第二章-机电一体化系统中的机械系统
机电一体化系统设计_第二章机械部件选择与设计
d) 弹簧式自动预紧调整
但结构复杂、轴向刚度较差、适合清载场合。
（3）选择滚珠丝杠副支承方式
为了提高滚珠丝杠传动副的支承刚度，从而提高传 动精度，滚珠丝杠副支承方式具有下属四种方式。
a) 单推--单推式支承
特点：两端止推轴承可使滚珠丝杆产生预拉伸力， 提高了丝杆安装刚度，预拉力越大，轴承寿命降低。
3）滚珠丝杠副的选择设计验算步骤
依据最大工作载荷(N)或平均工作载荷(N)作用下的使用寿命T(h)、 丝杆有效工作行程(mm)、丝杠转速(r/min)或平均转速(r/min)、滚 道硬度HRC以及工况等实际工作条件，进行一系列的验算。 〃 承载能力计算与滚珠丝杠副型号选择 在最大静载荷和动载荷条件下，进行弯曲强度、接触应力强度、 疲劳强度等验算，综合决定选择滚珠丝杠副型号。 〃 压杆稳定性验算或校核 压杆稳定性验算或校的基本要求是不影响滚珠丝杠副的精度和 变形附加载荷产生的摩擦阻力超过极限值。 〃 刚度验算 结构刚度（支承方式相关）和接触刚度（导轨滚道）。 **由此才能完成滚珠丝杠副的选择设计工作。
滚珠丝杠副的四种支承方式及其特点
（4）滚珠丝杠副的制动装置
作用：在垂直安装或在高速移动定位时，防止滚珠 丝杠副逆转发生不安全事故或定位不可靠（无自锁能 力）。 常用：超越离合器、双推式电磁离合器（制动器）。
2 1
6 7
3
4
5
4 3 2 1
超越离合器
双推式电磁离合器
超越离合器的工作原理
超越离合器是利用主动件和从动件的转速变化或回转方 向变换而自动接合和脱开的一种离合器。当主动件带动从 动件一起转动时，称为结合状态；当主动件和从动件脱开 以各自的速度回转时，为超越状态。
超越离合器具有以下功能 a.在快速进给机械中实现快慢速转换、超越功能。 b.实现步进间隙运动和精确定位的分度功能。
电大机电一体化系统设计习题汇总(知识点复习考点归纳总结参考)
机电一体化系统设计习题汇总第一章：概论1.关于机电一体化的涵义，虽然有多种解释，但都有一个共同点。
这个共同点是什么?2.机电一体化突出的特点是什么?重要的实质是什么？3.为什么说微电子技术不能单独在机械领域内获得更大的经济效益?4.机电—体化对我国机械工业的发展有何重要意义?5.试列举20种常见的机电一体化产品。
6.试分析CNC机床和工业机器人的基本结构要素，并与人体五大要素进行对比，指出各自的特点。
7.机电一体化产品各基本结构要素及所涉及的技术的发展方向。
8.机电一体化设计与传统设计的主要区别是什么?9.试举例说明常见的、分别属于开发性设计、适应性设计和变异性设计的情况。
10.为什么产品功能越多，操作性越差?为何产品应向“傻瓜化”方向发展?11.试结合产品的一般性设计原则，分析和理解按“有限寿命”设计产品的目的和意义。
第二章：机械系统设计1. 机电一体化产品对机械系统的要求有哪些?2. 机电一体化机械系统由哪几部分机构组成，对各部分的要求是什么?3. 常用的传动机构有哪些，各有何特点？4. 齿轮传动机构为何要消除齿侧间隙?5. 滚珠丝杠副轴向间隙对传动有何影响?采用什么方法消除它？6. 滚珠丝杠副的支承对传动有何影响?支承形式有哪些类型?各有何特点?7. 试设计某数控机床工作台进给用滚珠丝杠副。
己知平均工作载荷F＝4000N，丝杠工作长度l＝2m，平均转速＝120r／min，每天开机6h，每年300个工作日，要求工作8年以上，丝杠材料为CrwMn钢，滚道硬度为58—62HRC，丝杠传动精度为±0.04mm。
8.导向机构的作用是什么?滑动导轨、滚动导轨各有何特点?9.请根据以下条件选择汉江机床厂的HJG—D系列滚动直线导轨。
作用在滑座上的载荷F＝18000N，滑座数M=4，单向行程长度L＝0.8m，每分钟往返次数为3，工作温度不超过120℃，工作速度为40m／min,工作时间要求10000h以上,滚道表面硬度取60HRC。
第二章机械系统数学模型的建立
第二章机械系统数学模型的建立第一节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。
其核心是由计算机控制的，包括机械、电力、电子、液压、光学等技术的伺服系统。
它的主要功能是完成一系列机械运动，每一个机械运动可单独由控制电动机、传动机构和执行机构组成的子系统来完成，而这些子系统要由计算机协调和控制，以完成其系统功能要求。
