机电一体化系统设计 第六章：机电结合分析
第六章机电一体化
第六章机电一体化机电一体化（Mechatronik）是由机械（Mechanik）和电子（Elektronik）构成的合成词。
其中，电子代表“硬件”和“软件”；机械是“机械”和“液压”方法的总称。
它不是简单的通过“电子化”替代机械装置，而是与全面的角度看问题和设计方法学有关。
其目标是对机械、电子硬件和软件进行整体优化，从而在低成本、低重量、小空间且高质量的情况下实现更多功能。
在解决问题的过程中，能否将如今已被分离的学科作为一个整体进行观察，对机电一体化方式是否成功起决定性作用。
第一节机电一体化系统及其组成部件1．1 应用如今机电一体化系统及其组成部件几乎布满在整个车辆系统中：从发动机管理、汽油机和柴油机电喷，到变速箱控制，电热能量管理，直到不同的制动-驱动力控制系统。
此外还有满足不同控制需求的通信和信息系统。
除系统及其组成部件层面外，机电一体化还在微机械领域中扮演着越来越重要的角色。
1．2系统级实例为了实现车辆全自动导向和转向，系统的进一步开发呈现出一个通用趋势：即机械系统在未来将越来越多地被线控（X by Wire）系统所代替。
“Drive by wire”（线控驱动），即电子油门，就是一个已经实际运用的例子。
“线控制动系统”省去了制动踏板和车轮制动器间的机械-液压连接。
传感器获取驾驶员刹车指令，并把这一信息传给电控单元。
控制单元通过相应的执行机构在车轮处产生所需的制动作用。
“线控制动系统”的一种可能实现形式为电动液压制动（SBC，测控一体化制动控制）。
在实施制动时或者在通过电子稳定程序ESP进行稳定性干预时，SBC控制器计算出每个车轮上期望的理想制动压力。
由于每个车轮所需的理想制动压力单独计算，且每个车轮的实际制动力独立获取，所以能通过轮压调节器对每个车轮的制动压力进行独立调节。
这四个压力调节器各由一个输入和输出阀组成，由控制器的驱动电路控制，相互配合，从而获得最佳的制动压力闭环调节。
在共轨系统中，压力生成和喷射是解耦的。
电大机电一体化系统设计习题汇总(知识点复习考点归纳总结参考)
机电一体化系统设计习题汇总第一章：概论1.关于机电一体化的涵义，虽然有多种解释，但都有一个共同点。
这个共同点是什么?2.机电一体化突出的特点是什么?重要的实质是什么？3.为什么说微电子技术不能单独在机械领域内获得更大的经济效益?4.机电—体化对我国机械工业的发展有何重要意义?5.试列举20种常见的机电一体化产品。
6.试分析CNC机床和工业机器人的基本结构要素，并与人体五大要素进行对比，指出各自的特点。
7.机电一体化产品各基本结构要素及所涉及的技术的发展方向。
8.机电一体化设计与传统设计的主要区别是什么?9.试举例说明常见的、分别属于开发性设计、适应性设计和变异性设计的情况。
10.为什么产品功能越多，操作性越差?为何产品应向“傻瓜化”方向发展?11.试结合产品的一般性设计原则，分析和理解按“有限寿命”设计产品的目的和意义。
第二章：机械系统设计1. 机电一体化产品对机械系统的要求有哪些?2. 机电一体化机械系统由哪几部分机构组成，对各部分的要求是什么?3. 常用的传动机构有哪些，各有何特点？4. 齿轮传动机构为何要消除齿侧间隙?5. 滚珠丝杠副轴向间隙对传动有何影响?采用什么方法消除它？6. 滚珠丝杠副的支承对传动有何影响?支承形式有哪些类型?各有何特点?7. 试设计某数控机床工作台进给用滚珠丝杠副。
己知平均工作载荷F＝4000N，丝杠工作长度l＝2m，平均转速＝120r／min，每天开机6h，每年300个工作日，要求工作8年以上，丝杠材料为CrwMn钢，滚道硬度为58—62HRC，丝杠传动精度为±0.04mm。
8.导向机构的作用是什么?滑动导轨、滚动导轨各有何特点?9.请根据以下条件选择汉江机床厂的HJG—D系列滚动直线导轨。
作用在滑座上的载荷F＝18000N，滑座数M=4，单向行程长度L＝0.8m，每分钟往返次数为3，工作温度不超过120℃，工作速度为40m／min,工作时间要求10000h以上,滚道表面硬度取60HRC。
《机电一体化系统设计》第六章课件
6.1 3D打印机
• 6.1.1 3D打印机技术认知 • 6.1.2 3D打印机组成及工作原理 • 6.1.3 3D打印的优势与面临的挑战 • 6.1.4 3D打印机的发展
6.1 3D打印机
