机电一体化系统的机械系统共38页

轴的临界转速，认为转速频率等于轴的横向固有频率。
14
转子质心的相位变化
（a） n（, b） n
15
（2）考虑阻尼作用时的情形 实际中，阻尼总是存在的，线性阻尼力与速度成正比。
此时O、C、G三点一般不共线了，设OC、CG成角φ。
假定轴的横向刚度为kx=ky=k，系统的粘性阻尼系 数是cx=cy=c。圆盘的偏心距是e 。
其置中精度和方向精度分别用最大中 心误差△C和轴的最大偏角△γ来衡量。
温度变化也会导致 支承间隙的变化。
6
3、圆锥支承
方向精度、置中精度 高，承载能力强，轴 向位移可自动补偿磨 损间隙。
但摩擦阻力矩大，对 温度变化敏感，制造 成本较高。
承受轴向力，半锥角α小，置中精度高，但产生大的正压力，摩 擦阻力矩大，磨损、运动不灵活。
8
5、其它形式的支承
轴除自传外，还可轴向摆动一定角度。
9
顶针支承、 刀口支承、 钟摆的支承 结构图
10
（八）轴系部件的选择与设计
一、转子动力学基础
旋转机械的转子结构多样，在结构上具有最基本的转子 （转轴和圆盘组成）、轴承等。它们的简化力学模型总可表示 为：一圆盘装在一无质量的弹性转轴上，转轴两端由轴承及轴 承座支承。认为轴承支承是刚性的称为刚性支承转子，考虑支 承的弹性的称为弹性支承。
20
3）抗振性 轴系的振动表现为强迫振动和自激振动两种形 式。其振动原因有轴系组件质量不匀引起的动不平衡、轴的刚度 及单向受力等；它们直接影响旋转精度和轴承寿命。
提高轴系静、动刚度，增大轴系阻尼等可提高轴系的动态 性能。
刀口支承 。
2）对支承的要求
方向精度和置中精度
方向精度是指运动件转动时，其轴线与承导件的轴线产生

n
KT min J es
3.52104 rad / s 953rad / s 0.1
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四、传动精度 由于传动件之间的间隙和传动件的安装及制造误差而引起两种误差，称为传
动误差和回程误差。传动链的传动误差和回程误差会影响系统的精度和稳定性。 它们对系统性能的影响随其在系统中的位置的不同而不同。
n
K0min m
2.38108 rad / s 630rad / s 600
由例2.1知，电动机轴上的系统总转动惯量
J 4.37 103 kg m2
则折算到丝杠轴上的系统总转动惯量为：
Jes Ji2 4.37 103 4.82 kg m2 0.1kg m2
忽略电动机轴和齿轮轴的扭转变形，系统扭转振动的最小固有频率为：
好、适用范围广、可实现大功率或者高精度传动，效率高、传动平稳，不易实 现大传动比、体积较大。
图2.5 齿轮传动机构
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（2）蜗轮蜗杆传动 其特点是传动比大、输出轴与输入轴垂直、结构紧凑、可反向自锁，传
动效率低。
图2.6 蜗轮蜗杆传动机构
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（3）同步齿型带传动 同步带传动具有带传动、链传动和齿轮传动的优点。同步齿型带传动由于
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2、刚度的计算 （1）拉压刚度计算 丝杠螺母机构的拉压刚度是由丝杠机构的拉压刚度
丝杠螺母见的接触刚度
KN 及丝杠轴承的支承
KL 、 KB
三部分组成。 ①一端轴向支承的丝杠，其拉压刚度为：
d2E
KL = 4l
式中： d ——丝杠的中径，
m
—E—材料的拉压弹性模量，
l——受力点40页
（1）计算丝杠螺母系统的刚度

Thank you
பைடு நூலகம்
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
机电一体化系统的机械系统概述
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。

