第2章机电一体化的单元技术.

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1、返回返回返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 n2.1 概述 n2.2 精密机械技术 n2.3 传感检测技术n2.4 伺服驱动技术 返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 n 机电一体化是传统技术与一些新技术相结合而发展起来的多学科领域综合交叉的技术密集型学科。n 其所涉及的关键技术，除系统总体技术外，其它单元技术已发展成为相对独立的学科领域，具有各自的知识体系。主要从机电一体化系统设计的角度，介绍主要概念、原理、设计原则和选用方法。2.1 2.1 概述概述返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 一、机电一体化中的机械系

2、统组成n传统的机械系统和机电一体化机械系统的主要功能都是完成一系列相互协调的机械运动。但由于二者组成不同，导致其各自实现运动的方式不同。2.2 2.2 精密机械技术精密机械技术返回返回n传统机械系统一般由动力件、传动件和执行件三部传统机械系统一般由动力件、传动件和执行件三部分加上电气、液压和机械控制等部分组成。分加上电气、液压和机械控制等部分组成。n机电一体化系统中的机械系统则是由计算机协调与机电一体化系统中的机械系统则是由计算机协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务且机电部件信息流相互联系的系统。力学任务且机电部件信息流相互联系

3、的系统。返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 1.组成机电一体化系统中的机械系统主要包括以下五大部分：传动机构：主要完成转速、转矩的匹配，并且要求有良好的伺服性能。导向机构：主要起支承和导向作用，为机械装置中各运动部件安全、准确地完成特定运动作保障。执行机构：完成具体的动作，要求有高的灵敏度、精确度和良好的重复性、可靠性。轴系机座或机架返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 2.2.机械系统设计要求机械系统设计要求n机电一体化中的机械系统应满足以下三方面的要求，机电一体化中的机械系

4、统应满足以下三方面的要求，以达到伺服系统的设计指标：以达到伺服系统的设计指标：1高精度高精度2动作响应快动作响应快3稳定性好稳定性好简单而言，就是简单而言，就是“稳、准、快稳、准、快”，此外，还要此外，还要求有较大的刚度、良好的可靠性、重量轻、体求有较大的刚度、良好的可靠性、重量轻、体积小、寿命长等等积小、寿命长等等措施：考虑到以上要求，在设计和制造机械装措施：考虑到以上要求，在设计和制造机械装置时，通常采用置时，通常采用精密机械技术精密机械技术。返回返回n机械本体设计机械本体设计无间隙、低惯性、低振动、无间隙、低惯性、低振动、低噪声和适当阻尼比的要求低噪声和适当阻尼比的要求n机械传动设计机械

5、传动设计3.设计内容设计内容返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 n 机械传动机构的基本要求 由于传动部件直接影响机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性，应设计和选择满足低摩擦、无间隙、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比以及与伺服电动机等其它环节的动态性能相匹配等要求的传动部件。返回返回n采用低摩擦阻力的传动部件和导向部件采用低摩擦阻力的传动部件和导向部件n减小反向死区误差减小反向死区误差n选用最佳传动比选用最佳传动比n缩短传动链，提高传动与支承刚度，以减小结构的缩短传动链，提高传动与支承刚度，以减小结构的弹性变形弹性变形n通过刚度、质量和摩擦系数等参数的合理

6、匹配得到通过刚度、质量和摩擦系数等参数的合理匹配得到适当的阻尼比适当的阻尼比返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 n传动机构的发展 随着机电一体化技术的发展，要求传动机构不断适应新的技术要求：n精密化n高速化n小型化和轻量化返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 n传动机构的设计内容 包括系统设计和结构设计两个方面n估算载荷n选择总传动比，选择伺服电机n选择传动机构的形式n确定传动级数，分配各级传动比n配置传动链，估算传动链精度n传动机构结构设计n计算传动装置的刚度和结构固有频率n做必要的工艺分析和经济分析返回返回第二章第二章 机电一体化的单元

