机电一体化技术第3章 机电一体化机械设计
机电一体化系统设计ppt课件
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
3、有源接口：含有有源要素，可以主动进 行匹配的接口。如电磁离合器、放大器、 光电耦合器等
4、智能接口：带有微处理器，可以进行程 序编制或可适应性地改变接口条件。如自 动变速装置、通用输入/输出集成电路， STD总线等
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
1.2.2 机电一体化系统的功能构成
构成功能的目的：处理工业三大要素 信息、能量、物质 功能构成
1、变换（加工、处理）功能 2、传递（移动、输送）功能 3、储存（保持、积蓄、记录）功能
2.2机电一体化系统设计与现代设计方法
设计程序 ①明确设计思想 ②分析综合要求 ③划分功能模块 ④决定性能参数 ⑤调研类似产品 ⑥拟定总体方案 ⑦方案对比定型 ⑧编写总体设计论证书
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
3、信息接口：受规格、标准、法律、语言、 符号等逻辑、软件约束的接口。如RS232， GB，ISO，ASCII，FORTRAN，C++等
4、环境接口：对周围环境条件（温度、湿 度、磁场、振动、水、气、灰、火、放射） 有保护作用的接口。如防尘接头，防水开 关等
【DOC】第3章机电一体化技术与系统中微型计算机控制系统及接
第3章：机电一体化技术与系统中微型计算机控制系统及接口设计 3.1 控制系统的一般设计思路3.1.1专用与通用、硬件与软件的权衡与抉择1. 专用与通用的抉择 专用控制系统：适合于大批量生产的而且较成熟的机电一体化产品。
通用控制系统：适合还在不断改进，结构还不十分稳定的产品。
2. 硬件与软件的权衡根据经济性和可靠性的标准权衡决定。
例：分立元件组成硬件------软件 利用LSI 芯片组成电路-----软件3.1.2 控制系统的一般设计思路 设计步骤为：确定系统整体控制方案；确定控制算法；选用微型计算机；系统总体设计；软件设计等。
1、确定系统整体控制方案（1）应了解被控对象的控制要求，构思控制系统的整体方案。
（2）考虑执行元件采用何种方式。
（3）要考虑是否有特殊控制要求。
（4）考虑微机在整个控制系统中的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理，微机应承担哪些任务，为完成这些任务，微机应具备哪些功能，需要哪些输入/输出通道、配备哪些外围设备。
（5）应初步估算其成本。
2、确定控制算法建立该系统的数学模型，确定其控制算法。
数学模型：就是系统动态特性的数学表达式。
它反映了系统输入、内部状态和输出之间的数量和逻辑关系。
控制算法：所谓计算机控制，就是按照规定的控制算法进行控制，因此，控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败。
例如：机床控制中常使用的逐点比较法的控制算法和数字积分法的控制算法；直线算法：a a xy yx F -= 或K x y T T ee Y X==∆∆ 圆弧算法：222R Y X F i i i -+= 或yxT T Y X =∆∆ 直接数字控制系统中常用的PID 调节的控制算法；位置数字伺服系统中常用的实现最少拍控制的控制算法；另外，还有各种最优控制的控制算法、随机控制和自适应控制的控制算法。
3、选择微型计算机 （1）较完善的中断系统 （2）足够的存储容量（3）完备的输入／输出通道和实时时钟（4）特殊要求：字长、速度、指令4、系统总体设计设计中主要考虑硬件与软件功能的分配与协调、接口设计、通道设计、操作控制台设计、可靠性设计等问题。
第3章机电一体化系统机械子系统设计
机电一体化系统中常用的传动机构
杠杆机构
机电一体化系统中常用的传动机构
