机电一体化 机械系统设计
机电一体化系统设计 2.机械系统设计1
第二章 机械系统设计
2.1.3 系统的设计 因控制系统的设计特别重要，所以从控制系统的角度可划分为：静
态设计与动态设计 1. 静态设计 静态设计是指依据系统的功能要求,通过研究制定出机械系统的初
步设计方案并确定执行元件各项参数、主要元部件的选择与控制电路设 计、各级电路的增益、各级间阻抗匹配和抗干扰措施等。
J d 2 b d M
dt2
dt
第二章 机械系统设计
2.2.3 电气系统
设有一个以电阻R、电感L和电容C组成的R-L-C电路如图2. 3所示。试 列写以ui为输入，uo为输出的微分方程式。
解: 根据基尔霍夫定律写出电路方程
di 1
L dt C
idt Ri ui
其中
uo
1 C
idt
亦即
i C du0 dt
2.1.2 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 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。
2. 动态设计 主要是设计校正补偿装置，使系统满足动态技术指标的要求，通常 要进行计算机仿真试验。 指研究系统在频率域的特性,借助静态设计的系统结构,通过建立系 统各组成环节的数学模型,推导出系统整体的传递函数,并利用自动控制 理论的方法求得该系统的频率特性（幅频特性和相频特性）。
第二章 机械系统设计 2.2 机械、电气数学模型的相似性 2.2.1 机械移动系统 机械平移系统的基本元件是质量、阻尼和弹簧。建立机
机电一体化机械系统的设计要点以及未来发展探讨
机电一体化机械系统的设计要点以及未来发展探讨机电一体化机械系统是指将机械、电气、电子和计算机等技术相互融合，将机械系统、电气系统、控制系统和信息处理系统有机结合，形成一个整体化的综合性系统。
机电一体化机械系统广泛应用于制造业领域，具有高效、智能、高精度、低污染等优点。
本文将探讨机电一体化机械系统的设计要点以及未来发展趋势。
1.系统布局与结构设计机电一体化机械系统的系统布局和结构设计是关键。
在系统设计时，必须兼顾机械、电气、电子和计算机等技术因素，并且要寻找合适的结构和布局方案。
优秀的系统布局可以保证系统的高效运行和稳定性。
结构设计则包括机械部分、电气部分、控制部分和信息处理部分的结构设计。
要充分考虑这些部分的相互作用，选用高精度、高效率的部件和元器件。
2.系统功能设计机电一体化机械系统具有众多的功能需求，包括运动控制、测量、分析、诊断、参数调节等。
因此，在设计机电一体化机械系统时，需要确定系统的基本功能和特殊功能。
此外，还需要充分考虑机械部分、电气部分、控制部分和信息处理部分的相互作用，确保系统各部分能够协调工作，实现系统预期的功能和性能。
机电一体化机械系统需要相应的控制系统，以实现各种功能和工作模式。
在系统控制设计时，需要充分考虑各种控制算法和控制策略，选用合适的控制器和定位技术。
同时，还需要考虑多种传感器的配备和信息传递与处理。
在设计控制系统时，还要结合机械系统的运动学特性和机械部件的灵敏度因素等因素进行综合考虑。
机电一体化机械系统是制造业转型升级的关键技术之一，未来的发展趋势将是：1.智能化随着人工智能技术的不断进步和应用，机电一体化机械系统将更加智能化，更加自主地执行各种任务和操作。
未来的机电一体化机械系统将可以实现自我学习、自我调节、自我优化等功能，进一步提高其效率和性能。
2.高可靠性机电一体化机械系统具有高效、高精度等优点，但随着应用领域的不断拓展，其稳定性和可靠性对于工业应用的可持续性和经济性具有重要意义。
第4章机电一体化机械系统设计
用预拉伸丝杠的方法来进一步补偿热变形，预 拉伸力Ft：
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•E——弹性模量 2.1×105Mpa（即2.1×105N/mm2）；
•d2——丝杠底径（mm）；
•Δt——温升（一般取2～4℃）
第4章机电一体化机械系统设计
091125第4章机电一体 化机械系统设计
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2020/11/26
第4章机电一体化机械系统设计
（l） 传动机构
• 功能——是传递动力和运动 • 作用——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、传动刚性以及传动 的可靠性对系统的精度、稳定性和快速性有很大影响。
• （4） 轴系
• 作用——传递转矩及精确的回转运动，它直接 承受外力（力矩）
• （5） 机座机架
• 作用——承重、支撑、保证各零部件相对位置 的基准作用。
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第4章机电一体化机械系统设计
4.1.2 机电一体化机械系统设计
特点
• 传统机械系统一般是由动力件、传动件、执行件三部 分加上电器、液压和机械控制等部分组成
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第4章机电一体化机械系统设计
