第5章-机电一体化元部件特性分析-01
机电一体化系统执行元件
常见的机电一体化系统执行元件类型
电机
用于产生机械动力，并转换为其他形式的能 量。
执行器
负责将输入的控制信号转换为机械运动。
电磁阀
控制液压或气压系统中流体的流动。
传感器
用于感知和检测环境中的物理量或信号。
机电一体化系统执行元件的工作原理
1
信号转换
2
执行元件将输入信号转换为机械运动、
电磁力或其他形式的能量。
机电一体化系统执行元件
机电一体化系统执行元件是机械运动和电信号相互作用的关键组成部分。了 解其概念和特点是理解机电一体化系统的基础。
机电一体化系统的概念和特点
机电一体化系统是综合电子技术、机械技术和控制技术的新兴技术。其特点 包括高效性、可靠性、精度和智能化。
机电一体化系统执行元件的定 义
机电一体化系统执行元件是指能够完成特定任务的设备或元器件，如电机、 电磁阀、执行器等。
3
接收信号
从控制系统接收输入信号，如电流、 电压、压力等。
完成任务
根据输入信号的变化，执行元件完成 相应的任务或动作。
机电一体化系统执行元件的应 用领域
机电一体化系统执行元件广泛应用于制造业、汽车工业、航空航天、机器人 技术、自动化系统等领域。
机电一体化系统执行元件的发展趋势
随着技术的不断进步，机电一体化系统执行元件的发展趋势是追求更高的效率、更小的
第5章机电系统的元部件特性分析
第5章机电系统的元部件特性分析机电系统是由机械结构和电气控制系统组成的复合系统。
机电系统的元部件是构成机电系统的重要组成部分，其性能和特点直接影响整个系统的工作效果和稳定性。
本章将对机电系统的元部件的特性进行分析。
一、电机特性分析：电机是机电系统中的核心部件之一，其特性直接关系到系统的工作效率和稳定性。
电机通常具有以下几个特性：1.动作特性：包括启动特性、加速特性和负载特性。
启动特性是指电机启动时所需的电流和转矩，加速特性是指电机加速过程中的电流和转矩变化，负载特性是指电机在不同负载下的电流和转矩变化。
2.效率特性：电机的效率是指输入电能与输出机械功率之间的比值。
高效率的电机能够更好地转化电能为机械功率，减少能源的浪费。
3.速度特性：电机的速度特性是指电机的输出转速与输入印极电压之间的关系。
常见的电机包括恒速电机、变速电机和步进电机，它们的速度特性不同。
二、传感器特性分析：传感器是机电系统中用于采集和转换各种物理量的元部件，常见的传感器有温度传感器、压力传感器、光电传感器等。
传感器的特性主要包括以下几个方面：1.准确性：传感器的准确性是指传感器输出与被测量值之间的误差。
高准确性的传感器能够更精确地测量和控制系统中的物理量。
2.线性特性：传感器的线性特性是指传感器输出与被测量值之间的线性关系。
线性传感器具有较好的比例关系，能够提供更可靠和可控的输出信号。
3.响应时间：传感器的响应时间是指传感器从接收到输入信号到输出信号稳定的时间。
快速响应的传感器能够更及时地探测和反馈系统中的变化。
三、执行元件特性分析：执行元件是机电系统中用于控制和执行各种动作的元部件，常见的执行元件有电磁阀、液压缸、气缸等。
执行元件的特性包括以下几个方面：1.控制精度：执行元件的控制精度是指输出动作与输入控制信号之间的误差。
高控制精度的执行元件能够更准确地控制和执行系统中的动作。
2.压力稳定性：执行元件的压力稳定性是指执行元件在不同负载下的输出压力稳定性。
第五章 机电一体化控制系统及其模块电路设计
图5-1 专用微机控制系统的组成
第二节 机电一体化控制系统微控制器的选择
一、微型计算机的系统构成： 人们经常提到“微机”这个术语，该术语是三个概念的 统称，即微处理器、微型计算机与微型计算机系统。 微处理器简称μP或MPU或CPU，它是一个独立的芯片，内 部含有数据通道、多个寄存器、控制逻辑部件、运算逻辑部 件以及时钟电路等。 微型计算机简称μC或MC，它是以微处理器为核心，加上 ROM、RAM、I/O接口电路、系统总线以及其他支持逻辑电 路所组成的计算机。如果以上各部分均集成在一个芯片，那 么这个芯片就叫微控制器，简称MCU，也就是人们常说的 单片机。 微型计算机系统简称MCS，一般将配有系统软件、外围设 备、系统总线接口的微型计算机称为微型计算机系统。 本节主要针对机电一体化设备专用微机控制系统，来讨 论微处理器与微控制器的选择。
