机电传动模块化设计前言第一章 机电传动设计概论i) 介绍机电传动零件、部件构成与分类ii)机电传动设计步骤与校核内容1-1 机电传动（机构）一、 机电机构含义：组成零件 电 部件 减速器 传动零件 功能 驱动部分 动力源 电气 气动 2、常用零件、机器（1）驱动机器（2）驱动机器用机器 （3）转动轴轴承零件 （4）直动元件 （5）传动元件（6）检测机器：光电开关、电磁开关、接触开关、微开关、限位开关。（7）计测机器（8）控制机器（9）转换机器例：图1 构成机器人的各 机器1-2 机电传动的分类、动作、速度特性一、直线运动机构/旋转运动机构表1-1，特点表1-2，直线运动机构表1-3，转动表1-4，组合例子介绍二、工作特性及速度特性1、工作特性与停止精度按运动方式分为（A）两端停止时在其初终端部通过机器的 销进行定位，可获得 停止数据（B）中间停止式：要求精度时，需要讨论速度特性，机构构造，驱动器及检测方式。 速度特性 在2点之间的运动时， 启动停止时有冲击，为了提高停止精度，必须进行减速控制，有如下减速控制方式表1-5速度特性1-3 机电传动的设计过程和校核一、机电传动的设计顺序（1）传动方式的设计顺序由机构的特性（载荷的尺寸、移动方向、距离、时间、工作特性及停止精度）选择设计合适的机械传动。（2）确定基本条件由所选定的机构的精度、载荷种类、运动方式，确定构成机构的零件、机器的种类。（3）确定运动条件驱动部分-进给构件之间的联结方式、移动量、时间、速度、电机的转速、减速比、进给部分的导程、中心距、传动元件、使用寿命等。（4）确定载荷条件载荷的大小、加速时间、导轨（支持）部分的 系数及预紧，外载荷与方向，翻转力矩，构成元件 的尺寸。（5）载荷计算惯性载荷、摩擦载荷、工作载荷。（6）机器尺寸的选择及校核。检查性能的限制 图2 机电传动的设计过程二、直进* 动机构设计的校核表1.2 给出了各种设计方式。这里，我以机电机构中经常使用的丝杠进给，齿轮齿条进给，带（绳）进给方式的控制电机及进给零件（构件）为例，对中间任意位置停止机构进行讨论。（1）载荷的方向与大小的确定涉及到： 同时还经常考虑机架的刚度是否足够，弯曲是否在许用的情况下，驱动机器、传动件、寻轨等的种类和型号是否合理。（2）有 *程分量（最大行程、一个工作的行程）工作时间，安装方向的确认。a)中与重载，大行程（2000mm以上）可考虑齿轮齿条，进给丝杠固定螺母方式。 仅仅考虑齿条或丝杠的长度，而电机由于安装在平台上，折算的转动惯量G基本不变，加减速性能也不变，而在齿轮齿条进给时，必须考虑间隙的影响。b)行程在小中型时（200-1000mm左右）（1）轻载时皮带（绳）进给方式比较合理，仅仅考虑带（绳）与寻轨的长度就可以，折算的转动惯量G仅仅带的部分增大。这里必须注意皮带的弹性滑动及刚性。（2）中重载，高精度时选择大刚度，间隙易消除的丝杠进给方式。丝杠进给中，行程余量就需要考虑进给丝杠和导轨的长度，G仅在*部分增大，且由于弯曲增大，对应地就必须增大丝杠的外径。一般情况下，注意，由于G对加速度性能及电机尺寸有影响。（3）最大速度，速度加速度特性从加速度时间及工作条件进行讨论a) 轻载、中、高速（502000mm/s）一般采用无给油供给的皮带进给方式b)中重载 低-中速（2001000mm/s）采用进给丝杠，齿轮齿条进给，而齿轮齿条高速时会产生噪音。c)重载，低速（200mm/s以下）丝杠进给方式最好（4）停止精度在考虑可靠性、成本的基础上，选用驱动控制方式，进给方式a)驱动控制方式基本步进电机的开环控制：低成本、低中速、轻载。基本伺服电机的闭环控制：高精度、高可靠性、低-高速、中-重载b)丝杠进给方式（5）分辨率注意进给精度、检测、控制装置的种类、成本、响应元件。采用编码器进行位置检测时，由于进给方式不同产生 * 。在高速分辨率时，应注意产生脉冲的频率不要超过NC响应频率（最大100-200KHZ）。三.转子运动机构设计校核（1）同直线运动相同（2）转动角度（最大转角，一个动作相交的转角），工作时间.最大转速、角速度及角加速度特性、回转半径、停止精度、空间等，回转半径愈大，G就愈大，加减速特性就恶化，因此所构成的机器尽可能接近于回转中心，控制相关的最小尺寸。（3）起动.停止运转条件的讨论（4）停止精度从可靠性、成本讨论、振子控制方式分度凸轮方式速度、加速度特性好、闵性大、可用于高速。由于高精度、高可靠性，可在轻重载二范围内应用但分度数有限制分度角固定。电机的直接驱动方式任意角度停止，可并用任意加减速控制，无间隙、高精度但是由于载荷G的直接作用，载荷/电机尺寸比小，成本高。