4.2.2 无侧隙齿轮传动机构
• 齿轮传动消齿侧间隙的方法： • 中心距调整法 • 双圆柱薄齿轮错齿消隙法 • 齿轮增宽消隙法等。
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第4章机电一体化机械系统设计
中 心 距 调 节 消 隙 法
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•结构简单，但需反复调试
第4章机电一体化机械系统设计
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第4章机电一体化机械系统设计
机电一体化系统设计 第2章 机械系统设计
第 2 章 机械系统部件的选择与设计
§2-2 机械系统传动部件的选择与设计
三、滚珠丝杠副传动部件 滚珠丝杠副支撑方式 双推-自由式/简支式
如下图所示，一端安装推力轴承与圆柱滚子轴承的组合，另一端悬空呈 自由状态，故轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装的 丝杠传动系统。
第 2 章 机械系统部件的选择与设计
§2-2 机械系统传动部件的选择与设计
机械传动部件及其功能要求
➢ 常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传 动、各种非线性传动部件等。
➢ 主要功能是传递转矩和转速。因此，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。
➢ 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、传动刚性以及传动的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大影响。因此，应设计和选择传动间隙小、精 度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。
第 2 章 机械系统部件的选择与设计
§2-2 机械系统传动部件的选择与设计
三、滚珠丝杠副传动部件 滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧
弹簧自动调整预紧式
如图所示，双螺母中， 一个活动，另一个固定， 用弹簧使其间始终具有 产生轴向位移的推动力， 从而获得预紧力。其特 点是能消除使用过程中 因磨损或弹性变形产生 的间隙，但其结构复杂、 轴向刚度低，适用于轻 载场合。
单螺母变位导程自预紧式 和单螺母滚珠过盈预紧式
第 2 章 机械系统部件的选择与设计
§2-2 机械系统传动部件的选择与设计
三、滚珠丝杠副传动部件 滚珠丝杠副支撑方式
典型支承方式
第 2 章 机械系统部件的选择与设计
机电一体化中的机械系统设计
1.转动惯量（M=Jε）
在不影响机械系统刚度的前提下，传动机构的质量和转 动惯量应尽量减小。否则，转动惯量大会对系统造成不良影 响：机械负载增大，需要增大驱动电机的功率；系统响应速 度降低，灵敏度下降；系统固有频率减小，容易产生谐振。 所以在设计传动机构时应尽量减小转动惯量，通常采取以下 措施：
（1）选择转矩/惯量比(M/J)大的控制电机．因为在伺服系 统中高速电机的转动惯量在总惯量中是主要的，往往比负载 的折算惯量大得多，特别是减速比大的系统，所以应尽量选 用低惯量的控制电机。
(2)适当选用强度高、刚度好、质量轻的材料，减轻各零 部件的质量，合理布置结构， 转动部分的质量应尽量靠近轴 线。
(3)合理选取总传动比和分配各级传动比．因为负载转动 惯量折算到高速电机轴上，要除以传动比的平方，总传动比 大，负载的折算惯量小。另外，合理地分配各级传动比也可 使传动系统的折算惯量减小。
机电一体化中中的机械设计要遵循机电结合、机电互补 的原则，满足高精度、快速响应速度和稳定性的要求。具体包
括两大部分的内容：一是机械传动装置的设计，一是机械 结构的设计。
机械设计技术
机械传动装置设计
滚珠丝杠传动 无侧隙齿轮传动 谐波齿轮传动 同步齿形带传动 膜片弹性联轴器
（3）选用最佳传动比，以提高系统分辨率，减小等效 到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速度；
（4）缩小反响死区误差，如采取消除传动间隙，减小 支承变形等措施；
（5）改进支承及架体的结构设计，以提高刚性，减少 振动，降低噪音，如采用复合材料等。
二、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．因此传动机构除了要满足传动精度的要求，而且 还要满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性的要求。
机电一体化系统设计机械系统设计
机械系统设计
图2.9 滚珠丝杠副的结构原理示意图
特点：
(1)传动效率高： 0.90到0.96 ；
(2)传动精度高、刚度好：可消除间隙； (3)定位精度和重复定位精度高； (4)运动平稳； (5)摩擦阻力小:静摩擦阻力及动静摩擦 阻力差值小； (6)不能自锁、有可逆性。
