機電一體化機械技術第一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日機械系統(tǒng)包括系統(tǒng)的框架和支承結(jié)構(gòu)、機械連接和傳動系統(tǒng)，本章重點介紹傳動系統(tǒng)的特點和設計方法。

一．傳動系統(tǒng)的構(gòu)成及作用圖2.1傳動系統(tǒng)在機電系統(tǒng)中的作用§2-1機電一體化機械系統(tǒng)第二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日對傳動系統(tǒng)的要求

靜特性：傳動精度

動特性：穩(wěn)定性、快速性

可靠性圖2.2機電系統(tǒng)的控制模型第三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2.2.1機械傳動系統(tǒng)的特性一、轉(zhuǎn)動慣量

它是系統(tǒng)的機械負載，要產(chǎn)生功耗，影響系統(tǒng)的響應速度、靈敏度、固有頻率和阻尼特性。它取決于質(zhì)量的大小和質(zhì)量分布。1、轉(zhuǎn)動慣量大的影響（1）機械負載增加，功率消耗大；（2）響應速度變慢，靈敏度降低；（3）固有頻率下降，容易產(chǎn)生諧振；（4）電氣驅(qū)動部件的諧振頻率降低，阻尼增大等?！?-2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳動機構(gòu)第四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2、轉(zhuǎn)動慣量的計算（1）圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量（齒輪、絲杠等）計算公式為：m——圓柱體的質(zhì)量（kg）；d——圓柱體的直徑（m）。第五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日（2）直線運動物體的轉(zhuǎn)動慣量①絲杠驅(qū)動導程為的絲杠驅(qū)動總質(zhì)量為的工作臺和工件，②齒輪驅(qū)動齒輪齒條驅(qū)動總質(zhì)量為的工作臺和工件，其折算到節(jié)圓半徑為的小齒輪上的等效轉(zhuǎn)動慣量為：其折算到絲杠軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量為：第六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日例2.1計算折算到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量。第七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日解：傳動系統(tǒng)有三根軸，每根軸上的總慣量分別為其中：

，

，

，

分別是4個齒輪的轉(zhuǎn)動慣量是絲杠的慣量是工作臺折算到絲杠上的等效轉(zhuǎn)動慣量總的等效慣量為第八頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日二、阻尼

阻尼是由于機械系統(tǒng)的傳動件之間的摩擦力而產(chǎn)生的，機械傳動系統(tǒng)可視為帶有阻尼的質(zhì)量—彈簧系統(tǒng)。系統(tǒng)的阻尼可劃分為3類：靜摩擦阻尼、庫侖摩擦阻尼和粘性摩擦阻尼（粘滯摩擦阻尼）。1、阻尼對機械系統(tǒng)的動態(tài)特性的影響

系統(tǒng)的靜摩擦阻尼越大，系統(tǒng)的回程誤差增大，定位精度降低；系統(tǒng)的黏性阻尼摩擦越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差就越大，精度就降低；系統(tǒng)的黏性阻尼摩擦會對系統(tǒng)的減慢系統(tǒng)的響應速度；如果機械系統(tǒng)剛度低而質(zhì)量大，則系統(tǒng)的固有頻率低，于是應增大系統(tǒng)的黏性摩擦阻尼，以減小振幅和衰減振動。第九頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2、阻尼比計算在帶有阻尼的彈簧—質(zhì)量系統(tǒng)中（機械傳動部件若簡化為二階振動系統(tǒng)），阻尼比與粘滯摩擦阻尼之間的關系如下：式中：——粘性阻尼系數(shù)，——系統(tǒng)等效質(zhì)量，——系統(tǒng)的拉壓剛度，第十頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日不同阻尼比對二階系統(tǒng)的影響如下圖：圖2.2不同阻尼比時系統(tǒng)的響應（ξ>ξ>ξ一般取第十一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日三、剛度

