機(jī)電一體化教學(xué)(教案)

1、課程定位機(jī)電一體化技術(shù)與系統(tǒng)課程是機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)必修 課。是學(xué)生經(jīng)過(guò)三年基礎(chǔ)課和技術(shù)基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)之后，帶有總結(jié)意義的一門綜合性設(shè) 計(jì)課程。在學(xué)生棠握一定的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的基礎(chǔ)上，以機(jī)械設(shè)計(jì)為主線，綜合運(yùn)用所學(xué) 知識(shí)，從整體角度學(xué)握機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想、原理、方法和程序。學(xué)習(xí)方法 1、認(rèn)真聽(tīng)課 2、參考教材自學(xué) 3、網(wǎng)絡(luò)自學(xué)和自測(cè)檢查 3、認(rèn)真實(shí)驗(yàn)，主動(dòng)參加自選實(shí)驗(yàn) 4、積極參加討論和完成作業(yè)（可以網(wǎng)絡(luò)提交）課程的考核辦法理論課：白分制閉卷考試70%平時(shí)成績(jī)30%半時(shí)成績(jī)：課堂效果、作業(yè)效果、網(wǎng)上答疑、實(shí)驗(yàn)效果第1章概論 1.1概述 1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 13機(jī)電一體化

2、系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)美國(guó)技術(shù)評(píng)論認(rèn)為，有十種新興技術(shù)在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)產(chǎn)生巨大影響：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；可注入組織工程；納米太陽(yáng)能電池；機(jī)電一體化技術(shù)；分子成像；納米印 刷刻蝕；軟件保證；糖原組學(xué)；量子密碼術(shù)。1.1概述1-1-1引言機(jī)電一體化一般包含機(jī)電一體化技術(shù)和機(jī)電一體化產(chǎn)品係統(tǒng)）兩層含義。1、機(jī)電一體化技術(shù)：從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，將機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、 控制技術(shù)等在系統(tǒng)工程基礎(chǔ)上有機(jī)地加以綜合，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)最佳化的一門新科學(xué) 技術(shù)。2、機(jī)電一體化產(chǎn)品：新型機(jī)械與微電子器件，特別是微處理器、微型機(jī)相結(jié)合 而開(kāi)發(fā)出來(lái)的新一代電子代機(jī)械產(chǎn)品。權(quán)威定義：起源：日本，20世紀(jì)70年代： 合成詞：Me

3、chatronics n它取英語(yǔ)Mechanics（機(jī)械學(xué)）的前半部和Electronics （電子學(xué)）的后半部分拼成一個(gè)新詞： （ASME）由計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)與控制的用于完成包括機(jī)械力、運(yùn)動(dòng)和能星流等動(dòng)力學(xué)任務(wù)的機(jī)械和（或）機(jī)電部件相互聯(lián)系的系統(tǒng)。理解： 機(jī)電一體化不是機(jī)械與電子簡(jiǎn)單的栓加，而是在信息論、控制論和系統(tǒng)論的 基礎(chǔ)上建立起來(lái)的應(yīng)用技術(shù) 典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品（系統(tǒng)）有：數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、汽車電子化產(chǎn)品、智 能化儀器儀表、電子排版印刷系統(tǒng)、CAD/CAM系統(tǒng)等。常用的機(jī)電一體化產(chǎn)品： 數(shù)控銃床、焊接機(jī)器人、汽車防抱死系統(tǒng)（ABS）發(fā)展概況：1.20世紀(jì)60年代前為第一階段，“萌芽階

4、段”匸程師們自覺(jué)或者不|'1覺(jué)地把機(jī)械產(chǎn)品和電子技術(shù)相結(jié)合，以提高機(jī)械產(chǎn)品的性 能。但是由于電子技術(shù)的發(fā)展相對(duì)落后，使得機(jī)械與電子的結(jié)合還沒(méi)有得到廣泛的應(yīng) 用。2、70年代到80年代為第二階段，“蓬勃發(fā)展階段”計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。 這個(gè)時(shí)期的特點(diǎn)是： niechatronics (機(jī)電一體化)一詞首先在F1本被普遍接受，大約到20世紀(jì)80 年代木期在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認(rèn)； 機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展； 各國(guó)均開(kāi)始對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品給以很大的關(guān)注和支持。3、90年代后期為第三階段，“智能化階段” 光學(xué)、通信技術(shù)等進(jìn)入

5、了機(jī)電一體化，微細(xì)加工技術(shù)也在機(jī)電一體化中嶄露頭 腳，出現(xiàn)了光機(jī)電一體化和微機(jī)電一體化等新分支。 對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計(jì)、分析和集成方法，機(jī)電一體化的學(xué)科體系和發(fā) 展趨勢(shì)都進(jìn)行了深入研究。 由丁人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光纖技術(shù)等領(lǐng)域取得的巨大進(jìn)步，為機(jī)電 一體化技術(shù)開(kāi)辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，將促使機(jī)電一體化進(jìn)一步建立完整的 基礎(chǔ)和逐漸形成完整的科學(xué)體系。4、總的發(fā)展趨勢(shì) 性能上，向高精度、高效率、智能化的方向發(fā)展，以數(shù)控機(jī)床為例，控制精度O.lum,進(jìn)給速& 1 OOininin以上，聯(lián)動(dòng)軸數(shù)15軸以上，界面、通訊等長(zhǎng)足發(fā)展： 功能上，向小型化、輕型化、多功能化方向發(fā)展。

