机电一体化系统的机械系统概述

（2）良好的动态响应特性 — 响应快、稳定性好。 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，这样 控制系统才能及时根据机械系统的运行 状态信息，下达指令，使其准确地完成 任务。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。
（3）无间隙、低摩擦、低惯量、大刚 度。
（4）高的谐振频率、合理的阻尼比。
图2-4、图2-5及图2-6的用法参见例2-2。
图2-4 大功率传动装置确定传动级数曲线（P32）
图2-5 大功率传动装置确定第一级传动比曲线
101
2 3 4 6 8 10
8
8
6
6
4
4
i k
2
2
B
A
1
1
2 3 4 6 8 10
ik－1
图2-6 大功率传动装置确定各级传动比曲线
第3章 机电一体化系统的机械系统 例2-2 设有i=256的大功率传动装置, 试按等效转动惯量最小
效形式：柔轮筒体的疲劳破坏。
第3章 机电一体化系统的机械系统
❖应用： 由于谐波传动具有其他传动无法比拟的诸多独
特优点，近几十年来，它已被迅速推广到机床、 机器人、汽车、造船、纺织、冶金、常规武器、 精密光学设备、印刷机构以及医疗器械等领域， 并获得了广泛的应用。
国内外的应用实践表明，无论是作为高灵敏度 随动系统的精密谐波传动，还是作为传递大转矩 的动力谐波传动，都表现出了良好的性能。
i4
2
(
80 22
8
)15

6.9887
验算i= i1 i2 i3 i4≈80。
❖ 若以传动级数n为参变量, 齿轮系中折算到电 动机轴上的等效转动惯量Je与第一级主动齿轮的 转动惯量J1之比为Je/J1, 其变化与总传动比i的关 系如图2-3所示。
❖ 可利用 Je/J1 与 i的关系确定传动级数。
1、等效转动惯量最小原则 P31 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。 齿轮系传递的功率不同, 其传动比的分配也 有所不同。
（1）小功率传动装置 假定条件：各主动小齿轮具有相同的转动惯
量J1, 轴与轴承的转动惯量不计，各齿轮均为实 心圆柱体，且齿宽和材料均相同，效率为1。
256
图2-5
查图2-6（P32 图2-30c）, 在横坐标ik-1上i1=3.3处作垂直线与 A线交于第一点, 在纵坐标 ik 轴上查得i2＝3.7。
通过该点作水平线与B曲
101
线相交得第二点i3＝4.24。由 第二点作垂线与A曲线相交得
8 6
第三点i4＝4.95。
4
2
3 4 6 8 10
8
6
4
(1) 结构简单，体积小，重量轻 (2) 传动比范围大
单级：50~300；双级：3000~60000 (3) 同时啮合的齿数多 正是由于这一独特的 优点，使谐波传动的精度高，齿的承载能力大， 进而可实现大速比、小体积。 (4) 承载能力大，运动精度高 (5) 运动平稳，无冲击，噪声小 (6) 齿侧间隙可以调整 (7) 齿面磨损小而均匀，传动效率高
10 i1
7
5 4
3
2
i
2
i2 i1
i
k
1
10
20 30 40 50 70 100
1
2 3 4 5 7 10
i
图2-7 大功率传动装置两级传动比曲线 （i<10时,使用图中的红线）
30 20
i
k
i1 10
9 8
7 6
5
i2
i3 3
i1
i2
i3
2
10
20 30 4050
10 0
100 200 300 500 1000
原则分配传动比。 解：查图2-4（P32 图2-30a）, 得n=3, Je/J1=70；n=4,
Je / J1 =35；n=5, Je / J1 =26。兼顾到 Je / J1值的大小和传动装置 的结构, 选n＝4。
图2-4
第3章 机电一体化系统的机械系统 查图2-5（P32 图2-30b）, 得i1＝3.3。
图2-3 小功率传动装置确定传动级数曲线
❖ （2）大功率传动装置 大功率传动装置传递的扭矩大,各级齿轮副
的模数、齿宽、直径等参数逐级增加,各级齿轮 的转动惯量差别很大。
大功率传动装置的传动级数及各级传动比可 依 据 图 2-4 、 图 2-5 、 图 2-6 来 确 定 （ 教 材 ： P32 图2-30）。传动比分配的基本原则仍应为“前小 后大”。
i
图2-8 大功率传动装置三级传动比曲线 （ i <100时,使用图中的红线）
例2-4 设 n＝3, i＝202, 求各级传动比。
解：查图2-8可得 i1≈12，i2≈5，i3≈3.4
验算：i1 i2 i3 ＝204 基本满足设计要求。
ik
30 20
i1
10
9 8
7 6
5
i2
i3
3
i1
i2
i3
2
10
扭矩大，故要考虑齿轮模数、齿轮齿宽等参数要逐级增加 的情况。
（2）大功率传动装置 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。 [说明]：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。 方法一：可以按图2-7和图2-8（见下一页）选 择。 方法二：见教材P32。
例2-1 设有i=80, 传动级数n=4的小功率传动, 试 按等效转动惯量最小原则分配传动比。
解：
24 41
1
i1 22(24 1) 8024 1 1.7268
i2
2( 21)
80 24 1 2( 2 ) 4/2
2.1085
i3
2
(
80 24 / 2
4
)15
3.1438
第3章 机电一体化系统的机械系统
❖缺点： (1) 柔轮周期性变形，易于疲劳损坏 (2) 柔轮和波发生器的制造难度较大 (3) 传动比的下限值高，齿数不能太少 (4) 谐波齿轮传动没有中间轴，因而不能获得中
间速度 (5) 如果结构参数选择不当，会过热，降低传动
承载能力 目前，各国学者公认的谐波传动最为主要的失
（2）常用机械传动装置
齿轮传动、同步带传动、链传动、 谐波齿轮传动、滚珠丝杠传动，其 它传动元件。
（3）对传动装置的基本要求
传动间隙小、精度高、体积小、 重量轻、运动平稳、传动转矩大。
（4）机电一体化机械传动装置 的发展方向
精密化，高速化，小型化，轻量 化。
2.2.2 常用齿轮传动装置
机电一体化系统中，常用的齿 轮传动部件：定轴传动轮系、行 星齿轮传动轮系、谐波齿轮传动 轮等。
1、定轴轮系传动 轮系中各齿轮的轴线相对机架 的位置不变。 功用：可用作较远距离的传动， 获得较大的传动比，可改变从动 轴的转向，获得多种传动比。
i1
i2
i=i1 i2
2、行星齿轮传动轮系
主要由传动齿轮、定位 齿轮、行星齿轮和行星架等 组成。
行星齿轮传动的主要特点： 体积小，承载能力大，工作 平稳。但大功率高速行星齿 轮传动结构较复杂，要求制 造精度高。
2.2 机械传动系统的设计 2.2.1 概述
（1）机械传动装置的功能 机械传动是一种运动和动力的传递 装置,是扭矩和转速的变换器,其目的 是在动力机与负载之间使扭矩得到合 理的匹配,并可通过机构变换实现对输 出的速度调节。
在机电一体化系统中,伺服电动机的伺服变速功 能在很大程度上代替了传统机械传动中的变速机构, 只有当伺服电机的转速范围满足不了系统要求时, 才通过传动装置变速。

