機電一體化第二章

第二章機械系統(tǒng)設計

機械系統(tǒng)是機電一體化系統(tǒng)的最基本要素。機電一體化中的機械系統(tǒng)與傳統(tǒng)機械系統(tǒng)一樣：主要用于傳動機構、支承部件和執(zhí)行機構，以完成規(guī)定的動作；傳遞功率、運動和信息，支承連接相關部件等。不同之處在于：機械系統(tǒng)通常是微型計算機控制伺服系統(tǒng)的有機組成部分，因此，在機械系統(tǒng)設計時，除考慮一般機械設計要求外，還必須考慮機械結構因素與整個伺服系統(tǒng)的性能參數、電氣參數的匹配，從而獲得良好的伺服性能。1機電一體化機械系統(tǒng)的組成1.傳動機構機電一體化機械系統(tǒng)中的傳動機構不僅僅是轉速和轉矩的變換器,而且已成為伺服系統(tǒng)的一部分,它要根據伺服控制的要求進行選擇設計,以滿足整個機械系統(tǒng)良好的伺服性能。

2.導向機構導向機構的作用是支承和導向,它為機械系統(tǒng)中各運動裝置能安全、準確地完成其特定方向的運動提供保障,一般指導軌、軸承等。3.執(zhí)行機構執(zhí)行機構是用來完成操作任務的直接裝置。執(zhí)行機構根據操作指令的要求在動力源的帶動下完成預定的操作2機電一體化機械系統(tǒng)的特殊要求

機電一體化的機械系統(tǒng)與一般機械系統(tǒng)相比，具有一定的特殊要求：

（1）較高的定位精度精度直接影響產品的質量，尤其是機電一體化產品，其技術性能、工藝水平和功能比普通的機械產品都有很大的提高，因此機電一體化機械系統(tǒng)的高精度是其首要的要求。

3

（2）良好的動態(tài)響應特性

—響應快、穩(wěn)定性好。機械系統(tǒng)作為閉環(huán)控制控系統(tǒng)的一部分，要求機械系統(tǒng)從接到指令到開始執(zhí)行指令指定的任務之間的時間間隔短，這樣控制系統(tǒng)才能及時根據機械系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息，下達指令，使其準確地完成任務。要求機械系統(tǒng)的工作性能不受外界環(huán)境的影響，抗干擾能力強。（3）無間隙、低摩擦、低慣量、大剛度。（4）高的諧振頻率、合理的阻尼比。如何分析機械系統(tǒng)的伺服性能？①響應速度要快（快）②定位精度要高（準）③穩(wěn)定性高（穩(wěn)）機電一體化系統(tǒng)通常是一個閉環(huán)伺服系統(tǒng)，4本章主要內容

①介紹機械系統(tǒng)數學模型的建立；

②分析機械傳動系統(tǒng)的特性；

③介紹機電一體化系統(tǒng)中常用的新型機械傳動裝置和支承部件。5

第一節(jié)機械系統(tǒng)數學模型的建立一、機械移動系統(tǒng)

機械移動系統(tǒng)的基本元件是質量、阻尼和彈簧。建立機械移動系統(tǒng)數學模型的基本原理是牛頓第二定律。1．定律內容：物體的加速度跟物體所受的合外力F成正比，跟物體的質量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。2．公式：下面舉例說明平移系統(tǒng)的建模方法。6如下圖2-1a所示的是組合機床動力滑臺銑平面的情況。圖2-1動力滑臺銑平面及其力學模型a)動力滑臺銑平面b)系統(tǒng)力學模型設動力滑臺的質量為m，液壓缸的剛度為k，粘性阻尼系數為c，外力為f（t）。若不計動力滑臺與支承之間的摩擦力，則系統(tǒng)可以簡化為如圖2-1b所示的力學模型。7

由牛頓第二定律知，系統(tǒng)的運動方程為：對上式取拉氏變換，得到系統(tǒng)的傳遞函數為：8二、機械轉動系統(tǒng)

機械轉動系統(tǒng)的基本元件是轉動慣量(相當于移動中的的質量)、阻尼器和彈簧。建立機械轉動系統(tǒng)數學模型的基本原理仍是牛頓第二定律。

下面舉例說明機械轉動系統(tǒng)的建模方法:9簡單扭擺的工作原理如圖2-6所示，圖中J為擺錘的轉動慣量；c為擺錘與空氣間的粘性阻尼系數；k為扭簧的彈性剛度；T（t）為加在擺錘上的扭矩；（t）為擺錘轉角。

圖2-6扭擺工作原理圖10

則系統(tǒng)的運動方程為：

對上式取拉氏變換，得系統(tǒng)的傳遞函數為：

(2-10)可以看出，式（2-10）與式（2-2）具有相同的形式。11小結：對機械系統(tǒng)的伺服性能的分析可以利用牛頓定律建立其力學模型，對系統(tǒng)力學模型進行拉氏變換得到系統(tǒng)函數，進而利用機械工程控制上的知識分析其性能。數控機床進給系統(tǒng)12把各種物理量都折算到電動機軸Ⅰ上后，就可以直接建立數學模型了。三、基本物理量的折算

