第二章 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)

1、第二章第二章 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)電一體化系統(tǒng)的 機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng) 2.1.1 2.1.1 機(jī)械系統(tǒng)的主要組成機(jī)械系統(tǒng)的主要組成 （1 1）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不僅僅是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不僅僅是轉(zhuǎn)轉(zhuǎn), ,而且已成為伺而且已成為伺服系統(tǒng)的一部分服系統(tǒng)的一部分, ,它要根據(jù)伺服控制的要求進(jìn)行選擇設(shè)計(jì)它要根據(jù)伺服控制的要求進(jìn)行選擇設(shè)計(jì), ,以以滿足整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)良好的伺服性能。滿足整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)良好的伺服性能。 （2 2）導(dǎo)向機(jī)構(gòu)）導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用是導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用是, ,它為機(jī)械系統(tǒng)中各運(yùn)動(dòng)它為機(jī)械系統(tǒng)中各運(yùn)動(dòng)裝置能安全、準(zhǔn)確地完成其特定方向的運(yùn)動(dòng)提供保障裝置能安全、準(zhǔn)確地完成其特定方向的運(yùn)動(dòng)提供保

2、障, ,一般一般指指導(dǎo)軌、軸承導(dǎo)軌、軸承等。等。 （3 3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)）執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是用來(lái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是用來(lái)的直接裝置。執(zhí)行機(jī)構(gòu)根的直接裝置。執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)操作指令的要求在動(dòng)力源的帶動(dòng)下完成預(yù)定的操作。據(jù)操作指令的要求在動(dòng)力源的帶動(dòng)下完成預(yù)定的操作。2.1 2.1 概概 述述 2.1.2 2.1.2 對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的特殊要求對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的特殊要求 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)與一般機(jī)械系統(tǒng)相機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)與一般機(jī)械系統(tǒng)相比，具有一定的特殊要求：比，具有一定的特殊要求： （1 1）較高的定位精度）較高的定位精度 精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，尤其是機(jī)電一體精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，尤其是機(jī)電一體化產(chǎn)品，其

3、技術(shù)性能、工藝水平和功能比普通的化產(chǎn)品，其技術(shù)性能、工藝水平和功能比普通的機(jī)械產(chǎn)品都有很大的提高，機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品都有很大的提高，機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的的高精度是其首要的要求高精度是其首要的要求。 （2 2）良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性）良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 響應(yīng)快、穩(wěn)定性好。響應(yīng)快、穩(wěn)定性好。 要求機(jī)械系統(tǒng)從接到指令到開(kāi)始執(zhí)要求機(jī)械系統(tǒng)從接到指令到開(kāi)始執(zhí)行指令指定的任務(wù)之間的時(shí)間間隔短，行指令指定的任務(wù)之間的時(shí)間間隔短，這樣控制系統(tǒng)才能及時(shí)根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的這樣控制系統(tǒng)才能及時(shí)根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息，下達(dá)指令，使其準(zhǔn)確地運(yùn)行狀態(tài)信息，下達(dá)指令，使其準(zhǔn)確地完成任務(wù)。要求機(jī)械系統(tǒng)的工作性能不完成任務(wù)

4、。要求機(jī)械系統(tǒng)的工作性能不受外界環(huán)境的影響，抗干擾能力強(qiáng)。受外界環(huán)境的影響，抗干擾能力強(qiáng)。 （3 3）無(wú)間隙、低摩擦、低慣量、大）無(wú)間隙、低摩擦、低慣量、大剛度。剛度。 （4 4）高的諧振頻率、合理的阻尼比。）高的諧振頻率、合理的阻尼比。2.2 2.2 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2.2.1 2.2.1 概述概述 （1 1）機(jī)械傳動(dòng)裝置的功能）機(jī)械傳動(dòng)裝置的功能 機(jī)械傳動(dòng)是一種機(jī)械傳動(dòng)是一種運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳的傳遞裝置遞裝置, ,是扭矩和轉(zhuǎn)速的變換器是扭矩和轉(zhuǎn)速的變換器, ,其目其目的是在動(dòng)力機(jī)與負(fù)載之間的是在動(dòng)力機(jī)與負(fù)載之間使扭矩得到使扭矩得到合理的匹配合理的匹配, ,并可通

