1、第2章 机械系统1第2章 机电控制中常用的传动机构与装置组成：机械系统、传感检测系统、执行元件系统、信息处理系统、动力系统现代机电产品中的机械系统，就作用和设计原理说，与传统机械系统基本相同传统机械系统：传递运动/动力、支承机械系统特点：工作简单、可靠性好、制造使用经济、操作维护方便机械系统一般由传动部件、支承部件、轴系及架体等机构组成传动机构减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件；连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件；支承部件导向支承部件、旋转支承部件；轴系由轴及安装在轴上的传动部件(齿轮、带轮等)组成；架体机座或机架，支承安装系统部件现代机电产品中，传递运动/动力、支承；伺服系统
2、组成部分现代机电产品中的机械系统主要包括传动件、导轨、支承件影响系统控制精度、响应速度和稳定性传统机械系统：合理结构、强度、刚度、精度现代机电产品中的机械系统，增加：良好动态响应特性(响应快，稳定性好)基本性能要求：传动精度、工作稳定性、动态快速响应特性基本设计要求：无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当阻尼比措施：1）采用低摩擦阻力的传动件和导向件滚珠丝杠副、滚动导轨、静(动)压导轨2）缩短传动链，提高传动与支承刚度减小结构弹性变形。预紧/预拉伸方法提高滚珠丝杠副、滚动导轨副的传动与支承刚度；大转矩、宽调速的DC/AC伺服电机直接与丝杠螺母副联接减少中间传动机构3）选用最佳传动比提
3、高系统分辨率，减小等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量4）减小反向死区误差消除传动间隙，减小支承变形5）改进支承、架体结构设计提高刚性、减小振动、降低噪声2-1 带及链传动挠性传动件远距离传递运动、动力，采用一、带传动分类：按传动带截面形状分：平型带传动、V带(三角带)传动、多楔带传动、同步带传动、圆带(绳)传动1平型带传动2V带(三角带)分：普通V带、窄V带、宽V带，多使用普通V带3多楔带传动兼有平带和V带优点：柔性好，摩擦力大，传递功率大，解决多根V带长短不一而使各带受力不均问题多楔带传动主要用于传递功率大、要求结构紧凑场合。传动比可达10，带速40m/s4圆带(绳)传动低速轻载传动缝纫机
4、5同步带传动综合带传动和链传动优点同步带通常是以钢丝绳或玻璃纤维绳等为强力层，聚氨酯或橡胶为基体、工作面上带齿的环状带工作时，带的凸齿与带轮外缘上的齿槽进行啮合传动同步带传动时的线速度可达40m/s(有时允许达80m/s)，传动功率可达l00kW，传动比可达10(有时允许达20)，传动效率可达0.980.99优点：1)无滑动，能保证固定的传动比；2)初拉力较小，轴和轴承上所受的载荷小；3)带的厚度小，单位长度的质量小，故允许的线速度较高；4)带的柔性好，所用带轮的直径可以较小主要缺点：制造、安装精度要求高，中心距要求严格，价格较高用途：要求传动比准确的中、小功率传动同步带主要参数：周节p(带上
5、相邻两齿中心轴线间沿节线度量的距离)、模数mp/同步带标记：模数(mm)宽度(mm)齿数，即mbz6高速带传动带速v30m/s、高速轴转速n=1000050000r/min的传动主要用于增速，增速比为24，有时可达8高速带传动：要求传动可靠，运转平稳、有一定寿命高速带采用质量小、厚度薄而均匀、挠曲性好的环形平带高速带轮要求质量小而且分布对称均匀，运转时空气阻力小，通常采用钢或铝合金制造，各个面均应进行加工，轮缘工作表面的粗糙度不得大于3.2，并要求进行动平衡为防止掉带，主、从动轮轮缘表面都应加工出凸度，可制成鼓形面或20左右的双锥面；为了防止运转时带与轮缘表面间形成气垫，轮缘表面开环形槽高速带
