第二章机械传动.ppt

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1、n n一、零件、构件、部件一、零件、构件、部件n n零件：机器中不可拆的每一个最基本的制造单元体。零件：机器中不可拆的每一个最基本的制造单元体。n n 各种机器经常用到的零件称为通用零件。各种机器经常用到的零件称为通用零件。n n 特定的机器中用到的零件称为专用零件。特定的机器中用到的零件称为专用零件。n n构件：由一个或几个零件所构成的刚性单元体。构件：由一个或几个零件所构成的刚性单元体。n n部件：由若干个零件所组成的装配单元体。部件：由若干个零件所组成的装配单元体。第第2章章 机电一体化系统中的机电一体化系统中的机械传动机械传动1 1n n二、机器、机构、机械二、机器、机构、机械n n机

2、器的三个特征：n n1、由多个构件组成n n2、个构件间具有确定的相对运动，能够实现预期的机械运动n n3、能够完成有效的机械功或进行能量的转换n n具有前两个特征的多构件组合体称为机构。2 2n n机机机机构构构构与与与与机机机机器器器器的的的的区区区区别别别别：机机机机构构构构只只只只有有有有一一一一个个个个构构构构件件件件系系系系统统统统，而而而而机机机机器器器器除除除除构构构构件件件件系系系系统统统统之之之之外外外外还还还还包包包包含含含含电电电电气气气气、液液液液压压压压等等等等其其其其它它它它装装装装置置置置；机机机机构构构构只只只只用用用用于于于于传传传传递递递递运运运运动动动动

3、(或或或或改改改改变变变变运运运运动动动动形形形形式式式式)和和和和力力力力，而而而而机机机机器器器器除除除除传传传传递递递递运运运运动动动动和和和和力之外，还具有变换或传递能量、物料、信息的功能。力之外，还具有变换或传递能量、物料、信息的功能。力之外，还具有变换或传递能量、物料、信息的功能。力之外，还具有变换或传递能量、物料、信息的功能。n n机械机械：机器和机构的总称机器和机构的总称零零件件构构件件机机构构机机器器组成组成组成组成组成组成机机械械n n这些基本概念之间的关系这些基本概念之间的关系这些基本概念之间的关系这些基本概念之间的关系3 3n n机器的基本组成n n1 1、动力机部分动

4、力机部分动力机部分动力机部分：驱动整个机器完成预定功能的动力源。：驱动整个机器完成预定功能的动力源。n n2 2、执行部分执行部分执行部分执行部分：机器中直接完成工作的组成部分。：机器中直接完成工作的组成部分。n n3 3、传动部分传动部分传动部分传动部分：介于原动机和执行部分之间，用来完成：介于原动机和执行部分之间，用来完成运动形式。运动和动力参数转换的组成部分。运动形式。运动和动力参数转换的组成部分。n n4 4、控制部分控制部分控制部分控制部分：使机器的原动部分、传动部分、工作部：使机器的原动部分、传动部分、工作部分按一定的顺序和规律运动，完成给定的工作循环。分按一定的顺序和规律运动，完

5、成给定的工作循环。n n有些复杂的也包括一些辅助部分如冷却系统、润滑有些复杂的也包括一些辅助部分如冷却系统、润滑系统等。系统等。4 4三、机械应满足的基本要求三、机械应满足的基本要求（1 1）必须达到预定的使用功能，工作可靠，机构精简。）必须达到预定的使用功能，工作可靠，机构精简。（2 2）经济合理，安全可靠，生产率高，效率高，能耗）经济合理，安全可靠，生产率高，效率高，能耗少，原材料和辅助材料节省，管理和维修费用低。少，原材料和辅助材料节省，管理和维修费用低。（3 3）操作方便，操作方式符合人们的心理和习惯，尽）操作方便，操作方式符合人们的心理和习惯，尽量降低噪音，防止有毒、有害介质渗漏，机

6、身美化等。量降低噪音，防止有毒、有害介质渗漏，机身美化等。（4 4）对不同用途和不同使用环境的适应性要强（如容）对不同用途和不同使用环境的适应性要强（如容易卸、装，容易搬动等）。易卸、装，容易搬动等）。5 5n n4、机械传动的概念、机械传动的概念n n 一台机器（机械）制造成功后都必须能完成设一台机器（机械）制造成功后都必须能完成设计者提出的要求，即执行某种机械运动以达到变换和计者提出的要求，即执行某种机械运动以达到变换和传递能量、物料和信息的目的。传递能量、物料和信息的目的。n n 机器一般是由多种机构或构件按一定方式彼此相机器一般是由多种机构或构件按一定方式彼此相联而组成联而组成，当原动

7、机（电动机、内燃机等）驱动机器，当原动机（电动机、内燃机等）驱动机器运转时，其运动和动力是从机器的一部分逐级传递到运转时，其运动和动力是从机器的一部分逐级传递到相联的另一部分而最后到达执行机构来完成机器的使相联的另一部分而最后到达执行机构来完成机器的使命的。命的。n n 利用构件和机构把运动和动力从机器的一部分传利用构件和机构把运动和动力从机器的一部分传递到另一部分的中间环节称为机械传动递到另一部分的中间环节称为机械传动。6 6n n *由于受到当前技术发展水平的限制，由于受到当前技术发展水平的限制，机械传动链还不能完全被取消。但是，机电一机械传动链还不能完全被取消。但是，机电一体化机械系统中