5、過(guò)機(jī)構(gòu)變換實(shí)現(xiàn)并可通過(guò)機(jī)構(gòu)變換實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的對(duì)輸出的速度調(diào)節(jié)速度調(diào)節(jié)。 在機(jī)電一體化系統(tǒng)中在機(jī)電一體化系統(tǒng)中, ,伺服電動(dòng)機(jī)的伺服變速伺服電動(dòng)機(jī)的伺服變速功能在很大程度上代替了傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)中的變速機(jī)功能在很大程度上代替了傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)中的變速機(jī)構(gòu)構(gòu), ,只有當(dāng)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍滿足不了系統(tǒng)要求只有當(dāng)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍滿足不了系統(tǒng)要求時(shí)時(shí), ,才通過(guò)傳動(dòng)裝置變速。才通過(guò)傳動(dòng)裝置變速。（2 2）常用機(jī)械傳動(dòng)裝置）常用機(jī)械傳動(dòng)裝置 齒輪傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、諧波齒輪傳動(dòng)、滾珠絲杠傳動(dòng)，其諧波齒輪傳動(dòng)、滾珠絲杠傳動(dòng)，其它傳動(dòng)元件。它傳動(dòng)元件。 （3 3）對(duì)傳動(dòng)裝置的基本要

6、求）對(duì)傳動(dòng)裝置的基本要求 傳動(dòng)間隙小、精度高、體積小、傳動(dòng)間隙小、精度高、體積小、重量輕、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。重量輕、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。 （4 4）機(jī)電一體化機(jī)械傳動(dòng)裝置）機(jī)電一體化機(jī)械傳動(dòng)裝置的發(fā)展方向的發(fā)展方向 精密化，高速化，小型化，輕精密化，高速化，小型化，輕量化。量化。2.2.2 2.2.2 常用齒輪傳動(dòng)裝置常用齒輪傳動(dòng)裝置 機(jī)電一體化系統(tǒng)中，常用的機(jī)電一體化系統(tǒng)中，常用的齒輪傳動(dòng)部件：齒輪傳動(dòng)部件：定軸傳動(dòng)輪系、定軸傳動(dòng)輪系、行星齒輪傳動(dòng)輪系、諧波齒輪傳行星齒輪傳動(dòng)輪系、諧波齒輪傳動(dòng)輪等。動(dòng)輪等。 1 1、定軸輪系傳動(dòng)、定軸輪系傳動(dòng) 輪系中各齒輪的軸線相對(duì)機(jī)輪系中各齒輪的軸線

7、相對(duì)機(jī)架的位置不變。架的位置不變。 功用：可用作較遠(yuǎn)距離的傳功用：可用作較遠(yuǎn)距離的傳動(dòng)，獲得較大的傳動(dòng)比，可改變動(dòng)，獲得較大的傳動(dòng)比，可改變從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)向，獲得多種傳動(dòng)比。從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)向，獲得多種傳動(dòng)比。 i = i i1 2i12iZ ZZ Zi = 1 -2132H2213Z 2當(dāng) 柔 輪 固 定 時(shí) ，Z - Zgi =r=gZgZrHng+ 2Z Z =ng ri = i i1 2i12iZ ZZ Zi = 1 -2132H2213Z 2當(dāng) 柔 輪 固 定 時(shí) ，Z - Zgi =r=gZgZrHng+ 2Z Z =ng r2 2、行星齒輪傳動(dòng)輪系、行星齒輪傳動(dòng)輪系 主要由傳動(dòng)齒輪、定位主

8、要由傳動(dòng)齒輪、定位齒輪、行星齒輪和行星架等齒輪、行星齒輪和行星架等組成。組成。 行星齒輪傳動(dòng)的主要特行星齒輪傳動(dòng)的主要特點(diǎn)：點(diǎn)：體積小，承載能力大，體積小，承載能力大，工作平穩(wěn)。但大功率高速行工作平穩(wěn)。但大功率高速行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，要星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，要求制造精度高。求制造精度高。 3 3、諧波齒輪傳動(dòng)、諧波齒輪傳動(dòng) (harmonic gear drive) 主要組成元件主要組成元件 主要由主要由波發(fā)生器、柔性齒輪和剛性齒輪波發(fā)生器、柔性齒輪和剛性齒輪三個(gè)三個(gè)基本構(gòu)件組成，是一種靠波發(fā)生器使柔性齒輪產(chǎn)基本構(gòu)件組成，是一種靠波發(fā)生器使柔性齒輪產(chǎn)生可控彈性變形，并與剛性齒輪相嚙合來(lái)傳遞

