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机电一体化(第2章 机械系统)

机电一体化(第2章 机械系统)
机械系统部件的设计要求
与一般的机械系统设计要求相比，机电一体化系统 的机械系统要求定位精度高，动态响应特性好（即响应要 快，稳定性要好），为达到要求，在设计中常提出无间隙、 低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等 要求。为达到上述要求，主要从以下几方面采取措施：
（1）单推-单推式
可预拉伸安装，预紧力大， 轴向刚度较高。
简易单推-单推式支承
（2）双推-双推式
轴向刚度最高，适于高刚度、 高速、高精度的丝杠传动。 对丝杠热变形敏感。
（3）双推-简支式
预紧力小，寿命长，常用 于中速、高精度的长丝杠 传动系统。注意丝杠热变 形影响。
（4）双推-自由式
承载能力小，轴向刚度低，多用于 短程、轻载、低速的垂直安装。
4) 缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支承变形的 措施； 5) 提高刚度 改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振 动、降低噪声。选材上；结构轻型化、紧密化。
这些措施反映了机电一体化系统设计的基本特点。
二、机械传动部件的选择与设计
机械传动部件的主要功能是传递转矩和转速，它实质上 是一种转矩、转速变换器，其目的是使执行元件与负载之间在 转矩与转速方面得到最佳匹配。
（3）谐振频率 包括机械传动部件在内的弹性系统，若不计 阻尼，可简化为质量-弹簧系统，为多自由度系统，有第一谐振 频率和高阶谐振频率等。当外界传来的激振频率接近或等于系 统固有频率时，系统产生谐振，不能正常工作。
还有电气驱动部件的谐振频率。
（4）摩擦 摩擦分为粘性摩擦、库仑摩擦和静摩擦。
实际机械导轨的摩擦特性随材料和表面状态的不同有很 大的不同。
（一）机械传动部件的功能要求及常用的传动部件
机械传动部件的传动类型、传动方式、传动刚性以及传 动可靠性对机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性有重 要影响。机电一体化系统设计时，需要选择传动间隙小、精度 高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。

第1章 机电系统概述

第1章 机电系统概述

第1章 机电系统概述
第一节 概述 第二节 机电一体化系统的构成要素及功能构成 第三节 机电一体化系统构成要素的相互联接 第四节 机电一体化系统的评价 第五节 机电一体化系统设计方法 第六节 机电一体化工程与系统工程 机电一体化系统设计的设计类型、 第七节 机电一体化系统设计的设计类型、准则 和规律 第八节 机电一体化系统设计与现代设计方法
2005.9
其它一些定义（1） 其它一些定义（
90年代国际机器和机械理论研究会( 90年代国际机器和机械理论研究会(The International 年代国际机器和机械理论研究会 Federation for The Theory of Machines and Mechanism， Mechanism，IFTMM) 成 立 了 机 电 一 体 化 技 术 委 员 会 Mechatronics)， (Techanical Committee on Mechatronics)，它给出了下 述定义：机电一体化是精密机械工程、 述定义：机电一体化是精密机械工程、电子控制和系统 思想在产品设计和制造过程中的协同结合。 思想在产品设计和制造过程中的协同结合。 1991年英国创刊了国际性期刊(Mechatronics)， 1991年英国创刊了国际性期刊(Mechatronics)，在其 年英国创刊了国际性期刊 刊物的编辑方针中提出： 刊物的编辑方针中提出：机电一体化的基本形式可以视 为在现代工程技术中机械与电气学科的结合。 为在现代工程技术中机械与电气学科的结合。它是一种 相对新的概念，涉及系统、部件和产品的设计， 相对新的概念，涉及系统、部件和产品的设计，其目的 是在基本机械结构及其总体控制之间求得最佳平衡。 是在基本机械结构及其总体控制之间求得最佳平衡。
(2)与并行工程 (Concurrent Engineering)的区别 (2)与并行工程 Engineering)的区别 机电一体化和并行工程是两种近年来发展起来 的学科，其目的都是为了提高生产运作效率和系统 的学科， 性能，但两者的观点和途径截然不同。 性能，但两者的观点和途径截然不同。 在并行工程中， 电气、 机械、 在并行工程中 ， 电气 、 机械 、 控制和计算机等 专业的工作组， 专业的工作组 ，各自在不同的工作环境下独立去操 但设计和制造在不同专业又结合起来， 作， 但设计和制造在不同专业又结合起来 ，彼此齐 头并进地分别地来完成产品的不同部件。 头并进地分别地来完成产品的不同部件。 可以说并行工程采用的是垂直集成。 可以说并行工程采用的是垂直集成 。机电一体 化则将机械、电气、 化则将机械、 电气 、控制和计算机工程等专业的知 识分别在设计阶段和制造阶段有机地结合起来 阶段有机地结合起来， 识分别在设计阶段和制造阶段有机地结合起来 ， 综 合地进行设计和制造，它采用的是横向集成。 合地进行设计和制造，它采用的是横向集成。2005.9来自(3) 与自动控制的区别

