1、第二章第二章 机械系统设计技术机械系统设计技术n2.1 机械系统建模及分析n2.2 机械系统参数对系统性能的影响n2.3 机电系统中常用机构n2.4 典型机电产品机械结构第二章第二章 机械系统设计技术机械系统设计技术n研讨主题：研讨主题：n1 机械系统建模及仿真分析n 可应用Simulink，SimMechanics,Adams等软件对某一机械系统建模、运动仿真、动力学仿真分析n2.机械系统参数对系统性能的影响n 在建模的基础上，应用Simulink分析质量/转动惯量、刚度、阻尼比等参数对系统性能的影响n3.典型机电产品机械结构介绍n作用在机械上的力作用在机械上的力n驱动力/力矩 n工作阻力/
2、力矩机械系统建模目的：机械系统建模目的：分析系统动力学分析系统动力学参量和运动学参量参量和运动学参量之间的联系。之间的联系。2.1 机械系统建模及分析机械系统建模及分析 例例2.1 图为组合机床动力滑台铣平面时的情况，当切削力f（t）变化时，滑台可能产生振动，从而降低被加工工件的表面质量和精度。试建立切削力与滑台质量块位移之间的动力学模型。2.1.1 机械系统移动系统机械系统移动系统5建立质量弹簧阻尼系统的力学模型 2.1.1 机械系统移动系统机械系统移动系统22d)(d)(d)(d)(ttymtkyttyBtf)()(d)(dd)(d22tftkyttyBttym在零初始条件下对方程两边进行
3、拉氏变换：)()()(2sFsYkBsms写成系统的传递函数形式：)(1)()(2kBsmssFsY 例例2-22-2 图2-2(a)表示一个汽车悬浮系统。当汽车沿着道路行驶时，轮胎的垂直位移作为一种激励作用在汽车的悬浮系统上。该悬浮隔振系统可简化为图2-3(b)的简化模型。假设P点上的运动xi作为系统的输入量，车体的垂直运动xo为输出量，位移xo从无输入量xi作用时的平衡位置开始测量，求系统的传递函数。车体PxioxmBK图图2-2ab解：图2-2(b)所示系统的运动方程为：0)()(000iixxKxxBxm 即iiKxxBKxxBxm 000对上式在零初始条件下进行拉式变换：)()()(
4、)(02sXKBssXKBsmsi整理得系统的传递函数为：KBsmsKBssXsXi20)()(PxioxmBK82.1.2 机械系统转动系统机械系统转动系统 例例2.32.3 图所示为扭摆扭摆的物理模型，J表示扭摆的转动惯量，B表示扭摆与空气的粘性阻尼，K 表示扭簧的刚度，假设力矩M(t)直接作用扭摆轴上，试建立该系统的动态数学模型。MJBK22d)(d)(d)(d)(ttJtKttBtM)()(d)(dd)(d22tMtKttBttJ)()()(2sMsKBsJs)(1)()(2KBsJssMsl2例2.4 单臂机械手（摆动），臂长102.1.3 机械系统传动系统机械系统传动系统 例例2.
5、4 图为一齿轮传动机构，假设齿轮传动无间歇，试求该系统输入力矩M(t)与输出转角2(t)之间的动态数学模型。M、M1-输入轴及齿轮1上的驱动力矩和负载力矩 M2、Mfz-输出轴及齿轮2上的驱动力矩和负载力矩 1、2-主动轮1、从动轮2的转角J1、J2-主动轮1、从动轮2的转动惯量c1、c2-主动轮1、从动轮2的粘滞阻尼系数11 忽略两轴及齿轮的扭转弹性变形，分别对输入轴和输出轴列写旋转运动方程：)()()/()(1122212221tMitMdtdcicdtdiJJfz简化到轴上：)()(d)(dd)(d1112121tMtMttcttJ输入轴1：22222f22d()d()()()ddztt
6、JcMtMttt输出轴2：1221tzitz设齿轮传动比为并假设齿轮1、2间无传动功率损耗，于是有：2.1.2 机械系统的等效动力学模型机械系统的等效动力学模型n等效动力学建模原理：等效动力学建模原理：n动能不变原则：等效构件的质量或转动惯量所具有的动能等于整个系统的动能之和。n功(功率)不变原则：作用在等效构件的等效力、等效力矩所作的功(或功率)等于整个系统的所有力、力矩所做功(或功率)之和。等效动力学模型等效力矩（力）等效阻尼系数等效弹簧系数等效质量/转动惯量外力作功不变系统动能不变1）等效转动惯量等效转动惯量 无论机械传动或变换元件是直线运动还是回转无论机械传动或变换元件是直线运动还是回