连杆机构
配气连杆机构
机电一体化系统中常用的传动机构
连杆机构 中国援助日本 62米泵车
三一重工
1869年德国斯图加特出现了由后轮导向和驱动的自行车，同 时车上采用了滚动轴承、飞轮、脚刹、弹簧等部件。
机械系统
4.增加了传动装置
1874年英国人劳森在自行车上别出心裁地装上链条和链轮
机械系统
5.结构形式的改变
近代为了操作者的安全和舒适自行车结构进行了变革
机械系统 6.传动装置与结构的改进
机电一体化中的机械系统
4、轴系
轴系由轴、轴承及安装在轴上的齿轮、带 轮等传动部件组成。轴系的主要作用是传递转 矩及精确的回转运动，它直接承受外力。
5、机座或机架
支撑其他零部件的基础部件，它既能承受 其他零部件的重量和工作载荷，又起保证各零 部件相对位置的基准作用。
机电系统机械设计技术
机械设计技术
机械传动装置设计
滚珠丝杠传动 无侧隙齿轮传动 谐波齿轮传动 同步齿形带传动 膜片弹性联轴器
机电一体化中的机械系统
执行机构
机
械
系
统
的
传动机构
构
成
做操 机器人
轴系
导向机构 机座
1、传动机构
机电一体化机械系统中，传动机构影响 系统的精度、稳定性和快速性。
传动 机构
1、传动机构
机械传动机构的功能 功能：传递运动(速度、位移)和动力(力、力矩)
增速或减速；变速； 动力机的动力传递给执 改变运动规律或形式 行机的驱动力(力矩）
机电一体化系统中常用的传动机构
传递空间两相交轴的运动和动力，传动平 稳、承载能力强，适合高速、重载，通常取大 端参数为标准值，精度比圆柱齿轮差。
机电一体化系统设计 第3章 执行元器件
第 3 章 执行元件的选择与设计
§3-3 交流伺服电机及驱动器
伺服系统的有哪几部分组成 ➢ 机构-结构：接受执行器输出的力、力矩或功率产生机构 运动，完成最终目标。结构部分把各组成部分联成一体， 起支持与定位作用。 ➢ 能源：主要作用是给机械运动提供足够的动力，同时也 向传感器、信息处理器提供所需的能量。 ➢ 伺服电机:（M）驱动信号控制转换电路 电力电子驱动放 大模块, 电流调解单元，速度调解单元 检测装置
6）电机测试方式
通过键盘操作，伺服电机按照参数设定的脉冲频率转动。用于测试位置控制方式。
第 3 章 执行元件的选择与设计
§3-3 交流伺服电机及驱动器
交流伺服系统 PSDD驱动器驱动方式简介
电子齿轮
第 3 章 执行元件的选择与设计
§3-3 交流伺服电机及驱动器
交流伺服系统 PSDD驱动器
（1）电源输入端子：
§3-3 交流伺服电机及驱动器
交流伺服系统 PSDD驱动器驱动方式简介
4）JOG控制方式
通过按键操作控制电机点动。按下按键，电机按设定的参数转动，松开按键， 停止转动。用于手动移动机械装置到某一固定位置。
5）电机零点调试方式
长期使用后，编码器的零点可能偏移。该操作重新将编码器调零。该操作只能 在空载下进行，否则影响精度。
第 3 章 执行元件的选择与设计
§3-1 执行元件的种类、特点及基本要求
一、执行元件的种类及特点
电磁式是将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构运动。 液压式是先将电能变换为液压能并用电磁阀改变压力油的流向，
从而使液压执行元件驱动运行机构运动。 气压式与液压式的原理相同，只是将介质由油改为气体而已。 其他执行元件与使用材料有关，如使用双金属片、形状记忆合金
机电一体化系统设计第三章
39
第3章 控制系统设计
(3) 离散系统的时间响应
图3.37离散系统的时间响应
40
第3章 控制系统设计
3.5.4 离散系统的性能分析
图3.38平面的映射关系
Bem N1 Bm N BL 2
2
J em
N1 Jm N JL 2
c (s) r ( s ) R B s (1 T s )(1 T s ) K K s K AK N 1 a em a em b i s i
图3.26 理想采样开关后所得的采样脉冲序列 18