机电一体化机械系统的设计要从系统的角度进行合理化和最优化设计。
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。
一、机电一体化对机械系统的基本要求机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，除要求较高的制造精度外，还应具有良好的动态响应特性，即快速响应和良好的稳定性。
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—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—体化产品其它系统工作再精确，也无法完成其预定的机械操作。
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。
这样系统才能精确地完成预定的任务要求，且控制系统也才能及时根据机械系统的运行情况得到信息，下达指令，使其准确地完成任务。
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、高可靠性和寿命长等特点。
二、机械系统的组成概括地讲，机电一体化机械系统应主要包括如下三大部分机构。
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
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(第2版)第二章机械系统部件及其建模
以进给驱动系统为例,系统中各谐振频率的相互关系
位置调节环的谐振频率ω0p 电气驱动部件(速度环)的谐振频率ω0A 机械传动部件第一个谐振频率ω0mech1
机械传动部件第n个谐振频率ω0mechn
40~120rad/s (2~3)ω0p (2~3)ω0A
(2~3)ω0mech(n-1)
6.间隙
间隙将使机械传动系统产生回程误差,影响伺服系统中位置环的稳定性。有间隙时,应减小位置环增益。间隙的主 要形式有齿轮传动的齿侧间隙、丝杠副的传动间隙、轴承的轴向间隙、联轴器的扭转间隙等。
机械传动部件一般可简化为的二阶振动系统,其阻尼比ζ为：
实际应用中一般取0.4≤ζ≤0.8的欠阻尼,既能保证振荡在一定的范围内过渡过程较平稳、过渡过程时间较 短,又具有较高的灵敏度。
4.刚度
刚度为使弹性体产生单位变形量所需的作用力。对于伺服系统的失动量来说,系统刚度越大,失动量越小。对于 伺服系统的稳定性来说,刚度对开环系统的稳定性没有影响,而对闭环系统的稳定性有很大影响,提高刚度可增 加闭环系统的稳定性。 刚度的提高往往伴随着转动惯量、摩擦和成本的增加,在方案设计中要综合考虑。
二、机械传动系统的特性
1.转动惯量 转动惯量大会使机械负载增大、系统响应速度变慢、灵敏度降低、固有频率下降,容易产生谐振。同时,转动惯 量的增大会使电气驱动部件的谐振频率降低,而阻尼增大。
在满足系统刚度的条件下,机电一体化系统机械部分的质量和转动惯量越小越好。 2.摩擦
三类摩擦力与速度的关系 a)黏性摩擦 b)静摩擦与库仑摩擦
二阶系统传递函数框图
第一节 常用机械系统部件数学模型的建立
左图中m1为汽车质量;c为减振器阻尼系数;k1为弹簧刚度;m2为汽 车轮子的质量;k2为轮胎弹性刚度;x1(t)和x2(t)分别为m1和m2的 绝对位移。由此可以得到系统的动力学方程为：
机电一体化系统设计课件——第2章(5)：机械系统的部件选择与设计(轴系)
微型滚动轴承
精 密 分 度 头 主 轴 系 统
上图为一精密分度头主轴系统。它采用的是密 珠轴承，主轴由止推密珠轴承2、4和径向密珠轴承1、 3组成。这种轴承所用滚珠数量多且接近于多头螺旋 排列。由于密集的钢珠有误差平均效应，减小了局 部误差对主轴轴心位置的影响，故主轴回转精度有 所提高；每个钢珠公转时沿着自己的滚道滚动而不 相重复，减小了滚道的磨损，主轴回转精度可长期 保持。实践证明，提高钢珠的密集度有利于主轴回 转精度的提高，但过多地增加钢珠会增大摩擦力矩。 因此，应在保证主轴运转灵活的前提下，尽量增多 钢珠数量。图b为推力密珠轴承保持架孔分布情况， 图c为径向密珠轴承保持架孔的分布情况。
液体静压轴承工作原理
液体静压轴承工作原理 1、2、3、4-油腔；5-金属薄膜；6-圆盒；7-回油槽；8-轴套