7、转运动，应用总动能不变的原理，可进行等效转运动，应用总动能不变的原理，可进行等效转动惯量的计算。动惯量的计算。2121kjmijkimiikcqJvmJ等效惯量：21212121jmijimiiJvmE能量综合：221kkcqkJE等效能量：(1)直线移动工作台折算到转动部件的转动惯量直线移动工作台折算到转动部件的转动惯量22LmJ22mrvmJ丝杠螺母机构(导程L)齿轮齿条机构带传动2rmJ(2)相邻两轴，相邻两轴，2轴向轴向1轴转动惯量的折算轴转动惯量的折算ni齿轮啮合的传动比221iJJeq121221ZZRRi 机床传动机构示意图1、2、3、4齿轮5丝杠 6工作台等效转动惯量2121e
8、qJ练习练习:mjjjmiiitTtvFW11虚功：tTWkkeqK等效虚功：mjkjjmikiikeqTvFT11/等效转矩：WWK能量守恒：2)负载转矩的折算n求等效力矩遵循的原则：作用在各构件上的外力和外力矩所作功(功率)之和等于作用在等效构件上的等效力矩（或力）所作功(功率)。机床传动机构示意图1、2、3、4齿轮5丝杠 6工作台若已知工作台的质量为m，工作台与导轨间的摩擦系数f，负载力为FW1000N，丝杠导程为 l，齿轮减速比为i，试求折算到电机轴上的负载力矩练习练习:解:3）传动刚度的计算）传动刚度的计算 扭转刚度扭转刚度的归算：k1、k2分别为轴和轴的扭转刚度系数。当轴的输入转矩
9、为T1时，轴扭角为1时，轴 扭角为2：，在轴上有：略去摩擦损失在轴上有：传动刚度的示意图 从轴输入端看，施加T1转矩后由于、轴扭转变形造成轴的总扭转角为 式中KI传动链归算到轴的扭转刚度系数 传动链中轴向刚度中轴向刚度的归算。图所示机床进给系统在承担负载后，丝杠螺母副和螺母座都会产生轴向弹性变形。图是它的等效作用图，k是上述弹性变形的等效轴向刚度系数。机床工作台进给传动系统弹性变形等效作用图轴向刚度的归算2lklklTkFlFT2222丝杠和工作台之间的弹性变形为，对应于的丝杠转角为设丝杠输入力矩为T归算到丝杠上的等效扭转刚度系数：klkd22 机床传动机构示意图1、2、3、4齿轮5丝杠 6工
10、作台若各部分扭转刚度已知，丝杠导程L，试求折算到电机轴上的扭转刚度。练习练习:4）速度阻尼负载的计算）速度阻尼负载的计算TdtdJT111122112212111zzcdtdzzJdtdJT轴上的动力学方程是：I轴输入力矩为T1，动力学方程是：121121222212zzcdtdzzJcdtdJTzz归算到I轴上的等效速度阻尼系数：2221iCCzzC例：数控机床进给系统建模n数控机床进给传动系统C为工作台导轨粘性阻尼系数n1）转动惯量的折算轴的等效转动惯量224321243213221211224321243213221211)2()()()()2()()()(LzzzzmzzzzJzzJJ
11、JdtdLzzzzmzzzzJzzJJTn1.转动惯量的折算n把轴、上的转动惯量和工作台的质量都折算到轴上,作为系统的等效转动惯量。设T1、T2、T3分别为轴、的负载转矩,1、2、3分别为轴、的角速度,v为工作台位移时的线速度,z1,z2,z3,z4分别为四个齿轮的齿数。n（1）、轴转动惯量的折算。根据动力平衡原理,、轴的力平衡方程分别是另一种方法：另一种方法：nn因为轴的输入转矩T2是由轴上的负载转矩获得的,且与它们的转速成反比,所以333322221111TdtdJTTdtdJTTdtdJT(2-8)(2-9)(2-10)1122TzzTn又根据传动关系有n把T2和2值代入式(2-9),并
12、将式(2-8)中的T1也带入,整理得n 同理1212zz34312432132221122121)()()()(TzzdtdzzzzJTTzzdtdzzJT(2-11)(2-12)n（2）将工作台质量折算到轴。在工作台与丝杠间,T3 驱动丝杠使工作台运动。根据动力平衡关系有nv 工作台的线速度；L 丝杠导程。n所以丝杠转动一周所做的功等于工作台前进一个导程时其惯性力所做的功。LdtdvmT)(23n又根据传动关系有 n把v值代入上式整理后得143213)(22zzzzLLvdtdmzzzzLT14321232n（3）折算到轴上的总转动惯量。把式（2-11）、（-12）、（-13）分别代入式（-
13、8）、（2-9）、（2-10）中,消去中间变量并整理后求出电机输出的总转矩T1为n224321243213221211224321243213221211)2()()()()2()()()(LzzzzmzzzzJzzJJJdtdLzzzzmzzzzJzzJJT（2-14）（-15）n2.粘性阻尼系数的折算n 当工作台匀速转动时,轴的驱动转矩T3完全用来克服粘滞阻尼力的消耗。考虑到其他各环节的摩擦损失比工作台导轨的摩擦损失小得多,故只计工作台导轨的粘性阻尼系数C。n 根据工作台与丝杠之间的动力平衡关系有nT32=CvLn即丝杠转一周T3所作的功,等于工作台前进一个导程时其阻尼力所作的功。n根据力
