机电一体化系统中的机械设计

电动机驱动的两级齿轮系
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一、齿轮传动
因为：
J1
J3
B
32g
d14
所以：
J2
B
32g
d
4 2
J4
B
32g
d
4 4
J2 J1
d2 d1
4
i14
即：
J2 J1i14
J J3 4J J1 4d d1 44d d3 44i2 4(i/i1)4
J4J1i2 4J1(i/i1)4
令
JmeJ1(1i12
iT LF /T m(T LF /T m )2JLJm
一、齿轮传动
2．传动链的级数和各级传动比的分配 齿轮系统的总传动比确定后，根据对传动链的
技术要求，选择传动方案，使驱动部件和负载之 间的转矩、转速达到合理匹配。若总传动比较大， 又不准备采用谐波、少齿差等传动，需要确定传 动级数，并在各级之间分配传动比。单级传动比 增大使传动系统简化，但大齿轮的尺寸增大会使 整个传动系统的轮廓尺寸变大。可按下述三种原 则适当分级，并在各级之间分配传动比。
查图3-6， i2 =3.7；i3 =4.24；i4 =4.95。
验算：i i1i2i3i4=256.26。可用
小结
无论传递的功率大小如何，按等效转动惯 量最小原则分配，从高速级到低速级，各 级传动比总是逐级增加的，而且级数越多， 总等效惯量越小。但级数增加到一定数量 后，总等效惯量的减少并不明显，而从结 构紧凑、传动精度和经济性等方面考虑， 级数不能太多。
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TLF
电动机驱动齿轮系统和负载的计算模型
根据传动关系有： imLmL m L
根据旋转运动方程，电动机轴上的合转矩为： T a T m T L i F J m J L i 2 m J m J L i 2 i L 则 L T m i T L J m F i 2 J L i a T J m i 2 J L 根据负载角加速度最大的原则，令 dL di0 解得
1 i12
i2 i14
)
J em 0 i1
可得 i 2
i14 1 2
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电动机
J1
J4
i1
i2
J 2
J11 3
对于n级齿轮系作同类分析可得：
2n n1 1
i1 22 2n 1 i 2n 1
ik
2k1
2
i 2n
2
来自百度文库
2n
1
（K=2～n）
P40 例3-1
确定小功率传动级数的曲线
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4
导向机构 不仅要支承、固定和联接系统中 的其它零部件，还要保证这些零部件之间 的相互位置要求和相对运动的精度要求， 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 最终完成操作任务的部分。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。与传统的执行机构 相比，机电一体化系统的简化了机械执行 机构，而充分发挥计算机的协调和控制功 能。
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一、齿轮传动
(1) 等效转动惯量最小原则
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。
如右图，若不计轴和轴承 的转动惯量，则根据系统动 能不变的原则，等效到电机 轴上的等效转动惯量为：
Jm
eJ1J2i12J3
J4 i12i22
J1
J4
电动机
i1
i2
J2
J3
2 3 4 6 8 10 8 6
4
2
A
1
1
2 3 4 6 8 10
ik-1
例题3-2 设有i=256 的大功率传动装置，试按等效转动
惯量最小原则分配传动比。
解：查图3-4，得n= 3，Je/J170 n= 4，Je/J135（确定传动级数） n= 5，Je/J126
查图3-5，得 i1 =3.3。 （确定各级传动比）
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为减小齿轮 系的转动惯 量，过多增 加传动级数n 是没有意义 的，反而会 增大传动误 差，并使结 构复杂化。
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大功率传动装置
大功率传动装置传递扭矩大，各级齿轮副 的模数、齿宽、直径等参数逐级增加。
传动比分配的基本原则仍为“前小后大”。 根据下面两图确定传动级数及各级传动比。
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第3章 机电一体化系统中的机械设计
3.1 概述 3.2 传动部件设计 3.3 支撑部件设计 3.4 精密机械的精度设计和误差分配
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3.1 概述
为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，通 常对机电一体化系统提出以下要求：
(1)高精度
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
支撑，保证执行精度。
(3) 低摩擦
导向和转动支撑部分采用低摩擦阻力部件，
以降低机械系统阻力，提高系统的快速响应性。
(4) 良好的稳定性
即要求机械系统的工作性能受外界环境的影
响小，抗干扰能力强。
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3
机械部分的组成
机电一体化机械系统功能上可以分为传动、 导向和执行三大机构。
传动机构 传统的机械传动是一种把动力机 产生的运动和动力传递给执行机构的中间 装置，是一种扭矩和转速的变换器，其目 的是使驱动电动机与负载之间在扭矩和转 速上得到合理的匹配。在机电一体化系统 中，普遍采用计算机控制和具有动力、变 速与执行等多重功能的伺服电动机。
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n=1
n=2 n=3
n=4
用于大功
n=5
率传动确
10
定传动级
数的曲线
Je/J1
10
100 256 1000
i
i1
ik
10
8 6
n=1
4
n=2 n=3 n=4
2
n=5
0
10
100
1000 101
i
8 6
用于大功率传动 确定第一级传动
4
比的曲线
2 B
用于大功率传动 确定第一级齿轮 副以后各级传动 比的曲线
机械产品都有很大的提高，因此机电一体化机械
系统的高精度是其首要的要求。如果机械系统的
精度不能满足要求，则无论机电一体化产品其它
系统工作怎样精确，也无法完成其预定的机械操
作。
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2
3.1 概述
(2)高刚度
采用高刚性支撑或架体，以减小产品本体的振 动，降低噪声；为高精度的执行机构提供良好的
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3.2 传动部件设计
一、齿轮传动 二、滚珠螺旋传动 三、同步带传动 四、谐波齿轮传动
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一、齿轮传动
齿轮传动方案主要包括传动比及其分配两 部分。
1. 齿轮传动系统的总传动比 根据负载特性和工作条件不同，有不
同的最佳传动比选择方案，例如“负载峰 值力矩最小”的最佳传动比方案、“负载 均方根力矩最小”的最佳传动比方案、 “转矩储备最大”的最佳传动比方案等。 在伺服系统中，通常采用负载角加速度最 大原则选择总传动比，以提高伺服系统的 响应速度。