集成稳压器的功能是将非稳定的直流电压变换成稳 定的直流电压。集成稳压器按工作方式可分为串联型 稳压器、并联型稳压器和开关型稳压器三种。其中开 关型稳压器的效率最高，可达70%以上，但其输出电 压的纹波较大；并联型稳压器输出电流小，但是电压 的稳定度高，主要用来作电压基准；串联型稳压器的 效率虽较低，但其输出电流范围较宽，主要用于低电 压、小电流的场合，比如，给控制系统的主机电路供 电等。
1）三端固定正电压稳压器 常用型号为7800系列。图5-2是7800稳压器的 外观图和元件符号，图a为金属封装，输出 电流较大；图b为塑料封装，输出电流较小； 图c是7800稳压器的电路符号。7800系列正 稳压器常见的标称输出电压有+5V、+6V、 +8V、+9V、+12V、+15V、+18V、+20V、 +24V等。
机电一体化章节习题答案(大学期末复习资料).docx
项目一机电一体化概述1-1 ＞试分析机电一体化技术的组成及相关关系。
机电一体化系统是多学科技术的综合应用，是技术密集型的系统工程。
其技术组成包括: 机械技术、检测技术、伺服传动技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术和系统总体技术等。
现代的机电一体化产品其至还包含了光、声、化学、生物等技术等应用。
1-2.列举各行业机电一体化产品的应用实例，并分析各产品中相关技术应用情况。
机电一体化技术是其他高新技术发展的基础，机电一•体化的发展依赖于其他相关技术的发展，可以预料，随着信息技术、材料技术、生物技术等新兴学科的高速发展，在数控机床、机器人、微型机械、家用智能设备、医疗设备、现代制造系统等产品及领域，机电一体化技术将得到更加蓬勃的发展。
1-3.为什么说机电一体化技术是其它技术发展的基础？举例说明。
机电一体化技术是其他高新技术发展的基础，机电一体化的发展依赖于其他相关技术的发展，可以预料，随着信息技术、材料技术、生物技术等新兴学科的高速发展，在数控机床、机器人、微型机械、家用智能设备、医疗设备、现代制造系统等产品及领域，机电一体化技术将得到更加蓬勃的发展。
1・4、试分析机电一体化系统设计与传统的机电产品设计的区别。
机电一体化系统设计方法与用经验公式、图表和手册为设计依据的传统方法不同，它是以计算机为手段，其设计步骤通常如下：设计预测一信号分析一科学类比一系统分析设计一创造设计一选择各种具休的现代设计方法（如相似设计法、模拟设计法、有限元法、可靠性设计法、动态分析法、优化设计法、模糊设计法等）一机电一体化系统设计质量的综合评价。
1-5.机器人组成系统有哪些?1-6.数控机床的种类有哪些，基本结构由什么组成？(一)数控机床的分类 1. 按照工艺用途分类金属切削类金属成形类特种加工类其他类：例如数控火焰切割机床、 2. 按机床的运动轨迹分类点位控制数控系统：只控制机床移动部件的终点位置，而不管移动所走的轨迹如何， 运动中不进行任何加工。
机电一体化技术 第2版 课后习题答案
机电一体化技术课后习题答案第一章绪论1-1 简述机电一体化的含义答：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的系统的总称。
1-2 机电一体化产品的主要组成、作用及其特点是什么？答：1．机械本体2．动力源3．检测和传感装置4．控制与信息处理装置5．执行机构机械本体用于支撑和连接其他要素，并把这些要素合理的结合起来，形成有机的整体。
动力系统为机电一体化产品提供能量和动力功能，驱动执行机构工作以完成预定的主功能。
传感与检测系统将机电一体化产品在运行过程中所需要的自身和外界环境的各种参数及状态转换成可以测定的物理量，同时利用检测系统的功能对这些物理量进行测定，为机电一体化产品提供运行控制所需的各种信息。
执行装置在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。
1-3 机电一体化产品的分类有哪些？答：1．数控机械类2．电子设备类3．机电结合类4．电液伺服类5．信息控制类1-4 您在生活中还遇到哪些机电一体化产品？试分析其组成及功能。
答：工业机器人等。
工业机器人一般由机械系统、驱动系统、控制系统、检测传感系统和人工智能系统等组成。
各系统功能如下所述。
1）机械系统。
该系统主要是完成抓取工件（或工具）实现所需运动的机械部件，包括手部、腕部、臂部、机身以及行走机构。
2）驱动系统。
驱动系统的作用是向机械系统（即执行机构）提供动力。
