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第一章绪论●机电一体化是指机械装置和电子设备适当地组合起来，构成机械产品或机电一体与机信一体的新趋势。●机电一体化是把机械学和电子学有机地结合起来，提供更加优越技术的一种技术。●机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。机电一体化的目的是使产品具有多功能、高效率、高智能、高可靠性，同时又能节省材料、省能源，使产品向轻、薄、细、小、巧的方向发展，以不断满足人们生活的多样化要求和生产的省力化，自动化需求。机电一体化基本结构要素：1．机械本体包括机身、框架机械联接等在内的产品支持结构属于基础部分，实现产品的构造功能。2．动力源向系统提供能量，并将输入的能量转换成需要的形式，实现动力功能。3．检测与传感装置包括各种传感器及其信号检测路，用于对产品运行时的内部状态和外部环境进行检测，提供运行控制所需的各种信息，实现计测功能。4．控制与信息处理装置主要是指由计算机及其相应硬、软件所构成的控制系统。5．执行机构包括机械传动与操作机构，在控制信息作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。是机电一体化产品中最重要的组成要素之一。机电一体化产品可划分为功能附加型、功能替代型和机电融合型三类。1．功能附加型产品：主要特征是在原有机械产品基础上，采用微电子技术，使产品功能增加和增强，性能得到适当的提高。经济型数控机床、电子秤、数显量具、全自动洗衣机等都属于这一类机电一体化产品。2．功能替代型产品：主要特征是采用电子技术及装置取代原产品中的机械控制功能、信息处理功能或主功能，使产品结构简化，性能提高。柔性增加，如电子缝纫机、自动照相机等用微电于装置取代了原来复杂的机械控制机构；线切割加工机床、激光手术器等则用因微电子技术的应用而产生的新功能，取代了原来机械的主功能。3．机电融合型产品：主要特征是根据产品的功能和性能要求及技术规范，采用专门设计的或具有特定用途的集成电路来实现产品中的控制和信息处理等功能，因而使产品结构更加紧凑、设计更灵活、成本进一步降低。传真机、复印机、摄象机、磁盘驱动器、CNC数控机床等都是这一类机电一体产品。机电一体化共性关键技术一、机械技术机械技术是机电一体化的基础。机电一体化产品中的主功能和构造功能，它主要是以机械技术为主实现的。二、计算机与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硬件技术和软件技术、网络与通信技术、数据库技术等。在机电一体化产品中，计算机与信息处理装置指挥整个产品的运行。计算机应用及信息处理技术已成为促进机电一体化技术和产品发展的最活跃的因素。三、检测与传感技术检测与传感技术的研究对象是传感器及其信号检测装置。机电一体化产品中，传感器作为感受器官，将各种内、外部信息通过相应的信号检测装置反馈给控制及信息处理装置。因此检测与传感是实现自动控制的关键环节。四、自动控制技术自动控制技术范围很广，包括自动控制理论、控制系统设计、系统仿真、现场调试、可靠运行等从理论到实践的整个过程。自动控制技术的难点在于自动控制理论的工程化与实用化。五、伺服驱动技术伺服驱动技术的主要研究对象是执行元件及其驱动装置。执行元件有电动、气动、液压等多种类型，因此伺服驱动技术是直接执行操作的技术，对机电一体化产品的动态性能、稳态精度、控制质量等具有决定性的影响。六、系统总体技术系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统工程的观点和方法，将系统总体分解成相互有机联系的若干功能单元，然后再把功功能和技术方案组合成方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。机电一体化设计突出体现在两个方面：一方面，当产品的某一功能单靠某一种技术无法实现时，必须进行机械与电子及其它多种技术有机结合的一体化设计；另一方面，当产品某一功能的实现有多种可行的技术方案时，也必须应用机电了体化技术对各种技术方案进行分析和评价，选择最优的技术方案。