8、的机械传动装置，已不仅仅是体化机械系统中的机械传动装置，已不仅仅是用来作运动转换和力或力矩变换的变换器，已用来作运动转换和力或力矩变换的变换器，已成为伺服系统的重要组成部分，要根据伺服控成为伺服系统的重要组成部分，要根据伺服控制的要求来进行设计和选择。所以在一般情况制的要求来进行设计和选择。所以在一般情况下，应尽可能缩短传动链。下，应尽可能缩短传动链。7 7n n 机电一体化机械系统中机械传动的主要性能取决机电一体化机械系统中机械传动的主要性能取决于传动类型、方式、精度、动态特性及可靠性等。于传动类型、方式、精度、动态特性及可靠性等。n n 在伺服控制中，还要考虑其对伺服系统的精度、在伺服控制

9、中，还要考虑其对伺服系统的精度、稳定性和快速性的影响。稳定性和快速性的影响。n n 传动链的要求：传动链的要求：传动链的要求：传动链的要求：小型、轻量、高速、低冲击振动、小型、轻量、高速、低冲击振动、低噪声和高可靠性等。低噪声和高可靠性等。研究的三大结构：研究的三大结构：研究的三大结构：研究的三大结构：传动机构：考虑与伺服系统相关的精度、稳定性、快传动机构：考虑与伺服系统相关的精度、稳定性、快速响应等伺服特性；速响应等伺服特性；导向机构：考虑低速爬行现象；导向机构：考虑低速爬行现象；执行机构：考虑灵敏度、精确度、重复性、可靠性。执行机构：考虑灵敏度、精确度、重复性、可靠性。8 8n n 影响机

10、电一体化系统传动链的性能因素：影响机电一体化系统传动链的性能因素：n n（1 1）负载的变化）负载的变化 负载包括工作负载、摩擦负载等。负载包括工作负载、摩擦负载等。要合理选择驱动电机和传动链，使之与负载变化相匹要合理选择驱动电机和传动链，使之与负载变化相匹配。配。n n （2 2）传动链惯性）传动链惯性 惯性不但影响电机的起停特性，惯性不但影响电机的起停特性，也影响控制的快速性和速度偏差的大小。也影响控制的快速性和速度偏差的大小。n n （3 3）传动链固有频率）传动链固有频率 固有频率影响系统谐振和传固有频率影响系统谐振和传动精度。动精度。n n （4 4）间隙、摩擦、润滑和温升）间隙、摩

11、擦、润滑和温升 影响传动精度和运影响传动精度和运动平稳性。动平稳性。9 9n n传动机构的基本要求：传动机构的基本要求：n n（1 1）在不影响系统刚度的条件下，传动机构的质量和）在不影响系统刚度的条件下，传动机构的质量和转动惯量要小；转动惯量大会使系统机械负载增大；转动惯量要小；转动惯量大会使系统机械负载增大；系统响应速度变慢，灵敏度降低；系统固有频率下降，系统响应速度变慢，灵敏度降低；系统固有频率下降，产生谐振；使电气部分的谐振频率变低。产生谐振；使电气部分的谐振频率变低。n n（2 2）刚度越大，伺服系统动力损失越小；刚度越大，）刚度越大，伺服系统动力损失越小；刚度越大，机器的固有频率越

12、高，不易振动；刚度越大，闭环系机器的固有频率越高，不易振动；刚度越大，闭环系统的稳定性越高。统的稳定性越高。n n（3 3）机械系统产生共振时，系统中阻尼越大，最大振）机械系统产生共振时，系统中阻尼越大，最大振幅就越小，且衰减越快；但阻尼大会使系统损失动量，幅就越小，且衰减越快；但阻尼大会使系统损失动量，增大稳态误差，降低精度，故应选合适阻尼。增大稳态误差，降低精度，故应选合适阻尼。n n（4 4）静摩擦力要小，动摩擦力要小的正斜率；或者会）静摩擦力要小，动摩擦力要小的正斜率；或者会出现爬行。出现爬行。10102.1概述n n一、传动系统的概念与任务一、传动系统的概念与任务传动系统传动系统是指

13、把动力机产生的机械能传送到执行机构上去的中间装置。传动系统的任务：1 1、把动力机输出的速度降低或增高，以适合执行机构的、把动力机输出的速度降低或增高，以适合执行机构的要求；要求；2 2、用动力机调速不方便或不经济时，采用变速传动来满、用动力机调速不方便或不经济时，采用变速传动来满足执行机构变速的要求；足执行机构变速的要求；3 3、把动力机输出的转矩，变换为执行机构所需要的转矩、把动力机输出的转矩，变换为执行机构所需要的转矩或力；或力；11114 4、把动力机输出的等速旋转运动，转变为执行机构、把动力机输出的等速旋转运动，转变为执行机构所要求的，其速度按某种规律变化的运动（移动所要求的，其速度