6、传动中，带的寿命地位重要带的绕曲次数uiv/L(i为带上某一点绕行一周时所绕过的带轮数；带速v及带长L的单位分别为m/s及m)是影响带的寿命的主要因素，因此应限制umax45l00s-1二、链传动组成：链条和主、从动链轮属于带有中间挠性件的啮合传动与带传动相比，链传动优点：1)无弹性滑动和打滑现象，能保持准确的传动比(平均传动比)，传动效率较高；2)链条不需要象带那样张得很紧，作用在轴上的径向压力较小；3)在同样使用条件下，链传动的结构较为紧凑；4)能在高温及速度较低的情况下工作与齿轮传动相比，链传动优点：安装较易，成本低廉；远距离传动时，结构比齿轮传动轻便得多链传动主要缺点：在两根平行轴间只
7、能用于同向回转的传动；运转时不能保持恒定的瞬时传动比；工作时有噪声，不宜在载荷变化很大和急速反向的传动中应用链传动按用途不同分：传动链、起重链和曳引链起重链和曳引链主要用在起重和运输机械中，一般机械传动中常用传动链传动链传递功率一般在110kW以下，链速一般不超过15m/s，传动比i8传动链有套筒滚子链(简称滚子链)、齿形链、滚珠链等类型1滚子链单排链、双排链、多排链多排链的承载能力与排数成正比由于精度影响，各排的载荷不易均匀，故排数不宜过多2齿形链(无声链)由一组带有两个齿的链板左右交错并列铰接而成工作时，通过链板上的两直边夹角为600的链齿与链轮轮齿相啮合来实现传动齿形链上设有导板，以防止
8、链条在工作时发生侧向窜动导板有内导板和外导板两种用内导板齿形链时，链轮轮齿上应开出导向槽。内导板可以较精确地把链定位于链轮上适当的位置，故导向性好，工作可靠，适用于高速及重载传动用外导板齿形链时，链轮轮齿上不须开出导向槽，故链轮结构简单，但其导向性差，外导板与销轴铆合处易松脱当链轮宽度大于2530mm时，一般采用内导板齿形链；当链轮宽度较小，链轮轮齿上切削导向槽有困难时，可采用外导板齿形链与滚子链相比，齿形链传动平稳，无噪声，承受冲击性能好，工作可靠2-2 齿轮传动作用：变换转矩、转速、转向一、齿轮传动系统传动比现代机电产品，常用伺服驱动齿轮传动，除进行一般的齿轮传动设计(齿轮接触强度、弯曲强
9、度；轴强度、刚度)外，要求：转动惯量小获得同一加速度时所需转矩小；同一驱动功率时，加速度响应最大齿侧间隙小避免造成传动死区闭环系统，不稳定低频振荡降低制造成本，调整齿侧间隙减小/消除啮合间隙提高传动精度总传动比确定：总传动比满足伺服电机与负载间的位移、转矩、转速匹配要求负载特性、工作条件不同，不同传动比分配原则1负载加速度最大原则伺服系统的齿轮传动一般是减速传动：高速、小转矩输入，低速、大转矩输出要求：齿轮传动系统足够强度和刚度，转动惯量小获得同一加速度时所需转矩小；同一驱动功率时，加速度响应最大传动系统计算模型：额定转矩(电机输出转矩)、转子转动惯量的DC伺服电机通过速比i的齿轮减速器带动转
10、动惯量、负载转矩的负载(工作负载转矩+摩擦负载转矩)，为齿轮系折算到电机轴上的等效转动惯量最佳传动比确定：电机、负载的转角、角速度、角加速度假如，齿轮系的传动效率为，根据动力学第二定律，有=解得，当时，求得使负载加速度最大的i值i=原则上总传动比在范围内选取，使加速转矩最大的为最佳值实际中考虑电机的额定转矩，总传动比只能在范围内选取。当作用于负载的干扰转矩较大时，为减小其影响，可选用较大传动比偏大传动比，产生影响：1）使系统的相对阻尼系数增大，抑制振荡，提高稳定性2）避免爬行现象产生(电机机械特性影响、电枢反应、电刷摩擦引起低速不稳定性，产生爬行)3）系统传动级数增多，降低系统响应的快速性、传
11、动精度、效率、系统刚度、系统固有频率2传动比最佳分配原则总传动比确定，合理分配传动比结构紧凑、满足动态性能、提高传动精度1）重量最轻(质量最小)原则质量限制，重要设计指标，航天、航空设备传动装置小功率传动系统：两级齿轮传动，主动小齿轮模数、齿数相等，轴、轴承质量不计。齿轮实心圆柱体，齿宽、材料相同齿轮质量之和：， 同理，n级传动， 质量最小原则，各级传动比相等大功率传动系统不适宜：传递转矩大，模数、齿宽逐级增加。根据经验、类比方法、结构紧凑要求综合考虑。一般“前小后大”次序分配传动比2）输出轴转角误差最小原则设齿轮传动系统中各级齿轮的转角误差换算到输出轴上的总转角误差第k个齿轮的转角误差，第k