机械系统部件的设计要求
与一般的机械系统设计要求相比，机电一体化系统 的机械系统要求定位精度高，动态响应特性好（即响应要 快，稳定性要好），为达到要求，在设计中常提出无间隙、 低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等 要求。为达到上述要求，主要从以下几方面采取措施：
（1）单推-单推式
可预拉伸安装，预紧力大， 轴向刚度较高。
简易单推-单推式支承
（2）双推-双推式
轴向刚度最高，适于高刚度、 高速、高精度的丝杠传动。 对丝杠热变形敏感。
（3）双推-简支式
预紧力小，寿命长，常用 于中速、高精度的长丝杠 传动系统。注意丝杠热变 形影响。
（4）双推-自由式
承载能力小，轴向刚度低，多用于 短程、轻载、低速的垂直安装。
4) 缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支承变形的 措施； 5) 提高刚度 改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振 动、降低噪声。选材上；结构轻型化、紧密化。
这些措施反映了机电一体化系统设计的基本特点。
二、机械传动部件的选择与设计
机械传动部件的主要功能是传递转矩和转速，它实质上 是一种转矩、转速变换器，其目的是使执行元件与负载之间在 转矩与转速方面得到最佳匹配。
（3）谐振频率 包括机械传动部件在内的弹性系统，若不计 阻尼，可简化为质量-弹簧系统，为多自由度系统，有第一谐振 频率和高阶谐振频率等。当外界传来的激振频率接近或等于系 统固有频率时，系统产生谐振，不能正常工作。
还有电气驱动部件的谐振频率。
（4）摩擦 摩擦分为粘性摩擦、库仑摩擦和静摩擦。
实际机械导轨的摩擦特性随材料和表面状态的不同有很 大的不同。
（一）机械传动部件的功能要求及常用的传动部件
机械传动部件的传动类型、传动方式、传动刚性以及传 动可靠性对机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性有重 要影响。机电一体化系统设计时，需要选择传动间隙小、精度 高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。

刚度越大，系统固有频率越高，不易产生共振， 系统稳定性高。
4）质量、惯量 质量与惯量影响系统的固有频率，影响系统的
稳定性。
在不影响系统刚度的条件下，传动机构的质量 与转动惯量应尽可能小。
5）间隙
在传动装置逆运行时造成回程误差，影响系统精 度；产生传动死区，使系统产生自激振荡，影响系统 稳定性。
为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，在 设计中，要提出无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、 高谐振频率、适当的阻尼比等要求。
1、影响传动机构动力学特性的因素及其要求
1）阻尼
二阶系统单位阶跃响应曲线
(a)当阻尼比ξ=0时，系统处于等幅界阻尼或过阻尼系统。 过渡过程无振荡，但响应时间较长。
(c)当阻尼比0＜ξ＜1时，系统为欠阻尼系统。系统在过渡过 程中处于减幅振荡状态，其振幅衰减的快慢，取决于衰减系数
三、滚珠丝杠传动副
微小型丝杠
1、构成原理与工作特点
1—丝杠 2—螺母 3—滚珠 4—回程引导装置
外滚道 滚珠
反向器
螺母 丝杠
内滚道
工作特点: a、传动效率高。
b、运动可逆。 c、刚度好。 d、传动精度高。 e、寿命长。 f、不能自锁。 g、工艺复杂。
2、丝杠螺母机构传动形式 1）螺母固定、丝杠转动并移动
螺母本身起着支承作用，消除了丝杠轴承可能产 生的附加轴向窜动，结构较简单，可获得较高的传动 精度。但其轴向尺寸不易太长，刚性较差。因此只适 用于行程较小的场合
2）丝杠转动、螺母移动
要限制螺母的转动，故需导向装置。其特点是结构 紧凑、丝杠刚性较好。适用于工作行程较大的场合。
3）螺母转动、丝杠移动
需要限制螺母移动和丝杠的转动，由于结构较 复杂且占用轴向空间较大，故应用较少。

第3章 机电一体化系统的机械系统
缺点：
(1) 柔轮周期性变形，易于疲劳损坏 (2) 柔轮和波发生器的制造难度较大 (3) 传动比的下限值高，齿数不能太少 (4) 谐波齿轮传动没有中间轴，因而不能获得 中间速度 (5) 如果结构参数选择不当，会过热，降低传 动承载能力 目前，各国学者公认的谐波传动最为主要的失 效形式：柔轮筒体的疲劳破坏。

TLF TLF JL i Tm Tm J m
若不计摩擦,即TLF＝0, 则
2
i
JL JL 或 2 Jm Jm i
(2-2)
i
JL Jm
或
JL Jm 2 i
(2-2)
式(2-2)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
验算i= i1 i2 i3 i4≈80。