第3章 控制系统设计
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第3章 控制系统设计
20
第3章 控制系统设计
（2）信号采样的数学描述 1）脉冲函数的采样性质 ●脉冲函数…如图所示，其数学表达式为
……
…………………………………………………… (3.59)
●脉冲强度
……………………………………………………(3.60)
（3）保持器 保持器：将离散的采样信号恢复到原连续信号的装置。 理想的保持器如图3.28所示频谱的低通滤波器。
零阶保持器：将前一个采样时刻的采 样值………保持到下一个采样时刻 ………，如图3.29所示。
3.28 理想保持器的频谱
3.29应用零阶保持器恢复的信号
31
第3章 控制系统设计
零阶保持器：将前一个采样 时刻的采样值………保持到 下一个采样时刻……..…，如 图3.29所示。零阶保持器的时 域函数： …………………………(3.71) ………. 零阶保持器的传递函数 …………………………(3.73) ……… 零阶保持器的频谱特性如图 所示。
第3章 控制系统设计
1. 直流电动机
机电一体化毕业论文
机电一体化毕业论文LG GROUP system office room 【LGA16H-LGYY-LGUA8Q8-LGA162】毕业论文课题名称机电一体化技术的应用与发展姓名 XXX 学号 XXXXXXX所在系机电系专业年级机电XX指导教师 XXX二O一 4 年 X 月XX日目录第一章机电一体化的基本概念 (2)基本概念 (2)第二章机电一体化技术的发展历程 (3)第三章机电一体化技术的发展方向 (4)光机电一体化方向 (4)柔性化方向 (4)智能化方向 (4)仿生物系统化方向 (4)微型化方向 (5)第四章机电一体化技术的应用 (5)在现代机械制造业中的应用 (5)在饮料行业中的应用 (5)在钢铁企业中的应用 (6)第五章机电一体化产品的发展趋势 (7)智能化 (7)数字化 (7)模块化 (7)网络化 (7)自源化 (8)人性化 (8)微型化 (8)绿色化 (8)第六章典型机电一体化产品的发展趋势 (9)自动机与自动生产线 (9)结束语 (9)感谢辞 (10)参考文献 (11)第一章机电一体化的基本概念基本概念机电一体化又称机械电子学，英语称为Mechatronics，它是由英文机械学Mechanics的前半部分与电子学Electronics的后半部分组合而成。
机电一体化最早出现在1971年日本杂志《机械设计》的副刊上，随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化的概念被我们广泛接受和普遍应用。
随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用,机电一体化技术获得前所未有的发展。
现在的机电一体化技术，是机械和微电子技术紧密集合的一门技术，他的发展使冷冰冰的机器有了人性化，智能化。
机电一体化是在以机械、电子技术和计算机科学为主的多门学科相互渗透、相互结合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴边缘技术学科，而机电一体化产品是在机械产品的基础上，采用微电子技术和计算机技术生产出来的新一代产品。
机电一体化技术同时也是工程领域不同种类技术的综合及集合，它是建立在机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术、自动控制技术、电力电子技术、伺服驱动技术以及系统总体技术基础之上的一种高新技术第二章机电一体化技术的发展历程“机电一体化”这个词是日本安川电机公司在上世纪60年代末作商业注册时最先创用的。
机电一体化概论
计算机辅助工程（CAE）是采用CAE技术以 及有限元分析发，可实现对质量、体积、