剛度是使彈性體產(chǎn)生單位變形量所需的作用力，包括構(gòu)件產(chǎn)生各種基本變形時的剛度和兩接觸面的接觸剛度。

1、剛度對系統(tǒng)動態(tài)特性的主要影響（1）矢動量。剛度越低，傳動部件的變形越大，系統(tǒng)的矢動量就越大；（2）固有頻率。系統(tǒng)的剛度越大，固有頻率越高；（3）穩(wěn)定性。系統(tǒng)的剛度越大，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有利。第十二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2、剛度的計算（1）拉壓剛度計算絲杠螺母機構(gòu)的拉壓剛度是由絲杠機構(gòu)的拉壓剛度絲杠螺母見的接觸剛度及絲杠軸承的支承三部分組成。①一端軸向支承的絲杠，其拉壓剛度為：式中：——絲杠的中徑，——材料的拉壓彈性模量，——受力點到支撐端的距離，、第十三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日當工作臺位于距離支撐端最遠位置時（受力點到支撐端的距離最大），絲杠的全部工作長度L都受力，則剛度最?。篖——絲杠的全部工作長度②兩端軸向支承的絲杠，其拉力剛度為：第十四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日當工作臺位于兩支承點的中點位置時，即絲杠的拉壓剛度為最小值：時，和均可從產(chǎn)品樣本中查得。則絲杠螺母機構(gòu)的總拉壓剛度為：一端軸向支承的絲杠,兩端軸向支承的絲杠第十五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日（2）絲杠扭轉(zhuǎn)剛度計算絲杠扭轉(zhuǎn)剛度可用下式計算：式中：——絲杠的中徑，——材料的剪切彈性模量，——受力點到支撐端的距離，第十六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日下面是不同剛度對系統(tǒng)性能的影響：圖2.3不同剛度時系統(tǒng)的頻率特性（K＜K＜K）第十七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日例2.2在例2.1的數(shù)控機床進給系統(tǒng)中，若預緊后絲杠支承軸向剛度，絲杠螺母間的接觸剛度（取絲杠的最大工作長度，拉壓彈性模量，剪切彈性模量，試求：絲杠螺母系統(tǒng)的最小拉壓剛度和最小扭轉(zhuǎn)剛度2.絲杠工作臺系統(tǒng)縱向振動和扭轉(zhuǎn)振動的最小固有頻率。第十八頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日（1）計算絲杠螺母系統(tǒng)的剛度由于絲杠為一端軸向支承，故則最小拉壓剛度為：得第十九頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日最小扭轉(zhuǎn)剛度為：（2）系統(tǒng)固有頻率的計算忽略絲杠本身的質(zhì)量，則工作臺縱向振動的最小固有頻率為：由例2.1知，電動機軸上的系統(tǒng)總轉(zhuǎn)動慣量則折算到絲杠軸上的系統(tǒng)總轉(zhuǎn)動慣量為：忽略電動機軸和齒輪軸的扭轉(zhuǎn)變形，系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動的最小固有頻率為：第二十頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日四、傳動精度

由于傳動件之間的間隙和傳動件的安裝及制造誤差而引起兩種誤差，稱為傳動誤差和回程誤差。傳動鏈的傳動誤差和回程誤差會影響系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。它們對系統(tǒng)性能的影響隨其在系統(tǒng)中的位置的不同而不同。1、傳動系統(tǒng)的誤差分析（1）傳動誤差——是指輸入軸單相回轉(zhuǎn)時，輸出軸轉(zhuǎn)角的實際值相對于理論值的變動。從而使輸出軸的運動時而超前，時而滯后（圖見書上圖2-5(b)）。（2）回程誤差——是與傳動誤差既有聯(lián)系又有區(qū)別的另一類誤差。其可以是當輸入軸有正向回轉(zhuǎn)變?yōu)榉聪蚧剞D(zhuǎn)是，輸出軸在轉(zhuǎn)角上的滯后量，也可把它理解成輸入軸固定式，輸出軸可以任意轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)角量。其使輸出軸不能立即隨著輸入軸反向回轉(zhuǎn)，即具有之后性（圖見書上圖2-5(c)）。第二十一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2、減小傳動鏈誤差的措施

(1)提高零件本身的制造精度可以減少傳動誤差和回程誤差。

(2)合理地設計傳動鏈可以減少傳動誤差，包括：

①合理地選擇傳動類型。

不同的傳動形式所能達到的傳動精度是不同的。一般說來：圓柱齒輪的傳動精度較高，蝸輪蝸桿機構(gòu)次之，圓錐齒輪的傳動精度則較差；諧波齒輪傳動的精度較高，漸開線行星齒輪機構(gòu)、少齒行星齒輪機構(gòu)次之，擺線針輪行星齒輪機構(gòu)的傳動精度則較差。

②合理地確定傳動級數(shù)、合理地分配傳動比。

減少傳動級數(shù)就可以減少零件數(shù)量，也就減少了產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié)。因此，在滿足使用要求的前提下盡可能減少傳動級數(shù)。對減速傳動鏈，各級傳動比宜從高速端開始逐級遞增，盡量提高末級傳動比。第二十二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日③合理地布置傳動鏈。

在減速傳動中，精度較低的傳動機構(gòu)應盡量布置在高速軸上（如圓錐齒輪傳動），這樣可以減小低速軸上的誤差。(3)采用消除間隙機構(gòu)可以減少回程誤差。

螺紋傳動間隙的消除機構(gòu),齒輪傳動側(cè)隙的消除機構(gòu),滾珠絲杠螺母間隙的調(diào)整機構(gòu)等。第二十三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2.2.2常用傳動機構(gòu)

1、轉(zhuǎn)動型傳動機構(gòu)

