第1章机械系统设计1.ppt

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1、机电一体化系统设计,扬州大学机械工程学院 主讲：曾 励 2011.912,教学内容,第0章 总 论 第1章 机械系统设计 第2章 检测系统设计 第3章 控制系统设计 第4章 机电一体化接口设计 第5章 伺服系统设计 第6章 典型机电一体化系统设计与分析,第1章 机械系统设计,1.1 概述 1.2 机械系统的结构设计 1.3 机械系统的主要动力参数计算 1.4 机械系统部件的选择计算 1.5 机械系统执行电动机的选择计算 1.6 机械系统动力学特性分析,1.1 概述,1.传动机构： 齿轮传动机构、蜗杆蜗轮传动机构、丝杠传动机构、链传动、带传动等。 2.导向机构 ：作用是支承和导向，为各运动装置安

2、全、准确地完成其特定方向的运动提供保障。滚动导轨、滑动导轨等。 3.执行机构 ：根据操作指令的要求，在动力源的带动下，完成预定的操作。电动机、液压缸、气缸、液压马达、以及各种电磁铁、或机械手等等。,一、机械系统的组成,1.1 概述,4 .轴系: 齿轮传动机构、蜗杆蜗轮传动机构、丝杠传动机构、链传动、带传动等。 5 .机座或机架 伺服电动机的伺服变速功能，缩短了传动链，大大减少了传动件的数量，简化了机构，使动力件、传动件与执行件朝着合为一体的方向发展。,一、机械系统的组成,1.1 概述,1.高精度： 精度直接影响产品的质量，机电一体化产品的技术性能、工艺水平和功能比普通的机械产品有很大的提高，因

3、此机电一体化机械系统的高精度是其首要的要求。 2.快速响应： 要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的任务之间的时间间隔短。 3.良好的稳定性： 要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响，抗干扰能力强。 此外，还要求机械系统具有刚度高、可靠性好和重量轻、体积小、寿命长。,二、对机械系统的基本要求,1.2 机械系统的结构设计,齿轮传动机构的特点： 1)瞬时传动比为常数； 2)传动精确度高； 3)可做到零侧隙无回差； 4)强度大能承受重载； 5)结构紧凑； 6)摩擦力小和效率高 功用： 转矩匹配； 惯量匹配；脉冲当量匹配；降速,一、无侧隙齿轮传动机构,消除传动间隙 作用：消除反向间隙，提高传动精

4、度 方法：使啮合状态轮齿的两侧均处于接触状 实现：偏心轴调整、轴向垫片调整 （刚性） 轴向压簧调整、周向压簧调整（柔性） 径向（中心矩）调隙法；轴向调隙法；周向(切向）调隙法,一、无侧隙齿轮传动机构,转动偏心轴套2调整两啮合齿轮的中心距，消除齿侧间隙及其造成的换向死区。 特点：结构简单，侧隙调整后不能自动补偿。,(一)直齿圆柱齿轮传动机构 1.偏心轴套调整法,2.锥度齿轮调整法,改变垫片3的厚度就能调整两个齿轮的轴向相对位置，从而消除齿侧间隙。 特点:结构简单，能传递较大扭矩，传动刚度较好，但齿侧隙调整后不能自动补偿， 以上两种方法又称为刚性调整法。,3.双片薄齿轮错齿调整法,调节两薄片齿轮l

5、、2的相对位置，达到错齿以消除齿侧间隙，反向时也不会出现死区。 特点：齿侧间隙可自动补偿，但结构复杂。,(二)斜齿轮传动机构 1.垫片调整法,在两薄片斜齿轮1、2中间加垫片3，改变两薄片斜齿轮之间的轴向距离，使薄片斜齿轮1、2的螺旋线错位。 特点： 1)结构简单； 2)齿侧间隙不能自动补偿。 3) 使用时需要反复测试齿轮的啮合情况，反复调节垫片的厚度。,2轴向压簧调整法,调节弹簧3的轴向力改变两薄片斜齿轮1、2之间的轴向距离达到错位的目的。 特点：齿侧间隙可以自动补偿，但轴向尺寸较大，结构不紧凑。,（三）锥齿轮传动机构 1.轴向压簧调整法,调节压簧5轴向力大小，使锥齿轮4沿其轴向移动，从而消除

6、啮合锥齿轮之间的齿侧间隙。,2.周向弹簧调整法,大小片锥齿轮1、2在弹簧力作用下错齿，从而消除间隙。,（四）齿轮齿条传动机构,用于行程较长的大型机床上，易于得到高速直线运动。 1.双片簿齿轮调整法 分别与齿条齿槽的左、右两侧贴紧，从而消除齿侧间隙（传动负载小时采用）。 2.双厚齿轮传动的结构 进给运动由轴5输入，该轴上装有两个螺旋线方向相反的斜齿轮，当在轴5上施加轴向力F 时，能使斜齿轮产生微量的轴向移动。此时，轴1和轴4便以相反的方向转过微小的角度，使齿轮2和齿轮3分别与齿条齿槽的左、右两侧贴紧而消除了间隙。,齿轮齿条消隙结构 1、4、5.轴 2、3.齿轮,1.2 机械系统的结构设计,滚珠丝