因此，机电一体化设计必须充分考虑各种技术方案的等效性、互补性及可比性。机电一体化产品设计一般可分为三种类型：（1）开发性设计一个从无到有的创造过程，是在没有任何样板可供参考的情况下，根据功能和性能要求所进行的设计。开发性设计要求设计者具备敏锐的市场洞察力、丰富的想象力和广泛而扎实的基础理论知识。（2）适应性设计在原有产品总的方案基本不变的情况下，对产品的某些局部加以变动或改进，以增加功能、提高性能和质量或降低成本为目的生所进行的设计。适应性设计要求设计者对原有产品及相关的市场需求变化和技术进步有充分的了解和掌握。（3）变异性设计在设计方案和功能结构不变的情况下，通过改变改变尺寸、速度、力或功率等参数，以满足市场对产吕规格方面的需求进行的系列化设计。变异性设计比较容易，但设计中必须注意采取措施防止因参数变化可能对产品性能产生的影响。第二章机械系统设计一、机电一体化对机械系统的基本要求．1．高精度精度直接影响产品的质量，如果机械系统的精度不能满足要求，则无论机电一体化产品其它系统工作再精确，也无法完成其预定的机械操作。2．快速响应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。3．良好的稳定性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。二．机械系统的组成1.传动机构以满足整个机械系统良好的伺服性能。要满足传动精度的要求。2.导向机构其作用是支承和导向。3.执行机构具有较高的灵敏度、精确度，良好的重复性和可靠性。一、传动机构性能要求1．转动惯量小转动惯量大会对系统造成不良影响，机械负载增大；系统响应速度降低，灵敏度下降；系统固有频率减小，容易产生谐振，在设计传动机构时应尽量减小转动惯量。2．刚度大刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用力。大刚度对机械系统而言是有利的。3．阻尼合适要求摩擦小、抗振性好、间隙小。二、无侧隙齿轮传动机构（一）直齿圆柱齿轮传动机构1．偏心轴套调整法2．双片薄齿轮错齿调整法(二)斜齿轮传动机构1．垫片调整法2.轴向压簧调整法（三)锥齿轮传动机构1．轴向压簧调整法2．周向弹簧调整法（四)齿轮齿条传动机构1双片薄齿轮错齿调整法2双齿轮调整法三、滚珠丝杠副传动机构(一)滚珠丝杠副的特点1．传动效率高2．运动具有可逆性3．系统刚度好4．传动精度高5．使用寿命长6．不能自锁7．制造工艺复杂（二)滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法滚珠丝杠副对其轴向间隙有严格要求，以比保证其反向传动精度，通常采用双螺母预紧的方法，减小或消除轴向间隙，提高滚珠丝杠副的刚度。常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有三种：（1）垫片调隙式(图2-9)（2）螺纹调隙式（图2-10）（3）齿差调隙式(图2-11)(四)滚珠丝杠副的安装1．支承方式的选择（如表2-5）（1）一端固定、一端自由(F—O)（如图2-13）（2）一端固定、一端游动(F—S)（如图2-14）（3）两端固定(F-F)（如图2-15）2.制动装置由于滚动丝杠副的传动效率高，又无自锁能力，故需要安装制动装置以满足其传动要求，特别是当其处于垂直传动时。四、锥环无键联轴器：该机构利用锥环之间的摩擦实现轴与毂之间的无间隙联接传递转矩，且可任意调节两联接件之间的角度位置。通过选择所用锥环的对数，可传递不同大小的转矩。这种联轴器定心性好，承载能力高，传递功率大，转速高，寿命长，具有过载保护能力，能在受振动和冲击载荷等恶劣条件下连续工作。五、其它传动机构(一)软轴传动机构(二)同步齿形带传动机构同步齿形带传动机构利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次相啮合传递运动和动力。它兼有带传动齿轮传动及链传动的优点，能方便地实现较远中心距的传动，传动过程无相对滑动，平均传动准确．，传动精度高，传动效率高，因此在数控机床、工业机器人等伺服传动中得到广泛应用。