机电一体化中的机械系统设计

1.转动惯量（M=Jε）
在不影响机械系统刚度的前提下，传动机构的质量和转 动惯量应尽量减小。否则，转动惯量大会对系统造成不良影 响：机械负载增大，需要增大驱动电机的功率；系统响应速 度降低，灵敏度下降；系统固有频率减小，容易产生谐振。 所以在设计传动机构时应尽量减小转动惯量，通常采取以下 措施：
（1）选择转矩/惯量比(M/J)大的控制电机．因为在伺服系 统中高速电机的转动惯量在总惯量中是主要的，往往比负载 的折算惯量大得多，特别是减速比大的系统，所以应尽量选 用低惯量的控制电机。
(2)适当选用强度高、刚度好、质量轻的材料，减轻各零 部件的质量，合理布置结构， 转动部分的质量应尽量靠近轴 线。
(3)合理选取总传动比和分配各级传动比．因为负载转动 惯量折算到高速电机轴上，要除以传动比的平方，总传动比 大，负载的折算惯量小。另外，合理地分配各级传动比也可 使传动系统的折算惯量减小。
机电一体化中中的机械设计要遵循机电结合、机电互补 的原则，满足高精度、快速响应速度和稳定性的要求。具体包
括两大部分的内容：一是机械传动装置的设计，一是机械 结构的设计。
机械设计技术
机械传动装置设计
滚珠丝杠传动 无侧隙齿轮传动 谐波齿轮传动 同步齿形带传动 膜片弹性联轴器
（3）选用最佳传动比，以提高系统分辨率，减小等效 到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速度；
（4）缩小反响死区误差，如采取消除传动间隙，减小 支承变形等措施；
（5）改进支承及架体的结构设计，以提高刚性，减少 振动，降低噪音，如采用复合材料等。
二、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．因此传动机构除了要满足传动精度的要求，而且 还要满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性的要求。
机械结构设计
导轨设计 支承装置 主轴组件设计
第一节 机电一体化机械系统概述
机电一体化机械系统是由计算机信息网络协调与控制的， 用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和(或) 机电部件相互联系的系统。其核心是由计算机控制的，包括机 械、电力、电子、液压、光学等技术的伺服系统。它的主要功 能是完成一系列机械运动。每一个机械运动可单独由控制电动 机、传动机构和执行机构组成的子系统来完成，而这些子系统 要由计算机协调和控制，以完成其功能要求。因此机电一体化 机械系统的设计要考虑产品的总体布局、机构选型、结构造型 的合理化和最优化．
第一节 机电一体化机械系统概述
一、机电一体化对机械系统的基本要求
1、高精度 机械传动精度主要是由传动件的制造误差、装 配误差，传动间隙和弹性变形所引起的。
2、快速响应 即要求机械系统从接到指令到开始执行指令 指定的任务之间的时间间隔短。机械系统的响应主要取决于加 速度。
3、良好的稳定性 即要求机械系统的工作性能不受外界环 境的影响，抗干扰能力强。
② 导程为L的丝杠驱动质量为m2的工作台和质量为m1的工件， 工作台和工件折算到丝杠上的总折算转动惯量为：
③齿条驱动的工作台（m2）与工件（m1）折算到节 圆半径为r的小齿轮上的转动惯量为
J=(m1+ m2)r 2
④ 齿轮传动转动惯量折算 轴1上的传动齿轮的转动 惯量J1折算到轴2上时，等效折算惯量为
另一方面，转动惯量相当于电路中的电容器，有储能作 用，可以改善转速的均匀性，所以有些要求转速均匀的产 品．如录像机、收录机等，都有转动惯量较大的飞轮。
转动惯量的计算
① 对于轴、轴承、齿轮、联轴节、丝杠等圆柱体的转动惯量 计算公式为：
J＝md2/8＝πd4Lρ／32
式中：m为圆柱体质量；d为圆柱体直径；L为圆柱体的长度；ρ 为圆柱体密度。
J=J1/i2 （i为轴1与轴2之间的总传动比，i=Z1/Z2）
⑤二级传动系统等效转动惯量折算
JD Z1 J1
Z2 J2 Z3
J3 Z4
m1 m2
Js
2.摩擦
摩擦力可分为静摩擦力、库仑摩擦力和粘性摩擦力。库 仑摩擦力是一种大小与速度无关的恒值阻滞力，当两物体作 相对滑动时，便出现库仑摩擦。粘性摩擦力代表一种阻滞力， 它正比于相对速度，当物体以—般速度通过液体或气体时就 会出现粘性摩擦。库仑摩擦和粘性摩擦可统称为动摩擦。
机电一体化系统中的伺服系统，主要是以机械量(位置、速 度，加速度、力等)为控制对象的一种自动控制系统。它在工作 时，要求系统的输出能平稳地、快速地、准确地跟随输入指令 动作。机电一体化中的机械系统已成为伺服系统的组成部分， 直接影响系统的控制精度、响应速度和稳定性。机械系统的性 能与系统本身的阻尼比ξ、固有频率有关。ξ、ω又与机械系统 的结构参数密切相关。因此，机械系统的结构参数对伺服系统 性能有很大影响。此外，机械结构中许多非线性因素，如传动 件的非线性摩擦、传动间隙、机械零部件的非弹性变形等，对 伺服系统性能也有较大影响。下面就机械结构因素对伺服系统 性能的影响进行分析讨论，以便在进行机械设计和选型时合理 的考虑这些因素。
摩擦是机电一体化系统中的一个非线性因素，它对系统 有不利影响，如会造成系统的死区误差；引起动态滞后，降 低系统响应速度；引起低速爬行等，但摩擦对系境的稳定性 又是有利的．
爬行是一种摩擦自激振动，振动能量来自系统本 身。产生爬行的原因可归纳为以下几点；
此外，还要求机械系统具有较大的刚度，良好的可靠性和 重量轻，体积小和寿命长。
为达到上述要求，主要从以下几个方面采取措施：
（1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，如采 用滚动丝杠副，滚动导向支承等；
（2）缩短传动链，提高传动与支承刚度，如用加预紧力 的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动与支承刚度；
2．导向机构 其作用是支承和导向，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，
3．执行机构 它是用以完成操作任务的．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．一般 要求它具有较高的灵敏度、精确度，良好的重复性和可靠性。
第二节 机械传动系统
一、伺服机械传动系统的传动特性