机电一体化系统的机械系统部件选择与设计.pptx

1学习目标1.了解机械系统部件的种类及其各自的类型2.掌握常用的机械传动部件的特点及选型设计3.掌握常用的导向支承部件的选择与设计4.了解旋转支承部件及轴系部件的选择机电一体化系统的机械系统部件选择与设计

2.0相关基础回顾2摩擦:摩擦力可分为三种：静摩擦力、库仑摩擦力和粘性摩擦力（动摩擦力=库仑摩擦力+粘性摩擦力）。负载处于静止状态时，摩擦力为静摩擦力，随着外力的增加而增加，最大值发生在运动前的瞬间。运动一开始，静摩擦力消失，静摩擦力立即下降为库仑摩擦力，大小为一常数F=μmg，随着运动速度的增加，摩擦力成线性的增加，此时的摩擦力为粘性摩擦力（与速度成正比的阻尼称为粘性阻尼）。摩擦对机电一体化伺服系统的主要影响是：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。根据经验，克服摩擦力所需的电机转矩Tf与电动机额定转矩TK的关系为0.2TK＜Tf＜0.3TK

爬行就产生在这非线形区。在使用中应尽可能减小静摩擦力与动摩擦力的差值；并使动摩擦力尽可能小且为正斜率较小的变化。

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。

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。

式中ΔF-----静、动摩擦力之差（N）；K------传动系统的刚度（N／m）；ξ------阻尼比；m------从动件的质量（kg）。以下两种观点有利于降低临界速度：适当的增加系统的惯性J和粘性摩擦系数f，有利于改善低速爬行现象，但惯性增加会引起伺服系统响应性能降低；增加粘性摩擦系数也会增加系统的稳态误差，设计时应优化处理。（m/s）2）不发生爬行的临界速度临界速度可按下式进行估算

3）消除爬行现象的途径（实际做法）8

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（五）．谐振频率10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WOI≥300rad／s，其他机械系统WOI≥600rad／s。

（六）．间隙对于系统闭环以外的间隙，对系统稳定性无影响，但影响到伺服精度。对于系统闭环内的间隙，在控制系统有效控制范围内对系统精度、稳定性影响较小，但反馈通道上的间隙要比前向通道上的间隙对系统影响较大。(七)转动惯量的计算：（单位：kg·m2）

(1)圆柱体转动惯量

(2)直线移动工作台折算到丝杠上的转动惯量齿轮齿条传动时工作台折算到小齿轮轴上的转动惯量

相邻两轴，后轴向前轴转动惯量的折算工作台折算到钢带传动驱动轴上的转动惯量

例1：丝杠传动时，传动系统折算到电机轴上的总转动惯量例2：求系统折算到电机轴上的总转动惯量

第2章机电一体化系统的机械系统部件选择与设计2.1机械系统部件的设计要求典型的机电一体化系统，通常由控制部件、接口电路、功率放大电路、执行元件、机械传动部件、导向支承部件，以及检测传感部件等部分组成。机械系统一般由减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向支承部件、轴系及机架或箱体等组成。除要求具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，就是说响应要快、稳定性要好。010302

2.1机械系统部件的设计要求17

机电一体化机械系统的三大结构18传动机构：考虑与伺服系统相关的精度、稳定性、快速响应等伺服特性01导向机构：考虑低速爬行现象02执行机构：考虑灵敏度、精确度、重复性、可靠性03

2.2机械传动部件的选择与设计19主要功能是传递转矩和转速；实质上是一种转矩、转速变换器。常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动副、各种非线性传动部件等。其传动类型、传动方式、传动刚性以及传动的可靠性对机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性有重大影响。应设计和选择传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。目的是使执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。

传动机构的基本要求：2001040203在不影响系统刚度的条件下，传动机构的质量和转动惯量要小；转动惯量大会对系统造成机械负载增大（T电=T负+Jε）；系统响应速度变慢，灵敏度降低；系统固有频率下降，产生谐振；使电气部分的谐振频率变低。刚度越大，伺服系统动力损失越小；刚度越大，机器的固有频率越高，不易振动()；刚度越大，闭环系统的稳定性越高。机械系统