惯性力矩、强度等计算分析；对产品的运 动精度，动、静态特征等的性能分析；对 产品的应力、变形等的结构分析。
五、并行工程
并行工程是集成地、并行地设计产品及其 部件和相关各种过程的一种系统工作模式。
律、分析方法和自控系统的构造等。 三、机电一体化技术的特点 机电一体化技术具有以下特点： 1、体积小、重量轻
2、速度快、精度高 3、可靠性高 4、柔性好
由于机电一体化技术的上述特点，使其机 电一体化产品具有节能、高质、高效、低 成本的共性，从而产生一系列过去不可想 象的新产品。
管理信息系统（MIS）、物料需求计划（MRP） 制造资源计划(MRP)等。
从狭义上来讲，先进制造是指各种计算机辅助制 造设备和计算机集成制造系统。
生产过程中机电一体化所包括的内容： 一、计算机的辅助设计
计算机的辅助设计是在计算机硬件与软件的支撑 下，通过对产品的描述、造型、系统分析、优化、 仿真和图形处理的研究，使计算机辅助完成产品 的全部设计过程，最后输出满意的设计结果和产 品图形。
为系统提供能量和动力。使系统正常运行。 （4）传感器（检测要素） 传感器是将被测对象的状态、性质等信息
转换为一定的物理量或者化学量。 （5）计算机控制装置（控制要素） 为达到一定的目的而实行的适当的操作成
为控制。
6、接口
机电一体化系统由许多要素或子系统构成， 各子系统之间必须能顺利进行物质、能量 和信息的传递与交换，为此各要素或子系 统相接处必须具备一定的联系部件，这个 部件称为接口，其基本功能主要有三个：1、 交换，需要进行信息交换和传输之间，2、 放大，在两个信息强度相差悬殊的环节间， 经接口放大，达到能量的匹配；
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。
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第3章 机电一体化机械设计
图 3-10 刚性连接结构
第3章 机电一体化机械设计 2. 弹性连接结构 ; 图3-11所示的装置中,螺旋传动采用了弹性连接结构。
第3章 机电一体化机械设计
图 3-11 测量显微镜纵向测微螺旋
第3章 机电一体化机械设计 3.活动连接结构 ; 图3-12所示为活动连接结构的原理图。恢复力F（一般
斜齿轮 3 、 4 的螺旋线错位 , 齿侧面相应地与宽齿轮 1 的 左、右侧面贴紧。垫片的厚度H与齿侧间隙Δ的关系为 H=Δ cosβ 式中,β 2. 轴向压簧调整法如图3-4所示。 (3-1)
第3章 机电一体化机械设计
图 3-3 斜齿薄片齿轮垫片调整
第3章 机电一体化机械设计
图3-4 斜齿薄片齿轮轴向压簧调整
（1）螺距误差。
（2）中径误差。 （3）牙型半角误差。螺纹实际牙型半角与理论牙 型半角之差称为牙型半角误差（如图3-13 所示）
第3章 机电一体化机械设计
转动螺母7（螺母6用于锁紧）可改变弹簧8的张力大小, 调节齿轮1、2的相对位置,达到错齿。这种错齿调整法
的齿侧间隙可自动补偿，但结构复杂。
第3章 机电一体化机械设计
图3-2 圆柱薄片齿轮错齿调整
第3章 机电一体化机械设计 3.1.2 斜齿轮传动机构 1.垫片调整法
图 3-3 中两薄片斜齿轮 3 、 4 中间加一垫片 2, 使薄片
Ph——导程；
φ ——螺杆和螺母间的相对转角。 3.2.1 1. 降速传动比大 2. 具有增力作用
3. 能自锁
4. 效率低、磨损快
第3章 机电一体化机械设计 3.2.2 滑动螺旋传动的形式及应用 1. 螺母固定,
如图3-8(a)所示,这种传动型式的螺母本身就起着支 承作用,从而简化了结构,消除了螺杆与轴承之间可能产 生的轴向窜动,容易获得较高的传动精度。缺点是所占 轴向尺寸较大（螺杆行程的两倍加上螺母高度）,刚性 较差。因此该形式仅适用于行程短的情况。
第3章 机电一体化机械设计
图3-9 差动螺旋传动原理