随驱动目标的不同，驱动系统的传动方式有液动、气动、电动和机械式四种。
3）控制系统。
控制系统是机器人的指挥中心，它控制机器人按规定的程序运动。
控制系统可记忆各种指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间等），同时按指令信息向各执行元件发出指令；必要时还可对机器人动作进行监视，当动作有误或发生故障时即发出警报信号。
4）检测传感系统。
它主要检测机器人机械系统的运动位置、状态，并随时将机械系统的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使机械系统以一定的精度达到设定的位置状态。
机电一体化系统的元、部件特性分析
有的传感器中装有将一种机械量变换为另一种机械量的变换装置。
5.2 传感器的特性分析
5.2 传感器的特性分析
与机设械各量种输变入换x的之传比递为函数(动态特性)为Gm、Gme、Ge，则输出信号v
Gs＝GmGmeGe
＝l。Gm中包含电气系统对变换器的柔度和质量等的反作用，一般取Gm 如果传感器与被测量物体的安装为刚性联接的话，也可以认为机
三、机构动力学特性
3．Lagrange公式与动态力(或力矩)向输入端的换算 经推导整理有：
可以认为式中的第一项为惯性力项，第二项为离心力和哥氏力项 ，第三项可认为是重力项。如果从输入端来看，动态力(力矩)是变 化的惯性力矩、与速度平方成比例的力和变化的重力共同的作用， 系统具有非线性特性。
三、机构动力学特性
换器。
5.2 传感器的特性分析
一、动电式变换器的特性
5.2 传感器的特性分析
一、动电式变换器的特性
当Ls/R<<1时，速度与电压成正比。
5.2 传感器的特性分析
二、压电式变换器的特性
5.2 传感器的特性分析
若上式中的RCs>>l，则Gme≈d/C 。此时可得到与力成比例的 输出，但固有振动周期比τ ＝RC低的情况不能准确求出。由
模型：
三、机构动力学特性
微分方程：
三、机构动力学特性
动态特性：
第5章 机电一体化系统元、部件的特性分析
学习目的与要求
机电一体化系统中的机械系统、传感检测系统、 机电一体化系统中的机械系统、传感检测系统、执行元件 系统、电子信息处理控制系统等，由于各子系统的输入/输 系统、电子信息处理控制系统等，由于各子系统的输入 输 出之间不一定成比例关系，但总存在某种频率特性关系（ 出之间不一定成比例关系，但总存在某种频率特性关系（动 态特性或传递函数），如线性或非线性特性。 ），如线性或非线性特性 态特性或传递函数），如线性或非线性特性。正确分析掌握 这些频率特性， 这些频率特性，对有效地设计机电一体化系统或产品是非常 重要的。 重要的。 本章节重点掌握和了解机械系统、 本章节重点掌握和了解机械系统、传感系统和执行元件系 统等的基本特性， 统等的基本特性，从机电一体化系统构成要素的角度出发掌 握其分析方法。 握其分析方法。
（4）间歇传动机构 ） 通常为非线性变换机构， 通常为非线性变换机构，变换关系比较复杂如图所 示。
2π 3 π 3 2π 4π 6π
传动变换特性为： 传动变换特性为：
θ2 = f (θ1)
（5）多自由度非线性变换机构 ） 多自由度非线性变换机构主要指连杆机构和凸轮机构。 多自由度非线性变换机构主要指连杆机构和凸轮机构。 1）连杆机构 ） 连杆机构的特点：具有刚性大，运动速度高， 连杆机构的特点：具有刚性大，运动速度高，改变连杆尺寸 参数可实现需要的运动，对力/力矩和运动轨迹 力矩和运动轨迹/速度具有放大 参数可实现需要的运动，对力 力矩和运动轨迹 速度具有放大 或缩小的功能。但连杆机构一般只能实现一定范围内的运动， 或缩小的功能。但连杆机构一般只能实现一定范围内的运动， 在某些点上近似地满足输入与输出之间函数关系、 在某些点上近似地满足输入与输出之间函数关系、运动关系一 旦确定就不能改变。 旦确定就不能改变。 连杆机构主要有：平面/空间连杆机构 空间连杆机构、 连杆机构主要有：平面 空间连杆机构、多自由度串联机构 和并联机构、直线平移机构等。 和并联机构、直线平移机构等。
课后答案
第一章：1 试说明机电一体化的涵义。