6、 層次上，向系統(tǒng)化、復(fù)合集成化方向發(fā)展。有資料總結(jié)為六化：(1)智能化(2)模塊化(3)網(wǎng)絡(luò)化(4)微型化(5)綠色化(6)人性化1.1.2機(jī)電一體化的基本組成要素1、機(jī)械本體：機(jī)身、框架、機(jī)械聯(lián)接等產(chǎn)品支持機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)造功能。要求：可靠、小型、美觀2、動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)：提供能量，轉(zhuǎn)換成需要的形式，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力功能。要求：效率高、可靠性好3、傳感測(cè)試裝置：檢測(cè)產(chǎn)品內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境，實(shí)現(xiàn)計(jì)測(cè)功能。物理量/化學(xué)量電信號(hào)要求：體積小、精度高、抗干擾4、執(zhí)行機(jī)構(gòu)：包括機(jī)械傳動(dòng)與操作機(jī)構(gòu)，接收控制信息，完成要求的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn) 主功能。要求：高性能、高精度、高效率5、控制及信息處理單元：處理、運(yùn)算、決策，實(shí)現(xiàn)控制功

7、能。計(jì)算機(jī)PLC A/D D/A光耦要求：高可靠性、柔性、智能化以上這五部分通常稱為機(jī)電一體化的五大組成要素。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的這些 單元和它們內(nèi)部各環(huán)節(jié)之間都遵循接口耦合、運(yùn)動(dòng)傳遞、信息控制、能帚:轉(zhuǎn)換的原則, 稱為四大原則。K接口耦合與能量轉(zhuǎn)換：變換、放大、耦合、能量轉(zhuǎn)換2、信息控制3、運(yùn)動(dòng)傳遞1.1.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的技術(shù)組成1、機(jī)械技術(shù)機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)。機(jī)電一體化產(chǎn)品中的主功能和構(gòu)造功能，往往是 以機(jī)械技術(shù)為主實(shí)現(xiàn)的。特別是關(guān)鍵部件，如導(dǎo)紈、滾珠絲杠、軸承、傳動(dòng)部件等的 材料、精度對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的性能、控制精度等多方向的要求。實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化產(chǎn) 品的主功能和構(gòu)造功能，影響系

8、統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、重屋、體積、剛性、可靠性等。著眼點(diǎn)：如何與機(jī)電一體化技術(shù)相適應(yīng)。CAPP （計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程編制）、CAD、 CAM等2、計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)信息處理技術(shù)包括信息的輸入、識(shí)別、變換、運(yùn)算、存儲(chǔ)及格出技術(shù)，它們大都 是依靠計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行的，因此計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息處理技術(shù)是密切相關(guān)的。信息處理技 術(shù)包括信息的交換、存取、運(yùn)算、判斷和決策等，實(shí)現(xiàn)信息處理的主要工具是計(jì)算機(jī)。 計(jì)算機(jī)技術(shù)包括計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)和軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等。其主 要工具是計(jì)算機(jī)。傳感器A/D>計(jì)算機(jī)D/A執(zhí)行裝置3、自動(dòng)控制技術(shù)白動(dòng)控制技術(shù)就是通過(guò)控制器使被控對(duì)象或過(guò)程自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行

9、76;白 動(dòng)控制技術(shù)范闈很廣，包括白動(dòng)控制理論、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、可 靠運(yùn)行等從理論到實(shí)踐的整個(gè)過(guò)程。由丁被控對(duì)象種類繁多，所以控制技術(shù)的內(nèi)容極 其豐富，包括高精度定位控制、速度控制、自適代控制、自診斷、校正、補(bǔ)償、示教 再現(xiàn)、檢索等控制技術(shù)。4、傳感與檢測(cè)技術(shù)研究對(duì)象：傳感器及其信號(hào)檢測(cè)傳輸裝置（即變送器）。檢測(cè)傳感技術(shù)是機(jī)電一體 化的關(guān)健技術(shù)，它將所測(cè)得的各種參量如位移、位置、速度、加速度、力、溫度、酸 度和其他形式的信號(hào)等轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一規(guī)格的電信號(hào)輸入到信息處理系統(tǒng)中，并由此產(chǎn)生 出相應(yīng)的控制信號(hào)以決定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式和動(dòng)作幅度。傳感器檢測(cè)的精度、靈敏 度和町靠性將直接影響