9、運(yùn)生可控彈性變形，并與剛性齒輪相嚙合來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的齒輪傳動(dòng)。動(dòng)和動(dòng)力的齒輪傳動(dòng)。 易損件易損件諧波齒輪傳動(dòng)過(guò)程諧波齒輪傳動(dòng)過(guò)程第第3章章 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng) (1) (1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕 (2) (2) 傳動(dòng)比范圍大傳動(dòng)比范圍大 單級(jí)：?jiǎn)渭?jí)：5050300300；雙級(jí)：；雙級(jí)：300030006000060000 (3) (3) 同時(shí)嚙合的齒數(shù)多同時(shí)嚙合的齒數(shù)多 正是由于這一獨(dú)特正是由于這一獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使諧波傳動(dòng)的精度高，齒的承載能力大，的優(yōu)點(diǎn)，使諧波傳動(dòng)的精度高，齒的承載能力大，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)大速比、小體積。進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)大速比、

10、小體積。 (4) (4) 承載能力大，運(yùn)動(dòng)精度高承載能力大，運(yùn)動(dòng)精度高 (5) (5) 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)沖擊，噪聲小運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)沖擊，噪聲小 (6) (6) 齒側(cè)間隙可以調(diào)整齒側(cè)間隙可以調(diào)整 (7) (7) 齒面磨損小而均勻，傳動(dòng)效率高齒面磨損小而均勻，傳動(dòng)效率高 第第3章章 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng) v缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： (1) (1) 柔輪周期性變形，易于疲勞損壞柔輪周期性變形，易于疲勞損壞 (2) (2) 柔輪和波發(fā)生器的制造難度較大柔輪和波發(fā)生器的制造難度較大 (3) (3) 傳動(dòng)比的下限值高，齒數(shù)不能太少傳動(dòng)比的下限值高，齒數(shù)不能太少 (4) (4) 諧波齒輪傳動(dòng)沒(méi)有中

11、間軸，因而不能獲得諧波齒輪傳動(dòng)沒(méi)有中間軸，因而不能獲得中間速度中間速度 (5) (5) 如果結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇不當(dāng)，會(huì)過(guò)熱，降低傳如果結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇不當(dāng)，會(huì)過(guò)熱，降低傳動(dòng)承載能力動(dòng)承載能力 目前，各國(guó)學(xué)者公認(rèn)的諧波傳動(dòng)最為主要的失目前，各國(guó)學(xué)者公認(rèn)的諧波傳動(dòng)最為主要的失效形式：效形式：柔輪筒體柔輪筒體的疲勞破壞。的疲勞破壞。 第第3章章 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng) v應(yīng)用：應(yīng)用： 由于諧波傳動(dòng)具有其他傳動(dòng)無(wú)法比擬的諸多由于諧波傳動(dòng)具有其他傳動(dòng)無(wú)法比擬的諸多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，近幾十年來(lái)，它已被迅速推廣到獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，近幾十年來(lái)，它已被迅速推廣到機(jī)床、機(jī)床、機(jī)器人、汽車(chē)、造船、紡織、冶金、常規(guī)武

12、器、機(jī)器人、汽車(chē)、造船、紡織、冶金、常規(guī)武器、精密光學(xué)設(shè)備、印刷機(jī)構(gòu)以及醫(yī)療器械等領(lǐng)域精密光學(xué)設(shè)備、印刷機(jī)構(gòu)以及醫(yī)療器械等領(lǐng)域，并獲得了廣泛的應(yīng)用。并獲得了廣泛的應(yīng)用。 國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用實(shí)踐表明，無(wú)論是作為高靈敏國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用實(shí)踐表明，無(wú)論是作為高靈敏度隨動(dòng)系統(tǒng)的度隨動(dòng)系統(tǒng)的精密諧波傳動(dòng)精密諧波傳動(dòng)，還是作為傳遞大轉(zhuǎn)，還是作為傳遞大轉(zhuǎn)矩的矩的動(dòng)力諧波傳動(dòng)動(dòng)力諧波傳動(dòng)，都表現(xiàn)出了良好的性能。，都表現(xiàn)出了良好的性能。2.2.3 2.2.3 齒輪傳動(dòng)系總傳動(dòng)比的確定齒輪傳動(dòng)系總傳動(dòng)比的確定 P30 在伺服系統(tǒng)中,通常采用負(fù)載角加速度最大原則負(fù)載角加速度最大原則 選擇總傳動(dòng)比,以提高伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度。傳動(dòng)