2 什么是工业三大要素？3 机电一体化系统的主要组成、作用是什么？4 机电一体化系统的构成要素是什么？它们各有什么作用？其主体和核心技术是什么？5 传统机电产品与机电一体化产品的主要区别是什么？6 机电一体化各要素及其与外界是通过什么连接的？有什么重要性？7 为什么说精密机械技术是机电一体化的基础？8 发展机电一体化的共性关键技术有那些？它们的作用如何？9 试举出几个机电一体化的家电产品。
10 试论述机电一体化的发展趋势。
第二章：1 简述机电一体化系统设计流程。
2 简述开发性设计、适应性设计、变型设计的异同？3 何谓概念设计？简述概念设计的具体设计步骤。
4 简述功能—行为—结构三者的关系。
5如何进行设计任务的抽象化，其作用是什么？6总功能为什么要分解，应如何进行分解？7什么是功能结构，三种基本结构形式是什么？7 何谓功能元，常用的基本功能元有哪些？8 举例说明什么是物理效应和功能载体？9 什么是艺术造型三要素？10 人机接口和机电接口各有哪些分类？并举例说明。
11 为什么要进行系统的评价？简述其步骤。
12 为什么要进行系统的决策？简述其步骤。
13 如何确定系统的评价指标体系？14 常用的系统评价方法是什么？15 系统调试的一般规律是什么？16 简述各种现代设计方法的内涵。
17 如何进行机电一体化系统的可靠性设计？18 传统产品设计与绿色产品设计有何区别与联系？第三章：1 试对数控机床的主轴功能进行分解，列出其形态学矩阵。
2 试以一种你熟悉的机电一体化产品为例，对其总功能进行分解。
第四章：1机电一体化的机械系统主要内容有哪些？2对机械传动机构的性能要求是什么？3常用无侧隙齿轮传动机构有哪几种？4滚珠丝杠副有哪些特点？5滚珠丝杠副常用的支承方式有哪几种？各有什么特点？6滚珠丝杠副为何要预紧？预紧力常为多少？7常用的直线运动导轨有哪些？8对机座机架的基本要求是什么？9简述花岗岩的特点及应用？10 当工作台重量为400kg，夹具和工件重量为400kg，最大工作行程为1000mm，其它条件和4.5.2节相同时，试选择设计滚珠丝杠副。
第5章 元、部件特性分析
式中：电容量： C S / d 0
— 感应系数。
d d0 K F / S khE
K F k / d k S / d 0 d 2 d 压电系数
5.2.3 具有其他平滑特性变换器（传感器）
这类传感器变换器指在一定检测范围内输 入与输出之间近似地成正比。 传递函数：Gm = K。
2）凸轮机构
凸轮机构通常作为执行元件输出要求的复合 运动轨迹和驱动力，运动轨迹由凸轮轮廓形状 保证。但凸轮机构的传动效率较低，凸轮轮廓 形状生产制造困难。
5.1.2 机构静力学特性
机构静力学所研究的主要问题： * 机构输出端所受负载（力或力矩）向输入 端的换算。 —— 机电有机结合研究的主要问题。 * 机构内部的摩擦力（或转矩）对输入端的 影响。 —— 机电有机结合研究的主要问题。 * 求外载荷、内部作用力、重力/惯性加速度 引起机构内部各元件的受力。 —— 机构学强度、刚度、振动研究的主要 问题。
一、“反馈”的涵义
“反馈”是通过适当的检测传感装置将输出量的全 部或一部分返回到输入端，使之与输入量进行比较， 用其偏差对系统进行控制，反馈控制的目标是使该 偏差为零。在设计机电一体化系统的控制系统时， 首先必须明确其静态和动态特性要求，研究其外部 干扰的形式、强弱、持续时间及其作用点，其次， 必须选择具有适合该系统特性的调节器、检测传感 器及执行元件。 在经典控制理论中，研究机电—体化系统的动态 特性是以传递函数为基础的，而传递函数是通过数 学中的拉普拉斯变换定义的。 当系统(或执行元件)的运动能够用相关定律(如电 学、热学、力学等的某些定律)描述时，该系统(或 执行元件)的传递函数就可用理论推导的方法求出。 对那些无法用相关定律推导其传递函数的系统(或执 行元件)，可用实验法建立其传递函数。
第5章-机电一体化元部件特性分析-01
(1)负载力(或转矩)向输入端的换算 （采用虚功原理）
2020/1/1
在机构学中，将dy=dx=0状态称为变 点(方案点)。
在dy／dx= 附近，用很小的输入力 就可得到很大的输出力，图5．7c所示的 倍力机构就是其中一例。
将 dy／dx=0 时 的 状 态 称 为 死 点 这 种 状态不论输入多大力(或转矩)也不会产生 输出力(或转矩)。
对于保守系统
LKU
d dt q L k q L k 0(k1,2,3..3n .s)
有势力
Qk
- U q k
2020/1/1
设机构要素重心位置矢量为r，绕重心的回转 角速度为ω，J为绕其重心的转动惯量矩阵，则该
