第三章 机械传动系统机电一体化系统设计
3.1 机械传动系统概述
3.2 机械传动系统的特性
3.3 机械传动装置
3.4 导 轨第三章 机械传动系统第二章第三章 第一节
3.1 机械传动系统概述
3.1.1 机械传动系统的特点传统的机械一般由动力件、传动件、执行件三部分和电气控制（或机械控制）部分组成。
现代机械是一个机电一体化的机械系统，其核心是由计算机控制的，包括机械、电力、电子、液压、光学等技术的伺服系统。
伺服系统（ Servo mechanism）：用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。在很多情况下，指系统的输出量是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。
第三章 第一节
3.1 机械传动系统概述
3.1.2 机电一体化对机械传动系统的要求机电一体化系统中的机械传动装置，已不仅仅是变换转速和转矩的变换器，而是成为伺服系统的组成部分，要根据伺服控制的要求来进行选择和设计。
1、机械传动要满足伺服控制的要求机械传动的主要性能取决于传动类型、传动方式、传动精度、
动态特性以及传动的可靠性。在机电一体化系统中，还要考虑其对伺服系统的精度、稳定性和快速响应性的影响。
第三章 第一节
3.1 机械传动系统概述
（ l） 精度精度是指系统的输出量对系统的输 入 量复现的准确程度。机械传动的精度与传动部件的布置、制造安装精度有关，也与系统的刚度、阻尼 等参数有关。
（ 2）稳定性机电一体化系统的稳定性是指系统工作性能不受外界环境的影响和抗干扰的能力。机械传动部件的转动惯量、刚度、阻尼、
固有谐振频率等因素皆对系统的稳定性产生影响。
第三章 第一节
3.1 机械传动系统概述
（ 3）快速响应性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。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。
此外，机电一体化系统中的传动链还需要满足小型、轻量、
高速、低冲击振动、低噪声和高可靠性等要求。
第三章 第一节
3.1 机械传动系统概述
2,传动机构动力学特性的主要影响因素
（ l）负载的变化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、间歇运动等多种形式，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，应对执行机构及其运动做出分析，确定负载的数值大小，从而合理选择驱动部件和设计传动部件，使之与负载的变化相匹配。
第三章 第一节
3.1 机械传动系统概述
（ 2）传动系统的惯性在机械传动中，从驱动元件、传动部件到执行机构，系统各部分的惯性都是需要考虑的。惯性不但影响传动系统的启停特性，
也影响控制的快速性、位置偏差和速度偏差。
（ 3）传动系统的固有频率在机械传动系统中，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。
第三章 第一节
3.1 机械传动系统概述
（ 4）传动系统中的摩擦与润滑两物体间有相对运动趋势或已产生相对运动，其接触面间会存在摩擦力，摩擦力影响传动机构的精度和运动平稳性。
（ 5）传动系统中的间隙在机械传动系统中，各类传动零件的传动间隙都会产生回程误差和传动误差，会影响到系统的传动精度和运动平稳性。
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性机械传动系统的特性主要取决于传动系统的特性、驱动元件特性和控制校正方法。影响传动系统的特性的主要参数有：
（ 1）转动惯量
（ 2）阻尼
（ 3）刚度
（ 4）传动误差第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
3.2.1 转动惯量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。转动惯量大产生的影响有：使机械负载增大；使系统响应速度变慢，降低灵敏度；使系统固有频率下降，容易产生谐振。转动惯量使电气驱动部件的谐振频率降低，而阻尼增大。
图 3-1表示机械传动部件的转动惯量对小转动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 Jc。与电动机转子转动惯量 Jm 之比，纵坐标为折算到电动机轴上的外载荷转动的谐振频率 Joa与不带外载荷的谐振频率 J*oa之比。
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性第三章 第二节
1,转动惯量的计算
（ l）圆柱体的转动惯量式中,m — 质量,kg； d — 圆柱直径,m；
（ 2）直线运动物体的转动惯量图 3-2(a)所示为由导程为 L0 的丝杠驱动质量为 mr 的工作台和质量为 mw 的工件，折算到丝杠上的总折算转动惯量 Jr,w,s,为,
3.2 机械传动系统的特性第三章 第二节
（ 2）直线运动物体的转动惯量如图 3-2(b)所示，由齿条驱动的工作台与工件质量折算到节圆半径为 r0 的小齿轮上 转动惯量 Jr,w,j,为,
3.2 机械传动系统的特性第三章 第二节
（ 3）传动齿轮轴 1 上的传动齿轮 1的转动惯量 J1,折算到轴 2 上的折算转动惯量 J2 为,
3.2 机械传动系统的特性第三章 第二节
2,GD2
与转动惯量等价的 GD2 是回转体的重量 G 与回转直径 D