磁悬浮轴承工作原理
磁悬浮轴承是利用磁场力将轴无机械摩擦、无润滑地悬浮在空间的一种新型轴承。其工 作原理如下图所示。径向磁悬浮轴承由转子(转动部件)6和定子(固定部件)5两部分组成。定子 部分装上电磁体，保持转子悬浮在磁场中。转子转动时，由位移传感器4检铡转子的偏心，并 通过反馈与基准信号l(转子的理想位置)进行比较，调节器2根据偏差信号进行调节，并把调节 信号送到功率放大器3以改变电磁体(定子)的电流，从而改变磁悬浮力的大小，使转子恢复到 理想位置。 径向磁悬浮轴承的转轴(如主轴一般要配备辅助轴承，工作时辅助轴承不与转轴接触当断 电或磁悬浮失控时能托住高速旋转的转轴，起到完全保护作用。辅助轴承与转子之间的间隙 一般等于转子与电磁体气隙的一半。轴向悬浮轴承的工作原理与径向磁悬浮轴承相同 。
会使轴伸长或使轴系零件间隙发生变化，影响整 个传动系统的传动精度、旋转精度及位置精度。又由 于温度的上升会使润滑油的粘度发生变化，使滑动或 滚动轴承的承载能力降低。
2第二章 精密机械技术(XXXX)
2.1.2 机电一体化系统对机械技 术的特殊要求
基于以上原因，机电一体化中的机械系统除了满 足一般机械设计的要求以外，还必须满足机电一 体化系统的各种特殊要求。总体上讲，这些要求 主要可归纳为以下3个方面： • 1．高精度 • 2．小惯量 • 3．大刚度
如图，谐波齿轮传动由波形发生器3(H)和刚轮1、 柔轮2组成。波形发生器为主动件，刚轮或柔轮为 从动件。刚轮有内齿圈，柔轮有外齿圈，其齿形为 渐开线或三角形，周节相同而齿数不同，刚轮的齿 数zg比柔轮的齿数zr多几个齿。柔轮是薄圆筒形， 由于波形发生器的长径比柔轮内径略大，故装配在 一起时就将柔轮撑成椭圆形。
在设计中应根据上述的原则并结合实际情况的可行性和经济 性对转动惯量、结构尺寸和传动精度提出适当要求。具体讲 有以下几点：
①对于要求体积小、重量轻的齿轮传动系统可用重量最轻原 则。
②对于要求运动平稳、起停频繁和动态性能好的伺服系统的 减速齿轮系，可按最小等效转动惯量和总转角误差最小的原 则来处理。对于变负载的传动齿轮系统的各级传动比最好采 用不可约的比数，避免同期啮合以降低噪声和振动。
3)螺母转动、丝杠移动。如图3，该形式需要限制螺母移动和丝 杠的转动，由于结构较复杂且占用轴向空间较大，故应用较少。
4)丝杠固定、螺母转动并移动。如图4，该传动方式结构简单、 紧凑，但在多数情况下使用极不方便，故很少应用。
5l距可20)离获)差两为得动段较S传螺=小动n纹的×方，位(式其l1移，0旋－S如向。l2图0相因)5，同此。如。，该果当此方两丝方式基杠式的本2多丝转导用杠动程于上时的微有，大动螺可小机距动相构不螺差中同母较。的1少的(，如移则l1动0、
第2章 机电一体化的单元技术2.1-2.2
12
机械传动系统的特性
机电一体化的机械系统应具有良好的伺服性能， 要求机械传动部件应有足够的制造精度，满足快 速稳定和高效的要求，还应使机械传动部分动态 特性与执行元件的动态特性相匹配。 机械传动系统的主要特性有： 转动惯量 阻尼 刚度 间隙
第二章 机电一体化的单元技术
13
转动惯量
转动惯量过大的不利影响：
缩短传动链，提高传动与支承刚度，以减小结构的 弹性变形
通过刚度、质量和摩擦系数等参数的合理匹配得到 适当的阻尼比
第二章 机电一体化的单元技术
9
常用传动机构及其传动功能
第二章 机电一体化的单元技术
10
传动机构的发展
随着机电一体化技术的发展，要求传动机 构不断适应新的技术要求： 精密化 高速化 小型化和轻量化
6
第二章 机电一体化的单元技术
7
2.机械系统设计要求 机电一体化中的机械系统应满足以下三方面的要求， 以达到伺服系统的设计指标： 1．高精度 2．动作响应快 3．稳定性好
3. 设计内容 机械本体设计
无间隙、低惯性、低振动、低噪声和适当阻尼比的要求
机械传动设计
机械传动的控制
第二章 机电一体化的单元技术
第二章 机电一体化的单元技术
11
传动机构的设计内容
包括系统设计和结构设计两个方面 估算载荷 选择总传动比，选择伺服电机 选择传动机构的形式 确定传动级数，分配各级传动比 配置传动链，估算传动链精度 传动机构结构设计 计算传动装置的刚度和结构固有频率 做必要的工艺分析和经济分析
第二章 机电一体化的单元技术
Ek
1 2
Jerwk2
∵ E Ek
∴