14、学原理和传动关系有n式中:C工作台导轨折算到轴上的粘性阻力系数,其值为112234121)2()(CCLzzzzT(2-16)CLzzzzC224321)2()(2-17)n3.弹性变形系数的折算n上例中,应先将各轴的扭转角都折算到轴上来,丝杠与工作台之间的轴向弹性变形会使轴产生一个附加扭转角,也应折算到轴上来,然后求出轴的总扭转刚度系数。同样,当系统在无阻尼状态下时,T1、T2、T3等输入转矩都用来克服机构的弹性变形。n（1）轴向刚度的折算。当系统承担负载后,丝杠螺母副和螺母座都会产生轴向弹性变形,图2-12是它的等效作用图。在丝杠左端输入转矩T3的作用下,丝杠和工作台之间的弹性变形为,对应
15、的丝杠附加扭转角为3。根据动力平衡原理和传动关系,在丝杠轴上有：T32=KL 33233)2(2 KKLTL所以n式中:K附加扭转刚度系数,其值为nK=（2-18）n（2）扭转刚度系数的折算。设1、2、3分别为轴、在输入转矩T1、T2、T3的作用下产生的扭转角。根据动力平衡原理和传动关系有KL2)2(3134123332112112111)()(KTzzzzKTKTzzKTKTn由于丝杠和工作台之间轴向弹性变形使轴附加了一个扭转角3,因此轴上的实际扭转角 3+3n将3、3值代入,则有n 将各轴的扭转角折算到轴上得轴的总扭转角为)()(34122121zzzzzz133412333)11)(TK
16、KzzzzKTKTn将1、2、值代入上式有n KTTKKzzzzKzzKTKKzzzzKTzzKT113234122212113234122121211)11()(1)(1)11()()(（2-19）n式中:K 折算到轴上的总扭转刚度系数,其值为n4.建立系统的数学模型n设输入量电机输入力矩TM，输出量为工作台的线位移Xo。根据传动原理,可把Xo折算成轴的输出角位移。在轴上根据动力平衡原理有)11()(1)(1132341222121KKzzzzKzzKK(2-20)n 又因为n因此,动力平衡关系可以写成下式：iTTKdtdCdtdJFm22oXzzzzL)(2(3412)2)(432122i
17、TTLzzzzXKdtdXCdtXdJfmooo（机械参数机械参数：2.2 机械参数对系统性能的影响机械参数对系统性能的影响负载:质量、转动惯量刚度阻尼谐振频率摩擦传动系统的间隙传动比 希望：希望：转动惯量小，摩擦小，阻尼合适，刚度大，转动惯量小，摩擦小，阻尼合适，刚度大，抗振性能好，间隙小抗振性能好，间隙小，机电动态特性相匹配。，机电动态特性相匹配。2.2 机械参数对系统性能的影响机械参数对系统性能的影响 1211)()(222TssTKKBsmssFsXsGmKTn1其中:自然频率（或无阻尼振荡频率）自然频率（或无阻尼振荡频率）mKB2阻尼比（相对阻尼系数）阻尼比（相对阻尼系数）二阶系统的
18、传递函数的标准形式为：二阶系统的动态特性就可以用n和这两个参数的形式描述。如果01时，系统叫做过阻尼系统。临界阻尼和过阻尼系统的瞬态响应都不振荡。如果=0，瞬态响应将变成等幅振荡。2.2 机械参数对系统性能的影响机械参数对系统性能的影响u1.惯性对系统性能影响1m2m3m1m2m3m转动惯量大会对系统造成机械负载增大；惯量增加，系统幅频特性曲线左移，响应速度变慢；相频特性曲线下移，响应滞后增大，系统稳定性变差。系统固有频率下降，容易产生谐振,使电气部分的谐振频率变低。2.2 机械参数对系统性能的影响机械参数对系统性能的影响u2.刚度对响应特性的影响09.0K15.0K3.0K09.0K15.0
19、K3.0K刚度增加，系统幅频特性曲线右移，响应速度变快；相频特性曲线上移，相位滞后减小，系统稳定性变好。2.2 机械参数对系统性能的影响机械参数对系统性能的影响 二阶系统的动态性能由n和决定，一定，n越大，系统响应快速性越好，tr、tp、ts越小。增加可以降低振荡，减小超调量，但系统快速性降低，稳态误差增大，精度降低；通常根据允许的最大超调量来确定。一般选择在0.40.8之间，然后再调整n以获得合适的瞬态响应时间。一般=0.7时，被称其为最佳阻尼比。3、阻尼（、阻尼（B）合适）合适mKB2u阻尼对系统性能影响05.0B1.0B2.0B05.0B1.0B2.0B阻尼增大，系统幅频特性曲线的谐振峰