14、按某种规律变化的运动（移动或平面运动）；或平面运动）；5 5、实现由一个或多个动力机驱动若干个相同或不相、实现由一个或多个动力机驱动若干个相同或不相同速度的执行机构；同速度的执行机构；6 6、由于受机体外形、尺寸的限制，执行机构不宜与、由于受机体外形、尺寸的限制，执行机构不宜与动力机直接联接时，也需要用传动装置来联接。动力机直接联接时，也需要用传动装置来联接。1212二、伺服机械传动系统的指标 伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统是指以机械运动量作为控制对象是指以机械运动量作为控制对象的自动控制系统，又称为随动系统。伺服系统的自动控制系统，又称为随动系统。伺服系统中所采用的机械传动装置，简称为伺服

15、机械传中所采用的机械传动装置，简称为伺服机械传动系统。动系统。伺服机械传动系统是整个伺服系统的一个伺服机械传动系统是整个伺服系统的一个组成环节组成环节。其。其作用作用作用作用是传递扭矩、转速和进行运是传递扭矩、转速和进行运动变换，使伺服电机和负载之间转矩与转速得动变换，使伺服电机和负载之间转矩与转速得到匹配。到匹配。1313 往往是将伺服电动机输出轴的高转速、低转往往是将伺服电动机输出轴的高转速、低转矩转换成为负载轴所要求的低转速、高转矩或将矩转换成为负载轴所要求的低转速、高转矩或将回转运动变换成直线运动。回转运动变换成直线运动。伺服机械传动系统中的大功率传动装置，既伺服机械传动系统中的大功率

16、传动装置，既要考虑强度、刚度，也要考虑精度、惯量、摩擦、要考虑强度、刚度，也要考虑精度、惯量、摩擦、阻尼等因素。小功率传动装置，则主要是考虑精阻尼等因素。小功率传动装置，则主要是考虑精度、惯量、摩擦、刚度、阻尼等因素。度、惯量、摩擦、刚度、阻尼等因素。1414基本指标基本指标基本指标基本指标 1.1.传动精度传动精度 传动精度主要是由传动件的制造误差、装配误差、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。传动间隙和弹性变形所引起。2.2.响应速度响应速度 对于伺服系统，数据的运算和处理速度远比机械装对于伺服系统，数据的运算和处理速度远比机械装置的运动速度快。而机械传动

17、系统的响应主要取决于置的运动速度快。而机械传动系统的响应主要取决于加速度。从传动系统的角度看，在不影响系统刚度的加速度。从传动系统的角度看，在不影响系统刚度的条件下，主要从减小摩擦力矩，减小机械部件的质量、条件下，主要从减小摩擦力矩，减小机械部件的质量、减小电动机的负载和转动惯量，来提高系统的传动效减小电动机的负载和转动惯量，来提高系统的传动效率。率。15153.3.稳定性稳定性 伺服系统不但要求稳态误差小，并且要求能伺服系统不但要求稳态误差小，并且要求能够稳定工作、动态品质好，这与振动、热以及其够稳定工作、动态品质好，这与振动、热以及其他许多环境因素有关。要提高传动系统的抗振性，他许多环境因

18、素有关。要提高传动系统的抗振性，就必须提高传动系统的固有频率，一般不应低于就必须提高传动系统的固有频率，一般不应低于50100Hz50100Hz，并须提高系统的阻尼能力。，并须提高系统的阻尼能力。16162.1.3伺服机械传动系统的传动特性1转动惯量转动惯量 转动惯量是物体转动时惯性的度量，转动惯量越大，物转动惯量是物体转动时惯性的度量，转动惯量越大，物件的转动状态就越不容易改变（变速）。件的转动状态就越不容易改变（变速）。转动惯量过大产生的影响：转动惯量过大产生的影响：转动惯量过大产生的影响：转动惯量过大产生的影响：1 1）、使电机的机械负载增大；）、使电机的机械负载增大；2 2）、使机械传

19、动系统的响应变慢；）、使机械传动系统的响应变慢；3 3）、使系统的阻尼比减少，从而使系统的振荡增强，稳定）、使系统的阻尼比减少，从而使系统的振荡增强，稳定性下降；性下降；4 4）、使机械传动系统的固有频率下降，容易产生谐振，因）、使机械传动系统的固有频率下降，容易产生谐振，因而限制了伺服带宽，影响了伺服精度和响应速度。而限制了伺服带宽，影响了伺服精度和响应速度。但惯量的适当增大对改善低速爬行是有利的。但惯量的适当增大对改善低速爬行是有利的。1717(1)圆柱体转动惯量圆柱体转动惯量 （kgm2）式中式中 m m 质量，单位质量，单位kgkg；R R 圆柱体半径，单位圆柱体半径，单位mm 长为长