7、技术机电一体化的单元技术 n机械传动系统的特性机电一体化的机械系统应具有良好的伺服性能，要求机械传动部件应有足够的制造精度，满足快速稳定和高效的要求，还应使机械传动部分动态特性与执行元件的动态特性相匹配。机械传动系统的主要特性有：n转动惯量n阻尼n刚度n间隙返回返回n转动惯量过大的不利影响：使机械负载增大，需要增大驱动电机的功率系统响应速度变慢，灵敏度降低使系统固有频率下降，易产生谐振，影响伺服稳定性和精度电气驱动部件的谐振频率降低、阻尼增大第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 u驱动系统实际谐振频率随惯性负载增

8、大而降低驱动系统实际谐振频率随惯性负载增大而降低u设计系统时，将传动系统的转动惯量作为选择电动机动设计系统时，将传动系统的转动惯量作为选择电动机动力参数的依据。力参数的依据。返回返回圆柱体转动惯量（形心轴与回转轴重合）齿轮、联轴器、丝杠和轴等接近于圆柱体的零件都可用上式计算（或估算）其转动惯量。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 423281dlmdJ返回返回直线运动物体的转动惯量折算到丝杠轴上的等效转动惯量折算到小齿轮轴上的等转动惯量第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 20)2(LmJrer20rmJrer返回返回丝杠轴折算到电机轴的等效转动惯量（引申

9、到后轴折算到前轴）第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 2iJJseri - 电机轴到丝杠轴的总传动比JS-丝杠的转动惯量返回返回n阻尼是系统的固有特性，对于一个振动系统，我们定义所有消耗系统机械能的因素都称为阻尼n由于机械部件具有惯性和摩擦特性，机械传动系统可视为带有阻尼的质量-弹簧系统n摩擦阻尼是由于机械系统的传动件之间的摩擦力而产生的第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 阻尼阻尼返回返回n机械部件振动时，金属材料的内摩擦较小（附加的机械部件振动时，金属材料的内摩擦较小（附加的非金属减振材料内摩擦较大）、导轨的摩擦阻尼是非金属减振材料内摩擦较大）、导轨的

10、摩擦阻尼是主要的主要的n摩擦阻尼可分为三类：静摩擦阻尼、库仑摩擦阻尼摩擦阻尼可分为三类：静摩擦阻尼、库仑摩擦阻尼和黏性摩擦阻尼（黏滞摩擦阻尼）和黏性摩擦阻尼（黏滞摩擦阻尼）n实际应用摩擦阻尼时，一般都简化为黏性摩擦的线实际应用摩擦阻尼时，一般都简化为黏性摩擦的线性阻尼性阻尼阻尼阻尼返回返回n阻尼影响：机械部件产生振动时，系统中阻尼越大，最大振幅越小，且衰减越快。但阻尼过大，系统失动量增大，稳态误差增大，精度降低。适当的阻尼可提高系统的稳定性。系统的静摩擦阻尼大，会使系统的回程误差增大，定位精度降低。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 阻尼阻尼返回返回n系统的黏性摩擦阻尼越大

11、，系统的稳态误差越大，系统的黏性摩擦阻尼越大，系统的稳态误差越大，精度降低。精度降低。n系统的黏性摩擦阻尼对快速响应性不利。系统的黏性摩擦阻尼对快速响应性不利。n若机械系统刚度低质量大，则系统的固有频率低，若机械系统刚度低质量大，则系统的固有频率低，此时应增大系统的黏性摩擦阻尼，以减小振幅和加此时应增大系统的黏性摩擦阻尼，以减小振幅和加快衰减进程。快衰减进程。阻尼阻尼返回返回机械传动系统若简化为二阶振动系统，其阻尼比第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 02mkB返回返回=0时，系统处于等幅持续振荡状态，因此系统不能没有阻尼，任何机电系统都具有一定的阻尼。l称为过阻尼系统；1