Jerim 1m i(w vik)2jn 1Jj(w w kj)2
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。
机电一体化技术(二)
液体摩擦是滑动轴承工作时的理想摩擦状态。 依据轴承获得液体润滑原理的不同，可分为 液体动压滑动轴承和液体静压滑动轴承。
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F
A
F n
B
F n
(a)
(b)
(c)
图2-16 液体动压润滑轴承工作原理
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图2-17 液体静压径向滑动轴承 1－油腔 2－油槽 3－节流器
零件与轴的固定或连接方式，随零件的作用而异。零件在轴 上应具有确定的轴向位置，以保证它正常工作。一般情况下， 应从轴向和周向加以固定。
aR
r
d
D a C
d
r
b
轴肩
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（a）圆螺母
（b）弹性挡圈固定
（c）轴端挡圈固定
图2-11 轴向固定方法
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10°～15°
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2.3.2轴彀连结
轴彀连接主要是使轴上零件与轴周向固定以传递转矩。常用 的轴彀连接有键连接、过盈连接、无键连接、销连接、螺纹 连接等。其中以键应用最为广泛。
b
L
d h
A型
B型
C型
开始 前页 后页 结束图2-13 普通平键联结
d C
d D
a
图2-14 花键联结
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成，如图2-20所示。运动方向为直线的被称 为直线导轨副，为回转的被称为回转运动导 轨副。常用的导轨副种类很多，按其接触面 的摩擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨、流 体介质摩擦导轨等。
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2 1
图2-20 导轨副的组成 1－承导件 2－运动件
机电一体化系统设计基础
图2-1 伺服电机驱动齿轮系统 的计算模型
根据负载加速度最大原则，其最佳传动比为：
i TLF /Tm (TLF /Tm )2 J L / Jm
i 若TLF＝0，则 J L / Jm 或
JL i2
Jm
图2-2 齿轮传动比选择曲线
2.1 机电一体化常用传动部件
2．齿轮传动链的级数和各级传动比的分配 齿轮系统的总传动比确定后，根据对传动链的
2.1 机电一体化常用传动部件
一、机电一体化对机械传动的要求
机械传动部件对伺服系统的伺服性能有很大影 响，特别是其传动类型、传动方式、传动精度 等方面。因此，机械传动部件除了要求合理的 结构、强度、刚度外，同时应具有良好的动态 特性:
（1）精度高 （2）稳定性好 （3）响应快速 此外，机电一体化系统中的传动部件应间隙小、 惯量小、摩擦小、刚度大、阻尼适合，并满足 小型、轻量、高速、低冲击振动、低噪声和高 可靠性等技术要求。
（1）最小等效转动惯量原则
② 大功率传动装置
(前小后大)
采用以下步骤来确定传动比:
参照图2-4 J e / J1 i 确定传动级数n
根据图2-5 i－n 确定第一级传动比i1 根据图2-6 ik1 ik 确定第一级以后各级传动比ik 例2：设i＝256的大功率传动系统 ，试按等效
转动惯量最小原则分配传动比。
24 41
1
i1 2 2(24 1) 8024 1 1.7268
4
i3
2 ( 80 )15 3.1438 22
2 ( 21)
i2
2 ( 80 ) 24 1 2.1085 24/ 2
8
i4
2 ( 80 )15 6.9887 22
验算： i i1i2i3i4 79.996 80
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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。