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机电一体化系统设计山东理工大学制作人：董爱梅机电一体化构成要素目录绪论机械系统设计传感检测系统设计控制电动机及其选择计算工业控制计算机及接口设计应用举例绪论第一节机电一体化概念一、机电一体化概念Mechatronics=Mechanics+Electronics机械工程和电子工程相结合的技术，以及应用这些技术的机械电子装置（产品）。二、机电一体化产品录像机数控机床、机器人、自动生产设备生产用机电一体化产品柔性生产单元、自动组合生产单元FMS、无人化工厂、CIMS微机控制汽车、机车等交通运输工具运输、包装及工程用机电一体化产品数控包装机械及系统数控运输机械及工程机械设备自动仓库储存、销售用机电一体化产品自动空调与制冷系统及设备自动称量、分选、销售及现金处理系统自动化办公设备社会服务性机电一体化产品动力、医疗、环保及公共服务自动化设备文教、体育、娱乐用机电一体化产品微机或数控型耐用消费品家庭用机电一体化产品炊事自动化机械家庭用信息、服务设备测试设备科研及过程控制用机电一体化产品控制设备信息处理系统农、林、牧、渔及其它民用机电一体化产品航空、航天、国防用武器装备等机电一体化产品三、机电一体化产品的表现形式1.机械的电子化（1）在原有机械系统的基础上采用微型计算机控制装置，使系统的性能提高，功能增强。例如，模糊控制洗衣机能根据衣物的洁净度自动控制洗涤过程，从而实现节水、节电、节时、节洗衣粉的功能；机床的数控化是另一个典型的例子。（2）用电子装置局部替代机械传动装置和机械控制装置，简化结构，增强控制灵活性。例如，数控机床的进给系统采用伺服系统，简化了传动链，提高了进给系统的动态性能；将传统电机的电刷用电子装置替代形成的无刷电机，具有性能可靠、结构简单、尺寸减小等优点。（3）用电子装置完全替代原来执行信息处理功能的机构，既减化了结构，又极大地丰富了信息传输的内容，提高了速度。例如，石英电子钟表、电子秤、按键式电话等。（4）用电子装置替代机械的主功能，形成特殊的加工能力。例如，电火花加工机床、线切割加工机床、激光加工机床等。2.机电技术完全融合形成新型机电一体化产品生产机械中的激光快速成形机；信息机械中的传真机、打印机、复印机；检测机械中的CT（计算机断层扫描诊断装置）扫描诊断仪、扫描隧道显微镜等。C650卧式车床外形图1—主轴变速箱2—溜板与刀架3—尾座4—床身5—丝杠6—光杠7—溜板箱8—进给箱9—挂轮箱效益分析第二节机电一体化构成要素及相关技术一、构成要素二、相关技术1.机械技术机电一体化的机械产品与传统的机械产品的区别在于：机械结构更简单、机械功能更强、性能更优越。现代机械要求具有更新颖的结构、更小的体积、更轻的重量，还要求精度更高、刚度更大、动态性能更好。在设计和制造机械系统时除了考虑静态、动态刚度及热变形等问题外，还应考虑采用新型复合材料和新型结构以及新型的制造工艺和工艺装置。2.传感检测技术传感检测技术的内容，一是研究如何将各种被测量（包括物理量、化学量和生物量等）转换为与之成比例的电量；二是研究对转换的电信号的加工处理，如放大、补偿、标度变换等。机电一体化系统要求传感检测装置能快速、准确、可靠的获取信息3信息处理技术实现信息处理的主要工具是计算机，计算机技术包括计算机的软件技术、硬件技术、网络与通讯技术和数据技术。机电一体化系统中主要采用工业控制机（包括可编程控制器，单、多回路调节器，单片微控制器，总线式工业控制机，分布式计算机测控系统）进行信息处理。信息处理的发展方向是提高信息处理的速度、可靠性和智能化程度。人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等都属于计算机信息处理技术的范畴。4自动控制技术自动控制所依据的理论是自动控制原理（包括经典控制理论和现代控制理论），自动控制技术就是在此理论的指导下对具体控制装置或控制系统进行设计；设计后进行系统仿真，现场调试；最后使研制的系统可靠地投入运行。机电一体化系统中的自动控制技术主要包括位置控制、速度控制、最优控制、自适应控制以及模糊控制、神经网络控制等。