典型机电一体化系统
机电一体化系统设计
机电一体化系统设计一、概论1、机电一体化：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。
2、对检测传感器的要求：要求检测传感器具有高精度、高灵敏度和高可靠性。
3、检测传感技术的主要难点：提高可靠性、精度和灵敏度。
需要研究的问题有：①提高各种敏感材料和元件灵敏度及可靠性②改进传感器结构，开发温度与湿度、视觉与触觉同时存在的符合传感器③研究在线检测技术，提高抗干扰能力④研究具有自动诊断与自动补偿功能的传感器。
4、自动控制：自动控制是指在没有人参与的情况下，通过控制装置使被控制的对象或控制过程自动的按照预定的规律运行。
5、系统总体技术：系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统的观点和方法将总体分解成若干功能单元，找出能完成各个功能的技术方案，再把功能与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。
6、系统总体技术包括：插件、接口转换、软件开发、微机应用技术、控制系统的成套性和成套设备自动化技术。
7、系统总体技术需要研究的问题：①软件开发与应用技术，包括过程参数应用软件、实时精度补偿软件②研究接插件技术，体改可靠性③通过接口和数据总线标准化④控制系统成套性和成套设备自动化⑤软件的标准化。
8、机电一体化系统由机械系统、信息处理系统、动力系统、传感检测系统、执行元件系统五个系统组成。
9、系统的五种内部功能：即主功能、动力功能、计策功能、控制功能、构造功能。
主功能是实现系统“目的功能”直接必须的功能，主要是对物质、能量、信息及其相互结合进行变换、传递和存储。
动力功能的作用是根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转，实时“目的功能”。
而构造功能则是使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必须的功能。
10、机电一体化系统设计的考虑方法同城有：几点互补法、融合法和组合法。
11、系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方法。
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。
机电一体化系统设计典型实例
1
优势
提高劳动效率，降低成本，增强品质和可靠性，利于维护和管理，并且有一定的 生态效益。
2
挑战
需要协调多个领域的专业技能和信息，需要对未来市场趋势和新技术有敏锐的洞 察力。
结论和总结
未来趋势
随着城市化进程加速，智慧城市崛起，机电一体 化技术将发挥更加重要的作用。
应用广泛
除了上述提到的几个行业，机电一体化技术还可 以广泛应用于医疗、农业、能源等领域。
利用机器视觉技术和高精度 地图，实现自动驾驶，减少 人为事故，提高交通规划的 效率。
智能设施
借助物联网技术和现代传感 器，交通设施变得更加智能 化，如自动收费、智慧路灯、 快速充电等。
流量管理
交通监测和分析系统可以帮 助城市管理者更好地解决交 通拥堵、路况状况和安全问 题。
机电一体化系统设计的优势和挑战
典型实例1：自动化生产线
质量控制
为了生产一致的高质量产品，生产线上使用了 各种传感器、机器视觉技术，以及即时数据处 理软件。
智能机械
生产线使用了各类高效率的机械装备，如机器 人和自动化部件来执行重复性工作。
实时监控
使用先进仪表和监控系统来跟生产量、质量， 及时发现和解决问题。
典型实例2：智能家居系统
提高质量
优秀的系统设计可以增加 可靠性和一致性，减少错 误率，提高产品质量。
机电一体化系统设计的基本原则
1
综合考虑
根据具体需求和环境条件，综合考虑
高效稳定
2
机械、电气、控制等因素。
设计系统要注重功能稳定性，保证机
电作用的高效协同。
3
安全实用
系统设计要符合安全要求，具有便于 维修、保养和更新升级的特点。
机电一体化系统的稳态设计考虑方法
