1.3.1 机械系统
1.机械系统概述
（1）机械系统的组成
机械系统由动力系统、传动系统、执行系统、支承系统和操纵控制系统组成，如图1-24所示。
● 动力系统。指动力机（或原动机）及其配套装置。它为机械系统提供动力、实现能量转换。动力机有电动机、液压马达、气动马达和内燃机等。
● 传动系统。将动力机的动力和运动传递给执行系统的中间装置。
● 执行系统。利用机械能改变被控对象性质、状态、姿态、形状或位置，或对被控对象进行检测、度量等以进行生产或达到其他预定要求的装置。
图1-24 机械系统组成
● 支承系统。由基础件（如机床床身、底座、立柱等）和支承构件（如轴、轴承、支架、箱体等）组成。用于安装和支承动力系统、传动系统、操纵控制系统等。
● 操纵控制系统。协调动力系统、传动系统和执行系统，准确可靠地完成整个机械系统所需功能的装置。
（2）运动控制系统对机械系统的基本要求
主要性能指标是稳定性、准确性和快速性。
● 稳定性。它是运动控制系统的最基本要求。即要求运动控制系统能够稳定运动。理论上表现为组成运动控制的闭环系统，其闭环极点应位于s左半平面。
● 准确性。即要求运动控制系统的被控变量与设定值之间的偏差，即静态偏差应尽可能小。或表示为高精度地定位或跟踪预定轨迹的运动。
● 快速性。即要求运动控制系统在外部干扰影响下能够尽快响应，改变执行系统的操纵变量，使偏差存在的时间或某些积分指标尽可能小。
● 其他性能指标。包括机械系统在外界环境条件下具有无间隙、低摩擦、高刚度、高谐振频率、适当阻尼比、体积小、质量轻、可靠性高和使用寿命长等。
变速要求。运动控制系统中，伺服变速功能很大程度替代了传统机械传动变速机构，当伺服系统转速范围不能满足运动控制系统要求时，才采用机械传动的变速装置。
快速响应要求。运动控制系统对快速响应指标要求较高，因此，机械传动系统要解决伺服系统与负荷间的力矩匹配，还要提高伺服系统性能，以缩短系统响应时间。为此，对机械传动系统要求转动惯量小、摩擦小、阻尼合理、刚度大、抗振性好以及间隙小等。
2.机械传动系统
机械传动系统由减速或变速装置、起停换向装置、制动装置和安全保护装置等组成。具体功能包括减速或增速、变速、增大转矩、改变运动形式、分配运动或动力、实现一些操纵和控制功能。
（1）传动类型
机械传动系统用于传递动力和运动。传动动力的称为动力传动，传动运动的称为运动传动。常用机械传动有啮合传递、摩擦传动和推压传动。啮合传动有齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、同步带传动、链传动和轮系等。摩擦传动有摩擦轮传动、带传动等。推压传动有凸轮机构、棘轮机构、槽轮机构和带中间刚性件的连杆机构等。图1-25是部分机械传动的类型示例。
图1-25 机械传动类型
● 齿轮传动。齿轮传动是依靠主动齿轮依次拨动从动齿轮来实现的，基本要求之一是其瞬时角速度之比必须保持不变。齿轮传动的类型较多，按照两齿轮传动时的相对运动为平面运动或空间运动，可将其分为平面齿轮传动和空间齿轮传动两大类。运动控制系统中，用齿轮速度比描述齿轮传动关系。
● 蜗轮蜗杆传动。蜗轮蜗杆传动是用于传递空间互相垂直而不相交的两轴间的运动和动力。运动控制系统中只需要设置有关轴空间位置即可实现。
● 带传动。带传动是通过中间挠性件（带）传递运动和动力。
● 链传动。链传动由装在平行轴上的主、从动链轮和绕在链轮上的环形链条组成，以链条作中间挠性件，靠链条与链轮轮齿的啮合来传递运动和动力。