（1）齒輪（齒條）傳動

齒輪傳動包括圓柱齒輪傳動、圓錐齒輪傳動和圓弧齒輪傳動等。其工藝性好、適用范圍廣、可實現(xiàn)大功率或者高精度傳動，效率高、傳動平穩(wěn)，不易實現(xiàn)大傳動比、體積較大。圖2.5齒輪傳動機構(gòu)第二十四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日（2）蝸輪蝸桿傳動

其特點是傳動比大、輸出軸與輸入軸垂直、結(jié)構(gòu)緊湊、可反向自鎖，傳動效率低。圖2.6蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)第二十五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日（3）同步齒型帶傳動

同步帶傳動具有帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的優(yōu)點。同步齒型帶傳動由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運動和動力，故帶與帶輪間無相對滑動，能保證準確的傳動比。同步齒型帶通常以鋼絲繩或玻璃纖維繩為抗拉體，氯丁橡膠或聚氨酯為基體,這種帶薄而且輕，故可用于較高速度的傳動。傳動噪聲比鏈傳動和齒輪傳動小，耐磨性好，不需要潤滑油，壽命比摩擦帶長。同步齒型帶廣泛應用于要求傳動比準確的中、小功率傳動中，如家用電器、計算機、儀器及機床、化工、石油等機械。它既可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動型傳動又可以實現(xiàn)直線型傳動。第二十六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日圖2.7同步齒形帶傳動原理第二十七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日（4）行星輪減速器

傳動比范圍寬、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、傳動精度高、適合于各種傳動，特別是與電機構(gòu)成伺服機組。

（5）諧波減速器

傳動比大、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、傳動精度高、適合于中小功率傳動。

第二十八頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2、直線型傳動機構(gòu)

（1）齒輪齒條傳動

它具有齒輪傳動的特點，可以實現(xiàn)較大的直線位移，負載能力大，廣泛應用于大型機床工作臺的移動驅(qū)動。圖2.8齒輪齒條傳動原理第二十九頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日（2）絲杠螺母（螺桿）傳動

傳動比大、可反向自鎖、結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好，效率較低。滾珠絲杠可以實現(xiàn)高效率、高精度傳動，滾珠絲杠副的傳動效率高達85%-98%，是普通滑動絲杠副的2-4倍，可以做到無間隙傳動，廣泛應用于數(shù)控機床工作臺，數(shù)控平臺和機器人的驅(qū)動。圖2.9絲杠螺母傳動原理圖2.10軟盤驅(qū)動器中磁頭的螺桿機構(gòu)第三十頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日（3）同步齒型帶實現(xiàn)的移動傳動

它具有同步齒型帶轉(zhuǎn)動傳動的特點，可以實現(xiàn)較大的直線位移，廣泛應用于移動型工作臺、繪圖機、打印機、復印機、掃描儀等辦公設備和計算機外設的驅(qū)動。圖2.11打印機字車的同步帶驅(qū)動機構(gòu)第三十一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日（4）鋼絲（繩）實現(xiàn)的移動傳動

它具有可以實現(xiàn)較大的直線位移、重量輕、噪聲小、驅(qū)動力大等特點。其缺點是，可能產(chǎn)生打滑，傳遞運動不如同步齒型帶準確。應用于大型天車、升降機構(gòu)等的移動驅(qū)動。在繪圖機、打印機、復印機、掃描儀等辦公設備和計算機外設的應用基本上被同步齒型帶所取代。圖2.12天車的鋼絲繩驅(qū)動機構(gòu)第三十二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日（5）鋼帶實現(xiàn)的移動傳動圖2.13鋼帶實現(xiàn)的移動傳動原理第三十三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日§2-3機電一體化系統(tǒng)中常用的執(zhí)行機構(gòu)2.3.1基本要求2.3.2微動執(zhí)行機構(gòu)2.3.3工業(yè)機械手末端執(zhí)行器第三十四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2.3.1基本要求1慣性小、動力大2體積小，質(zhì)量輕3便于維修和安裝4易于計算機控制此外，一個執(zhí)行機構(gòu)還應具有：響應速度快、動態(tài)性能好、動靜態(tài)精度高和動作靈敏度高的特點第三十五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2.3.2微動執(zhí)行機構(gòu)微動執(zhí)行機構(gòu)是一種能在一定范圍內(nèi)精確、微量地移動到給定位置或?qū)崿F(xiàn)特定進給運動的機構(gòu)。分類：機械式；電氣——機械式；彈性變形式；熱變形形式；磁致伸縮式；壓電式等。第三十六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2.3.3工業(yè)機械手末端執(zhí)行器工業(yè)機械手是一種自動控制、可重復編程、多自由度的操作機，具有搬運功能以及完成其他各種作業(yè)的機電一體化設備（直接執(zhí)行操作功能）。分類：機械夾持器；特種末端執(zhí)行器；萬能手（靈巧手）。第三十七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日機械夾持器

機械夾持器是最常見的一種末端執(zhí)行器。其具有夾持和松開的功能。在夾持時，其具有一定的力約束