若以传动级数n为参变量, 齿轮系中折算到电
动机轴上的等效转动惯量 Je 与第一级主动齿轮的
转动惯量 J1 之比为 Je/J1, 其变化与总传动比 i 的关
系如图2-3所示。

可利用 Je/J1 与 i的关系确定传动级数。
图2-3 小功率传动装置确定传动级数曲线
查图2-5（P32 图2-30b）, 得i1＝3.3。
256
图2-5
查图2-6（P32 图2-30c）, 在横坐标ik-1上i1=3.3处作垂直线与 A线交于第一点, 在纵坐标 ik 轴上查得i2＝3.7。 通过该点作水平线与B曲 线相交得第二点i3＝4.24。由 第二点作垂线与A曲线相交得 第三点i4＝4.95。 验算i1 i2 i3 i 4＝256.26。 满足设计要求。
例2-2 设有i=256的大功率传动装置, 试按等效转动惯量最小 原则分配传动比。 解：查图2-4（P32 图2-30a）, 得n=3, Je/J1=70；n=4, Je / J1 =35；n=5, Je / J1 =26。兼顾到 Je / J1值的大小和传动装置 的结构, 选n＝4。

（2）良好的动态响应特性 — 响应快、稳定性好。 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，这样 控制系统才能及时根据机械系统的运行 状态信息，下达指令，使其准确地完成 任务。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。
（3）无间隙、低摩擦、低惯量、大刚 度。
（4）高的谐振频率、合理的阻尼比。
图2-4、图2-5及图2-6的用法参见例2-2。
图2-4 大功率传动装置确定传动级数曲线（P32）
图2-5 大功率传动装置确定第一级传动比曲线
101
2 3 4 6 8 10
8
8
6
6
4
4
i k
2
2
B
A
1
1
2 3 4 6 8 10
ik－1
图2-6 大功率传动装置确定各级传动比曲线
第3章 机电一体化系统的机械系统 例2-2 设有i=256的大功率传动装置, 试按等效转动惯量最小
效形式：柔轮筒体的疲劳破坏。
第3章 机电一体化系统的机械系统
❖应用： 由于谐波传动具有其他传动无法比拟的诸多独
特优点，近几十年来，它已被迅速推广到机床、 机器人、汽车、造船、纺织、冶金、常规武器、 精密光学设备、印刷机构以及医疗器械等领域， 并获得了广泛的应用。
国内外的应用实践表明，无论是作为高灵敏度 随动系统的精密谐波传动，还是作为传递大转矩 的动力谐波传动，都表现出了良好的性能。
i4
2
(
80 22
8
)15

6.9887
验算i= i1 i2 i3 i4≈80。
❖ 若以传动级数n为参变量, 齿轮系中折算到电 动机轴上的等效转动惯量Je与第一级主动齿轮的 转动惯量J1之比为Je/J1, 其变化与总传动比i的关 系如图2-3所示。

机电一体化导论24
第2章 机电一体化机械系统设计 （1）偏心轴套调整法 图2-1所示为最简单的偏心轴套式消隙结构。电动 机2通过偏心轴套1装在壳体上。转动偏心轴套1可以调 整两啮合齿轮的中心距,从而消除直齿圆柱齿轮传动的 齿侧间隙及其造成的换向死区。 这种方法结构简单,但侧隙调整后不能自动补偿。
机电一体化导论14
第2章 机电一体化机械系统设计
二. 传动间隙的影响
在机械传动系统中通常存在着传动间隙，如齿轮 传动的齿侧间隙、丝杠螺母的传动间隙、丝杠轴承的 轴向间隙、联轴器的扭转间隙等。传动间隙主要是机 械方面的问题，对伺服系统的的精度和稳定性都有影 响，在机电一体化机械系统中都尽力使之完全消除。
机座和机身起着支承和连接一定的零部件、并使 它们保持规定的相互位置关系的作用，其刚度对系统 的弹性变形和结构固有频率都有重要影响。机座和机 身一般具有较大的质量和尺寸，通过合理布置筋板和 加强筋来提高刚度，较之增加壁厚效果更为显著。近 年来，机座和机身有采用钢板焊接结构代替铸件的趋 势，这是因为钢板焊接结构容易采用有利于提高刚度 的筋板布置形式，钢板的弹性模量是铸件的2倍，因而 可以提高刚度，减轻重量，显著提高结构的固有频率。
一. 摩擦的影响 互相接触的两物体间只要有相对运动或有相对运 动的趋势，就有摩擦力存在。摩擦力可分为静摩擦力、 库仑摩擦力和粘性摩擦力。后两者可统称为动摩擦。
机电一体化导论 8
第2章 机电一体化机械系统设计
实际机械导轨 的摩擦特性随 材料和表面状 况的不同而有 很大的不同， 如图2-1所示。
图2-1 导轨面间的摩擦系数
机电一体化导论 5
第2章 机电一体化机械系统设计
(3) 选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减 少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能 提高加速能力。