机电有机结合的稳态设计考虑方法 在机电伺服系统主要元件选择或设计、各部分之间连 接方式、系统控制方式、所需能源供给形式、校正补偿 方法、信号转换方式等初步确定的基础上，进行机电系 统总体方案的稳定性设计——静态设计，为机电系统的 动态设计创造条件。 重点研究：系统自身的稳态特性（假设无外界干扰）
活塞车床整体结构图
活塞车床的X轴进给机构结构
目的：获取负载特征参量。 方法：综合负载特性，进行有效组合，获取必要负载特 征参量。为系统执行元件，机械变换机构等的选用或设 计，系统进行稳定性设计和动态设计创造条件。
6
Y
3
2
4 X
5
1
（2）惯量和负载的等效换算
惯量和负载转换的作用： 为使所选择执行元件（功率、力/力矩、运动参量）与
• 三维扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术， 主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以获得物体表 面的空间坐标。它的重要意义在于能够将实物的立体信息 转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供 了相当方便快捷的手段。
• 高速三维扫描及数字化系统在反求工程中发挥着巨大作用， 高速三维扫描仪已在我国多家模具厂点得到应用,取得良 好效果。该系统提供了从模型或实物扫描到加工出期望的 模型所需的诸多功能,大大缩短了模具的研制制造周期。 由于三维扫描系统已在汽车、摩托车、家电等行业得到成 功应用,相信以后将发挥更大的作用。
典型机电一体化系统 —工业机器人的组成与运动特征
转动关节
移动关节
连杆
• 工作空间 • 自由度 • 位姿 • 关节变量
机械手（manipulator）: 手臂型机器人 的简称，它是多个连杆通过关节结合起来的 机构，机械手由手臂、关节、末端执行器构 成。
机电一体化——电液控制系统设计
6.电液控制系统设计6.1概述电液控制系统是常用机电一体化系统之一。
它是将计算机电控和液压传动结合在一起，既发挥了计算机控制或电控制技术的灵活性，又体现了液压传动的优势，充分显示出大功率机电控制技术的优越性。
电液控制系统的种类很多，可以从不同的角度分类，而每一种分类方法都代表一定的特征：1）根据输入信号的形式和信号处理手段可人为数字控制系统、模拟控制系统、直流控制系统、电液开关控制系统。
2）根据输入信号的形式和信号处理手段可分为数字控制系统、模拟控制系统、直流控制系统、交流控制系统、振幅控制系统、相位控制系统。
3）根据被控量的物理量的名称可分为置控制系统、速度控制系统、力或压力控制系统等。
4）根据动力元件的控制方式可分为阀控系统和泵控系统。
5）根据所采用的反馈形式可分为开环控制系统、闭环系统和半闭环控制系统。
本章主要介绍电液控制系统的组成、控制元件，系统数字模型以及系统的设计。
6.2电液控制元件电液控制元件主要包括电液伺服阀、电液比例阀、电液数字阀以及由数字阀组成的电液步进缸、步进马达、步进泵等。
它胶是电液控制系统中的电-液能量转换元件，也是功率放大元件，它能够将小功率的电信号输入转换为大功率的液压能（流量与压力）或机械能的输出。
在电液控制系统中，将电气部分与液压部分连接起来，实现电液信号的转换与放大，主要有电液伺服阀、电液比例阀、电液数字阀以及各种电磁开关阀等。
电液控制阀是电液控制系统的核心，为了正确地设计和使用电液控制系统，就必须掌握不同类型电液控制阀的原理和性能。
6.2.1控制元件的驱动6.2.1.1电气—机械转换器电气—机械转换器有“力电机（马达）”、“力矩电机（马达）”以及直流伺服电动机和步进电动机等，它将输入的电信号（电流或电压）转换为力或力矩输出，去操纵阀动作，推行一个小位移。
因此，电气-机械转换器是电液控制阀中的驱动装置，其静态特性和动态特性在电液控制阀的设计和性能中都起着重要的作用。
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。
机电一体化技术基础课件：典型机电一体化系统(产品)分析
典型机电一体化系统分析
(1) 什么是“插补”。 插补:就是在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点
的密化。
典型机电一体化系统分析
