ］．北京：高等教育
出版社，２０００：１５５—１８３．
ＳＵＮ Ｈｕａｎ。ＣＨＥＮ Ｚｕｏ—ｍｏ．Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ａｎｄ ｍａｃｈｉｎｅ
［６］宋伟刚，姜涛．带式输送机功率计算方法及其工程应用
问题的研究［Ｊ］．工程设计学报，２００８，１５（６）：４４８—４５６．
Ｓ０ＮＧ Ｗｅｉ—ｇａｎ ｇ。ＪＩＡＮＧ Ｔａｏ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｐｏｗｅｒ ｃａｌｃｕ—
ｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ｛ｏｒ ｂｅｌｔ ｃｏｎｖｅｙｏｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｐｒｏ—
ｔｈｅｏｒｙ（６ｔｈ ｅｄ）［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｈｉｇｈｅｒ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ Ｐｒｅｓｓ，
２０００：１５５—１８３．
ｊ ｅｃｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｉｎ ｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ，
２００８。１５（６）：４４８—４５６．
（上接第１２２页）
［１０］ＤＩＮＧ Ｘｉａｏ—ｈｏｎｇ，ＹＡＭＡＺＡＫＩ Ｋｏｅｓｔｕ． Ａｄａｐｔｉｖｅ
ｇｒｏｗｔｈ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｓｔｉｆｆｅｎｅｒ ｌａｙｏｕｔ ｐａｔｔｅｒｎ ｆｏｒ ｐｌａｔｅ
Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，２００８，ｌ２（１）：１２５—１３Ｏ．
［１２］丁晓红，林建中，山崎光悦．利用植物根系形态形成机理
的加筋薄壳结构拓扑优化设计［Ｊ］．机械工程学报，
２００８，４４（４）：２０１－２０５．
ａｎｄ ｓｈｅｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｍｉｎｉｍｕｍ ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ［Ｊ］．
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，２００５，３７（３）：２５９—２７６．
［１１］丁晓红，陈建来，程莉．抗振板壳结构的仿生拓扑优化
设计方法［Ｊ］．船舶力学，２００８，１２（１）：１２５—１３０．
ＤＩＮＧ Ｘｉａｏ—ｈｏｎｇ，ＣＨＥＮ Ｊｉａｎ－ｌａｉ，ＣＨＥＮＧ Ｌｉ．Ａ ｂｉｏｎ－
ｉｃ ａｐｐｒｏａｃｈ ｏｆ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｄｅｓｉｇｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｖｉｂｒａ—
ＤＩＮＧ Ｘｉａｏ—ｈｏｎｇ，ＬＩＮ Ｊｉａｎ—ｚｈｏｎｇ，ＹＡＭＡＺＡＫＩ Ｋｏｅｓ—
ｔｕ．Ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｄｅｓｉｇｎ ｏｐｔｉｒｒｄｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｉｆｆｅｎｅｄ ｔｈｉｎ－ｗａｌｌ
ｓｈｅｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｇｔ ｏｗｔｈ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｒｏｏｔ ｓｙｓ——
ｔｅｒｎ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，
２００８，４４（４）：２０１－２０５．
ｔｉｏｎ－ｐｒｏｏｆ ｐｌａｔｅ ａｎｄ ｓｈｅｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈｉｐ
（上接第１２７页）
［１Ｏ］ＥＶＡＮＳ Ｃ，ＲＥＥＳ Ｄ，ＪＯＮＥＳ Ｌ，ｅｔ ａ１．Ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｓｉｇｎａｌｓ
ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｖｏｌｔｅｒｒａ ｋｅｒｎｅｌｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ—
ａｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，１９９６，４５（２）：３６２—３７１．
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ—
ｉｎｇ，２００７：５３－７４．
［１３］曹建福，韩崇昭，方洋旺．非线性系统理论及应用［Ｍ］．
西安：西安交通大学出版社，２００６；１２８—１４０．
ＣＡＯ Ｊｉａｎ—ｆｕ，ＨＡＮ Ｃｈｏｎｇ—ｚｈａｏ，ＦＡＮＧ Ｙａｎｇ—ｗａｎｇ．
［１１］ＣＨＵＡ Ｌ Ｏ，ＮＧ Ｃ Ｙ．Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ
ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｓｙｓｔｅｍｓ：ｇｅｎｅｒａｌ ｔｈｅｏｒｙ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｉｒ—
ｃｕｌｔ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ，１９７９，３（４）：１６５—１８５．
Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｓｙｓｔｅｍ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｍ］．Ｘｉ ａｎ：
Ｘｉ ａｎ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，２００６：１２８—１４０．
［１２］殷时蓉．基于Ｖｏｌｔｅｒｒａ级数和神经网络的非线性电路
故障诊断研究［Ｄ］．成都：电子科技大学自动化工程学
院，２００７：５３～７４．
ＹＩＮ Ｓｈｉ—ｒｏｎｇ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｆｏｒ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ
［１４］马红光，韩崇昭．电路中的混沌与故障诊断［Ｍ］．北京：
国防工业出版社，２００７：２２８－２４８．
ＭＡ Ｈｏｎｇ—ｇｕａｎｇ。ＨＡＮ Ｃｈｏｎｇ—ｚｈａｏ．Ｃｈａｏｓ ａｎｄ ｆａｕｌｔ
ｃｉｒｃｕｉｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｖｏｌｔｅｒｒａ ｓｅｒｉｅｓ ａｎｄ ｎ ｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋｓ
ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔｓ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｄｅｆｅｎｃｅ Ｉｎ—
ｄｕｓｔｒｙ Ｐｒｅｓｓ，２００７：２２８—２４８．
［Ｄ］．Ｃｈｅｎｇｄｕ：Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