20、为L L的圆柱体的质量为的圆柱体的质量为 密度，钢材的密度密度，钢材的密度 为为7.8103 kg7.8103 kgm3m3；齿轮、联轴器、丝杠和轴等接近于圆柱体的零齿轮、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。件都可用上式计算（或估算）其转动惯量。1818(2)丝杠轴折算到电机轴的转动惯量丝杠轴折算到电机轴的转动惯量（引伸到后轴折算到前轴）式中式中 i i电机轴到丝杠轴的总传动比；电机轴到丝杠轴的总传动比；JSJS 丝杠的转动惯量。丝杠的转动惯量。1919(3)直线移动工作台折算到丝杠上的转动惯直线移动工作台折算到丝杠上的转动惯量量 如图所示为由导程为如图所示

21、为由导程为L L的丝杠驱动质量为的丝杠驱动质量为mm（含工件质量）（含工件质量）的工作台往复移动，折算到丝杠上的转动惯量为的工作台往复移动，折算到丝杠上的转动惯量为 式中，式中，L L为丝杠导程，单位为丝杠导程，单位mm；mm工作台及工件的质量，单位工作台及工件的质量，单位kgkg。2020(4)丝杠传动时，传动系统折算到电机轴丝杠传动时，传动系统折算到电机轴上的总转动惯量上的总转动惯量 式中式中 J1J1小齿轴及电机轴的转动惯量；小齿轴及电机轴的转动惯量；J2J2大齿轮的转动惯量；大齿轮的转动惯量；JSJS丝杠的转动惯量；丝杠的转动惯量；L L丝杠的螺距；丝杠的螺距；mm工作台及工件质量。工

22、作台及工件质量。2121(5)齿轮齿条传动时工作台折算到小齿轮轴上的转动惯量 式中 R一齿轮分度圆半径，单位m；m一一工作台及工件质量，单位kg。2222(6)齿轮齿条传动时传动系统折算到电机轴上的总转动惯量 式中式中 J1 J1、J2J2一分别为一分别为I I轴和轴和轴及其上面齿轮轴及其上面齿轮的转动惯量；的转动惯量；i i一一传动比；传动比；mm工作台及工件的质量；工作台及工件的质量；R R一一齿轮一一齿轮Z Z的分度圆半径。的分度圆半径。2323(7)工作台折算到钢带传动驱动轴上的转动惯量 式中 m工作台及工件质量，单位kg；W驱动轴的角速度，单位s-1；u工作台移动速度，单位ms。24

23、24例例例例2-1 2-1 两对齿轮传动两对齿轮传动,求折算到电机轴上的总等效转求折算到电机轴上的总等效转动惯量。动惯量。2525例例例例2-2 2-2 如图所示为一进给工作台，直流伺服电动机如图所示为一进给工作台，直流伺服电动机MM，制动，制动器器B B，工作台，工作台A A，齿轮，齿轮G1 G4G1 G4以及轴以及轴1 1、2 2的数据如表的数据如表2-12-1所所示，工作台质量（包括工件在内）示，工作台质量（包括工件在内）mAmA=300kg=300kg，试求该装置，试求该装置换算至电动机轴的总等效转动惯量换算至电动机轴的总等效转动惯量 ，并判断是否满足惯量匹，并判断是否满足惯量匹配原则

24、。配原则。2626解：解：解：解：按如下步骤进行（解题参考范例）按如下步骤进行（解题参考范例）（1 1）所有负载折算到电机轴上的等效转动惯量）所有负载折算到电机轴上的等效转动惯量 （不包括电（不包括电机本身转动惯量）机本身转动惯量）2727（2 2）折算到电机轴上的总等效转动惯量）折算到电机轴上的总等效转动惯量 （包括电机本身转（包括电机本身转动惯量）动惯量）n n（3）判断是否满足惯量匹配原则不符合小惯量不符合小惯量1 31 3的条件，固不匹配。的条件，固不匹配。2828关于惯量匹配原则：关于惯量匹配原则：关于惯量匹配原则：关于惯量匹配原则：1 1）对于采用惯量较小的直流伺服电动机的伺服系统

25、，其比）对于采用惯量较小的直流伺服电动机的伺服系统，其比值通常推荐为值通常推荐为 1 31 3 当当 3 3时，对电动机的灵敏度与响应时间有很大的影时，对电动机的灵敏度与响应时间有很大的影响，甚至会使伺服放大器不能在正常调节范围内工作。响，甚至会使伺服放大器不能在正常调节范围内工作。小惯量直流伺服电动机的惯量低达小惯量直流伺服电动机的惯量低达 kgm2kgm2 优点：优点：是转矩是转矩/惯量比大，机械时间常数小，加减速能力惯量比大，机械时间常数小，加减速能力强，所以其动态性能好，响应快。强，所以其动态性能好，响应快。缺点：缺点：使用小惯量电动机时容易发生对电源频率的响应共使用小惯量电动机时容易

26、发生对电源频率的响应共振，当存在间隙、死区时容易造成振荡或蠕动，这才提出振，当存在间隙、死区时容易造成振荡或蠕动，这才提出了了“惯量匹配原则惯量匹配原则”，并在数控机床伺服进给系统采用大，并在数控机床伺服进给系统采用大惯量电动机的必要性。惯量电动机的必要性。29292 2）对于采用大惯量直流伺服电动机的伺服系统，其比值通）对于采用大惯量直流伺服电动机的伺服系统，其比值通常推荐为常推荐为 0.25 10.25 1 所谓大惯量是相对小惯量而言，其数值所谓大惯量是相对小惯量而言，其数值 =0.1=0.1O.6 O.6 kgm2kgm2。特点特点：1 1、惯量、转矩大，且能在低速下提供额定转矩，、惯量