10、到機(jī)電一體化的性能。要求：能快速、精確地獲得信息并在相應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境中具有高可靠性。5、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究對(duì)象：執(zhí)行元件及其驅(qū)動(dòng)裝置執(zhí)行元件種類：電動(dòng)、液壓、氣壓驅(qū)動(dòng)裝置指各種電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源電路，目前多采用電力電子器件及集成化的 功能電路構(gòu)成。6、系統(tǒng)總體技術(shù)系統(tǒng)總體技術(shù)是一種從整體目標(biāo)出發(fā)，用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)和方法，將系統(tǒng)總體分 解成相互有機(jī)聯(lián)系的若干功能單元，并以功能單元為子系統(tǒng)繼續(xù)分解，直至找到可實(shí) 現(xiàn)的技術(shù)方案，然后再將系統(tǒng)各個(gè)功能模塊有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)整體最優(yōu)。其重 要內(nèi)容為接口技術(shù)。接口包括電氣接口、機(jī)械接口、人機(jī)接口小結(jié)：機(jī)電一體化通過(guò)綜合利用現(xiàn)代高新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在提高精度、增強(qiáng)

11、功能、改善操 作性和使用性、提高生產(chǎn)率和降低成本、節(jié)約能源和降低消耗、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度和改善 勞動(dòng)條件、提高安全性和可幕性、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)和減輕重量、增強(qiáng)柔性和智能化程度、降 低價(jià)格等諸多方面都取得了顯苦的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，促使社會(huì)和科學(xué)技術(shù)乂 向前大大邁進(jìn)了一步。1.2機(jī)電一體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.2.1機(jī)電一體化系統(tǒng)的分類分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)電機(jī)典型閉環(huán)控制系統(tǒng)：1.2.2機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）開(kāi)發(fā)的類型機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）開(kāi)發(fā)的類型依據(jù)該系統(tǒng)與相關(guān)產(chǎn)品比較的新穎程度和技 術(shù)獨(dú)創(chuàng)性，可分為以下幾種設(shè)計(jì)類型：開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)（全新設(shè)計(jì)）適應(yīng)性設(shè)計(jì)（原理方案不變，僅對(duì)功能及結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)）變參數(shù)設(shè)

12、計(jì)（僅改變部分結(jié)構(gòu)尺寸而形成系列產(chǎn)品）123機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）設(shè)計(jì)方案的常用方法在進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）設(shè)計(jì)之前，要依據(jù)該系統(tǒng)的通用性、可靠性、經(jīng) 濟(jì)性和防偽性等要求合理地確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。擬定設(shè)計(jì)方案的方法通常有取代法、 整體設(shè)計(jì)法和組合法。取代法整體設(shè)計(jì)法組合法1.2.4機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）設(shè)計(jì)與工程路線1、市場(chǎng)調(diào)查與預(yù)測(cè)市場(chǎng)調(diào)查與預(yù)測(cè)是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成敗的關(guān)鍵性的第一步。市場(chǎng)調(diào)査就是運(yùn)用科學(xué)方法，系統(tǒng)地、全面地收集有關(guān)市場(chǎng)需求和經(jīng)銷方面的情 況和資料，分析研究產(chǎn)品在供需雙方之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移的狀況和趨勢(shì)。市場(chǎng)預(yù)測(cè)就是在市場(chǎng)調(diào)査的皐礎(chǔ)上，運(yùn)用科學(xué)方法和手段，根據(jù)歷史資料和現(xiàn)狀, 通過(guò)定性的

13、經(jīng)驗(yàn)分析或定暈的科學(xué)計(jì)算，對(duì)市場(chǎng)木來(lái)的不確定因素和條件作出預(yù)計(jì)、 測(cè)算和判斷，為企業(yè)提供決策依據(jù)。定性預(yù)測(cè)：在數(shù)據(jù)和信息缺乏時(shí)，依靠經(jīng)驗(yàn)和綜合分析能力，對(duì)未來(lái)的發(fā)展?fàn)顩r 作出推測(cè)和估計(jì)，多采用下述調(diào)査法。走訪調(diào)研、查資料抽樣調(diào)查類比調(diào)査專家調(diào)查通過(guò)調(diào)查表向?qū)＜艺髟円庖?jiàn)。定捷預(yù)測(cè)：運(yùn)用相關(guān)系數(shù)法，對(duì)影響預(yù)測(cè)結(jié)果的各種因素進(jìn)行相關(guān)性分析和篩選, 根據(jù)主要影響因素和預(yù)測(cè)對(duì)象的數(shù)量關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)市場(chǎng)發(fā)展情況作出定量預(yù) 測(cè)。它多采用下述方法：時(shí)間斥列回歸法因果關(guān)系回歸法預(yù)測(cè)目標(biāo)與影響因素之間存在因果關(guān)系； 產(chǎn)品壽命周期法 產(chǎn)品都有一個(gè)開(kāi)發(fā)、投產(chǎn)、成長(zhǎng)、成熟直至淘汰的過(guò)程， 整個(gè)過(guò)程中所經(jīng)歷的吋期稱

