机电一体化系统中的机械设计
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。
机电一体化及其机械系统的设计特点
机电一体化及其机械系统的设计特点摘要：近年来，机电一体化与机械系统的设计受到业界的广泛关注，因此对其相关课题的研究具有重要的意义。
介绍了机电一体化及其机械系统的设计特点，分析了机电一体化的设计原则和设计步骤，并结合相关的实践经验，从多个角度研究了机电一体化的发展趋势，阐述了一些个人的看法和体会，希望对相关的实际工作有所帮助。
关键词：机电一体化；机械系统；设计特点引言科学技术的不断发展和创新是当前和未来的趋势。
在电子技术和信息技术的推动下，传统的机械系统设计正面临着危机和挑战，主要表现在人工成本高、生产效率低、产品优势不明显等方面。
目前，机电一体化机械系统在许多产品中的优势越来越明显，并逐步取代传统的机械产品，不仅可以节省人力资源成本，提高工作效率，而且可以实现经济效益的最大化。
这就要求技术人员在传统机械系统设计的基础上提出新的设计思想，利用电子技术和信息技术设计新的机电一体化产品，以适应现代工业的需要。
1机电系统的概念从机电系统的结构来看，机电系统主要由多个信息处理系统组成。
由于信息处理系统的分支结构，机电一体化系统具有较强的信息处理能力。
从机电系统技术层面来看，其核心技术主要体现在机械技术、机械与信息技术、系统技术、自动控制技术和传动技术五个方面。
机械技术是机电一体化系统的基础。
其关键在于扭转高科技的使用理念，实现结构，并与机电一体化技术相结合，从而提高材料的精度、刚度和性能。
机械与信息技术主要是指实现信息交换、获取、操作等功能的技术，包括人工智能等信息技术。
系统技术是一个整体概念，是为相关技术应用而组织起来的。
从系统的总体目标来看，系统技术可分为多个功能单元的连接，其主要内容包括接口技术。
自动控制技术的范围非常广泛，涉及控制理论、指导系统设计、系统仿真、系统调试等。
该驱动技术主要应用于电动、气动和液压伺服系统的传动过程中。
驱动技术水平的高低对机电一体化系统的动态性能、控制质量和功能有着深远的影响。
第3章机电一体化系统机械子系统设计
机电一体化系统中常用的传动机构
杠杆机构
机电一体化系统中常用的传动机构
连杆机构
配气连杆机构
机电一体化系统中常用的传动机构
连杆机构 中国援助日本 62米泵车
三一重工
1869年德国斯图加特出现了由后轮导向和驱动的自行车，同 时车上采用了滚动轴承、飞轮、脚刹、弹簧等部件。
机械系统
4.增加了传动装置
1874年英国人劳森在自行车上别出心裁地装上链条和链轮
机械系统
5.结构形式的改变
近代为了操作者的安全和舒适自行车结构进行了变革
机械系统 6.传动装置与结构的改进
机电一体化中的机械系统
4、轴系
轴系由轴、轴承及安装在轴上的齿轮、带 轮等传动部件组成。轴系的主要作用是传递转 矩及精确的回转运动，它直接承受外力。
5、机座或机架
支撑其他零部件的基础部件，它既能承受 其他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作用。
机电系统机械设计技术
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
机电一体化中的机械系统
执行机构
机
械
系
统
的
传动机构
构
成
做操 机器人
轴系
导向机构 机座
1、传动机构
机电一体化机械系统中，传动机构影响 系统的精度、稳定性和快速性。
传动 机构
1、传动机构
机械传动机构的功能 功能：传递运动(速度、位移)和动力(力、力矩)
增速或减速；变速； 动力机的动力传递给执 改变运动规律或形式 行机的驱动力(力矩）
机电一体化系统中常用的传动机构
传递空间两相交轴的运动和动力，传动平 稳、承载能力强，适合高速、重载，通常取大 端参数为标准值，精度比圆柱齿轮差。
机电一体化系统的机械系统部件选择与设计
4）等效转动惯量最小原则
如二级,等效转动惯量为:
J me
J1
J2 i12
J3
J4
i12
i
2 2
令 dJ me 0, 则 ：
di 1