27、、转矩大，且能在低速下提供额定转矩，常常不需要传动装置而与滚珠丝杠直接相联，而且受惯性常常不需要传动装置而与滚珠丝杠直接相联，而且受惯性负载的影响小，调速范围大；负载的影响小，调速范围大；2 2、热时间常数有的长达、热时间常数有的长达100min100min，比小惯量电动机的热，比小惯量电动机的热时间常数时间常数2 23min3min长得多，并允许长时间的过载，即过载长得多，并允许长时间的过载，即过载能力强。能力强。3 3、转矩、转矩/惯量比值高于普通电动机而低于小惯量电动机，惯量比值高于普通电动机而低于小惯量电动机，其快速性在使用上已经足够。其快速性在使用上已经足够。因此，采用这种电动机能获

28、得优良的调速范围及刚度因此，采用这种电动机能获得优良的调速范围及刚度和动态性能。因而在现代数控机床中应用较广。和动态性能。因而在现代数控机床中应用较广。30302 2摩擦摩擦 摩擦力可分为摩擦力可分为静摩擦力静摩擦力、库仑摩擦力库仑摩擦力和和粘性摩擦力粘性摩擦力（动摩擦力（动摩擦力=库仑摩擦力库仑摩擦力+粘性摩擦力）三种。粘性摩擦力）三种。负载处于静止状态时，摩擦力为静摩擦力，随着外力负载处于静止状态时，摩擦力为静摩擦力，随着外力的增加而增加，的增加而增加，最大值发生在运动前的瞬间最大值发生在运动前的瞬间。运动一开始，。运动一开始，静摩擦力消失，静摩擦力立即下降为库仑摩擦力，大小为静摩擦力消失

29、，静摩擦力立即下降为库仑摩擦力，大小为一常数一常数F=F=mgmg，随着运动速度的增加，摩擦力成线性的，随着运动速度的增加，摩擦力成线性的增加，此时的摩擦力为粘性摩擦力（与速度成正比的阻尼增加，此时的摩擦力为粘性摩擦力（与速度成正比的阻尼称为粘性阻尼）。由此可见，仅粘性摩擦是线性的，静摩称为粘性阻尼）。由此可见，仅粘性摩擦是线性的，静摩擦和库仑摩擦都是非线性的。擦和库仑摩擦都是非线性的。3131n n摩擦的摩擦的主要影响主要影响：降低系统的响应速度；引起系统的动态：降低系统的响应速度；引起系统的动态滞后和产生系统误差；在接近非线性区，即低速时产生爬滞后和产生系统误差；在接近非线性区，即低速时产

30、生爬行。行。n n机电一体化伺服传动系统中的摩擦力主要产生于机电一体化伺服传动系统中的摩擦力主要产生于导轨副导轨副，其摩擦特性随材料和表面形状的不同而有很大的差别。其摩擦特性随材料和表面形状的不同而有很大的差别。n n金属滑动摩擦导轨易产生爬行现象，低速稳定性差。滚动金属滑动摩擦导轨易产生爬行现象，低速稳定性差。滚动导轨与贴塑导轨特性接近。滚动导轨、贴塑导轨和静压导导轨与贴塑导轨特性接近。滚动导轨、贴塑导轨和静压导轨不产生爬行。轨不产生爬行。3232n n在使用中应尽可能在使用中应尽可能减小减小静摩擦力与动摩擦力的差值，并使静摩擦力与动摩擦力的差值，并使动摩擦力尽可能小且为正斜率较小的变化，即

31、动摩擦力尽可能小且为正斜率较小的变化，即尽量减小尽量减小粘粘性摩擦力。性摩擦力。n n适当的增加系统的惯性适当的增加系统的惯性J J和粘性摩擦系数和粘性摩擦系数f f，有利于改善低，有利于改善低速爬行现象，但惯性增加会引起伺服系统响应性能降低；速爬行现象，但惯性增加会引起伺服系统响应性能降低；增加粘性摩擦系数也会增加系统的稳态误差，设计时应优增加粘性摩擦系数也会增加系统的稳态误差，设计时应优化处理。化处理。n n根据经验，克服摩擦力所需的电机转矩根据经验，克服摩擦力所需的电机转矩TfTf与电动机额定转与电动机额定转矩矩TKTK的关系为的关系为0.2TK0.2TKTfTf0.3 TK0.3 TK