14、為產(chǎn)品的壽命周期，通常分為投入期、成長(zhǎng)期、成熟期和 衰退期。2、構(gòu)思比較機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)鼓勵(lì)創(chuàng)新，充分發(fā)揮創(chuàng)造力和聰明才智來(lái)構(gòu)思、創(chuàng)造新的 方案。專家調(diào)查法頭腦風(fēng)暴法檢查提問(wèn)法檢索査表法特性列舉法:缺點(diǎn)列舉法希望列舉法3、方案評(píng)價(jià)對(duì)多種構(gòu)思和多種方案進(jìn)行篩選，選擇較好的可行方案進(jìn)行組合和概略評(píng)價(jià)，從 中再選幾個(gè)方案，按照機(jī)電一體化水平系統(tǒng)評(píng)價(jià)原則和評(píng)價(jià)方法，進(jìn)行深入的綜合分 析評(píng)價(jià)，最后確定實(shí)施方案。4、詳細(xì)設(shè)計(jì)根據(jù)綜合評(píng)價(jià)后確定的基本方案，從技術(shù)上將其細(xì)節(jié)逐層全部展開(kāi)，直至完成試 制產(chǎn)品樣機(jī)所需全部技術(shù)圖紙及文件的過(guò)程。5、基本設(shè)計(jì)和工程路線機(jī)電一體化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的基本路線思考題:第2章 機(jī)

15、電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論 2.1概述:2.2機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)的原則 2.3機(jī)械系統(tǒng)性能分析:2.4機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制機(jī)電一體化系統(tǒng)中的機(jī)械設(shè)計(jì)要遵循機(jī)電結(jié)合、機(jī)電互補(bǔ)的原則，滿足高精度、 快速響應(yīng)速度和穩(wěn)定性的要求。具體包括兩大部分的內(nèi)容：一是機(jī)械傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì),滾珠絲杠傳動(dòng) 無(wú)側(cè)隙齒輪傳動(dòng) 諧波齒輪傳動(dòng) 同步齒形帶傳動(dòng) 膜片彈性聯(lián)軸器-是機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。f導(dǎo)軌設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)方T支承裝置主軸組件設(shè)計(jì)2.1概述2.1.1機(jī)電一體化對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的基本要求1. 高精度2. 快速相應(yīng)3. 良好的穩(wěn)定性2.1.2機(jī)械系統(tǒng)的組成1. 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2. 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)3. 執(zhí)行機(jī)構(gòu)2.1.3機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路1. 靜態(tài)設(shè)計(jì)

16、2. 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)2.2機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)的原則2.2.1機(jī)械傳動(dòng)裝置功能及性能要求功能：傳遞運(yùn)動(dòng)（速度、位移）和動(dòng)力（力、力矩）增速或減速；變速;改變運(yùn)動(dòng)規(guī)律或形式動(dòng)力機(jī)的動(dòng)力傳遞給執(zhí)行 機(jī)的驅(qū)動(dòng)力（力矩）機(jī)電一體化系統(tǒng)的傳動(dòng)裝置是伺服系統(tǒng)的一部分，通過(guò)控制裝置，使機(jī)械傳動(dòng)部 分與伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性相匹配，并且滿足傳動(dòng)精度、定位椿度高，響應(yīng)速度快, 速度的穩(wěn)定性好。性能要求滿足以下幾個(gè)方面：1、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（丿）小轉(zhuǎn)動(dòng)慣最大對(duì)系統(tǒng)造成不良影響，使機(jī)械負(fù)載變大，系統(tǒng)響應(yīng)速度降低，靈敏度 下降，但是J小不應(yīng)影響機(jī)械系統(tǒng)的剛度。2、剛度（X ）大剛度是指彈性體抵抗變形的能力，或產(chǎn)生單位彈性變形最所需要的作用力

17、。大的剛度對(duì)機(jī)械系統(tǒng)是有利的，可增大機(jī)構(gòu)固有頻率，不易產(chǎn)生共振，增加伺服3=曜系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3、阻尼（B ）合適系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，B越大，振幅越小，衰減越快，但穩(wěn)態(tài)誤差增大，精度降低。阻尼比為：歹> 1過(guò)阻尼系統(tǒng)纟=1臨界阻尼系統(tǒng)一般取0.4 v § V 0.8§ <1欠阻尼系統(tǒng)2.2.2總傳動(dòng)比的確定在伺服系統(tǒng)中，通常采用負(fù)載角加速度最大原則選擇總傳動(dòng)比，以提高伺服系統(tǒng) 的響應(yīng)速度。傳動(dòng)模型如圖21所示。/ / / / / / /圖21電機(jī)、傳動(dòng)裝置和負(fù)載的傳動(dòng)模型 ffl 4：電動(dòng)機(jī)M的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣暈；"m電動(dòng)機(jī)M的角位移Jl負(fù)載L的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：L負(fù)載