20、值减小，振荡减轻；相频特性曲线下移，相位滞后增大，系统响应速度变慢。阻尼不利：功耗增大，磨损增加；有利：改善响应特性，减小振幅。4.谐振频率/共振频率 当机械系统的固有频率接近或落入伺服系统带宽之中时,系统将产生谐振而无法工作。因此为避免机械系统由于弹性变形而使整个伺服系统发生结构谐振,一般要求系统的固有频率n要远远高于伺服系统的工作频率(5倍以上）。5.摩擦对系统性能的影响 1 1）.对摩擦力的重新认识对摩擦力的重新认识 互相接触的两物体有相对运动或有相对运动趋势时，就存在摩擦，在接触面间产生的切向运动阻力，即为摩擦力。摩擦力的大小和形式取决于两物体结构、压力、相对速度、润滑情况及其他一些因
21、素。因此，准确用数学描述是困难的。2.2 机械参数对系统性能的影响机械参数对系统性能的影响在应用上分为：粘滞摩擦粘滞摩擦 库仑摩擦库仑摩擦 静摩擦静摩擦粘滞摩擦力：大小与速度成正比，方向相反。库仑摩擦力：是物体运动时接触面对运动物体所呈现的阻 力，又称动摩擦力，大小为一常数F=mg。静摩擦力：是物体有运动倾向但仍处于静止时所呈现的阻力。最大值发生在开始运动的瞬间，所以静摩擦力大于动摩擦力。(c)(b)(a)速度力库仑摩擦静摩擦力力速度力速度（a）粘滞摩擦情况 （b）库仑摩擦情况 （c）实际摩擦情况5.摩擦对系统性能的影响摩擦对机电一体化伺服系统的主要影响是：mKB21.粘滞摩擦影响阻尼比的大小
22、,对系统的振荡产生阻尼作用,可提高系统的稳定性.2.B大将使输出响应变慢,降低系统的响应速度,引起系统的动态滞后和产生系统误差；3.在低速区，静摩擦力作用或静与动摩擦力切换，摩擦力作用于非线性区，容易产生爬行爬行。静摩擦力作用下，输入轴以一定的角度转动，输出轴静止，存在死区，因而造成误差。低速爬行低速爬行 当丝杠1作极低的匀速运动时，工作台2可能会出现快一慢或跳跃式的运动，这种现象称为爬行。产生爬行的原因和过程：产生爬行的原因和过程：1.1.一开始，由于控制量不够大，一开始，由于控制量不够大，不足以克服静摩擦力矩不足以克服静摩擦力矩MsMs，电动，电动机不会转动，只能保持静止不动。机不会转动，
23、只能保持静止不动。3.3.随着转角反馈误差的降低，输出转矩减小到等于库伦摩擦力随着转角反馈误差的降低，输出转矩减小到等于库伦摩擦力矩，即在矩，即在a a点，此时，角速度最大。接着，输出转矩点，此时，角速度最大。接着，输出转矩不断减小，不断减小，直至直至小于静摩擦转矩而使转轴停下来。此时，输入信号虽然继续小于静摩擦转矩而使转轴停下来。此时，输入信号虽然继续增加，输出轴却因非线性摩擦而增加，输出轴却因非线性摩擦而“滞住滞住”不动，直至增大到克服不动，直至增大到克服静摩擦力矩才动。静摩擦力矩才动。低速爬行示意图低速爬行示意图2.2.控制量加大到正好克服静摩擦力控制量加大到正好克服静摩擦力矩，电动机开
24、始转动矩，电动机开始转动(t=t1(t=t1），此时），此时刻，静摩擦力矩立即下降为较小的刻，静摩擦力矩立即下降为较小的库伦摩擦力矩库伦摩擦力矩McMc，输出转矩大于摩，输出转矩大于摩擦力矩，此时输出轴加速运动。擦力矩，此时输出轴加速运动。产生爬行的原因和过程 匀速运动的主动件1，通过压缩弹簧推动静止的运动件3，当运动件3受到的逐渐增大的弹簧力小于静摩擦力F时，3不动。直到弹簧力刚刚大于F时，3才开始运动，动摩擦力随着动摩擦系数的降低而变小，3的速度相应增大，同时弹簧相应伸长，作用在3上的弹簧力逐渐减小，3产生负加速度，速度逐渐下降，直到3停止运动，主动件1这时再重新压缩弹簧，爬行现象进入下一
25、个周期。低速进给爬行现象的产生主要取决于下列因素：静摩擦力与动摩擦力之差，这个差值越大，越容易产生爬行。进给传动系统的刚度K越小、越容易产生爬行。运动速度太低。消除爬行现象的途径（实际做法）提高传动系统的刚度a适当提高各传动件或组件的刚度，减小各传动轴的跨度，合理布置轴上零件的位置。b尽量缩短传动链，减小传动件数和弹性变形量。c合理分配传动比，使多数传动件受力较小，变形也小。d对于丝杠螺母机构，应采用整体螺母结构，以提高丝杠螺母的接触刚度和传动刚度。减少摩擦力的变化a用滚动摩擦、流体摩擦代替滑动摩擦，如采用滚珠丝杠、静压螺母、滚动导轨和静压导轨等。b选择适当的摩擦副材料，降低摩擦系数。c降低作
26、用在导轨面的正压力，如减轻运动部件的重量，采用各种卸荷装置，以减少摩擦阻力。d提高导轨的制造与装配质量，采用导轨油等都可以减少摩擦力的变化。在齿轮等机械传动链中，如不采取特殊消隙措施，或所采取的措施不是很得当，则总会存在传动间隙，间隙的存在对可逆运转的机械传动系统就不可避免地造成“回差”，使系统呈现出具有“滞环特性”的非单值性的非线性。6间隙间隙 间隙的影响结果：间隙的影响结果：输出位移相对输入位移存在动态滞后输出位移相对输入位移存在动态滞后影响伺服系统中位置环的稳定性。有间隙时，应减小位置环增益影响伺服系统中位置环的稳定性。有间隙时，应减小位置环增益输出轴与检测元件间的间隙造成测量误差输出轴
