1、机械系统设计（4学时） 2.1机械传动系统数学模型 2.2传动机构 2.3导向机构 本章要求掌握机电系统建模方法，机电系统对机械机构的要求。,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,一、质量和惯量的转化质量m：指储有直线运动动能的部件属性。,力质量系统,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。,质量和惯量转化的原则： 转化前后系统瞬时动能保持不变
2、。即：,转动元件的瞬时动能为：,移动元件的瞬时动能为：,式中 m化转化质量(等效质量)；J化 转化惯量(等效转动惯量)。,机床传动机构示意图 1 、2、3、4齿轮 5丝杠 6工作台,等效质量,已知齿轮1 、2、3、4及丝杠5和工作台6，其转动惯量J1，J2， J3， J4 ，J5，工作台6的质量为m6，各齿轮的齿数为Z1，Z2，Z3，Z4，丝杠5螺距为12mm，求工作台6的转化质量。,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。,力弹簧系统,扭力弹簧系数或扭转刚度系数k 表示旋转弹簧的位能。,转矩扭力弹簧系统,弹性系数的转化旋
3、转传动系统弹性系数的转化：,式中 k化转化弹性系数；kj各构件的弹性系数；ij各构件到被研究元件间的传动比。此式是对旋转传动系统而言的，如果是移动系统则需要变换。,移动系统弹性系数的转化： 串联弹簧的等效数学表达式为：,并联弹簧的等效其数学表达式为：,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,1静摩擦2动摩擦3粘滞摩擦,(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
4、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。,基 本 要 求 正确建立控制元部件和系统的微分方程 了解非线性微分方程的线性化方法 掌握传递函数的定义及其求解方法 熟悉典型环节及其传递函数 掌握系统动态方框图的建立方法 掌握动态方框图的简化和梅逊公式 掌握反馈系统的开环和闭环传递函数,机电系统的动态数学模型,2-1 微分方程及其线性近似,一、列写微分方程的一般步骤：,(1)要先明确输入和输出变量；,(2)利用对系统的分析，找出各元部件
5、之间的动态联系: 微分方程组；,(3)消去中间变量，得到输入、输出变量间的微分方程；,由牛顿第二定律得：,二阶线性定常非齐次微分方程！,拉普拉斯变换及反变换,一、拉氏变换的定义：,(1)当 t 0时， x(t)在每个有限区间上分段连续；,对于函数 x(t)，如果满足下列条件：,二、典型函数的拉氏变换,2、单位斜坡函数: t1(t),二、典型函数的拉氏变换,(t)在a0时,4、指数函数: e-at 1(t),3、单位脉冲函数: (t),三、拉氏变换的基本性质和定理,1、线性性质：,t,三、拉氏变换的基本性质和定理,2、微分性质：,若系统处于零初始条件下：则有,三、拉氏变换的基本性质和定理,例：在
6、零初始条件下求输出的拉氏变换。,解：对上方程在零初始条件下求拉氏变换得：,利用拉氏反变换便可得到输出的原函数。,三、拉氏变换的基本性质和定理,3、积分性质（在零初始条件下）：,4、延时定理：,例：,三、拉氏变换的基本性质和定理,5、终值定理：,证明,四、拉氏反变换,采用部分分式展开法求拉氏反变换：,1、只含不同单极点的,式中：,四、拉氏反变换,四、拉氏反变换,例2,解：,解：,四、拉氏反变换,通过配方化成正弦、余弦象函数的形式再求反变换,2、含共轭复数极点的情况：,四、拉氏反变换,2、含共轭复数极点的情况：,例,四、拉氏反变换,3、含重极点的情况：,四、拉氏反变换,例1,3、含重极点的情况：,