13、模型如圖2-1所示。 圖中：圖中： Jm 電動(dòng)機(jī)M轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量； m 電動(dòng)機(jī)M的角位移； JL 負(fù)載L的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； L 負(fù)載L的角位移； TLF 摩擦阻抗轉(zhuǎn)矩； i 齒輪系G的總傳動(dòng)比。JmiJLMGLmLTLF圖2-1 電機(jī)、傳動(dòng)裝置和負(fù)載的傳動(dòng)模型電動(dòng)機(jī)齒輪系負(fù)載JmiJLMGLmLTLF圖2-1 電機(jī)、傳動(dòng)裝置和負(fù)載的傳動(dòng)模型電動(dòng)機(jī)齒輪系JmiJLMGLmLTLF圖2-1 電機(jī)、傳動(dòng)裝置和負(fù)載的傳動(dòng)模型電動(dòng)機(jī)負(fù)載齒輪系JmiJLMGLmLTLF圖2-1 電機(jī)、傳動(dòng)裝置和負(fù)載的傳動(dòng)模型電動(dòng)機(jī)JmiJLMGLmLTLF圖2-1 電機(jī)、傳動(dòng)裝置和負(fù)載的傳動(dòng)模型電動(dòng)機(jī)齒輪系電動(dòng)機(jī)齒輪系負(fù)載電

14、動(dòng)機(jī)齒輪系JmiJLMGLmLTLF圖2-1 電機(jī)、傳動(dòng)裝置和負(fù)載的傳動(dòng)模型電動(dòng)機(jī)齒輪系JmiJLMGLmLTLF圖2-1 電機(jī)、傳動(dòng)裝置和負(fù)載的傳動(dòng)模型電動(dòng)機(jī)負(fù)載齒輪系JmiJLMGLmLTLF圖2-1 電機(jī)、傳動(dòng)裝置和負(fù)載的傳動(dòng)模型電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)齒輪系負(fù)載電動(dòng)機(jī)齒輪系電動(dòng)機(jī)負(fù)載齒輪系電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)齒輪系電動(dòng)機(jī)齒輪系負(fù)載電動(dòng)機(jī)齒輪系電動(dòng)機(jī)齒輪系電動(dòng)機(jī)負(fù)載齒輪系JmiJLMGLmLTLF圖2-1 電機(jī)、傳動(dòng)裝置和負(fù)載的傳動(dòng)模型電動(dòng)機(jī)式中: 電動(dòng)機(jī)的角位移、角速度、角加速度； 負(fù)載的角位移、角速度、角加速度。 1 LmLmLmi mmm? LLL?其傳動(dòng)比為： TLF換算到電動(dòng)機(jī)軸上的阻抗轉(zhuǎn)矩為T(mén)L

15、F /i ；JL換算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為JL /i2。設(shè)Tm為電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩, 在忽略傳動(dòng)裝置慣量的前提下,根據(jù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方程, 電動(dòng)機(jī)軸上的合轉(zhuǎn)矩Td為：LmLFmLLLmmLmLFmdJiJTiTiiJJiJJiTTT 222)()(?(2-1)在式(2-1)中,若改變總傳動(dòng)比i,則 也隨之改變。根據(jù)負(fù)載角加速度最大的原則,令 ,則解得若不計(jì)摩擦,即TLF0, 則 L0/ didLmLmLFmLFJJTTTTi2mLmLJiJJJi2或(2-2) 式(2-2)表明, 得到傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比i的最佳值的時(shí)刻就是JL換算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量正好等于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm的時(shí)刻, 此時(shí),

16、電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩一半用于加速負(fù)載,一半用于加速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子, 達(dá)到了慣性負(fù)載和轉(zhuǎn)矩的最佳匹配。 ?mLJJi (2-2)mLJiJ2或指出教材中的錯(cuò)誤P30、P31 齒輪系統(tǒng)的總傳動(dòng)比確定后，根據(jù)對(duì)傳動(dòng)鏈的技術(shù)要求，選擇傳動(dòng)方案，使驅(qū)動(dòng)部件和負(fù)載之間的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速達(dá)到合理匹配。 若總傳動(dòng)比較大，又不準(zhǔn)備采用諧波、少齒差等傳動(dòng)，需要確定傳動(dòng)級(jí)數(shù)，并在各級(jí)之間分配傳動(dòng)比。 單級(jí)傳動(dòng)比加大將使傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化，但大齒輪的尺寸增大會(huì)使整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的輪廓尺寸變大?？砂聪率鋈N原則三種原則適當(dāng)分級(jí)，并在各級(jí)之間分配傳動(dòng)比。2.2.4 傳動(dòng)鏈的級(jí)數(shù)和各級(jí)傳動(dòng)比的分配傳動(dòng)鏈的級(jí)數(shù)和各級(jí)傳動(dòng)比的分配 1 1、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣

17、量最小原則、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則 P31 利用該原則所設(shè)計(jì)的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，換算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為最小。 齒輪系傳遞的功率不同, 其傳動(dòng)比的分配也有所不同。 （1 1）小功率傳動(dòng)裝置）小功率傳動(dòng)裝置 假定條件：各主動(dòng)小齒輪具有相同的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1, 軸與軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不計(jì)，各齒輪均為實(shí)心圓柱體，且齒寬和材料均相同，效率為1。第第3章章 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng) 對(duì)于n級(jí)齒輪系,有由此可見(jiàn), 各級(jí)傳動(dòng)比分配的結(jié)果應(yīng)遵循“前小后大前小后大”的原則。 本頁(yè)內(nèi)容教材上有錯(cuò)：i1,“前大后小”。 ).4 , 3 , 2(2221222/1)12(2121)1(12nkiiii

18、nknnnnkn（2-3） （2-4） 例例2-1 設(shè)有i=80, 傳動(dòng)級(jí)數(shù)n=4的小功率傳動(dòng), 試按等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則分配傳動(dòng)比。 解：7268. 1802121)12(21421444i1085. 2)280(21222/424)12(i1438. 3)280(21542/43i9887. 6)280(215824i 驗(yàn)算i= i1 i2 i3 i480。 v 若以傳動(dòng)級(jí)數(shù)n為參變量, 齒輪系中折算到電動(dòng)機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je與第一級(jí)主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1之比為Je/J1, 其變化與總傳動(dòng)比i的關(guān)系如圖2-3所示。v 可利用 Je/J1 與 i的關(guān)系確定傳動(dòng)級(jí)數(shù)。圖2-3 小功率傳動(dòng)裝

19、置確定傳動(dòng)級(jí)數(shù)曲線v （2 2）大功率傳動(dòng)裝置）大功率傳動(dòng)裝置 大功率傳動(dòng)裝置傳遞的扭矩大,各級(jí)齒輪副的模數(shù)、齒寬、直徑等參數(shù)逐級(jí)增加,各級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量差別很大。 大功率傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)級(jí)數(shù)及各級(jí)傳動(dòng)比可依據(jù)圖2-4、圖2-5、圖2-6來(lái)確定（教材：P32 圖2-30）。傳動(dòng)比分配的基本原則仍應(yīng)為“前小前小后大后大”。 圖2-4、圖2-5及圖2-6的用法參見(jiàn)例2-2。 圖2-4 大功率傳動(dòng)裝置確定傳動(dòng)級(jí)數(shù)曲線（P32）圖2-5 大功率傳動(dòng)裝置確定第一級(jí)傳動(dòng)比曲線圖2-6 大功率傳動(dòng)裝置確定各級(jí)傳動(dòng)比曲線 10ik8642123468 101246810ik 1123468BA第第3章章 機(jī)電一

20、體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng) 例例2-2 設(shè)有i=256的大功率傳動(dòng)裝置, 試按等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則分配傳動(dòng)比。 解：查圖2-4（P32 圖2-30a）, 得n=3, Je/J1=70；n=4, Je / J1 =35；n=5, Je / J1 =26。兼顧到 Je / J1值的大小和傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu), 選n4。圖圖2-4第第3章章 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng) 查圖2-5（P32 圖2-30b）, 得i13.3。圖圖2-5256查圖2-6（P32 圖2-30c）, 在橫坐標(biāo)ik-1上i1=3.3處作垂直線與A線交于第一點(diǎn), 在縱坐標(biāo) ik 軸上查得i23.7。

21、 通過(guò)該點(diǎn)作水平線與B曲線相交得第二點(diǎn)i34.24。由第二點(diǎn)作垂線與A曲線相交得第三點(diǎn)i44.95。 驗(yàn)算i1 i2 i3 i 4256.26。滿足設(shè)計(jì)要求。10ik8642123468 101246810ik 1123468BA圖2-6 2 2、質(zhì)量最小原則、質(zhì)量最小原則 （1）小功率傳動(dòng)裝置 對(duì)于小功率傳動(dòng)系統(tǒng)（假設(shè)條件同前），使各級(jí)傳動(dòng)比滿足：即可使傳動(dòng)裝置的重量最輕。 上述結(jié)論對(duì)于大功率傳動(dòng)系統(tǒng)是不適用的，因其傳遞扭矩大，故要考慮齒輪模數(shù)、齒輪齒寬等參數(shù)要逐級(jí)增加的情況。nniiiii.321 （2 2）大功率傳動(dòng)裝置）大功率傳動(dòng)裝置 大功率減速傳動(dòng)裝置按質(zhì)量最小原則確定的各級(jí)傳動(dòng)比表