● 螺旋传动。螺旋传动是靠螺旋与螺纹牙面旋合实现回转运动与直线运动转换的机械传动。分为滑动螺旋传动、静压螺旋传动和滚动螺旋传动（也称为滚珠丝杆副）等类型。
表1-2显示了常用机械传动的特点。
表1-2 常用机械传动的特点
● 摩擦传动。有普通带传动、摩擦轮传动和绳传动。
● 推压传动。有凸轮机构、棘轮机构、槽轮机构和连杆机构等，如图1-26所示。
图1-26 推压机构类型
（2）传动比
表1-3是常见传动系统的传动比及其特点。
表1-3 传动系统的传动比及其特点
（续）
（3）机械传动系统特性
包括运动特性和动力特性。运动特性如转速、传动比和变速范围等；动力特性如功率、转矩、机械效率及变矩系数等。
● 传动比。串联式单流传动系统如图1-27所示。
图1-27 传动系统的传动模型
图中，JM是电动机M转子转动惯量；JL是负载L的转动惯量；i是齿轮系G的总传动比；JLF是摩擦阻转矩；θM是电动机M的角位移；θL是负载角位移。
根据传动关系，有：
式中，θM、
和
分别是电动机的角位移、角速度和角加速度。θL、
和
分别是负载的角位移、角速度和角加速度。摩擦阻转矩JLF换算到电动机轴上的阻抗转矩是JLF/i；负载L的转动惯量JL换算到电动机轴上的转动惯量是JL/i2；TM是电动机驱动转矩，忽略传动装置惯量，则电动机轴上的合转矩Ta为
根据负载角加速度最大原则，简化得
不计摩擦时，有TLF=0，因此，总传动比简化为
上式表明，传动装置总传动比是负载L的转动惯量JL与电动机M转子转动惯量JM之比的开方。
对小惯量直流伺服电动机，JM可低达5×10-3kg·m2，JL/JM在1~3之间。对大惯量直流伺服电动机，JM可达0.1~0.6kg·m2，JL/JM在0.25~1之间。
● 总传动比分配。需要使驱动部件和负载之间转矩、转速合理匹配。各级间传动比分配原则如下：
等效转动惯量最小原则。对传动装置，都遵循前级传动比小，后级传动比大的原则。
输出轴转角误差最小原则。从输入端到输出端各级传动比按前小后大原则，则总转角误差较小。为提高传动精度，应减少传动级数，对最后级传动比尽可能大，且制造精度尽量高。
重量最轻原则。对大功率传动装置，采用前小后大原则分配传动比；对小功率传动装置，可选择相等的各级传动比，以降低传动装置重量。
● 转速和变速范围。输入轴转速为nr，则传动系统中任一个传动轴的转速ni是
式中，i1i2…是从输入轴到该轴的各级传动比的连乘积。输出轴如果有z种转速，则从小到大依次为n1、n2、…、nz。z称为变速级数。传动系统的变速范围Rn是最高转速和最低转速之比。即
输出转速常用等比数列分布，即任意两相邻转速之比为一个常数，称为转速公比Φ。
常用转速公比的标准值是1.06、1.12、1.36、1.41、1.58、1.78及2.00。
变速范围Rn、变速级数z和转速公比Φ之间的关系如下：
变速级数越大，变速装置的功能越强，结构也越复杂。常用齿轮变速器中，变速级数取2或3的倍数。
● 机械效率。各种机械传动及传动部件的效率可查表。串联单流传动系统的总机械效率是组成的各部分机械效率之积。即
式中，各传动及传动部件的效率分别为η1、η2、…、ηn。
● 功率。机器执行机构输出功率Pω可由负载参数（力或力矩）及运动参数（线速度或转速）求出，设执行机构效率为ηω，则传动系统输入功率或原动机所需功率Pr为
原动机额定功率Pe应大于等于原动机所需功率Pr，η是机械效率。
● 转矩和变矩系数。传动系统任一传动轴i的输入转矩Ti为
式中，Pi是轴输入功率（kW）；ni是轴的转速（rpm）；Ti是输入转矩（N·m）。