7、四、拉氏反变换,四、拉氏反变换,例2,3、含重极点的情况：,2-3 传递函数,线性定常系统在零初始条件下，输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。,一、传递函数的定义,即系统的传递函数为：,若线性定常系统的微分方程一般形式为：,一、传递函数的定义,式中：c(t)为系统的输出量，r(t)为系统的输入量；m n； a0、a1、 an 及b0、b1、 、bm 均为实数, 其数值由系统的结构及参数决定。,假设c(t)、r(t)及其各阶导数的初始值均为零，对微分方程进行拉氏变换得：,一、传递函数的定义,若线性定常系统的微分方程一般形式为：,即为系统的传递函数。,控制系统的数学模型是描述系统内部各物理量（
8、或变量）之间关系的数学表达式或图形表达式或数字表达式。亦：描述能系统性能的数学表达式（或数字、图像表达式）,建立系统数学模型的方法主要有两类：机理建模 白箱实验建模（数据建模）黑箱或灰箱,微分方程 传递函数 系统方框图传递函数是系统数学模型的又一种形式，也是一种表示输入输出的模型形式。 它表示了系统本身的特性而与输入信号无关。它仅能表示输入输出关系，而无法表示出系统的内部结构。,一、传递函数的定义,在初始值u2(0)=0时，上述微分方程的拉氏变换为：,经整理得RC 网络的传递函数为：,一、传递函数的定义,定义式法,二、典型环节及其传递函数,系统的传递函数为：, 比例(或放大)环节：G(s)=K
9、, (理想)积分环节：G(s)=1/s, (理想)微分环节：G(s)= s, (一阶)惯性环节：G(s)= 1/ (T s+ 1), 一阶微分环节： G(s)= s + 1, (二阶)振荡环节：G(s)= 1/ (T2 s2 +2Ts +1), 二阶微分环节： G(s)= 2 s2 + 2s + 1,二、典型环节及其传递函数,电阻、电感、电容元件：,二、典型环节及其传递函数,电阻、电感、电容元件：,二、典型环节及其传递函数,电阻、电感、电容元件：,二、典型环节及其传递函数, 无源电子网络之一 RC无源滤波网络：,S域模型法,二、典型环节及其传递函数, 无源电子网络之二：,二、典型环节及其传递函
10、数, 无源电子网络之二：,二、典型环节及其传递函数, 无源电子网络之二：,二、典型环节及其传递函数,u0,S域模型法,二、典型环节及其传递函数, 永磁式直流测速机：,二、典型环节及其传递函数,拉氏变换后得：,同一元部件可有不同的传递函数！,电动势才与输出电压相等，于是有,二、典型环节及其传递函数, 永磁式直流测速机：,由电机电枢回路的电压方程得:,注意负载效应问题,二、典型环节及其传递函数, 永磁式直流测速机：, 机械转动系统：,根据牛顿定律可得：,二、典型环节及其传递函数,经拉氏变换得角速度的传递函数：,则减速器转矩的传递函数为,（减速比： ）, 减速器：,二、典型环节及其传递函数,轴：,轴
11、：,轴：,且在不考虑功率损耗时有:,二、典型环节及其传递函数,二、典型环节及其传递函数,弹簧、阻尼器、质量（等效弹性刚度）：,f(t)=kx(t),F(s)=kX(s),F(s)/X(s) = k,F(s)=DsX(s),F(s)/X(s) =Ds,F(s)=Ms2X(s),F(s)/X(s) =Ms2,二、典型环节及其传递函数,F(s)=kX(s)+DsX(s),F(s)/X(s) =k+Ds,f(t)=kx(t)- x1(t),并联的弹性刚度等于各弹性刚度之和,F(s)/X(s) = kDs /(k+Ds),串联弹性刚度等于各弹性刚度的倒数之和的倒数,弹簧、阻尼器、质量（等效弹性刚度）：,
12、二、典型环节及其传递函数,二、典型环节及其传递函数,三、对传递函数的七点说明,1、传递函数只适用于线性系统，而不适用于非线性系统。因为传递函数是在拉氏变换的基础上导出的，而拉氏变换是一种线性积分变换，只适用于线性微分方程，非线性系统不能用线性微分方程来描述，也就不能用传递函数表示。,2、传递函数中的各项系数与微分方程中的各项系数对应相等，完全由系统的内部结构、参数决定，而与输入量的大小和形式无关，故传递函数与微分方程一样，均可作为系统的动态数学模型。,3、传递函数的结构形式及参数虽然相同，但输入、输出的物理量不同，则代表的物理意义不同。从另一方面说，两个完全不同的系统（例如一个是机械系统，一个