要素所具有的动能为：
则重力势能为：
U m (r,g)g ,(0 ,0 ,0 .8 )T
绳子可在任意方自上弯曲，具有很 大的柔性，故常在机器中作为回转运动 机构应用。
2020/1/1
2020/1/1
间歇机构
间歇机构是非线性机构，常用作机电一
体化系统的辅助机构，其变 槽 轮
内 槽 轮
2020/1/1
机器人机构
机器人机构的腕部和手部大都采用结构较 为紧凑而集中的机构，腕部机构多采用不同轴 线的转动关节、或用球关节（球面运动副）或 用锥齿轮组成的周转轮系等。一般自由度为1 ~ 3，具体值则根据需要而定。
2020/1/1
链条传动
优点： 没有滑动 相同工况，结构紧凑 轴上载荷较小 效率高 能在温度较高、湿度较大的环境下使用
缺点： 瞬时速度不均匀，高速运转时不如皮带传动平稳 不宜在载荷变化很大和急促反向的传动中使用
2020/1/1
绳轮传动
机电一体化系统设计教学大纲张建民版第四版
机电⼀体化系统设计教学⼤纲张建民版第四版《机电⼀体化系统设计》教学⼤纲⼀、课程名称1、中⽂名称：机电⼀体化系统设计2、英⽂名称：Mechatronics System Design⼆、学时总学时：90学时，其中，理论学时：72学时，实践学时：18学时学分：4学分三、开课学期第7学期四、课程考核要求考查，平时成绩占总成绩的30％，实验成绩占总成绩的20％，考试成绩占总成绩的50％。
五、课程概述本课程是机械电⼦⼯程专业的专业必修课。
本课程从系统的观点出发，利⽤机械技术和电⼦技术，通过机电有机结合构造最佳的机电系统。
课程性质：机械电⼦⼯程专业必修课。
六、适⽤专业机械电⼦⼯程、机械制造及其⾃动化等。
先⾏、后续课程情况：先⾏课：机械原理，机械设计，电⼯学，数字电⼦技术，模拟电⼦技术，控制⼯程基础，微机原理，电⽓控制技术，数控技术；后续课：⽆。
七、课程的⽬的与任务1、课程⽬的本课程是机械电⼦⼯程专业的专业必修课，通过本课程的学习，使学⽣建⽴机电产品的⼀体化设计思想，把电⼦技术、传感器技术，⾃动控制技术、计算机技术和机械技术有机地结合起来，了解各项技术之间的接⼝关系，能运⽤所学知识对机电⼀体化产品进⾏分析或设计，使学⽣具备解决⽣产过程中机电设备的运⾏、管理、维护和改造等实际问题的初步能⼒。
培养学⽣综合运⽤所学基础理论和专业知识进⾏创新设计的能⼒。
2、课程的基本要求1）学习机电⼀体化基本概念，理解机电⼀体化系统中各结构要素在系统中的作⽤和相互关系，初步建⽴机电产品的系统化设计思想。
2）了解机电⼀体化系统中常⽤传感器、传动机构、动⼒驱动装置和计算机控制系统种类和特点。
3）熟悉机电⼀体化产品的设计⽅法和⼯程路线，能够针对具体的机电⼀体化产品确定产品开发技术路线。
4）掌握机电⼀体化系统中机械、传感检测、动⼒、控制等基本结构要素的技术特点，掌握典型装置的技术原理和使⽤⽅法。
5）了解典型机电⼀体化产品的构成、特点和设计⽅法，学会设计简单的机电⼀体化产品。
机电一体化元部件特性分析
机电一体化系统中传感器输入的物理量多为机械量 (位移、速度、加速度、力等)，而输出的物理量为电量 (电压、电流等)。为了进行信号处理，传感器中不只是 单纯的传感元件(变换器)，多数传感器中都配置运算放 大电路，以便将微弱的电信号变换成较强的便于利用 的信号。
另外，有的传感器中装有将一种机械量变换为另一 种机械量的变换装置
当动铁芯产生一位移时，由于磁阻的 影响，两个副边绕组的磁通将发生一正 一负的差动变化，导致其感应电势也发 生相应的改变，失去平衡，使传感器有 一对应于动铁芯位移的电压输出量。
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5．2．4传感检测系统的特性
变换器将被测量x变换成机械量y的变换 是传感器中的机械量变换。 从x变换为y的实例很多，例如把应变片 作为变换器时，其x为力F或位移x，而y 就是应变ℇ。
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力或位移变化速度快时，会引起机械共 振，使ε显著增大。系统无振荡时，在 ±1％的误差围内，其使用频率范围大致 为0～ωn／10，也就是说叫。必须为使用 限界频率的10倍以上。
13
振动计－质量、弹簧、阻尼系统
