星空体育·(中国)官方网站第二章机电一体化机械技术(新)传统的机械系统和机电一体化系统的主功能都是完成一系列的机械运动，但由于两者的组成不同，导致其各自实现运动的方式也不同。传统的机械系统一般由动力件、传动件和执行件3部分加上电器、液压和机械控制等部分组成；而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、运动和能量流等动力学任务的、机电部件信息流相互联系的系统，其核心是由计算机控制的，包括机、电、液、光、磁等技术的伺服系统星空体育平台。由于计算机的控制功能，使传统机械中作为动力源的电动机转换为具有动力、变速与执行等多种功能的伺服电动机，其伺服变速功能，又在很大程度上代替了机械传动中的变速机构。伺服电动机的使用，缩短了系统的传动链，使系统的机构得到简化，并使动力件、传动件与执行件逐步向着合为一体的系统发展。每个机械运动可由单独的控制电动机、传动部件和执行机构组成的若干子系统来完成，而且每个机械运动都由计算机来协调和控制。因此，机电一体化系统对机械装置具有更高的要求。

　　为保证系统具有较好的快速响应性，通常希望伺服传动系统具有小惯量。如数控机床中的传动方式一般有3种：丝杠传动、齿轮齿条传动和蜗轮蜗杆传动。以丝杠传动为例，丝杠与伺服电动机的连接方式有两种：①直接传动；②中间用齿轮或者同步齿形带传动。在同样的工作条件下，丝杠的参数和齿轮的传动比也可以不同。3种方案都可满足最大进给力和最高进给速度的要求，但它们的折算转动惯量相差却很大，由此带来的结果是不同方案系统的最大固有频率是最小固有频率的2倍多，因此，系统的快速性和振动特性会相差很大。可见，在选择传动方案时，不仅要满足驱动力和运动速度的要求，而且还要考虑折算转动惯量的大小，这对提高系统的综合性能非常重要。

　　机电一体化产品的机械系统通常是伺服系统的有机组成部分，是由计算机协调与控制、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，其核心是由计算机控制的，包括机、电、液、光、磁等技术的伺服系统。与传统的机械系统相比，除应具有较高的定位精度外，它还应具有良好的动态响应特性，即响应快、稳定性好。因此，在进行机电一体化产品的机械系统设计时，除考虑一般机械设计的要求外，还须考虑机械结构与整个伺服系统性能参数和电气参数的匹配，以获得良好的伺服性能。

　　系统的快速响应性是要求机械系统从接到运行指令到开始执行指令之间的时间尽可能短。这样，系统的运行情况才能快速反馈到控制系统，以便控制系统能及时下达命令星空体育平台，使机械系统准确运行。影响机械系统快速响应性的主要参数是系统的阻尼比和固有频率。

　　一个典型的机电一体化产品的机械系统主要包括传动机构、导向机构、执行机构、轴系、机座或机架5大部分，如图2-1所示。

　　机电一体化机械系统中传动机构的主功能是传递转矩和转速，因此，它实际上是一种转矩、转速变换器。机械传动部件对伺服系统的特性有很大影响，特别是其传动类型、传动方式、传动刚性以及传动的可靠性，对系统的精度、稳定性和快速性有重大影响。

　　机电一体化产品的技术性能、功能和工艺水平比普通机械产品均有大幅提高。其中，机械系统本身的高精度是首要的要求，如果其精度不能满足要求，则无论采用何种控制方式也不能达到机电产品的设计要求。

　　机电一体化系统的稳定性是指其工作性能不受外界环境影响和抗干扰的能力。当收到的扰动信号消失后，稳定的伺服系统能够很快恢复到原有的稳定状态并运行；反之则易受干扰，甚至可能产生振荡。机械传动部件的转动惯量、刚度和阻尼、固有频率等因素皆会对系统的稳定性产生影响，所以要合理地选择这些参数，做到互相匹配。

　　在机电一体化系统中，执行机构的机械运动有直线运动、回转运动、间歇运动等多种运动方式，其负载包括工作负载（外力）、惯性负载和摩擦负载等。在设计机械系统时，应对其执行机构及其运动作出分析，确定负载的大小，从而合理地选择驱动部件和设计传动部件，并使其与负载的变化相匹配。

　　机械传动中，从驱动部件、传动部件到执行机构，系统各部分的惯性都要充分考虑，因为惯性不但会影响传动系统的启停特性，而且还会影响控制的快速响应性、位移偏差和速度偏差。传动系统的惯性可用转动惯量来计算，它主要取决于机构中各部件的质量和尺寸参数。

　　对某种特定的机电一体化系统（或产品）来说，应根据其性能的需要提出适当的精密度要求。虽然不是越精密越好，但由于要满足产品的高定位精度等性能要求，所以对机械传动机构的精密度要求越来越高。

　　机电一体化系统中常用的机械传动机构有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动以及各种非线所示，一种传动机构可满足一项或同时满足几项功能要求，其主功能是传递转矩和转速，其目的是确保执行元件和负载之间在转速与转矩方面得到最佳匹配。传动部件直接影响着伺服系统的精度、稳定性和快速响应性，因此要根据伺服控制的要求进行选择设计，使其满足传动间隙小、精度高、低摩擦、体积小、质量轻、运动平稳、响应速度快、传递转矩大、高谐振频率以及与伺服电动机等其他环节的动态性能相匹配等要求。

　　机座或机架是支承其他零部件的基础部件。它既可承受其他零部件的重量和工作载荷，又起保证各零部件相对位置的基准作用。

　　机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，除了要求具有较高的定位精度等静态特性外，还应具有特别良好的动态响应特性，即动作响应要快、稳定性要好，以满足伺服系统的设计要求。