27、与检测元件间的间隙造成测量误差导致失动量导致失动量导致机械构件磨损导致机械构件磨损6间隙间隙 2bb2输出输入b22bty()()y ttx()()x t间隙的物理模型间隙的物理模型间隙的滞环特性间隙的滞环特性间隙的影响结果：间隙的影响结果：输出位移相对输入位移存在动态滞后输出位移相对输入位移存在动态滞后影响伺服系统中位置环的稳定性。有间隙时，应减小位置环增益影响伺服系统中位置环的稳定性。有间隙时，应减小位置环增益输出轴与检测元件间的间隙造成测量误差输出轴与检测元件间的间隙造成测量误差导致失动量导致失动量导致机械构件磨损导致机械构件磨损6间隙间隙 2.3 机电系统中常用机构机电系统中常用机构机
28、械设计技术机械传动机构设计机械结构设计滚珠丝杠传动无侧隙齿轮传动谐波齿轮传动同步齿形带传动导轨设计支承装置主轴组件设计n滚珠丝杠螺母机构n同步带传动n导轨n齿轮传动2.3 机电系统中常用机构机电系统中常用机构n滚动丝杠螺母机构滚动丝杠螺母机构：结构复杂、成本高、：结构复杂、成本高、无自锁功能，但摩擦阻力小、传动效率高无自锁功能，但摩擦阻力小、传动效率高（92%92%98%98%）、）、传动可逆传动可逆、传动精度高。、传动精度高。2.1.1 滚珠丝杠螺母机构滚珠丝杠螺母机构滚珠丝杠螺母副+滚动导轨副滚珠丝杠副的型号滚珠丝杠副的型号n滚珠丝杠副的型号根据其结构、规格、精度和螺纹旋向等特征按下列格式
29、编写：n 循环方式预紧方式基本导程基本导程负荷滚珠总圈数精度等级螺纹旋向公称直径滚珠循环的方式滚珠循环的方式 （1）内循环）内循环 1.丝杠 2.螺母 3.滚珠 4.反向器 滚珠循环的方式滚珠循环的方式 （1）内循环内循环 2）外循环方式外循环方式插管式外循环插管式外循环14324n以动力传动为主，允许传动存在一定以动力传动为主，允许传动存在一定间隙，且垂直安装。常用在高精度压力设间隙，且垂直安装。常用在高精度压力设备上（导向精度由导轨保证）。备上（导向精度由导轨保证）。n单螺母滚珠丝杠副的轴向间隙达单螺母滚珠丝杠副的轴向间隙达0.05mm,双螺母式的经过预紧基本能消除双螺母式的经过预紧基本能
30、消除轴向间隙。轴向间隙。滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧 （1）双螺母螺纹预紧调整式）双螺母螺纹预紧调整式1-锁紧螺母;2调整螺母 ;3.4滚珠螺母（2）双螺母齿差预紧调整式）双螺母齿差预紧调整式1-套筒;2内齿轮 ;3.螺母;4丝杠 （3）双螺母垫片调整预紧式）双螺母垫片调整预紧式1-垫片;2螺母（4）弹簧式自动调整预紧式）弹簧式自动调整预紧式 特点：其承载能力小，轴向刚度低，仅适用于短丝杠特点：其承载能力小，轴向刚度低，仅适用于短丝杠一端装止推轴承（固定一端装止推轴承（固定自由式）自由式）滚珠丝杠副支承方式的选择 一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承（固定一端装止推轴
31、承，另一端装深沟球轴承（固定支承式）支承式）特点：轴向刚度较小，丝杠有伸缩余地，结构复杂，仅特点：轴向刚度较小，丝杠有伸缩余地，结构复杂，仅 适用于长丝杠适用于长丝杠滚珠丝杠副支承方式的选择 两端装止推轴承两端装止推轴承特点：将止推轴承装在滚珠丝杠两端，并施加预紧拉特点：将止推轴承装在滚珠丝杠两端，并施加预紧拉 力，有助于提高传动刚度，但对热伸长较敏感力，有助于提高传动刚度，但对热伸长较敏感滚珠丝杠副支承方式的选择 两端装双重止推轴承及深沟球轴承（固定两端装双重止推轴承及深沟球轴承（固定固定式）固定式）特点：传动刚度高，结构和安装工艺复杂，适用于长丝特点：传动刚度高，结构和安装工艺复杂，适用于
32、长丝 杠或高转速、高刚度、高精度的丝杠杠或高转速、高刚度、高精度的丝杠滚珠丝杠副支承方式的选择 n齿轮传动部件的作用：转矩、转速和转齿轮传动部件的作用：转矩、转速和转向的变换器。向的变换器。n n 2.1.2 齿轮传动部件齿轮传动部件 机电一体化系统中，常用的齿轮传动部件：机电一体化系统中，常用的齿轮传动部件：总传动比的确定:n在伺服系统中,齿轮传动比应满足驱动部件与负载之间位移,转矩,转速的匹配要求.不但要求其具有足够的刚度,还要求其转动惯量尽量小,以便在同一驱动功率时,加速度响应最大.n在伺服系统中,通常采用负载角加速度最大原则选择总传动比,以提高伺服系统的响应速度。电机、传动装置和负载的