18、L的角位移：rLF摩擦阻抗轉(zhuǎn)矩；I齒輪系G的總傳動(dòng)比。根據(jù)傳動(dòng)關(guān)系有； 加 川_W飛飛飛式中：%、%、%電動(dòng)機(jī)的角位移、角速度、角加速度；6.0.0負(fù)載的角位移.角速度.角加速度。m m m7“換算到電動(dòng)機(jī)軸上的阻抗轉(zhuǎn)矩為Tlf/z :幾換算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣屋為 幾護(hù)。設(shè)忌為電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在忽略傳動(dòng)裝置慣最的前提下，根據(jù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方程, 電動(dòng)機(jī)軸上的合轉(zhuǎn)矩人為d0L / di = 0則J”J +JL式(22)中若改變總傳動(dòng)比f(wàn),則0L也隨Z改變。根據(jù)負(fù)載角加速度最大的原則,則解得若不計(jì)摩擦，即7lf = 0,則: 式(23)表明，得到傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比/的最佳值的時(shí)刻就是人換算到電動(dòng)機(jī)軸上

19、 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣最正好等于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣最幾的時(shí)刻，此時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩一半 用于加速負(fù)載，一半用于加速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，達(dá)到了慣性負(fù)載和轉(zhuǎn)矩的最佳匹配。2.2.3傳動(dòng)鏈的級(jí)數(shù)和各級(jí)傳動(dòng)比的分配:1.等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則齒輪系傳遞的功率不同，其傳動(dòng)比的分配也有所不同。1)小功率傳動(dòng)裝置電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的二級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)如圖2-2所示。2<4-11圖22電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩級(jí)齒輪傳動(dòng)由于功率小，假定各主動(dòng)輪具有相同的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量刀，軸與軸承轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不計(jì)，各齒輪均為實(shí)心圓柱齒輪，且齒寬b和材料均相同，效率不計(jì)，則有 式中:片=(a/2 X 7)1 3嚴(yán)71 > 12齒輪系中第一、第二級(jí)齒輪副的傳動(dòng)比;i齒輪

20、系總傳動(dòng)比，i = zi /2o同理，對(duì)于11級(jí)齒輪系，則有2J1 1 _ ° 2(2")嚴(yán)"1 一也由此可見(jiàn)，各級(jí)傳動(dòng)比分配的結(jié)果應(yīng)遵循“前小后大”的原則。例2-1設(shè)有/=80,傳動(dòng)級(jí)數(shù)11= 4的小功率傳動(dòng)，試按等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則分 配傳動(dòng)比。解2<4-117； = 22(24_1)x 80 = 1.7268= 2.10852<4-112<4-11z3=V2() = 3.1438oni4 =伐卡戸=6.9887驗(yàn)算 1= 111213130若以傳動(dòng)級(jí)數(shù)為參變量，齒輪系中折算到電動(dòng)機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣最必與第一級(jí) 主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比為人 1，

21、其變化與總傳動(dòng)比i的關(guān)系如圖2-3所示。圖23小功率傳動(dòng)裝置確定傳動(dòng)級(jí)數(shù)曲線1005010551050100總傳動(dòng)比2）大功率傳動(dòng)裝置大功率傳動(dòng)裝置傳遞的扭矩大，各級(jí)齒輪副的模數(shù)、齒寬、直徑等參數(shù)逐級(jí)增加, 各級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣屋差別很大。大功率傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)級(jí)數(shù)及各級(jí)傳動(dòng)比可依據(jù)圖 24、圖25、圖26來(lái)確定。傳動(dòng)比分配的基本原則仍應(yīng)為“前小后大”。圖24大功率傳動(dòng)裝置確定傳動(dòng)級(jí)數(shù)曲線-/- /”1/n = 2/-/M = 4.-/ /11 1 1 II11111 1 1 1 1 11111n = 511 1 1 II in川I I I 1 11 ini I I 11I*10 100 1000

22、總傳動(dòng)比圖25大功率傳動(dòng)裝置確定第一級(jí)傳動(dòng)比曲線236 87 丄 f z< /7/Z-:NJF /I%11111 2346 8 1圖26大功率傳動(dòng)裝汽確定各級(jí)傳動(dòng)比曲線例2_2設(shè)有=256的大功率傳動(dòng)裝置，試按等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則分配傳動(dòng)比。解 查圖 2-4,得 n=3, Je/7i=70： n=4,以/J =35；n=5, Jt!J =26O 兼顧到人/力值的大小和傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)，選n=4。査圖25,得zi = 3.3o査圖26,在橫坐標(biāo)心 上3.3處作垂直線與A線交于第一點(diǎn)，在縱坐標(biāo)孔軸上查得b=3.7。通過(guò)該點(diǎn)作水平 線與B曲線相交得第二點(diǎn)b=4.24。由第二點(diǎn)作垂線與A曲線相交得