13、是电子系统），只要它们的控制性能一样，就可以有完全相同的传递函数。这就是在实验室做模拟实验的理论基础。,4、一个传递函数 G(s)=C(s) / R(s) 只能表示一个输入量对一个输出量的关系，对同一部件可有不同的传递函数。至于信号传递通道中的中间变量，用一个传递函数无法全面反映。,三、对传递函数的七点说明,5、传递函数只表明线性系统的零状态响应特性，它是由系统工作状态相对静止时得出的。这时可认为，对于相对给定的平衡点，系统输出量和输入量的初始值均为零，这才符合传递函数的定义。,6、传递函数分子多项式的阶次总是低于至多等于分母多项式的阶次，即 mn 。这是因为实际物理系统或元件中总是含有较多的
14、惯性元件，以及能源又是有限的缘故。传递函数分母中S 的最高阶次等于输出量导数的最高阶次。如果S 的最高阶次为n ，则系统称为n 阶系统。,三、对传递函数的七点说明,三、对传递函数的七点说明,2-4 系统方框图,一、系统方框图,方框图模型是控制系统的又一种数学模型。特点：具有图示模型的直观，能表明系统个元件的功能及信号的流向。 方框图具有数学性质，可以进行代数运算和等效变换，是计算系统传递函数的有力工具，应用非常普遍。 系统方框图与原理图是不一致的！,2-4 系统方框图,一、系统方框图组成,信号线：表示信号传递通路与方向。 方框：表示对信号进行的数学变换。方框中写入元件或系统的传递函数。 比较点
15、：对两个以上的信号进行加减运算。引出点：表示信号引出或测量的位置。同一位置引出的信号数值和性质完全相同。,系统方框图表示符号的“三要素”,二、系统方框图的绘制,绘制系统方框图的步骤,解：,二、系统方框图的绘制,二、系统方框图的绘制,例2：试建立图示汽车简化力学模型的方框图。,F1,K1+Ds,二、系统方框图的绘制,这里主要介绍利用 S 域模型建立电子网络方框图的方法,U,二、系统方框图的绘制,例4：试建立图示电子网络的方框图(或结构图)。,二、系统方框图的绘制,二、系统方框图的绘制,一、系统方框图的等效变换法则,1）各前向通路的传函保持不变， 2）各回路的传函保持不变。,一、系统方框图的等效变
16、换法则,一、系统方框图的等效变换法则,前向通道的传函 G(s) 反馈通道的传函 H(s) 开环传函 G(s) H(s 闭环传函 (s),一、系统方框图的等效变换法则,一、系统方框图的等效变换法则,二、由系统方框图求系统传递函数的方法：,1、利用方框图的等效变换求系统传递函数,(Cs+1/R1),1、利用方框图的等效变换求系统传递函数,注意:分支点与相加点尽量避免相互跨越!,1、利用方框图的等效变换求系统传递函数,例3 教材P69的例2-6,2、利用梅逊公式求系统传递函数,信号流图的基本性质： 节点标志系统的变量， 节点标志的变量是所有流 向该节点信号的代数和； 信号在支路上沿箭头单向传递；,前
17、向通路：信号从输入节点到输出节点传递时，每个节点只通过一次的通路，叫前向通路。前向通路上各支路增益之乘积称前向通路总增益，一般用Pk表示。,回路：起点和终点在同一节点，而且信号通过每一节点不多于一次的闭合通路称回路。回路上各支路增益之乘积称回路增益，一般用La表示。,不接触回路：回路之间没有公共节点时，称不接触回路。,2、利用梅逊公式求系统传递函数,梅逊公式,Pk 是指从输入端到输出端第k条前向通路的传递函数,为特征式: =1 - La + Lb Lc - Ld Le Lf + ,式中, La是指所有不同回路的“回路传递函数”之和,Lb Lc是指两两互不接触回路的“回路传递函数”之和, Ld
18、Le Lf 是指所有三个互不接触回路的“回路传递函数”之和,2、利用梅逊公式求系统传递函数,k是指特征式中, 将与第 k 条前向通路相接触的“回路传递函数”所在的项代以零值 ( 或除去 ) 以后的余式。,梅逊公式,2、利用梅逊公式求系统传递函数,2、利用梅逊公式求系统传递函数,2、利用梅逊公式求系统传递函数,解法三：,自动控制系统在工作过程中会受到外加信号的作用，其中一种信号是控制信号或输入信号；另一种信号则是干扰信号或扰动信号。输入信号加在系统的输入端，而干扰信号多作用于受控对象。一典型的闭环控制系统为：,如将图中H(s)的输出通路断开,即断开系统的主反馈通路, 这时前向通路传递函数与反馈通