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机械系统设计
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机械系统设计
轴向压簧调整、周向压簧调整（柔性）
径向（中心矩）调隙法；轴向调隙法；周向(切向）调隙法
(一)直齿圆柱齿轮传动机构
1.偏心轴套调整法 结构如图2.1所示。转动偏心轴套2调整 两啮合齿轮的中心距，消除齿侧间隙及其造成的换向死区。 特点：结构简单，侧隙调整后不能自动补偿。
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机械系统设计
图2.1 偏心轴套式消隙结构 1.电动机 2. 偏心轴套
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机械系统设计
3.双片薄齿轮错齿调整法 结构如图2.3所示。 调节两薄片齿轮l、2的相对位置，达到错齿以 消除齿侧间隙，反向时也不会出现死区。
特点：齿侧间隙可自动补偿，但结构复杂。
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机械系统设计
图2.3 双圆柱薄片齿轮错齿调整 1、2. 薄片齿轮 3、4、9. 凸耳 5.螺钉 6、7. 螺母 8.弹簧
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机械系统设计
2.锥度齿轮调整法 结构如图2.2所示。改变垫片3 的厚度就能调整两个齿轮的轴向相对位置，从而消 除齿侧间隙。
以上两种方法的特点是结构简单，能传递较大扭矩， 传动刚度较好，但齿侧隙调整后不能自动补偿，又 称为刚性调整法。
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机械系统设计
图2.2 锥度齿轮消隙结构 1、2.齿轮 3.垫片
轴向负荷F 的大小而变化，
如图2.10a所示；
2)双圆弧型面：滚珠与滚 道只在滚道内相切的两点 接触，接触角不变，如图 2.10b所示。
机电一体化机械系统设计理论
机电一体化机械系统设计理论1. 简介机电一体化是指在机械设计和控制系统设计中将机械部分和电气部分紧密结合，形成一个整体的系统。
机电一体化机械系统设计理论是探讨如何将机械和电气两个领域的知识结合起来，实现机械系统的高效运行和精确控制的理论体系。
本文将介绍机电一体化机械系统设计的基本原理、设计过程和设计方法。
2. 基本原理机电一体化机械系统设计的基本原理主要包括：机械工程原理、控制理论和电气工程原理。
2.1 机械工程原理机械工程原理是机械系统设计的基础，它包括力学、材料学、机械设计等方面的内容。
在机电一体化机械系统设计中，需要根据力学原理来确定机械结构的受力情况，选取合适的材料来满足机械系统的要求，并设计合理的机械结构。
2.2 控制理论控制理论是机电一体化机械系统设计中的重要组成部分，它主要包括自动控制和控制系统的理论。
在设计过程中，需要根据控制理论来确定机械系统的控制策略和参数，以实现对机械系统的精确控制。
2.3 电气工程原理电气工程原理是机电一体化机械系统设计中电气部分的基础，它主要包括电路理论、电机原理和电子技术等方面的内容。
在设计过程中，需要根据电气工程原理来确定机械系统中的电气组件的选型和电路的设计，以满足机械系统的要求。
3. 设计过程机电一体化机械系统设计的过程包括需求分析、概念设计、详细设计、制造和测试等阶段。
3.1 需求分析需求分析阶段是机械系统设计的起点，需要明确机械系统设计的目标和功能要求。
在这个阶段，需要与用户进行沟通，了解用户的需求和系统的使用环境，根据需求分析的结果来确定机械系统的设计要求。
3.2 概念设计概念设计阶段是机械系统设计的创造性阶段，需要根据需求分析的结果来确定机械系统的整体结构和工作原理。
在这个阶段，需要进行创新思维，产生多种设计方案，并评估各种方案的优缺点。
3.3 详细设计详细设计阶段是将概念设计转化为具体的技术方案的过程，需要根据概念设计的结果来进行具体的构造和计算。
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。
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• 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
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•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
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•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。
机电一体化机械系统的设计要点以及未来发展探讨
机电一体化机械系统的设计要点以及未来发展探讨机电一体化机械系统是指将机械设备与电气控制系统有机地结合在一起，实现整体化的设计与运行。
