第二章机电一体化系统的机械系统.

第二章机电一体化系统的机械系统2.1.1机械系统的主要组成（1）传动机构传动机构不仅仅是转速和转矩的变换器,而且已成为伺服系统的一部分,它要根据伺服控制的要求进行选择设计,以满足整个机械系统良好的伺服性能。（2）导向机构导向机构的作用是支承和导向,它为机械系统中各运动装置能安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障,一般指导轨、轴承等。（3）执行机构执行机构是用来完成操作任务的直接装置。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。2.1概述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。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。2.2机械传动系统的设计2.2.1概述（1）机械传动装置的功能机械传动是一种运动和动力的传递装置,是扭矩和转速的变换器,其目的是在动力机与负载之间使扭矩得到合理的匹配,并可通过机构变换实现对输出的速度调节。在机电一体化系统中,伺服电动机的伺服变速功能在很大程度上代替了传统机械传动中的变速机构,只有当伺服电机的转速范围满足不了系统要求时,才通过传动装置变速。（2）常用机械传动装置齿轮传动、同步带传动、链传动、谐波齿轮传动、滚珠丝杠传动，其它传动元件。（3）对传动装置的基本要求传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传动转矩大。（4）机电一体化机械传动装置的发展方向精密化，高速化，小型化，轻量化。2.2.2常用齿轮传动装置机电一体化系统中，常用的齿轮传动部件：定轴传动轮系、行星齿轮传动轮系、谐波齿轮传动轮等。1、定轴轮系传动轮系中各齿轮的轴线相对机架的位置不变。功用：可用作较远距离的传动，获得较大的传动比，可改变从动轴的转向，获得多种传动比。i=ii12i12iZZZZi=1-2132H2213Z2当柔轮固定时，Z-Zgi=r=gZgZrHng+2ZZ=ngri=ii12i12iZZZZi=1-2132H2213Z2当柔轮固定时，Z-Zgi=r=gZgZrHng+2ZZ=ngr2、行星齿轮传动轮系主要由传动齿轮、定位齿轮、行星齿轮和行星架等组成。行星齿轮传动的主要特点：体积小，承载能力大，工作平稳。但大功率高速行星齿轮传动结构较复杂，要求制造精度高。3、谐波齿轮传动(harmonicgeardrive)主要组成元件主要由波发生器、柔性齿轮和刚性齿轮三个基本构件组成，是一种靠波发生器使柔性齿轮产生可控弹性变形，并与刚性齿轮相啮合来传递运动和动力的齿轮传动。易损件谐波齿轮传动过程第3章机电一体化系统的机械系统谐波齿轮传动的优点：(1)结构简单，体积小，重量轻(2)传动比范围大单级：50~300；双级：3000~60000(3)同时啮合的齿数多正是由于这一独特的优点，使谐波传动的精度高，齿的承载能力大，进而可实现大速比、小体积。(4)承载能力大，运动精度高(5)运动平稳，无冲击，噪声小(6)齿侧间隙可以调整(7)齿面磨损小而均匀，传动效率高第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。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。2.2.3齿轮传动系总传动比的确定P30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。传动模型如图2-1所示。图中：Jm——电动机M转子的转动惯量；θm——电动机M的角位移；JL——负载L的转动惯量；θL——负载L的角位移；TLF——摩擦阻抗转矩；i——齿轮系G的总传动比。JmiJLMGLmLTLF图2-1电机、传动装置和负载的传动模型电动机齿轮系负载JmiJLMGLmLTLF图2-1电机、传动装置和负载的传动模型电动机齿轮系JmiJLMGLmLTLF图2-1电机、传动装置和负载的传动模型电动机负载齿轮系JmiJLMGLmLTLF图2-1电机、传动装置和负载的传动模型电动机JmiJLMGLmLTLF图2-1电机、传动装置和负载的传动模型电动机齿轮系电动机齿轮系负载电动机齿轮系JmiJLMGLmLTLF图2-1电机、传动装置和负载的传动模型电动机齿轮系JmiJLMGLmLTLF图2-1电机、传动装置和负载的传动模型电动机负载齿轮系JmiJLMGLmLTLF图2-1电机、传动装置和负载的传动模型电动机电动机齿轮系负载电动机齿轮系电动机负载齿轮系电动机电动机齿轮系电动机齿轮系负载电动机齿轮系电动机齿轮系电动机负载齿轮系JmiJLMGLmLTLF图2-1电机、传动装置和负载的传动模型电动机式中:——电动机的角位移、角速度、角加速度；——负载的角位移、角速度、角加速度。1LmLmLmimmmLLL其传动比为：TLF换算到电动机轴上的阻抗转矩为TLF/i；JL换算到电动机轴上的转动惯量为JL/i2。