為什么要折算？

13三、基本物理量的折算轉動慣量的折算阻尼系數的折算剛度系數的折算

在建立機械系統(tǒng)數學模型的過程中，經常會遇到基本物理量的折算問題，在此結合數控機床進給系統(tǒng)，介紹建模中的基本物理量的折算問題。14

數控機床進給系統(tǒng)如圖2-9所示。電動機通過兩級減速齒輪z1、z2、z3、z4及絲杠螺母機構驅動工作臺作直線運動。

圖2-9數控機床進給系統(tǒng)傳動機構的功能？151．轉動慣量的折算（1）目的：對單個軸：轉動慣量折算的結果是對軸系中的任意軸可以利用：（2）原則：動力平衡原理（3）步驟：（一）軸I、II、III轉動慣量的折算（二）工作臺質量的折算（三）折算到軸I上的總轉動慣量

過程詳解162．粘性阻尼系數的折算機械系統(tǒng)的相對運動元件之間存在著粘性阻尼，并以一定的形式表現出來。在機械系統(tǒng)的數學建模過程中，粘性阻尼同樣需要折算到某一部件上。17粘性阻尼系數的折算對單個軸：粘性組尼系數折算的結果是對一個軸系中的任意軸可以利用：粘性阻尼系數折算過程詳解（2）方法、原則：將摩擦阻力、流體阻力及負載阻力折算成與速度有關的粘性阻尼力，再利用摩擦阻力與粘性阻尼力所消耗的功相等這一原則，求出粘性阻尼系數，最后進行相應的當量阻尼系數折算。

（1）目的：（3）步驟：183．剛度系數(K)的折算機械系統(tǒng)中各元件在工作時受到力和(或)力矩的作用，將產生伸長（或壓縮）和(或)扭轉等彈性變形，這些變形將影響整個系統(tǒng)的精度和動態(tài)性能。在機械系統(tǒng)的數學建模中，需要將其折算成相應的當量扭轉剛度系數和(或)拉伸剛度系數。

對單個軸(靜態(tài))：K為扭轉剛度剛度系數折算的結果是對軸系中的某個軸可以利用：19其折算步驟如下所示：（1）軸向剛度系數的折算（2）扭轉剛度系數的折算剛度系數折算過程詳解在本例中，首先將各軸的扭轉角折算到軸I上，由于絲杠與工作臺之間的軸向彈性變形會使軸III產生一個附加扭轉角，所以也要折算到軸I上，然后求出折算到軸I上的系統(tǒng)的當量剛度系數。如何折算剛度K？204.建立系統(tǒng)的數學模型將基本物理量折算到某一部件后，即可按單一部件對系統(tǒng)進行建模。折算總結電機軸1軸1上的負載21在輸出軸上,根據動力平衡原理有:T軸1軸1上的負載對整個工作臺：設輸入量為軸Ⅰ的輸入（電機）轉角xi；輸出量為工作臺的線位移xo。根據傳動原理,可把xo折算成軸Ⅰ的輸出角位移Φ。22又因為 因此,可以寫成下式：23

這就是機床進給系統(tǒng)的數學模型,它是一個二階線性微分方程。其中,JΣ、C′、KΣ均為常數。通過對上式進行拉氏變換,可求得該系統(tǒng)的傳遞函數為式中:ωn——系統(tǒng)的固有頻率,其值為ξ——系統(tǒng)的阻尼比,其值為（2-44）（2-43）24系統(tǒng)單位階躍響應曲線（快速性）上升時間：（準確性）最大超調量：（穩(wěn)定性）調整時間：震蕩次數：25

將s=jω代入式（2-44）可求出A（ω）和Φ（ω）,即該機械傳動系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性。由A（ω）和Φ（ω）可以分析出系統(tǒng)不同頻率的輸入（或干擾）信號對輸出幅值和相位的影響,從而反映了系統(tǒng)在不同精度要求狀態(tài)下的工作頻率和對不同頻率干擾信號的衰減能力。26第二節(jié)機械傳動系統(tǒng)的特性一、機電一體化對機械傳動的要求

機械的主功能是完成機械運動。一部機器必須完成相互協調的若干機械運動，每個機械運動可由單獨的控制電機、傳動件和執(zhí)行機構組成的若干子系統(tǒng)來完成，若干個機械運動則由計算機來協調與控制。

27這就要求設計機械時的總體布局、機械選型和結構造型更加合理和多樣化。28機械傳動裝置的功能 機械傳動是一種把動力機產生的運動和動力傳遞給執(zhí)行機構的中間裝置,是一種扭矩和轉速的變換器,其目的是在動力機與負載之間使扭矩得到合理的匹配,并可通過機構變換實現對輸出的速度調節(jié)。 在機電一體化系統(tǒng)中,伺服電動機的伺服變速功能在很大程度上代替了傳統(tǒng)機械傳動中的變速機構,只有當伺服電機的轉速范圍滿足不了系統(tǒng)要求時,才通過傳動裝置變速。29機械傳動鏈應盡可能縮短!傳動鏈對機械系統(tǒng)伺服性能的影響傳動鏈剛度、轉動慣量和阻尼比對伺服性能的影響30