Jm
(2-2)
i JL 或
Jm
JL i2

Jm
(2-2)
式(2-2)表明, 得到传动装置总传动比i的最佳 值的时刻就是JL换算到电动机轴上的转动惯量 正好等于电动机转子的转动惯量Jm的时刻, 此
时, 电动机的输出转矩一半用于加速负载,一半 用于加速电动机转子, 达到了惯性负载和转矩
的最佳匹配。
传动比分别为 i1、i2、i3、i4, 齿轮1~8的转角误差依 次为ΔΦ1~ΔΦ8。
3 i2
1
2
7 4
i4
输出 8
i1
5 i3
6
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
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。
2.1.2 对机械系统的特殊要求
机电一体化系统的机械系统与一般机械系统相 比，具有一定的特殊要求：
（1）较高的定位精度 精度直接影响产品的质量，尤其是机电一体化 产品，其技术性能、工艺水平和功能比普通的机 械产品都有很大的提高，机电一体化机械系统的 高精度是其首要的要求。
i
k
验算i1 i2 i3 i 4＝256.26。
满足设计要求。
2
2
B
A
1
1
2 3 4 6 8 10
ik－1
图2-6
2、质量最小原则 （1）小功率传动装置 对于小功率传动系统（假设条件同前），使各级传动比 满足：
i1 i2 i3 .... in n i
即可使传动装置的重量最轻。 上述结论对于大功率传动系统是不适用的，因其传递
Jm m
i JL
L
TLF
i —— 齿轮系G的总传动比。 图2-1 电机、传动装置和负载的传动模型
其传动比为：