33、传动模型nTLF换算到电动机轴上的阻抗转矩为TLF/i；n JL换算到电动机轴上的转动惯量为JL/i2。n 设Tm为电动机的驱动转矩,在忽略传动装置惯量的前提下,根据旋转运动方程,电动机轴上的合转矩Ta为：LmLFmLLLmmLmLFmaJiJTiTiiJJiJJiTTT222)()(则n式中若改变总传动比i,则 也随之改变。根据负载角加速度最大的原则,令 ,则解得nn若不计摩擦,即TLF0,则 L 0/didL mLmLFmLFJJTTTTi2mLJJi n表明:得到传动装置总传动比i的最佳值的时刻就是JL换算到电动机轴上的转动惯量正好等于电动机转子的转动惯量Jm的时刻,此时,电动机的输出转
34、矩一半用于加速负载,一半用于加速电动机转子,达到了惯性负载和转矩的最佳匹配。n n对于要求运转平稳、启停频繁和动态性能好的降对于要求运转平稳、启停频繁和动态性能好的降速传动链速传动链,可按等效转动惯量最小原则，可按等效转动惯量最小原则，传动比传动比分配的基本原则应为分配的基本原则应为“前小后大前小后大”。n对于传动精度要求高的降速齿轮传动链对于传动精度要求高的降速齿轮传动链,可按输可按输出轴转角误差最小原则设计，出轴转角误差最小原则设计，传动比分配的基本传动比分配的基本原则应为原则应为“前小后大前小后大”各级传动比的分配各级传动比的分配3i2412i15i36i478输出以四级齿轮减速传动链为
35、例。四级传动比分别为 i1、i2、i3、i4,齿轮18 的转角误差依次为18。该传动链输出轴的总转动角误差max为8476435443213243211maxiiiiii iiii i如果从输入端到输出端的各级传动比按“前小后大前小后大”原则排列,则总转角误差较小,而且低速级的误差在总误差中占的比重很大。因此,要提高传动精度,就应减少传动级数,并使末级齿轮的传动比尽可能大,制造精度尽可能高。齿轮传动间隙的调整方法齿轮传动间隙的调整方法 2 1435 如图所示，将相互啮合的一如图所示，将相互啮合的一对齿轮中的一个齿轮对齿轮中的一个齿轮4 4装在电装在电机输出轴上，并将电机机输出轴上，并将电机2
36、2安装安装在偏心套在偏心套1(1(或偏心轴或偏心轴)上，通上，通过转动偏心套过转动偏心套(偏心轴偏心轴)的转角，的转角，就可调节两啮合齿轮的中心距，就可调节两啮合齿轮的中心距，从而消除圆柱齿轮正、反转时从而消除圆柱齿轮正、反转时的齿侧间隙。特点是结构简单，的齿侧间隙。特点是结构简单，但其侧隙不能自动补偿。但其侧隙不能自动补偿。圆柱齿轮传动圆柱齿轮传动1)偏心套筒或偏心轴齿侧间隙调整法偏心套筒或偏心轴齿侧间隙调整法2)2)轴向垫片齿侧间隙调整法轴向垫片齿侧间隙调整法 如图所示，齿轮如图所示，齿轮1和和2相啮合，其分度相啮合，其分度圆弧齿厚沿轴线方圆弧齿厚沿轴线方向略有锥度，这样向略有锥度，这样就
37、可以用轴向垫片就可以用轴向垫片3使齿轮使齿轮2沿轴向移动，沿轴向移动，从而消除两齿轮的从而消除两齿轮的齿侧间隙。装配时齿侧间隙。装配时轴向垫片轴向垫片3的厚度应的厚度应使得齿轮使得齿轮1和和2之间之间既齿侧间隙小，运既齿侧间隙小，运转又灵活。特点同转又灵活。特点同偏心套偏心套(轴轴)调整法。调整法。3)3)双片薄齿轮错齿齿侧间隙调整法双片薄齿轮错齿齿侧间隙调整法 这种消除齿侧间隙这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个的方法是将其中一个做成宽齿轮，另一个做成宽齿轮，另一个用两片薄齿轮组成。用两片薄齿轮组成。采取措施使一个薄齿采取措施使一个薄齿轮的左齿侧和另一个轮的左齿侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别薄齿
38、轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的紧贴在宽齿轮齿槽的左、右两侧，以消除左、右两侧，以消除齿侧间隙，反向时不齿侧间隙，反向时不会出现死区。会出现死区。斜齿轮传动斜齿轮传动齿侧间隙调整齿侧间隙调整 n2.3.3 谐波齿轮传动谐波齿轮传动n 谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大（几十到几百）、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高等优点。故在工业机器人、航空、火箭等机电一体化系统中日益得到广泛的应用。图2-4 谐波齿轮减速器原理 图2-5 谐波减速器中三大部件2.3.4 同步齿形带传动同步齿形带传动 兼有带传动，齿轮传动及链传动的优点，即无相对滑动，平均传动比准确，传动精度高，而且
