机电一体化的机械系统资料
机电一体化系统概述
机电一体化系统概述机电一体化系统（Mechatronics System）是指将机械工程、电子工程和控制工程有机结合的一种综合性系统。
它融合了机械结构、传感器、执行器、电机、电子元件、控制系统和计算机等多种技术手段，实现了机械运动、能量转换和信息处理的一种智能化系统。
机电一体化系统的应用领域非常广泛，如机械制造、自动化生产线、汽车工业、航天航空、能源设备等。
机电一体化系统的组成包括多个子系统，如机械结构子系统、电子子系统、能源子系统和控制子系统等。
机械结构子系统主要由机械传动装置、机构部件和传感器等组成，它们协同工作，通过运动变换和能量转换实现特定的机械功能。
电子子系统则负责信号的采集、处理和控制执行器的工作，例如传感器可以感知环境信息，电机可以驱动机械运动。
能源子系统则是为整个系统提供能量，例如电源、电池或气压等。
控制子系统是机电一体化系统的“大脑”，通过对信号的处理和控制算法的实现，实现系统的自动化和智能化。
机电一体化系统的设计和开发需要考虑多种因素。
首先，需要对系统所应用的工作环境进行充分的分析和调研，包括温度、湿度、振动、噪声等，以便选择合适的机械结构和电子元件。
其次，需要对系统的功能要求进行明确，包括速度、精度、负载承载能力等。
此外，还需要对系统的可靠性、可维护性和安全性等进行全面的考虑。
机电一体化系统的应用领域非常广泛。
在机械制造领域，它可以用于自动化生产线的搬运、组装和装配等工作，提高生产效率和质量。
在汽车工业中，机电一体化系统可以实现汽车的自动驾驶和智能控制，提高行车安全性和舒适性。
在航天航空领域，机电一体化系统可以用于飞行器的导航、定位和控制，实现飞行器的自主飞行。
在能源设备领域，机电一体化系统可以用于风力发电、太阳能发电和水力发电等，提高能源利用效率和环境保护。
总之，机电一体化系统是一种综合性的系统，将机械工程、电子工程和控制工程有机结合，实现了机械运动、能量转换和信息处理的一种智能化系统。
机电一体化复习资料整理总结
第一章1、机电一体化系统的构成要素与功能特征五大功能构成要素：机械系统（机构）、信息处理系统（计算机）、动力系统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件系统（如电动机)五个子系统组成。
·2、机电一体化系统（产品）设计的考虑方法：1) 机电互补法机电互补法又称取代法。
该方法的特点是利用通用或专用电子部件取代传统机械产品（系统)中的复杂机械功能部件或功能子系统，以弥补其不足。
例如：用PLC或计算机取代机械式的变速器、凸轮机构、离合器等。
可简化机械结构、提高性能。
2) 结合(融合)法它是将各组成要素有机结合为一体构成专用或通用的功能部件(子系统)，其要素之间机电参数的有机匹配比较充分。
例如：将电机的转子轴作为扫描镜的转轴。
3) 组合法它是将结合法制成的功能部件(子系统)、功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统（产品），故称组合法。
3、机电一体化系统的设计类型1）开发性设计它是没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理和要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品或系统。
2)适应性设计它是在总的方案原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品的性能和质量增加某些附加价值。
3)变异性设计它是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有所变更的要求。
第二章1.机电一体化的机械系统与一般机械系统相比，具有一定的特殊要求：（1）较高的定位精度。
（2）良好的动态响应特性。
——响应快、稳定性好。
（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。
2.滚珠丝杠副特点具有传动阻力小；传动效率高（92%~98%）；轴向刚度高；传动平稳；传动精度高；不易磨损、使用寿命长等优点；缺点:但不能自锁；因而用于高精度传动和升降传动时，需制动定位装置。
3.消除和减小丝杠轴向间隙的主要方法：双螺母螺纹预紧调整特点：结构简单，刚性好，预紧可靠，使用中调整方便; 但不能精确定量调整。
机电一体化 知识点总结
机电一体化知识点总结机电一体化知识点总结一、概述机电一体化是指在机械设计、制造和电子控制技术相结合的过程中，形成的一种全新的综合性技术。
随着科技的不断进步，机电一体化技术在机械工程、电子工程、航空航天、汽车工业等领域得到了广泛应用。
二、知识点总结1、机械部分（1）机械结构设计：主要包括传动系统、导向系统、支撑系统等的设计。
在机电一体化中，机械结构的设计应考虑精度、刚度、耐磨性等要求，同时要考虑制造、装配、调试和维护的便利性。
（2）材料选择：选择适合于机电一体化应用的材料，如铝合金、钢材、工程塑料等。
材料的选择应考虑其力学性能、物理性能和化学性能等。
2、电子部分（1）传感器技术：传感器在机电一体化系统中主要用于信息的采集，如位移、速度、力矩、温度等。
传感器技术的发展趋势是小型化、智能化和集成化。
（2）控制系统：控制系统是机电一体化系统的核心部分，主要包括硬件电路设计、软件编程和系统调试等。
控制系统的设计应考虑系统的稳定性、可靠性和实时性。