本文将从机电一体化机械系统的设计要点和未来发展进行深入探讨。
1.整体设计理念机电一体化机械系统的设计要点之一是整体设计理念。
在设计机电一体化系统时，需要将机械结构、电气控制、传感器等系统组件进行整体优化设计。
通过整体设计，可以提高系统的稳定性、效率和可靠性，使得整个系统的运行更加协调。
2.多学科交叉融合机电一体化机械系统设计要点之二是多学科交叉融合。
在现代机械系统中，机械、电气、控制、材料等多个学科之间的交叉融合是非常重要的。
在设计过程中需要充分发挥多学科交叉融合的优势，集成不同学科的知识和技术，从而实现系统的整体性能的提升。
3.全寿命周期考虑4.先进技术应用机电一体化机械系统设计要点之四是先进技术应用。
随着科学技术的不断发展，机电一体化机械系统设计中需要充分运用先进的技术手段，如人工智能、大数据、云计算、物联网等，从而提高系统的智能化、自动化和信息化水平。
5.灵活可靠的控制与传感技术机电一体化机械系统设计要点之五是灵活可靠的控制与传感技术。
在机电一体化系统中，控制技术和传感技术是非常关键的组成部分。
需要选择灵活可靠的控制与传感技术，满足系统对于控制精度、反馈速度等方面的要求。
二、未来发展趋势1.智能化发展2.集成化设计未来的机电一体化机械系统将趋向于集成化设计。
通过集成化设计，可以有效提高系统的性能和功能，减少系统的体积和重量，实现系统的模块化设计和定制化生产。
3.柔性化生产未来的机电一体化机械系统将朝着柔性化生产发展。
通过引入柔性机器人、柔性传感器、柔性控制器等技术手段，可以实现生产过程的柔性化、快速化、定制化，从而满足不同客户的个性化需求。
4.绿色环保未来的机电一体化机械系统将注重绿色环保。
通过使用环保材料、节能技术、低排放技术等手段，可以实现系统的能源高效利用和环境保护，实现可持续发展目标。
机电一体化机械系统的设计要点以及未来发展探讨
机电一体化机械系统的设计要点以及未来发展探讨机电一体化机械系统是指将机械设备与电气设备、电子设备和信息处理设备融合在一起，形成具有自动控制、智能化和网络化特点的综合性机械系统。
在工业生产中，机电一体化机械系统已经得到了广泛应用，为提高生产效率、降低成本、保障安全、提升产品质量等方面发挥了重要作用。
对机电一体化机械系统设计要点的研究具有重要意义，并且对其未来发展进行深入探讨也是必要的。
1. 整体设计理念机电一体化机械系统的设计要以整体设计理念为核心，包括机械结构设计、电气控制设计、传感器和执行元件的选型与布局等。
需要形成一个协调一致的整体设计方案，才能充分发挥各个子系统的功能，实现机电一体化的效果。
2. 精准的运动控制机电一体化机械系统通常需要实现精准的运动控制，这要求在设计时考虑到运动学和动力学特性，并选用适合的电机、传动装置和控制系统。
还需要考虑到动态特性，避免振动和冲击对系统稳定性的影响。
3. 智能化的感知与识别随着人工智能和物联网技术的飞速发展，机电一体化机械系统的设计也需要考虑智能化的感知与识别能力。
通过视觉、声音、激光等传感器来获取环境信息和工件信息，通过图像处理和模式识别技术实现自动识别和定位。
4. 高效的能源利用在设计机电一体化机械系统时，应当考虑到能源利用效率，尽可能减少能源浪费。
可以采用节能传动装置、高效电机和变频调速技术等手段，实现能源的高效利用。
5. 安全可靠的控制系统机电一体化机械系统的控制系统需要具有高度的安全性和可靠性，以确保系统在工作过程中不发生意外事故。
需要采用可靠的硬件设备和先进的控制算法来保障系统的安全运行。
二、未来发展趋势1. 智能化和自动化水平不断提高随着人工智能和自动化技术的不断发展，机电一体化机械系统将会朝着智能化和自动化方向不断提升。
未来的机电一体化机械系统将具备更强的自主学习和决策能力，能够适应更复杂的环境和任务。
2. 功能集成度不断提高未来的机电一体化机械系统将会朝着功能集成度更高的方向发展，将机械、电气、电子和信息技术更加紧密地融合在一起，实现更多功能的集成，以满足多样化和个性化需求。
机电一体化的机械系统设计环节
机电一体化的机械系统设计环节
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。
机电一体化机械系统的设计要点以及未来发展探讨
机电一体化机械系统的设计要点以及未来发展探讨机电一体化是指机械与电子、计算机、控制等技术融合为一体的技术体系。
机电一体化机械系统的设计要点包括机械结构设计、电气控制系统设计、传感器选型、运动控制算法设计、界面设计等几个方面。
本文将探讨这些设计要点及机电一体化机械系统未来发展方向。
一、机械结构设计机械结构设计是机电一体化机械系统的基础，要兼顾机械强度和稳定性、传动效率等方面。
在机械结构设计中，要考虑到通用性，便于维修和升级。
同时，机械结构设计也需要考虑到如何与电气控制系统、传感器等配合，实现机械系统与电气系统的紧密协同。
二、电气控制系统设计电气控制系统包括电机驱动和控制信号传输两方面。
在电机驱动方面，可通过选择合适的电机类型、控制器等元器件，以实现高效、精准的控制。
在控制信号传输方面，可以使用各种传输协议，在提高系统稳定性和效率的同时，扩展系统应用范围。