7、杠副 是在丝杆和螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动元件。它可将旋转运动转变为直线运动，或者将直线运动转变为旋转运动。,二、滚珠丝杠传动机构,(4)运动平稳，滚动摩擦系数几乎与运动速度无关，摩擦阻力小，静摩擦阻力及动静摩擦阻力差值小 (5)使用寿命长。寿命约为滑动丝杠副的4l0倍以上。 (6)可靠性高。润滑密封装置结构简单，维修方便。 (7)不能自锁、有可逆性,（一）工作原理、特点及类型 当丝杠旋转时，滚珠在封闭滚道内既自转又沿滚道循环转动。因而迫使螺母(或丝杆)轴向移动。 特点： (1)传动效率高：0.90到0.96 (2)传动精度高、刚度好，可消除间隙 (3)定位精度和重复定位精度高,三、滚珠丝

8、杠传动机构,1、滚珠丝杆副的组成及特点： （1）定义：滚珠丝杆副是在丝杆和螺母之间以滚珠为中间滚动体的螺旋传动元件。,类型： 定位滚珠丝杠副(P类) 传动滚珠丝杠副(T类),通过旋转角度和导 程来控制轴向位移 量的滚珠丝杠副,即与旋转角度无关， 用于传递动力的滚 珠丝杠副,外循环式 内循环式,单圆弧型面 双圆弧型面,（二）滚珠丝杠副的结构,1)单圆弧型面：接触角是随轴向负荷F 的大小而变化； 2)双圆弧型面：滚珠与滚道只在滚道内相切的两点接触，接触角不变。,1螺纹滚道型面的形状,（2）滚珠循环方式 按滚珠在整个循环过程中与螺杆表面的接触情况不同分为两种： 1.内循环式：滚珠在循环过程中始终与丝

9、杆表面保持接触； 优点：滚珠循环回路短，流畅性好，效率高，螺母径向尺寸较小。 缺点：反向器加工困难，装配调整不方便。,（二）滚珠丝杠副的结构,2滚珠丝杠副的循环方式 1)外循环: 包括插管式和螺旋槽式。 插管式 被压板1压住的弯管2的两端，插入螺母3上与螺纹滚道相切的两个孔内，引导滚珠4构成循环回路。 特点：结构简单，制造方便。但径向尺寸较大，弯管端部容易磨损。 螺旋槽式 在螺母3的两个孔内装上反向器，引导滚珠通过螺母外表面的螺旋凹槽形成滚珠循环路。 特点：径向尺寸较小，工艺也较简单。 端面回珠式 在螺母两端面装上反向器进行回珠。,可分为螺旋槽式、插管式和端盖式三种,（二）滚珠丝杠副的结构,2

10、滚珠丝杠副的循环方式 2)内循环 ： 均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种型式。 圆柱凸键反向器： 反向器的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽2。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的凸键1定位，以保证对准螺纹滚道方向。 扁圆镶块反向器： 反向器为一半圆头平键形镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其端部开有反向槽3，用镶块的外廓定位。,内循环方式原理图,1.凸键 2、3.反向器,（二）滚珠丝杠副的结构,3滚珠丝杠副轴向间隙调整和预紧方法 轴向间隙：是承载时在滚珠与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。 通常采用双螺母预紧的方法，把弹性变形控制在最小限度内，以减小或消除轴向间隙，并可以

11、提高滚珠丝杠副的刚度。 目的: 消除运动间隙,提高运动精度及传动刚度。,预紧的基本思想,1)双螺母垫片式 通过改变垫片厚度，使螺母产生轴向位移。 结构简单可靠、刚性好，调整费时，不能在工作中随意调整。,2)双螺母螺纹式,利用螺帽实现预紧。螺母1、2以平键与外套相联，平键可限制螺母转动。锁紧螺母3、4能使螺母相对丝杠作轴向移动。 结构紧凑工作可靠，调整方便。但位移量不易精确控制，故预紧力不能准确控制。,3)双螺母齿差式,在两个螺母的凸缘上分别有齿数为z1 、z2的齿轮分别与相应的内齿圈相啮合。内齿圈紧固在螺母座上，预紧时脱开内齿圈，使两个螺母同向转过相同的齿数，然后再合上内齿圈。两螺母的轴向相对

12、位置发生变化而实现间隙的调整和施加预紧力。,在滚珠螺母的两组循环圈之间，借助于螺母内螺纹变位导程产生变位量L来实现消除间隙和预紧，其预紧力的大小由径向间隙确定。特点：结构简单、尺寸最紧凑，且价格低廉，但不便于随时调整。,4)单螺母变位导程自预紧式,（二）滚珠丝杠副的结构,4滚珠丝杠副的安装 一般要求： 滚珠丝杠螺母副相对工作台不能有轴向窜动； 螺母座孔中心应与丝杠安装轴线同心； 滚珠丝杠螺母副中心线应平行于相应的导轨 能方便地进行间隙调整或预紧,4滚珠丝杠副的安装,(1)支承方式的选择 为了保证滚珠丝杠副传动的刚度和精度，应选择合适的支承方式，选用高刚度、小摩擦力矩、高运转精度的轴承，并保证支