(2) 程序编制及程序载体。 ①数控程序 数控程序：是数控机床自动加工零件的工作指令。 编制程序的工作可由人工进行；对于形状复杂的零
件，则要在专用的编程机或通用计算机上进行自动编程 (APT)或CAD/CAM设计。
2) 机器人分类
工业机器人
机器人
特种机器人
服务机器人 水下机器人 娱乐机器人 军用机器人 农业机器人 机器人化机器
典型机电一体化系统分析
3) 工业机器人定义 工业机器人定义：就是面向工业领域的多关节机械手或多自
由度的机器人。
工业机器人按程序输入方式区分为编程输入型和示教输 入型两类。
示教输入型机器人的示教方法有两种：一种是由操作者 用手动控制器。另一种是由操作者直接引导执行机构。
典型机电一体化系统分析
7.1 了解数控机床 1. 数控机床的发展及其基本原理
1) 数控机床的发展 （1）数控技术：即NC(Numerical Control)技术，是指用数 字化信息(数字量及字符)发出指令并实现自动控制的技术。
1952年，麻省理工学院(MIT)发明了是世界上第一台数 控机床。
典型机电一体化系统分析
ABS的主要元件如图7-21所示。
ABS的主要组成部分如下： (1) 常规液压制动系统。 (2) 轮速传感器。 (3) 电子控制单元(ECU)。 (4) 制动压力调节器。 (5) 警告灯。
典型机电一体化系统分析 2) 电子控制单元(ECU) （1）ABS电子控制单元(ECU)功用：是接受轮速传感器 及其它传感器输入的信号，进行放大、计算、比较，按 照特定的控制逻辑，分析判断后输出控制指令，控制制 动压力调节器执行压力调节任务。 （2）ABS的 ECU主要包括：输入级电路、计算电路、 输出级电路及安全保护电路。
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7.1机器人
20世纪90年代以来，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等 快速发展，工业机器人技术也得到了飞速发展。现在工业机器人已发 展成为一个庞大的家族，并与数控(SIC)、可编程、控制器(PLC)一起 成为工业自动化的三大技术支柱和基本手段，广泛应用于制造业的各 个领域之中。
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7.1机器人
7. 1 .2机器人的组成
1.机械本体 机械本体，是机器人赖以完成作业任务的执行机构，一般是一台
机械手，也称操作器或操作手，可以在确定的环境中执行控制系统指 定的操作。典型工业机器人的机械本体一般由手部(末端执行器)、腕 部、臂部、腰部和基座构成。机械手多采用关节式机械结构，一般具 有6个自由度，其中3个用来确定末端执行器的位置，另外3个则用来 确定末端执行装置的方向(姿势)。机械臂上的末端执行装置可以根据 操作需要换成焊枪、吸盘、扳手等作业工具。
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பைடு நூலகம்
7.1机器人
2.柱面坐标机器人 柱面坐标机器人的空间位置机构主要由旋转基座、垂直移动和水
平移动轴构成(见图7-2)，具有一个回转和两个平移自由度，其动作空 间呈圆柱形。这种机器人结构简单、刚性好，但缺点是在机器人的动 作范围内，必须有沿轴线前后方向的移动空间，空间利用率较低。主 要用于重物的装卸、搬运等作业。著名的Vcr-5atran机器人就是一种 典型的柱面坐标机器人。
机器人技术用于海洋开发，特别是深海资源的开发，一直是许多 国家积极关注的目标。 近年来随着各种智能机器人的研究与发展， 能在宇宙空间作业的所谓空间机器人就成为新的研究领域，并已成为 空间开发的重要组成部分。
第7章典型机电一体化系统
7.1机器人 7.2数控机床 7.3雷达跟踪系统 7.4自动化制造系统
7.1机器人
7.1.1机器人的由来