19、路传递函数的乘积G1(s)G2(s)H(s), 称为系统的开环传递函数。,1、r(t)作用下的闭环传递函数： 令n(t)=0，则输出c(t)与输入r(t)之间的传递函数，称为系统在r(t)作用下的闭环传递函数。,二、系统闭环传递函数的概念,2、n(t)作用下的闭环传递函数：令 r(t)=0，则输出c(t)与干扰 n(t)之间的传递函数称为系统在 n(t)作用下的闭环传递函数。,二、系统闭环传递函数的概念,根据线性系统的叠加原理，可知系统的总输出为:,三、系统的总输出,基 本 要 求 正确建立控制元部件和系统的微分方程 了解非线性微分方程的线性近似方法 掌握传递函数的定义及其求解方法 熟悉典型环
20、节及其传递函数 掌握系统动态方框图的建立方法 掌握动态方框图的简化以及梅逊公式 掌握反馈系统开环和闭环传递函数的概念,系统的动态数学模型,1.3 机械传动,机械的主功能是完成机械运动，一部机器必须完成相互协调的若干机械运动，每个机械运动可用单独的控制电机、传动件和执行机构组成的若干子系统来完成，若干个机械运动由计算机来协调与控制。这就使设计机械时的总体布局、机械选型和结构造型更加合理和多样化。机电一体化机械系统的良好伺服性能，要求机械传动部件满足转动惯量小、摩擦小、阻尼合理、刚度大、振动特性好、间隙小的要求，还要求机械部分的动态特性与电机速度环的动态特性相匹配。 为满足以上的要求，采用与传统机
21、械机构不同的结构，主要包括：滚珠丝杠、调隙齿轮、谐波齿轮、贴塑导轨等等。,1.3 机械传动,一、滚动螺旋传动 （一） 工作原理及结构形式,工作原理：螺杆和螺母的螺纹滚道间置滚珠，当螺杆或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，使螺杆和螺母作相对运动时为滚动摩擦。提高了传动效率和传动精度；传动平稳、同步性好，不易产生爬行、随动精度和定位精度高；磨损小，寿命长；不能自锁，传动具有可逆性；结构复杂，工艺要求高，成本高。,1.3 机械传动,1.3 机械传动,1.3 机械传动,一、滚动螺旋传动 结构形式：根据滚珠的循环方式，滚动螺旋传动结构形式为内循环类型与外循环类型。,外循环滚动螺旋传动,l-螺母 2-钢球
22、3-挡球器、反向器 4-螺杆,内循环滚动螺旋传动l-螺母 2-钢球 3-挡球器、反向器 4-螺杆,外循环有回球槽式和插管式。回球槽式是螺母外表面有回球槽，槽的两端有通孔与螺母的螺纹滚道相切，形成滚珠返回通道。为引导滚珠在通孔内顺利出入，在孔口置有挡球器。特点：是螺母外径尺寸较小，安装方便。,回球槽式,插管式采用外接套管作为滚珠返回通道。结构简单、制造方便，但弯管突出于螺母外部，外形尺寸较大。若用弯管端部作挡球器，耐磨性差。,插管式,内循环镶块式在螺母上开有侧孔，孔内镶有反向器，将相邻两螺纹滚道联接起来。滚珠从螺纹滚道进入反向器，越过螺杆牙顶，进入相邻螺纹滚道，形成循环回路。特点是螺母的外径尺寸
23、较小，和滑动螺旋副大致相同。滚珠返回通道短，有利于减少滚珠数量、减少磨损、提高传动效率，但反向器回行槽加工要求高。,镶块式,内循环,(二)消除间隙和调整预紧,滚动螺旋传动的消除间隙和调整预紧一般有垫片式、螺纹式和齿差式三种。垫片式调整垫片厚度，使螺母产生轴向位移。结构紧凑、工作可靠、调整方便、应用广，但不很准确。并且当滚道磨损时不能随意调整，除非更换垫圈，故适用于一般精度的机构。,垫片调隙式,1-螺母 2垫片,螺纹调隙式 螺母1的外端有凸缘，螺母3加工有螺纹的外端伸出螺母座外，用两个圆螺母2锁紧。键4的作用是防止两个螺母的相对转动。旋转圆螺母即可调整轴向间隙和预紧。 特点是结构紧凑、工作可靠、
24、调整方便。缺点是不很精确。,螺纹调隙式,1、2、3-螺母 4-键,齿差调隙式 在螺母1和4的凸缘上切出齿数相差一个齿的外齿轮(z4 =zl+1)，把其装入螺母座中分别与具有相应齿数(z1和z4)的内齿轮2和3啮合。调整时，先取下内齿轮，将两个螺母相对螺母座同方向转动一定的齿数，然后把内齿轮复位固定。此时，两个螺母之间产生相应的轴向位移，从而达到调整的目的。当两个螺母按同方向转过一个齿时，其相对轴向位移为,齿差调隙式,1、4-螺母 2、3-内齿轮,（三）滚动螺旋机构的主要尺寸及标注,1、主要尺寸,（三）滚动螺旋机构的主要尺寸及标注,2、滚动丝杠副的标注法,（三）滚动螺旋机构的主要尺寸及标注,2、