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综上所述，传感器系统由机械变换、机电 变换和电气变换等部分组成，如果忽略其相互 作用的影响，传感器的整体特性可表示为
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5.4.4 无残留振动的定位分析
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5．4．5 两自由度机器人运动轨迹创成所需转矩分析
59
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5．3．2 具有反馈环节的驱动电路电磁变换执行元件的动态特性
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惯性负载：
1 Gm Jms
Gm
K2KT r
Gm
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机电一体化概述分析课件
机械技 术 01 02
电子技术
电子技术的主要内容包括模拟和数字 电子技术、微控制器应用等，为机电 一体化提供了强大的信息处理和控制 能力。
控制技 术
控制技术是实现机电一体化智能化的关键，涉及控制理论、控制系统设计和实现 等方面的知识。
控制技术的主要内容包括经典和现代控制理论、计算机控制系统等，为机电一体 化提供了高效、精准的控制方案。
新技术的融合
物联网技术
人工智能技 术
Байду номын сангаас
绿色环保设计
节能设计 循环利用
06
机电一体化案例分析
工业机器人案例
总结词
详细描述
智能家居案例
总结词 详细描述
自动化生产线案例
总结词
自动化生产线是将各种机械设备、传感 器、控制系统等集成在一起，实现生产 过程的自动化和高效化。
VS
详细描述
自动化生产线是机电一体化在制造业中的 重要应用。通过将各种机械设备、传感器、 控制系统等集成在一起，自动化生产线能 够实现生产过程的自动化和高效化，提高 生产效率和产品质量。自动化生产线还可 以减少人工干预，降低生产成本，并提高 生产过程的可靠性和稳定性。
航空航天
在航空航天领域，机电一体化技术应用于飞机和航天器的 制造、控制系统、导航系统等方面，提高了航空航天器的 性能和安全性。
医疗器械
在医疗器械领域，机电一体化技术应用于医疗设备的制造 和控制系统，如医用机器人、医疗影像设备等，提高了医 疗服务的水平和效率。
机电一体化的优势与挑战
优势
挑战
02
机电一体化技术基础
THANKS
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成本优化
通过降低材料成本、减少制造成本和 提高生产效率等措施，降低系统总成 本。
第五章机电一体化系统的元、部件特性分析
因阻尼比通常在0,1~0.2左右, 因此速度放大系数KV被限制
KV <1 2wh ξ h
在固有频率的(20~40)%的范 围内,即
KV =(0.2 ~ 0返.回4目录)ξh
KV <1 2whξh
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四.系统的稳态误差分析
稳态误差—希望值与稳态值之差 ,由指令输入， 负载干扰，零漂,死区等引起
机电一体化系统的操作过程控制目的：
一、根据操作条件的变化，制定最佳操作方案；
二、对操作过程进行自动检测和自动控制，提高控制性 能，实现规定的目的功能。
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自动控制理论是机电一体化系统的控制基础
●在机电一体化系统中，伺服控制的首要目标是 系统的输出，要尽可能使输出量跟踪随时刻变 化的输入量，因此，对抗外部干扰的能力要求 更高。
●例如，有的曲柄连杆机构就是将回转运动变换 为直线运动。
●机械系统在传递运动的同时还将进行力(转矩) 的传递。
●因此，必须具有承受其所受力(或转矩)的足够 强度和刚度的尺寸。但尺寸一大，质量和转动 惯量就大，系统的响应就慢。
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机构特性（传递函数）的一般表
示方法
机构的一般作用是进行位移和力、力矩 的变换
●反馈控制能够提高系统的抗干扰能力 ●对被控对象来说，系统的各构成要素的特性