机电一体化技术--机械系统

机电一体化技术--机械系统

2、采取的具体技术措施 、 1） 采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件。 ） 采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件。 2）缩短传动链，提高传动与支承刚度。 ）缩短传动链，提高传动与支承刚度。 3）选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少 ）选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、 等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量， 等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能 提高加速能力。 提高加速能力。 4）缩小反向死区误差。 ）缩小反向死区误差。 5）改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、 ）改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、 降低噪声。 降低噪声。
二、基本要求
机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很 大影响，特别是其传动类型、传动方式、 大影响，特别是其传动类型、传动方式、传动 刚性以及传动的可靠性对机电一体化系统的精 稳定性和快速响应性有重大影响。 度、稳定性和快速响应性有重大影响。
1、影响传动机构动力学特性的因素及其要求 、
1）阻尼 ）
内循环
1—丝杠 丝杠
2—螺母 螺母
3—滚珠 滚珠
4—回程引导装置 回程引导装置
滚珠在循环过程中始终与丝杠表面接触。 滚珠在循环过程中始终与丝杠表面接触。循环回路 流畅性好、效率高、螺母径向尺寸小。 短、流畅性好、效率高、螺母径向尺寸小。反向器加工困 装配调整不方便。 难，装配调整不方便。
外循环
插管式外循环结构 1-弯管 弯管 滚珠 螺纹滚道 丝杠 2-压板 3-丝杠 4-滚珠 5-螺纹滚道 压板
2）丝杠转动、螺母移动 ）丝杠转动、
要限制螺母的转动，故需导向装置。 要限制螺母的转动，故需导向装置。其特点是结构 紧凑、丝杠刚性较好。适用于工作行程较大的场合。 紧凑、丝杠刚性较好。适用于工作行程较大的场合。

机电一体化系统的机械系统概述

机电一体化系统的机械系统概述

（2）良好的动态响应特性 — 响应快、稳定性好。 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。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。
（3）无间隙、低摩擦、低惯量、大刚 度。
（4）高的谐振频率、合理的阻尼比。
图2-4、图2-5及图2-6的用法参见例2-2。
图2-4 大功率传动装置确定传动级数曲线（P32）
图2-5 大功率传动装置确定第一级传动比曲线
101
2 3 4 6 8 10
8
8
6
6
4
4
i k
2
2
B
A
1
1
2 3 4 6 8 10
ik－1
图2-6 大功率传动装置确定各级传动比曲线
第3章 机电一体化系统的机械系统 例2-2 设有i=256的大功率传动装置, 试按等效转动惯量最小
效形式：柔轮筒体的疲劳破坏。
第3章 机电一体化系统的机械系统
❖应用： 由于谐波传动具有其他传动无法比拟的诸多独
特优点，近几十年来，它已被迅速推广到机床、 机器人、汽车、造船、纺织、冶金、常规武器、 精密光学设备、印刷机构以及医疗器械等领域， 并获得了广泛的应用。
国内外的应用实践表明，无论是作为高灵敏度 随动系统的精密谐波传动，还是作为传递大转矩 的动力谐波传动，都表现出了良好的性能。
i4
2
(
80 22
8
)15