i1 ( 2 i 2 )1 / 6 i i1i 2
3、齿轮传动间隙的调整方法
普通传动：齿轮啮合朝一个方向 伺服传动：齿轮啮合朝两个方向
间隙
进给系统的位移值之后于指定值 开环中 反向时，出现反向死区
有 冲 击 振 动 运 转 1.5 : 2.5
fH :硬度修正系数 : 硬 度 HRC 60 57.5 55 52.5 50 47.5 45 42.5 40
fH
1 1.1 1.2 1.4 2 2.5 3.3 4.5 5
5、滚珠丝杠螺母副设计选择要点
2）确定丝杠名义直径D及长度L 据最大动载荷Q与承载能力确定名 义直径D； 长度L由工作长度确定。
二、机座或支架
1、机电一体化系统对机座或支架的基本要求
控制热源 2）热变形 采用热平衡
3）稳定性：保护几何尺寸和相对位置的精度
二、机座或支架
2、机座或支架结构设计要点 考虑刚度、安装方式、材料选择、结构工艺性、 成本、生产周期等
（1）提高自身刚度
合理选择截面形状及尺寸 合理布置筋板和加强筋 合理开孔和加盖
二、机座或支架
1、机电一体化系统对机座或支架的基本要求
1）刚度和抗振性
刚度抵抗载荷变形的能力，有静刚度和动刚度。抗振 性是承受受迫振动的能力。动刚度大抗振性好。
动刚度 KW=2Kξ=2KB/Wn
K为静刚度（N/m） ξ为阻尼比
B为阻尼系数
Wn为固有振动频率
二、机座或支架
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(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。
机电一体化系统设计有机结合分析与设计
推动模块的标准化和互换性，降低维护成本和提高系统灵活性。
结合实例分析
实例一
数控机床的机电一体化系统设计， 通过电子系统实现对机床运动的
精确控制，提高加工精度和效率。
实例二
智能机器人的机电一体化系统设计， 集成传感器、控制器和执行器，实 现机器人的自主导航、物体识别和 抓取等功能。
实例三
机床的性能和稳定性。
数控机床的应用范围广泛，可适用于各种复杂零件的 加工，为现代制造业的发展提供了重要的技术支持。
自动化生产线设计
自动化生产线是机电一体化系统设计 的又一重要应用，通过自动化技术实 现生产过程的连续性和高效性。
自动化生产线在汽车、电子产品、食 品等领域得到广泛应用，提高了生产 效率和产品质量，降低了生产成本。
结合原则
确保机电一体化系统的稳定性、可靠性、高效性 和低成本。
接口设计
合理设计机械与电子系统之间的接口，实现数据 和信号的有效传输。
结合策略与实现
策略
采用模块化设计方法，将机电一体化系统划分为若干个功能模块， 分别进行设计、优化和集成。
实现
利用现代计算机辅助设计工具进行建模、仿真和分析，确保各模块 之间的协调性和整体性能的最优化。
风力发电机的机电一体化系统设计， 将机械能转换为电能，同时考虑风 能利用率和系统稳定性。
04
机电一体化系统设计案例
数控机床设计
数控机床是机电一体化系统设计的典型案例，通过将 机械、电子、控制等技术有机结合，实现高精度、高
效率的加工能力。
数控机床设计过程中，需要考虑机床的整体布局、传 动系统、控制系统、冷却系统等方面的设计，以确保
机械系统设计是机电一体化系统 的核心部分，包括机械结构、传
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(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-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。
机电一体化机械系统的设计
机电一体化机械系统的设计摘要：机电一体化是在微电子技术向机械工业领域渗透过程中逐渐发展起来的一门独立的综合性交叉学科,机械系统是机电一体化的重要组成部分,是实现机电一体化产品功能的最基本的部件。
近年来，机械系统的进步，推动了机电一体化的发展。
本文在介绍机电一体化的基础上，就机电一体化机械系统的设计的特点和内容进行了详细介绍。