三、传感器选型传感器可依靠各种技术原理识别物理量，故在机电一体化机械系统中起到了极其重要的角色。
传感器选型应根据系统要求选择合适的传感器，如温度传感器、压力传感器、声音传感器、光学传感器等，在提高机械系统运行质量和效率的同时，实现对整个系统进行集中、精确的监控和控制。
四、运动控制算法设计机电一体化机械系统的运动控制算法设计涉及到控制系统内部算法的设计和优化、算法与传感器信息的结合等方面。
要根据系统特性和需求选择合适的控制算法，如PID控制算法、模糊控制算法、自适应控制算法等。
同时，要针对控制系统内部的延迟和波动等问题进行优化，提高控制系统的稳定性和精度。
五、界面设计界面设计是机电一体化机械系统与用户接口的内容之一。
通过界面的设计，能够实现操作简易、信息友好、交互性强的特点。
应采用图形化、可视化的界面设计方式，使终端用户方便地维护、升级系统。
未来发展趋势随着技术发展和市场需求的变化，机电一体化机械系统的未来发展趋势将呈现以下几个特点：一、智能化。
利用新型技术将智能化引入到机电一体化机械系统中，如人工智能、物联网等，实现智能化运行、调控和控制系统优化。
机电一体化第二章 机械系统设计
（6）制造工艺复杂 滚珠丝杆和螺母等零件加工精度、 表面粗糙度要求高，故制造成本较高。
三、滚珠丝杆副传动机构
4. 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法 滚珠丝杠副除了对本身单一方向的传动精度有要
求外，对其轴向间隙也有严格要求，以保证其反向 传动精度。滚珠丝杠副的轴向间隙是承载时在滚珠 与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量 和螺母原有间隙的总和。
三、滚珠丝杆副传动机构
两端都装止推轴 承，承受轴向载 荷
两端都装止推轴 承和向心球轴轴 承，承受轴向、 径向载荷
固定端装深沟球 轴承和双向推力 轴承，承受径向、 轴向载荷，简支 端用深沟球轴承 径向约束
固定可以用深沟 球轴承和双向推 力轴承组合或用 圆锥滚子轴承
三、滚珠丝杆副传动机构
单推—单推 1．轴向刚度较高； 2．预拉伸安装时，须加载荷较大，轴承寿命比方案
三、滚珠丝杆副传动机构
3）标注方法
三、滚珠丝杆副传动机构
市场常见的滚珠丝杆型号 FF型 内循环单螺母式滚珠丝杠副 FFB型 内循环变位导程预紧螺母式滚珠丝杠副 FFZD型 内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠副 FFZL型 内循环螺纹预紧螺母式滚珠丝杠副 LR-CF(LR-CFZ)型 大导程滚珠丝杠副 DGF型 DGF端盖式滚珠丝杠副 主要生产厂商： 西班牙柯尔特（KORTA)、德国博世·力士乐 日本NSK滚珠丝杠、日本THK滚珠丝杠
第二章 机械系统设计
第一节 概述
一、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。如果机械系统的 精度不能满足要求，则无论机电一体化产品其它 系统工作怎样精确，也无法完成其预定的机械操 作。
第2章 机电一体化系统机械系统设计PPT课件
第2章 机电一体化机械系统设计 （1）偏心轴套调整法 图2-1所示为最简单的偏心轴套式消隙结构。电动 机2通过偏心轴套1装在壳体上。转动偏心轴套1可以调 整两啮合齿轮的中心距,从而消除直齿圆柱齿轮传动的 齿侧间隙及其造成的换向死区。 这种方法结构简单,但侧隙调整后不能自动补偿。
机电一体化导论14
第2章 机电一体化机械系统设计
二. 传动间隙的影响
在机械传动系统中通常存在着传动间隙，如齿轮 传动的齿侧间隙、丝杠螺母的传动间隙、丝杠轴承的 轴向间隙、联轴器的扭转间隙等。传动间隙主要是机 械方面的问题，对伺服系统的的精度和稳定性都有影 响，在机电一体化机械系统中都尽力使之完全消除。
机座和机身起着支承和连接一定的零部件、并使 它们保持规定的相互位置关系的作用，其刚度对系统 的弹性变形和结构固有频率都有重要影响。机座和机 身一般具有较大的质量和尺寸，通过合理布置筋板和 加强筋来提高刚度，较之增加壁厚效果更为显著。近 年来，机座和机身有采用钢板焊接结构代替铸件的趋 势，这是因为钢板焊接结构容易采用有利于提高刚度 的筋板布置形式，钢板的弹性模量是铸件的2倍，因而 可以提高刚度，减轻重量，显著提高结构的固有频率。
一. 摩擦的影响 互相接触的两物体间只要有相对运动或有相对运 动的趋势，就有摩擦力存在。摩擦力可分为静摩擦力、 库仑摩擦力和粘性摩擦力。后两者可统称为动摩擦。
机电一体化导论 8
第2章 机电一体化机械系统设计
实际机械导轨 的摩擦特性随 材料和表面状 况的不同而有 很大的不同， 如图2-1所示。
图2-1 导轨面间的摩擦系数
机电一体化导论 5
第2章 机电一体化机械系统设计
(3) 选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减 少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。
091125第4章 机电一体化机械系统设计
