机电一体化机械系统的设计
机电一体化系统设计_第二章机械部件选择与设计
d) 弹簧式自动预紧调整
但结构复杂、轴向刚度较差、适合清载场合。
（3）选择滚珠丝杠副支承方式
为了提高滚珠丝杠传动副的支承刚度，从而提高传 动精度，滚珠丝杠副支承方式具有下属四种方式。
a) 单推--单推式支承
特点：两端止推轴承可使滚珠丝杆产生预拉伸力， 提高了丝杆安装刚度，预拉力越大，轴承寿命降低。
3）滚珠丝杠副的选择设计验算步骤
依据最大工作载荷(N)或平均工作载荷(N)作用下的使用寿命T(h)、 丝杆有效工作行程(mm)、丝杠转速(r/min)或平均转速(r/min)、滚 道硬度HRC以及工况等实际工作条件，进行一系列的验算。 〃 承载能力计算与滚珠丝杠副型号选择 在最大静载荷和动载荷条件下，进行弯曲强度、接触应力强度、 疲劳强度等验算，综合决定选择滚珠丝杠副型号。 〃 压杆稳定性验算或校核 压杆稳定性验算或校的基本要求是不影响滚珠丝杠副的精度和 变形附加载荷产生的摩擦阻力超过极限值。 〃 刚度验算 结构刚度（支承方式相关）和接触刚度（导轨滚道）。 **由此才能完成滚珠丝杠副的选择设计工作。
滚珠丝杠副的四种支承方式及其特点
（4）滚珠丝杠副的制动装置
作用：在垂直安装或在高速移动定位时，防止滚珠 丝杠副逆转发生不安全事故或定位不可靠（无自锁能 力）。 常用：超越离合器、双推式电磁离合器（制动器）。
2 1
6 7
3
4
5
4 3 2 1
超越离合器
双推式电磁离合器
超越离合器的工作原理
超越离合器是利用主动件和从动件的转速变化或回转方 向变换而自动接合和脱开的一种离合器。当主动件带动从 动件一起转动时，称为结合状态；当主动件和从动件脱开 以各自的速度回转时，为超越状态。
超越离合器具有以下功能 a.在快速进给机械中实现快慢速转换、超越功能。 b.实现步进间隙运动和精确定位的分度功能。
机电一体化及其机械系统的设计特点
机电一体化及其机械系统的设计特点摘要：近年来，机电一体化与机械系统的设计受到业界的广泛关注，因此对其相关课题的研究具有重要的意义。
介绍了机电一体化及其机械系统的设计特点，分析了机电一体化的设计原则和设计步骤，并结合相关的实践经验，从多个角度研究了机电一体化的发展趋势，阐述了一些个人的看法和体会，希望对相关的实际工作有所帮助。
关键词：机电一体化；机械系统；设计特点引言科学技术的不断发展和创新是当前和未来的趋势。
在电子技术和信息技术的推动下，传统的机械系统设计正面临着危机和挑战，主要表现在人工成本高、生产效率低、产品优势不明显等方面。
目前，机电一体化机械系统在许多产品中的优势越来越明显，并逐步取代传统的机械产品，不仅可以节省人力资源成本，提高工作效率，而且可以实现经济效益的最大化。
这就要求技术人员在传统机械系统设计的基础上提出新的设计思想，利用电子技术和信息技术设计新的机电一体化产品，以适应现代工业的需要。
1机电系统的概念从机电系统的结构来看，机电系统主要由多个信息处理系统组成。
由于信息处理系统的分支结构，机电一体化系统具有较强的信息处理能力。
从机电系统技术层面来看，其核心技术主要体现在机械技术、机械与信息技术、系统技术、自动控制技术和传动技术五个方面。
机械技术是机电一体化系统的基础。
其关键在于扭转高科技的使用理念，实现结构，并与机电一体化技术相结合，从而提高材料的精度、刚度和性能。
机械与信息技术主要是指实现信息交换、获取、操作等功能的技术，包括人工智能等信息技术。
系统技术是一个整体概念，是为相关技术应用而组织起来的。
从系统的总体目标来看，系统技术可分为多个功能单元的连接，其主要内容包括接口技术。
自动控制技术的范围非常广泛，涉及控制理论、指导系统设计、系统仿真、系统调试等。
该驱动技术主要应用于电动、气动和液压伺服系统的传动过程中。
驱动技术水平的高低对机电一体化系统的动态性能、控制质量和功能有着深远的影响。
2.2 机电一体化机械系统精度设计
3）内应力产生的变形 内应力产生的变形影响设备精密的稳定性。 它与材料、铸造、切削加工、热处理等都有密 切的关系。 例如，铸件要经过自然或人工时效才能消 除内应力；粗加工后要经过消除内应力的热处 理，才能进行精加工；表面或局部淬火可使零 件内软外硬，也需要回火处理降低其内应力等， 这些都是消除工艺过程产生内应力必不可少的 措施。