关键词：机电一体化；机械系统；设计一、前言现代科学技术,特别是微电子技术和计算机技术的发展,使得传统的机械系统的设计受到了极大的冲击，电一体化产品在机械系统中发挥着越来越重要的作用。
机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息机电一体化机电一体化技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合，并综合应用到实际中去的综合技术。
机电一体化是一门独立的综合性交叉学科，现已发展到光机电一体化、机械智能化和微机械化阶段。
目前，机电一体化技术已经在的各个领域已得到广泛的应用，在机械系统设计领域也发挥着越来越重要的作用。
二、机电一体化机械系统概述机电一体化是在传统的机械技术基础上，综合应用机械技术、信息技术、微电子技术、自动控制技术、软件编程技术等技术,根据优化组织结构目标和系统功能目标,以智力、结构、运动、动力和感知组成等要素为基础,进而对各个成要素和各要素之间的运动传递、信息处理、能量变换、接口耦合、物质运动等进行研究,使整个系统进行结合与集成,并在系统控制程序的信息流控制下,形成物质的和能量的有规则运动,在高质量、高功能、高精度、高可靠性等方面实现最佳功能价值系统工程技术。
机电一体化的产生和发展对机械系统也起了极大的推动和促进作用，它提高了机械系统的性能，完成传统机械所不能完成的功能。
一般来说，机械技术只能形成功能有限的纯机械的产品，但与信息技术、微电子技术相结合后，就可以形成机电一体化产品。
但并非任何的机械产品都能改造成机电一体化产品，必须要对其零部件也要进行适当选择或替换，再结合相关技术等才能形成机电一体化产品。
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。
机电一体化机械设计
3.1.3
1. 如图3-5所示,在锥齿轮4的传动轴7上装有压簧5,其轴 向力大小由螺母6调节。锥齿轮4在压簧5的作用下可轴向 移动,从而消除了其与啮合的锥齿轮1之间的齿侧间隙。
2 3
4 1
5 6 7
1、 4—锥 齿 轮 ； 2、 3—键 ； 5—压 簧 ； 6—螺 母 ； 7—轴
图 3-5 锥齿轮轴向压簧调整
时间。
(2) 运动精度高。由于其摩擦力小,工作时螺杆的热变形 小,螺杆尺寸稳定,并且经调整预紧后,可得到无间隙传动,因 而具有较高的传动精度、定位精度和轴向刚度。
(3) 具有传动的可逆性,但不能自锁。用于垂直升降传动 时,需附加制动装置。
(4) 制造工艺复杂,成本较高,但使用寿命长,维护简单。
3.3.2 滚珠螺旋传动的结构形式与类型
1. 螺纹滚道法向截形是指通过滚珠中心且垂直于滚 道螺旋面的平面和滚道表面交线的形状。常用的截形 有两种: 单圆弧形（见图3-20(a)）和双圆弧形（见图320(b)）。滚珠与滚道表面在接触点处的公法线与过滚 珠中心的螺杆直径线间的夹角β叫接触角。理想接触角 为β＝45°。
滚珠螺母
D
r
n
r
s
A 滚珠丝杠 ＝ 45°
φ角时,可动螺母2的移动距离为
可见,此L 时差2动(螺Ph1旋变P成h2 )快
（3-4） 速移动螺旋,即螺母2相
对螺母1快速趋近或离开。这种螺旋装置用于要求快速
夹紧的夹具或锁紧装置中。
3.2.3 螺旋副零件与滑板连接结构的确定 1. 刚性连接结构 ; 图3-10所示为刚性连接结构,这种连接结构的特点
（2） 轴向调整法。 图3-17为轴向调整法的典型结构 示例。图3-17(a)为开槽螺母结构, 拧紧螺钉强迫螺母变形, 使其左、右两半部的螺纹分别压紧在螺杆螺纹相反的侧 面上, 从而消除了螺杆相对螺母轴向窜动的间隙。图317(b)为刚性双螺母结构,主螺母1和副螺母2之间用螺纹连 接。
机电一体化系统的设计与控制
机电一体化系统的设计与控制引言机电一体化系统是指将机械与电气控制系统相结合，实现工业控制与自动化的一种综合应用技术。
在现代制造业中，机电一体化系统已经得到广泛应用，它不仅可以提高生产效率和产品质量，还可以降低生产成本和人工投入。
本文将重点探讨机电一体化系统的设计与控制方法。