13、承座有足够的刚度。,一端固定一端自由式支承 1、2.螺母 3、5.轴承 4.支承座,一端固定一端游动式支承 1.螺母 2、8.深沟球轴承 3.挡圈 4.双向推力球轴承 5.支承座 6.垫圈 7.端盖 9.挡圈,两端固定式支承,4滚珠丝杠副的安装,(2)制动装 传动效率高但不能自锁，用在垂直传动或高速大惯量场合时需要制动装置 制动方法： 制动丝杆、制动伺服电机轴。,工作时： 在线圈7作用下，使齿轮8与内齿轮9脱开，弹簧受压缩； 当停机或停电时： 7失电，在弹簧恢复力作用下，齿轮8、9啮合，齿轮9与电机端盖为一体，故与电机轴联接的丝杠得到制动。,滚珠丝杠处于垂直传动时制动装置示意图,1.2 机械系

14、统的结构设计,1.同步齿形带传动机构 利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依 次相啮合传递运动和动力。 能方便地实现较远中心距的传动； 传动过程无相对滑动，平均传动比较准确，传动精度高； 齿形带的强度高，厚度小，重量轻，可用于低速及高速传动； 带无需特别张紧，作用在轴和轴承的载荷小，传动效率高。 在数控机床、工业机器人等伺服传动中得到广泛应用。,三、其它传动机构,2. 谐波传动 谐波传动由波发生器3(H) 柔(轮)性件2和刚(轮)性件1组成的机械传动。传动是在波发生器的作用下使柔性件产生弹性变形并与刚性件相互作用而达到传递运动或动力的目的。在传动中波发生器回转一周柔性件上某一点循环变形的次数称波数。柔

15、性件的变形过程是一个基本对称的谐波，故称为谐波传动。常用的谐波传动是双波传动。,三、其它传动机构,谐波齿轮传动 依靠柔性齿轮所产生的可控制弹性变形波，引起齿间的相对位移来传递动力和运动的。,1.2 机械系统的结构设计,1.导轨的作用 导向：直线运动直线导轨；圆运动轴承 支承、承载 2.导轨的组成 1)固定不动的支承导轨（导动轨）； 2)作直线（旋转）运动的动导轨（滑座）。 3.类型 根据导轨副之间的摩擦情况，分为滑动导轨副、滚动导轨副、悬浮导轨副。,四、支承导向机构设计,4.对导向机构的要求 1）一定的导向精度 影响因素：导轨的几何精度、接触精度、结构形式、刚度、热变形、装配质量以及液体动压和

16、静压导轨的油膜厚度、油膜刚度等。 2）良好的摩擦特性 3）阻尼特性好（高速时不振动） 4）良好的精度保持性 5）足够的刚度和强度 6）结构工艺性,四、支承导向机构设计,（一）滚动直线导轨 工作原理： 在导轨工作面之间安排滚动体,将滑动摩擦替换为滚动摩擦。 结构形式及组成： 滚动导轨块 直线滚动导轨,四、支承导向机构设计,（一）滚动直线导轨,1滚动直线导轨特点 1)承载能力大 由于滚道采用圆弧形式，增大了滚动体与滚道接触面积，大大提高了承载能力，可达到平面滚道的13倍。 2)刚性强 由于在该制作时预加载荷，使得导轨系统刚度提高，滚动直线导轨在工作时能承受较大的冲击和振动。 3)寿命长 由于是纯滚

17、动，摩擦系数为滑动导轨的l50左右，磨损小，因而寿命长，功耗低，便于机械小型化。 4)传动平稳可靠 由于摩擦力小，动作轻便，因而定位精度高，微量移动灵活准确。 5)具有结构自调整能力 装配调整容易，降低了配件精度要求。,（一）滚动直线导轨,2滚动直线导轨的分类 (1)按导轨截面形状 1)矩形截面 导轨截面为矩形，四方向等载荷式，即承载时各方向受力大小相等； 2)梯形截面 垂直载承载能力大，其它方向的承载能力较低，但对于安装基准的误差调节能力较强。,滚动直线导轨的截面形式,导轨的截面形式,（一）滚动直线导轨,(2)按滚道沟槽形状分 1)单圆弧 二点接触，运动摩擦小、对安装基准的误差平均作用小、静

18、刚度差； 2)双圆弧 四点接触，运动摩擦大、对安装基准的误差平均作用大、静刚度好。,（一）滚动直线导轨,(3)按滚动体的形状分 1)钢珠式 2)滚柱式 滚柱式由于为线接触，故其有较高的承载能力，但摩擦力也较高，同时加工装配也相对复杂。,滚动直线导轨的滚动体形式,滚动导轨组件 结构、形式,直线滚动导轨,弧形滚动导轨,两维直线滚动导轨,直线滚动导轨单元,安装组合形式 标准组合,倒装组合,侧装组合之一,侧装组合之二,混装组合,导轨防护,（二）其它直线导向装置,1滚动花键导轨副 1)组成：花键轴的外圈均匀分布3条凸起轨道，分别放置12条滚珠列，其中6条用于负载，6条用于滚珠循环退出。,滚珠花键轴 1.