39、齿形带的强度高，厚度小，重量轻，故可用于高速传动；齿型带无需特别张紧，故作用在轴和轴承等上的载荷小，传动效率高 2.3.5 导轨导轨2 2、对导轨的基本要求、对导轨的基本要求1 1、导轨的功能：支承和导向、导轨的功能：支承和导向导向精度：是指机床的运动部件沿导轨移动时的直线性导向精度：是指机床的运动部件沿导轨移动时的直线性 和它与有关基面之间相互位置的准确性和它与有关基面之间相互位置的准确性精度保持性：是指导轨在长期使用中保持导向精度的能力精度保持性：是指导轨在长期使用中保持导向精度的能力低速运动平稳性：低速运动平稳性：结构简单、工艺性好：结构简单、工艺性好：滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚
40、度好、抗振性高等优滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高等优点点,在数控机床上应用广泛，目前多数使用金属对塑料形式，称在数控机床上应用广泛，目前多数使用金属对塑料形式，称为为贴塑导轨贴塑导轨或或注塑导轨注塑导轨 u滑动导轨滑动导轨注塑导轨：环氧树脂为基体，加入二硫化钼和胶体石墨及铅粉注塑导轨：环氧树脂为基体，加入二硫化钼和胶体石墨及铅粉 等混合而成等混合而成贴塑导轨：聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼、石墨贴塑导轨：聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼、石墨 及铅粉等混合而成及铅粉等混合而成2.3.5 导轨导轨u滚动导轨滚动导轨特点：摩擦系数小、运动轻便、位移精度和定位精 度高
41、、耐磨性好、抗震性较差、结构复杂、防护要求较高2.3.5 导轨导轨u静压导轨静压导轨优点：优点：1 1、液体静压导轨由于其导轨的工作面完全处于纯液体、液体静压导轨由于其导轨的工作面完全处于纯液体 摩擦下，因而工作时摩擦系数极低（摩擦下，因而工作时摩擦系数极低（f=0.0005f=0.0005）；）；2 2、导轨的运动不受负载和速度的限制，且低速时移动、导轨的运动不受负载和速度的限制，且低速时移动 均匀，无爬行现象；均匀，无爬行现象；3 3、由于液体具有吸振作用，因而导轨的抗振性好；、由于液体具有吸振作用，因而导轨的抗振性好；4 4、承载能力大、刚性好；、承载能力大、刚性好；5 5、摩擦发热小，
42、导轨温升小。、摩擦发热小，导轨温升小。缺点：缺点：1 1、液体静压导轨的结构复杂，多了一套液压系统；、液体静压导轨的结构复杂，多了一套液压系统；2 2、成本高；、成本高；3 3、油膜厚度难以保持恒定不变。、油膜厚度难以保持恒定不变。使用范围：液体静压导轨主要用于大型、重型数控机床上。使用范围：液体静压导轨主要用于大型、重型数控机床上。2.3.5 导轨导轨2.4 典型机电产品的机械结构n机器人n数控机床关节（关节（Joint）：即：即运动副，运动副，允许机器人手臂各零件之间发允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构。生相对运动的机构。连杆连杆（Link）：）：机器人手臂上机器人手臂上被相邻两关
43、节分开的部分。被相邻两关节分开的部分。自由度（自由度（Degree of freedom）：或者称坐标轴数，：或者称坐标轴数，是指描述物是指描述物体运动所需要的独立坐标数。手指的开、合，以及手指关节的自体运动所需要的独立坐标数。手指的开、合，以及手指关节的自由度一般不包括在内。由度一般不包括在内。刚度（刚度（Stiffness）：）：机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力。机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力。它是用外力和在外力作用方向上的变形量（位移）之比来度量。它是用外力和在外力作用方向上的变形量（位移）之比来度量。定位精度（定位精度（Positioning accuracy）：）：指指机器
44、人末端参考点实际到达的位置与所机器人末端参考点实际到达的位置与所需要到达的理想位置之间的差距。需要到达的理想位置之间的差距。重复性（重复性（Repeatability）或重复精度：）或重复精度：在相同的位置指令下，机器人连续重在相同的位置指令下，机器人连续重复若干次其位置的分散情况。它是衡复若干次其位置的分散情况。它是衡量一列误差值的密集程度，即重复度。量一列误差值的密集程度，即重复度。oo工作空间（工作空间（Working space）：）：机器人机器人手腕参考点或末端操作器安装点（不手腕参考点或末端操作器安装点（不包括末端操作器）所能到达的所有空包括末端操作器）所能到达的所有空间区域，一般