22、現(xiàn)為“前大后小前大后小”的傳動(dòng)比分配方式。 說(shuō)明說(shuō)明 ：減速齒輪傳動(dòng)的后級(jí)齒輪比前級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)矩要大得多,同樣傳動(dòng)比的情況下齒厚、質(zhì)量也大得多,因此減小后級(jí)傳動(dòng)比就相應(yīng)減少了大齒輪的齒數(shù)和質(zhì)量。 方法一：可以按圖2-7和圖2-8（見(jiàn)下一頁(yè)）選擇。 方法二：見(jiàn)教材P32。圖2-7 大功率傳動(dòng)裝置兩級(jí)傳動(dòng)比曲線（i10時(shí),使用圖中的紅線） 10754321102030 40 507010012345710i1i2i1i2iik圖2-8 大功率傳動(dòng)裝置三級(jí)傳動(dòng)比曲線 （ i 100時(shí),使用圖中的紅線） 302010987653210203040501001002003005001000i1iiki2i

23、3i1i2i3例2-4 設(shè) n3, i202, 求各級(jí)傳動(dòng)比。解：查圖2-8可得 i112，i25，i33.4驗(yàn)算：i1 i2 i3 204基本滿足設(shè)計(jì)要求。 302010987653210203040501001002003005001000i1iiki2i3i1i2i3 3 3、輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則 為了提高機(jī)電一體化系統(tǒng)中齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞運(yùn)動(dòng)的精度，各級(jí)傳動(dòng)比應(yīng)按“先小后大先小后大”原則分配，以便降低齒輪的加工誤差、安裝誤差以及回轉(zhuǎn)誤差對(duì)輸出轉(zhuǎn)角精度的影響。 圖 2-10 四級(jí)減速齒輪傳動(dòng)鏈3i2412i15i36i478輸 出 以圖2-10所示四級(jí)齒輪減速傳動(dòng)鏈

24、為例。四級(jí)傳動(dòng)比分別為 i1、i2、i3、i4, 齒輪18的轉(zhuǎn)角誤差依次為18。 該傳動(dòng)鏈輸出軸的總轉(zhuǎn)動(dòng)角誤差max為 由式(2-7)可以看出,如果從輸入端到輸出端的各級(jí)傳動(dòng)比按“前小后大”原則排列, 則總轉(zhuǎn)角誤差較小, 而且低速級(jí)的誤差在總誤差中占的比重很大。因此,要提高傳動(dòng)精度, 就應(yīng)減少傳動(dòng)級(jí)數(shù), 并使末級(jí)齒輪的傳動(dòng)比盡可能大,制造精度盡可能高。 )72(8476435443213243211maxiiiiii iiii i 4 4、三種原則的選擇、三種原則的選擇 在設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)裝置時(shí),上述三條原則應(yīng)根據(jù)具體工作條件綜合考慮。 （1）對(duì)于傳動(dòng)精度要求高的降速齒輪傳動(dòng)鏈,可按輸出軸轉(zhuǎn)角誤差

25、最小原則設(shè)計(jì)。 （2）對(duì)于要求運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、啟停頻繁和動(dòng)態(tài)性能好的降速傳動(dòng)鏈,可按等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則和輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則設(shè)計(jì)。 （3）對(duì)于要求質(zhì)量盡可能小的降速傳動(dòng)鏈,可按質(zhì)量最小原則設(shè)計(jì)。 總之，減速傳動(dòng)裝置傳動(dòng)比的分配原則是設(shè)計(jì)減速器的指導(dǎo)思想和基本方法。在實(shí)際減速器設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合減速器的具體要求，認(rèn)真分析、論證方案實(shí)現(xiàn)的可行性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等指標(biāo)，并對(duì)減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、結(jié)構(gòu)尺寸、精度要求等進(jìn)行合理協(xié)調(diào)，盡可能達(dá)到合理的匹配，達(dá)到減速器具有體積小、重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、可頻繁啟動(dòng)和動(dòng)態(tài)特性好、傳動(dòng)精度高、誤差最小等基本要求。 2.3 2.3 基本物理量的折算及數(shù)學(xué)模型的建立基本物理量的折算

