机电一体化系统中的机械系统
机电一体化系统的功能组成
机电一体化系统的功能组成
机电一体化系统是指将机械、电子、控制等多种技术融合在一起，形成一个完整的系统。
它的功能组成包括机械部分、电子部分、控制部分和信息处理部分。
机械部分是机电一体化系统的重要组成部分，它包括各种机械设备、传动装置、执行机构等。
机械部分的主要功能是将电子信号转化为机械运动，实现机械的运动控制。
例如，机械手臂可以根据电子信号的指令，完成各种复杂的动作，如抓取、搬运、装配等。
电子部分是机电一体化系统的核心部分，它包括各种传感器、电机、电子元件等。
电子部分的主要功能是将机械运动转化为电子信号，实现电子的控制。
例如，传感器可以感知环境的变化，将其转化为电子信号，控制电机的运转，实现机械的自动化控制。
控制部分是机电一体化系统的重要组成部分，它包括各种控制器、编程器、人机界面等。
控制部分的主要功能是对机械和电子进行控制和调节，实现机械的精确控制。
例如，控制器可以根据编程指令，控制机械手臂的运动轨迹和速度，实现精确的搬运和装配。
信息处理部分是机电一体化系统的重要组成部分，它包括各种计算机、软件、网络等。
信息处理部分的主要功能是对机械和电子进行数据处理和分析，实现机械的智能化控制。
例如，计算机可以对机
械手臂的运动轨迹和速度进行实时监控和分析，根据数据反馈进行调整和优化，实现机械的智能化控制。
机电一体化系统的功能组成包括机械部分、电子部分、控制部分和信息处理部分。
这些部分相互协作，共同实现机械的自动化、智能化控制，提高生产效率和质量，为人类的生产和生活带来更多的便利和效益。
机电一体化系统的基本组成
机电一体化系统的基本组成机电一体化系统是指将机械装置、电气装置和控制系统集成在一起的系统。
它将机械设备和电气设备有机地结合在一起，通过控制系统实现自动化控制和监测，从而提高生产效率和产品质量。
机电一体化系统的基本组成包括机械装置、电气装置和控制系统三个部分。
1. 机械装置：机械装置是机电一体化系统的基础，它包括各种传动装置、执行机构和工作部件。
传动装置可以将电能或其他形式的能量转换为机械能，从而实现机械装置的运动。
执行机构是机械装置的动力输出部分，通过执行机构可以实现各种工作任务，如物料的搬运、产品的加工等。
工作部件是机械装置的功能部分，它们根据具体的工作要求设计和制造，可以实现各种不同的功能。
2. 电气装置：电气装置是机电一体化系统的重要组成部分，它包括电动机、传感器、电控设备等。
电动机是电气装置的动力源，它可以将电能转换为机械能，驱动机械装置的运动。
传感器是电气装置的感知部分，通过感知环境的各种参数，将其转化为电信号，供控制系统使用。
电控设备是电气装置的控制部分，它根据控制系统的指令，控制电动机和其他执行机构的运动，从而实现机械装置的自动化控制。
3. 控制系统：控制系统是机电一体化系统的核心，它负责对机械装置和电气装置进行控制和监测。
控制系统可以根据预设的程序和逻辑，对机械装置和电气装置进行精确的控制，实现各种复杂的工作任务。
控制系统还可以通过传感器获取各种环境参数的信息，根据这些信息进行实时的监测和调节，以保证机械装置和电气装置的正常运行。
除了以上三个基本组成部分，机电一体化系统还可以包括其他辅助设备，如人机界面、通信设备等。
人机界面是机电一体化系统与操作人员之间的接口，通过人机界面，操作人员可以对系统进行监控和操作。
通信设备可以实现机电一体化系统与其他系统之间的信息交换和数据共享，从而进一步提高系统的整体性能。
机电一体化系统是将机械装置、电气装置和控制系统有机地结合在一起的系统。
它通过自动化控制和监测，实现机械装置和电气装置的高效运行，提高生产效率和产品质量。
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。
机电对口升学综合试题
机电对口升学综合试题一、选择题（每题3分，共30分）1. 机电一体化系统中的机械系统主要包括（）等部分。
A. 传动机构、导向机构、执行机构B. 传感器、控制器、执行器C. 电机、减速器、联轴器D. 框架、外壳、连接部件答案：A。
解析：在机电一体化系统中，机械系统的传动机构负责传递动力和运动，导向机构确保运动的准确性，执行机构实现具体的动作功能。
2. 下列哪种电机常用于机电设备的调速系统？（）A. 直流电机B. 同步电机C. 异步电机D. 步进电机答案：A。
解析：直流电机的调速性能较好，可以通过改变电枢电压、励磁电流等方式方便地实现调速，所以常用于机电设备的调速系统。
二、填空题（每题2分，共20分）1. 机电一体化产品的设计方法主要有、等。
答案：模块化设计、系统化设计。
解析：模块化设计便于产品的组装和维修，系统化设计则从整体系统的角度出发，优化各部分的组合。
2. 传感器的主要性能指标有、、等。
答案：灵敏度、分辨率、精度。