(1)隨著直接驅動技術的發(fā)展，伺服電動機的伺服變速功能在很大程度上代替了傳統(tǒng)機械傳動中的變速機構。只有當伺服電機的轉速范圍和控制滿足不了系統(tǒng)要求時，才通過傳動裝置變速。

(2)直線電機：(3)電主軸：縮短傳動鏈的三種實例：傳動鏈還不能完全消失31傳動鏈的傳動精度對閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)控制精度的影響不同！傳動鏈的傳動精度系統(tǒng)精度的影響無法縮短傳動鏈時需要分析傳動鏈動伺服性能的影響321．負載的變化負載包括工作負載、摩擦負載等。要合理選擇驅動電機和傳動鏈，使之與負載變化相匹配。2．傳動鏈慣性（轉動慣量）慣性即影響傳動鏈的啟停特性，又影響控制的快速性、定位精度和速度偏差的大小。（慣性大的物體難控）3．傳動鏈固有頻率固有頻率影響系統(tǒng)諧振和傳動精度。4．間隙、摩擦、潤滑和溫升它們影響傳動精度和運動平穩(wěn)性。影響機電一體化系統(tǒng)中傳動鏈的動力學性能的因素一般有以下幾個：33二、機械結構因素對伺服系統(tǒng)性能的影響（機械傳動特性）

為滿足機電一體化機械系統(tǒng)的良好伺服性能，要求機械傳動部件滿足轉動慣量小、摩擦小、阻尼合理、剛度大、抗振動性能好、間隙小的要求，同時還要求機械部分的動態(tài)特性與電機速度環(huán)的動態(tài)特性相匹配。

機電一體化系統(tǒng)中的伺服系統(tǒng)，主要以機械量為控制對象的一種自動控制系統(tǒng)。工作時，要求系統(tǒng)的輸出能平穩(wěn)地、快速地、準確地跟隨輸入指令動作。機械傳動系統(tǒng)的結構參數對伺服系統(tǒng)性能有很大影響：

341．轉動慣量

對精度、穩(wěn)定性和動態(tài)響應都有影響。慣量大：（1）負載增大，響應慢，降低控制靈敏度，伺服特性變差；（2）會使系統(tǒng)的固有頻率下降,容易產生諧振,因而限制了伺服帶寬,影響了伺服精度和響應速度。35

并且傳動鏈轉動慣量的增加，會使電氣驅動部件的諧振頻率降低。機械傳動部件的轉動慣量與小慣量電機驅動系統(tǒng)諧振頻率的關系如圖2-11所示。

圖2-11外載荷對諧振頻率的影響

在滿足系統(tǒng)剛度的條件下，機械部分的質量和轉動慣量越小越好。36轉動慣量的幾種折算形式見課本37

2、摩擦的影響

1）

摩擦引起動態(tài)滯后(失動量)和穩(wěn)態(tài)誤差在圖所示的機械系統(tǒng)中,設系統(tǒng)的彈簧剛度為K。如果系統(tǒng)開始處于靜止狀態(tài)，當輸入軸以一定的角速度轉動時,由于靜摩擦力矩T的作用,在一定的轉角θi范圍內,輸出軸將不會運動,θi值即為靜摩擦引起的傳動死區(qū)。在傳動死區(qū)內,系統(tǒng)將在一段時間內對輸入信號無響應,從而造成誤差。38當輸入軸以恒速繼續(xù)運動，輸出軸也以恒速運動，但始終滯后輸入軸一個角度（系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差）。反向運動的時候還會產生回差。39

2）

摩擦引起低速爬行

①、爬行（creep)

在精密或數控機床上，進給部件做低速運動或微小位移(0.05～0.50mm/min或0.001～0.05/次)，運動部件的移動會出現跳躍式時停時走的運動狀態(tài)，這種爬行現象一般只在低速運動時發(fā)生，將嚴重的影響機床的加工精度和表面質量，必須重視和加以解決。40原因：與摩擦力特性及傳動系統(tǒng)剛度等有關。試驗表明，兩個物體之間的摩擦因數隨著速度的變化而變化。物體靜止時的摩擦因數最大，為靜摩擦因數fs，物體有相對運動時的摩擦因數，為動摩擦因數fd。○兩個物體存在著液體潤滑時，摩擦因數將隨速度發(fā)生變化；○兩個物體有相對運動時，由靜摩擦因數逐漸下降為動摩擦因數，動摩擦因數隨速度增加而逐漸下降；兩物體間由干摩擦轉化為半干摩擦，當速度增加到一定值時，完全轉化為液體摩擦時，摩擦性質發(fā)生質變，摩擦因數將隨速度的增加而增大。②