25、滚动丝杠副的标注法,螺纹旋向，右旋不标 检查项目标号 精度等级 负载滚珠总圈数 基本导程 公称直径 预紧方式(见各厂代号) 循环方式(见各厂代号) 外形结构特征(见各厂代号),（三）滚动螺旋机构的主要尺寸及标注,2、滚动丝杠副的标注法 示例 1）汉江机床厂标记法：FC1B-606-5-E2左，它表示法兰凸出式插管型、变位螺距预加载荷、公称直径60mm、基本导程6mm、每个螺母上承载滚珠总圈数为5圈、E级精度、检查12项、左旋螺纹。 2）南京工艺装备制造厂标记法：FFZD405-3-D3/1400900，它表示浮动式内循环、法兰与直筒螺母组合垫片预紧、公称直径40mm、基本导程5mm、承载滚珠总
26、圈数为3圈、D级精度、检查13项、右旋、丝杠全长1400mm、螺纹长度900mm。,（三）滚动螺旋机构的主要尺寸及标注,3、精度等级 数控机床、精密机床和精密仪器用于进给系统时，根据定位精度和重复定位精度的要求，可选用C、D、E级等；一般动力传动，其精度等级偏低，可选F、G等。各类型机械精度等级的要求。,(四)支撑方式的选择,丝杠的轴承组合及轴承座、螺母座以及与其它零件的连接刚性，对滚珠丝杠副传动系统的刚度和精度都有很大的影响，需在设计、安装时认真考虑。为了提高轴向刚度，丝杠支承常用推力轴承为主的轴承组合，仅当轴向载荷很小时，才用向心推力轴承。,(四)支撑方式的选择,除表中所列的特点以外，应该
27、知道，当滚珠丝杠副工作时，因受热(摩擦及其它热源)而伸长，它对第一种支承方式的预紧轴承将会引起卸载，甚至可能产生轴向间隙，此时与第三、第四种支承情况类似，但对第二种支承方式，其卸载的结果可能在两端支承中造成预紧力的不对称，且只能允许在某个伸长范围内，即要严格限制其温升，故这种高刚度、高精度支承方式更适宜于精密丝杠传动系统。,(五)滚动螺旋传动的设计计算设计滚动螺旋传动时，已知条件是：工作载荷 F 或平均工作载荷Fm；螺旋的使用寿命Lh；螺杆的工作长度(或螺母的有效行程)l；螺杆的转速n(rmin)以及滚道硬度HRC和运转情况。一般设计步骤是：,1)求出螺旋传动的计算载荷Fc,式中 KF载荷系数
28、，125；KH硬度系数，14；KL短行程系数，l13；Fm平均工作载荷。,2)考虑寿命 从滚动螺旋的系列中找出相应的额定动载荷，初步确定其规格(或型号),式中 ： Ca 额定动载荷；nm 螺杆的平均转速(rmin)；Lh 运转寿命(h)。,3)根据所选规格(或型号)列出主要参数。 4)验算传动效率、刚度及工作稳定性是否满足要求，如不能满足要求则应另选其它型号并重新进行验算。 5)对于低速(n10r/min)传动，只按额定静载荷计算即可。,例2-3 试计算一数控铣床工作台进给用滚动螺旋传动。已知平均工作载荷 螺杆工作长度 平均转速 要求使用寿命 左右，螺杆材料为 CrWMn钢，滚道硬度5862H
29、RC，传动精度要求为0.03mm。 解 ：（1）求计算载荷,(2)根据寿命条件计算必须的额定动载荷,(3)根据必需的额定动载荷 选择螺旋尺寸现假设用内循环结构的许用动载荷 接近 或稍大于 的原则，所选择的螺旋有下列几个规格: 1),考虑各种因素选用1),计算一下丝杠螺母副的尺寸,滚道半径:,偏心距:,螺杆内径:,(4)稳定性计算 因为螺杆较长, 所以稳定性的计算应以下式求临界载荷,式中 E 为弹性模量,螺杆危险截面的轴惯性距,为丝杠内径,为长度系数, 两端铰接时,是稳定的。,(5)刚度验算按最不利的情况考虑,螺纹螺距因受轴向力引起的弹性变形与受转距引起弹性变形方向是一致的.,故有,式中摩擦系数