解析：灵敏度反映传感器对被测量变化的敏感程度，分辨率是指传感器能够分辨的最小变化量，精度则表示测量结果与真实值的接近程度。
三、简答题（每题10分，共30分）1. 简述机电一体化技术的发展趋势。
答案：机电一体化技术的发展趋势包括智能化、微型化、网络化、绿色化等。
智能化使得机电设备具有自主决策和学习能力，微型化让设备更加小巧便携，网络化便于远程控制和数据传输，绿色化则注重环保和能源的高效利用。
2. 请说明在机电系统中，如何实现机械与电子的有效结合。
答案：要实现机械与电子的有效结合，首先在设计阶段就要进行协同设计，考虑机械结构对电子元件的影响以及电子系统对机械性能的要求。
在制造过程中，要确保机械部件与电子元件的精确装配，并且在调试阶段要综合调整机械和电子部分的参数，使其协同工作达到最佳性能。
四、综合题（20分）设计一个简单的机电一体化控制系统，要求画出系统框图，并说明各部分的功能。
答案：系统框图如下：[此处画出简单的系统框图，如传感器 - 控制器 - 执行器 - 被控对象的闭环框图]传感器的功能是检测被控对象的状态信息并转换为电信号，控制器对传感器传来的信号进行处理并根据控制算法发出控制指令，执行器接收控制器的指令并作用于被控对象，被控对象是被控制的机电设备或系统。
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。
机电一体化系统设计-机械系统设计
• 动态特性影响：系统运行时输出量与输入量之间的关系称动态特性。在 传动系统中，如果传动形式选择不合适，传动比分配不当，转动惯量匹 配不合理都会动使系统运动滞后，响应速度慢，影响系统的动态响应特 性。
• 能耗影响：一个好的机电一体化系统应该是能够充分利用外部输入的能
量、尽可能减少系统本身能量消耗。外部输入能量作用分为三个方面：
• 运动精度影响：运动精度是机电一体化系统的重要技术指标。机械系 统的机械结构变形、传动间隙、零件制造精度对运动精度直接产生影 响。为了提高运动精度，在机械系统设计中要尽可能减少传动链的长 度，提高传动零件的制造精度，消除传动间隙，提高支承件的刚度以 减少系统的变形。
4
• 2.1.1 机械系统对机电一体化系统的影响
下面通过一般齿轮传动模型以系统响应速度为设计目标确定系统的 总传比，传动装置简化模型如图2-6所示，M为电动机，G为齿轮传动装 置（减速器），L为负载。 Jm为电动机转子的转动惯量；Jg 为齿轮传动 的转动惯量； JL为负载的转动惯量； φm为电动机的角位移； TLF为摩擦 力矩； i为齿轮系G的总传动比。
TLF 换算到电动机轴上的负载摩擦转矩为 TLF / i；JL换算到电动机轴 上的转动惯量为 JL / i2 。设 Tm为电动机的驱动转矩，在忽略传动装置 惯量的前提下，则电动机轴上的合力矩 Ta 为
24
•2.4.3 齿轮传动链设计
Ta
Tm
TLF i
J
m
Jg
JL i2
..
m
J
m
Jg
JL i2
9
•2.2.2 功能分解
为了便于设计，可以将机械的总功能分解为若干复杂程度较低的分功 能或功能元，并形成机械的工艺动作过程。图2-1所示为冲压金属片的总 功能，它分解为送料、冲制、退回等子功能。
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机电一体化系统设计基础课程教学辅导
第二章：机电一体化系统中的机械系统
一、教学建议
●
通过文字教材理解了解机电一体化系统中的机械装置，要根据伺服控制的要求进行选择设计。
●
录像教材第2讲和流媒体课件的第3讲至第10讲针对具体的机械装置进行的分析中，如何体现机电一体化系统对机械传动部件精度、稳定性和快速响应性的要求。
● 在学习的过程中，如果有学习的心得和体会，请在课程论坛上和大家分享；如果有什么疑惑，也可以再课程论坛寻找帮助。
二、教学要求：掌握机电一体化中机械系统的基本特点
一个典型的机电一体化产品的精密机械系统主要包括以下传动机构、导向机构、执行机构、轴系、机座或机架五大部分。
以工业机器人为例分析，如图1所示。
图1机械系统的构成——工业机器人外观图
1.机械系统设计的要求
2.机械参数对系统性能的影响
影响机电一体化系统中传动机构动力学特性的因素主要有以下五个方面：
（1）负载的变化
（2）传动系统的惯性
传动系统的惯性可用转动惯量来计算，它取决于机构中各部件的质量和尺寸参数。
（3）传动系统的固有频率
传动系统的固有频率与传动部件的质量和综合刚度有关，增加刚度、减小质量可提高系
（4）传动系统中的摩擦与润滑
机械传动部件的摩擦特性应为：静摩擦力尽可能小，动摩擦力应为尽可能小的正斜率，若为负斜率则易产生爬行、精度降低且寿命减小。
（5）传动系统中的间隙
若在闭环系统中传动死区还可能使系统以1~5倍的频率产生低频振荡，为此应采用齿侧间隙小、精度较高的齿轮，或采用各种调整齿侧间隙的结构来减小或消除啮合间隙。