• 3D打印的概念胚芽起源于18世纪西欧的雕塑艺 术，但是限于当时的科技手段，该技术一直没 能成功，直到20世纪随着计算机和网络的发展， 3D打印技术才真正得到实现与发展。英国 《The Economist》杂志《The Third Industrial Revolution》一文中，将3D打印技术作为第三 次工业革命的重要标志之一。随着智能制造的 进一步发展成熟，3D打印技术在打印材料、精 度、速度等方面都有了较大幅度的提高，新的 信息技术、控制技术、材料技术等被不断运用 于其中，使得3D打印技术在制造领域的应用越 来越广泛。
6.1.1 3D打印机技术认知
• 1.3D打印技术的概念及原理 • 3D打印(3D printing)是快速成型技术的一种。它是一种以
数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合 材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。 • 传统数控制造主要是“去除型”，即在原材料基础上， 使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余部分， 得到零部件，再以拼装，焊接等方法组合成最终产品， 面3D打印则颠覆了这一观念，无需原胚和模具，就能直 接根据计算机图形数据，通过层层增加材料的方法直接 造出任何形状的物体，这不仅缩短了产品研制周期，简 化了产品的制造程序，提高了效率，而且大大降低了成 本，因此被称为“增材制造”。
• (4)生成层面信息 层面信息包括轮廓信息和当前轮 廓的高度信息。通过求交点计算，把获取到的交点 按照顺序连接，就形成一个打印平面。轮廓信息中 包括外轮廓和内轮廓，轮廓中还应该进行光斑补偿 等。
机电一体化系统设计
机电一体化系统设计机电一体化系统设计是一种将机械结构、电气控制、传感器及计算机信息技术整合在一起，以实现自动化和智能化生产的工程设计。
机电一体化系统设计与传统的机械设计、电气设计有所不同，它要求设计人员具备广泛的专业知识，从机械、电气、传感器、控制、计算机等多个方面考虑，才能实现系统的各项性能指标。
机电一体化系统的设计过程通常包括系统需求分析、系统结构设计、电气控制设计、机械设计及系统软件编程等几个方面。
其中，系统需求分析是整个系统设计的关键，需要通过对用户需求、功能要求和性能指标等进行分析，来确定系统的技术方案和设计目标。
系统结构设计是机电一体化系统设计的第二个重要环节。
在系统结构设计阶段，设计人员需要考虑机械、电气、传感器、控制及计算机等相关因素，以确定最佳的系统结构和指标要求。
为了达到这个目标，设计人员通常需要运用多学科知识和专业技能，才能找到最佳的解决方案。
电气控制设计是机电一体化系统设计的关键部分，能够直接影响系统的性能指标和工作效率。
设计人员需要考虑不同的电气控制器和传感器，以实现针对不同工作条件和环境的多功能控制。
在进行电气控制设计时，设计人员需要先制定控制策略，然后选择适合的电气控制器和传感器设备，并设计相应的电路和软件程序，来实现系统的自动化、智能化和高效化。
机械设计是机电一体化系统设计的另一个重要环节。
在进行机械设计时，设计人员需要考虑机械结构的稳定性、刚度、精度、寿命等因素，并与电气控制和计算机等相关组成部分进行整合，以满足系统的各项性能指标。
设计人员还需要运用CAD软件等工具，完成机械结构的三维建模和分析等工作。
系统软件编程是机电一体化系统设计的最后一个环节。
在进行系统软件编程时，设计人员需要运用不同的编程语言，如C、C++、Java等，来实现系统的各种功能要求。
为了达到系统的高可靠性和高效率，设计人员还要进行功能测试和调试等相关工作，确保系统在生产环境下能够正常运行。
总之，机电一体化系统设计是一项复杂且综合性能强的工程设计，需要设计人员具备广泛的专业知识和多学科技能，以实现高效、精确、智能化的生产过程和产品。
机电一体化系统设计
1、先进制造技术
先进制造技术（AMT－Advanced Manufacturing Technology）先进制造 技术是传统制造技术不断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理 等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、 使用Байду номын сангаас服务的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产， 并取得理想技术经济效果的制造技术的总称。
系统的五个子系统及其功能
• 1 计算机（微机） • 2 执行元件 • 3 机构 • 4 传感器 • 5 动力源
控制功能 操作功能 构造功能 检测功能 动力功能