19、保持架 2.橡胶密封垫 3.键槽 4.外筒 5.油孔 6.负荷滚珠列 7.返回滚珠列 8.花键轴,1滚动花键导轨副,3)特点： 当花键沿花键轴做直线运动时，滚珠在滚道和保持架内的通道中循环。 外筒两端装有橡皮密封垫防尘，其上开键槽用以与其它传动件联接，通过油孔润滑减少花键副的磨损。 花键与花键轴间通过滚珠还可以传递一定的转矩，并自动定心。 可通过选配滚珠的直径使滚珠花键副内产生过盈，即预加载荷，以提高接触刚度，运动精度和抗冲击能力。所以滚珠花键副既可作为高速运动(可达60mmin)机构的导轨，又可用于传递转矩的传动机构。,（二）其它直线导向装置,2.圆柱形滚动直线导套副 1)组成：圆柱导轨轴；

20、直线运动球轴承，如图所示，直线运动球轴承由外套筒4、保持架3、滚珠(负载滚珠1和返回滚珠2)、镶有橡胶密封垫的挡圈5构成。,圆柱形滚动直线导套副 1.负载滚珠 .返回滚珠 .保持架 .外套筒 .挡圈 .导轨轴,2.圆柱形滚动直线导套副,2)工作原理： 当其在导轨轴6上做直线运动时，滚珠在保持架3的长环形通道内循环流动。 3)特点： 轴承只在导轨轴上作轴向直线运动，不转动；滚珠与导轨轴外圆柱面为点接触。 这种导轨运动轻便、灵活、精度高，价格较低，维护方便，更换容易。但因导套副之间为点接触，所以常用于轻载移动、输送系统。,圆柱形滚动直线导套副 1.负载滚珠 .返回滚珠 .保持架 .外套筒 .挡圈

21、.导轨轴,圆柱滚动导轨,（二）其它直线导向装置,3.塑料导轨 金属对塑料型式的滑动导轨， 在短导轨面上附有一层塑料，长导轨面仍为淬火磨削面； 分类：贴塑导轨（聚四氟乙烯软带）、涂塑导轨（环氧树脂）,塑料导轨的特点 摩擦系数较小，0.040.06 动静摩擦系数之差小，且摩 擦系数曲线具有上扬特性 刚度高，承载能力强 加工工艺简单 价格低 应用 数控化改造机床、重型数控机床（最高速度：vmax=30 m/min）,1.2 机械系统的结构设计,1.执行机构的特点及要求 机电一体化产品的执行机构应能快速地完成预期的动作，并具有响应速度快、动态特性好、动静态精度和动作灵敏度高等特点。另外为便于集中控制，

22、他还应满足效率高、体积小、质量轻、自控性强、可靠性高等要求。 机电一体化产品为实现不同的目的功能，需采取不同形式执行机构，其中有电动的、机械的、电子的、激光的。本节主要介绍常用的几种执行机构。,五、执行机构设计,2.机械手 机械手是一种自动控制、可重复编程、多自由度的操作机，机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。 手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式。 运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。 机械手的种类： 按驱动方式可分为：液压式、气动式、电动式、机械式；

23、按适用范围可分为专用机械手和通用机械手； 按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手。,五、执行机构设计,2.机械手,末端执行器因用途不同而机构各异，一般可分为三大类：机械夹持器、特种末端执行器、万能手。 1）机械夹持器 机械夹持器是工业机械手中最常用的一种末端执行器。机械夹持器应具备具有夹持和松开功能。 夹持器夹持工件时，应有一定的力约束和形状约束，以保证被加工件在移动、停留和装入过程中，不改变姿态。 当需要松开工件时，应完全松开。 还应保证工件夹持姿态再现几何偏差在给定的公差带内。 机械夹持器常用压缩空气作为动力源，经过传动机构实现手指的运动。根据手指夹持工件时的运动轨迹的不同，

24、机械夹持器分为圆弧开合型、圆弧平行开合型和直线平行开合型。,1）机械夹持器（圆弧平行开合型）,圆弧平行开合型机械夹持器两手指工作时做平行开和运动，而指端运动轨迹为一圆弧。,机构在夹持时指端前进,机构在夹持时指端后退,1）机械夹持器（直线平行开合型）,直线平行开合型机械夹持器两手指的运动轨迹为直线，而且两指夹持面始终保持平行。,1）机械夹持器（手指形机构）,为了抓取特别复杂形状的工作，还设计有特种手指机机构的夹持器，如多关节柔性手指夹持器、膨胀式橡胶手袋手指等。,2.机械手,2）特种末端执行器 特种末端执行器供工业机器人完成某类特定的作业。 真空吸附手 通常把真空吸附手与负压发生器组成一个工作系

25、统，控制电磁转向阀的开合可实现对工件的吸附和脱开。 它结构简单，价格低廉；吸附作业具有一定柔顺性，即使工件有尺寸偏差和位置偏差也不会影响吸附手的工作。 常用于小件搬运，也可将多个真空吸附手组合使用。,2）特种末端执行器,电磁吸附手 工作原理： 利用通电线圈的磁场对可 磁化材料的作用力来实现 对工件的吸附作用。 特点： 结构简单，价格低廉等特点。吸附过程由极大的柔顺状态突变到低的柔顺状态。这种吸附手的吸附力是由通电线圈的磁场提供的，所以可用于搬运较大的可磁化性材料的工件。,2.机械手,3）灵巧手 是一种模仿人手制作的多指多关节的机器人末端执行器。 它可以适应物体外形的变化，对物体进行任意方向、任