的平方的乘积。 GD2与转动惯量 J 的关系为,
3.2 机械传动系统的特性
（ 1）回转体 GD2 （如表 3-1所示）
（ 2）直线运动物体的 GD2
图 3-3 所示是导程为 L0 (m) 的丝杠驱动总重量为 W(N) 的工作台与工件折算到丝杠上的等效 GD2为：
图 3-4 所示是传送带上重量为 W(N) 的物体折算到驱动轴上的等效 GD2为：
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性图 3-5 所示是车体重量为 W(N) 车轮直径为 D(m) 的自行式台车，它的等效 GD2 为：
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性对于伺服传动系统，一般来说希望具有小的转动惯量，这是保证系统具有好的快速性所必须的。以数控机床为例，传动方式一般有三种：丝杠传动、齿轮齿条传动和蜗轮蜗杆传动。
一般当行程较大时（ > 4m ）,由于刚度和制造等原因可选择齿条传动，实际应用中丝杠传动的应用最多。
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。
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
3.2 机械传动系统的特性例如，要求进给力为 12 kN,快进行程速度为 12 m/min
的传动 装置，采用不同的传动方案的特性参数如表 3-2 所示。
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
3.2.2 阻尼两物体或有相对运动趋势或已产生相对运动，其接触面间产生摩擦力。摩擦力在应用上可简化为粘性摩擦力、库仑摩擦力与静摩擦力三类，方向均与运动方向相反。
图 3-7 (a) 所示为粘性摩擦力，大小与两物体相对运动的速度成正比。图 3-7 (b) 所示的库仑摩擦力是接触面对运动物体的阻力，大小为一常数。静摩擦力是有相对运动趋势但仍处于静止状态时的摩擦力，其最大值发生在开始相对运动前的一瞬间，运动开始后静摩擦力消失。
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性实际机械导轨的摩擦特性随材料和表面状态的不同有很大的不同。在质量为 3200 kg 的重物作用下，不同导轨表现出的摩擦特性如图 3-8 所示。滑动摩擦导轨易产生爬行现象，低速运动稳定性差。滚动摩擦导轨和静压摩擦导轨不产生爬行，但有微小超程。贴塑导轨的特性接近于滚动导轨，但是各种高分子塑料与金属的摩擦特性有较大的差别。另外，摩擦力与机械传动部件的弹性变形产生位置误差，运动反向时，位置误差形成反转误差（回差）。综上所述，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，降低精度，减少寿命。
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
1、根据经验，克服摩擦力所需的电动机转矩 Tm 与电动机额定转矩 TR 的关系为：
2、机械部件产生振动时，系统中阻尼越大，则最大振幅越小，且衰减越快。机械部件振动时，金属材料的内摩擦较小，
运动副特别是导轨的摩擦阻尼是主要的，实际应用摩擦阻尼一般简化为粘性摩擦的线性阻尼。
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
3、阻尼对弹性系统的振动特性的影响有正反两面：
① 系统的静摩擦阻尼越大，使系统的失动量和反转误差越大，定位精度降低，加上摩擦 -速度特性的负斜率，易产生爬行，降低机械的性能；
② 系统的粘性阻尼摩擦越大，使系统的稳态误差增加，精度降低；
③ 在系统刚度低、质量大的情况下，为了减小振幅和衰减振动，要求粘性摩擦阻尼增大。
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
3.2.3 刚度刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用力，包括构件产生各种基本变形时的刚度和两接触面的接触刚度。静态力和变形之比为静刚度；动态力（交变力、冲击力）和变形之比为动刚度。
对于伺服系统的失动量来说，系统刚度越大，失动量越小。
对于系统的固有频率来说，系统刚度越大，固有频率越高，超出系统的频带宽度，不易产生共振。对于伺服系统的稳定性来说，刚度对开环系统的稳定性没有影响，而对闭环系统的稳定性有很大影响，提高刚度可增加闭环系统的稳定性。但是，刚度的提高如果伴随着转动惯量、摩擦和成本的增加，则要综合考虑，选择多个方案做优化设计。
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性包括机械传动部件在内的弹性系统，若阻尼不计，可简化为质量 — 弹簧系统。对于质量为 m,拉压刚度系数为 k 的单自由度直线运动弹性系统，其固有频率 ωn 为：
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性对于转动惯量为 J,扭转刚度系数为 k 的单自由度旋转运动弹性系统，其固有频率 ωn 为：
由上式可知，提高刚度、减小折算转动惯量，对提高系统的固有频率有利。
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
3.2.4 传动误差
1,传动系统的误差分析机械传动系统中，影响系统传动精度的误差可分为传动误差和回程误差两种。