26、及數(shù)學(xué)模型的建立 P14P14J3 T3 K3軸軸軸T1xiG1J1 K1G3G2G4J2 T2 K2mCKxo圖2-11 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng) 物理量折算到傳動(dòng)鏈中的某個(gè)元件上（本例是折算到軸上）, 使復(fù)雜的多軸傳動(dòng)關(guān)系轉(zhuǎn)化成單一軸運(yùn)動(dòng), 轉(zhuǎn)化前后的系統(tǒng)總機(jī)械性能等效。 然后, 在單一軸基礎(chǔ)上根據(jù)輸入量和輸出量的關(guān)系建立它的輸入/輸出數(shù)學(xué)表達(dá)式（即數(shù)學(xué)模型）。J3 T3 K3軸 軸 軸 T1xiG1J1 K1G3G2G4J2 T2 K2mCKxo 1、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算 P15 把軸、上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和工作臺(tái)的質(zhì)量都折算到軸上, 作為系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。22432124321322121

27、)2()()()(LzzzzmzzzzJzzJJJ 2 2、粘性阻尼系數(shù)的折算、粘性阻尼系數(shù)的折算 P16P16 考慮到其他各環(huán)節(jié)的摩擦損失比工作臺(tái)導(dǎo)軌的摩擦損失小得多,故只計(jì)工作臺(tái)導(dǎo)軌的粘性阻尼系數(shù)C。 工作臺(tái)導(dǎo)軌折算到軸上的粘性阻力系數(shù)，其值為 CLzzzzC223412)2()( 3 3、 彈性變形系數(shù)的折算彈性變形系數(shù)的折算 P18 機(jī)械系統(tǒng)中各元件在工作時(shí)受力或力矩的作用，將產(chǎn)生軸向伸長(zhǎng)、壓縮或扭轉(zhuǎn)等彈性變形，這些變形將影響到整個(gè)系統(tǒng)的精度和動(dòng)態(tài)特性，建模時(shí)要將其折算成相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)或軸向剛度系數(shù)。 折算到軸上的總扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)，其值為： )11()(1)(113234122212

28、1KKzzzzKzzKK機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：P19ioooxKLzzzzxKdtdxCdtxdJ)2)(432122式中：x0工作臺(tái)的線位移； xi 軸I的轉(zhuǎn)角。iix注：教材中錯(cuò)誤： 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的性能與系統(tǒng)本身的阻尼比 、固有頻率 有關(guān)。 、 又與機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)。此外，機(jī)械結(jié)構(gòu)中許多非線性因素，如傳動(dòng)件的非線性摩擦、傳動(dòng)間隙、機(jī)械零部件的非彈性變形等，對(duì)伺服系統(tǒng)的性能也有較大影響。 下面就機(jī)械結(jié)構(gòu)因素對(duì)伺服系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行分析，以便在機(jī)械設(shè)計(jì)和選型時(shí)合理的考慮這些因素。2.4 2.4 機(jī)械結(jié)構(gòu)因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響分析機(jī)械結(jié)構(gòu)因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響分析nn第第3章章 機(jī)電一體

29、化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng) v 失動(dòng)量：失動(dòng)量：失-丟失，動(dòng)-移動(dòng)，量-距離，即丟失的移動(dòng)距離，是指在傳動(dòng)過(guò)程中由于一些常值系統(tǒng)誤差或傳動(dòng)系統(tǒng)彈性變形引起的在傳動(dòng)過(guò)程中丟失的移動(dòng)量。 v 常值系統(tǒng)誤差，如絲杠的間隙等。以電機(jī)帶動(dòng)絲杠絲母做直線運(yùn)動(dòng)為例，就是在電機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)后，由于絲杠絲母的間隙，或者絲杠絲母自身的彈性變形導(dǎo)致在電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定量之后絲母才開(kāi)始沿絲杠方向做直線運(yùn)動(dòng)，在這之間丟失的移動(dòng)量就是失動(dòng)量。 v 通常常值系統(tǒng)誤差，如絲杠間隙等可以通過(guò)間隙補(bǔ)償來(lái)很好的消除，而由于傳動(dòng)系統(tǒng)剛性不足導(dǎo)致的彈性變形而引起的失動(dòng)量就很難彌補(bǔ)了。 1 1、摩擦的影響分析、摩擦的影響分析 P23