、產生爬行現象的原因41進給系統(tǒng)可簡化為運動模型。驅動系統(tǒng)是一彈性體設其彈簧剛度為k?！癞旘寗芋w以勻速v從D點開始向右移動時,由于靜摩擦阻力,開始移動后的一短時間內被驅動件不動，彈簧被壓縮；●當驅動體移動了距離x0

時,其彈性力kx0

超過了靜摩擦力Fs

時被驅動體才開始移動；●被驅動體移動后靜摩擦力Fs

→動摩擦力Fd,kx0>Fd，儲存在彈簧內的勢能釋放,被驅動體獲得加速度使之跳躍?！癞攺椈闪Φ扔趧幽Σ亮r,被驅動體受力平衡，但由于被驅動件的速度大于驅動件的速度，被驅動體繼續(xù)跳躍前沖,彈簧的壓縮量進一步減小,彈性力小于摩擦阻力時,被驅動體減速→被驅動體停頓。42

若驅動速度較高,使摩擦力在沒有下降特性的條件下工作,爬行現象自然不會產生。上述過程重復進行,從而形成了被驅動體的爬行。43總結：低速時爬行現象的產生原因：○進給傳動系統(tǒng)的剛度K越小，越容易產生爬行；○靜摩擦力與動摩擦力之差，差值越大，越容易產生爬行；○摩擦力曲線為副斜率，容易產生爬行；○移動速度小于臨界速度vt

時，容易產生爬行現象。44③、消除爬行的措施從提高傳動系統(tǒng)剛度和減少摩擦力變化這兩方面采取措施。1）提高傳動系統(tǒng)剛度

提高各傳動件或組件剛度，縮小各傳動軸的跨度，合理布置軸上零件的位置；

縮短傳動鏈，減少傳動件數量和彈件變形量；

合理分配傳動比，使多數傳動件受力較小，變形也??；45◆在相對運動表面之間涂防爬油，可減小摩擦表面之間的靜、動摩擦因數之差，能夠減低臨界速度，消除爬行；◆用滾動摩擦、液體摩擦代替滑動摩擦，如采用滾動絲杠、靜壓螺母、滾動導軌和靜壓導軌等，從根本上改變了摩擦面間的摩擦性質，基本上可以消除爬行；◆選擇適當的摩擦副材料，降低摩擦因數；◆減輕運動部件重量，采用各種卸荷裝置，以減少摩擦阻力；2）減少摩擦力的變化（動靜摩擦差值）46設計要求動摩擦力應為盡可能小的正斜率，若為負斜率易產生爬行，降低精度、減少壽命。機電一體化系統(tǒng)設計中，常常采用摩擦性能良好的塑料——金屬滑動導軌、滾動導軌、滾珠絲杠、動靜壓導軌；動靜壓軸承、磁軸承等新型傳動件和支承件，并進行良好潤滑。47綜上所述，機電一體化系統(tǒng)對機械傳動部件的摩擦特性的要求為：靜摩擦力盡可能小，動摩擦力應為盡可能小的正斜率，若為負斜率則易產生爬行，降低精度，減少壽命。483．阻尼

機械傳動系統(tǒng)的性能與系統(tǒng)本身的阻尼比ξ、固有頻率ωn有關。ωn

、ξ又與機械系統(tǒng)的結構參數密切相關。因此,機械系統(tǒng)的結構參數對伺服系統(tǒng)的性能有很大影響。一般的機械系統(tǒng)均可簡化為二階系統(tǒng),系統(tǒng)中阻尼的影響可以由二階系統(tǒng)單位階躍響應曲線來說明。由下圖可知,阻尼比不同的系統(tǒng),其時間響應特性也不同。

49一、阻尼對性能的影響1)當阻尼比等于0時，系統(tǒng)處于等幅持續(xù)振蕩狀態(tài)。2)當

時，系統(tǒng)為臨界阻尼或過阻尼系統(tǒng)。3)當時，系統(tǒng)為欠阻尼系統(tǒng)。二階系統(tǒng)單位階躍響應曲線50阻尼對彈性系統(tǒng)振動特性的影響（1）系統(tǒng)的靜摩擦阻尼越大，系統(tǒng)的失動量和反轉（回程）誤差越大，從而使定位精度降低，加上摩擦速度特性的負斜率，易產生爬行，降低機械性能。(2)系統(tǒng)的粘性阻尼越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差越大，精度越低。（3）對于質量大，剛度低的系統(tǒng)，為了減小振幅，加速振動衰減，可增大粘性阻尼。514．剛度

對于伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性來說，剛度對開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性沒有影響而對閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大影響，提高剛度可增加閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是，剛度的提高往往伴隨著轉動慣量、摩擦和成本的增加，在方案設計中要綜合考慮。52

