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1、1. 机械传动系统特点,机电一体化机械系统应包括如下三大部分机构： （1）传动机构 机电一体化机械系统中的传动机构不仅仅是转 速和转矩的变换器，而是已成为伺服系统的一部分。 考虑与伺服系统相关的精度、稳定性、快速响应等特性 （2）导向机构 其作用是支承和导向，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。 考虑低速爬行现象 （3）执行机构 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。 考虑灵敏度、精确度、重复性、可靠性,2. 摩擦,摩擦力：两物体有相对运动趋势或已产生相对运动时，其接触面间会产生摩擦力。,摩擦力,静摩擦力,库仑摩擦力,粘性摩擦力,动摩擦力
2、,2. 摩擦,摩擦对机电一体化伺服系统的主要影响： 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；在接近非线性区，即低速时产生爬行。,3. 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。,3. 爬行,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，速度降低，动摩擦力相应增大，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
3、簧，爬行现象进入下一个周期。,3. 爬行,、推力最大静摩擦力 静止 、推力最大静摩擦力 运动 、推力动摩擦力 加速运动 、推力动摩擦力 减速运动 静止,3. 爬行,由上述分析可知，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。,3. 爬行, 提高传动系统的刚度 a在条件允许的情况下，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。如适当 的加粗传动丝杠的直径，缩短传动丝杠的长度，减少和消 除各传动副之间的间隙。 b尽量缩短传动链，减小传动件数和弹性变形量
4、。 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。,消除爬行现象的途径（实际做法）,3. 爬行, 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。从根本上改变摩擦面 间的摩擦性质，基本上可以消除爬行。 b选择适当的摩擦副材料，降低摩擦系数。 c降低作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。,消除爬行现象的途径（实际做法）,4. 阻尼,阻尼是系统的固有特
5、性，而不仅仅可以认为是材料的特性，对于一个振动系统，我们定义所有消耗系统机械能的因素都为阻尼。,例如： 空气等流体对于速度的衰减； 材料本身内摩擦将机械能转化为热能； 装配体中两个相连的零件的摩擦和相互剪切（例如螺栓链接处我们认为有阻尼）等。,4. 阻尼,阻尼比大小对传动系统的振动特性有不同的影响： =0时，系统处于等幅持续振荡状态，因此系统不能没有阻尼，任何机电系统都具有一定的阻尼。 (2) l称为过阻尼系统；1称为临界阻尼系统。这两种情况工作中不振荡，但响应速度慢。 (3) 01称为欠阻尼系统。在值为0.5 0.8之间（即在0.707附近）系统不但响应比临界阻尼或过阻尼系统快，而且还能更快
6、的达到稳定值。但在0.5时，系统虽然响应更快，但振荡衰减的很慢。 系统设计时，一般取0.50.8,5. 刚度,刚度：使弹性物体产生单位变形所需要的作用力。,对于机械传动系统来说，刚度包括零件产生各种弹性变形的刚度和两个零件接面的接触刚度。,对于伺服机械传动系统，增大系统的传动刚度有以下好处： （1）可以减少系统的死区误差，有利于提高传动精度； （2）可以提高系统的固有频率，有利于系统的抗振性； （3）可以增加闭环控制系统的稳定性。,6. 谐振频率,输入信号的激励频率等于系统的谐振频率，系统会产生共振不能正常工作。,对于闭环系统，要求机械传动系统中的最低固有频率（最低共振频率）必须大于电气驱动部