一、机电一体化系统的设计原理1.1 机电一体化系统的概念机电一体化系统是将机械设备与电气控制系统紧密结合，通过传感器、执行器、控制器等元件的相互配合和协同工作，实现自动化控制和监测。
其设计原理主要包括机械结构设计、电气控制设计和系统集成设计。
1.2 机械结构设计机械结构设计是机电一体化系统设计的基础，它涉及到机械元件的选择、布局设计和传动系统等方面。
在机械结构设计中，需要考虑到设计的可靠性、稳定性和功能性，并进行相关的力学和动力学分析，以保证系统的正常运行和性能优化。
1.3 电气控制设计电气控制设计是机电一体化系统设计中非常重要的一环，它包括电气元件的选型、电气线路的布置以及编程控制等方面。
在电气控制设计中，需要充分考虑到系统的安全性、稳定性和可靠性，并进行相关的电气参数计算和控制逻辑设计，以实现对机械系统的精确控制。
1.4 系统集成设计系统集成设计是将机械结构设计和电气控制设计有机地结合在一起，形成完整的机电一体化系统。
在系统集成设计中，需要考虑到机械部分与电气部分之间的相互连接和协调，确保系统各个部分之间能够有效地协同工作。
二、机电一体化系统的控制方法2.1 传统控制方法传统控制方法是指基于PID控制器的控制方式，通过对机械系统的位置、速度和加速度等参数进行反馈控制，实现对机械系统的闭环控制。
传统控制方法简单、稳定性好，适用于一些简单的机械系统，但对于复杂的机电一体化系统来说，传统控制方法往往无法满足其复杂性和高精度的控制要求。
2.2 智能控制方法智能控制方法是指基于人工智能和专家系统的控制方式，通过对机械系统的学习和自适应调整，实现对机械系统的智能化控制。
机电一体化系统的设计与制造
机电一体化系统的设计与制造第一章机电一体化系统的概述随着智能化的发展，机电一体化系统因其在工业自动化方面的应用而逐渐受到人们的关注和认可。
机电一体化系统是以自动控制技术为核心，将机械、电气、电子、计算机等多种技术有机地结合在一起的一种复杂的系统。
机电一体化系统可以实现多方面的功能，包括自动化生产、安全控制、精密检测、高速传输等等。
因此，设计与制造机电一体化系统不仅需要掌握机械、电气、电子、计算机等多种技术，还需要具备系统设计的能力。
第二章机电一体化系统的设计机电一体化系统的设计需要按照系统工程的思路，考虑各个环节之间的协调和一致性。
以下是一些关键设计环节的讲解。
2.1 机械部分设计机械部分的设计需要首先确定机械的结构形式，包括外形、框架、传动装置、运动轨迹等。
其次，需要采用CAD和CAE等技术，对机械部分进行详细的数值分析和仿真，以优化机械的结构，提高系统的效率和稳定性。
2.2 电气部分设计电气部分的设计是机电一体化系统设计中最为复杂的一部分，需要选取合适的电气元器件，并设计电气控制系统。
控制系统需要充分考虑系统的安全性和可靠性，避免出现短路、漏电等问题，同时还需要设计符合工业标准的接线布局和电源系统。
2.3 电子部分设计电子部分是实现机电一体化系统智能化的重要组成部分。
电子部分的设计可能包括传感器、单片机、PLC、人机界面等多个方面。
在设计过程中，需要考虑电子元器件的选取、电路设计及其仿真、调试和测试等方面问题，以确保所设计出的机电一体化系统能够实现高效、安全、稳定的控制。
2.4 计算机部分设计计算机部分是机电一体化系统的大脑，它可以进行数据处理、存储、分析等多种任务。
通常，计算机部分设计包括软硬件的选取，界面的设计，以及通讯模块的开发等方面。
在选择计算机硬件时，需要考虑能耗、处理速度、运行速度等因素。
第三章机电一体化系统的制造机电一体化系统的制造是将设计方案落实成实际的系统的过程。
以下是一些关键制造环节的讲解。
机电一体化系统设计机械系统设计
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。
14
机械系统设计
图2.2 锥度齿轮消隙结构 1、2.齿轮 3.垫片
图2.12 内循环方式原理图
1.凸键杠副轴向间隙的调整和预紧方法
(1)轴向间隙
轴减向小间或隙消：除是轴承向载间时隙在方滚法珠：与1)预滚紧道使型弹面性接变触形点控的制弹在性最变小形 所限引度起内的；螺2)提母高位制移造量精和度螺、母减原小有丝间杠隙安的装总部和分。和驱动部 分的间隙。