30、,每米螺纹长度上的螺纹距离的弹性变形为,通常要求丝杠的导程误差应小于其传动精度的一半，即,所以,（6）效率验算,式中,所以,要求在9095之间，满足要求。,二、齿轮传动装置,二、齿轮传动装置(一)应用概述在下列情况下，在进给轴上常用齿轮传动：1) 使伺服电动机的转速与低速的滚珠丝杠装置、齿轮齿条传动装置、蜗轮传动装置的转速相匹配。2) 减少外部转动惯量折算到电机轴上的值。3)增大主动轴的转矩。4)把电动机的实际位置与机床所需要的位置联成一体。,在进给传动中一般选用一级齿轮传动，在主传动中，虽然主轴一般采用变频电机调速，但为了提高输出转矩和充分利用电机功率，一般配高低档变速！,齿轮传动装置的优点
31、：1)进给电动机轴与进给丝杠不必在同一条直线上，即电动机的安装有多种的方式。2)电动机轴上外部转动惯量Jexi按比值1i2减少，要求电动机轴上的转矩减少1i，这表明可使用较小的电动机。3)在要求快速横向进给速度时，为使电动机转速一体化，除了进给丝杠导程h以外，齿轮速比i是另一个重要参数。4)对于转动惯量和驱动装置有关的动态特性一体化，可选用适当的齿轮速比使之最优化。,齿轮传动装置的缺点：1)齿轮传动装置是一个附加的结构部件，对其设计和生产都有一定的要求，增加了制造成本。2)齿轮传动可能把附加的非线性(间隙)引入位置控制环，而且这类非线性只能部分地予以消除。3)虽然齿轮传动装置输出端的全部转动惯
32、量可以通过齿轮速比予以减少，但齿轮转动惯量本身影响驱动装置的总转动惯量。,齿轮传动装置的缺点： 4)由于附加转动惯量及非线性对控制参数产生影响，因此必须仔细地调整速度调节器。5)齿轮的磨损可能引起反转误差的逐渐扩大，因此必须及时重新调整。6)齿轮传动装置在运行及停止时，特别是电源为一个线性同步换流器时，齿轮可能产生高的噪声电平。在运行时，高噪声电平产生的原因是齿廓误差及齿根面啮合过程引起的齿轮之间交变的反转误差。在静止时，高噪声电平产生的原因是齿轮间隙内的电动机振动。,(二)技术条件当应用齿轮或同步带轮来作为进给装置时，需要满足以下技术要求：1)大齿轮折算到电动机轴上的转动惯量要小。2)刚度大
33、。3)无间隙。4)噪声低。,齿轮的转动惯量要小，这对于整个进给驱动装置的动态特性是重要的。齿轮应该由刚度大、密度小的材料制成。由于齿轮的转动惯量与其直径4次方成正比，它的直径应选得尽可能的小。对于安装在齿轮传动装置输出轴上的齿轮特别要注意该点。 如果由于结构上的原因，必须使用结构类型3来代替类型1，则齿轮速比 1i1.3比i=1更为合适。然而，在这种情况下，电动机最高转速必定高于直接联接时速比(i=1)所需要的转速。下面对这两种齿轮速比作一比较分析。,齿轮速比i=1时，齿轮1与齿轮2的直径为d。 齿轮速比i1时，电机轴上齿轮1的直径为d1，驱动轴上齿轮2的直径为d2。 各齿轮折算到电动机轴上的
34、齿轮转动惯量是：,当齿轮速比 i=1,当齿轮速比i1,如果我们假定dl+d2=2d，然后代入,得转动惯量的关系式为：,在范围1i1.3里，可得到近似值为：,这表示速比范围在1i1.3的齿轮转动惯量是速比i=l的齿轮转动惯量的1i。,为了使机械传动部件的总刚度大，齿轮装置的扭转弹性系数必须保持尽可能的大，对于同步带齿轮，如果适当地确定尺寸并预加载荷，就会具有很高的刚度值。齿轮传动装置的齿轮轴必须尽可能地短，且有较好地抗弯曲与抗扭性能。电动机与滚珠丝杠之间在传动过程中的反转误差，可以利用图222的结构类型l来加以改善。具有同步带传动装置的结构类型2或3在很大程度上也能消除反转误差。反转误差之和相当
35、于位置控制信号流的滞后。由于在轮廓控制传动及相当的低速进行定位时，最大驱动转矩不起作用，因此不必按大驱动转矩设计齿轮的预载荷。然而，当计算预加载齿轮的刚度时，必须考虑到预载荷。,(三)齿轮传动间隙的消除措施齿轮完全无间隙的传动，只是在理论上能够实现。事实上齿轮在制造过程中加工误差是无法避免的。两个啮合着的齿轮。总要有微量的齿侧隙才能使齿轮正常地工作。为保证齿轮传动的精度，应采用一些措施尽可能地消除齿侧隙。,1圆柱齿轮传动 (1)偏心轴套调整法 电液脉冲马达2是用偏心环1装在壳体内，该偏心环可以调节两个啮合着的圆柱齿轮中心距，这样就可以用缩小中心距的方法来消除圆柱齿轮正、反转时的齿侧隙。,(2)
