华北电力大学Thursday,October3,2024第2章机电一体化机械系统设计理论2.1概述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。除以上三部分外，机电一体化系统的机械部分通常还包括机座、支架、壳体等。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。该方案只是一个初步的轮廓，包括系统主要零、部件的种类，各部件之间的联接方式，系统的控制方式，所需能源方式等。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）。系统的频率特性体现了系统对不同频率信号的反应，决定了系统的稳定性、最大工作频率和抗干扰能力。附加：2.1机械传动系统数学模型在机电一体化系统的分析中，质量，弹簧，及阻尼这三个理想的机械元件代表了机械系统各组成部分的本质。另外，机械系统中的负载，驱动力，间隙，死区等因素也直接影响机械系统的性能。2.1机械系统建模中基本物理量的描述转动惯量J：表示具有转动动能的部件属性。转动惯量取决于部件相对转动轴的几何位置和部件的密度。转动元件的瞬时动能为：机床传动机构示意图1、2、3、4—齿轮5—丝杠6—工作台机床传动机构示意图1、2、3、4—齿轮5—丝杠6—工作台二、弹性系数的转化轴向弹性系数k表示位移弹簧的位能。扭力弹簧系数或扭转刚度系数k表示旋转弹簧的位能。弹性系数的转化旋转传动系统弹性系数的转化：移动系统弹性系数的转化：串联弹簧的等效数学表达式为：三、阻尼系数的转化机械系统在工作过程中，相互运动的元件间存在着阻力，并以不同的形式表现出来。如摩擦阻力、流体的阻力以及负载阻力。这些在建立物理模型时都需要进行转化，转化为与速度有关的粘滞阻尼力。(一)直线运动的摩擦(二)旋转运动的摩擦直线运动的三种摩擦均适用于转动。(三)阻力系统转化为当量粘滞阻尼系数上边讲的系统中存在的阻力性质是不相同的，但系统在运行过程中都要消耗能量是共同的。在数学模型的建立中，只有与构件运动速度成正比的阻力才是可行的。所以，利用摩擦阻力与粘滞阻力所消耗的功相等这一基本原则来求取转化粘滞阻尼系数。2.2机械传动设计的原则2.2.2总传动比的确定机电一体化系统的传动装置在满足伺服电机与负载的力矩匹配的同时，应具有较高的响应速度，即启动和制动速度。因此，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。根据传动关系有式中:—电动机的角位移、角速度、角加速度；—负载的角位移、角速度、角加速度。式(2-2)中若改变总传动比i,则也随之改变。根据负载角加速度最大的原则,令,则解得若不计摩擦,即TLF＝0,则(1)最小等效转动惯量原则利用该原则所设计的齿轮传动系统，换算到电机轴上的等效转动惯量为最小。因为：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大功率传动装置两级传动比曲线（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）图2-9回曲式齿轮传动链图2-10四级减速齿轮传动链该传动链输出轴的总转动角误差ΔΦmax为（2-7）由式(2-7)可以看出,如果从输入端到输出端的各级传动比按“前小后大”原则排