5．諧振頻率

對于機械傳動部件固有頻率：對于扭轉運動系統(tǒng)固有頻率：當外界的激振頻率接近或者等于系統(tǒng)系固有頻率時，系統(tǒng)將產生諧振而無法工作，因此隨著機電一體化系統(tǒng)的要求不斷增高，機械系統(tǒng)的變形與諧振分析就顯得非常重要。二階系統(tǒng)的伯德圖53通常采用提高系統(tǒng)的剛度、增加系統(tǒng)的阻尼、調整機械構件質量和自振頻率等方法來提高系統(tǒng)的抗振性。采用較高的彈性模量材料，合理選用零件的截面形狀和尺寸，對軸承、絲杠等支承件施加預加載荷等方法均可提高系統(tǒng)的剛度。54閉環(huán)運動控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的后邊環(huán)節(jié)的固有頻率要比其前面環(huán)節(jié)的固有頻率高。556．間隙

什么是間隙，影響是什么？傳動間隙主要存在于：齒側間隙、絲杠螺母的傳動間隙、連軸器的扭轉間隙等.56

間隙將使機械系統(tǒng)產生回程誤差，系統(tǒng)存在很多間隙，這些間隙對伺服系統(tǒng)性能(快、準、穩(wěn))有很大影響。上圖所示為一典型旋轉工作臺伺服系統(tǒng)框圖。圖中所用齒輪根據不同的要求有不同的用途,有的用于傳遞信息（G1、G3）,有的用于傳遞動力（G2、G4）；有的在系統(tǒng)閉環(huán)之內（G2、G3）,有的在系統(tǒng)閉環(huán)之外（G1、G4）。由于它們在系統(tǒng)中的位置不同,其齒隙的影響也不同。

57間隙的主要影響形式有：1）閉環(huán)之外的數據、動力傳遞的齒輪間隙：對系統(tǒng)穩(wěn)定性無影響，但影響系統(tǒng)的精度。由于精度的存在，在傳動裝置逆運行時造成回程誤差，使輸出與輸入之間呈非線性關系，表現出滯后于輸入，影響系統(tǒng)的精度。2）閉環(huán)之內傳遞動力的齒輪間隙：對系統(tǒng)的靜態(tài)精度無影響，對系統(tǒng)穩(wěn)定性有影響。這是因為控制系統(tǒng)有自動校正作用。3）反饋回路上的數據傳遞齒輪間隙既影響穩(wěn)定性，又影響精度。閉環(huán)58

因此，在機電一體化系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)良好的動態(tài)性能，要盡可能避免間隙的出現，當間隙出現時，要采取消隙措施：（1）齒輪傳動齒側間隙的消除

齒輪傳動消隙的基本原理：（1)調整齒輪中心距(2）增加齒厚59

①剛性消隙:在嚴格控制輪齒齒厚和齒距誤差的條件下進行的，調整后齒側間隙不能自動補償，但能提高傳動剛度。②柔性消隙法：調整后齒側間隙可以自動補償，通常采用彈簧等。但方法影響傳動平穩(wěn)性，且傳動剛度低，結構也較復雜。齒輪傳動消隙的基本原理：（1)調整齒輪中心距(2）增加齒厚60圖2-18偏心軸套式消隙結構電動機2通過偏心軸套1裝在殼體上。轉動偏心軸套1可以調整兩嚙合齒輪的中心距,從而消除直齒圓柱齒輪傳動的齒側間隙及其造成的換向死區(qū)。這種方法結構簡單,但側隙調整后不能自動補償。(1)剛性消隙法61圖2-19錐齒輪消隙結構（墊片）齒輪1、2的分度圓柱是帶有微小錐度的圓錐面。當分度圓直徑變化而齒數不變時，齒輪的厚度在軸向是變化的，不同齒厚的齒輪嚙合時間隙會消除。在裝配的時候通過改變墊片3的厚度，來調整軸向的相對位置，從而消除間隙。62圖2-20斜齒圓柱齒輪消隙結構墊片加工時裝配時,使螺旋面錯位12墊片6364（2）柔性消隙法柔性消隙法：調整后齒側間隙可以自動調整，圖2-21:雙齒輪錯齒式消隙結構初始錯齒65如果有間隙兩薄壁齒輪可以相互運動，通過彈簧消除間隙蝶形彈簧斜齒輪消隙機構66齒輪傳動消隙機構的基本原理：（1）調整嚙合兩齒輪的中心距（2）把嚙合兩齒輪中的其中一個做成雙齒輪，使雙齒輪產生錯齒，增加齒厚。67（2）絲杠螺母間隙的調整絲杠螺母傳動系統(tǒng)的軸向間隙為絲杠靜止時螺母沿軸向的竄動量。68機電一體化系統(tǒng)中常用滾珠絲杠螺母傳動，其間隙的調整既要考慮軸向間隙又要考慮滾珠與滾道的接觸彈性變形。絲杠螺母傳動系統(tǒng)的調隙一般采用雙螺母結構（產生軸向相對位移）。