(三)谐波齿轮减速器柔轮的齿数少于刚轮。一、导轨的功用机电一体化产品的导向机构是导轨，其作用是支承和导向。二、导轨的基本要求1．导向精度导向精度主要是指动导轨沿支承导轨运动的直线度或圆度。影响它的因素有：导轨的几何精度、接触精度、结构形式、刚度、热变形、装配质量以及液体动压和静压导轨的油膜厚度、油膜刚度等。2.耐磨性是指导轨在长期使用过程中能否保持一定的导向精度。3．疲劳和压溃导轨面由于过载或接触应力不均匀而使导轨表面产生弹性变形，反复运行多次后就会形成疲劳点，呈塑性变形，表面形成龟裂、剥落而出现凹坑这种现象就是压溃。4．刚度导轨受力变形会影响导轨的导向精度及部件之间的相对位置，因此要求导轨应有足够的刚度。5．低速运动平稳性低速运动时，作为运动部件的动导轨易产生爬行现象。6．结构工艺性三、导轨的分类和特点导轨主要由两部分组成，在工作时一部分固定不动，称为支承导轨，另一部分相对支承导轨作直线或回转运动，称为动导轨。根据导轨副(简称导轨)之间的摩擦情况，导轨分为：1：滑动导轨两导轨工作面的磨擦性质为滑动摩擦。2．滚动导轨两导轨表面之间为滚动摩擦，导向面之间放置滚珠、滚柱或滚针等滚动体来实现两导轨无滑动地相对运动。这种导轨磨损小，寿命长，定位精度高，运动平稳可靠，但结构复杂，制造困难，成本高。在高精密的机电一体化产品中应用广范。(一)滚动直线导轨的特点1.承载能力大其滚道采用圆弧形式，增大了滚动体与圆弧滚道接触面积，从而大大地提高了导轨的承载能力，可达到平面滚道形式的13倍。2.刚性强预加载荷,能承受较大的冲击和振动3.寿命长由于是纯滚动，摩擦系数为滑动导轨的1／50左右(二)滚动直线导轨的分类1．按滚动体的形状分有钢珠式和滚柱式两种2．按导轨截面形状分有矩形和梯形两种3．按滚道沟槽形状分有单圆弧和双圆弧二种，四、塑料导轨近年来各种塑料导轨制品已纷纷涌现，并形成各种系列，这不仅降低了导轨的生产成本，而且提高了导轨的抗振性、耐磨性、低速运动平稳性。(一)塑料导轨软带(如图2-34)(1)摩擦系数低而稳定(2)动静摩擦系数相近(3)吸收振动(4)耐磨性好(二)金属塑料复合导轨板该导轨板分为三层，内层钢背保证导轨板的机械强度和承载能力。钢背上镀铜烧结球形青铜粉或者铜丝网形成多孔中间层，以提高导轨板的导热性。表面自润滑塑料层——外层。金属塑料导轨板的特点是摩擦特性优良，耐磨损。一、执行机构的特点及要求机电一体化产品的执行机构是实现其主功能的重要环节，它应能快速地完成预期的动作，并具有响应速度快、动态特性好、动静态精度高、动作灵敏度高等特点。为实现不同的目的功能，需采用不同形式的执行机构，其中有电动的、机械的、电子的、激光的二、微动机构微动机构是一种能在一定范围内精确、微量地移动到给定位置或实现特定的进给运动的机构。微动机构的基本要求：1灵敏度高，最小移动量达到使用要求2传动灵活，平稳，无空程与爬行，制动后能保持稳定位置3抗干扰能力强，快速响应性好4良好的结构工艺性能。微动机构的形式：1手动机械式2热变形式3磁致伸缩式三定位机构是机械系统中一种确保移动件占据准确位置的执行机构，通常采用将分度机构和锁紧机构组合的形式来实现精确定位的要求。四、工业机器人末端执行器（一）机械夹持器（二）特种末端执行器特种末端执行器供工业器人完成某类特定的作（三）灵巧手第三章接口技术一、接口设计的重要性机电一体化技术是利用微电子技术，赋予机械系统“智能”，使其具有更高的自动化程度，最大限度地发挥机械能力的一种技术。机电一体化产品由机械分系统和微电子分系统(控制微机)两大部分组成，二者又分别由若干要素构成。要将各要素、各子系统有机地结合起来，构成一个完整的系统，就必须能顺利地在各要素、各子系统之间进行物质、能量和信息的传递与交换。各要素和子系统的相接处必须具备一定的联系条件，这个联系条件通常被称为接口。在某种意义上讲，机电一体化产品的设计，就是在根据功能要求，选择了各要素后所进行的接口设计。从这一观点出发，机电一体化产品的性能取决于接口的性能，各要素和各子系统之间的接口性能是综合系统性能好坏的决定性因素。接口设计是机电一体化产品设计的关键环节。二、接口的分类和特点按照接口所联系的子系统不同，以控制微机为出发点，将接口分为人机接口与机电接口两大类。机电