3、机电一体化应用（1）工业自动化：机电一体化技术在工业自动化领域得到了广泛应用，如数控机床、自动化生产线等。
这些设备能够实现高效、精确的生产，大大提高了工业生产效率。
（2）机器人技术：机器人是机电一体化技术的典型应用，具有感知、决策和执行能力。
机器人的发展经历了从简单到复杂、从低级到高级的过程，现已广泛应用于工业、医疗、军事等领域。
（3）汽车技术：在汽车工业中，机电一体化技术的应用使得汽车的性能更加完善，如自动驾驶、智能泊车等。
同时，机电一体化技术也使得汽车的安全性、舒适性和可靠性得到了显著提高。
4、发展前景随着科技的不断发展，机电一体化技术的应用前景越来越广阔。
未来，机电一体化将与人工智能、物联网等技术进一步融合，实现更加智能化、自动化的生产和制造。
同时，随着环保意识的日益增强，节能减排成为机电一体化技术的重要研究方向，如采用新型材料、优化设计等手段，降低能源消耗和环境污染。
机械工程中的机电一体化系统
机械工程中的机电一体化系统机电一体化系统是指将机械和电气控制相结合，形成一个整体的系统。
它在机械工程中起到了至关重要的作用。
本文将从机电一体化系统的定义、应用领域、优势和挑战等方面展开论述。
一、机电一体化系统的定义机电一体化系统是指将机械和电气控制相结合，通过电气控制实现机械系统的自动化、智能化和高效化。
它将传统的机械系统与电气控制系统进行紧密结合，通过传感器、执行器、控制器等设备实现对机械系统的监测、控制和优化。
二、机电一体化系统的应用领域机电一体化系统广泛应用于各个领域，如工业制造、交通运输、医疗设备等。
在工业制造领域，机电一体化系统可以提高生产效率、降低生产成本。
在交通运输领域，机电一体化系统可以提高交通安全、提升运输效率。
在医疗设备领域，机电一体化系统可以实现医疗设备的智能化和自动化。
三、机电一体化系统的优势机电一体化系统具有许多优势。
首先，它可以提高系统的稳定性和可靠性。
机电一体化系统将机械和电气控制相结合，可以实现对机械系统的实时监测和控制，提高系统的稳定性和可靠性。
其次，它可以提高系统的智能化和自动化水平。
机电一体化系统通过传感器、执行器、控制器等设备实现对机械系统的智能化和自动化控制，提高系统的智能化水平。
此外，机电一体化系统还可以提高系统的效率和生产能力，降低生产成本，提高产品质量。
四、机电一体化系统面临的挑战机电一体化系统虽然具有许多优势，但也面临一些挑战。
首先，机电一体化系统的设计和开发需要跨学科的综合能力。
机械工程师需要具备电气控制方面的知识，电气工程师需要具备机械方面的知识，这对工程师的综合能力提出了更高的要求。
其次，机电一体化系统的维护和管理需要专业的技术人员。
机电一体化系统的维护和管理需要专业的技术人员进行操作和维护，提高了系统的维护成本。
此外，机电一体化系统还面临着技术更新和升级的挑战。
随着科技的不断进步，机电一体化系统需要不断更新和升级，以适应新的技术发展。
五、结语机电一体化系统在机械工程中具有重要的地位和作用。
第二章 机电一体化系统的机械传动系统
2、常用机械传动装置 齿轮传动、同步带传动、谐波齿轮传动、滚珠 丝杠传动，其它传动元件。 3、基本要求 传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运 动平稳、传动转矩大。 4、机电一体化机械传动装置的发展方向
精密化，高速化，小型化，轻量化。
2.2.2 常用齿轮传动装置
机电一体化系统中，常用的齿轮传动部件： 定轴传动轮系、行星齿轮传动轮系、谐波齿轮传 动轮等。
在设计齿轮传动装置时,上述三条原则应根据具体工 作条件综合考虑。
（1）对于传动精度要求高的降速齿轮传动链,可按输 出轴转角误差最小原则设计。
（2）对于要求运转平稳、启停频繁和动态性能好的 降速传动链,可按等效转动惯量最小原则和输出轴转角误 差最小原则设计。
（3）对于要求质量尽可能小的降速传动链,可按质量
1、等效转动惯量最小原则 P31 利用该原则所设计的齿轮传动系统，换算 到电机轴上的等效转动惯量为最小。 齿轮系传递的功率不同, 其传动比的分配 也有所不同。
（1）小功率传动装置
对于n级齿轮系,有（P31）
2n n1 1
i 2 i 2(2n 1) 2n1
1
ik
2( k1)
2
i 2n / 2
（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。
i1 i2 i3 n i
即可使传动装置的重量最轻。 上述结论对于大功率传动系统是不适用的，
因其传递扭矩大，故要考虑齿轮模数、齿轮齿宽 等参数要逐级增加的情况。
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
（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。
- 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)。
3)良好的稳定性
即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。
机电一体化中机械系统的组成 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 , 而且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。
2)导向机构