变矩系数K是传动系统输出转矩Tc与输入转矩Tr之比。即
式中，Pc是传动系统输出功率（kW）。
（4）滚珠丝杠传动
滚珠丝杠由螺杆、螺母、钢球、预压片、反向器和防尘器组成。其功能是将回转运动转化成直线运动，或将直线运动转化为回转运动。它是螺旋传动的一类，见上述。
滚珠丝杠传动是工具机械和精密机械上最常使用的传动元件，广泛应用于各种工业设备和精密仪器。其特点如下：
● 摩擦损失小，传动效率高。采用滚动摩擦代替滑动摩擦，传动效率高，可达0.92~0.98。比常规丝杠螺母副提高3~4倍。功率消耗是常规丝杠螺母副的1/3~1/4，具有节能效果。
● 精度高。滚珠丝杠副常采用世界最高水平的机械设备连贯生产，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面，对温度、湿度进行严格控制，由于完善的品质管理体制使传动精度得以充分保证。
● 高速进给和微进给可能。由于是滚珠运动，起动力矩小，不会出现滑动等爬行现象，能保证实现微进给和高速进给。
● 消除空行程死区。可适当预紧，消除丝杠和螺母间隙，反向时可消除空行程死区，定位精度高，刚度好。
● 制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母加工精度要求高，表面粗糙度要求高，制造成本高。
● 不能自锁，具有传动的可逆性。尤其对垂直丝杠，下降时传动切断后不能立刻停止运动。
图1-28是滚珠丝杠副结构图。
丝杠和螺母之间有半圆弧形螺旋槽，套装在一起，形成滚珠的螺母滚道。螺母上的导珠管将螺母滚道连接组成封闭的循环滚道，滚道内装满滚珠。丝杠旋转时，滚珠在滚道内既有自转，又能沿滚道循环滚动，使螺母移动。
图1-28 滚珠丝杠副结构
滚珠丝杠副有轴向间隙或在负载作用下弹性变形，螺杆反向转动时，造成空回误差。常用的消除方法是调整预紧法。
● 双螺母垫片调隙。它用两个螺母间加垫片，根据用户要求预先调整预紧力，使两个螺母分别与丝杆的两侧面贴合，消除侧隙。
● 双螺母螺纹调隙。它利用一个螺母上的外螺纹，经圆螺母调整两个螺母的相对轴向位置实现预紧，调整好后用另一圆螺母锁紧，使用中随时调整，但预紧力不能准确控制。
● 齿差调隙。两个螺母凸缘各制有圆柱外齿轮，分别与固紧在套筒两侧的内齿圈啮合，齿数相差一个齿，调整时先取下内齿圈，调整两个螺母相对套筒同方向都转动一个齿，再插入内齿圈，则两个螺母产生相对角位移，使滚珠螺母对滚珠丝杠的螺纹滚道相对移动，达到消除间隙并施加预紧力的目的。
（5）同步带传动
如图1-29所示，它是一种新型带传动，由主动轮、从动轮和紧套在两轮上的传动带组成。传动带横截面为矩形，带面是具有等距横向的齿形，同步带轮轮面也制成相应的齿形。利用中间挠性件（带），靠齿轮啮合在主、从动轴间传递旋转运动和动力。
图1-29 同步带传动
同步带传动具有传动比恒定、结构紧凑、带速高（达40m/s）、传动比大（达10）、传递功率大（达200kW）、效率高（0.98）、工作时无滑动、节能效果好、维护保养方便以及能在恶劣环境条件下正常工作等特点，在机器人、矿山机械、农业机械、石油机械和机床等领域得到了广泛应用。
3.支承系统
（1）导轨副
导轨副用于支承和限制运动部件，使其按预定的运动要求和运动方向运动。由承导件和运动件组成。简称导轨。
按结构特点，导轨分为开式导轨和闭式导轨。按接触面的摩擦性质，导轨分为滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨和弹性摩擦导轨等。表1-4是常用导轨的性能比较。