26、意大小的夹持力，可以满足对任意形状、不同材质的物体操作和抓持要求，但其控制、操作系统技术难度较大。,3.微动机构 微动机构就是在很小的行程范围内工作的一种精密机构。 微动机构的实现方法通常有：差动螺旋机构、压晶体瓷微动机构等。 差动螺旋微动机构的工作原理： 机构丝杠上有基本导程不同的两段螺纹，且旋向相同。当丝杠转动时，可动螺母的移动距离为S=n(Ph1-Ph2)，如果两基本导程的大小相差较少，则可获得较小的位移S。 压电晶体微动机构的工作原理： 利用逆压电效应，当对压电晶体施加激励电场，晶体介质将产生微小的弹性变形。目前，压电微动机构已应用于压电陶瓷马达、压电驱动式针阀等。,五、执行机构设计,

27、1.3 机械系统的主要动力参数计算,一）典型负载综合方法 1典型负载 在进行机械系统设计时，必须确定机械系统各个部件的负载，然后综合成系统的总负载。一般把负载分类为摩擦负载、惯性负载、弹性负载、风载等。,一、机械系统的负载计算,1）干摩擦力矩 2）惯性转矩 3）粘性摩擦力矩 4）弹性力矩 5）风阻力矩,2负载的综合计算,多数被控对象的运动形态是随机性的，很难用简单的确定的格式来描述，工程上采取近似方法或选取几个有代表性的工况作定量分析计算，将各零部件负载转化到动力机输出轴上综合为系统的总负载。 总负载的综合计算方法 峰值综合 若各种负载为非随机性负载，将各负载的峰值取代数和，折算到电动机轴上，

28、称为等效峰值综合负载转矩 方和根综合 若各种负载为随机性负载，取各负载的方和根折算到电动机轴上，称为等效方和根综合负载转矩。,二）等效综合负载转矩计算,机械系统各零部件所受负载按功能原理折算到电动机输出轴上的综合负载称为等效综合负载转矩。 等效负载转矩的计算模型及条件如 右图，系统包含有M个转动零件 和N个移动零件。 若系统工作一段时间后，其克服所 受的力和转矩作的总功应为,二）等效综合负载转矩计算,电动机所作的总功为 根据W = WD，则可得等效综合 负载转矩为 考虑机械效率,三）数控机床进给系统等效综合负载计算,若机床的进给系统所受负载为非随机载荷，则可得切削时负载转矩计算公式和快速空载起

29、动时的负载转矩计算公式。 通常要求正常工作负载转矩(如机床切削时负载转矩)不得大于伺服电动机的额定转矩；快速空载起动时的负载转矩不得大于伺服电动机的最大转矩。 （1）切削时的负载转矩计算公式 折算至电动机轴上的最大切削负载转矩为 Fmax为丝杠上的最大轴向载荷，包括进给力和摩擦力 ；采用滚珠丝杠副时，般取0.80.9 。,三）数控机床进给系统等效综合负载计算,（2）快速空载起动时的负载转矩计算公式 当执行部件从静止以阶跃指令加速到最大移动速度时，所需的转矩最大为 tac为系统时间常数(或加速时间)(s)， tac =（34）tM ； tM为电动机机械时间常数(s)； Tf为折算到电动机轴上的摩

30、擦转矩(Nm) Ff为摩擦阻力(N)，一般为 Ff = 9.8Wf,三）数控机床进给系统等效综合负载计算,（3）电动机最大静转矩确定 根据实际启动情况(空载或有载) 计算出启动时的负载转矩，然后按工程数据表选取启动时所需电动机的最大静转矩Ts1。 根据电动机正常运行时的受力情况计算出负载转矩，然后按下式计算正常运行时所需电动机的最大静转矩Ts2 按Ts1 和Ts2中的较大者选取电动机的最大静转矩并要求,表征机械系统特性的参数主要有系统转动惯量、系统固有频率、系统阻尼以及系统刚度等。在分析计算时需要进行等效计算。 1.机械系统惯量的分析计算 （1）负载转动惯量的计算 通常将系统中的各运动件的转动

31、惯量折算到 电动机轴上的等效转动惯量，称为等效负 载转动惯量（简称为负载转动惯量）。,1.3 机械系统的主要动力参数计算,二、机械系统特性参数的计算,（2）机械系统的惯量匹配 1）惯量匹配的基本原理 惯量匹配是指机电传动系统负载惯量与伺服电动机转子惯量相匹配。 在驱动力矩一定的前提下，转动惯量越小，系统的加速性能越好。当进给伺服电动机已经选定，则的最大值基本不变，如果希望的变化小，则应使转动惯的变化尽量小些。 惯量由伺服电动机转动惯量JM与机电传动系统负载惯量JL两部分组成。 JM是定值， JL则因执行部件上装的夹具、工件或刀具不同而有所变化。为了提高系统的稳定性，希望J的变化率小些，则应该使

