机电一体化系统设计

• 机械系统 • 微电子处 理系统 • 传感检测 系统 • 执行元件 系统 • 动力源
3、机电一体化系统构成
二、机电一体化促进制造业的现代化
在制造业向全球化、网络化、集成化和智能化
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柔性制造系统 计算机集成制造系统(CIMS) 并行工程 虚拟设计、制造
敏捷制造
网络合作设计制造
• 软性制造系统：
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加工中心 刀具库、夹具库 机器人 自动小车 立体仓库（原料库、成品库）
计算机集成制造系统(Computer Integrated Making System，简称CIMS)
• 又称计算机综合制造系统，在这个系统中，集成化的全 局效应更为明显。在产品生命周期中，各项作业都已有了其 相应的计算机辅助系统，如： （1）计算机辅助设计(CAD) （2）计算机辅助制造(CAM) （3）计算机辅助工艺规划(CAPP) （4）计算机辅助测试(CAT) （5）计算机辅助质量控制(CAQ) • 计算机集成制造系统就是将技术上的各个单项信息处理和制 造企业管理信息系统(如MRP-Ⅱ等)集成在一起，将产品生 命周期中所有的有关功能，包括设计、制造、管理、市场等 的信息处理全部予以集成。 • 其关键是建立统一的全局产品数据模型和数据管理及共享的 机制，以保证正确的信息在正确的时刻以正确的方式传到所 需的地方。
• 滚珠丝杠螺母机构
结构复杂、制造成本高，但其最大优点是摩擦阻力矩小 、传动效率高(92％～98％)，因此在机电一体化系统中得到广 泛应用。
2．1．2丝杠螺母机构基本传动形式
• 1)螺母固定、丝杆转动并移动
该传动形式因螺母本身起着支承作用，消除了丝杆轴承可能 产生的附加轴向窜动，结构较简单，可获得较高的传动精度。但 其轴向尺寸不易太长，刚性较差。因此只适用于行程较小的场
内循环 和 外循环
内循环方式的滚珠在循环过 程中始终与丝杆表面保持接 触。
内循环方式的优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效 率高、螺母的径向尺寸也较小。其不足是反向器加工困 难、装配调整也不方便
外循环有以下三种形式： 1)螺旋槽式 2)插管式 3)端盖式
螺旋槽
插管式
端盖式
1)螺旋槽式
• 这种结构的特点是工艺简单、径向尺寸小、易于 制造。但是挡珠器刚性差、易磨损。
一、机电一体化技术
• 1、机电一体化技术涵义 • 2、机电一体化相关技术 • 3、机电一体化系统构成
• 机电一体化
1.机电一体化技术涵义
Mechatronics
(mechanis lectronics)
• 机电一体化三要素：
机械系统（机构）是基础 微电子（微处理器CPU）是核心 软件是系统控制中心 机电一体化的特征： 有机械机构、 有 CPU、有软件 （有微机、单片机、PLC等）
2)插管式
• 插管式结构简单、容易制造。但是径向尺寸较大，
弯管端部用作挡珠器比较容易磨损。
3)端盖式
• 这种方式结构简单、工艺性好，但滚道吻接和弯曲 处圆角不易准确制作而影响其性能，故应用较少。
3．滚珠丝杠副的主要尺寸参数
• 公称直径d0 • 基本导程l0
• 行程l • 丝杆螺纹全长ls • 滚珠的工作圈(或列)数和工作滚珠的数量N
1、以“数字化”为发展核心
信息精确，信息安全，信息容量大。包含了三大部分：以设计为中心的数字 制造，以控制为中心的数字制造和以管理为中心的数字制造。
2、以“精密化”将成为发展的关键
所谓“精密化”，一方面是指对产品、零件的精度要求越来越高。精密加工， 细微加工，纳米加工等等。
3、突出“极端条件”，是发展的焦点
2、敏捷制造（AM－Agile Manufacturing）
3、虚拟制造（VM－Virtual Manufacturing）
4、并行工程（CE－Concurrent Engineering）
• 计划
开发 设计 制造 包装
开发产品指令
平行工程
销售
•
设计 工艺 制造 销售 服务
产品
• 计算机集成制造系统的进一步发展方向 是支持“并行工程”，即力图使那些为 产品生命周期各阶段服务的专家尽早地 并行工作，从而使全局优化并缩短产品 开发周期。
“极”就是极端条件在高温、高压、高湿、强磁场、强腐蚀等等条件下工作 的，或有高硬度、大弹性等等要求的，或形体上极大、极小、极厚、极薄、奇形 怪状的。