第3章 机电一体化劳损坏 (2) 柔轮和波发生器的制造难度较大 (3) 传动比的下限值高，齿数不能太少 (4) 谐波齿轮传动没有中间轴，因而不能获得 中间速度 (5) 如果结构参数选择不当，会过热，降低传 动承载能力 目前，各国学者公认的谐波传动最为主要的失 效形式：柔轮筒体的疲劳破坏。
TLF JL Td Tm ( J m 2 ) m i i JL ( J m 2 ) i L i Tmi TLF L (2-1) J mi 2 J L
在式 (2-1) 中 , 若改变总传动比 i, 则 L 也随 之改变。根据负载角加速度最大的原则, 令 d L / di 0 ,则解得
2.1.2 对机械系统的特殊要求
机电一体化系统的机械系统与一般机械系统相
比，具有一定的特殊要求：
（1）较高的定位精度
精度直接影响产品的质量，尤其是机电一体
化产品，其技术性能、工艺水平和功能比普通的 机械产品都有很大的提高，机电一体化机械系统 的高精度是其首要的要求。
（2）良好的动态响应特性
— 响应快、稳定性好。
其传动比为：
i m L m L m L 1
式中:




m m m ——电动机的角位移、角速度、
角加速度；


L L L ——负载的角位移、角速度、角 加速度。


TLF换算到电动机轴上的阻抗转矩为TLF /i ；JL 2 换算到电动机轴上的转动惯量为JL /i 。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Td为：
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，

螺母转动、丝杠移动：需限制螺母移动和丝杠转动，结构复杂且占用轴向空间较大，应用较少。 丝杠固定、螺母转动并移动：结构简单、紧凑，使用不方便。 差动传动：多用于各种微动机构
滚珠丝杠传动部件
特点：如前所述
3.结构类型： 1) 按螺纹滚道的截面形状分 单圆弧型：接触角随轴向载荷大小的变化而变化。接触角增 大时，传动效率、轴向刚度以及承载能力也随之增大。 双圆弧型：接触角在工作过程中基本保持不变（45）。能存储一定的润滑油以减少摩擦；加工成本高
点：结构简单、传动比大、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。 用途：工业机器人、航空、航天等机电一体化系统中 传动比计算：g，r，H分别为刚轮、柔轮和波形发生器的角速度；Zg和Zr分别为刚轮和柔轮的齿数 刚轮固定(g =0)，柔轮输出： 若Zr=200，Zg=202, iHr=-100；负值说明柔轮与波形发生器的转向相反
按滚珠的循环方式分类：
循环方式
代号
特点
内循环
浮动反向器式 ( p.23 图2.6)
F
通道流畅性好，摩擦特性好；适用于高速、高灵敏度、高刚性的精密进给系统。
固定反向器式 ( p.23 图2.5)
G
结构回路短，摩擦小，效率高，径向尺寸小，反向器加工困难，装配调整也不方便。
外循环
螺旋槽式 ( p.24 图2.7)
L
工艺简单，径向尺寸小，易于制造；挡珠器刚性差，易磨损
插管式 埋入 凸出
CM CT
结构简单，容易制造，但径向尺寸较大，弯管端部用作挡珠器比较容易磨损。
端盖式 ( p.24 图2.9)
D
结构简单，工艺性好，常以单螺母形式用作升降传动机构。应用较少。