32、n n所以要最大限度的消除摩擦力，节省电机转矩用于驱动负所以要最大限度的消除摩擦力，节省电机转矩用于驱动负载。载。33333 3爬行爬行n n产生爬行的区域就是动静摩擦转变的产生爬行的区域就是动静摩擦转变的非线性区非线性区，非线性区越宽，爬行现象就越严重。如图非线性区越宽，爬行现象就越严重。如图2-102-10所所示是典型机械进给传动系统模型，当丝杠示是典型机械进给传动系统模型，当丝杠1 1作极低作极低的匀速运动时，工作台的匀速运动时，工作台2 2可能会出现一快一慢或跳可能会出现一快一慢或跳跃式的运动，这种现象称为爬行。跃式的运动，这种现象称为爬行。34341 1）产生爬行的原因和过程）产生爬

33、行的原因和过程 n n匀速运动的主动件匀速运动的主动件1 1，通过压缩弹簧推动静止的运动件，通过压缩弹簧推动静止的运动件3 3，当运动件当运动件3 3受到的逐渐增大的弹簧力小于静摩擦力受到的逐渐增大的弹簧力小于静摩擦力F F时，时，3 3不动。直到弹簧力刚刚大于不动。直到弹簧力刚刚大于F F时，时，3 3才开始运动，动摩擦力才开始运动，动摩擦力随着动摩擦系数的降低而变小，随着动摩擦系数的降低而变小，3 3的速度相应增大，同时的速度相应增大，同时弹簧相应伸长，作用在弹簧相应伸长，作用在3 3上的弹簧力逐渐减小，上的弹簧力逐渐减小，3 3产生负加产生负加速度，速度降低，动摩擦力相应增大，速度逐渐下

34、降，直速度，速度降低，动摩擦力相应增大，速度逐渐下降，直到到3 3停止运动，主动件停止运动，主动件1 1这时再重新压缩弹簧，爬行现象进这时再重新压缩弹簧，爬行现象进入下一个周期。入下一个周期。3535由上述分析可知，低速进给爬行现象的产生主要取决于下列因素：静摩擦力与动摩擦力之差，这个差值越大，越容静摩擦力与动摩擦力之差，这个差值越大，越容易产生爬行。易产生爬行。进给传动系统的刚度进给传动系统的刚度K K越小、越容易产生爬行。越小、越容易产生爬行。运动速度太低。运动速度太低。36362 2）不发生爬行的临界速度）不发生爬行的临界速度 临界速度可按下式进行估算临界速度可按下式进行估算 式中式中

35、F F-静、动摩擦力之差（静、动摩擦力之差（N N）；）；K K-传动系统的刚度（传动系统的刚度（N/mN/m）；）；-阻尼比；阻尼比；mm-从动件的质量（从动件的质量（kgkg）。）。以下两种观点有利于降低临界速度，增大进给速度范围：以下两种观点有利于降低临界速度，增大进给速度范围：适当的增加系统的惯性适当的增加系统的惯性J J和粘性摩擦系数和粘性摩擦系数f f，有利于改，有利于改善低速爬行现象，但惯性增加会引起伺服系统响应性能降善低速爬行现象，但惯性增加会引起伺服系统响应性能降低；增加粘性摩擦系数也会增加系统的稳态误差，设计时低；增加粘性摩擦系数也会增加系统的稳态误差，设计时应优化处理。应

36、优化处理。37373 3）实际工作中消除爬行现象的途径）实际工作中消除爬行现象的途径 提高传动系统的刚度提高传动系统的刚度a a在条件允许的情况下，适当提高各传动件或组件在条件允许的情况下，适当提高各传动件或组件的刚度，减小各传动轴的跨度，合理布置轴上零的刚度，减小各传动轴的跨度，合理布置轴上零件的位置。如适当的加粗传动丝杠的直径，缩短件的位置。如适当的加粗传动丝杠的直径，缩短传动丝杠的长度，减少和消除各传动副之间的间传动丝杠的长度，减少和消除各传动副之间的间隙。隙。b b尽量缩短传动链，减小传动件数和弹性变形量。尽量缩短传动链，减小传动件数和弹性变形量。c c合理分配传动比，使多数传动件受力

37、较小，变形合理分配传动比，使多数传动件受力较小，变形也小。也小。d d对于丝杠螺母机构，应采用对于丝杠螺母机构，应采用整体螺母整体螺母结构，以提结构，以提高丝杠螺母的接触刚度和传动刚度。高丝杠螺母的接触刚度和传动刚度。3838 减少摩擦力的变化减少摩擦力的变化a a用滚动摩擦、流体摩擦代替滑动摩擦，如采用滚珠丝杠、用滚动摩擦、流体摩擦代替滑动摩擦，如采用滚珠丝杠、静压螺母、滚动导轨和静压导轨等。从根本上改变摩擦面静压螺母、滚动导轨和静压导轨等。从根本上改变摩擦面间的摩擦性质，基本上可以消除爬行。间的摩擦性质，基本上可以消除爬行。b b选择适当的摩擦副材料，降低摩擦系数。选择适当的摩擦副材料，降