①墊片式調整間隙:通過調整墊片厚度，使兩螺母產生軸向相對位移，以消隙和預緊。這種結構簡單可靠，裝卸方便，剛性好，但調整費時，且不能在工作中調整。69②螺紋式調隙機構：雙螺母結構中的右螺母帶有外螺紋套筒，兩螺母用平鍵聯接以防止轉動，以右端兩鎖緊螺母調隙并預緊。這種結構緊湊可靠，調整方便，但調隙不精確。70③齒差式調隙機構：兩螺母的凸緣上分別切出齒數差為1的兩外齒輪（），分別與固定在外套兩端面上的兩內齒圈嚙合。轉動其中一個螺母，改變兩螺母的軸向相對位置，以調隙和預緊。調整時先脫開一個內齒圈，轉動螺母，再合上內齒圈。71絲杠固定不動，當兩個螺母按同方向轉過一個齒時,其相對軸向位移為 式中,L為導程。如果z1=99,z2=100,L=10mm,則ΔL=1μm?？梢?這種方法的特點是調整精度很高,工作可靠,但結構復雜,加工工藝和裝配性能較差72第三節(jié)機械傳動裝置設計 傳統(tǒng)意義上，機械傳動是一種把動力機產生的運動和動力傳遞給執(zhí)行機構的中間裝置,是一種扭矩和轉速的變換器,其目的是在動力機與負載之間使扭矩得到合理的匹配,并可通過機構變換實現對輸出的速度調節(jié)。機電一體化系統(tǒng)對機械傳動的要求(伺服性能)

低轉動慣量、摩擦小、阻尼合理、剛性大、抗振性好、間隙小，并滿足小型、輕量、高速、低噪聲和高性能的要求。 在機電一體化系統(tǒng)中,伺服電動機的伺服變速功能在很大程度上代替了傳統(tǒng)機械傳動中的變速機構,只有當伺服電機的轉速范圍滿足不了系統(tǒng)要求時,才通過傳動裝置變速。73機電一體化中常用的傳動形式（1）齒輪傳動（4）同步帶傳動（5）絲杠螺母傳動（3）諧波齒輪傳動（2）滾珠花鍵傳動74（一）齒輪傳動齒輪傳動是機電一體化系統(tǒng)中使用最多的機械傳動裝置，主要是因為齒輪傳動是瞬時傳動比是常數、傳動精確、且強度大、能承受重載、結構緊湊、摩擦力小、效率高。（1）最佳傳動比的選擇（2）傳動級數的確定（3）各級傳動比的分配齒輪傳動機構的設計步驟設計的原則：滿足機電一體化伺服性能的要求,實現機電融合75對于一般的系統(tǒng)，由驅動電動機的最高轉速或轉矩與機電裝備要求的最大進給速度或負載轉矩決定傳動速i。設計機電裝備伺服傳動系統(tǒng)時，通過選用最佳傳動速比實現負載特性的更好匹配或降低轉動慣量。1.齒輪最佳傳動比的選擇76包括：負載加速度最大的傳動比等效峰值綜合負載轉矩最小的傳動比等效方均根綜合負載轉矩最小的傳動比定義：使傳動系統(tǒng)等效負載力矩最小或負載加速度最大的

傳動比。（i＞1)最佳傳動比機電一體化系統(tǒng)設計中常選用負載加速度最大的傳動比771）.負載角加速度最大原則齒輪最佳傳動比的選擇由于伺服系統(tǒng)的齒輪傳動一般是減速系統(tǒng)，它的輸入是高速、小轉矩，輸出是低速、大轉矩。要求齒輪傳動不但有足夠的強度，還要有盡可能小的轉動慣量，在同樣的驅動功率下，其加速度響應為最大。因此通常采用負載角加速度最大原則選擇總傳動比，以提高伺服系統(tǒng)的響應速度。78舉例說明：設慣量為Jm的伺服電機，通過傳動比為i的齒輪系G克服摩擦阻抗力矩TLF，驅動慣性負載JL，其傳動模型如下圖所示。圖2-28電機驅動齒輪系統(tǒng)和負載的計算模型79其傳動比為：

TLF折算到電機軸上的阻抗力矩為。JL折算到電機軸上的轉動慣量為。80根據負載角加速度最大原則，令，則81若不計摩擦，即則：未考慮齒輪系的轉動慣量！最佳傳動比822）等效峰值綜合負載轉矩最小的最佳傳動比8384若以傳動級數為參變量,齒輪系中折算到電動機軸上的等效轉動慣量Je與第一級主動齒輪的轉動慣量Jl之比為Je/Jl,其變化與總傳動比i的關系如圖所示。Jl通常假定常值。2.齒輪傳動鏈的傳動級數選擇常需要多級齒輪傳動大功率傳動裝置傳動級數曲線853．各級傳動比的分配