6.9887
验算i= i1 i2 i3 i4≈80。
❖ 若以传动级数n为参变量, 齿轮系中折算到电 动机轴上的等效转动惯量Je与第一级主动齿轮的 转动惯量J1之比为Je/J1, 其变化与总传动比i的关 系如图2-3所示。

机电一体化机械技术概述

机电一体化机械技术概述

机电一体化产品的运动包括沿特定轴旋转的旋转运动、沿规 定轴线的直线运动以及平面运动等，比如机器人和数控机床等， 一台机械要由若干零件组成，在构成机械的各种部件中使用了各 种通用的零件，就是所谓的机械零件。具有代表性的主要机械零 件可分为紧固零件、传动零件和支撑零件。多种机械零件的有机 组合就构成了机构。当机构中的一个零件产生运动时，机构中的 其它零件将对应产生一定的运动。连杆机构、凸轮机构、间歇机 构是机械中最常用的三种机构。牛头刨床就是利用连杆机构原理 把作旋转运动的摆杆曲柄机构变换成作往复直线运动的滑块曲柄 机构来进行刨削的。汽车发动机则是利用凸轮机构的不同形状来 改变直线运动的行程，从而来提高燃烧效率的控制。装配生产线 的间歇运动以及旋转平台的分度则靠的是利用间歇机构把原轴的 连续旋转运动断续地传递到从轴，使从轴实现间歇性的往复运动。
2）机械结构设计的特点
机电一体化的机械结构属于传统机械技术的范畴，在满足伺服系统对其稳、 准、快要求的前提下，从整体上说应逐步向精密化、高速化、小型化和轻量化的 方向发展，因此在进行结构设计时应综合考虑各个零部件的制造、安装精度，结 构刚度，稳定性以及动作的灵敏性和易控性。对具体零部件的设计提出了更高、 更严的要求。例如，采用合理的截面形状和尺寸；采用新材料和钢板焊接结构来 提高支承件的静刚度。
机电一体化系统的机械结构主要包括执行机构、传动机构和支承部件。 在机械系统设计时，除考虑一般机械设计要求外，还必须考虑机械结构因 素与整个伺服系统的性能参数、电气参数的匹配，以获得良好的伺服性能。
概括地讲，机电一体化机械系统应主要包括如下三大部分机构。
1．传动机构
机电一体化机械系统中的传动机构不仅仅是转速和转矩的变换器，而是已 成为伺服系统的一部分，它要根据伺服控制的要求进行选择设计，以满足整个 机械系统良好的伺服性能。因此传动机构除了要满足传动精度的要求，而且还 要满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性的要求。

机电一体化系统设计-机械系统设计

机电一体化系统设计-机械系统设计

• 动态特性影响：系统运行时输出量与输入量之间的关系称动态特性。在 传动系统中，如果传动形式选择不合适，传动比分配不当，转动惯量匹 配不合理都会动使系统运动滞后，响应速度慢，影响系统的动态响应特 性。
• 能耗影响：一个好的机电一体化系统应该是能够充分利用外部输入的能
量、尽可能减少系统本身能量消耗。外部输入能量作用分为三个方面：
• 运动精度影响：运动精度是机电一体化系统的重要技术指标。机械系 统的机械结构变形、传动间隙、零件制造精度对运动精度直接产生影 响。为了提高运动精度，在机械系统设计中要尽可能减少传动链的长 度，提高传动零件的制造精度，消除传动间隙，提高支承件的刚度以 减少系统的变形。
4
• 2.1.1 机械系统对机电一体化系统的影响
下面通过一般齿轮传动模型以系统响应速度为设计目标确定系统的 总传比，传动装置简化模型如图2-6所示，M为电动机，G为齿轮传动装 置（减速器），L为负载。 Jm为电动机转子的转动惯量；Jg 为齿轮传动 的转动惯量； JL为负载的转动惯量； φm为电动机的角位移； TLF为摩擦 力矩； i为齿轮系G的总传动比。
TLF 换算到电动机轴上的负载摩擦转矩为 TLF / i；JL换算到电动机轴 上的转动惯量为 JL / i2 。设 Tm为电动机的驱动转矩，在忽略传动装置 惯量的前提下，则电动机轴上的合力矩 Ta 为
24
•2.4.3 齿轮传动链设计
Ta
Tm
TLF i
J
m
Jg
JL i2
..
m
J
m
Jg
JL i2
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•2.2.2 功能分解
为了便于设计，可以将机械的总功能分解为若干复杂程度较低的分功 能或功能元，并形成机械的工艺动作过程。图2-1所示为冲压金属片的总 功能，它分解为送料、冲制、退回等子功能。