32、JL所占比例小些。,二、机械系统特性参数的计算,2）惯量匹配条件 惯量匹配是指机电传动系统负载惯量与伺服电动机转子惯量相匹配。 步进电动机 为了使步进电动机具有良好的起动能力及较快的响应速度，惯量通常应满足下列关系式 1/4 JM /JL 1 直流伺服电动机 JM /JL比值大小对伺服系统的性能影响很大，且与直流伺服电动机的种类及其应用场合有关，通常分为两种情况：,对于采用惯量较小的直流伺服电动机的伺服系统，应满足下列关系式 1/3 JM /JL 1 对于采用大惯量直流伺服电动机的伺服系统，应满足下列关系式 1 JM /JL 4 所谓大惯量是相对小惯量而言的，其数值JM = 0.10.6kgm

33、2。,2.机械系统刚度的计算 （1）机械系统刚度的等效计算 机械系统的刚度包括线弹性变形引起的线性刚度以及因非线性变形或各种运动副间隙引起的非线性刚度。 对于串联部件（例如在同一根轴上），总刚度为 对于并联部件（例如同一支承上有几个轴承），总刚度为,二、机械系统特性参数的计算,从低速轴上的刚度折算到高速轴上时，等效刚度可采用弹性势能等效原则转换为 （2）传动系统刚度计算 在机械系统中，刚度最薄弱的环节是丝杠螺母机构，因而传动系统的刚度主要取决于丝杠螺母机构的刚度。 丝杠螺母机构的刚度由丝杠的拉压刚度KL、丝杠螺母间的接触刚度KN以及轴承和轴承座间的支承刚度KB三部分组成。在设计时，通常将丝杠螺

34、母机构的总刚度均匀分配给三个组成部分，即每部分的刚度对总刚度的贡献各占1/3。,1）查表计算传动系统刚度,采用不同类型的支承轴承时，支承刚度也不同，一般可按表中所列公式计算。 对于推力球轴承及推力角接触球轴承，当预紧力为最大轴向载荷的13时，轴承刚度增加1倍且呈线性关系； 对于圆锥滚子轴承，当预紧力为最大轴向载荷的12.2时，轴承刚度增加1倍且呈线性关系。,丝杠螺母副的轴向接触刚度可直接从丝杠螺母副的产品样本中查得。,在伺服系统工作过程中，丝杠上的受力点到支承端的距离随工作台位置而变化，因此丝杠的拉压刚度KL (N/m)也随之变化。 对于一端轴向支承的丝杠，当工作台位于距丝杠轴向支承端最远的位

35、置时，即l=L时，丝杠有最小拉压刚度：,对于两端轴向支承的丝杠，当工作台位于两支承的中间位置时，即时，丝杠有最小拉压刚度：,丝杠传动的综合拉压刚度与轴向支承形式及轴承是否预紧有关。在KN、KB、KL分别计算出来之后，可按下表所列公式来计算综合拉压刚度。 丝杠的扭转刚度KT(Nm/rad)可按下式计算：,2）查图计算传动系统刚度,2）查图计算传动系统刚度,3.机械系统阻尼的计算 机械系统在工作过程中，相互运动的元件间存在着阻尼力，并以不同的形式表现出来，如干摩擦阻尼力、流体阻尼力、风阻负载等，均与运动速度及摩擦阻尼系数有关。 对于干摩擦阻尼、流体阻尼等首先利用功能原理等效转换为线性或非线性的粘性

36、阻尼，然后从低速轴折算到高速轴（动力机轴）按阻尼力做功相等折算后的等效阻尼系数 对于负载风阻系数从低速轴折算到高速轴的等效阻尼系数,二、机械系统特性参数的计算,4.机械系统固有频率的计算 一般整个机械系统的特性可以用若干相互耦合的质量-弹簧-阻尼子系统表示，其中每个子系统的固有频率可表示为 在为了满足机电一体化的高动态特性，机械系统的各个分系统的固有频率均应远高于机电一体化系统的设计固有频率。各分系统固有频率最好相互错开。对于可控硅驱动装置，应注意机械系统固有频率不能与控制装置的脉冲频率接近，否则将产生机械噪声并加速机械部件的磨损。,二、机械系统特性参数的计算,5机械系统误差的计算 在机械系统

37、的误差除了零部件的制造及安装所引起的，还有由于机械系统的动力参数(如刚度、惯量、摩擦、间隙等)所引起的误差。在系统设计时，必须将其控制在允许范围内。 （1）机械系统死区误差的等效计算 机械系统误差的等效计算是将系统中各零部件产生的误差等效折算到系统的输出端累计求和得到系统的总误差。 所谓死区误差，又叫失动量，是指启动或反向时，系统的输入运动与输出运动之间的差值。 产生死区误差的主要原因： 传动机构中的间隙，导轨运动副间的摩擦力以及电气系统和执行元件的启动死区(即不灵敏区)。,二、机械系统特性参数的计算,由传动间隙所引起的工作台等效死区误差为 等效到丝杆上为 由摩擦力引起的死区误差实质上是传动机