（ 1）传动误差传动误差是指输入轴单向回转时，输出轴转角的实际值相对于理论值的变动量。由于传动误差的存在，使输出轴的运动时而超前，时而滞后。
（ 2）回程误差回程误差可以定义为输入轴由正向回转变为反向回转时，
输出轴在转角上的滞后量。
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
2．减小传动误差的措施减小传动误差、提高传动精度的结构措施有：适当提高零部件本身的精度；合理设计传动链，减少零部件制造、装配误差对传动精度的影响；采用消隙机构，以减少或消除回程误差。
（ 1） 提高零部件本身精度这是指提高各传动零部件本身的制造、装配精度。例如，
为了减小传动误差，一般可采用 6 级精度的齿轮，甚至采用 5
级或 4 级精度。为了减小回程误差，一般可选用较小的侧隙或零侧隙，甚至“负侧隙”。
对减速传动链来说，提高末级的精度，效果最为显著。
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
（ 2） 合理设计传动链
① 合理选择传动形式在传动链的设计中，各种不同形式的传动，达到的精度是不同的。一般说来，圆柱直齿轮与斜齿轮机构的精度较高，蜗杆、蜗轮机构次之，而圆锥齿轮较差。在行星齿轮机构中，谐波齿轮精度最高，渐开线行星齿轮机构、少齿差行星齿轮机构次之，摆线针轮行星齿轮机构则较差。
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
② 合理确定传动级数和分配各级传动比减少传动级数，就可减少零件数量，也就减少了产生误差的环节。因此，在满足使用要求的条件下，应尽可能减少传动级数。对减速传动链，各级传动比宜从高速级开始，逐级递增，
且在结构空间允许的前提下，尽量提高末级传动比。一般来说，
减速传动采用大的传动比，可使从动轮半径增大，从而提高角值精度。
3.2 机械传动系统的特性
③ 合理布置传动链在减速传动中，精度较低的传动机构（如圆锥齿轮机构、蜗杆蜗轮机构）应布置在高速轴上，这样可减小低速轴上的误差。
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
（ 3）采用消除间隙机构消隙机械可有效地减小或消除传动中的回程误差。主要介绍齿轮机构和螺旋机构的消隙方法。
① 螺旋传动间隙的消除第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
① 螺旋传动间隙的消除第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
② 齿轮传动齿侧间隙的消除
a,刚性消隙法第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
b,柔性消隙法第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
b,柔性消隙法第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
b,柔性消隙法第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
b,柔性消隙法第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
③ 丝杠螺母间隙的调整第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
③ 丝杠螺母间隙的调整第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
③ 丝杠螺母间隙的调整第三章 第三节
3.3 机械传动装置
3.3.1 齿轮传动机电一体化系统中目前使用最多的是齿轮传动，主要原因是齿轮传动的瞬时传动比为常数，传动精确，可做到零侧隙无回差、强度大、能承受重载、结构紧凑、摩擦力小、效率高。
1.使伺服电动机驱动负载的加速度最大的总传动比选择方法用于伺服系统的齿轮传动一般是减速系统，其输入是高速、
小转矩，输出是低速、大转矩，用以使负载加速。要求齿轮系统不但有足够的强度，还要有尽可能小的转动惯量，在同样的驱动功率下，其加速度响应为最大。此外，齿轮副的啮合间隙会造成不明显的传动死区。在闭环系统中，传动死区能使系统以 1 — 5 倍的间隙角产生低频振荡，为此，要调小齿侧间隙，
或采用消隙装置。
第三章 第三节图 3-23 所示是转动惯量为 Jm、输出转矩为 Tm 的直流伺服电动机，通过传动比为 i 的齿轮系 G 克服摩擦阻抗力矩 TLF
带动惯性负载 JL 的计算模型。
3.3 机械传动装置第三章 第三节
3.3 机械传动装置换算到电动机轴上的阻抗力矩为 TLF / i。 换算到电动机轴上的转动惯量 JL / i2 。 电动机轴上的加速转矩为,
或：
第三章 第三节
3.3 机械传动装置图 3 - 24 所示为上述计算模型的物理意义。处于电动机曲线以下的阴影面积所代表的齿轮传动比均可选择，而 Ta 最大的是最佳值。但当作用于负载的干扰很大时，为减小其影响时，可能选用较大的传动比。
第三章 第三节
3.3 机械传动装置
2,齿轮传动链的级数和各级传动比的分配虽然各种周转轮系可以满足总传动比的要求，且结构紧凑，
但由于效率等原因，常用多级圆柱齿轮传动副串联组成齿轮系。
确定齿轮副的级数和分配各级传动比，按不同原则有三种方法。
（ 1）最小等效转动惯量原则
① 小功率传动装置：以图 3 - 25 所示两级传动齿轮系为例。假定各主动小齿轮具有相同的转动惯量 J1,轴与轴承转动惯量不计，各齿轮均为实心圆柱体，且齿宽和材料均相同，