机电一体化简介

机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息、技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合，并综合应用到实际中去的综合技术。

是现代化的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化的设备。

中国机电设计迈入PLM 全新阶段，正挑战着了前所未有的，不可预测的难题，一个个久战沙场经久不衰精兵良将正褪去了昨日英雄的光环，唯有个个久战沙场经久不衰精兵良将正褪去了昨日英雄的光环，唯有CAMEL VIEW CAMEL VIEW CAMEL VIEW 能够胜能够胜任军统三国，光复旧业的重任，此时数系科技与德国iXtronics GmbH 公司携手共同开拓机电设计领域的新篇章，开拓机电设计领域的新篇章，CAMEL VIEW CAMEL VIEW CAMEL VIEW 作为机电一体化设计系统，从产品的概念作为机电一体化设计系统，从产品的概念设计到产品性能的测试、验证、通过都是一体化的，流程化的、规范化的，在满足用户设计的前提下，数值实验的仿真与结果的验证无不精确化，支持复杂环境下，多工况，多耦合场设计。

况，多耦合场设计。

研究将电子器件的信息处理和控制功能附加或融合在机械 装置中的一种复合化技术。

俗称机电一体化。

机械电子学技术。

俗称机电一体化。

机械电子学 (mechatronics) (mechatronics) (mechatronics)是由机械学是由机械学是由机械学(mechanics)(mechanics)(mechanics)和电子和电子学 (electronics)(electronics)两两个词结合而成的新词。

其全称为机械电子工程学，英语为mechanical and electronical engineering 。

机械电子学主要研究目的是把机械技术与微电子技术和信息技术有机地结合为一体，实现整个系统的最优化。

机械电子学可以充分发挥机械技术、微电子技术和信息技术的各自的长处和特点，促进机械产品的更新换代。

机电一体化对机械系统的基本要求以及机械系统的组成

机电一体化对机械系统的基本要求以及机械系统的组成
机电一体化是指在机械系统中，将机械、电气、控制等方面的技术融合在一起，通过相互配合和协作，实现机械运转的高效、精确和稳定。

