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1、第二章第二章机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 1第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 2学习目标学习目标 熟练掌握机械系统的组成及基本要求、精密机械技术的特点,几种典型机械传动机构的工作原理、参数选择等。掌握传感器的工作原理、分类、特性及选用原则，掌握伺服驱动系统的种类及其特点，系统的基本要求。重点：各种单元技术中常用元、部件的性能特点和重点：各种单元技术中常用元、部件的性能特点和选型原则选型原则,能够针对不同的工程问题，合理应用相能够针对不同的工程问题，合理应用相应的单元技术。应的单元技术。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 3目录2.1 概述
2、2.2 精密机械技术 2.3 传感检测技术2.4 伺服驱动技术 第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 42.1 概述 机电一体化是传统技术与一些新技术相结合而发展起来的多学科领域综合交叉的技术密集型学科。机电一体化技术所涉及的关键技术，除系统总体技术外，其它单元技术已发展成为相对独立的学科领域，具有各自的知识体系。本章从机电一体化系统设计的角度，纲要性地介绍主要概念、原理、设计原则和选用方法。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 52.2 精密机械技术 一、机电一体化中的机械系统组成传统的机械系统和机电一体化机械系统的主要功能都是完成一系列相互协调的机械运动
3、。但由于二者组成不同，导致其各自实现运动的方式不同。传统机械系统一般由动力件、传动件和执行件三部分加上电气、液压和机械控制等部分组成。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 6机电一体化系统中的机械系统则是由计算机协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务且机电部件信息流相互联系的系统。1.组成机电一体化系统中的机械系统主要包括以下五大部分：传动机构导向机构执行机构轴系机座或机架第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 7第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 82.2.机械系统设计要求机电一体化中的机械系统应满足以下三方面的要求，
4、以达到伺服系统的设计指标：1高精度2动作响应快3稳定性好3.设计内容机械本体设计无间隙、低惯性、低振动、低噪声和适当阻尼比的要求机械传动设计机械传动的控制第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 9二、机械传动机构 机械传动机构的基本要求 由于传动部件直接影响机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性，应设计和选择满足低摩擦、无间隙、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比以及与伺服电动机等其它环节的动态性能相匹配等要求的传动部件。主要从以下几个方面采取措施：采用低摩擦阻力的传动部件和导向部件减小反向死区误差选用最佳传动比缩短传动链，提高传动与支承刚度，以减小结构的弹性变形通过刚度
5、、质量和摩擦系数等参数的合理匹配得到适当的阻尼比第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 10常用传动机构及其传动功能 第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 11传动机构的发展 随着机电一体化技术的发展，要求传动机构不断适应新的技术要求：精密化高速化小型化和轻量化第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 12传动机构的设计内容 包括系统设计和结构设计两个方面估算载荷选择总传动比，选择伺服电机选择传动机构的形式确定传动级数，分配各级传动比配置传动链，估算传动链精度传动机构结构设计计算传动装置的刚度和结构固有频率做必要的工艺分析和经济分析第二章第二章
6、机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 13机械传动系统的特性机电一体化的机械系统应具有良好的伺服性能，要求机械传动部件应有足够的制造精度，满足快速稳定和高效的要求，还应使机械传动部分动态特性与执行元件的动态特性相匹配。机械传动系统的主要特性有：转动惯量阻尼刚度间隙转动惯量转动惯量过大的不利影响：使机械负载增大，需要增大驱动电机的功率系统响应速度变慢，灵敏度降低使系统固有频率下降，易产生谐振，影响伺服稳定性和精度电气驱动部件的谐振频率降低、阻尼增大第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 14转动惯量计算圆柱体转动惯量（形心轴与回转轴重合）齿轮、联轴器、丝杠和轴等接近于圆柱体的
7、零件都可用上式计算（或估算）其转动惯量。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 16计算等效转动惯量Jer（动能守恒）第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 17n设系统运动部件的动能总和为：n设等效到执行元件输出轴上的总动能为：计算直线运动物体的转动惯量折算到丝杠轴上的等效转动惯量折算到小齿轮轴上的等转动惯量第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 18计算丝杠轴折算到电机轴的等效转动惯量（引申到后轴折算到前轴）第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 19i-电机轴到丝杠轴的总传动比JS-丝杠的转动惯量 例例2-1已知已知电动电动
8、机机轴轴的的转动惯转动惯量量J Jm m=3.2=3.21010-3-3kg.mkg.m2 2,工工作台及刀架作台及刀架质质量量m=600kgm=600kg，滚滚珠珠丝丝杠杠d=50mmd=50mm，导导程程P=8mmP=8mm，丝丝杠杠长长度度L=1840mmL=1840mm。齿轮齿齿轮齿数分数分别为别为Z Z1 1=20=20，Z Z2 2=40=40，Z Z3 3=20=20，Z Z4 4=48=48，模数，模数m=2.5mmm=2.5mm，齿宽齿宽b=25mmb=25mm。计计算：算：负载负载折算到折算到电动电动机机轴轴上的上的总总等效等效惯惯量量J Je e和和电电机机 轴轴上上总转