效率不计，各级传动比分配的结果应为“前大后小”。
第三章 第三节第三章 第三节
3.3 机械传动装置
② 大功率传动装置大功率传动装置传递的转矩大，各级齿轮副的模数、齿宽直径等参数逐级增加。这时，小功率传动的假定不适用，分配结果应为“前小后大”。
（ 2）质量最小原则
① 小功率传动装置仍以图 3 - 25 传动齿轮系为例。假定各主动小齿轮的模数、齿数、齿宽均相同，轴与轴承转动惯量不计，各齿轮均为实心圆柱体，且齿宽与材料均相同，效率不计，则,i1 = i2
第三章 第三节
3.3 机械传动装置
② 大功率传动装置仍以图 3 - 25 齿轮系为例。假设所有主动小齿轮的模数 m1,m3，分度圆直径 d1,d3，齿宽 b1、
b3，都与所在轴上的转矩 T1,T3 的三次方根成正比，即：
第三章 第三节
3.3 机械传动装置
（ 3）输出轴的转角误差最小原则在减速传动链中，从输入端到输出端的各级传动比应为
“前小后大”，且末端两级传动比应尽可能大，齿轮副精度应提高，这样可减小齿轮的固有误差、安装误差、回转误差对输出轴运动精度的影响。
第三章 第三节
3.3 机械传动装置上述三项原则的选择，应根据具体的工作条件而定。
① 对于以提高传动精度和减小回程误差为主的降速齿轮传动链，可按输出轴转角误差最小原则设计。对于升速传动链，
则应在开始几级就增速。
② 对于要求运动平稳、启停频繁和动态性能好的伺服降速传动链，可按最小等效转动惯量和输出轴转角误差最小原则进行设计。对于负载变化的齿轮传动装置，各级传动比最好采用不可约的比数，避免同时啮合。
③ 对于要求质量尽可能小的降速传动链，可按质量最小原则进行设计。
④ 对于传动比很大的齿轮传动链，应把定轴轮系和行星轮系结合使用。若同时要求传动精度高、功率大、效率高、传动平稳、体积小、质量小等，就要综合运用上述原则进行设计。
第三章 第三节
3.3 机械传动装置
3.3.2 同步带传动
1,同步带的特点同步带传动是一种综合了带链传动优点的新型传动。
（ 1）同步带传动的优点
① 无滑动，传动比准确； ② 传动效率高，可达 0.98,有明显的节能效果； ③ 传动平稳，能吸振，噪音小；④ 使用范围较广，传递功率由几瓦至数百千瓦，速度可达 50mm/s，速比可达 10 左右；⑤ 维护保养方便，不需要润滑。
（ 2）同步带传动的缺点
① 安装要求高，中心距要求严格；② 带与带轮制造工艺较复杂，制造成本高。
第三章 第三节
3.3 机械传动装置
2．同步带传动的分类
（ 1） 按用途分类,可分为一般用同步带传动和高转矩同步带传动两大类。
（ 2）按尺寸规格分：① 模数制；② 节距制。
第三章 第三节
3.3 机械传动装置
3,同步带及带轮结构
（ l）同步带的结构如图 3 - 27 所示，同步带由带背 3,强力层 1,带齿 2 组成。在采用氯丁橡胶为基体的同步带中还增设尼龙包布层 4 。
第三章 第三节
3.3 机械传动装置
（ 2） 带轮结构与尺寸同步带轮结构如图 3 - 28 所示。在国际上采用的带轮齿形有直边齿形和渐开线齿形两种，以何种为佳，目前尚无定论。
带轮的主要参数如下：
① 带轮的齿数
② 带轮的节线与节圆直径
③ 带轮齿形角
④ 带轮齿顶圆直径第三章 第三节
3.3 机械传动装置
3.3.3 谐波齿轮减速器
1．工作原理如图 3 - 29 所示，轴 1 带动波发生器凸轮 2,经柔性轴承
3,使柔轮 5 的齿在产生弹性变形的同时与刚轮 4 的齿相互作用，完成减速功能。
刚 性 轮柔 性 轮谐 波 发 生 器
3.3 机械传动装置
3.3.3 谐波齿轮减速器第三章 第三节
A
B
C
D
1
2
3 ( H )
n r
n H
( a )
3 ( H )
2
1
n H
( b )
3.3 机械传动装置
3.3.3 谐波齿轮减速器第三章 第三节
3.3 机械传动装置
3.3.3 谐波齿轮减速器
2．工作特点
（ 1）传动比大
（ 2）承载能力大
（ 3）传动精度高
（ 4）齿侧间隙小
（ 5）传动平稳
（ 6）传动效率高
（ 7）结构简单、体积小、质量轻第三章 第三节
3.3 机械传动装置
3.3.4 滚珠丝杠滚珠丝杠副的特点,1．很高的传动效率； 2．运动的可逆性； 3．系统的高刚度； 4．传动精度高； 5．使用寿命长。
第三章 第三节
3.3 机械传动装置
3.3.5 滚珠花键滚珠花键结构如图 3 - 32 所示。
第三章 第三节
3.3 机械传动装置
3.3.6 机械传动系统方案的选择第三章 第三节
3.4 导 轨
3.3.6 机械传动系统方案的选择
1．直线滚动导轨的特点：
（ 1）载荷能力大；
（ 2）刚性强；
（ 3）四方向等载荷；
（ 4）寿命长；
（ 5）传动平稳可靠；
（ 6）具有结构自调整能力。
第三章 第四节
3.4 导 轨
2．直线滚动导轨的选择程序
3.4 导 轨
3．直线滚动导轨的形式分类
（ 1）按滚动体的形状分：钢球和滚柱两种；
第三章 第四节
3.4 导 轨
3．直线滚动导轨的形式分类
（ 2）按导轨截面形状分：矩形和梯形两种；
3.4 导 轨
3．直线滚动导轨的形式分类
（ 3）按滚道沟槽形状分：单圆弧沟槽式与双圆弧沟槽式两种。
3.4 导 轨
3.4.2 塑料导轨
1．塑料导轨软带的尺寸规格现有导轨软带产品尺寸规格范围是：厚度,0.3 - 4 mm；厚度公差,± 0.05 - 0.20 mm；宽度,60 - 300 mm。
2．塑料导轨软带与其它导轨相比有以下特点。
① 摩擦因数低且稳定； ② 动静摩擦因数相近； ③ 吸收振动； ④ 耐磨性好；⑤ 化学稳定性好； ⑥ 维护维修方便；