45、不包括末端操作器本身间区域，一般不包括末端操作器本身所能到达的区域。所能到达的区域。注意：不同的书上，运动简图的符号表示可能不一样。注意：不同的书上，运动简图的符号表示可能不一样。（a）表示手指（末端执行器）；）表示手指（末端执行器）；（b）表示垂直、升降运动；）表示垂直、升降运动；（c）表示水平伸缩运动；）表示水平伸缩运动；（d）表示回转运动；）表示回转运动；（e）表示俯仰运动。）表示俯仰运动。二二.工业机器人的结构工业机器人的结构直角坐标式直角坐标式圆柱坐标式圆柱坐标式球坐标式球坐标式1).齿轮齿条式手部齿轮齿条式手部2).滑块杠杆式手部滑块杠杆式手部3).斜斜楔楔杠杠杆杆式式u电磁式吸盘
46、电磁式吸盘u气吸式吸盘气吸式吸盘常见的另两种手部常见的另两种手部:滚动滚动轴承轴承座圈座圈钢板钢板齿轮齿轮多孔多孔钢板钢板双吸头吸盘双吸头吸盘多吸头吸盘多吸头吸盘吸取瓦楞板吸取瓦楞板双吸头吸盘双吸头吸盘双吸头架式吸盘双吸头架式吸盘多吸头板式吸盘多吸头板式吸盘PUMA工业机器人PUMA机器人数控机床的机械结构要求数控机床的机械结构要求1、高精度2、高速度3、高自动化要求数控机床必须具有很高的 强度、刚强度、刚度和抗振性，低摩擦，热稳定性度和抗振性，低摩擦，热稳定性2.4.2 数控机床的机械系统数控机床的机械系统下页下页上页上页返回返回图库图库 数控机床和普通机床一样，主传动系统也必须通过变速，数
47、控机床和普通机床一样，主传动系统也必须通过变速，才能使主轴获得不同的传递，以适应不同的加工要求，并且，在才能使主轴获得不同的传递，以适应不同的加工要求，并且，在变速的同时，还要求传递一定的功率和足够的转矩，满足切削的变速的同时，还要求传递一定的功率和足够的转矩，满足切削的需要。需要。|数控机床作为高度自动化的设备，它对主传动系统的基本数控机床作为高度自动化的设备，它对主传动系统的基本要求有以下几点：要求有以下几点：1)为了达到最佳的切削效果，一般都应在最佳的切削条件为了达到最佳的切削效果，一般都应在最佳的切削条件下工作，因此，主轴一般都要求能自动实现无级变速。下工作，因此，主轴一般都要求能自动
48、实现无级变速。2)要求机床主轴系统必须具有足够高的转速和足够大的功要求机床主轴系统必须具有足够高的转速和足够大的功率，以适应高效、高速的加工需要。率，以适应高效、高速的加工需要。2.4.1 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统主轴组件按运动方式可分为五类:n(1)只作旋转运动的主轴组件。此类主轴结构较为简单，如车床、铣床和磨床等的主轴组件。n（2）既有旋转运动又有轴向进给运动的主轴组件。如钻床和镗床等的主轴组件。其主轴组件与轴承装在套筒内，主轴在套筒内作旋转主运动，套筒在主轴箱的导向孔内作直线进给运动。n（3）既有旋转运动又有轴向调整移动的主轴组件。如滚齿机、部分立式铣床等的主轴组件。主轴
49、在套筒内作旋转主运动，并可根据需要随主轴套筒一起作轴向调整移动。n（4）既有旋转运动又有径向进给运动的主轴组件。如卧式镗床的平旋盘主轴部件、组合机床的镗孔车端面头主轴组件。主轴作旋转运动时，装在主轴前端平旋盘上的径向 块可带动刀具作径向进给运动。主轴电动机1、电动机经同步齿形带传动主轴2.4.1 主传动系统的配置方式主传动系统的配置方式主轴电动机2、电动机经齿轮变速传动主轴2.4.1 主传动系统的配置方式主传动系统的配置方式3,主轴电动机直接驱动（一体化主轴，电主轴）特点：有效提高主轴部件刚度，但主轴输出扭矩小2.2.1 主传动系统的配置方式主传动系统的配置方式电主轴2.2.2 数控机床的进给
50、运动系统数控机床的进给运动系统 n数控机床进给系统的机械传动装置,是指将驱动源的旋转运动变为工作台直线运动的整个机械传动链，包括减速装置、转动变移动的丝杠螺母副及导向元件等等。XKA5750型数控铣床型数控铣床带有万能铣头的立卧两用铣床。三坐标联动，可铣削复杂曲面工作台13纵向（X轴）左右移动；升降 滑座16垂直（Z轴）上下移动；滑枕8横向（Y轴）进给运动。主轴旋转运动：主轴旋转运动：由装在滑枕后部的交流伺服电机-同步带（轴）-弧齿锥齿轮副-主轴（轴）工作台纵向进给和滑枕工作台纵向进给和滑枕的横向进给传动系统：的横向进给传动系统：由各自的交流伺服电机-同步带-滚珠丝杠升降台的垂直进给运动：升降