2.2机械系统的精度设计基础
1.阿贝误差原理 它是由德国人阿贝（E· Abbe）于1890年提出 的。其主要内容为：长度测量时，被测尺寸与 标准尺寸必须处在测量方向的同一直线上。
l
图2-10阿贝误差原理设计示例 Fig.2-10 Example of Design in Abbe Error Theory
2 2 2
这表示了Δ 1与θ 之间形成二阶误差关系。
1.精度设计中的主要原理与原则
图2-10b 所示为游标卡尺，被测件尺寸与 主尺上的读数刻度尺不在同一直线上，不符合 阿贝原理。同理，由于倾角θ 存在，产生的测 量误差Δ 2为：
2 L l Htg H (2 40)
2.2.2精度设计中的基本概念
1.误差的定义 对某个物理量进行测量时，所测得的数值 x i 与真值x0之间的差值称为误差Δ i，即： Δ i=xi－x0 (i=1～n为测量次数) (2-44) 误差大小反映了测量值对真值的偏离程度， 它具有下列特点： 任何测量手段无论精度多高，总是有误差存 在的，即真误差是客观存在的。即误差恒不为零。 当多次重复测量某个物理参数时，各次测量 值是不等的，这是误差不确定性的反映。只有测 量仪器的分辨率太低时，才会有相等情况出现。
5.基面统一原则
若因零件结构等原因，不符合这一原则， 可选择精度较高的面作为辅助基面。例如，测 量齿轮周节时，若周节仪以齿轮中心孔定位来 测量，就符合上述原则。若以齿根作为测量辅 助基面，它不符合基面统一原则，但比用齿顶 圆（误差较大）作为辅助基面时，测得的误差 要小些。
机电一体化机械系统的设计思想
机电一体化机械系统的设计思想
机电一体化的机械系统设计主要包括两个环节：静态设计和动态设计。
1、静态设计
静态设计是指依据系统的功能要求，通过讨论制定出机械系统的初步设计方案。
该方案只是一个初步的轮廓，包括系统主要零、部件的种类，各部件之间的联接方式，系统的掌握方式，所需能源方式等。
有了初步设计方案后，开头着手按技术要求设计系统的各组成部件的结构、运动关系及参数；零件的材料、结构、制造精度确定；执行元件（如电机）的参数、功率及过载力量的验算；相关元、部件的选择；系统的阻尼配置等。
以上称为稳态设计。
稳态设计保证了系统的静态特性要求。
2、动态设计
动态设计是讨论系统在频率域的特性，是借助静态设计的系统结构，通过建立系统组成各环节的数学模型和推导出系统整体的传递函数，利用自动掌握理论的方法求得该系统的频率特性（幅频特性和相频特性）。
系统的频率特性体现了系统对不同频率信号的反应，打算了系统的稳定性、最大工作频率和抗干扰力量。
静态设计是忽视了系统自身运动因素和干扰因素的影响状态下进行的产品设计，对于伺服精度和响应速度要求不高的机电一体化系统，静态设计就能够满意设计要求。
对于精密和高速智能化机电一体化系
统，环境干扰和系统自身的结构及运动因素对系统产生的影响会很大，因此必需通过调整各个环节的相关参数，转变系统的动态特性以保证系统的功能要求。
动态分析与设计过程往往会转变前期的部分设计方案，有时甚至会推翻整个方案，要求重新进行静态设计。
机电一体化系统设计与性能优化
机电一体化系统设计与性能优化机电一体化系统是将机械和电气两个部分完全融合在一起的系统。
它利用计算机技术、自动控制技术、电力电子技术和通信技术，实现机械和电气部分的高效协同工作。
在现代工业中，机电一体化系统已经广泛应用于诸如自动化生产设备、机器人、无人驾驶系统等领域。
设计一套高效稳定的机电一体化系统并优化其性能，对于提高生产效率、降低能源消耗和保证产品质量具有重要意义。
在机电一体化系统设计和性能优化过程中，以下几个关键因素需要被考虑：1. 功能设计：机电一体化系统的功能设计是系统设计的首要任务。
需要明确系统所需完成的功能，并设计相应的机械和电气部分。
例如，在自动化生产设备中，机电一体化系统需要能够实现自动化控制、传感器信号处理和执行器的运动控制。
2. 效率优化：机电一体化系统的效率优化是提高生产效率和降低能源消耗的关键。
在设计中，需要根据实际需求选择合适的传动装置、电机和控制器，以最大限度地提高系统的能效。