⑦ 经济性好。
第三章 第四节
3.1 机械传动系统概述
3.2 机械传动系统的特性
3.3 机械传动装置
3.4 导 轨第三章 机械传动系统第二章第三章 第一节
3.1 机械传动系统概述
3.1.1 机械传动系统的特点传统的机械一般由动力件、传动件、执行件三部分和电气控制（或机械控制）部分组成。
现代机械是一个机电一体化的机械系统，其核心是由计算机控制的，包括机械、电力、电子、液压、光学等技术的伺服系统。
伺服系统（ Servo mechanism）：用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。在很多情况下，指系统的输出量是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。
第三章 第一节
3.1 机械传动系统概述
3.1.2 机电一体化对机械传动系统的要求机电一体化系统中的机械传动装置，已不仅仅是变换转速和转矩的变换器，而是成为伺服系统的组成部分，要根据伺服控制的要求来进行选择和设计。
1、机械传动要满足伺服控制的要求机械传动的主要性能取决于传动类型、传动方式、传动精度、
动态特性以及传动的可靠性。在机电一体化系统中，还要考虑其对伺服系统的精度、稳定性和快速响应性的影响。
第三章 第一节
3.1 机械传动系统概述
（ l） 精度精度是指系统的输出量对系统的输 入 量复现的准确程度。机械传动的精度与传动部件的布置、制造安装精度有关，也与系统的刚度、阻尼 等参数有关。
（ 2）稳定性机电一体化系统的稳定性是指系统工作性能不受外界环境的影响和抗干扰的能力。机械传动部件的转动惯量、刚度、阻尼、
固有谐振频率等因素皆对系统的稳定性产生影响。
第三章 第一节
3.1 机械传动系统概述
（ 3）快速响应性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。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。
此外，机电一体化系统中的传动链还需要满足小型、轻量、
高速、低冲击振动、低噪声和高可靠性等要求。
第三章 第一节
3.1 机械传动系统概述
2,传动机构动力学特性的主要影响因素
（ l）负载的变化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、间歇运动等多种形式，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，应对执行机构及其运动做出分析，确定负载的数值大小，从而合理选择驱动部件和设计传动部件，使之与负载的变化相匹配。
第三章 第一节
3.1 机械传动系统概述
（ 2）传动系统的惯性在机械传动中，从驱动元件、传动部件到执行机构，系统各部分的惯性都是需要考虑的。惯性不但影响传动系统的启停特性，
也影响控制的快速性、位置偏差和速度偏差。
（ 3）传动系统的固有频率在机械传动系统中，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。
第三章 第一节
3.1 机械传动系统概述
（ 4）传动系统中的摩擦与润滑两物体间有相对运动趋势或已产生相对运动，其接触面间会存在摩擦力，摩擦力影响传动机构的精度和运动平稳性。
（ 5）传动系统中的间隙在机械传动系统中，各类传动零件的传动间隙都会产生回程误差和传动误差，会影响到系统的传动精度和运动平稳性。
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性机械传动系统的特性主要取决于传动系统的特性、驱动元件特性和控制校正方法。影响传动系统的特性的主要参数有：
（ 1）转动惯量
（ 2）阻尼
（ 3）刚度
（ 4）传动误差第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
3.2.1 转动惯量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。转动惯量大产生的影响有：使机械负载增大；使系统响应速度变慢，降低灵敏度；使系统固有频率下降，容易产生谐振。转动惯量使电气驱动部件的谐振频率降低，而阻尼增大。
图 3-1表示机械传动部件的转动惯量对小转动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 Jc。与电动机转子转动惯量 Jm 之比，纵坐标为折算到电动机轴上的外载荷转动的谐振频率 Joa与不带外载荷的谐振频率 J*oa之比。
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性第三章 第二节
1,转动惯量的计算
（ l）圆柱体的转动惯量式中,m — 质量,kg； d — 圆柱直径,m；
（ 2）直线运动物体的转动惯量图 3-2(a)所示为由导程为 L0 的丝杠驱动质量为 mr 的工作台和质量为 mw 的工件，折算到丝杠上的总折算转动惯量 Jr,w,s,为,
3.2 机械传动系统的特性第三章 第二节
（ 2）直线运动物体的转动惯量如图 3-2(b)所示，由齿条驱动的工作台与工件质量折算到节圆半径为 r0 的小齿轮上 转动惯量 Jr,w,j,为,
3.2 机械传动系统的特性第三章 第二节
（ 3）传动齿轮轴 1 上的传动齿轮 1的转动惯量 J1,折算到轴 2 上的折算转动惯量 J2 为,
3.2 机械传动系统的特性第三章 第二节
2,GD2
与转动惯量等价的 GD2 是回转体的重量 G 与回转直径 D