在齒輪傳動中，雖然周轉輪系可以滿足總傳動比的要求，且結構緊湊，但由于效率等原因，常用多級圓柱齒輪傳動副串聯組成齒輪系。各級傳動比的分配，按以下三種不同原則進行：

⑴最小等效轉動慣量原則

①

小功率傳動裝置

電機驅動的二級齒輪傳動系統(tǒng)如下圖所示。

86

假定各主動小齒輪具有相同的轉動慣量J1，軸與軸承轉動慣量不計，各齒輪均為實心圓柱體，且齒寬和材料均相同，效率為1，則：8788

對于n級齒輪傳動系統(tǒng)

89例：設有i=80,傳動級數n=4的小功率傳動,試按等效轉動慣量最小原則分配傳動比。各級傳動比分配的結果應為“前小后大！”。90②大功率傳動裝置

大功率傳動裝置傳遞的轉矩大，各級齒輪副的模數、齒寬、直徑等參數逐級增加，這時小功率傳動的假定不適用；確定傳動級數和傳動比，需要根據查表確定。91得i1＝3.3。,在橫坐標ik-1上3.3處作垂直線與A線交于第一點,在縱坐標ik軸上查得i2＝3.7。通過該點作水平線與B曲線相交得第二點i3＝4.24。由第二點作垂線與A曲線相交得第三點i4＝4.95。i=256確定傳動級數確定第一級傳動比分配結果仍為“前小后大”。92（2）質量最小原則

①

小功率傳動裝置仍以圖2-29所示的傳動齒輪系為例來講述。93

假設條件不變，若齒輪直徑為Di(i=1,2,3,4)，寬度為b，密度為，則齒輪的質量和為：根據假設條件D1=D3，而i=i1i2則

令同理對n級傳動可得：

i1＝i2＝…=in

i1=i2各級傳動比相等

94②大功率傳動裝置

假設所有主動小齒輪的模數m1、m3，分度圓直徑D1、D3，齒寬bl、b3，都與所在軸上的轉矩Tl、T3的三次方根成正比，即：另設每對齒輪副中齒寬相等，即b1=b2，b3＝b4，可得所得各級傳動比應為“前大后小”。3195

以下圖所示四級齒輪減速傳動鏈為例。四級傳動比分別為

i1、i2、i3、i4,齒輪1~8的轉角誤差依次為ΔΦ1~ΔΦ8。輸入（3）輸出軸的轉角誤差最小原則96（1）如果從輸入端到輸出端的各級傳動比按“前小后大”原則排列,則總轉角誤差較小；（2）而且低速級的誤差在總誤差中占的比重很大，因此,要提高傳動精度,就應減少傳動級數,并使末級齒輪的傳動比盡可能大,制造精度盡可能高。

輸入若為增速傳動鏈，則應在開始幾級就增速。97

在減速齒輪鏈中，為了提高齒輪傳動精度:(1)應減少傳動級數;(2)各級傳動比前小后大的方式分配；(3)并使末級齒輪的傳動比盡可能大，(4)末級齒輪制造精度盡量高。輸入98（4）三種原則的選擇

上述三項原則的選擇，應根據具體的工作條件綜合考慮：1）對于以提高傳動精度和減小回程誤差為主的降速齒輪傳動鏈，可按輸出軸轉角誤差最小原則設計。2）對于要求運動平穩(wěn)、啟停頻繁和動態(tài)性能好的伺服減速傳動鏈，可按最小等效轉動慣量和輸出軸轉角誤差最小原則進行設計。對于負載變化的齒輪傳動裝置，各級傳動比最好采用不可約的比數，避免同時嚙合。3）對于要求重量盡可能輕的降速傳動鏈，可按重量最輕原則進行設計。4）對于傳動比很大的齒輪傳動鏈，可把定軸輪系和行星輪系結合使用。

99

總之，減速傳動裝置傳動比的分配原則是設計減速器的指導思想和基本方法。在實際減速器設計中，應結合減速器的具體要求，認真分析、論證方案實現的可行性、經濟性、可靠性等指標，并對減速器的轉動慣量、結構尺寸、精度要求等進行合理協調，盡可能達到合理的匹配，達到減速器具有體積小、重量輕、運轉平穩(wěn)、可頻繁啟動和動態(tài)特性好、傳動精度高、誤差最小等基本要求。100二、滾珠花鍵滾珠花鍵結構如圖所示：

1-保持架2-橡皮密封圈

3-鍵槽4-外筒5-油孔6-負荷滾珠列7-退出滾珠列8-花鍵軸101滾珠花鍵的外筒與花鍵軸之間即可以軸帶筒或筒帶軸作回轉運動，又可以作靈活、輕便的相對直線運動，所以滾動花鍵既是一種傳動裝置，又是一種直線運動導向、支承裝置，可用于機器人、機床、自動搬運車等各種機械。102三、諧波齒輪減速器設計諧波齒輪傳動由三個基本構件組成：