38、低摩擦系数。c c降低作用在导轨面的正压力，如减轻运动部件的重量，降低作用在导轨面的正压力，如减轻运动部件的重量，采用各种卸荷装置，以减少摩擦阻力。采用各种卸荷装置，以减少摩擦阻力。d d提高导轨的制造与装配质量，采用导轨油等都可以减少提高导轨的制造与装配质量，采用导轨油等都可以减少摩擦力的变化。摩擦力的变化。综上所述，机电一体化系统对机械传动部件的摩擦特综上所述，机电一体化系统对机械传动部件的摩擦特性的要求为：静摩擦力尽可能小；静动摩擦力的差值尽可性的要求为：静摩擦力尽可能小；静动摩擦力的差值尽可能小；动摩擦力应为尽可能小的正斜率，因为负斜率易产能小；动摩擦力应为尽可能小的正斜率，因为负斜率

39、易产生爬行，会降低精度、减少寿命。生爬行，会降低精度、减少寿命。39394 4阻尼阻尼 n n机械部件振动时，金属材料的内摩擦较小（附加机械部件振动时，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）、运动副特别是的非金属减振材料内摩擦较大）、运动副特别是导轨的摩擦阻尼是主要的。实际应用摩擦阻尼时，导轨的摩擦阻尼是主要的。实际应用摩擦阻尼时，一般都简化为粘性摩擦的线性阻尼。一般都简化为粘性摩擦的线性阻尼。n n伺服机械传动系统，总可以用二阶线性常微分方伺服机械传动系统，总可以用二阶线性常微分方程来描述（大多数机械系统均可简化为二级系统）程来描述（大多数机械系统均可简化为二级系统），这样的

40、环节称为二阶系统，从力学意义上讲，这样的环节称为二阶系统，从力学意义上讲，二阶系统是一个振荡环节。当机械传动系统产生二阶系统是一个振荡环节。当机械传动系统产生振动时，系统中阻尼比越大，最大振幅就越小且振动时，系统中阻尼比越大，最大振幅就越小且衰减得越快。系统的阻尼比为：衰减得越快。系统的阻尼比为：=4040n n阻尼比大小对传动系统的振动特性有不同的影响：阻尼比大小对传动系统的振动特性有不同的影响：(1)=0(1)=0时，系统处于等幅持续振荡状态，因此系统不能没时，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。有阻尼，任何机电系统都具有一定的阻尼。(2)(2)l

41、 l称为过阻尼系统；称为过阻尼系统；1 1称为临界阻尼系统。这两种称为临界阻尼系统。这两种情况工作中不振荡，但响应速度慢。情况工作中不振荡，但响应速度慢。(3)0(3)0 1 1称为欠阻尼系统。在称为欠阻尼系统。在 值为值为0.5 0.80.5 0.8之间（即之间（即在在0.7070.707附近）系统不但响应比临界阻尼或过阻尼系统快，附近）系统不但响应比临界阻尼或过阻尼系统快，而且还能更快的达到稳定值。但在而且还能更快的达到稳定值。但在 0.50.5时，系统虽然响时，系统虽然响应更快，但振荡衰减的很慢。应更快，但振荡衰减的很慢。在系统设计时，考虑综合性能指标，一般取在系统设计时，考虑综合性能指

42、标，一般取 0.5 0.80.5 0.8之间。之间。41415刚度 n n刚度刚度是使弹性物体产生单位变形所需要的作用力，对于机是使弹性物体产生单位变形所需要的作用力，对于机械传动系统来说，刚度包括零件产生各种弹性变形的刚度械传动系统来说，刚度包括零件产生各种弹性变形的刚度和两个零件接面的接触刚度。静态力与变形之比为静刚度；和两个零件接面的接触刚度。静态力与变形之比为静刚度；动态力（交变力、冲击力）与变形之比为动刚度。动态力（交变力、冲击力）与变形之比为动刚度。n n当伺服电机带动机械负载运动时，机械传动系统的所有元当伺服电机带动机械负载运动时，机械传动系统的所有元件都会受力而产生不同程度的弹

43、性变形。弹性变形的程度件都会受力而产生不同程度的弹性变形。弹性变形的程度可用刚度可用刚度K K表示，它将影响系统的固有频率，随着机电一表示，它将影响系统的固有频率，随着机电一体化技术的发展，机械系统弹性变形与谐振分析成为机械体化技术的发展，机械系统弹性变形与谐振分析成为机械传动与结构设计中的一个重要问题。传动与结构设计中的一个重要问题。4242n n根据自动控制理论，避免系统谐振须使激励频率远离系统根据自动控制理论，避免系统谐振须使激励频率远离系统的固有频率，在不失真条件下应使的固有频率，在不失真条件下应使 ，通常可在提高系统，通常可在提高系统刚度、调整机械构件质量和自激频率方面提高防谐振能力

44、。刚度、调整机械构件质量和自激频率方面提高防谐振能力。采用弹性模量高的材料，合理选择零件的截面形状和尺寸，采用弹性模量高的材料，合理选择零件的截面形状和尺寸，对齿轮、丝杠、轴承施加预紧力等方法提高系统的刚度。对齿轮、丝杠、轴承施加预紧力等方法提高系统的刚度。在不改变系统固有频率的情况下，通过增大阻尼比也能有在不改变系统固有频率的情况下，通过增大阻尼比也能有效抑制谐振，因为谐振频率效抑制谐振，因为谐振频率 n n只有在近视情况下，才认为谐振频率等于固有频率。只有在近视情况下，才认为谐振频率等于固有频率。4343n n对于伺服机械传动系统，增大系统的传动刚度有以下好处：（1 1）可以减少系统的死区