的平方的乘积。 GD2与转动惯量 J 的关系为,
3.2 机械传动系统的特性
（ 1）回转体 GD2 （如表 3-1所示）
（ 2）直线运动物体的 GD2
图 3-3 所示是导程为 L0 (m) 的丝杠驱动总重量为 W(N) 的工作台与工件折算到丝杠上的等效 GD2为：
图 3-4 所示是传送带上重量为 W(N) 的物体折算到驱动轴上的等效 GD2为：
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性图 3-5 所示是车体重量为 W(N) 车轮直径为 D(m) 的自行式台车，它的等效 GD2 为：
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性对于伺服传动系统，一般来说希望具有小的转动惯量，这是保证系统具有好的快速性所必须的。以数控机床为例，传动方式一般有三种：丝杠传动、齿轮齿条传动和蜗轮蜗杆传动。
一般当行程较大时（ > 4m ）,由于刚度和制造等原因可选择齿条传动，实际应用中丝杠传动的应用最多。
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。
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
3.2 机械传动系统的特性例如，要求进给力为 12 kN,快进行程速度为 12 m/min
的传动 装置，采用不同的传动方案的特性参数如表 3-2 所示。
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
3.2.2 阻尼两物体或有相对运动趋势或已产生相对运动，其接触面间产生摩擦力。摩擦力在应用上可简化为粘性摩擦力、库仑摩擦力与静摩擦力三类，方向均与运动方向相反。
图 3-7 (a) 所示为粘性摩擦力，大小与两物体相对运动的速度成正比。图 3-7 (b) 所示的库仑摩擦力是接触面对运动物体的阻力，大小为一常数。静摩擦力是有相对运动趋势但仍处于静止状态时的摩擦力，其最大值发生在开始相对运动前的一瞬间，运动开始后静摩擦力消失。
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性实际机械导轨的摩擦特性随材料和表面状态的不同有很大的不同。在质量为 3200 kg 的重物作用下，不同导轨表现出的摩擦特性如图 3-8 所示。滑动摩擦导轨易产生爬行现象，低速运动稳定性差。滚动摩擦导轨和静压摩擦导轨不产生爬行，但有微小超程。贴塑导轨的特性接近于滚动导轨，但是各种高分子塑料与金属的摩擦特性有较大的差别。另外，摩擦力与机械传动部件的弹性变形产生位置误差，运动反向时，位置误差形成反转误差（回差）。综上所述，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，降低精度，减少寿命。
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
1、根据经验，克服摩擦力所需的电动机转矩 Tm 与电动机额定转矩 TR 的关系为：
2、机械部件产生振动时，系统中阻尼越大，则最大振幅越小，且衰减越快。机械部件振动时，金属材料的内摩擦较小，
运动副特别是导轨的摩擦阻尼是主要的，实际应用摩擦阻尼一般简化为粘性摩擦的线性阻尼。
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
3、阻尼对弹性系统的振动特性的影响有正反两面：
① 系统的静摩擦阻尼越大，使系统的失动量和反转误差越大，定位精度降低，加上摩擦 -速度特性的负斜率，易产生爬行，降低机械的性能；
② 系统的粘性阻尼摩擦越大，使系统的稳态误差增加，精度降低；
③ 在系统刚度低、质量大的情况下，为了减小振幅和衰减振动，要求粘性摩擦阻尼增大。
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
3.2.3 刚度刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用力，包括构件产生各种基本变形时的刚度和两接触面的接触刚度。静态力和变形之比为静刚度；动态力（交变力、冲击力）和变形之比为动刚度。
对于伺服系统的失动量来说，系统刚度越大，失动量越小。
对于系统的固有频率来说，系统刚度越大，固有频率越高，超出系统的频带宽度，不易产生共振。对于伺服系统的稳定性来说，刚度对开环系统的稳定性没有影响，而对闭环系统的稳定性有很大影响，提高刚度可增加闭环系统的稳定性。但是，刚度的提高如果伴随着转动惯量、摩擦和成本的增加，则要综合考虑，选择多个方案做优化设计。
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性包括机械传动部件在内的弹性系统，若阻尼不计，可简化为质量 — 弹簧系统。对于质量为 m,拉压刚度系数为 k 的单自由度直线运动弹性系统，其固有频率 ωn 为：
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性对于转动惯量为 J,扭转刚度系数为 k 的单自由度旋转运动弹性系统，其固有频率 ωn 为：
由上式可知，提高刚度、减小折算转动惯量，对提高系统的固有频率有利。
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
3.2.4 传动误差
1,传动系统的误差分析机械传动系统中，影响系统传动精度的误差可分为传动误差和回程误差两种。