23、第三點(diǎn)加=4.95。 驗(yàn)算11,2洛! 4=256.26。滿足設(shè)計(jì)要求。 2.質(zhì)量最小原則1）大功率傳動(dòng)裝置對(duì)于大功率傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)級(jí)數(shù)確定，主要考慮結(jié)構(gòu)的緊湊性。在給定總傳動(dòng)比 的情況下，傳動(dòng)級(jí)數(shù)過(guò)少會(huì)使大齒輪尺寸過(guò)大，導(dǎo)致傳動(dòng)裝置體積和質(zhì)量增大；傳動(dòng) 級(jí)數(shù)過(guò)多會(huì)增加軸、軸承等輔助構(gòu)件，導(dǎo)致傳動(dòng)裝置質(zhì)暈增加。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮系 統(tǒng)的功能耍求和環(huán)境因素，通常情況下傳動(dòng)級(jí)數(shù)要盡量地少。大功率減速傳動(dòng)裝置按質(zhì)最最小原則確定的各級(jí)傳動(dòng)比表現(xiàn)為“前大后小”的傳 動(dòng)比分配方式。減速齒輪傳動(dòng)的后級(jí)齒輪比前級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)矩要大得多，同樣傳動(dòng)比的 情況下齒厚、質(zhì)量也大得多，因此減小后級(jí)傳動(dòng)比就相應(yīng)減少了大齒輪的齒

24、數(shù)和質(zhì)最。 大功率減速傳動(dòng)裝置的各級(jí)傳動(dòng)比可以按圖2-7和圖2-8選擇。圖27大功率傳動(dòng)裝豐兩級(jí)傳動(dòng)比曲線（K10時(shí)，使用圖中的虎線）例2-4設(shè)11=3, 1 = 202,求各級(jí)傳動(dòng)比。解査圖28可得圖28大功率傳動(dòng)裝置三級(jí)傳動(dòng)比曲線（1 <100時(shí)，使用圖中的虎線）"12,力5,63.42）小功率傳動(dòng)裝置對(duì)于小功率傳動(dòng)裝置，按質(zhì)量最小原則來(lái)確定傳動(dòng)比時(shí)，通常選擇相等的各級(jí)傳動(dòng)比。在假設(shè)各主動(dòng)小齒輪的模數(shù)、齒數(shù)均相等的特殊條件下，各大齒輪的分度圓直徑均相等，因而每級(jí)齒輪副的中心距也相等。這樣便可設(shè)計(jì)成如圖29所示的回曲式齒輪傳動(dòng)鏈：其總傳動(dòng)比可以非常大。顯然,這種結(jié)構(gòu)十分緊湊。

25、圖29回曲式齒輪傳動(dòng)鏈:3輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則以圖210所示四級(jí)齒輪減速傳動(dòng)鏈為例。四級(jí)傳動(dòng)比分別為"、22、13 >14,齒輪18的轉(zhuǎn)角誤差依次為AA圖2-10 四級(jí)減速齒輪傳動(dòng)鏈該傳動(dòng)鏈輸出軸的總轉(zhuǎn)動(dòng)角誤差/I Omax為X IX|L81 2輸出 1AO. + AO.仆=+= 也”3“hl2l3h,+人+7從+ + + 叭O(2-7)由式(27)可以看出，如果從輸入端到輸出端的各級(jí)傳動(dòng)比按“前小后大”原則排 列，則總轉(zhuǎn)角誤差較小，而且低速級(jí)的誤差在總誤差中占的比重很大。因此，要提高 傳動(dòng)精度，就應(yīng)減少傳動(dòng)級(jí)數(shù)，并使末級(jí)齒輪的傳動(dòng)比盡可能大，制造精度盡可能高。4. 三種原則

26、的選擇在設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)裝置時(shí)，上述三條原則應(yīng)根據(jù)具體工作條件綜合考慮。(1)對(duì)于傳動(dòng)精度要求高的降速齒輪傳動(dòng)鏈，可按輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則設(shè)計(jì)。若為增速傳動(dòng)，則應(yīng)在開(kāi)始幾級(jí)就增速。 （2）對(duì)于要求運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、啟停頻繁和頑態(tài)性能好的降速傳動(dòng)鏈，可按等效 轉(zhuǎn)動(dòng)慣星最小原則和輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則設(shè)計(jì)。 （3）對(duì)于要求質(zhì)量盡可能小的降速傳勵(lì)鏈，可按質(zhì)量最小原則設(shè)計(jì)。2.3機(jī)械系統(tǒng)性能分析2.3.1數(shù)學(xué)模型的建立在圖211所示的數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)通過(guò)兩級(jí)減速齒輪Gl、G2、G3、G4及絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)作直線運(yùn)動(dòng)。設(shè)刀為軸丨部件和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子構(gòu)成的 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：JI、J3為軸II、III部件構(gòu)成

27、的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；KI、K2、K3分別為軸1、II、 III的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)；K為絲杠螺母副及螺母底座部分的軸向剛度系數(shù)：川為工作臺(tái)質(zhì) 量：C為工作臺(tái)導(dǎo)軌粘性阻尼系數(shù)；7*1、72、73分別為軸I、II、III的輸入轉(zhuǎn)矩。軸m軸口軸I圖211數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)建立該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，首先是把機(jī)械系統(tǒng)中各基本物理最折算到傳動(dòng)鏈中的某 個(gè)元件上（本例是折算到軸I上），使復(fù)雜的多軸傳動(dòng)關(guān)系轉(zhuǎn)化成單一軸運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)化前 后的系統(tǒng)總機(jī)械性能等效；然后，在單一軸基礎(chǔ)上根據(jù)輸入量和輸出量的關(guān)系建立它 的輸入/輸出數(shù)學(xué)表達(dá)式（即數(shù)學(xué)模型）。對(duì)該表達(dá)式進(jìn)行的相關(guān)機(jī)械特性分析就反映 了原系統(tǒng)的性能。在該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立過(guò)程中，