参数比较容易掌握，而随操作条件和环境条 件变化的过程控制较难掌握， ●为此，以反馈控制理论为基础的伺服控制理论 是机电一体化系统不可缺少的理论基础。
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伺服系统
机电一体化课后答案
机电一体化（第二版）课后答案第一章1-1.试说明较为人们所接受的机电一体化的含义。
答：机电一体化乃是在机械的主功能、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。
1-7.机电一体化系统由哪些基本要素组成？分别实现哪些功能？答：①.机电一体化系统由计算机、动力源、传感件、机构、执行元件系统五大要素组成。
②.对应的五大功能为：控制、动力、计测、构造、操作功能。
1-17.开发性设计、变异性设计、适应性设计有何异同？答：1、开发性设计是没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品。
2、变异性设计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需求。
3、适应性设计是在总的设计方案、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，以使产品在性能和质量上增加某些附加价值。
所有机电一体化系统的设计都是为了获得用来构成事物的有用信息。
1-20.简述计算机辅助设计与并行工程、虚拟设计、快速响应设计、绿色设计、反求设计等的含义。
答：1、计算机辅助设计是设计机电一体化产品的有力工具，用来设计一般机械产品的CAD 的研究成果。
2、并行工程是把产品的设计、制造及其相关过程作为一个有机整体进行综合协调的一种工作模式。
3、虚拟设计是虚拟环境中的产品模型，是现实世界中的产品在虚拟环境中的映像，是基于虚拟现实技术的新一代计算机辅助设计。
4、快速响应设计是实现快速响应工程的重要环节，快速响应工程是企业面对瞬息万变的市场环境，不断迅速开发适应市场的新系统，快速响应设计的关键是有效开发和利用各种系统信息资源。
5、绿色设计是从并行工程思想发展而出现的一个新概念。
绿色设计就是在新系统的开发阶段，就考虑其整个生命周期内对环境的影响，从而减少对环境的污染、资源的浪费、使用安全和人类健康等所产生的副作用。
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机械总体的动态特性，以传递函数形式可表示为
如果运动变换是非线性变换，就不能用上述传递函数表示，只能 用微分方程表示：
机构通过这样的线性或非线性变换就可以产生各种各样的运动。 在选择执行元件和给定运动指令时，一定要考虑伴随这些运动的 动态特性。
5．1．1 变换机构及其运动变换分析
齿轮传动机构
线性变换机构
间歇机构
间歇机构是非线性机构，常用作机电一 体化系统的辅助机构，其变换关系比较 复杂，一般表示为
槽 轮 机 构
空 间 槽 轮
内 槽 轮
机器人机构
机器人机构的腕部和手部大都采用结构较 为紧凑而集中的机构，腕部机构多采用不同轴 线的转动关节、或用球关节（球面运动副）或 用锥齿轮组成的周转轮系等。一般自由度为1 ~ 3，具体值则根据需要而定。 为了便于手爪在空间能得到任意要求的姿 态，在通用的空间机器人机构中，其腕部至少 应有三个自由度。
链条传动
优点： 没有滑动 相同工况，结构紧凑 轴上载荷较小 效率高 能在温度较高、湿度较大的环境下使用 缺点： 瞬时速度不均匀，高速运转时不如皮带传动平稳 不宜在载荷变化很大和急促反向的传动中使用
绳轮传动
绳轮传动的回转轴方向可自由改变， 绳与轮之间是摩擦传动，如果有滑动， 就会影响传动精度，为避免打滑，可将 绳的一端固定在轮子上，但这会限制轮 子的回转角度。 绳子可在任意方自上弯曲，具有很 大的柔性，故常在机器中作为回转运动 机构应用。
多输入输出系统
(2)机构内部摩擦力的影响
1)线性变换机构
2)非线性变换机构
一般来讲，由于摩擦的存在，非线性 变换机构的变换关系不是一定的。固体 摩擦的力学计算不但麻烦，而且会使机 电一体化系统的整体特性变差，因此要 尽可能减少摩擦阻力。
5．1．3机构动力学特性
(1)平面运动机构要素的动态力心的回转 角速度为ω，J为绕其重心的转动惯量矩阵，则该 要素所具有的动能为：