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：LmLFmLLLmmLmLFmdJiJTiTiiJJiJJiTTT222)()((2-1)在式(2-1)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,则解得若不计摩擦,即TLF＝0,则L0/didLmLmLFmLFJJTTTTi2mLmLJiJJJi2或(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。mLJJi(2-2)mLJiJ2或指出教材中的错误P30、P31齿轮系统的总传动比确定后，根据对传动链的技术要求，选择传动方案，使驱动部件和负载之间的转矩、转速达到合理匹配。若总传动比较大，又不准备采用谐波、少齿差等传动，需要确定传动级数，并在各级之间分配传动比。单级传动比加大将使传动系统简化，但大齿轮的尺寸增大会使整个传动系统的轮廓尺寸变大。可按下述三种原则适当分级，并在各级之间分配传动比。2.2.4传动链的级数和各级传动比的分配1、等效转动惯量最小原则P31利用该原则所设计的齿轮传动系统，换算到电机轴上的等效转动惯量为最小。齿轮系传递的功率不同,其传动比的分配也有所不同。（1）小功率传动装置假定条件：各主动小齿轮具有相同的转动惯量J1,轴与轴承的转动惯量不计，各齿轮均为实心圆柱体，且齿宽和材料均相同，效率为1。第3章机电一体化系统的机械系统对于n级齿轮系,有由此可见,各级传动比分配的结果应遵循“前小后大”的原则。本页内容教材上有错：[i1,“前大后小”]。)......4,3,2(2221222/1)12(2121)1(12nkiiiinknnnnkn（2-3）（2-4）例2-1设有i=80,传动级数n=4的小功率传动,试按等效转动惯量最小原则分配传动比。解：7268.1802121)12(21421444i1085.2)280(21222/424)12(i1438.3)280(21542/43i9887.6)280(215824i验算i=i1i2i3i4≈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（2）大功率传动装置大功率传动装置传递的扭矩大,各级齿轮副的模数、齿宽、直径等参数逐级增加,各级齿轮的转动惯量差别很大。大功率传动装置的传动级数及各级传动比可依据图2-4、图2-5、图2-6来确定（教材：P32图2-30）。传动比分配的基本原则仍应为“前小后大”。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图2-6大功率传动装置确定各级传动比曲线10ik8642123468101246810ik－1123468BA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。图2-4第3章机电一体化系统的机械系统查图2-5（P32图2-30b）,得i1＝3.3。图2-5256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i1i2i3i4＝256.26。满足设计要求。10ik8642123468101246810ik－1123468BA图2-62、质量最小原则（1）小功率传动装置对于小功率传动系统（假设条件同前），使各级传动比满足：即可使传动装置的重量最轻。上述结论对于大功率传动系统是不适用的，因其传递扭矩大，故要考虑齿轮模数、齿轮齿宽等参数要逐级增加的情况。nniiiii....321（2）大功率传动装置大功率减速传动装置按质量最小原则确定的各级传动比表现为“前大后小”的传动比分配方式。[说明]：减速齿轮传动的后级齿轮比前级齿轮的转矩要大得多,同样传动比的情况下齿厚、质量也大得多,因此减小后级传动比就相应减少了大齿轮的齿数和质量。方法一：可以按图2-7和图2-8（见下一页）选择。方法二：见教材P32。图2-7大功率传动装置两级传动比曲线（i10时,使用图中的红线）1075432110203040507010012345710i1i2i1i2iik图2-8大功率传动装置三级传动比曲线（i100时,使用图中的红线）302010987653210203040501001002003005001000i1iiki2i3i1i2i3例2-4设n＝3,i＝202,求各级传动比。解：查图2-8可得i1≈12，i2≈5，i3≈3.4验算：i1i2i3＝204基本满足设计要求。302010987653210203040501001002003005001000i1iiki2i3i1i2i33、输出轴转角误差最小原则为了提高机电一体化系统中齿轮传动系统传递运动的精度，各级传动比应按“先小后大”原则分配，以便降低齿轮的加工误差、安装误差以及回转误差对输出转角精度的影响。图2-10四级减速齿轮传动链3i2412i15i36i478输出以图2-10所示四级齿轮减速传动链为例。四级传动比分别为i1、i2、i3