2、机电一体化相关技术
机械技术、微电子技术、信息技术、 控制技术、传感器技术、驱动技术、 计算机技术、软件技术
等多种学科的技术融合在一起，紧密结合在一起。
机电一体化系统设计步骤：
• 1明确任务 • 2调研 • 3方案拟定（设计） • 4机械部件设计 • 5电气控制硬件设计 • 6控制软件设计 • 7组织生产、调试 • 8改进设计 • 9整理资料
机电一体化机械系统（特点）要求
• 1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。 • 3最佳传动比，减少系统等效转动惯量，提高加
• 1)单推一单推式 • 2)双推一双推式 • 3)双推一简支式 • 4)双推一自由式
1)单推一单推式
• 止推轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧 力。其特点是轴向刚度较高，预拉伸安装时， 预紧力较大，但轴承寿命比双推一双推式低。
2)双推一双推式
• 两端分别安装止推轴承与深沟球轴承的组合，并施加 预紧力，其轴向刚度最高。该方式适合于高刚度、高 转速、高精度的精密丝杠传动系统。但随温度的升高 会使丝杠的预紧力增大，易造成两端支承的预紧力不 对称。
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
机电一体化系统设计
机电一体化系统设计一、引言机电一体化系统是指将机械和电气控制系统相结合，实现自动化控制和监测，以提高生产效率和产品质量。
在现代制造业中，机电一体化系统已经成为不可或缺的重要部分。
本文将探讨机电一体化系统设计的重要性、原则和实施步骤。
二、机电一体化系统设计的重要性1.提高生产效率机电一体化系统可以实现自动化生产，减少人为操作，提高生产效率。
通过优化机械和电气系统的配合，可以实现更高的生产速度和稳定性。
2.优化产品质量机电一体化系统可以实现精准控制和监测生产过程，减少因人为因素引起的错误，提高产品质量和一致性。
3.节约能源资源机电一体化系统可以实现能源的合理利用和分配，优化能源消耗结构，降低生产成本。
4.提升生产安全性机电一体化系统可以实现安全监测和自动报警，减少生产过程中的安全隐患，提高生产操作的安全性。
5.降低维护成本机电一体化系统可以实现在线监测和故障诊断，及时发现和排除问题，减少维护和维修成本。
三、机电一体化系统设计的原则1.整体性原则机电一体化系统设计要以整体性为原则，全面考虑机械和电气系统之间的协调和配合，确保系统各部分之间的一致性和稳定性。
2.可靠性原则机电一体化系统设计要考虑到系统的可靠性，选择高品质的机械和电气元器件，确保系统长期稳定运行。
3.灵活性原则机电一体化系统设计要具有一定的灵活性，能够根据生产需求进行调整和改进，适应市场的变化。
4.通用性原则机电一体化系统设计要具有一定的通用性，可以适用于不同的生产场景和环境，提高系统的适用性和可扩展性。
5.安全性原则机电一体化系统设计要考虑到系统的安全性，确保生产过程中的操作安全和人员安全，防止事故的发生。
四、机电一体化系统设计的实施步骤1.需求分析首先进行生产需求分析，明确机电一体化系统的功能和性能要求，确定系统的基本架构和设计方案。
2.系统设计根据需求分析的结果，进行系统设计，包括机械结构设计、电气控制系统设计、传感器和执行器的选择等。
机电一体化系统总体设计
总结
总结机电一体化系统总体设计的重点和关键要点，并强调设计的成功和应用 前景。
机电一体化系统总体设计
机电一体化系统总体设计是将机电设备与系统设计结合起来，从多个维度考 虑，以满足设计需求。本演示将介绍机电一体化系统总体设计的重要性和方 法。
问题陈述
分析市场需求和现有问题，确定设计中需要解决的关键问题。
市况。
机电一体化系统简介
介绍机电一体化系统的定义、特点和应用范围。
总体设计方法
阐述采用的总体设计方法，包括需求分析、方案选择和设计评估。
总体设计过程
详细讲解机电一体化系统总体设计的步骤和流程，包括系统需求分析、系统选型和系统架构设计。
总体设计结果
展示机电一体化系统总体设计的结果，包括系统结构图、关键技术参数和性能指标。
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动态设计
初步确定系统的主回路各部分特性、参数已初步确定，便可着手建立系统的 数学模型，为系统的动态设计做好准备。 主要是设计校正补偿装置，使系统满足动态技术指标要求，通常要进行计算 机仿真，或借助计算机进行辅助设计。
