第二章_机电一体化系统的机械传动系统教材

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。传动模型如图2-1所
示。
图中：
M
Jm ——电动机M转子的转动
惯量；
Jm
G L
i JL
θm ——电动机M的角位移；
m
L
JL ——负载L
TLF
θL ——负载L TLF ——
图2-1 电机、传动装置和负载的传动模型
i —— 齿轮系G的总传动比。
2、常用机械传动装置 齿轮传动、同步带传动、谐波齿轮传动、滚珠 丝杠传动，其它传动元件。 3、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。

TLF Tm
2

JL Jm
若不计摩擦,即TLF＝0, 则
i
JL 或 JL Jm i2

Jm
(2-2)
i
JL 或 JL Jm 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
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
对于n级齿轮系,有（P31）
2n n1 1
i 2 i 2(2n 1) 2n1
1
ik
2( k1)
2
2.2 机械传动系统的设计
2.2.1 概述
1、 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。
（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。
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。
来自百度文库
1
i1 22(24 1) 8024 1 1.7268
i2
2(
80
2( 21)
) 24 1
2.1085
24 / 2
i3
2
(
80 24 / 2
4
)15
3.1438
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
根据传动关系有
式中:
i

m L

m L

m L
m、m、m—— 电动机的角位移、角速度、
角加速度；
L、L、L —— 负载的角位移、角速度、 角加速度。
TLF换算到电动机轴上的阻抗转矩为TLF /i ；JL 换算到电动机轴上的转动惯量为JL /i2。设Tm为电 动机的驱动转矩, 在忽略传动装置惯量的前提下, 根据旋转运动方程,电动机轴上的合转矩Ta为：
Ta

Tm

TLF i

(Jm

JL i2
)
m

(Jm

JL i2
)
i
L
则L

Tmi TLF Jmi2 J L
(2-1)
在式(2-1)中,若改变总传动比i, L
之改变。根据负载角加速度最大的原则, 令 dL / di 0 ,则解得
i TLF Tm
第二章 机电一体化系统的 机械传动系统
2.1 概述
2.1.1 机械系统的组成
1、传动机构 机电一体化机械系统中的传动机构不仅仅是转速和转矩 的变换器,而且已成为伺服系统的一部分,它要根据伺服控制 的要求进行选择设计,以满足整个机械系统良好的伺服性 能。 2、导向机构 导向机构的作用是支承和导向,它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,一般指导 轨、轴承等。
1、定轴轮系传动
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。
行星齿轮传动轮系的组成与工作原理
3、谐波齿轮传动
基本组成：柔轮、刚轮、波形发生器 P34
工作原理
主要组成元件
工作过程
实用产品
谐波齿轮传动过程
2.2.3 齿轮传动系总传动比的确定 P30
i 2n / 2

2n 1
（2-3）
(k 2,3,4.....n. ) （2-4）
由此可见, 各级传动比分配的结果应遵循 “前小后大”的原则。
本页内容教材上有错：[i1,“前大后小”]。
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
速电动机转子, 达到了惯性负载和转矩的最佳匹
配。
2.2.4 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。
3、执行机构 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 机电一体化机械系统的特殊要求
机电一体化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，因此机电一体化机械系统的高精度是其首要 的要求。