30、 摩擦定律是由法國(guó)物理學(xué)家?guī)靷愑?781年建立的。摩擦力分為靜摩擦力、動(dòng)摩擦力和粘性摩擦力三種，方向均與運(yùn)動(dòng)方向相反。 圖2-14反應(yīng)了三種摩擦力與物體運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系。FvFcFsFsFvFc速度力圖2-14 摩擦力速度曲線 1）靜摩擦力Fs Fs =f靜 N f靜與材料及表面情況（粗糙度、干濕度、溫度等）有關(guān)，一般與接觸面積大小無(wú)關(guān)。 第第3章章 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng) v 2）動(dòng)（庫(kù)侖）摩擦力 Fc Fc =f動(dòng) N 動(dòng)摩擦力還與相對(duì)滑動(dòng)速度有關(guān)，大多數(shù)物體的f動(dòng)隨相對(duì)速度的增大而減小隨相對(duì)速度的增大而減小。v 3）粘性摩擦力Fv Fv與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度成正比。

31、摩擦特性對(duì)性能的影響分析摩擦特性對(duì)性能的影響分析 （1）引起動(dòng)態(tài)滯后和穩(wěn)態(tài)誤差）引起動(dòng)態(tài)滯后和穩(wěn)態(tài)誤差 在圖2-15所示的機(jī)械系統(tǒng)中,設(shè)系統(tǒng)的彈簧剛度為K。如果系統(tǒng)開(kāi)始處于靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)輸入軸以一定的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí), 由于靜摩擦力矩T的作用,在一定的轉(zhuǎn)角i范圍內(nèi), 輸出軸將不會(huì)運(yùn)動(dòng),i值即為靜摩擦引起的傳動(dòng)死區(qū)傳動(dòng)死區(qū)。在傳動(dòng)死區(qū)內(nèi), 系統(tǒng)將在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)輸入信號(hào)無(wú)響應(yīng), 從而造成誤差。圖 2-15 力傳遞與彈性變形示意圖圖 2-15 力傳遞與彈性變形示意圖圖 2-15 力傳遞與彈性變形示意圖 當(dāng)輸入軸以恒速繼續(xù)運(yùn)動(dòng)后,輸出軸也以恒速運(yùn)動(dòng), 但始終滯后輸入軸一個(gè)角度ss, ss為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)

32、態(tài)誤差。 過(guò)程分析：主動(dòng)件低速勻速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)件靜止，壓縮彈簧，加速，摩擦力下降，彈簧伸長(zhǎng)，彈力減小，彈力小于摩擦力，停止運(yùn)動(dòng)。重復(fù)此過(guò)程，從而產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象。 產(chǎn)生爬行的原因：摩擦系產(chǎn)生爬行的原因：摩擦系數(shù)變數(shù)變 化，剛度不足?；瑒偠炔蛔?。（2）引起低速抖動(dòng)或爬行）引起低速抖動(dòng)或爬行導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定 所以設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量減小摩擦力及動(dòng)、靜摩擦力之差，以提高系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)性。傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型如右圖所示。 2、阻尼的影響分析、阻尼的影響分析 P24 阻尼的概念：阻尼的概念：物體運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到各種阻力的作用，各種各樣的阻力統(tǒng)稱為阻尼。 一般的機(jī)械系統(tǒng)均可簡(jiǎn)化為二階

33、系統(tǒng)，系統(tǒng)中阻尼的影響可以由二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線來(lái)說(shuō)明。由圖2-13可知，阻尼比不同的系統(tǒng)，其時(shí)間響應(yīng)特性也不同。1.00.70.42.01.81.61.41.21.00.80.60.40.2000.10.20.30.50.60.82.0123456789101112ntxo( t )圖2-13 二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線 （1）當(dāng)阻尼比0時(shí)，系統(tǒng)處于等幅持續(xù)振蕩狀態(tài)，因此系統(tǒng)不能無(wú)阻尼。 （2）當(dāng)1時(shí), 系統(tǒng)為臨界阻尼或過(guò)阻尼系統(tǒng)。此時(shí),過(guò)渡過(guò)程無(wú)振蕩, 但響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。 1.00.70.42.01.81.61.41.21.00.80.60.40.2000.10.20.30.50.60.82.0123456789101112ntxo( t )第第3章章 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng) v （3）當(dāng)01時(shí), 系統(tǒng)為欠阻尼系統(tǒng)。此時(shí),系