机器人是众所周知的一种高新技术产品，然而，“机器人”一同 最早并不是一个技术名同，而且至今尚未形成统一的、严格而准确的 定义。“机器人”最早出现在19世纪20年代初期捷克的一个科幻内容 的话剧中，剧中虚构了一种称为Robota(捷克文，意为苦力、劳役)的 人形机器，可以听从主人的命令任劳任怨地从事各种劳动。实际上， 真正能够代替人类进行生产劳动的机器人，是在20世纪60年代才问世 的。伴随着机械工程、电气工程、控制技术以及信息技术等相关科技 的不断发展，到20世纪80年代，机器人开始在汽车制造业、电机制造 业等工业生产中大量采用。现在，机器人不仅在工业，而且在农业、 商业、医疗、旅游、空间、海洋以及国防等诸多领域获得越来越广泛 的应用。
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7.1机器人
2.控制系统 控制系统是机器人的指挥中枢，相当于人的大脑功能，负责对作
业指令信息、内外环境信息进行处理，并依据预定的本体模型、环境 模型和控制程序做出决策，产生相应的控制信号，通过驱动器驱动执 行机构的各个关节按所需的顺序、沿确定的位置或轨迹运动，完成特 定的作业。从控制系统的构成看，有开环控制系统和闭环控制系统之 分;从控制方式看有程序控制系统、适应性控制系统和智能控制系统 之分。
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7.1机器人
7. 1 .3机器人的分类
1.直角坐标机器人 直角坐标机器人具有空间上相互垂直的两根或三根直线移动轴
(见图7-1),通过直角坐标方向的3个独立自由度确定其手部的空间位置， 其动作空间为一长方体。直角坐标机器人结构简单，定位精度高，空 间轨迹易于求解;但其动作范围相对较小，设备的空间因数较低，实 现相同的动作空间要求时，机体本身的体积较大。主要用于印刷电路 基板的元件插人、紧固螺丝等作业。
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7.1机器人
4.传感器 传感器是机器人的感测系统，相当于人的感觉器官，是机器人系
统的重要组成部分，包括内部传感器和外部传感器两大类。内部传感 器主要用来检测机器人本身的状态，为机器人的运动控制提供必要的 本体状态信息，如位置传感器、速度传感器等。外部传感器则用来感 知机器人所处的工作环境或工作状况信息，又可分成环境传感器和末 端执行器传感器两种类型。前者用于识别物体和检测物体与机器人的 距离等信息，后者安装在末端执行器上，检测处理精巧作业的感觉信 息。常见的外部传感器有力觉传感器、触觉传感器、接近觉传感器、 视觉传感器等。
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7.1机器人
3.驱动器 驱动器是机器人的动力系统，相当于人的心血管系统，一般由驱
动装置和传动机构两部分组成。因驱动方式的不同，驱动装置可以分 成电动、液动和气动三种类型。驱动装置中的电动机、液压缸、气缸 可以与操作机直接相连，也可以通过传动机构与执行机构相连。传动 机构通常有齿轮传动、链传动、谐波齿轮传动、螺旋传动、带传动等 几种类型。
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7.1机器人
7.1.4机器人技术的进展
国际上第一台工业机器人产品诞生于20世纪60年代，当时其作业 能力仅限于上、下料这类简单的工作。此后机器人进人了一个缓慢的 发展期，直到进人20世纪80年代，机器人产业才得到了巨大的发展， 成为机器人发展的一个里程碑，这一时代被称为“机器人元年”。为 了满足汽车行业蓬勃发展的需要，这个时期开发出的点焊机器人、弧 焊机器人、喷涂机器人以及搬运机器人等四大类型的工业机器人系列 产品已经成熟，并形成产业化规模，有利地推动了制造业的发展。为 进一步提高产品质量和市场竟争能力，装配机器人及柔性装配线又相 继开发成功。
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7.1机器人
3.球面坐标机器人 球面坐标机器人(如图7-3所示)的空间位置分别由旋转、摆动和
平移3个自由度确定，动作空间形成球面的一部分。其机械手能够做 前后仲缩移动、在垂直平面上摆动以及绕底座在水平面上转动。著名 的Unimate就是这种类型的机器人。其特点是结构紧凑，所占空间体 积小于直角坐标和柱面坐标机器人，但仍大于多关节型机器人。 4.多关节型机器人