（ 1）传动误差传动误差是指输入轴单向回转时，输出轴转角的实际值相对于理论值的变动量。由于传动误差的存在，使输出轴的运动时而超前，时而滞后。
（ 2）回程误差回程误差可以定义为输入轴由正向回转变为反向回转时，
输出轴在转角上的滞后量。
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
2．减小传动误差的措施减小传动误差、提高传动精度的结构措施有：适当提高零部件本身的精度；合理设计传动链，减少零部件制造、装配误差对传动精度的影响；采用消隙机构，以减少或消除回程误差。
（ 1） 提高零部件本身精度这是指提高各传动零部件本身的制造、装配精度。例如，
为了减小传动误差，一般可采用 6 级精度的齿轮，甚至采用 5
级或 4 级精度。为了减小回程误差，一般可选用较小的侧隙或零侧隙，甚至“负侧隙”。
对减速传动链来说，提高末级的精度，效果最为显著。
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
（ 2） 合理设计传动链
① 合理选择传动形式在传动链的设计中，各种不同形式的传动，达到的精度是不同的。一般说来，圆柱直齿轮与斜齿轮机构的精度较高，蜗杆、蜗轮机构次之，而圆锥齿轮较差。在行星齿轮机构中，谐波齿轮精度最高，渐开线行星齿轮机构、少齿差行星齿轮机构次之，摆线针轮行星齿轮机构则较差。
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
② 合理确定传动级数和分配各级传动比减少传动级数，就可减少零件数量，也就减少了产生误差的环节。因此，在满足使用要求的条件下，应尽可能减少传动级数。对减速传动链，各级传动比宜从高速级开始，逐级递增，
且在结构空间允许的前提下，尽量提高末级传动比。一般来说，
减速传动采用大的传动比，可使从动轮半径增大，从而提高角值精度。
3.2 机械传动系统的特性
③ 合理布置传动链在减速传动中，精度较低的传动机构（如圆锥齿轮机构、蜗杆蜗轮机构）应布置在高速轴上，这样可减小低速轴上的误差。
第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
（ 3）采用消除间隙机构消隙机械可有效地减小或消除传动中的回程误差。主要介绍齿轮机构和螺旋机构的消隙方法。
① 螺旋传动间隙的消除第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
① 螺旋传动间隙的消除第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
② 齿轮传动齿侧间隙的消除
a,刚性消隙法第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
b,柔性消隙法第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
b,柔性消隙法第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
b,柔性消隙法第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
b,柔性消隙法第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
③ 丝杠螺母间隙的调整第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
③ 丝杠螺母间隙的调整第三章 第二节
3.2 机械传动系统的特性
③ 丝杠螺母间隙的调整第三章 第三节
3.3 机械传动装置
3.3.1 齿轮传动机电一体化系统中目前使用最多的是齿轮传动，主要原因是齿轮传动的瞬时传动比为常数，传动精确，可做到零侧隙无回差、强度大、能承受重载、结构紧凑、摩擦力小、效率高。
1.使伺服电动机驱动负载的加速度最大的总传动比选择方法用于伺服系统的齿轮传动一般是减速系统，其输入是高速、
小转矩，输出是低速、大转矩，用以使负载加速。要求齿轮系统不但有足够的强度，还要有尽可能小的转动惯量，在同样的驱动功率下，其加速度响应为最大。此外，齿轮副的啮合间隙会造成不明显的传动死区。在闭环系统中，传动死区能使系统以 1 — 5 倍的间隙角产生低频振荡，为此，要调小齿侧间隙，
或采用消隙装置。
第三章 第三节图 3-23 所示是转动惯量为 Jm、输出转矩为 Tm 的直流伺服电动机，通过传动比为 i 的齿轮系 G 克服摩擦阻抗力矩 TLF
带动惯性负载 JL 的计算模型。
3.3 机械传动装置第三章 第三节
3.3 机械传动装置换算到电动机轴上的阻抗力矩为 TLF / i。 换算到电动机轴上的转动惯量 JL / i2 。 电动机轴上的加速转矩为,
或：
第三章 第三节
3.3 机械传动装置图 3 - 24 所示为上述计算模型的物理意义。处于电动机曲线以下的阴影面积所代表的齿轮传动比均可选择，而 Ta 最大的是最佳值。但当作用于负载的干扰很大时，为减小其影响时，可能选用较大的传动比。
第三章 第三节
3.3 机械传动装置
2,齿轮传动链的级数和各级传动比的分配虽然各种周转轮系可以满足总传动比的要求，且结构紧凑，
但由于效率等原因，常用多级圆柱齿轮传动副串联组成齿轮系。
确定齿轮副的级数和分配各级传动比，按不同原则有三种方法。
（ 1）最小等效转动惯量原则
① 小功率传动装置：以图 3 - 25 所示两级传动齿轮系为例。假定各主动小齿轮具有相同的转动惯量 J1,轴与轴承转动惯量不计，各齿轮均为实心圆柱体，且齿宽和材料均相同，