38、构为克服静摩擦力而产生的弹性变形。于是摩擦死区误差为 若采取消除间隙措施，则死区误差主要取决于摩擦死区误差。,（2）由系统刚度变化引起的定位误差,影响系统定位误差的因素很多，这里仅讨论由丝杠螺母机构综合拉压刚度的变化所引起的定位误差。 空载条件下，由单一刚度变化所引起的整个行程范围内的最大定位误差 对于开环控制的伺服系统，一般应控制在系统允许定位误差的1/31/5范围内。,1.3 机械系统的主要动力参数计算,1.阻尼的影响 （1）当阻尼比 =0时，系统处于等幅持续振荡状态。 （2）当1 时，系统为临界阻尼或过阻尼系统。无振荡，但响应慢。 （3）当0 1时，系统为欠阻尼系统，减幅振荡状态，其幅值

39、衰减的快慢，取决于阻尼系数 和固有频率n 。在n 确定以后， 愈小，其振荡愈剧烈，过渡过程越长。相反， 越大，则振荡越小，过渡过程越平稳，系统稳定性越好，但响应时间较长，系统灵敏度降低。 应综合考虑性能指标，一般0.4 0.8的欠阻尼系统，既能保证振荡在一定的范围内，过渡平稳，过渡时间短，又具有较高的灵敏度。,三、特性参数对机电一体化系统的影响,2.摩擦的影响 当两物体产生相对运动或有相对运动趋势时，其接触面就要产生摩擦。摩擦力可分为粘滞摩擦力、动摩擦力和静摩擦力三种，方向均与运动方向相反。 摩擦对伺服系统的影响主要有：引起动态滞后，降低系统的响应速度，导致系统误差和低速爬行。 （1）摩擦引起

40、动态滞后和系统误差 系统从静止状态进入运动时，由于静摩擦力矩的作用，输出轴不会立刻运动，会由静摩擦引起传动死区，其大小为,（1）摩擦引起动态滞后和系统误差 当输入轴以恒速继续运动，在i|Ts /k |后，输出轴也以恒速运动，但始终滞后一个角度，即系统的稳态误差。若粘滞阻尼系数为f，则有： （2）摩擦引起的低速爬行 由于非线性摩擦的存在，机械系统在低速运行时，常常会出现爬行现象，导致系统运行不稳定。产生爬行的临界速度为,（2）摩擦引起的低速爬行,设计机械系统时，应尽量减少静摩擦和降低动、静摩擦之差值，以提高系统的精度、稳定性和快速响应性。 适当的增加系统的转动惯量和粘滞阻尼系数也有利于改善低速爬

41、行现象，但转动惯量增加将引起伺服系统响应性能的降低；增加也会增加系统的稳态误差，故设计时必须权衡利弊，优化处理。,3.结构弹性变形的影响 当伺服电动机带动机械负载运动时，机械系统所有的元件都会因受力而产生不同程度的弹性变形。 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。 根据伺服控制理论，为避免机械系统发生结构谐振，该系统电动机转子固定时的固有频率应大于等于伺服系统带宽的5倍 通常采取提高系统刚度、合理选择零件截面形状和尺寸，对支承件施预加载荷等方法提高零件刚度。在多级传动中则需提高输出轴的折算刚度。 在不改变机械结构固有频率的情况下，通过增大阻尼也可以抑制谐振

42、。,4.转动惯量的影响 转动惯量对伺服系统的精度、稳定性、动态响应都有影响。 转动惯量大，系统的机械常数大，响应慢。 转动惯量大， 值将减小，使系统振荡增强，稳定性下降； 转动惯量大，会使系统的固有频率下降，容易产生谐振，影响了伺服精度和响应速度。 转动惯量的适当增大只有在改善低速爬行时有利。,5.间隙的影响 （1）闭环之外的齿轮齿隙，对系统稳定性无影响，但影响伺服精度。齿隙在传动装置逆运行时造成回程误差，影响精度。 （2）闭环之内的齿轮齿隙，对系统静态精度无影响。由于齿轮副的啮合间隙会造成传动死区，若闭环系统的稳定裕度较小，则会使系统产生自激振荡，因此闭环之内的齿隙对系统的稳定性有影响。 （

43、3）反馈回路上的齿轮齿隙既影响稳定性，又影响精度。 因此，尽量减小或消除间隙。 目前在机电一体化系统中，广泛采取各种机械结构来消除齿轮副、螺旋副等传动副的间隙。,1.4 机械系统部件的选择计算,1齿轮传动比的计算 （1）最佳总传动比计算 传动机构设计必须满足系统伺服性能的要求，齿轮副传动比应尽可能达到使系统响应快、精度高的要求。 最佳总传动比:在设计时应寻找使等效负载转矩值最小或负载加速度最大的总传动比，即伺服特性最好的传动比。,一、齿轮传动副的选择计算,如右图所示传动系统的计算模型。设 1）负载角加速度最大的总传动比,按动力学第二定律：,2）等效峰值综合负载转矩最小的总传动比 令峰值综合工作