7、件的固有频率。,对于机械传动系统，它的固有频率取决于系统各环节的刚度及惯量，因此在机械传动系统的结构设计中，应尽量降低惯量，提高刚度，达到提高传动系统固有频率的目的。,一般要求机械传动系统最低固有频率OI300rads，其他机械系统OI600rads。,7. 间隙,机械传动装置一般都存在传动间隙,例如“齿轮传动的齿侧间隙、丝杠螺母传动间隙、轴承的间隙及联轴器的传动间隙等”，这些间隙是造成死区误差（不灵敏区）的原因之一。,对于伺服机械传动系统，由于传动精度是重要的指标，应尽量减小和消除间隙，保证系统的精度和稳定性。,8. 转动惯量,转动惯量是物体转动时惯性的度量。,(1) 转动惯量是表征刚体转动
8、惯性大小的物理量，它与刚体的质量、质量相对于转轴的分布有关。 (2) 同一刚体对不同转轴的转动不同,凡是提到转动惯量,必须指明它是对哪个轴的才有意义。,转动惯量越大，物体的转动状态就越不容易改变。,8. 转动惯量,传动系统折算到电动机轴上的转动惯量过大产生的影响有：,电动机的机械负载增大 机械传动系统响应变慢 系统的振荡增强，稳定性下降 系统的固有频率下降，容易产生谐振等。,但转动惯量的适当增大，对改善低速爬行是有利的。,8. 转动惯量,(1) 圆柱体转动惯量(kg m2),式中 m质量，单位kg； R圆柱体半径，单位m。,齿轮、联轴器、丝杠和轴等接近于圆柱体的零件都可用上式计算（或估算）其转
9、动惯量。,8. 转动惯量,(2) 丝杠轴折算到电动机轴的转动惯量（相邻两轴，后轴向前轴转动惯量的折算）,式中 i 前轴到后轴的（总）传动比； JS 后轴的转动惯量。,8. 转动惯量,(3) 直线移动工作台折算到丝杠上的转动惯量,式中：L为丝杠导程，单位m； m工作台及工件的质量，单位kg。,8. 转动惯量,（4）丝杠传动时，传动系统折算到电动机轴上的总转动惯量,J1小齿轴及电动机轴的转动惯量 J2大齿轴的转动惯量 Js丝杠的转动惯量 L丝杠的螺距 m工作台及工件质量,8. 转动惯量,(5) 齿轮齿条传动时工作台折算到小齿轮轴上的转动惯量,R齿轮分度圆半径（m） m工作台及工件质量（kg）,8.
10、 转动惯量,(6) 齿轮齿条传动时传动系统折算到电动机轴上的总转动惯量,J2 Z,J1,J1、J2分别为轴和轴及其上面齿轮的转动惯量 i传动比 m工作台及工件的质量 R齿轮Z的分度圆半径,8. 转动惯量,(7) 工作台折算到带传动驱动轴上的转动惯量,m工作台及工件质量 v工作台移动速度 驱动轴的角速度,8. 转动惯量,例1：求系统折算到电机轴上的总转动惯量,8. 转动惯量,惯量匹配原则, 对于采用惯量较小的直流伺服电动机的伺服系统：,1,3,小惯量直流伺服电动机的惯量低达,JL折算到电动机轴上的总等效转动惯量 JM电动机自身转动惯量,JL/JM比值大小对伺服系统的性能有很大的影响，并且与直流伺
11、服电动机的种类和应用场合有关，通常分为两种情况：,8. 转动惯量,惯量匹配原则, 对于采用大惯量直流伺服电动机的伺服系统：,大惯量直流伺服电动机的转动惯量,JL折算到电动机轴上的总等效转动惯量 JM电动机自身转动惯量,0.25,1,8. 转动惯量,惯量匹配原则,小惯量直流伺服电动机： 加减速能力强，动态性能好，响应快。但容易发生对电源频率的响应共振，当存在间隙、死区时容易造成振荡和蠕动。,大惯量直流伺服电动机： 惯性大、转矩大，且在低速下提供额定转矩，可与滚珠 丝杠直接相联，受惯性负载影响小，调速范围大，允许长时间的过载，过载能力强。,8. 转动惯量,例2 图示为以进给工作台，直流伺服电动机M,制动器B，工作台A，齿轮G1G4以及轴1、2的数据见表21，工作台质量含工件mA=300kg,试求该装置换算至电动机轴的总等效转动惯量,并判断是否满足惯量匹配原则。,思考题,95页习题2.5 2.6,
