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1、2.1概述2.1.1机电一体化对机械系统的基本要求1.高精度2.快速响应3.良好的稳定性2.1.2机械系统的组成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、2.1.3机械系统的设计思想1.静态设计静态设计是指依据系统的功能要求,通过研究制定出机械系统的初步设计方案。2.动态设计动态设计是指研究系统在频率域的特性,借助静态设计的系统结构,通过建立系统各组成环节的数学模型,推导出系统整体的传递函数,并利用自动控制理论的方法求得该系统的频率特性（幅频特性和相频特性）。2.2机械传动设计的原则2.2.1机电一体化系统对机械传动的要求机械传动是一种把动力机产生的运动和动力传递给执行机构的中间装置,是一种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
3、换实现对输出的速度调节。2.2.2总传动比的确定在伺服系统中,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。图中各符号的意义如下：Jm——电动机M的转子的转动惯量；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。页脚图2-1电机、传动装置和负载的传动模型页脚页脚2.2.3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齿轮系传递的功率不同,其传动比的分配也有所不同。1）小
4、功率传动装置电动机驱动的二级齿轮传动系统如图2-2所示。页脚图2-2电动机驱动的两级齿轮传动页脚页脚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。传动比分配的基本原则仍应为“前小后大”页脚图2-4大功率传动装置确定传动级数曲线图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页脚2.质量最小原则1）大功率传动装置对于大功率传动装置的传动级数确
5、定,主要考虑结构的紧凑性。在给定总传动比的情况下,传动级数过少会使大齿轮尺寸过大,导致传动装置体积和质量增大；传动级数过多会增加轴、轴承等辅助构件,导致传动装置质量增加。设计时应综合考虑系统的功能要求和环境因素,通常情况下传动级数要尽量地少。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。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。大功率减速传动装置的各级传动比可以按图2-7和图2-8选择。图2-7
6、大功率传动装置两级传动比曲线页脚（i<10时,使用图中的虚线）图2-8大功率传动装置三级传动比曲线（i<100时,使用图中的虚线）2）小功率传动装置对于小功率传动装置,按质量最小原则来确定传动比时,通常选择相等的各级传动比。在假设各主动小齿轮的模数、齿数均相等的特殊条件下,各大齿轮的分度圆直径均相等,因而每级齿轮副的中心距也相等。这样便可设计成如图2-9所示的回曲式齿轮传动链；其总传动比可以非常大。显然,这种结构十分紧凑。页脚图2-9回曲式齿轮传动链3.输出轴转角误差最小原则以图2-10所示四级齿轮减速传动链为例。四级
7、传动比分别为i1、i2、i3、i4,齿轮1~8的转角误差依次为：ΔΦ1~ΔΦ8。图2-10四级减速齿轮传动链页脚4.三种原则的选择在设计齿轮传动装置时,上述三条原则应根据具体工作条件综合考虑。（1）对于传动精度要求高的降速齿轮传动链,可按输出轴转角误差最小原则设计。若为增速传动,则应在开始几级就增速。（2）对于要求运转平稳、启停频繁和动态性能好的降速传动链,可按等效转动惯量最小原则和输出轴转角误差最小原则设计。（3）对于要求质量尽可能小的降速传动链,可按质量最小原则设计。2.3机械系统性能分析2.3.1数学模型的建
8、立在图2-11所示的数控机床进给传动系统中,设J1为轴Ⅰ部件和电动机转子构成的转动惯量；J2、J3为轴Ⅱ、Ⅲ部件构成的转动惯量；K1、K2、K3分别为轴Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的扭转刚度系数；K为丝杠螺母副及螺母底座部分的轴向刚度系数；m为工作台质量；C为工作台导轨粘性阻尼系数；T1、T2、T3分别为轴