为电动机的驱动转矩 , 在忽略传动装置惯量的 前提下,根据旋转运动方程,电动机轴上的合转 矩Ta为
也随之改变。根据 若改变总传动比i,则 L / di 0 负载角加速度最大的原则,令 d , L 则解得
若不计摩擦,即TLF＝0, 则
(2-3)
传动装置总传动比i的最佳值的时刻就是JL换算到电 动机轴上的转动惯量正好等于电动机转子的转动惯 量Jm的时刻,此时,电动机的输出转矩一半用于加速 负载,一半用于加速电动机转子,达到了惯性负载和 转矩的最佳匹配。 实际设计中，要考虑传动装置的惯量影响，总传动 比要根据传动装置的惯量估算适当选择大一点。
第二章 精密机械技术
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，尤其是机电一体化产品，其技术性 能、工艺水平和功能比普通的机械产品都有很大的提高，因此
机电一体化机械系统的高精度是其首要的要求。
2)快速响应
即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。
各级传动比的分配
1. 等效转动惯量最小原则 齿轮系传递的功率不同, 其传动比的分配也有所不同。 1） 小功率传动装置
设各齿轮的材料相同， 厚度相同，则： J 3 J1 i14，J 4 J 2 i14
等效到电机轴上的总转动惯量为：
2 J2 J4 1 J i J J1 2 ( J 3 2 ) 2 J1 i12 J1 21 2 J1 2 i1 i2 i1 i1 i1 2 i 1 J J1 (1 i12 2 4 ) i1 i1
导向机构的作用是支承和导向,它为机械系统中各运动 装置能安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障, 一般指导轨、轴承等。
3)执行机构 执行机构是用来完成操作任务的直接装置。 执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动 下完成预定的操作。 4)机座或机架 支撑其他零部件的基础部件。其作用是承受其 他零部件的重量和工作载荷，同时保证各零部 件相对位置的基准作用。
i 1 j 1 m n
采用工程上常用单位时，上式改写为
1 T 2
F V / n T
i i i 1 j 1
m
n
j
nj / n
总传动比的确定
在伺服系统中 , 通常采用负载角加速度最大原则选择总 传动比,以提高伺服系统的响应速度。
G M Jm i L
m
L
JL TLF
电机、传动装置和负载的传动模型
设有i =80,传动级数n= 4的小功率传动,试 按等效转动惯量最小原则分配传动比。 解
验算I= i 1 i 2 i 3 i 4≈80。
2.质量最小原则 1）小功率传动装置
2 i 2 V b b b b b 2 i1 2 4 4 4 4 4 i1
令
J 0 i1
可解得：
2 i12 1 2 i2 0
i14 1 i12 i2 2 2
对于n级齿轮系,则有
由此可见 , 各级传动比分配的结果应遵循“前小后大” 原则。 2)大功率传动装置 大功率传动装置传递的扭矩大,各级齿轮副的模数、齿 宽、直径等参数逐级增加,各级齿轮的转动惯量差别很 大。传动比分配的基本原则仍应为“前小后大”。
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 转动惯量大会使机械负载增大、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。 刚度越大,失动量越小,提高刚度可增加闭环系统的稳定性。
提高传动精度的结构措施
适当提高零部件本身的精度； 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 采用消隙机构．以减少或消除空程。
传动系统的总传动比及其分配 设计机电一体化齿轮传动系统，主要是研究它的动力学 特性。 最佳总传动比 首先把传动系统中的工作负载、惯性负载和摩擦负载综 合为系统的总负载，方法有： (a) 峰值综合：若各种负载为非随机性负载，将各负载 的峰值取代数和。 (b) 均方根综合：若各种负载为随机性负载，取各负载 的均方根。 负载综合时，要转化到电机轴上，成为等效峰值综合负 载转矩或等效均方根综合负载转矩。使等效负载转矩最小 或负载加速度最大的总传动比，即为最佳总传动比。
m
Vi
2
n
nj 2 Vi 2 n J Mi ( ) J j ( ) 2 n n 4 i 1 j 1 1
mቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2、等效负载力矩的计算
W 1 Fi Vi t Tj j t
i 1 j 1 m n
W T t
由于 W1=W 所以 T Fi Vi / T j j /
根据传动关系有
式中: —— 电动机的角位移、角速度、 角加速度； —— 负载的角位移、角速度、角加速 度。
Jm——电动机M的转子的转动惯量； JL——负载L的转动惯量； TLF ——摩擦阻抗转矩；
i——齿轮系G的总传动比。
TLF 换算到电动机轴上的阻抗转矩为 TLF / i ； JL 换算到电动机轴上的转动惯量为 JL/i2 。设 Tm
齿轮传动系统
一、负载的等效换算
i — 移动部件的下标； j — 转动部件的下标
1、等效转动惯量的计算
n 1 m 1 E M i Vi 2 J j 2 j 2 i 1 2 j 1
1 E J 2 2
j 2 J Mi ( ) J j ( ) i 1 j 1