|
机电一体化的机械系统要求精度高、运动平稳、工作可靠，这不仅仅是静态设计（机械传动和结构）所能解决的问题，而是要通过对机械传动部分与伺服电动机的动态特性进行分析，调节相关机械性能参数，达到优化系统性能的目的。 本文来自www.eadianqi.com
通过以上的分析可知，机械传动系统的性能与系统本身的阻尼比 1、阻尼的影响 自动控制网www.eadianqi.com版权所有 一般的机械系统均可简化为二阶系统，系统中阻尼的影响可以由二阶系统单位阶跃响应曲线来说明。由图2-13可知，阻尼比不同的系统，其时间响应特性也不同。 本文来自www.eadianqi.com
（1）当阻尼比 本文来自www.eadianqi.com
（2）当
（3）当0<
因此，在系统设计时，应综合考其性能指标，一般取0.5< 本文来自www.eadianqi.com
2、摩擦的影响 自动控制网www.eadianqi.com版权所有
当两物体产生相对运动或有运动趋势时，其接触面要产生摩擦。摩擦力可分为粘性摩擦力、库仑摩擦力和静摩擦力三种，方向均与运动趋势方向相反。 本文来自www.eadianqi.com
图1反应了三种摩擦力与物体运动速度之间的关系。当负载处于静止状态时，摩擦力为静摩擦力Fs，其最大值发生在运动开始前的一瞬间；当运动一开始，静摩擦力即消失，此时摩擦力立即下降为动摩擦（库仑摩擦）力Fc，库仑摩擦力是接触面对运动物体的阻力，大小为一常数；随着运动速度的增加，摩擦力成线性增加，此时摩擦力为粘性摩擦Fv。由此可见，只有物体运动后的粘性摩擦力是线性的，而当物体静止时和刚开始运动时，其摩擦是非线性的。摩擦对伺服系统的影响主要有：引起动态滞后，降低系统的响应速度，导致系统误差和低速爬行。 自动控制网www.eadianqi.com版权所有
自动控制网www.eadianqi.com版权所有
图1 摩擦力——速度曲线 本文来自www.eadianqi.com
在图2-15所示机械系统中，设系统的弹簧刚度为K。如果系统开始处于静止状态，当输入轴以一定的角速度转动时，由于静摩擦力矩T的作用，在 本文来自www.eadianqi.com
当输入轴以恒速 本文来自www.eadianqi.com
式中 本文来自www.eadianqi.com
图2 力传递与弹性变形示意图弹性 本文来自www.eadianqi.com 由以上分析可知，当静摩擦大于库仑摩擦，且系统在低速运行时（忽略粘性摩擦引起的滞后），在驱动力引起弹性变形的作用下，系统总是启动、停止的交替变化之中运动，该现象被称为低速爬行现象，低速爬行导致系统运行不稳定。爬行—般出现在某个临界转速以下，而在高速运行时并不出现。 本文来自www.eadianqi.com 设计机械系统时，应尽量减少静摩擦和降低动、静摩擦之差值，以提高系统的精度、稳定性和快速响应性。因此，机电一体化系统中，常常采用摩擦性能良好的塑料——金属滑动导轨、滚动导轨、滚珠丝杠、静、动压导轨；静、动压轴承、磁轴承等新型传动件和支承件，并进行良好的润滑。 自动控制网www.eadianqi.com版权所有 此外，适当的增加系统的惯量J和粘性摩擦系数f也有利于改善低速爬行现象，但惯量增加将引起伺服系统响应性能的降低；增加粘性摩擦系数f也会增加系统的稳态误差，故设计时必须权衡利弊，妥善处理。 自动控制网www.eadianqi.com版权所有 3、弹性变形的影响 本文来自www.eadianqi.com
机械传动系统的结构弹性变形是引起系统不稳定和产生动态滞后的主要因素，稳定性是系统正常工作的首要条件。当伺服电动机带动机械负载按指令运动时，机械系统所有的元件都会因受力而产生程度不同的弹性变形。由式（2-25）、（2-26）知，其固有频率与系统的阻尼、惯量、摩擦、弹性变形等结构因素有关。当机械系统的固有频率接近或落入伺服系统带宽之中时，系统将产生谐振而无法工作。因此为避免机械系统由于弹性变形而使整个伺服系统发生结构谐振，一般要求系统的固有频率 本文来自www.eadianqi.com 采用弹性模量高的材料，合理选择零件的截面形状和尺寸、对轴承、丝杠等支承件施加预加载荷等方法均可以提高零件的刚度。在多级齿轮传动中，增大末级减速比可以有效的提高末级输出轴的折算刚度。 本文来自www.eadianqi.com
另外，在不改变机械结构固有频率的情况下，通过增大阻尼也可以有效地抑制谐振。因此，许多机电一体化系统设有阻尼器以使振荡迅速衰减。 本文来自www.eadianqi.com 4、惯量的影响 自动控制网www.eadianqi.com版权所有
转动惯量对伺服系统的精度、稳定性、动态响应都有影响。惯量大，系统的机械常数大，响应慢。由式（2-26）可以看出，惯量大， |
、固有频率
有关。
范围内，输出轴将不会运动，
值即为静摩擦引起的传动死区。在传动死区内，系统将在一段时间内对输入信号无响应，从而造成误差。 
继续运动，在
后，输出轴也以恒速
，若粘滞摩擦系统为f，则有： 
（1） 
是粘滞摩擦引起的动态滞后；
是库仑摩擦所引起的动态滞后；
n要远远高于伺服系统的工作频率。通常采取提高系统刚度、增加阻尼、调整机械构件质量和自振频率等方法来提高系统抗振性，防止谐振的发生。