12、个齿轮至n级输出轴的传动比四级齿轮传动，齿轮转角误差，换算到输出轴上的总转角误差总转角误差主要取决于最末一级齿轮的转角误差和传动比的大小提高传动精度，传动比“前小后大”，最末一级传动比尽可能大，同时提高齿轮副精度；同时尽量减少传动级数，减少零件数量和误差来源3）等效转动惯量最小原则伺服传动系统，要求启动、停止快。转矩一定，转动惯量小，角加速度大，运转灵敏过渡时间短、响应快、启动功率小二级齿轮传动系统（小功率传动）：主动小齿轮转动惯量相同，轴、轴承转动惯量不计。齿轮实心圆柱体，齿宽、材料相同等效到电机轴上的等效转动惯量， 得到，则当，简化为各级传动比分配：从小到大结构紧凑大功率传动，公式不适用，
13、分配原则“从小到大”等效转动惯量最小原则下，传动级数n选择：i46，n=134i1012，n=2810i90120，n=35060i200300，n=4100200i1000，n=5折算转动惯量小，多传动级数；传动精度高，少级数；折算转动惯量小、传动精度高，各级传动比逐级增加重量轻，各级传动比相等根据具体要求，主要/次要矛盾，兼顾1）体积小、重量轻齿轮传动系统重量最轻原则2）运动平稳、启动频繁、动态性能要求好齿轮传动系统等效转动惯量最小原则、输出轴转角误差最小原则3）提高传动精度、减小回程误差齿轮传动系统输出轴转角误差最小原则4）传动比较大齿轮传动系统定轴轮系+行星轮系=混合轮系；传动比相当大
14、，谐波齿轮传动。二、行星齿轮传动按轮系传动时各齿轮的轴线在空间的相对位置是否固定，轮系分：定轴线齿轮传动(定轴轮系)、动轴线齿轮传动(周转轮系)周转轮系自由度差动轮系中心轮1或3固定行星轮系行星轮系根据相对运动原理，给行星轮系加一个与行星架转速大小相等、方向相反的附加速度-nH，各构件间的相对运动关系不变行星架的绝对速度为0，行星轮系转化为定轴轮系与定轴轮系相比，行星齿轮传动：体积小，重量轻，承载能力大，效率高按组成传动机构的齿轮啮合方式，行星齿轮传动分：NGW、NW、NN、WW、NGWN、N内啮合，G公共齿轮，W外啮合按基本构件组成分：2Z-X、3Z、Z-X-V、Z中心轮，X行星轮，V回转件
15、(行星架)行星齿轮传动各齿轮齿数的选择，除须符合溅开线圆柱齿轮齿数选择的原则外，还须满足条件(NGW型)：1传动比条件保证实现给定的传动比齿轮3(内齿圈)固定2同心条件原理：为保证正确啮合，各对啮合齿轮之间的中心距必须相等太阳轮1和行星轮2的中心距a12必须等于行星轮2与内齿轮3的中心距a23对于标准及高变位齿轮对于角变位齿轮端面啮合角3装配条件原理：保证各行星轮能均布地安装于两中心齿轮之间，且与两中心齿轮啮合良好为简化计算和装配，使太阳轮与内齿轮的齿数和等于行星轮数目的整数倍4邻接条件原理：保证相邻两行星轮互不相碰，即行星轮齿顶圆半径之和小于其中心距或ra2，da2行星轮齿顶圆半径、直径当行
16、星轮为双联齿轮时，取其中之大值三、谐波齿轮传动结构简单、传动比大（几十几百）、传动精度高、回程误差小、噪音低、传动平稳、承载能力高、效率高工业机器人、航空、航天机电一体化系统广泛应用1谐波齿轮传动工作原理组成：波形发生器3、刚轮1、柔轮2主动件波形发生器、从动件刚轮或柔轮刚轮有内齿圈、柔轮有外齿圈，齿形：渐开线/三角形，周节相同、齿数不同刚轮齿数zG比柔轮齿数zR多几个齿。波形发生器的长径比柔轮内径略大，装配时薄圆环形柔轮弹性变形柔轮长轴两端的齿与刚轮齿槽完全啮合，柔轮短轴两端的齿与刚轮齿槽完全脱开，长轴与短轴间的齿逐步啮入/啮出波形发生器双波发生器(两个触头)、三波发生器(三个触头)双波发生
17、器谐波减速器，刚轮、柔轮的齿数差zG-zR=2刚轮固定，高速轴带动相当于的波形发生器凸轮连续转动时，柔轮上原来与刚轮啮合的齿对逐渐啮出、脱开、啮入、啮合，柔轮相对刚轮沿波形发生器相反的转向低速旋转(自转)，通过低速轴输出运动柔轮固定，刚轮输出运动，工作原理相同，刚轮输出运动的转向与波形发生器的转向相同2谐波齿轮传动传动比谐波齿轮传动的波形发生器相当于行星轮系的系杆，柔轮相当于行星轮，刚轮相当于中心轮。谐波减速器的传动比按行星轮系的传动比方式计算G、R、H=刚轮、柔轮、波形发生器的角速度1）柔轮固定，R=0， 2）刚轮固定，G=0， zR-zG125，7080%4）使用环境温度-4055，相对湿度95%3%(20)5）额定转速、额定载荷下使用寿命10000h6）噪声不大于60dB4齿轮传动间隙调整方法同传统机械齿轮传动