4、以“自动化”技术为发展前提
5、以“成化集”为发展的方法 6、以“网络化”为发展道路
“自动化”从自动控制、自动调节、自动补偿、自动辨识等发展到自学习、 自组织、自维护、自修复等更高的自动化水平。 “集成化”，一是技术的集成，二是管理的集成，三是技术与管理的集成。 利用网络，进行产品设计、制造与生产管理等活动。
数控技术
• 1 数控机床要解决的问题 • 2 数控机床 NC、CNC 专用数控箱的数控机床 微机平台的数控机床 六轴数控 加工中心（铣削中心、车削中心）
• 1 、两轴联动-----加工平面曲线 • 2、三轴联动-----加工空间曲线 • 3、六轴以上联动-----加工任意曲面
数控设备
• • • • • • 除了制造业的数控设备外： 1 焊接设备 2激光切割机（刻字机） 3数控雕刻机 4数控绕线机 5数控鞋楦机
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 速性能。 • 4缩小反向死区。 • 5高刚度的支承和架体，系统小型化、高速、高 可靠性。
2第二章 机械系统部件设计
• • • • • 传动部件及其功能要求 丝杠传动部件 滚珠丝杠传动部件 齿轮传动部件 柔性传动部件
• 差动传动方式
2.1.3 滚珠丝杠传动部件
• 1 滚珠丝杠副的结构
丝杆、螺母、滚珠和反向器( 滚珠循环反向装置) 特点：摩擦阻力小、传动效率高
、 轴向刚度高、运动平稳、传 动精度高、不易磨损、使用寿 命长等优点。 不能自锁，具有传动的可逆 性，在用作升降传动机构时， 需要采取制动措施
• 2滚珠丝杠副的典型结构类型 • (1)螺纹滚道截面(法向)的形 状 • (2)滚珠的循环方式
7、“智能化”是CIMS未来发展的美好前景 8、“绿色”是CIMS未来发展的必然趋势
一种高度柔性与集成的方式，借助计算机模拟的人类专家的智能活动，进行 分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动。 “绿色”是从环境保护领域中引用来的。制造业的产品从构思开始，到设计、 制造、销售、使用与维修，直到回收、再制造等各阶段，都必须符合环境保护要 求。 9、CIMS的标准化 在制造业向全球化、网络化、集成化和智能化发展过程中，标准化技术已迫 在眉睫。
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。
4．滚珠丝杠副的精度等级及标注方法
• 精度等级根据JB／T 3162．2—1982标准， 对滚珠丝杠副的精度分成C、D、E、F、G 、H六个等级，最高精度为C级，最低精度 为H级 • JB／T 3162．2—1991为1、2、3、4、5、7 、10共七个等级，最高级为1级，最低级为 10级。
滚珠丝杠副精度等级的导程误差(JB／T 3162．2—1982)
• • • • 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
机械工程及自动化专业
1概述
• 机电一体化技术 • 机电一体化促进制造业的现代化
• 机械化 • 机械力→人力 • 机械自动化（电气自动化）→机电一体化（机械+微电子+软件） • 电脑→人脑（繁琐、重复性、无创造性的）
• 药厂自动生产线
• 柔性自动装配线
• 数控铣床 • 加工中心 • 柔性制造系统
各支承方式特性比较
方式 单 -单 双 -双 双 -简
刚度
2 1 3
Hale Waihona Puke 精度2 1 3轴承寿命 适用
4 3 2
刚度特高 高精度、高刚 度、高速 中速、长行程、 高精度
双 -自
4
4
1
低速、
• 轴承的组合安装支承 • 制动装置
• 超
2.1 传动部件选择与设计
• 传动机构的作用
• 传递动力（扭矩） • 传递运动（动作） • 传递速度（转速）
2.1.2 丝杠螺母机构传动机构形式
作用：主要用来将旋转运动变换为直线运动或 将直线运动变换为旋转运动。
1按摩擦类型分
滑动摩擦机构和滚动摩擦机构
• 滑动丝杠螺母机构
结构简单、加工方便、制造成本低、具有自锁功能，但 其摩擦阻力矩大、传动效率低(30％～40％)。
3)双推一简支式
• 一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端仅安
装深沟球轴承，其轴向刚度较低，使用时应注意减少 丝杠热变形的影响。双推端可预拉伸安装，预紧力小 ，轴承寿命较高，适用于中速、传动精度较高的长丝 杠传动系统。