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(12) 滚珠丝杠副的转矩
• （13） 滚珠丝杠副的安装方式 • （14） 滚珠丝杠副传动系统的轴向刚性 • （15） 滚珠丝杠副的许用转速、Dn值 • （16） 滚珠丝杠副的临界压缩载荷、强度计算 • （17） 滚珠丝杠副传动系统转矩计算 • （18） 交流伺服电机选择 • （19） 步进电机选择 • （20） 设计计算流程
5
4.2 机械传动机构
4.2.l 机械传动机构性能要求
• （1） 无（小）传动间隙 • 开环或闭环之外的传动间隙不影响系统稳定性，
但影响伺服精度（逆运行时的回程误差）； • 闭环之内的传动间隙不影响系统静态精度，但
影响稳定性；若闭环系统的稳定裕度较小，则 会使系统产生自激振荡。 • （2） 惯量小 • 大惯量会使系统的机械常数增大，固有频率降 低，从而使系统负载大，响应慢，灵敏度低， 易产生谐振
1
增大而减小
约3Fp 2δ0
3/2
有 Fp
δ0 /3 3
是常数
约3Fp δ0
3
2 2 3
36
② 滚珠丝杠副的轴向接触刚性
a. 不预紧的滚珠丝杠副轴向接触刚性
Ka
K
Fa 0.3Ca
1/ 3
b. 预紧滚珠丝杠副的轴向接触刚性
Fp Fmax /3
预紧力 F p Ka不是样本上的数值时
Ka
K
Fp
Ca
4
机械系统设计特点
• （1） 机械传动设计的特点 • 传动链短、转动惯量小、线性传递、无间隙传
递等 • （2） 机械结构设计的特点 • 满足伺服系统对其稳、准、快的要求 • 精密化、高速化、小型化和轻量化 • 应综合考虑各个零部件的制造安装精度、结构
机电一体化系统中的机械设计
（确定各级传动比）
查图3-6， i2 =3.7； i3 =4.24； i4 =4.95。
验算：i i1i2i3i4 =256.26。可用
小结
• 无论传递的功率大小如何，按等效转动惯量最小原则分配，从高速级到低速 级，各级传动比总是逐级增加的，而且级数越多，总等效惯量越小。但级数 增加到一定数量后，总等效惯量的减少并不明显，而从结构紧凑、传动精度 和经济性等方面考虑，级数不能太多。
二、滚珠螺旋传动
• （2）运动平稳 滚动摩擦系数接近常数，启动与 工作摩擦力矩差别很小。启动时无冲击。
• （3）能够预紧 预紧后可消除间隙产生过盈，提 高接触刚度和传动精度。
• （4）工作寿命长 滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为 高硬度、高精度，具有较长的工作寿命和精度保 持性。寿命约为滑动丝杆副的4~10倍以上。
一、齿轮传动
• 3 齿轮传动间隙的调整方法 • (1) 圆柱齿轮传动 • (a) 偏心套(轴)调整法
• 如右图所示，将相互啮合的 一对齿轮中的一个齿轮4装 在电机输出轴上，并将电机 2安装在偏心套1(或偏心轴) 上，通过转动偏心套(偏心轴) 的转角，就可调节两啮合齿 轮的中心距，从而消除圆柱 齿轮正、反转时的齿侧间隙。 特点是结构简单，但其侧隙 不能自动补偿。
令
J me
J1 (1 i12
1 i12
i2 i14
)
J em 0 i1
可得 i2
i14 1 2
电动机
J1 i1
J 2
J4
i2 J3
• 对于n级齿轮系作同类分析可得： •
2n n1 1
i1 2 2 2n 1 i 2n 1
2 k 1
ik
2
i 2n
机电一体化技术(二)-机械系统设计解析
输入轴1：J1
d
21 (t)
dt 2
c1
d1 (t)
dt
M1 (t)
M
(t)
输出轴2：
J2
d22 (t)
dt 2
c2
d2 (t)
dt
M fz (t)
M 2 (t)
设齿轮传动比为 i 1 t z2 2 t z1
并假设齿轮1、2间无传动功率损耗，于是有：
简化到Ⅱ轴上： J2 i2 J1
M、M1------输入轴及齿轮1上的驱动力矩和负载力矩
M2、Mfz -----输出轴及齿轮2上的驱动力矩和负载力矩
1、2 -----主动轮1、从动轮2的转角
J1 、J2 -----主动轮1、从动轮2的转动惯量 c1、c2 -----主动轮1、从动轮2的粘滞阻尼系数
9
忽略两轴及齿轮的扭转弹性变形，分别对输入轴和 输出轴列写旋转运动方程：
2.2 机械参数对系统性能的影响
X s
1
G(s) F (s) ms2 Bs K
1
T
2s2
K
2Ts
1
二阶系统的传递函数的标准形式为：
f(t ) x(t )
m
K
B
其中:
n
1 T
K m
－自然频率（或无阻尼振荡频率）
B
2 mK
－阻尼比（相对阻尼系数）
2.2 机械参数对系统性能的影响
二阶系统的动态特性就可以用ωn和ζ这两 个参数的形式描述。如果0<ζ<1 ，则闭环极点
m
m
虚 功 ： W Fivit T j jt
i 1
j 1
等
效
虚
功
：
机电一体化第2章 机械系统设计(8机座和机架)分解
内容
机座或机架的作用及基本要求
机座或机架的结构设计要点
2 机械系统设计—机座和机架
一、机座或机架的作用及基本要求
作用：它既承受其它零部件的重量和工作载荷．又 起保证各零部件相对位置的基准。
分类 机座类——各种机床的床身 底座类——电动绞车的底座 箱体类——减速器的箱体、车床床头箱的箱体