此外，还可以利用节能控制策略，如能量回收和动态负载平衡，进一步提高系统的效率。
3. 信号采集和处理：机电一体化系统设计中的另一个重要方面是信号采集和处理。
系统需要能够准确地获取来自各传感器的信号，并实时处理这些信号。
在设计过程中，需要选择合适的传感器和信号处理器，以确保系统能够准确地感知和响应外界环境的变化。
4. 控制策略：控制策略是机电一体化系统性能优化的关键。
根据系统的实际需求，需要选择合适的控制策略。
例如，在机器人系统中，可以采用基于力矩控制的控制策略，以实现更精确的运动控制。
此外，还可以利用自适应控制和模糊控制等先进算法，以进一步优化系统的性能。
5. 系统安全和可靠性：机电一体化系统设计和性能优化中，系统的安全和可靠性是至关重要的。
需要对系统进行全面的风险评估，并采取相应的安全措施，如防护装置、报警系统和紧急停止装置等。
此外，还需要进行系统的可靠性分析，以确保系统在长期运行过程中稳定可靠。
智能机械手的机电一体化系统设计
智能机械手的机电一体化系统设计智能机械手的机电一体化系统设计包括以下几个方面：1、机械结构设计：机械手的结构设计是整个机械手系统的基础，包括机械手的臂长、关节数量、关节角度范围、端部执行器等等。
设计者需要考虑各种因素，如负载重量、精度要求、工作环境、安全等等。
2、电机选择与控制设计：电机是机械手里非常重要的组成部分。
设计者需要根据工作负荷重量、运动速度、精度要求等特征选取合适的电机。
同时，需要考虑电机控制电路的设计，包括电机驱动IC的选型、功率MOS管的功率容量、驱动电源的设计等等。
3、传感器与测量设计：为了让机械手能够感知和感应外界环境和负载信息，需要在机械手上安装各种传感器和测量设备，例如编码器、压力传感器、力矩传感器、距离传感器等等。
设计者需要根据具体需求选取合适的传感器，并设计相应的测量电路和信号处理电路。
4、控制系统设计：机械手的控制系统主要包括控制电路和控制软件两个方面。
控制电路主要通过硬件电路实现机械手的各个关节运动控制和传感器反馈。
控制软件通过编程实现控制电路的控制逻辑和算法，包括运动控制算法、反馈控制算法、故障检测与处理算法等等。
设计者需要考虑控制系统的实时性、可靠性、扩展性和安全性等方面。
5、通信和联网设计：现代智能机械手常常需要和其他设备、系统进行联网通信，例如工控机、PLC、MES等。
设计者需要根据不同的通讯协议、网络协议，在机械手控制系统中设计适合的通讯接口和通讯协议，并确保通讯的稳定性和安全性。
综上所述，智能机械手的机电一体化系统设计需要深入整个机械手应用场景的需求，尊重并满足机械力学、控制理论、电子电路、通信等多方面的要求，从而才能保证机械手的运动精度、稳定性、效率和安全性。
机电一体化(第2章 机械系统)
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。
机电一体化系统设计有机结合分析与设计
推动模块的标准化和互换性，降低维护成本和提高系统灵活性。
结合实例分析
实例一
数控机床的机电一体化系统设计， 通过电子系统实现对机床运动的
精确控制，提高加工精度和效率。
实例二
智能机器人的机电一体化系统设计， 集成传感器、控制器和执行器，实 现机器人的自主导航、物体识别和 抓取等功能。
实例三
机床的性能和稳定性。
数控机床的应用范围广泛，可适用于各种复杂零件的 加工，为现代制造业的发展提供了重要的技术支持。
自动化生产线设计
自动化生产线是机电一体化系统设计 的又一重要应用，通过自动化技术实 现生产过程的连续性和高效性。
自动化生产线在汽车、电子产品、食 品等领域得到广泛应用，提高了生产 效率和产品质量，降低了生产成本。
结合原则
确保机电一体化系统的稳定性、可靠性、高效性 和低成本。
接口设计
合理设计机械与电子系统之间的接口，实现数据 和信号的有效传输。
结合策略与实现
策略
采用模块化设计方法，将机电一体化系统划分为若干个功能模块， 分别进行设计、优化和集成。
实现
利用现代计算机辅助设计工具进行建模、仿真和分析，确保各模块 之间的协调性和整体性能的最优化。
风力发电机的机电一体化系统设计， 将机械能转换为电能，同时考虑风 能利用率和系统稳定性。
04
机电一体化系统设计案例