5伺服传动技术伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置常见的伺服驱动系统主要有电气伺服（如步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等）和液压伺服（如液压马达、脉冲油缸等）两类。6系统总体技术机电一体化系统是一个技术综合体，它利用系统总体技术将各有关技术协调配合、综合运用而达到整体系统的最佳化。三、学科构成四、机电一体化系统设计方法1.取代法取代法就是用电气控制取代原系统中的机械控制机构。该方法是改造旧产品、开发新产品或对原系统进行技术改造常用的方法,也是改造传统机械产品的常用方法。2.整体设计法整体设计法主要用于新产品的开发设计。在设计时完全从系统的整体目标出发,考虑各子系统的设计。3.组合法组合法就是选用各种标准功能模块组合设计成机电一体化系统。例如,设计一台数控机床,可以依据机床的性能要求,通过对不同厂家的计算机控制单元、伺服驱动单元、位移和速度测试单元及主轴、导轨、刀架、传动系统等产品的评估分析,研究各单元间接口关系和各单元对整机性能的影响,通过优化设计确定机床的结构组成。第三节机电一体化发展方向一、机电一体化特点1、体积小，重量轻2、速度快，精度高3、可靠性高4、柔性好二、发展方向1、复合化2、小型化，轻量化3、高速化4、移动化5、智能化6、层次化和系统化7、全盘化总之，性能上:向高精度、高效率、高性能、智能化方向发展；功能上：向小型化、轻型化、多功能方向发展;层次上：向系统化、复合集成化方向发展。机械系统设计机械系统是机电一体化系统的最基本要素，主要包括执行机构、传动机构和支承部件。机械的主要功能是完成机械运动，一部机器必须完成相互协调的若干机械运动。每个机械运动可由单独的控制电机、传动件和执行机构组成的若干个子系统来完成，若干个机械运动由计算机来协调与控制。第一节机械传动系统的特性一、机电一体化对机械传动的要求1、高精度2、快速响应3、良好的稳定性二、机械传动系统的特性转动惯量小摩擦小阻尼合适刚度大抗振性能好间隙小转动惯量大会是机械负载增大、系统响应性能变慢、灵敏度降低、固有频率下降，容易谐振。同时，使电气驱动部件谐振频率降低，阻尼增大。阻尼越大，最大振幅越小，衰减越快。但定位精度降低，易产生爬行；稳态误差大，精度降低。刚度大，失动量小。提高刚度可增加闭环系统的稳定性。第二节机械传动装置1齿轮2同步齿形带传动3滚珠丝杠4滚珠花键5谐波齿轮减速器提高传动精度的结构措施提高传动精度的结构措施有：(1)适当提高零部件本身的精度；(2)合理设计传动链，减少零部件制造、装配误差对传动精度的影响〔3)采用消隙机构．以减少或消除空程。合理设计传动链方法(1)合理选择传动型式(2)合理确定级数和分配各级传动比(3)合理布置传动链合理确定级数和分配各级传动比合理布置传动链齿轮传动间隙的消除措施由于数控设备进给系统经常处于自动变向状态，反向时如果驱动链中的齿轮等传动副存在间隙，就会使进给运动的反向滞后于指令信号，从而影响其驱动精度。因此必须采取措施消除齿轮传动中的间隙，以提高数控设备进给系统的驱动精度。1.圆柱齿轮传动(1)双片薄齿轮错齿法图7-28圆柱薄片齿轮可调拉簧错齿调整法1、2-齿轮3、8-凸耳4-弹簧5、6-螺母7-螺钉354672138(2)偏心轴套调整法电机1是通过偏心轴套2装到壳体上，通过转动偏心轴套的转角，就能够方便地调整两啮合齿轮的中心距，从而消除了圆柱齿轮正、反转时的齿侧隙。图7-26偏心轴套式消除间隙结构1-电动机2-偏心轴套21(3)锥度齿轮调整法在加工齿轮1和2时，将假想的分度圆柱面改变成带有小锥度的圆锥面，使其齿厚在齿轮的轴向稍有变化（其外形类似于插齿刀）。装配时只要改变垫片3的厚度就能调整两个齿轮的轴向相对位置，从而消除了齿侧间隙。图7-27带锥度齿轮的消除间隙结构1、2-齿轮3-垫片2132.斜齿轮传动图7-29是垫片错齿调整法，薄片齿轮由平键和轴连接，互相不能相对回转。斜齿轮1和2的齿形拼装在一起加工。装配时，将垫片厚度增加或减少Δt，然后再用螺母拧紧。这时两齿轮的螺旋线就产生了错位，其左右两齿面分别与宽齿轮的齿面贴紧，从而消除了间隙。图7-29斜齿薄片齿轮垫片错齿调整法薄片斜齿轮2宽齿轮薄片斜齿轮1垫片tΔβ轴向压簧错齿调整法，其特点是齿侧隙可以自动补偿，但轴向尺寸较大，结构不紧凑。