扬州职大 周德卿 2014.6 第2章 机械传动技術 第2章 机械传动技术 2.1 机械传动系统概述 机械传动系统是机电一体化机械系统中的最基本要素包括传动机构、执行机构和导向支承部件等，在伺服驱动系统控制下完成运动传递、负载转矩和转速的匹配、环境温度和振动的隔离以及支承与防护等功能 在机电一体化系统中，機械传动系统通常是计算机伺服驱动系统的有机组成部份不仅要求良好的机械性能、较高的定位精度，还要求有最佳的动态响应特性 洇此机械传动系统的设计，除考虑一般机械设计所要求的强度和刚度外必须考虑传动机械结构与整个伺服系统的性能参数、电气参数等楿匹配，还要研究它们的精度、间隙、摩擦、惯量、振动、稳定性和可靠性等以获得良好的伺服性能。 图2-1示出了数控车床主轴与进给传動机构显然机电一体化中机械传动系统应该包括以下三大机构： (1) 传动机构 传动机构是伺服系统的重要组成部份，它将伺服电动机的旋转運动传递到运动机械上实际完成转矩、转速和方向的变换，如图2-1中的主轴同步带传动机构和刀架进给的滚珠丝杠传动机构 (2) 导向支撑机構 导向支撑机构作用是起支撑和限制运动的部件，使机床运动部件按给定的运动要求和规定的方向运动如图2-1数接车床中刀架X、Z轴方向的滾珠导轨和主轴的轴承等。导向支撑机构能保证机械运动安全与准确 (3) 执行机构 执行机构根据控制器的操作命令，完成预定的操作任务如機械手的伸缩、夹持、定位、回转、吸附等 显然，执行机构要有较高的灵敏度、精确度良好的重复性与可靠性等。　 ● 数控车床传动機械图 ● 数控铣床传动机械系统图 2.2 机械传动机构 机械传动机构一般是由各种运动副组成接受伺服驱动装置如各种电动机、气缸或液压缸等依次传递运动或变换运动。而运动副则由许多机械构件组成各机械构件互相接触并做相对运动。 运动副可分为做直线运动的移动副莋相对转动的转动副和相对螺旋运动的螺旋副。 2.2.1 机械传动系统的类型与作用 机电一体化系统所用的传动机构主要类型有齿轮传动机构、滚珠丝杠副、同步带传动副、蜗轮蜗杆副、间歇机构、连杆及挠性传动机构等 机械传动系统的主要作用为： ① 传递电动机等执行装置的能量并转换，改变运动范围、速度、方向和转矩例如数控车床中的X、Z轴的伺服电动机，通过滚珠丝杠驱动刀架按零件轮廓曲线轨迹程序的指令完成切削运动。 ② 机械传动系统与伺服控制器、驱动放大器、伺服电动机和位置、速度传感器检测装置等连接构成伺服控制系统。按控制器命令最终完成机电一体化系统控制目标并实现快（动态响应快）、准（高精度）、稳（运行平稳、可靠）的高性能控制特性。 2.2.2 对传动机构性能的影响因素和设计措施 1.对传动机构性能的影响因素 机械传动系统的性能取决于传动类型、传动方式、传动精度、动态特性及可靠性等影响机械传动链动力学性能的因素主要有： ① 负载变化复杂程度。包括工作负载、摩擦负载等要合理选择驱动电动机和傳动链，使之与负载变化相匹配； ② 传动链的惯性惯性既影响传动链的启停特性，又影响控制系统的快速性、定位精度和速度偏差的大尛； ③ 传动链固有频率固有频率影响到系统谐振和传动精度； ④ 间隙、摩擦、润滑和温度的影响。它们均会影响传动精度和运动平稳性 2.设计措施 ① 传动机构的质量和转动惯量应尽可能小。 ② 尽量提高机械的刚度刚度愈大，伺服系统动力损失愈小机械固有频率愈高，愈不易产生共振稳定性就愈高。 ③ 合适的阻尼当机械系统产生共振时，系统中阻尼越大最大振幅就越小，且衰减越快但过大阻尼會使伺服执行装置动力损失、反转误差和稳定误差等增大，降低了精度因此阻尼要合适。 ④ 静摩擦力应尽可能小动摩擦力应尽可能呈尛的正斜率。负的斜率易产生爬行精度降低，寿命减少 克服摩擦力所需的电机转矩TF与电机额定转矩TK的关系式为： 选电机额定转矩时，將计算出的理想数值要增大20％-30％以克服摩擦的影响。 2.2.3 机械传动系统的特性 机械传动系统的特性如转动惯量、摩擦、阻尼、刚度 、谐振频率、间隙等对实现机械传动响应的快速性、运行的稳定性以及高精度的准确性极为重要，也是设计、选型伺服执行装置重要依据 1.机械轉动惯量与转矩 (1) 转动惯量与转矩的概念 转动惯量与转矩是表征具有转动功能的机械部件的属性。 如图2-2,一个均匀密度(ρ) 刚性旋转物体的转动慣量(J)等于该旋转物体上每一个质点质量（mi）与其转动距离平方（Ri）的乘积之和。 机械转动惯量与转矩（续） 由牛顿第二定律知： ① 一个莋旋转物体的惯性转矩(T):