机电一体化机械系统性能分析

    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。

    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、固有频率有关。、又与机械系统的结构参数密切相关。因此，机械系统的结构参数对伺服系统性能有很大影响。

    1、阻尼的影响

    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。

    （1）当阻尼比＝0时，系统处于等幅持续振荡状态，因此系统不能无阻尼。

    （2）当≥1时，系统为临界阻尼或过阻尼系统。此时，过渡过程无震荡，但响应时间较长。

    （3）当0<<1时，系统为欠阻尼系统，此时，系统在过渡过程中处于减幅震荡状态，其幅值衰减的快慢，取决于衰减系数。在确定以后，愈小，其震荡愈剧烈，过渡过程越长。相反，越大，则震荡越小，过渡过程越平稳，系统稳定性越好，但响应时间较长，系统灵敏度降低。

    因此，在系统设计时，应综合考其性能指标，一般取0.5<<0.8的欠阻尼系统，既能保证振荡在一定的范围内，过渡过程较平稳，过渡过程时间较短，又具有较高的灵敏度。

    2、摩擦的影响

    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。

    图4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。

图4　摩擦力——速度曲线

    在图5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。

    当输入轴以恒速继续运动，在后，输出轴也以恒速运动，但始终滞后输入轴一个角度，若粘滞摩擦系统为f，则有：

    　　　　（18）

    式中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；即为系统的稳态误差。

图5　力传递与弹性变形示意图弹性

    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。

    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。

    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。