受动载荷的机架零件，为了提高它的吸振能力，需要合理设计 截面形状，即使截面面积并不增加，也可提高机架承受动载的 能力。
2 机械系统设计—机座和机架
截面形状的选择 当受简单拉、压作用时，变形只和截面积有关，而与截 面形状无关，设计时主要是选择合理的尺寸。 如果受弯、扭作用时，变形与截面形状有关。在其它条 件相同情况下，抗扭惯性矩Ic越大，扭转变形越小， 抗扭刚度越大。
2．焊接机架的设计 优点：在刚度相同的情况下可减轻重量30％左右；改 型快，废品极
少；生产周期短、成本低。
结构：常用普通碳素结构钢材(钢板、角钢、槽钢、钢管等)焊接制造。
2 机械系统设计—机座和机架
2 机械系统设计—机座和机架
本章小结
本章重点学习了机电一体化系统的机械系统机械传动部 件和导向支承部件的选用与设计。重点掌握丝杠传动和齿 轮传动的选用与设计的基本要求、原则和设计方法以及了 解相关结构的工作原理；重点掌握滑动导轨和滚动导轨的 选用与设计的基本要求、原则和设计方法，了解相关结构 的工作原理以及其他导向装置的特点。
2 机械系统设计—机座和机架
机架零件的一般设计要求
1、保证其上的零件、部件，准确定位、可靠固定； 考虑某些关键表面及其相对位置精度； 2、应有足够的强度、刚度及振动稳定性；减少热变 形； 3、应满足工业美学要求，形状简单，颜色适应环境； 4、应具有良好的加工与安装工艺性、经济性及人机 工程等方面的要求。
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相互间无负载效应的环节相串联, 即前一个环节的输出是
后一个环节的输入, 依次按顺序连接。
R(s) U(s) C(s) R(s) C(s)
G1(s)
(a)
G2(s)
G1(s)G2(s)
(b)
串联后等效的传递函数等于各串联环节传递函数的乘积。
第2章 机械系统设计 （2）并联
并联各环节有相同的输入量，输出量等于各环节输出量之
作频率和抗干扰能力。
第2章 机械系统设计
2.2 机械系统数学模型的建立
2.2.1 机械系统数学模型的概念
1. 数学模型
描述系统的输入、输出变量及系统内部各变量之间的数 学表达式称为系统的数学模型，数学模型是系统动态特性 的数学描述。 系统的常用动态数学模型为微分方程式，它是表示系统数
学模型的最基本的形式。
m
t bm1r
m1
t b1r t b0r t
,
第2章 机械系统设计 2.2.3 传递函数
用拉普拉斯变换求解线性微分方程，可将经典数学中的微
积分运算转化为代数运算，又能够单独地表明初始条件的影 响，并有变换表可查找，因而是一种较为简便的工程数学方 法。 1. 拉普拉斯变换
寿命长等特点。
第2章 机械系统设计 二、机械系统的设计思想 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。
初步方案：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。
稳态设计：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。
R
2
分支点前移
R G
C
G
G
C C
3
相加点后移
－阻尼比 0<1
c(t)
振荡环节
1
r(t)
0
t
第2章 机械系统设计 6. 系统的结构图及其联接
控制系统的结构图是由许多对信号进行单向运算的方框和一
些信号流向线组成，它包含4种基本单元。 1）信号线
2）引出点（或测量点）
3）比较点（或综合点） 4）方框（或环节）
第2章 机械系统设计 基本联接形式：串联、并联和反馈连接。 （1）串联
0
拉式变换的微分定理：若 f t 可拉式变换，且 L[ f ( t )] F( s )，则
df (t ) L[ ] sF ( s ) f (0) dt
对于高阶导数，有
d n f (t ) L[ ] s n F ( s ) s n1 f ( 0 ) s n2 f 1 ( 0 ) f n1 ( 0 ) dt n
第2章 机械系统设计 式中c(t)是系统输出量，r(t)是系统输入量，和是与系统结构和
参数有关的常系数。
设r(t)和c(t)及其各阶系数在t=0时的值均为零，即零初始条件， 则对上式中各项分别求拉氏变换，并令C(s)＝L[c(t)]， R(s)=L[r(t)]，可得s的代数方程为：
[a0 s n a1s n1 an1s an ]C(s) [b0 s m b1s m1 bm1s am ]R(s)
第2章 机械系统设计
第2章 机械系统设计
2.1 概述 2.2 机械系统数学模型的建立 2.3 机械传动系统的特性 2.4 机械传动装置
第2章 机械系统设计
2.1 概述
机电一体化机械系统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 及机电部件相互联系的系统。 机电一体化系统的机械结构主要包括执行机构、传动机 构和支承部件。在机械系统设计时，除考虑一般机械设计
第2章 机械系统设计 3.良好的稳定性
机电一体化系统要求其机械装置在温度、振动等外界干扰