在机电一体化的过程中，机械系统必须满足一些基本要求。

首先，机械系统的结构必须合理，采用优质材料和先进工艺，确保机械系统的可靠性和寿命。

其次，机械系统的运行状态必须稳定，不受外界干扰。

这要求机械系统具备良好的抗干扰能力和自适应能力，能够自动控制和调节，保持最佳运行状态。

最后，机械系统必须具有高度的自动化和智能化，能够自主处理、传输和分析数据，实现高效的自动化控制和管理。

机械系统由多个组成部分组成，包括机械结构、传动系统、控制系统、电气系统等。

机械结构是机械系统的基础，包括机身、底座、支撑、轴承、齿轮等，它的设计和制造直接影响到机械系统的性能和稳定性。

传动系统是机械系统的核心部分，包括传动机构、减速器、离合器、刹车等，它的设计和选择需要考虑到机械系统的转速、负载、功率等参数。

控制系统是机械系统的智能化部分，包括计算机、PLC 等，它的作用是对机械系统进行自动化控制和管理。

电气系统是机械系统的电力支撑部分，包括电源、电机、传感器等，它的设计和选择需要考虑到机械系统的电气参数和需求。

综上所述，机电一体化是机械系统发展的必然趋势，它的实现需要机械、电气、控制等多个领域的技术相互融合。

机械系统的组成部分包括机械结构、传动系统、控制系统、电气系统等，它们相互配合
和协作，实现机械运行的高效、精确和稳定。

同时，机械系统在机电一体化的过程中，需要满足合理的结构、稳定的运行状态、高度的自动化和智能化等基本要求。

机电一体化系统的机械系统


外循环 螺旋槽式 ( p.24 图2.7)
插管式 埋入 凸出 端盖式 ( p.24 图2.9)
L
CM CT D
工艺简单，径向尺寸小，易于制造；挡 珠器刚性差，易磨损
结构简单，容易制造，但径向尺寸较大， 弯管端部用作挡珠器比较容易磨损。 结构简单，工艺性好，常以单螺母形式 用作升降传动机构。应用较少。
3. 5种基本传动形式(按丝杠和螺母相对运动的组合情况分)：
1)螺母固定、丝杠转动并移动：螺母本身起着支承作用，结构简 单，传动精度较高，刚性差，适用于行程较小的场合。 2)丝杠转动、螺母移动：需导向装置来限制螺母的转动。结构紧 凑、丝杠刚性好，使用于行程较大的场合。
3)螺母转动、丝杠移动：需限制螺母移动和丝杠转动，结构复杂 且占用轴向空间较大，应用较少。 4)丝杠固定、螺母转动并移动：结构简单、紧凑，使用不方便。 5)差动传动：多用于各种微动机构
4.主要尺寸参数：( p.24 图2.10) 1)公称直径d0（特征尺寸）：滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态 时包络滚珠球心的圆柱直径 2)基本导程l0：丝杠相对于螺母旋转2弧度时，螺母上基准点 的轴向位移。 l0根据机电一体化产品的精度要求确定，精度要 求较高时应选取较小的基本导程。 3)导(行)程：丝杠相对于螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点 的轴向位移。 4) 滚珠的工作圈数：一般取2.5~3.5。第一、第二和第三圈滚 珠分别承受轴向载荷的50%、30%和20%左右。 5)滚珠总数N：150 6)丝杠螺纹大径d、丝杠螺纹小径d1 7)螺母螺纹大径D、螺母螺纹小径D1 8)丝杠螺纹全长ls 9)滚珠直径Db
二、丝杠螺母机构（螺旋传动机构）基本形式
1.传动功能：旋转运动直线运动；传递能量及运动 2.分类：

概述机电一体化概论


1.原 来 由 机 械 实 现 动 作 的 装 置 发条式钟表 手动照相机 机械式缝纫机 手动（机械式）游戏机 机械式调速器
与电子技术相结合实现动作的装置 石英钟表 自动调焦照相机 电动（电子式）缝纫机 电动（电子式）游戏机 电子式调速器
2.原 来 由 人 来 判 断 决 定 动 作 的 装 置

无人操作的装置 ）、
自动售货机、银行等部门使用的自动出纳机（ 人仓库的出库机、船舶及飞机的自动导航装置等等
车票自动售票机、自动检票机、邮局的自动分检机、无
3.按 照 人 编 制 的 程 序 来 实 现 灵 活 动 作 的 装 置 数控 机床、工业机器人、智能机器人及其
他各种机器人
主要内容 1、机电一体化系统概述 2、机械系统 3、机电一体化中集成电路 的应用 4、微机与接口技术 5、传感器技术 6、执行器与伺服系统

自动控制技术 所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或 过程自动地按照预定的规律运行。自动控制技术主要研究控制原理，包 括控制规律、分析方法和系统过程等。主要以传递函数为基础，研究单 输入、单输出、线性自动控制系统的分析与设计问题，这些都属于经典 控制技术，而且日趋成熟，在工程上已成功解决了很多实际问题。现代 控制技术主要以状态空间为基础，研究多输入、多输出、变参量、非线 性、高精度、高效能等控制系统的分析与设计问题。 伺服驱动技术 系统中执行元件和驱动装置的技术问题。执行元件：电动、气动和液压等， 最主要是电动式执行元件。驱动装置：各种电动机的驱动电源电路，主 要是电力电子器件及集成化的功能电路。 精密机械技术 精密机械技术是机电一体化系统的基础。系统的任何功能最终是要机械来完 成的。随着高新技术引入机械行业，传统机械技术面临着挑战和变革。 结构、重量、体积、刚性、热变形、材料、精度等因素对系统的性能提 高有着极其重要的影响。
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6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
机电一体化系统的机械系统概述
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。