• 粘性阻尼摩擦大：系统稳态误差大，精度低
2.2 机械传动系统的特性
失动量：
• 数控机床上，由于各坐标轴进给传动链上驱动 部件(如伺服电动机、伺服液压马达和步进电动 机等)的反向死区、各机械运动传动副的反向间 隙等误差的存在，造成各坐标轴在由正向运动 转为反向运动时形成反向偏差，通常也称反向 间隙或失动量
第2章 机械系统设计
机械系统是机电一体化系统的最基本要素， 它包括执行机构、传动机构和支撑机构等， 用于完成指定的动作、传递功率、运动或 者信息
2.1 机械系统数学模型建立 2.2 机械传动系统的特性 2.3 机械传动装置 2.4 支撑部件
2.1 机械系统数学模型的建立
在机械系统设计时，除了考虑一般机械设 计要求外，还必须考虑机械结构因素和整 个伺服系统的性能参数、电气参数匹配， 才能获得良好的机电产品性能。
• 电气驱动部件的谐振频率降低、阻尼增大
2.2 机械传动系统的特性
2、摩擦 机电产品对传动部件的摩擦特性要求是：
静摩擦尽可能小；动摩擦力应为尽可能小 的正斜率。 若动摩擦为负斜率，易产生爬行、降低精 度、减少寿命 摩擦在应用上可以简化为：粘性摩擦、库 仑摩擦和静摩擦三种
2.2 机械传动系统的特性
2.2 机械传动系统的特性
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。
5、谐振频率
任何弹性系统，若阻尼不计，可简化为质量、弹 簧系统，对于质量为m，拉压刚性系数为k的直线 运动系统，其固有频率为: w 1 k
粘性摩擦：大小与相对运动速度成正比； 库仑摩擦：接触面对运动物体的阻力，大
小为一常数； 静摩擦：具有相对运动趋势但仍处于静止
状态时摩擦面之间存在的摩擦力，运动开 始之后静摩擦力消失。
2.2 机械传动系统的特性
摩擦力对运动状பைடு நூலகம்的影响
• 机械系统的摩擦特性随着材料和表面状态的不 同有很大差异。
• 典型情况包括：
爬行，低速运动稳定性差，如气动系统 有回程误差，精度低
对摩擦特性的要求：
• 静摩擦要小 • 动摩擦因为小的正斜率
2.2 机械传动系统的特性
3、阻尼 机械部件振动的振幅取决于系统阻尼和固
有频率：阻尼大，振幅小，衰减快 阻尼对弹性系统振动特性的主要影响：
• 静摩擦阻尼大：系统失动量（运动反向间隙 ） 和反转误差大，定位精度低，易爬行
2.2 机械传动系统的特性
对于质量大刚度低的机械系统，为减小振 幅、加速度衰减，可增加粘性摩擦阻尼
实际应用中可以区0.4～0.8之间的欠阻尼， 可以保证振荡在一定范围内过渡过程较平 稳、过渡时间较短，灵敏度较高
2.2 机械传动系统的特性
4、刚度 机械系统的刚度包括：
• 构件产生各种基本变形时的刚度 • 两接触面的接触刚度
性能参数设计与模型分析有直接关系
例子：机械移动系统数学模型建立
• 基本元件：质量m，阻尼c，弹簧k • 建立模型的数学原型：牛顿第二定律
弹簧、质量、阻尼系统力学模型
根据简化后的力学模型 由牛顿第二定律，可以 获得系统的运动方程：
m x c x k x f( t)
经过Laplace变换，得到 传递函数：
对于具体的机电一体化系统的传动设计， 就要综合考虑各个设计目标的协调：
• 要考虑设计尽可能短的传动链，同时要考虑负 载对传动系统的耦合作用
• 要考虑传动精度，同时要考虑稳定性、快速性 • 要考虑功率，同时要小型、重量轻、低振动、
低噪声
• 数学模型相当关键
2.2 机械传动系统的特性
单纯对传动系统而言，其关注的性能包括：传动 类型、传动方式、传动精度、动态特性、可靠性
性能，不仅要求机械传动部件满足转动惯 量小、摩擦小、阻尼合理、刚度大、抗振 动性能好、空隙小的要求，还要求机械部 分的动态特性与电机速度环节的动态特性 相匹配。
2.2 机械传动系统的特性
1、转动惯量 在满足系统刚度的条件下，机械部分的质
量与转动惯量越小越好。 转动惯量大会使
• 机械负载增大、系统相应速度变慢、灵敏度降 低、固有频率下降、容易产生谐振
X(s) F(s)
ms2
1 csk
系统数学模型的简化
• 模型简化的基本思路是将复杂的、分布的参数 折算到某一部件（一般为中心部件）上，然后 按照单一部件对系统进行建模。
• 建模的核心问题在于各个分散参数的统计和这 些物理量的折算。
• 根据数学模型的准确程度，一般会对各个参数 进行取舍，从而获得一个既能基本反映系统基 本特性，又便于数学处理的模型。
定义：
• 静刚度：静态力和变形的比 • 动刚度：动态力（交变力和冲击力）和变形的
比
2.2 机械传动系统的特性
对于伺服系统的失动量：系统刚度越大， 失动量越小
对于伺服系统的稳定性：刚度对开环系统 的稳定性没有影响；提高刚性可增加闭环 系统的稳定性，但会带来转动惯量、摩擦 和成本的增加
2.2 机械传动系统的特性
影响传动系统性能的因素包括：
• 负载变化：包括工作负载、摩擦负载，要合理选择驱 动电机与传动链，与负载相匹配
• 传动链惯性：影响启停特性、快速性、定位精度 • 传动链固有频率 • 间隙、摩擦、润滑和温升：影响传动精度和运动平稳
性
2.2 机械传动系统的特性
机械传动系统的特性 为了满足机电一体化机械系统良好的伺服
2.2 机械传动系统的特性
(2)快速响应性
即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。
(3)良好的稳定性
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。
2.2 机械传动系统的特性