45、误差（失动量），有利于）可以减少系统的死区误差（失动量），有利于提高传动精度；提高传动精度；（2 2）可以提高系统的固有频率，有利于系统的抗振）可以提高系统的固有频率，有利于系统的抗振性；性；（3 3）可以增加闭环控制系统的稳定性。）可以增加闭环控制系统的稳定性。44446谐振频率n n当输入信号的激励的频率等于系统的谐振频率时，即n n系统会产生共振不能正常工作。在实际应用中不产生误解的情况下常用固有频率近视谐振频率（随着阻尼比的增大，固有频率与谐振频率的差距越来越大），此时 4545n n对于质量为对于质量为mm、拉压刚度系数为、拉压刚度系数为K K的单自由度直线的单自由度直线运动弹性系统

46、，其固有频率为运动弹性系统，其固有频率为 n n对于转动惯量为对于转动惯量为J J、扭转刚度系数为、扭转刚度系数为K K的单自由度的单自由度旋转运动弹性系统其固有频率为旋转运动弹性系统其固有频率为 n n固有频率的大小不同将影响闭环系统的稳定性和固有频率的大小不同将影响闭环系统的稳定性和开环系统中死区误差的值。开环系统中死区误差的值。n n对于闭环系统，要求机械传动系统中的最低固有对于闭环系统，要求机械传动系统中的最低固有频率（最低共振频率）必须大于电气驱动部件的频率（最低共振频率）必须大于电气驱动部件的固有频率。固有频率。4646n n对于机械传动系统，它的固有频率取决于系统各对于机械传动系

47、统，它的固有频率取决于系统各环节的刚度及惯量，因此在机械传动系统的结构环节的刚度及惯量，因此在机械传动系统的结构设计中，应尽量降低惯量，提高刚度，达到提高设计中，应尽量降低惯量，提高刚度，达到提高传动系统固有频率的目的。传动系统固有频率的目的。n n对于开环伺服系统，虽然稳定性不是主要问题，对于开环伺服系统，虽然稳定性不是主要问题，但是若传动系统的固有频率太低的话，也容易引但是若传动系统的固有频率太低的话，也容易引起振动而影响系统的工作效果。一般要求机械传起振动而影响系统的工作效果。一般要求机械传动系统最低固有频率动系统最低固有频率W300radW300rads s，其他机械，其他机械系统系统

48、W600radW600rads s。47477 7间隙间隙n n机械传动装置一般都存在传动间隙，例如机械传动装置一般都存在传动间隙，例如“齿轮齿轮传动的齿侧间隙、丝杠螺母传动间隙、轴承的间传动的齿侧间隙、丝杠螺母传动间隙、轴承的间隙及联轴器的传动间隙等。这些间隙是造成死区隙及联轴器的传动间隙等。这些间隙是造成死区误差或称为不灵敏区原因之一。对于伺服机械传误差或称为不灵敏区原因之一。对于伺服机械传动系统，由于传动精度是重要的指标，故应尽量动系统，由于传动精度是重要的指标，故应尽量减小和消除间隙，保证系统的减小和消除间隙，保证系统的精度精度和和稳定性稳定性。n n对于系统闭环以外的间隙，对系统稳定

49、性无影响，对于系统闭环以外的间隙，对系统稳定性无影响，但影响到伺服精度。由于齿隙、丝杠螺母间隙的但影响到伺服精度。由于齿隙、丝杠螺母间隙的存在，传动装置在逆运行时会出现回程误差，使存在，传动装置在逆运行时会出现回程误差，使得输出与输入间出现非线性，输出滞后输入，影得输出与输入间出现非线性，输出滞后输入，影响系统的精度。响系统的精度。4848n n对于系统闭环内的间隙，在控制系统有效控制范对于系统闭环内的间隙，在控制系统有效控制范围内对系统精度、稳定性影响较小，但反馈通道围内对系统精度、稳定性影响较小，但反馈通道上的间隙要比前向通道上的间隙对系统影响较大。上的间隙要比前向通道上的间隙对系统影响较

50、大。4949齿轮机构传动的特点齿轮机构传动的特点齿轮机构设计内容齿轮机构设计内容工作可靠性高；工作可靠性高；优点：优点：传动比稳定传动比稳定；传动效率高；传动效率高；结构紧凑；结构紧凑；使用寿命长使用寿命长。内容包括内容包括齿轮齿廓形状的设计齿轮齿廓形状的设计单个齿轮的基本尺寸的设计单个齿轮的基本尺寸的设计一对齿轮传动设计一对齿轮传动设计缺点：缺点：制造和安装精度要制造和安装精度要求较高；求较高；不适宜用于两轴不适宜用于两轴 间距离较大的传动间距离较大的传动。2.2 齿轮传动副的设计齿轮传动副的设计5050直齿圆柱齿轮各部分的名称和主要参数直齿圆柱齿轮各部分的名称和主要参数rbrfrari齿根