36、轴向垫片调整法 两个啮合着的圆柱齿轮1和3，如果它们的节圆直径沿着齿宽方向制成稍有锥度(其外形有些像插齿刀)，这样就可以用轴向垫片2使齿轮1在轴向错位而消除它的齿侧隙。装配时，调整轴向垫片2的厚度大小，可以达到齿轮1与齿轮3无侧隙啮合，并且转动灵活。,以上两种调整方法的特点是结构简单，但齿侧隙调整后不能自动补偿。,(3)双片薄齿轮错齿调整法 两个啮合着的圆柱齿轮，其中一个是宽齿轮，另一个是由两薄片组成的齿轮，再附加某些措施，使一个薄片齿轮的齿左侧和另一个薄片齿轮的齿右侧分别紧贴在宽齿轮的齿槽左、右两侧。这样错齿后就没有齿侧隙，故反向时就不会出现死区。,周向弹簧式：在两个薄片齿轮3和4上各开了几
37、条周向槽，并在齿轮3和4的端面上各压配有安装弹簧1的短柱2，在弹簧1的作用下使薄片齿轮4和3错位而消除齿侧隙。弹簧 l 的张力必须足以克服传动扭矩才能起作用。在设计弹簧 1时必须进行强度计算。由于周向圆槽及弹簧的尺寸不能太大，这种结构形式仅适用于读数装置或传动力矩很小的机械装置。,1、弹簧 2、短柱 3、4 齿轮,圆柱薄片齿轮周向弹簧错齿调整法,可调拉簧式：在两个薄片齿轮8和9上各装有螺纹的凸耳1与7。弹簧2的一端钩在凸耳1上，另一端钩在螺钉5上。弹簧2所受的张力大小可用螺母3来调节螺钉5的伸出长度。调整好后可用螺母4来锁紧，在简易数控机床进给传动中，步进电机和长丝杠之间的齿轮传动常采用这种方
38、式。,以上两种调整方法的特点是齿侧隙能够自动补偿，但其结构比较复杂。,圆柱薄片齿轮可调拉簧错齿调整法l、6、7、凸耳 2、弹簧 3、4、螺母 5、螺钉 8、 9、薄片齿轮,2斜齿轮传动齿侧隙的消除方法。 (1)垫片调整法 基本上与上述错齿调整法相同，也就是用两个薄片齿轮和一个宽齿轮啮合，只是在两个薄片斜齿轮的中间隔开了一小段距离，这样它的螺旋线便错开了。在两个薄片斜齿轮3和4中间，加一个垫片2，这样一来，薄片齿轮3和4的螺旋线就错位，而分别与宽齿轮1齿的左、右侧面贴紧。,斜齿薄片齿轮垫片错齿调整法1、宽齿轮 2、垫片 3、4、薄片齿轮,这种调整方法的特点是结构比较简单，但调整起来比较费事，并且
39、齿侧隙也不能自动补偿。,三、微动装置(一)概述微动装置是机械中某一部件在一定范围内产生缓慢而平稳的微量移动(或转动)的一种装置。在机电一体化产品中，微动装置一般用于精确、微量地调节某一部件的相对位置。如在仪器的读数系统中，调整刻度尺的零位；在万能测长仪中，用摩擦微动装置调整刻度尺的零位；在磨床中，用螺旋微动装置调整砂轮架的微量进给。,微动装置性能的好坏，在一定程度上影响机械产品的精度和操作性能。因此，对微动装置基本性能的要求是：1)应有足够的灵敏度，使微动装置的最小位移量能满足使用要求。2)传动灵活、平稳、无空回产生。3)工作可靠、对调整好的位置在一定时期内应保持稳定。4)若微动装置包括在仪器
40、的读数系统中，则要求微动手轮的转动角度与直线微动(或角度微动)的位移量成正比。5)要有良好的工艺性，使用方便并经久耐用。,按传动原理不同，微动装置分为机械式微动装置、电气-机械式微动装置和其它形式的微动装置。,(二)机械式微动装置在微动装置中，常用的机械传动类型有：螺旋传动、齿轮传动、摩擦传动、杠杆传动以及几种传动方案的综合。,1螺旋微动装置 螺旋微动装置结构简单、制造较方便。图为万能工具显微镜工作台的微动装置，它由螺母2、调节螺母3、微动手轮4、螺杆5和滚珠6等组成。整个装置固定在测微外套1上；旋转微动手轮4时，螺杆5顶动工作台，实现工作台的微动。,螺旋微动装置 1、外套 2、螺母 3、调节
41、螺母 4、手轮 5、螺杆 6、滚珠,式中 P 螺杆的螺距；人手的灵敏度，即人手轻微旋转手轮一下，手轮的最小转角。,为提高螺旋微动装置的灵敏度，可以增大手轮或减小螺距。但手轮太大，不仅使微动装置的空间体积增大，而且由于操作不灵便反而使灵敏度降低；若螺距太小，则加工困难，用时也易磨损。因此在某些仪器中，采用差动螺旋微动装置。,螺旋微动装置的最小微动量Smin为：,2、差动螺旋微动装置 图是在电接触测量仪中应用的差动螺旋微动装置。图中杆4为主动件，可移动螺母5及与其联接在一起的滑杆1是从动件，3为固定螺母。螺杆上有两段螺纹A和B，其螺距分别为P1、P2，(P2P1)。若两段螺纹均为右旋，则可移螺母真