伺服电机与减速器的组合方式任意角度停止，任意加减速控制，G位减速比的二次幂，非常小，载荷/电机比大，成本低廉，但是要注意间隙造成的误差与抖动。（5）分辨角一般，采用编码器测量转角，转动半径愈大，分割精度愈粗，必须采用高分辨率型（360万p/r）的编码器。在高速转动高分辨率的要求时产生脉冲的频率数不要超过响应频率（最大100-200KHz）。第二章 计算为了确定构成机电机构的驱动装置的输出型号，必须进行惯量、角加速度、摩擦力矩的讨论与计算，在此进行讨论。2.1惯性载荷一、转动惯量与G（1） 惯性惯量 I= (2-1)（2） 转动惯量与惯性力矩的计算TI=*I(kgfm) (2-2)（3） 转动惯量与角加速度的计算=TI/I(rad/) （2-3）（4） 根据G计算惯性力矩a）G与转动惯量为同一力学性质，它是在重力单位*的量。也叫振动惯量，他与转动惯量的关系为I=m*=G/g*=G/4g (2-4) m-物体的质量m=G/g g-重力加速度g=9.80665(iso) D回转直径 k-回转半径D/2(b)角速度计算 由（2-2）式，= dw/dt,代入，TI = (G/4g)*dw/dt (2-6)dw/dt=4g*TI/ G (2-7)积分上式可得：w=4g*TI*t/ G+C (2-8) =4g*TI*t/ G+ (2-9)t加速时间（s）初角速度t=0时（r/s）转速t=0时，（rpm）w= (2-10)(c)惯性力矩计算由（2-9）和（2-10）TI= G*(N-)/(37.5*t) (2-11)二. 平行轴定理（steiner定理）（1） 关于转动惯量的平行轴定理 I=+m* （2-12）G=G+4w (2-13)通过物体重心的转动惯量两轴间的距离（偏心量）各种物体的G见表三. 运动回转体的等效G1 、G与转动动能 由E=I*/2， E= G*(8g)= G(2N/60)/(8g)= G*/7150 （2-14）(2)两个转动件图示2.2各轴转动动能，=G*/7150，=G*/7150把轴2的G等效到轴1（G），根据能量法则G*/7150=（G）*/7150 (2-15)（G）= G*(/) (2-16)可以看出，相对于轴1的系数G，为轴2的G与轴1的转速比（/）的平方，（轴1和轴2不一定相邻）。（3）多个转动件的场合对于输入轴等价的G图，（2.3）可进一步设各轴的，.，各轴的G为G，G，.G，于是有G= G*(/)+ G*(/)+ G(/) =G*(/) (2-17)四、多个转动件的系数G（1）、G与动能做直线运动图2-4的运动构件的动能为*W-物体重量（kg）V-物件的速度（m/s）另有大小为G旋转构件安装在电机轴上时，旋转构件的能量E为E= G(2n/60)/(8g) (2-19)(2)移动平台及运输带向电机轴折算G与电机回转运动做直线运动时，把（2-18）表示的能量折算城绕电机转动的能量时根据能量守恒法则，*等，于是等价 G为WV/(2g)= G(2n/60)/(8g) (2-20)于是： G=(3600/)*w*(V/N) (2-21)（3）台车，齿轮齿条进向车轴的折算GN=60V/(*D) (2-22)D(m)：车轮的直径N(rpm)：车轮的转速V(m/s)：台车的行进速度把（2-21）代入（2-22）有 G=(3600/)*W*V(D/60/V)=W*D (2-23)可以看出G由台车的重量W与车轮的直径D决定然后根据可计算驱动轴的惯性力矩TI图2-5五.转矩与推力的关系1. 一般直线运动物体上作用的惯性力（1） 加速时 惯性力F=a*w/g由速度关系等进一步F=(V-)*W*/(g*t) (2-24)（2）减速时V=-(V-)*W/(t*g ) (2-25)V-t时的速度，-t=0时的速度 采用进给丝杠或齿条齿轮，使滑块平台沿直线移动时，加减速可以采用上二式。2. 推力与力矩的关系 a)直线运动物体由以上（2-14）设=0，=0关于t可得t=2* G *n/(240*g*TI) (2-26)t=V*W/g*F (2-27)设加速时间相等F=1.2*V*W*TI*EI(*N* G) (2-28)EI%：转动直线运动的交换频率然后F=*N*TI*EI/(3000V) (2-29)(b)台车与齿轮齿条进给的场合F=TI*EI/(50D) (2-30)若EI=100%,TI=F*D/2 (2-31)(c)进给丝杠的场合V=L*N/60/1000 (2-32)于是F=20* TI*EI/L (2-33)