的作用下依然能够正常稳定的工作。既系统抵御外界环境的 影响和抗干扰能力强。 为确保机械系统的上述特性，在设计中通常提出无间隙、 低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率和适当的阻尼比等要
求。此外机械系统还要求具有体积小、重量轻、高可靠性和
其传递函数为
式中，K为放大系数，T为惯性环节的时间常数。
特点：含一个储能元件，对突变的输入,其输出不能立即复 现，输出总落后于输入。
第2章 机械系统设计
（3）积分环节
积分环节的微分方程式为
c t 1 T
其传递函数为
G s
r t dt
C s 1 R s Ts
第2章 机械系统设计
2. 建立数学模型的一般原则
由于组成系统的各个环节具有非线性和时变性的特点，系 统的数学模型是变系数的非线性偏微分方程。为便于分析 问题，需要对实际模型进行简化处理，简化后的模型通常 是一个线性微分方程。
分析系统时，结果的准确程度，完全取决与数学模型对
给定实际系统的近似程度。在建立系统数学模型的过程中， 既不能过分强调准确性而使系统过于复杂，也不能片面追求 简化性而使分析结果与实际情况出入过大。
特点： 输出量与输入量的积分成正比例，当输入消失，输出 具有记忆功能，通常用来改善系统的稳态性能。
第2章 机械系统设计 （4） 微分环节
理想的微分环节的输出正比于输入的微分，其微分方程为
c t K dr t dt
其传递函数为
G s
C s Ks R s
理想微分环节的输出与输入量的变化速度成正比。在阶跃
（3）传递函数是在零初始条件下定义的，它只能反映在初
始条件为零时输入作用对系统输出的效果，而并未同时考虑 非零初始条件对系统输出响应产生的效果，即未能完全表征 系统的动态特性，因此传递函数具有一定的局限性。
第2章 机械系统设计 5. 典型环节的传递函数
（1）比例环节
比例环节的微分方程式为
ct Kr t
者根本无法弄清楚它的内部结构时，借助从系统的输入来看 系统的输出，也可以研究系统的功能和固有特性。
第2章 机械系统设计 3. 传递函数的性质
（1）传递函数的分母是系统的特征多项式，代表系统的固有
特性，分子代表输入与系统的关系。因此，传递函数表达了 系统本身的动态性能而与输入量的大小及性质无关。 （2）传递函数不说明被描述系统的物理结构。只要动态性能 相似，不同的系统可以用同一类型的传递函数来描述。
第2章 机械系统设计
2.2.2 系统的微分方程
线性微分方程是系统数学模型最基本的形式，列写微分 方程的一般步骤如下： 1）分析系统和各个元件的工作原理，找出各物理量之间的 关系，确定系统和各元件的输入、输出变量。
2）根据支配系统及各环节或元件的基本物理定律，从系统
的输入端开始，按照信号的传递顺序，根据各变量所遵循 的物理定律，依次列写各元件或环节的状态方程，一般为 一个微分方程组。
故传递函数为
G s C s K Rs
特点：输入输出量成比例，无失真和时间延迟。 实例：电子放大器，齿轮，电阻(电位器)，感应式变送器 等。
第2章 机械系统设计 （2）惯性环节
惯性环节的运动方程为
dc t T c t Kr t dt
G s C s K R s Ts 1
对函数 f t ，t为实变量，如果作线性积分பைடு நூலகம்即
0
f t e st dt
式中，s j，为复变量
存在，则称其为函数 f t 的拉普拉斯变换，简称拉式变换。
第2章 机械系统设计 其表达式记作
F( s ) L[ f ( t )] f ( t )est dt
输入作用下的输出响应为一理想脉冲（实际上无法实现）， 由于微分环节能预示输出信号的变化趋势，所以常用来改善 系统的动态特性。
第2章 机械系统设计
（5） 延迟环节
延迟环节的输出经一延迟时间 后，完全复现输入信号， 其微分为
ct r t
G s C s e s Rs
如果 f t 及各阶导数的初始值都等于零，则
d n f (t ) L[ ] s n F s dt n
第2章 机械系统设计 2. 传递函数的定义
线性定常系统的传递函数，定义为零初使条件下，系统输
出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。
输出信号的拉氏变换 C ( s) 传递函数 输入信号的拉氏变换零初始条件 R(s)
要求外，还必须考虑机械结构因素与整个伺服系统的性能
参数、电气参数的匹配，以获得良好的伺服性能。
第2章 机械系统设计 一、机电一体化对机械系统的基本要求 1. 高精度 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 机电一体化系统的快速响应即是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。
第2章 机械系统设计
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
延迟环节的传递函数为
造成延时效应的主要原因是信号输入这些环节后，由于这些 环节传递信号的速度有限，输出响应要延迟一段时间才能产 生，因此，延时环节又称传输滞后环节。
第2章 机械系统设计 （6）振荡环节
振荡环节是二阶环节，其传递函数为
n2 G( s) 2 s 2n s n2
式中
n－无阻尼固有频率
于是，由定义得系统传递函数为：