效率不计，各级传动比分配的结果应为“前大后小”。
第三章 第三节第三章 第三节
3.3 机械传动装置
② 大功率传动装置大功率传动装置传递的转矩大，各级齿轮副的模数、齿宽直径等参数逐级增加。这时，小功率传动的假定不适用，分配结果应为“前小后大”。
（ 2）质量最小原则
① 小功率传动装置仍以图 3 - 25 传动齿轮系为例。假定各主动小齿轮的模数、齿数、齿宽均相同，轴与轴承转动惯量不计，各齿轮均为实心圆柱体，且齿宽与材料均相同，效率不计，则,i1 = i2
第三章 第三节
3.3 机械传动装置
② 大功率传动装置仍以图 3 - 25 齿轮系为例。假设所有主动小齿轮的模数 m1,m3，分度圆直径 d1,d3，齿宽 b1、
b3，都与所在轴上的转矩 T1,T3 的三次方根成正比，即：
第三章 第三节
3.3 机械传动装置
（ 3）输出轴的转角误差最小原则在减速传动链中，从输入端到输出端的各级传动比应为
“前小后大”，且末端两级传动比应尽可能大，齿轮副精度应提高，这样可减小齿轮的固有误差、安装误差、回转误差对输出轴运动精度的影响。
第三章 第三节
3.3 机械传动装置上述三项原则的选择，应根据具体的工作条件而定。
① 对于以提高传动精度和减小回程误差为主的降速齿轮传动链，可按输出轴转角误差最小原则设计。对于升速传动链，
则应在开始几级就增速。
② 对于要求运动平稳、启停频繁和动态性能好的伺服降速传动链，可按最小等效转动惯量和输出轴转角误差最小原则进行设计。对于负载变化的齿轮传动装置，各级传动比最好采用不可约的比数，避免同时啮合。
③ 对于要求质量尽可能小的降速传动链，可按质量最小原则进行设计。
④ 对于传动比很大的齿轮传动链，应把定轴轮系和行星轮系结合使用。若同时要求传动精度高、功率大、效率高、传动平稳、体积小、质量小等，就要综合运用上述原则进行设计。
第三章 第三节
3.3 机械传动装置
3.3.2 同步带传动
1,同步带的特点同步带传动是一种综合了带链传动优点的新型传动。
（ 1）同步带传动的优点
① 无滑动，传动比准确； ② 传动效率高，可达 0.98,有明显的节能效果； ③ 传动平稳，能吸振，噪音小；④ 使用范围较广，传递功率由几瓦至数百千瓦，速度可达 50mm/s，速比可达 10 左右；⑤ 维护保养方便，不需要润滑。
（ 2）同步带传动的缺点
① 安装要求高，中心距要求严格；② 带与带轮制造工艺较复杂，制造成本高。
第三章 第三节
3.3 机械传动装置
2．同步带传动的分类
（ 1） 按用途分类,可分为一般用同步带传动和高转矩同步带传动两大类。
（ 2）按尺寸规格分：① 模数制；② 节距制。
第三章 第三节
3.3 机械传动装置
3,同步带及带轮结构
（ l）同步带的结构如图 3 - 27 所示，同步带由带背 3,强力层 1,带齿 2 组成。在采用氯丁橡胶为基体的同步带中还增设尼龙包布层 4 。
第三章 第三节
3.3 机械传动装置
（ 2） 带轮结构与尺寸同步带轮结构如图 3 - 28 所示。在国际上采用的带轮齿形有直边齿形和渐开线齿形两种，以何种为佳，目前尚无定论。
带轮的主要参数如下：
① 带轮的齿数
② 带轮的节线与节圆直径
③ 带轮齿形角
④ 带轮齿顶圆直径第三章 第三节
3.3 机械传动装置
3.3.3 谐波齿轮减速器
1．工作原理如图 3 - 29 所示，轴 1 带动波发生器凸轮 2,经柔性轴承
3,使柔轮 5 的齿在产生弹性变形的同时与刚轮 4 的齿相互作用，完成减速功能。
刚 性 轮柔 性 轮谐 波 发 生 器
3.3 机械传动装置
3.3.3 谐波齿轮减速器第三章 第三节
A
B
C
D
1
2
3 ( H )
n r
n H
( a )
3 ( H )
2
1
n H
( b )
3.3 机械传动装置
3.3.3 谐波齿轮减速器第三章 第三节
3.3 机械传动装置
3.3.3 谐波齿轮减速器
2．工作特点
（ 1）传动比大
（ 2）承载能力大
（ 3）传动精度高
（ 4）齿侧间隙小
（ 5）传动平稳
（ 6）传动效率高
（ 7）结构简单、体积小、质量轻第三章 第三节
3.3 机械传动装置
3.3.4 滚珠丝杠滚珠丝杠副的特点,1．很高的传动效率； 2．运动的可逆性； 3．系统的高刚度； 4．传动精度高； 5．使用寿命长。
第三章 第三节
3.3 机械传动装置
3.3.5 滚珠花键滚珠花键结构如图 3 - 32 所示。
第三章 第三节
3.3 机械传动装置
3.3.6 机械传动系统方案的选择第三章 第三节
3.4 导 轨
3.3.6 机械传动系统方案的选择
1．直线滚动导轨的特点：
（ 1）载荷能力大；
（ 2）刚性强；
（ 3）四方向等载荷；
（ 4）寿命长；
（ 5）传动平稳可靠；
（ 6）具有结构自调整能力。
第三章 第四节
3.4 导 轨
2．直线滚动导轨的选择程序
3.4 导 轨
3．直线滚动导轨的形式分类
（ 1）按滚动体的形状分：钢球和滚柱两种；
第三章 第四节
3.4 导 轨
3．直线滚动导轨的形式分类
（ 2）按导轨截面形状分：矩形和梯形两种；
3.4 导 轨
3．直线滚动导轨的形式分类
（ 3）按滚道沟槽形状分：单圆弧沟槽式与双圆弧沟槽式两种。
3.4 导 轨
3.4.2 塑料导轨
1．塑料导轨软带的尺寸规格现有导轨软带产品尺寸规格范围是：厚度,0.3 - 4 mm；厚度公差,± 0.05 - 0.20 mm；宽度,60 - 300 mm。
2．塑料导轨软带与其它导轨相比有以下特点。
① 摩擦因数低且稳定； ② 动静摩擦因数相近； ③ 吸收振动； ④ 耐磨性好；⑤ 化学稳定性好； ⑥ 维护维修方便；
⑦ 经济性好。
第三章 第四节