44、负载转矩和摩擦负载转矩分别为Tcp和Tfp，换算到电动机轴上的等效峰值负载转矩为,3）等效方和根综合负载转矩最小的总传动比 令方和根综合工作负载转矩和摩擦负载转矩分别为TcR和TfR，折算到电动机轴上的等效方和根综合负载转矩为,最佳总传动比是满足伺服动态性能要求的传动比，但未必与系统的驱动伺服电动机及系统所要求的脉冲当量匹配。 数控机床齿轮传动副总传动比与电动机及系统的脉冲当量之间的关系为,（2）与伺服电动机匹配的总传动比计算,2.总传动比分配 总传动比确定后，根据对传动链的技术要求，选择传动方案。若总传动比较大，又要采用多级齿轮传动，需要确定传动级数，并在各级之间分配传动比。 可按下述三种原

45、则适当分级，并在各级之间分配传动比。 （1）最小等效惯量原则 （2）质量最小原则 （3）输出轴转角误差最小原则,一、齿轮传动副的选择计算,（1）最小等效惯量原则,1）小功率传动 以图示电动机驱动两级齿轮传动为例。第一对齿轮速比为i1，第二对齿轮速比为i2，均大于1。假设各主动小齿轮具有相同的转动惯量J1。各齿轮均为实心圆柱体，且齿宽b、密度及材料均相同，轴与轴承的转动惯量不计，效率为100%。 等效负载转动惯量为 由于齿轮的转动惯量为 故,所以齿轮传动系统的负载转动惯量为 最小惯量的条件 对于n级齿轮系,2）大功率传动 大功率传动的转矩较大，小功率传动中的各项简化假设大多不合适。可按图1.43

46、-a的曲线确定传动级数。,图1.43-a确定大功率传动级数的曲线,（2）质量最小原则,1）小功率传动 假设同前，且各主动小齿轮的模数、齿数、齿宽均相等，则对于级传动 2）大功率传动 仍以前例的两级传动为例。假设所有主 动小齿轮的模数与所在轴上转矩的三 次方根成正比，其分度圆直径d，齿 宽b也与转矩T的三次方根成正比。 另假设b1=b2 ， b3=b4,（3）输出轴转角误差最小原则,n级齿轮系输出轴总的转角误差为 可见，为提高齿轮系的传动精度。 有输入端到输出端，各级传动比应 按“先小后大”原则分配，且最末一级传动比应尽可能大，并提高最末一级齿轮副的加工精度,2.总传动比分配,总传动比的分配原则

47、应根据具体情况进行综合考虑： 1）对于传动精度要求较高的降速齿轮传动链，按输出轴转角误差最小的原则设计。若为增速传动，则开始几级就增速。 2）对于要求运动平稳、启停频繁和动态性能好的降速传动链，按等效转动惯量最小原则或输出轴转角误差最小原则设计。对于负载变化的，各级传动比最好采用不可约的比数，避免同时啮合，使磨损均衡。 3）对于质量尽可能小的降速传动链，可按质量最小原则设计。,3.提高齿轮传动精度的措施 （1）齿轮误差的综合与分析：建立总误差的数学模型，分析各影响因素，控制对误差影响明显的单个误差的大小。 （2）合理布置传动链：缩短传动链，减少传动副数；总传动比确定后，各级传动比应按“先小后大

48、”原则分配，并提高最末一级齿轮副的加工精度；在不影响整体结构尺寸的前提下，增大小齿轮齿数，使重合度增大。 （3）采用补偿与校正装置 （4）提高有关零件的精度： 在分析性价比的前提下，进行精度综合，适当提高有关零件的精度。,1.4 机械系统部件的选择计算,滚珠丝杠副的承载能力计算包括： 强度计算、刚度校核、稳定性校核及临界转速校核。 滚珠丝杠传动副选择计算的步骤 进行强度计算(计算出轴向载荷)， 根据强度要求等确定滚珠丝杠副的性能参数， 选择滚珠丝杠螺母的类型及型号， 进行必要校核验算。,二、滚珠丝杠传动副的选择计算,特殊情况： 对于传递扭矩大、传动精度要求高的，应校核其刚度； 对于细长受压的，

49、应核算其压杆稳定性； 对于转速较高、支承距离较大的，应核算其临界转速。一般丝杠工作转速低于100rmin时无需核算。 为了补偿因工作温升而引起的丝杠伸长量、保证滚珠丝杠副在正常使用时的定位精度和系统刚度，可采取在丝杠轴安装时进行预拉伸的方法。,1.滚珠丝杠传动副的选择计算 （1）强度计算的原则 滚珠丝杠副的强度计算原则与滚动轴承相似，需要防止疲劳点蚀。因此，滚珠丝杠副首先应满足疲劳强度要求。即根据其额定动载荷选用一批相同的滚珠丝杠副，在轴向载荷C作用下，运转10转后，其中90%不产生疲劳点蚀，则C称为这种规格滚珠丝杠副的额定动载荷。,（2）强度计算 一般情况下，滚珠丝杠副的强度条件是当量动载荷Cm(工作中滚珠丝杠副的最大动载荷)应小于所选用的滚珠丝杠副的额定动载荷Ca，即 CaCm 。 滚珠丝杠副的当量动载荷为 L为工作寿命(以10 r为单位1),