28、我們分別針對(duì)不同的物理量（如 J、K、）求出相應(yīng)的折算等效值。1. 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算把軸丨、1【、【II上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和工作臺(tái)的質(zhì)最都折算到軸【上，作為系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。設(shè)廠1、廠2、廠3分別為軸I、II、III的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，5、3丄、33 分別為鈾I、II、III的角速度，V為工作臺(tái)位移時(shí)的線速度，Z1 , Z2，Z3 , Z4分別 為四個(gè)齒輪的齒數(shù)。（1） I、1【、III軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算。根據(jù)動(dòng)力平衡原理，1、II、III軸的力平衡方 程分別是：因?yàn)檩SII的輸入轉(zhuǎn)矩門是由軸丨上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩獲得的，且與它們的轉(zhuǎn)速成反比,所以二、傳動(dòng)裝置的類型按工作原理分為:/機(jī)械傳動(dòng)流體傳動(dòng)電力傳動(dòng)磁力傳動(dòng)推動(dòng)

29、傳動(dòng)（凸輪連桿機(jī)構(gòu)）液壓傳動(dòng)氣壓傳動(dòng)液力傳動(dòng)交流電力傳動(dòng)直流電力傳動(dòng)交、直流電力傳動(dòng)嚙合傳動(dòng)（齒輪傳動(dòng)、齒形帶傳動(dòng)）摩擦傳動(dòng)（帶傳動(dòng)、鋼絲繩傳動(dòng)）按輸出速度情況分為:f 轉(zhuǎn)速恒定傳動(dòng)I 轉(zhuǎn)速可調(diào)傳動(dòng)6.2滾珠絲杠（或滾動(dòng)螺旋）傳動(dòng)一、工作原理與結(jié)構(gòu)形式絲杠和螺母的螺紋滾道間置滾珠，當(dāng)絲杠或螺母轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng), 使絲杠和螺母作郴對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)為滾動(dòng)摩擦。在螺母（或絲杠）上有滾珠返回的通道，與螺紋滾道形成循環(huán)回路，使?jié)L珠在螺 母滾道內(nèi)循環(huán)。結(jié)構(gòu)形式（按滾珠的循環(huán)方式不同）：內(nèi)循環(huán)類型外循環(huán)類型二、滾珠絲杠的特點(diǎn)1、傳動(dòng)效率高一般而言，摩擦系數(shù)較小因此，效率很高，可達(dá)90%95%。2、運(yùn)動(dòng)具有

30、可逆性回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變直線運(yùn)動(dòng)正傳動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)變回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)逆?zhèn)鲃?dòng)3、傳動(dòng)精度高分為：軸向定位精度、進(jìn)給精度4、磨損小，使用壽命長(zhǎng)滾珠、滾道、絲杠、螺母都經(jīng)過(guò)淬火、硬化處理HRC58-65o5、不能自鎖垂直安裝時(shí)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)停止后，螺母在重力作用下下滑，故需設(shè)置制動(dòng)裝置，如圖 示。6、制造工藝復(fù)雜，成本高三、軸向間隙的調(diào)整軸向間隙包括兩部分滾珠與螺母原有的間隙、承載時(shí)滾珠與滾道彈性變形引起的間隙當(dāng)絲杠改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)，間隙會(huì)使運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生空程，從而影響機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度。通常采用雙螺母預(yù)緊的方法消除間隙，提高剛度。三種結(jié)構(gòu)形式：墊片調(diào)隙式螺紋調(diào)隙式齒差調(diào)隙式變位螺距調(diào)隙式1、墊片調(diào)隙式調(diào)整墊片厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移，

31、該形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，應(yīng)用廣，但 僅適用于一般精度機(jī)構(gòu)。2、螺紋調(diào)隙式圖2-18墊片澗隙式 一煤母2墊片27圖2-19螺紋周隙式K 2. 3-M母圖2-20齒雄式調(diào)隙式K 42、3內(nèi)齒輪通過(guò)圓螺母調(diào)整，消除間隙并產(chǎn)生預(yù)緊力，再用鎖緊螺母鎖緊，結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào) 整方便。3、齒差調(diào)隙式兩螺母的凸緣上制有圓柱外齒，齒數(shù)Z1、Z2且Z2 -Zl=l,分別與內(nèi)齒輪嚙合，調(diào)整時(shí)先収下內(nèi)齒輪，使兩螺 母產(chǎn)生相對(duì)位移（即在同方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒或兒個(gè)齒，根據(jù)間隙大小），然后將內(nèi)齒輪復(fù)位固定，達(dá)到消除間隙的目的。 產(chǎn)生的軸向位移（即間隙）&為：其中：11為螺母同方向轉(zhuǎn)過(guò)的齒數(shù)；P為絲杠的導(dǎo)程例：若 Zl=99