表1-4 常用导轨性能比较
（2）对导轨副的基本要求
对导轨副的基本要求如下：
● 导向精度高。导向精度是指动导轨按给定方向做直线运动的准确程度。导向精度取决于导轨的结构类型、导轨的几何精度和接触精度、导轨的配合间隙、油膜厚度和油膜刚度、导轨和基础件的刚度和热变形等。
● 刚度。抵抗恒定载荷的能力称为静刚度。抵抗交变载荷的能力称为动刚度。静刚度常采用增大尺寸和合理布置肋和肋板等办法解决。导轨的接触精度用导轨表面的实际接触面积占理论接触面积的百分比表示。一般根据精刨、磨削、刮研等加工方法的标准来规定。
● 耐磨性。耐磨性取决于导轨的结构、材料、摩擦性质、表面粗糙度、表面硬度、表面润滑及受力情况等。采用独立润滑系统的自动润滑已被普遍采用。防护方法有很多，目前多采用多层金属薄板伸缩式防护罩进行防护。
● 运动的灵活性和低速运动的平稳性。运动开始的低速阶段，动摩擦因数随导轨副相对滑动速度的增大而降低，直到相对速度增大到某一临界值，动摩擦因数才随相对速度的减小而增加。因此，要求工作时应轻便省力、速度均匀，低速运动或微量位移时不出现爬行现象；高速运动时应无振动现象。为防止爬行现象，可采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨及贴塑料层导轨等；普通滑动导轨上使用含有极性添加剂的导轨油；采用减小结合面、增大结构尺寸、缩短传动链以及减少传动副等方法来提高传动系统的刚度。
● 温度的敏感性和结构的工艺性。温度的敏感性指在环境温度条件下，应能正常工作。这主要取决于导轨材料和导轨配合间隙的选择。结构的工艺性是系统在正常工作条件下，力求结构简单，制造容易，装拆、调整、维修及检测方便，从而最大限度地降低生产成本。
（3）支承件
支承件是运动控制设备中的基础部件。设备的零部件安装在支承件和其导轨面上运动。因此，支承件既起支承作用，承受零部件的重量及在其上的切削力、摩擦力及夹紧力等载荷，又起基准定位作用，确保零部件之间的相对位置和相对运动关系；有时还需要容纳变速机构、电动机、电气箱、切削液及润滑油等。
根据支承件的形状，可分为梁类（如床身、立柱、横梁、摇臂和滑枕等）、板类（如底座、工作台和刀架等）及箱形类（如箱体、升降台等）等。
提高支承件自身刚度的措施如下：
● 正确选择支承件形状和尺寸。支承件的变形与支承件截面惯性矩有关。表1-5是支承件截面和惯性矩的关系。
表1-5 支承件截面和惯性矩的关系
从表1-5可见，空心截面的刚度比实心截面的刚度大，例如，可将机床床身截面做成中空。在横截面不变时，加大外廓尺寸，减小壁厚，可提高截面抗弯和抗扭刚度。不封闭截面的刚度显著下降。圆截面抗扭刚度好，但抗弯刚度较差；方截面正好相反；矩形截面抗弯刚度大于方形截面，因此，承受弯矩为主的支承件截面应采用矩形。
● 合理布置隔板。隔板是支承件两外壁之间起连接作用的内壁。支承件不能形成封闭截面形状时，其内部设置隔板，以提高自身刚度。
● 合理开窗和加盖。应避免在主承受扭矩的支承件上开孔。弯曲平面垂直的壁上开孔对抗弯刚度影响大。较窄壁上的孔比宽壁上的孔的抗扭刚度影响大。窗孔应靠近支承件几何中心线附近，孔宽或孔径不超过支承件宽度的0.25倍。孔边缘翻边，工作时加盖，并用螺钉上紧，可补偿部分刚度损失。
提高局部刚度的措施包括：合理选择连接部位结构；注意局部过渡；合理配置加强筋，其高度是壁厚的4~5倍，厚度与壁厚之比为0.8~1。
提高接触刚度的措施有：提高结合面质量；合理选择螺钉尺寸、数量和布置等。