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
五、系统数学模型建立
在稳态设计的基础上，利用所选部件的有关参数，可以绘制出系统框图，以 建立系统的传递函数。以工作台为列，建立不同控制方法的传递函数模型。
1. 闭环控制方式
滚珠丝杠传动的传动系统
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-1
机电一体化系统的稳态与动态设计
机电一体化系统（产品）的设计过程是机电参数相互匹配，即机电有机结 合的过程。
机电伺服系统是典型的机电一体化系统。本章将以机电伺服系统为例，说 明机电一体化系统设计的一般考虑方法。伺服系统中的位置伺服控制系统 和速度伺服控制系统的共同点是通过系统执行元件直接或经过传动系统驱 动被控对象，从而完成所需要的机械运动。因此，工程上是围绕机械运动 的规律和运动参数对它们提出技术要求的。
三、减速比匹配
使加速度最大的选择方法。当输入信号变化快、加速度又很大时，
应使：
i TLF Tm
TLF Tm
J LF Jm2 源自 最大输出速度选择方法。当输入信号近似恒速，即加速度很小时，
应使：
1/ 2
i TLF Tm
TLF Tm
f2 f1
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
五、系统数学模型建立
3. 工作台进给系统的主谐振频率
根据拉氏方程，画系统框图
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
五、系统数学模型建立
3. 工作台进给系统的主谐振频率
根据传递函数，计算机械系统的谐振频率
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-3
机电有机结合之二：动态设计的考虑方法
一、机电伺服系统的动态设计
机电一体化系统的伺服系统的稳态设计只是初步确定了系统的主回路，
还很不完善。在稳态设计基础上所建立的系统数学模型一般不能满足
系统动态品质的要求，甚至是不稳定的。为此，必须进一步进行系统
一、被控对象分析 1. 典型负载分析
所谓典型负载，是指惯性负载、外力负载、弹性负载、摩擦负载(滑动 摩擦负载、粘性摩擦负载、滚动摩擦负载等)。
对具体系统而言，其负载可能是以上几种典型负载的组合，不一定均 包含上述所有负载项目。
在设计系统时，应对被控对象及其运动作具体分析，从而获得负载的 综合定量数值，为选择与之匹配的执行元件及进行动态设计分析打下 基础。
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
一、被控对象分析 2.负载的等效换算 执行元件的额定转矩(或力、功率)、加减速控制及制动方案的选择，应
与被控对象的固有参数(如质量、转动惯量等)相互匹配。 因此，要将被控对象相关部件的固有参数及其所受的负载(力或转矩等)
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
三、减速比匹配
满足送进系统传动基本要求的选择方法。
i
l0 360o
减速器输出轴转角误差最小原则。 对速度和加速度均有一定要求的选择方法
• 应按（1）选择减速比i • 然后验算是否满足条件
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
一、被控对象分析 2.负载的等效换算
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
二、执行元件的匹配
由若干元部件组成的伺服系统，其中有些元部件已有系列化商品供选用。 为降低机电一体化系统的成本，缩短设计与研制周期，应尽可能选用标准 化零部件。拟订系统方案时，首先确定执行元件的类型，然后根据技术条 件的要求进行综合分析，选择与被控对象及其负载相匹配的执行元件。
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
五、系统数学模型建立
当系统受到附加扰动转矩时
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
五、系统数学模型建立
当系统受到附加扰动转矩时（等效框图）
Ka
Kr
1/i2
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
输出角速度为： 加减速时间为：
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