则重力势能为：
U m(r , g ), g (0,0,0.8)
则单输入单输出系统，输入角位移： 1
T
驱动力： Tdi
d K K U Tdi dt 1 1 1
虚功原理
J.伯努利提出了受有理想约束的力学体 系处于平衡状态的充分和必要条件是： 作用在体系上的所有主动力,在满足约 束条件下它们在任意的无限小虚位移中所 作的元功之和等于零的原理,称为虚位移原 理、又称虚功原理。
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第5章
机电一体化系统的元、部件的特性分析
机电一体化系统由机械系统、传感检测系统、执行元 件系统和电子信息处理(控制)系统等子系统构成。各子 系统的输入与输出之间不一定成比例关系，可具有某种 频率特性(动态特性或传递函数)，即输出可能具有与输 入完全不同的性质。机械系统一般都具有非线性环节， 在非线性不能忽略时，只能用微分方程来研究其特性。 考虑各子系统的动态特性和非线性进行电子信息处 理系统设计是机电一体化系统设计的一个特点。本章主 要介绍机电一体化系统中的机械系统、传感系统和执行 元件系统等几个子系统的基本特性，并从机电一体化系 统构成要素的角度说明其分析方法。
由运动关系：
r r (1 ), r (dr / d1 )1 , E (1 )1
J ( ) 2 J ( ) g Tdi J1 (1 )1 2 1 1 3 1
行星齿轮机构为线性变换机构
(4) 两自由度机器人运动轨迹创成所需转矩分析
2)空间运动机构要素的动态力及动态转矩
（3）Lagrange公式与动态力（或转矩）向输入端的换算
d K dt qk
K q Qk (k 1,2,3... 3n s ) k
对于保守系统
L K U d L L q q 0(k 1,2,3... 3n s ) dt k k U 有势力 Qk q k
挠带传动机构 回转-直线变换机构
变换机构
间歇机构 机器人机构
非线性变换机构
连杆机构 凸轮机构
谐波齿轮传动
当刚性轮固定时，其传动比为
优点：单级传动比大且范围宽；同时啮合 的齿数多，承载能力高；传动平稳，传动 精度高，磨损小；在大传动比下，仍有较 高的传动效率；零件数少，重量轻，结构 紧凑；具有通过密封壁传递运动的能力等 。 缺点：起动力矩较大，且速比越小越严重； 柔轮易发生疲劳破坏；装置发热较大等。
本章主要内容
机械系统特性 传感器的特性分析 执行元件的特性分析 执行元件与机械结构结合中的若干问题
5.1 机械系统特性
机械系统是由轴、轴承、丝杠及连杆等机械 零件构成的，其功能是将一种机械量变换成与目 的要求对应的另一种机械量。例如，有的连杆机 构就是将回转运动变换为直线运动。 机械系统在传递运动的同时还将进行力(或转 矩)的传递。因此，机械系统的各构成零部件必 须具有承受其所受力(或转矩)的足够强度和刚度 的尺寸。但尺寸一大，质量和转动惯量就大，系 统的响应就慢。
连 杆 机 构
凸轮机构
圆柱凸轮式间歇运动机构
蜗秆凸轮式间歇运动机构
连杆机构与凸轮机构的特点是刚性好，运 动速度高，但其运动关系不能改变，适用于不 需要经常改变运动关系的场合。 如果运动变换关系需要经常改变时，可采 用能够控制其变换关系的多自由度系统，但多 自由度系统的机构构成要素多，刚性差，易产 生振动。 考虑上述问题的软件设计问题是机电一体 化设计中的一个重要课题。
5．1．2机构静力学特性
机构静力学所研究的问题是： 机构输出端所受负载(力或转矩)向输入 端的换算； 机构内部的摩擦力(或转矩)对输入端的 影响； 求由上述各种力或重力加速度引起的机 构内部各连杆、轴承等的受力。
(1)负载力(或转矩)向输入端的换算 （采用虚功原理）
在机构学中，将dy=dx=0状态称为变 点(方案点)。 在dy／dx= 附近，用很小的输入力 就可得到很大的输出力，图5．7c所示的 倍力机构就是其中一例。 将dy／dx=0时的状态称为死点这种状 态不论输入多大力(或转矩)也不会产生 输出力(或转矩)。
差动齿轮传动
运动变换关系：
挠带传动机构
同步带传动 挠带传动机构 链轮链条传动
绳轮传动
同步带传动
优点： 能缓和载荷冲击 运行平稳、低噪音 制造和安装精度不像啮合传动严格 过载保护 中心距大 缺点： 有弹性滑动和打滑，使效率降低和不能保持准确的传动比 传递同样大的圆周力时，轮廓尺寸和轴上压力比啮合传动大 带的寿命低