剛輪是剛性的內齒輪。

柔輪是薄殼形元件，具有彈性的外齒輪。

諧波發(fā)生器（簡稱波發(fā)生器）是凸輪（通常為橢圓形）及薄壁軸承組成，隨著凸輪轉動，薄壁軸承的外環(huán)作橢圓形變形運動（彈性范圍內）。103

諧波齒輪傳動是一種新型傳動，利用機械波使柔性齒輪產生可控制的彈性變形波，引起剛輪與柔輪的齒間相對錯齒來傳遞動力和運動。工作原理：靜止：波發(fā)生器H迫使柔輪2彈性變形→橢圓形，其橢圓的長軸→柔輪輪齒與剛輪輪齒的兩個局部嚙合區(qū)。橢圓的短軸兩端的兩輪齒完全脫離嚙合→離開區(qū)。104鋼輪固定，諧波發(fā)生器高速旋轉時，柔輪齒和剛輪齒在節(jié)圓處嚙合過程就如同兩個純滾動（無滑動）的圓環(huán)一樣，兩者在任何瞬間，在節(jié)圓上轉過的弧長必須相等。由于柔輪比剛輪在節(jié)圓周長上少了2個齒距，所以柔輪在嚙合過程中，諧波發(fā)生器轉一周，柔輪就必須相對剛輪轉過兩個齒距的角位移，這個角位移正是減速器輸出軸的轉動，從而實現了減速的目的。

以上三個構件可以任意固定一個，成為減速傳動及增速傳動，或者發(fā)生器、剛輪主動，柔輪從動，成為差動機構（即轉動的代數合成）。105諧波齒輪傳動比的計算假設波發(fā)生器轉一圈通常柔輪或者剛輪固定，以諧波發(fā)生器作為輸入，鋼輪或者柔輪作為輸出106諧波齒輪傳動比的計算107諧波齒輪傳動與一般齒輪傳動相比有下列特點：

（1）傳動比大，單級50-500

（2）承載能力大，因為同時嚙合齒數多（3）傳動精度高（4）齒側間隙?。?）傳動平穩(wěn)基本上無沖擊振動。（6）結構簡單、體積小、重量輕108四、同步帶(齒形帶)傳動如圖所示，帶的工作表面制有帶齒，它與制有相應齒形的帶輪相嚙合，用來傳遞運動和動力。區(qū)別：依靠帶與帶輪的嚙合實現傳動，而不是摩擦同步帶傳動是一種綜合了帶、鏈傳動優(yōu)點的新型傳動。帶的工作面及帶輪的外周上均制有嚙合齒.+=傳統(tǒng)的帶傳動如：平皮帶，V型帶，鍥型帶傳動等。109同步帶傳動具有如下特點：1)傳動比準確，工作時無滑動,傳動效率高(達98％以上)；2)工作平穩(wěn)，動態(tài)特性好，能吸收振動；3)不需潤滑，耐油、水、耐高溫，耐腐蝕，維護保養(yǎng)方便；4)安裝時帶需要張緊，中心距要求嚴格，安裝精度要求高；5)制造工藝復雜，成本高。+=110帶和帶輪的結構和主要參數主要參數：帶齒的節(jié)距、節(jié)線長度、帶輪的齒數帶節(jié)線：帶抗拉層的中心線，節(jié)線的周長為節(jié)線長度帶齒節(jié)距：相鄰兩齒對應點沿節(jié)線的距離111(1)強力層:

承載繩傳遞動力并保持同步帶在工作時節(jié)距不變。材料抗拉強度、抗疲勞強度較高、伸長率較小。常用材料有:鋼絲,玻璃纖維等.(2)基體：同步帶的基體包括帶齒和帶背，帶齒直接與鋼制帶輪嚙合并傳遞扭矩，要求具有較高的抗剪切強度。基體通常為氯丁橡膠，以增加耐磨性?；w材料應具有良好的柔韌性、耐磨性、耐熱性、抗彎強度高、抗老化以及與強力層的粘合性好。同步帶的結構112雙面齒同步帶可用于多軸傳動按帶齒的排列，同步帶分為單面齒同步帶和雙面齒同步帶兩種形式。雙面齒同步帶又有對稱雙面齒(DA型)和交錯雙面齒(DB型)兩種。同步帶分類113

同步帶型號如表所示。失效形式同步帶的傳動主要失效形式：同步帶疲勞斷裂，帶齒的剪切和擠壓破壞及帶齒磨損等。在正常的工作條件下，帶傳動設計準則主要是在不打滑的條件下限制其單位寬度拉力，以保證同步帶的抗拉強度，保證同步帶具有一定的疲勞強度和使用壽命。同步帶型號114四、滾珠絲杠-螺母傳動特點：（1）傳動效率高，達85％～98％；（2）定位精度和重復定位精度高，發(fā)熱低、溫升小、可以預拉伸消除間隙；（3）預緊后可消除滾珠絲杠副的間隙，提高軸向接觸剛度；（4）運動平穩(wěn)，低速時無爬行；（5）傳動可逆和不自鎖性，旋轉運動與直線運動相互轉化；（6）壽命長，使用可靠、潤滑簡單、維修方便，但成本高。絲杠、螺母、滾動體和滾動體循環(huán)裝置組成