32、, Z2=100, n=l, p=6niiii則 8 =0.6 P m該結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工和裝配工藝性差，但是調(diào)整的精度高，匸作可靠。四、支承方式的選擇和設(shè)計(jì)計(jì)算1、支承方式的選擇為保證滾珠絲杠副傳動(dòng)的剛度和精度，應(yīng)選擇合適的支承方式，選用軸承組合, 一般常用推力軸承和向心球軸承。四種典型的支承方式：衷2-8滾洙絲杠副典型的支承方式 兩端都裝止推軸號(hào)支童方式圖例特A支承屋桿®定 h臨卑轉(zhuǎn)速承，承受軸向載荷A14一s酊l軸向剛度較高2.WKR 伸女 敘荷較天袖承寺命比（2）方案氏3 適宜中速、精度高 并可用雙推一單推組合1065兩端都裝止推軸承和向心球軸軸 承，承受軸向、徑 凸拙卄2 ot

33、atlwo耳一叫啟匹1 軸向剛夏瑕島2預(yù)挖伸安殺預(yù)加駅 荷較小釉承壽命較高3.適閃 r Aii.«« 皮、細(xì)M度41.44固定端裝深溝球軸 承和雙向推力軸3雙推簡(jiǎn)支軸"J剛更不離!* 堆位矍有關(guān)2雙推端町預(yù)拉伸安裝3 適宜于中連、舷絞 髙的長(zhǎng)儀杠.2承，承受徑向、軸向我荷，簡(jiǎn)支端用深溝球軸承徑向4XX推-白由1軸向剛度低.與螺母 位St有關(guān)拉種女裳3.適宜于中小桟簡(jiǎn)巧低 謎吏宜脈宮安裝短絲杠9-25固定可以用深溝 0.21;-球軸承和雙向推力軸承組合或用（無(wú)側(cè)隙）齒輪傳動(dòng)一、齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)作用：用來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。優(yōu)點(diǎn)：1、瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定，傳動(dòng)精確度高；2、強(qiáng)度大

34、能承受重載，結(jié)構(gòu)較緊湊；3、滿足主軸進(jìn)給速度要求，增大主軸轉(zhuǎn)矩。缺點(diǎn)：1、齒側(cè)間隙對(duì)傳動(dòng)精度影響：2、齒輪的磨損引起反轉(zhuǎn)誤差的逐漸擴(kuò)大。二、齒輪傳動(dòng)的類型1、直齒圓柱齒輪傳動(dòng)偏心軸套調(diào)整法中心距B離224 g心知交戊洶耳閭熾結(jié)構(gòu) I ftU-AF 2-血農(nóng)脈沖馬達(dá)b雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法（1）可調(diào)拉簧式：2、斜齒輪傳動(dòng)a墊片調(diào)整法圖2-27圓柱薄片齒輪可調(diào)拉簧錯(cuò)齒調(diào)整法圖2-28斜忻薄片齒輪墊片錯(cuò)齒調(diào)整法1、6、7凸耳2彈黃3、4一螺母5螺釘8、9一薄片齒堆1 一寬齒輪2-墊片3、4一錚斤齒輪（2）周向彈簧式：PE2-26圓tt薄片齒輪周向彈黃 錯(cuò)齒調(diào)整法1彈簧2F柱3. 4齒輪b軸向（壓簧）調(diào)

35、整法圖2-29 斜憐薄片心輪軸I旬壓貧 錯(cuò)齒凋酸法1、2瘴片為輪 3祁賛 4«5螺母 6軸 7寛心輪3、齒輪齒條傳動(dòng)存在齒側(cè)間隙，應(yīng)加以消除，常用的方法:a、雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法用于傳動(dòng)較小負(fù)載b、雙齒輪調(diào)整法用于傳動(dòng)較大負(fù)載，如右圖所示圖2-32齒輪齒條傳動(dòng)的齒側(cè)隙消除法 1、6小齒輪2、1大齒輪3齒輪 4一預(yù)載力裝置7齒條三. 齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)鏈的級(jí)數(shù)和級(jí)比的選擇總原則：盡量采用較大傳動(dòng)比的單級(jí)傳動(dòng)：對(duì)數(shù)減少、傳動(dòng)精度提高 多級(jí)傳動(dòng)時(shí)，遵循如下的原則：1、最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原則傳動(dòng)比i的分配先小后大，級(jí)數(shù)越多等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣屋越小，但級(jí)數(shù)太多時(shí)，結(jié)構(gòu) 復(fù)雜化，并且等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣最降低不明顯。2、輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則傳動(dòng)比，的分配先小后大，并且提高末一級(jí)齒輪副的精度，使輸出軸轉(zhuǎn)角誤差 最小。3、重量最輕原