42、正位移为：,式中 n螺杆4的转数。,差动螺旋微动装置1、滑杆 2、弹簧 3、固定螺母 4、螺杆 5、移动螺母,电气机械式微量进给机构简图1、2、步进电机 3、齿轮 4、砂轮架 5、快速液压缸,(四)其它形式的微动装置1弹性变形式的微动装置 这类装置是利用弹性元件的变形能，或利用运动件本身的弹性变形来实现微量位移的。在构件的弹性范围内，只要精确地控制所加的力，就能得到稳定的变形，实现所需的微量进给。,弹性变形式微进给机构1、液压缸 2、砂轮架,2热变形式微动装置 热变形传动的机理如图所示，传动杆2的一端固定在机座上，另一端固定在沿导轨移动的运动件3上。当加热电阻丝1通电加热时，使传动杆2受热伸长
43、。当传动杆由于热变形而产生的力大于导轨副中的静摩擦力时，运动件3就开始移动。理想的状态是：传动杆的伸长量等于运动件的位移量。但因导轨副摩擦力的性质有变化，位移速度有快慢，运动件的质量有大小以及系统阻尼的大小等原因，往往达不到理想的情况。所以，当传动杆伸长量一般不为运动件的实际位移量。应选择线膨胀系数和弹性模量较高的材料制成传动杆。,热变形微动装置原理 1、加热电阻丝 2、传动杆 3、运动件,传动杆的加热可通过杆腔内的电阻丝1进行，也可以直接将大电流接通传动件；后一种加工方法的优点是热惯性和损失较小，并且结构也较简单。,利用变压器、变阻器等调节方法可调节传动杆的加热速度，以实现对位移速度和微进给
44、量的控制。为了使传动杆，恢复到原来的位置，可以用压缩空气或乳化液流经传动杆的内腔使之冷却。,图为外圆磨床砂轮架热变形进给机构。在砂轮架中，变压器输出的电流通过传动件1，传动件的热变形伸长使砂轮架获得微量进给；液压缸2用以实现砂轮架快速趋近或离开工件。,砂轮架热变形进给机构1、传动件 2、液压缸,3磁致伸缩式微动装置 该装置是利用某些材料在磁场作用下具有尺寸变化的性质来实现微量位移的。图为该类进给装置的工作原理图。磁致伸缩棒1的左端固定在机座上，右端与运动件2相联。绕在伸缩棒外的线圈通电激磁后，在磁场的作用下，棒产生伸缩变形而使运动件实现微量位移。改变磁场强度可得到不同的位移进给量。,磁致伸缩式
45、微量进给工作原理图1一磁致伸缩棒 2、运动件,磁致伸缩式微量进给机构的特征为：1)重复精度高，无间隙。 2)刚性好，转动惯量小，工作稳定性好。 3)结构简单、紧凑。 4)进给量有限。该类装置适用于精确位移调整，切削刀具的磨损补偿，温度变形补偿及自动调节系统等。下图为精密坐标调整用的磁致伸缩传动原理图，可用于坐标工作台。粗位移时，用丝杠螺母副传动；在微量位移时，应用装在螺母与工作台间的磁致伸缩棒来实现。,精密坐标调整用的磁致伸缩式微量进给传动原理图,在磁场作用下，即使是理想材料，其磁致伸缩量也是有限的。如l00mm长的铁钴钒棒，只能伸长7微米。为了实现较大位移的进给或步进，可采用如图246所示的
46、机构。图示伸缩棒1的左右端上装有液压夹头2、3，当励磁线圈4的充磁和夹头2、3的夹紧、放松按顺序进行时，就使伸缩棒实现步进进给L或位移nL。其中，n为线圈的励磁循环的次数。,磁致伸缩式步进进给机构1一伸缩棒 2、3一液压夹头 4、励磁线圈,4压电式微动装置 用钛酸铅和锆酸铅组成的多晶固溶体锆钛酸铅压电陶瓷(简称压电陶瓷，代号为PZT)是一种新型的压电材料；它具有从机械能转变成电能或从电能转变为机械能的压电效应。经极化处理后的压电陶瓷在外力作用下，发生机械变形，在其表面上产生电荷，这个现象称为正压电效应；反之，在压电陶瓷上加直流电场，改变了陶瓷体的极化强度，其形状尺寸也会产生变化，则称此为逆压电效应。,刀具补偿机构l、刀架 2、楔块 3、刀套 4、镗刀 5、压板弹簧6、方形楔块 7、滑柱 8、圆管式压电陶瓷,利用压电陶瓷的逆压电效应来实现微量位移，就不必采用传统的传动系统，因而避免了 机械结构造成的误差；这种形式的微量位移具有位移分辩率高(可达千分之几微米)、结构简单而尺寸小、不发热无杂散电磁场和易于遥控等优点。,作业,1简述内循环镶块式的滚珠丝缸螺母副的工作原理及其特点。 2简述滚珠丝缸螺母副的一般设计步骤。,