图7-30斜齿薄片齿轮轴向压簧错齿调整法调压螺母宽齿轮薄片斜齿轮2薄片斜齿轮1轴向压簧同步齿形带传动同步齿形带传动，是一种新型的带传动，如图所示，它利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次相啮合传动运动和动力，因而兼有带传动，齿轮传动及链传动的优点，即无相对滑动，平均传动比准确，传动精度高，而且齿形带的强度高，厚度小，重量轻，故可用于高速传动；齿型带无需特别张紧，故作用在轴和轴承等上的载荷小，传动效率高，在数控机械上亦有应用。滚珠丝杠螺母副机构（1）滚珠丝杠副的工作原理及特点滚珠丝杠副是一种新型的传动机构，它的结构特点是具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动件，以减少摩擦，如图7-13所示。图中丝杠和螺母上都磨有圆弧形的螺旋槽，这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成螺旋线滚道，在滚道内装有滚珠。当丝杠回转时，滚珠相对于螺母上的滚道滚动，因此丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能循环流动。图7-13滚珠丝杠螺母内滚道外滚道滚珠丝杠副的特点1）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副的传动效率η＝0.92～0.96，比常规的丝杠螺母副提高3～4倍。因此，功率消耗只相当于常规的丝杠螺母副的1/4～1/3。2）给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空行程死区，定位精度高，刚度好。3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。4）运动具有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。5）磨损小，使用寿命长。6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。7）不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需添加制动装置。滚珠丝杠副轴向间隙的调整(a)垫片调隙式（图7-18）通常用螺钉来连接滚珠丝杠两个螺母的凸缘，并在凸缘间加垫片。调整垫片的厚度使螺母产生轴向位移，以达到消除间隙和产生预拉紧力的目的。这种结构的特点是构造简单、可靠性好、刚度高以及装卸方便。但调整费时，并且在工作中不能随意调整，除非更换厚度不同的垫片。4321图7-18双螺母垫片调隙式结构1、2-单螺母3-螺母座4-调整垫片(b)螺纹调隙式（图7-20）其中一个螺母的外端有凸缘而另一个螺母的外端没有凸缘而制有螺纹，它伸出套筒外，并用两个圆螺母固定着。旋转圆螺母时，即可消除间隙，并产生预拉紧力，调整好后再用另一个圆螺母把它锁紧。图7-19双螺母螺纹调隙式结构1、2-单螺母3-平键4-调整螺母1234(c)齿差调隙式（图7-20）在两个螺母的凸缘上各制有圆柱齿轮，两者齿数相差一个齿，并装入内齿圈中，内齿圈用螺钉或定位销固定在套筒上。调整时，先取下两端的内齿圈，当两个滚珠螺母相对于套筒同方向转动相同齿数时，一个滚珠螺母对另一个滚珠螺母产生相对角位移，从而使滚珠螺母对于滚珠丝杠的螺旋滚道相对移动，达到消除间隙并施加预紧力的目的。图7-20双螺母齿差调隙式结构1、2-单螺母3、4-内齿轮z13z2124滚珠丝杠副的标注方法×——循环方式预紧方式公称直径基本导程负荷滚珠总圈数精度等级螺纹旋向浮动式F双螺母齿差预紧C内循环双螺母垫片预紧D固定式G预紧方式双螺母螺纹预紧L单螺母变导程自预紧B插管式C外循环螺旋槽式L螺旋旋向为左、右旋，只标左旋代号为LH，右旋不标。例CTC63×10—3.5—3.5/2000×1600表示为插管突出式外循环（CT），双螺母齿差预紧（C）的滚珠丝杠副，公称直径63mm，基本导程10mm，负荷滚珠总圈数3.5圈，精度等级3.5级，螺纹旋向