数控机床设计
数控机床是机电一体化系统设计的典型案例，通过将 机械、电子、控制等技术有机结合，实现高精度、高
效率的加工能力。
数控机床设计过程中，需要考虑机床的整体布局、传 动系统、控制系统、冷却系统等方面的设计，以确保
机械系统设计是机电一体化系统 的核心部分，包括机械结构、传
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
浅谈机电一体化机械系统的设计摘要：机电一体化是在微电子技术向机械工业领域渗透过程中逐渐形成并发展起来的一门独立的综合性交叉学科,是多种技术向“机械母体”不断渗透的结果;机械系统是机电一体化的重要组成部分,是实现机电一体化产品功能的最基本的部件,机械系统的发展和进步推动和促进了机电一体化的发展。
在机电一体化日益发展的今天,探讨机电一体化机械系统设计的思路和对策,有着重要的现实意义。
关键词：机电一体化；机械系统；设计
中图分类号：th-39文献标识码：a文章编号：
引言：
随着科技的发展,尤其是:电子技术、信息技术的发展,使得传统的机械系统的设计受到了极大的冲击。
现在,越来越多的机电‘一体化产品在机械系统中发挥着重要的作用。
面对信息时代冲击,客观要求工程技术人员改变传统的设计思维理念,在传统的机械系统设计的基础上,结合电子技术、信息技术,设计出更多更好的机电一体化产品。
1.机电一体化机械系统的设计特点
传统的机械系统和机电一体化机械系统的主要功能都是完成一系列的机械运动,但由于它们的组成不同,导致它们实现运动的方式也不同。
传统机械系统一般是由动力件、传动件、执行件3部分
加上电器、液压和机械控制等部分组成,而机电一体化中的机械系统应该是“由计算机信息网络协调与控制的,用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统”。
其核心是由计算机控制的,包括机、电、液、光、磁等技术的伺服系统。
由此可见,机电一体化中的机械系统,已经成为机电一体化伺服系统中的一个重要组成部分,它不再仅仅是转速和转矩的变换器,还需使伺服电机和负载之间的转速与转矩得到匹配,也就是
在满足伺服系统高精度、高响应速度、良好稳定性的前提下,还应该具有较大的刚度、较高的可靠性和重量轻、体积小、寿命长等特点。
机电一体化机械系统设计与传统的机械系统设计一样有传动设计和结构设计部分,只是由于机电一体化的特征决定了在机械系统设计过程中有它自身的特点,下面就从传动设计和结构设计两方面进行叙述。
1.1机械传动设计的特点
机械传动设计的任务是把动力机产生的机械能传递到执行机械上去,机电一体化系统中机械传动系统的设计就是面向机电伺服系统的伺服机械传动系统设计。
根据机电有机结合的原则,机电一体化系统中采用了调速范围大、可无级调速的控制电机,从而节省了大量用于进行变速和换向的齿轮、轴承和轴类零件,减少了产生误差的环节,提高了传动效率,因此使机械传动设计也得到了很大的
简化,其机械传动方式也由传统的串联或串并联方式演变为并联的传动方式,即每一个机械运动都由单独的控制电机、传动机构和执行机构组成的子系统来完成,各个运动之间的传动关系则由计算机来统一协调和控制。
因此机电一体化机械传动系统具有传动链短、转动惯量小、尽可能采用线性传递、无间隙传递等设计特点。
1.2机械结构设计的特点
机电一体化的机械结构仍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就应综合考虑到各个零部件的制造、安装精度,结构刚度,稳定性以及动作的灵敏性和易控性。
对具体的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;采用高传动效率和无间隙的传动装置和元件,如滚动丝杠,消除间隙的齿轮副、齿轮齿条副、蜗轮蜗杆副来提高运动的灵敏性和定位的准确性;采用低摩擦系数的导轨提高运动的平稳性。
近几年在结构上也出现了并联形式,如并联机器人、并联机床等,极大地简化了机械结构,提高了产品的刚度重量比及
精度。
2.机电一体化机械系统的设计思路
机电一体化的机械系统设计主要包括两个环节:静态设计和动
态设计。
2.1 静态设计