第3章 机电一体化机械设计 设螺杆3左、右两段螺纹的旋向相同,且导程分别为 Ph1和Ph2 。当螺杆转动φ角时,可动螺母2的移动距离为 (3-3) 如果Ph1 与Ph2相差很小,则 L很小。因此差动螺旋 常用于各种微动装置中。 若螺杆3左、右两段螺纹的旋向相反,则当螺杆转动 φ角时,可动螺母2的移动距离为
齿条7上齿槽的左、右两侧,消除了齿侧间隙。
第3章 机电一体化机械设计
图 3-7 双齿轮调整
第3章 机电一体化机械设计
3.2 滑动螺旋传动
螺旋传动是机电一体化系统中常用的一种传动形 式。它利用螺杆与螺母的相对运动， 将旋转运动变为 直线运动,
（3-2）
第3章 机电一体化机械设计 式中: ; L——螺杆（或螺母）的位移；
第3章 机电一体化机械设计
图3-6 锥齿轮周向弹簧调整
第3章 机电一体化机械设计 3.1.4 如图3-7所示,小齿轮1、6分别与齿条7啮合,与小齿
轮1、6同轴的大齿轮2、5分别与齿轮3啮合,通过预载装
置4向齿轮3上预加负载,使大齿轮2、5同时向两个相反 方向转动,从而带动小齿轮1、6转动,其齿便分别紧贴在
第3章 机电一体化机械设计
第3章 机电一体化机械设计
3.1
3.2 滑动螺旋传动 3.3 滚珠螺旋传动 3.4 滑动摩擦导轨 3.5 滚动摩擦导轨
3.6 静压螺旋传动与静压导轨简介
思考题
第3章 机电一体化机械设计
3.1
1.偏心轴套调整法 图3-1所示为最简单的偏心轴套式消隙结构。电动 机2通过偏心轴套1装在壳体上。1.偏心轴套调整法 转动偏心轴套1可以调整两啮合齿轮的中心距,从而消除 直齿圆柱齿轮传动的齿侧间隙及其造成的换向死区。
（3-4）
可见 , 此时差动螺旋变成快速移动螺旋 , 即螺母 2 相 对螺母1快速趋近或离开。这种螺旋装置用于要求快速 夹紧的夹具或锁紧装置中。
第3章 机电一体化机械设计 3.2.3 螺旋副零件与滑板连接结构的确定 1. 刚性连接结构 ;
图3-10所示为刚性连接结构,这种连接结构的特点
是牢固可靠。
2.螺杆转动,
如图 3-8(b) 所示 , 这种传动形式的特点是结构紧凑 （所占轴向尺寸取决于螺母高度及行程大小）,刚度较 大,因此适用于工作行程较长的情况。
第3章 机电一体化机械设计
图3-8 滑动螺旋传动的基本型式
第3章 机电一体化机械设计 除上述两种基本传动形式外,还有一种螺旋传动—— 差动螺旋传动,其原理如图3-9所示。
这种方法结构简单,但侧隙调整后不能自动补偿。
第3章 机电一体化机械设计
图3-1 偏心轴套式消隙结构
第3章 机电一体化机械设计 如图3-2所示,两薄片齿轮1、2上各装入有螺纹的凸 耳3、 4,螺钉 5装在凸耳3上 , 螺母6、 7可调节螺钉5 的伸
出长度。弹簧8一端勾在凸耳9上,另一端勾在钉5上。
为弹簧力）使连接部分保持经常接触。当滑板 1 的运动方
向与螺杆2的轴线不平行时,通过螺杆端部的球面与滑板在 接触处自由滑动（图 3-12(a) ）, 或中间杆 3 自由偏斜（图 3-
12(b) ）,可以避免螺旋副中产生过大的应力。
第3章 机电一体化机械设计
图3-12 活动连接结构
第3章 机电一体化机械设计 3.2.4 影响螺旋传动精度的因素及提高传动精度的措施 1.螺纹参数误差
第3章 机电一体化机械设计 3.1.3 1.
如图 3-5 所示 , 在锥齿轮 4 的传动轴 7 上装有压簧 5, 其轴
向力大小由螺母6调节。锥齿轮4在压簧5的作用下可轴向 移动,从而消除了其与啮合的锥齿轮1之间的齿侧间隙。
第3章 机电一体化机械设计
图 3-5 锥齿轮轴向压簧调整
第3章 机电一体化机械设计 2. 周向弹簧调整法 如图 3-6 所示 , 将与锥齿轮 3 啮合的齿轮作成大小两片 （1、2）,在大片锥齿轮1上制有三个周向圆弧槽 8,小片锥齿 轮2的端面制有三个可伸入槽8的凸爪7。弹簧5装在槽8中,一 端顶在凸爪7上,另一端顶在镶在槽8中的镶块4上。止动螺钉 6装配时用,安装完毕将其卸下,则大小片锥齿轮1、2在弹簧力 作用下错齿,从而达到消除间隙的目的。