二、执行元件的匹配
➢ 计算惯性转矩
➢ 总转矩
选用的电机的额定转矩应该大于 6.5 N. m，才能满足使用的要求。 2. 功率匹配 ➢ 预选电机的功率计算
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
以电动机的匹配选择为例简要说明执行元件的选择方法。被控对象由电动 机驱动，因此电动机的转速、转矩和功率等参数应和被控对象的需要相匹 配，如冗余量大，易使执行元件价格高，使机电一体化系统的成本升高， 市场竞争力下降，在使用时，冗余部分用户用不上，易造成浪费。如果选 用的执行元件的参数数值偏低，将达不到使用要求。所以，应选择与被控 对象的需要相适应的执行元件。
五、系统数学模型建立 2. 全闭环控制方式
传感器安装在工作台导轨上，形成全闭环控制系统，如图所示。
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
五、系统数学模型建立 2. 全闭环控制方式 系统框图为：
Kb 传递函数为：
Gj（s）= ？
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
三、减速比匹配
减速比主要根据负载性质、脉冲当量和机电一体化系统的综合要求 来选择确定
• 既要使减速比达到一定条件下最佳
• 同时又要满足脉冲当量与步距角之间的相应关系
• 还要同时满足最大转速要求等。
当然要全部满足上述要求是非常困难的。
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
五、系统数学模型建立
半闭环伺服控制系统的系统框图
E(s) Ka Vi (s)
G1
1
KA
Km s(1 Tms)
i1
G2
G3
G4
i (s)
G7
G6
Kvs
G5
Kr
1
i2
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
五、系统数学模型建立
系统传递函数
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
五、系统数学模型建立 2. 全闭环控制方式
伺服进给系统的分析
折算到Ⅲ轴上的刚度，为
总的扭转刚度，为
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
五、系统数学模型建立 移动距离等效到各轴的转角分别为：
,
,
等效到Ⅲ轴质量和阻尼分别为：
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
二、执行元件的匹配
验算
➢ 过热验算 计算等效转矩，满足：
➢ 过载验算
TN Teq PN Peq
T12t1 T22t2 ... t1 t2 ...
过载系数：
T max
TN
km
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
等效换算到执行元件(k)的输出轴上。
（1）等效转动惯量 （2）等效负载转矩
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
一、被控对象分析 2.负载的等效换算
已知：移动部件(工作台、夹具、工件等)的总质量 mA = 400 kg；运动方向的负载 力FL =800N(包含导轨副的摩擦阻力)；电动机转子的转动惯量Jm =4*10-5 kg.m2， 转速为 nm ；齿轮轴部件I (包含齿轮)的转动惯量JI =5*10-4 kg.m2;齿轮轴部件II (包 括齿轮)的转动惯量JII =7*10-4 kg.m2；轴II的负载转矩TL=4 N.m;齿轮Z1与齿轮 Z2的 齿数分别为20与40，模数为 1 。
• 首先从系统应具有的输出能力及要求出发，选定执行元件和传动装置;
• 其次是从系统的精度要求出发，选择和设计检测装置及信号的前向和后向通 道；
• 最后通过动态设计计算，设计适当的校正补偿装置、完善电源电路及其他辅 助电路，从而达到机电一体化系统的设计要求。
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
Gj (s)
xi (s) θi (s)
Jeq s2
KPh /
B
2 i1i2
Phi1i2
2
2
s
K
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
五、系统数学模型建立
3. 工作台进给系统的主谐振频率
对于带非刚性轴的传