静态设计是指依据系统的功能要求,通过研究制定出机械系统的初步设计方案。
该方案只是一个初步的轮廓,包括系统主要零、部件的种类,各部件之间的联接方式,系统的控制方式,所需能源方式等。
有了初步设计方案后,开始着手按技术要求设计系统的各组成部件的结构、运动关系及参数；零件的材料、结构、制造精度确定；执行元件(如电机)的参数、功率及过载能力的验算；相关元、部件的选择；系统的阻尼配置等。
以上称为稳态设计。
稳态设计保证了系统的静态特性要求。
2.2 动态设计
动态设计是研究系统在频率域的特性,是借助静态设计的系统结构,通过建立系统组成各环节的数学模型和推导出系统整体的传递函数,利用自动控制理论的方法求得该系统的频率特性(幅频特性和相频特性)。
系统的频率特性体现了系统对不同频率信号的反应,决定了系统的稳定性、最大工作频率和抗干扰能力。
2.3 静态设计的优势
静态设计是忽略了系统自身运动因素和干扰因素的影响状态下进行的产品设计,对于伺服精度和响应速度要求不高的机电一体化系统,静态设计就能够满足设计要求。
对于精密和高速智能化机电一体化系统,环境干扰和系统自身的结构及运动因素对系统产生的影响会很大,因此必须通过调节各个环节的相关参数,改变系统的
动态特性以保证系统的功能要求。
动态分析与设计过程往往会改变前期的部分设计方案,有时甚至会推翻整个方案,要求重新进行静
态设计。
3.机电一体化机械系统的设计
机电一体化机械系统的设计和传统的机械系统的设计有很大的不同之处。
传统机械系统一般是由动力元件、传动元件、执行元件3个部分加上电磁、液压和机械控制部分,而机电一体化中的机械系统应该是“由计算机信息网络协调与控制的,用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和机电部件相互联系的系统。
”其核心是由计算机控制的,包括机、电、液、光、磁等技术的伺服系统。
由于机电一体化机械系统有别于传统的机械系统,所以在机电一体化机械系统的设计过程中要从以下两个方面加以重视。
3.1机械传动设计
机械传动设计的任务是把动力机产生的机械能传递到执行机械上去,机电一体化系统中机械传动系统的设计就是面向机电伺服系统的机械传动系统设计。
根据机电有机结合的原则,机电一体化系统中采用了调速范围大、可无级调速的控制电机,从而节省了大量用于进行变速和换向的齿轮、轴承和轴类零件,减少了产生误差的环节,提高了传动效率,因此使机械传动设计也得到了很大的简化,其机械传动方式也由传统的串联或串并方式演变为并联的传动方式,即每一个机械运动都由单独的控制电机、传动机构和执行机构
组成的子系统来完成,各个运动之间的传动关系则由计算机来统一协调和控制。
因此机电一体化机械传动系统具有传动链短、转动惯量小、尽可能采用线性传递、无间隙传递等设计特点。
3.2机械结构设计
从结构设计来讲,应从整体上向精密化、高速化、小型化和轻量化的方向发展。
因此在结构设计时应综合考虑到各个零部件的制造、安装精度,结构刚度,稳定性以及动作的灵敏性和易控性。
对具体的零部件的设计提出了更高、更严的要求,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刚度;采用低摩擦系数的导轨提高运动的平稳性。
除了以上两个方面以外,机电一体化机械系统设计还需工程技术人员在设计方法上大胆创新,充分利用已有的模块,,并且在设计之初,就考虑到产品在制造、使用过程中对生态环境的影响。
4.结语
机电一体化技术既是振兴传统机电工业的新鲜血液和源动力,又是开启机电行业产品结构、产业结构调整大门的钥匙。
设计好机电一体化机械系统是“机电一体化”产品的前提。
面对日益发展信息时代,掌握机电‘一体化机械系:统设计的思路,是开发机电一体化产品的关键所在。
必须结合各自的实际,开发实事求是的机电一体化机械系统,实现效益的提升。
参考文献：
[1]汪丁丁.机电一体化机械系统设计.济南:山东出版社,2003
[2]杨光化.机电一体化与微电子技术的整合.计算机教
育,2004(5)
[3]刘建忠.信息工程与机电一体化系统设计的研究.上海:上海交通大学出版社,2004
作者简介：王建忠2000年毕业于唐山学院97机电一体化专业，现在唐山市新世纪环保工程有限公司工作。