9、动惯总转动惯量量J J。（提示：（提示：丝丝杠和杠和齿轮齿轮的材料密度的材料密度=7.8=7.810103 3kg/mkg/m3 3,齿轮齿轮的的计计算直径算直径按分度按分度圆圆直径直径计计算，算，丝丝杠的杠的计计算直径取算直径取丝丝杠中径杠中径48mm48mm）第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 20阻尼阻尼是系统的固有特性，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成为阻尼由于机械部件具有惯性和摩擦特性，机械传动系统可视为带有阻尼的质量-弹簧系统摩擦阻尼是由于机械系统的传动件之间的摩擦力而产生的机械部件振动时，金属材料的内摩擦较小（附加的非金属减振材料内摩擦较
10、大）、运动副特别是导轨的摩擦阻尼是主要的摩擦阻尼可分为三类：静摩擦阻尼、库仑摩擦阻尼和黏性摩擦阻尼（黏滞摩擦阻尼）实际应用摩擦阻尼时，一般都简化为黏性摩擦的线性阻尼第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 21阻尼阻尼影响：机械部件产生振动时，系统中阻尼越大，最大振幅越小，且衰减越快。但阻尼过大，系统失动量增大，稳态误差增大，精度降低。适当的阻尼可提高系统的稳定性。系统的静摩擦阻尼大，会使系统的回程误差增大，定位精度降低。系统的黏性摩擦阻尼越大，系统的稳态误差越大，精度降低。系统的黏性摩擦阻尼对快速响应性不利。若机械系统刚度低质量大，则系统的固有频率低，此时应增大系统的黏性摩擦阻
11、尼，以减小振幅和加快衰减进程。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 22阻尼计算机械传动系统若简化为二阶振动系统，其阻尼比阻尼比是一个无量纲数，它表示系统相对阻尼的大小。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 23阻尼=0时时，系，系统处统处于于等幅持等幅持续续振振荡荡状状态态，因此系，因此系统统不能没有阻尼，任何不能没有阻尼，任何机机电电系系统统都具有一定的阻尼。都具有一定的阻尼。l称称为为过过阻尼系阻尼系统统；1称称为为临临界阻尼系界阻尼系统统。这这两种情况工作中不两种情况工作中不振振荡荡，但响，但响应应速度慢。速度慢。01称称为为欠阻尼系欠阻尼系统统。在
12、。在值为值为0.40.7之之间间系系统统不但响不但响应应比比临临界界阻尼或阻尼或过过阻尼系阻尼系统统快，而且快，而且还还能更快的达到能更快的达到稳稳定定值值。但在。但在0.4时时，系系统虽统虽然响然响应应更快，但振更快，但振幅增大，振幅增大，振荡荡衰减的很慢。衰减的很慢。在系在系统设计时统设计时，为为保保证证良好良好动态动态特性特性，一般取，一般取0.40.7之之间间。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 24二阶系统阶跃响应曲线刚度刚度是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。静态力与变形之比为
13、静刚度；动态力（交变力、冲击力）与变形之比为动刚度。对于机械传动系统，增大系统的传动刚度有以下好处：可以减少系统的失动量（传动死区），有利于提高传动精度。可以提高系统的固有频率，有利于系统的抗振性。可以增加闭环控制系统的稳定性。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 25刚度拉压刚度计算丝杠螺母机构的拉压刚度由三部分组成：丝杠构件的拉压刚度K KL L丝杠轴承的支承刚度K KB B丝杠螺母间的接触刚度K KN N第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 26丝杠构件的拉压刚度K KL L(1)(1)一端一端轴轴向支承的向支承的丝丝杠杠 (2)(2)两端两端轴轴向支
14、承的向支承的丝丝杠杠第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 27丝杠轴承的支承刚度K KB B与所采用的轴承类型、结构有关。当轴承有预紧时，其支承刚度为无预紧的2 2倍;两端轴向支承取一端轴向支承的2 2倍。丝杠螺母间的接触刚度K KN N 与丝杠螺母副的尺寸和结构有关，预紧也可以提高轴向接触刚度以上两个刚度数值可以从产品样本查得丝杠螺母机构的总拉压刚度K K0 0：第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 28扭转刚度计算第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 29传动精度（一）传动系统的误差分析机械系统传动中，影响系统传动精度的误差可以分为传动
15、误差和回程误差两种。传动误差输入轴单向回转时，输出轴转角的实际值相对于理论值的变动量。假设传动装置的各组成部件的制造和装配绝对准确，并忽略使用中的温度变形和弹性变形，则输出轴转角与输入轴转角符合以下关系：第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 30传动精度回程误差当输入轴由正向回转变为反向回转时，输出轴在转角上的滞后量（输入轴固定时，输出轴可以任意转动的转角量）。传动链的传动误差和回程误差对机电系统性能的影响，随其在系统中的位置的不同而不同。误差在闭环系统内，影响稳定性误差在闭环系统外，影响精度第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 31传动精度（二）减小传动链
16、误差的措施适当提高零部件本身的精度（制造、装配精度）传动装置的输出轴与负载轴间的联轴器本身精度对传动影响显著合理设计传动链合理选择传动形式合理确定传动级数和分配各级传动比合理布置传动链采用消隙机构各种间隙（如齿轮的齿侧间隙、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）第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 32第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 37三、常用传动机构1 1、丝杠螺母传动丝杠螺母机构又称螺旋传动机构它主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。以传递能量为主的（如螺旋压力机、千斤顶等）有以传递运动为主的（如机床工作台的进给丝杠）调整零件之间相对位置的螺旋传动机构丝杠螺母机构有滑动摩擦机构和滚动摩擦机构第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 38根据丝杠和螺母相对运动的组合情况，基本传动形式有四种类型第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 39滚珠丝杠副（1）工作原理及组成）工作原理及组成由丝杠、由丝杠、螺母螺母、滚珠、滚珠、滚珠滚珠回程引导装置回程引导装置等四部分组成等四部分