　　因此，传动系统的固有频率与传动部件的质量和综合刚度有关，增加刚度或减小质量可提高系统的固有频率。此外，传动系统的固有频率对传动精度也有影响，提高固有频率可减小系统的传动误差。

　　物体间有相对运动趋势或已经产生的相对运动，在其接触面间会产生摩擦力，而摩擦力又会影响传动系统的传动精度和运动平稳性。工作中机械导轨的摩擦特性是很复杂的，它们不仅与摩擦性质不同的导轨材料和表面状态有关，而且也受润滑条件和环境温度的影响。此外，静摩擦力还会使机械传动部件发生弹性变形而造成位置误差；反向运动时，位置误差会形成回程误差。

　　常见的间隙类型有齿轮传动的齿侧间隙、丝杠螺母的传动间隙、丝杠轴承的轴向间隙和联轴器的扭转间隙等，具体的消隙方法详见2.2节的相关介绍。

　　由于受到技术发展水平的限制，目前机电一体化的各种元器件还不能完全满足需要，机械传动链还不能完全取消。但是，机电一体化机械系统中的机械传动装置，已不仅仅是转速和转矩的变换器，而成为伺服系统的组成部分。近年来，由控制电动机直接驱动负载的“直接驱动”技术得到了很大的发展，但一般机械都需要低转速、大转矩的伺服电动机，并要考虑负载的非线性耦合性等因素对执行电动机的影响，从而增加了控制系统的复杂性，所以，在一般情况下，应尽可能缩短传动链，但还不能完全取消传动链。

　　学生通过文字教材可掌握机电一体化机械系统设计的基本要求，常用传动机构、执行机构的设计以及虚拟样机技术等知识。文字教材中的重点、难点在录像教材和流媒体课件中有较详尽的讲解；机电一体化产品机械系统的结构及工作原理等用文字不易表达清楚的教学内容以实物、照片、场景等视频方式作为辅助教学手段；另外，在流媒体课件中着重讲解本章知识重点、难点的典型实例以及本章的学习思路和方法等内容。

　　机械传动系统的转动惯量大会产生以下不利影响：①机械负载增加，功率消耗大；②系统响应速度变慢，灵敏度降低；③系统的固有频率下降，容易产生谐振；④电气驱动部件的谐振频率降低，阻尼增大等。因此，在不影响系统刚度的条件下，机械部分的质量和转动惯量应尽可能小。

　　图2 -2所示为机械传动部件的转动惯量对小惯量电动机驱动系统谐振频率的影响。图中横坐标为外载荷折算到电动机轴的当量负载转动惯量与电动机转子的转动惯量之比，纵坐标为系统带有折算到电动机轴的外载荷时的谐振频率与不带外载荷时的谐振频率之比，其中电动机轴的转动惯量与谐振频率可视为常数。从曲线的变化趋势可看出，驱动系统的实际谐振频率随惯性负载增大而降低。当折算的负载转动惯量等于电动机转子的转动惯量时，固有频率下降为空载谐振频率的50﹪；当折算惯量小于电动机转子的转动惯量时，系统有较好的快速性。因此，在设计机械传动系统时，传动系统的转动惯量可作为选择电动机动力参数的依据。

　　导向机构的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和给定的运动方向运动，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。

　　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等。

　　轴系由轴、轴承及安装在轴上的齿轮、带轮等传动部件组成。轴系的主要作用是传递转矩及精确的回转运动，它直接承受外力（力矩）。

　　机械传动系统中，各传动部件并非刚体，而是具有弹性的。机械传动系统可视为质量弹簧系统，并具有一定的固有频率。当外界传来的振动的激振频率接近或等于系统的固有频率时，系统将会产生谐振而不能正常工作。机械传动系统实际上是个多自由度的系统，它有一个最基本的固有频率和若干个高阶固有频率。为减少机械传动部件的扭矩反馈对电动机动态性能的影响，机械传动系统的基本固有频率应高于电气驱动部件固有频率的2～3倍，同时，传动系统的固有频率还应远离控制系统的工作频率，以免系统产生振荡而失去稳定性。

　　机电一体化中的机械系统应具有良好的伺服性能，并要求机械传动部件有足够的制造精度，以满足转动惯量小、摩擦小、阻尼合理、刚度大、振动特性好以及传动间隙小等要求，另外星空体育平台，还要求机械传动部分的动态特性与执行元件的动态特性相匹配。机械系统的主要特性有：转动惯量、阻尼、刚度和传动精度等。

　　产品工作效率的高低，直接与机械传动部件的运动速度相关，因此，机械传动机构应能适应高速运动的要求。

　　随着机电一体化系统（或产品）精密化、高速化的发展，必然要求其传动机构小型化、轻量化，以提高运动灵敏度（快速响应性），减小冲击，降低能耗。为与微电子部件微型化相适应，也要尽可能做到使机械传动部件短小、轻薄化。

　　因此，机械传动部件的摩擦特性应为：静摩擦力尽可能小；动摩擦力应为尽可能小的正斜率，若为负斜率，则易产生爬行、精度降低且寿命减小。

　　机械传动系统中，各类传动零部件的传动间隙都会产生回程误差，增加轮廓误差，从而影响到系统的传动精度和运动平稳性。齿轮传动的啮合间隙会造成一定的传动死区，即主动齿轮要转过一定间隙角后从动齿轮才会转动，传动死区也称为失动量。若在闭环系统中，传动死区还可能使系统以1～5倍的频率产生低频振荡，为此，应采用齿侧间隙小、精度较高的齿轮，或采用各种调整齿侧间隙的结构来减小或消除啮合间隙。