9
机械系统设计
刚度是使弹性体产生
2.刚度大
单位变形量所需的作 用力。
①伺服系统动力损失随之减小；
②机构固有频率高，超出机构的频带宽度，使之不 易产生共振；
③增加闭环伺服系统的稳定性。
3.阻尼合适
阻尼越大，其最大振幅 就越小且衰减也越快； 阻尼大使系统的稳态误 差增大、精度降低。
10
机械系统设计
一、无侧隙齿轮传动机构
40
机械系统设计
(2)滚珠丝杠副的设计计算 已知条件：
F（N）——工作载荷（或平均载荷Fm）；
…L.h(h)——使用寿命；
L（m）——丝杠的工作长度（螺母的有效行
程）；
n（r/min）——丝杠的转速（平均转速nm或最 大转速nmax)。
滚道硬度：HRC；运转情况
41
机械系统设计
设计步骤及方法： 1)计算载荷的计算
齿轮传动机构的特点： 1)瞬时传动比为常数；2)传动精确度高；3)可做到零侧隙无 回差；4)强度大能承受重载；5)结构紧凑；6)摩擦力小和效 率高
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1 i12
i2 i14
)
J em 0 i1
可得 i 2
i14 1 2
可整理ppt
电动机
J1
J4
i1
i2
J 2
J11 3
对于n级齿轮系作同类分析可得：
2n n1 1
i1 22 2n 1 i 2n 1
ik
2k1
2
i 2n
2
2n
1
（K=2～n）
P40 例3-1
确定小功率传动级数的曲线
50
n=1
n=2 n=3
n=4
用于大功
n=5
率传动确
10
定传动级
数的曲线
Je/J1
10
100 256 1000
i
i1
ik
10
8 6
n=1
4
n=2 n=3 n=4
2
n=5
0
10
100
1000 101
i
8 6
用于大功率传动 确定第一级传动
4
比的曲线
2 B
用于大功率传动 确定第一级齿轮 副以后各级传动 比的曲线
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4
导向机构 不仅要支承、固定和联接系统中 的其它零部件，还要保证这些零部件之间 的相互位置要求和相对运动的精度要求， 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。
执行机构 最终完成操作任务的部分。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。与传统的执行机构 相比，机电一体化系统的简化了机械执行 机构，而充分发挥计算机的协调和控制功 能。
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。
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2
3.1 概述
(2)高刚度
采用高刚性支撑或架体，以减小产品本体的振 动，降低噪声；为高精度的执行机构提供良好的
第3章 机电一体化系统中的机械设计
3.1 概述 3.2 传动部件设计 3.3 支撑部件设计 3.4 精密机械的精度设计和误差分配
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1
3.1 概述
为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，通 常对机电一体化系统提出以下要求：
(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
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7
TLF
电动机驱动齿轮系统和负载的计算模型
根据传动关系有： imLmL m L
根据旋转运动方程，电动机轴上的合转矩为： T a T m T L i F J m J L i 2 m J m J L i 2 i L 则 L T m i T L J m F i 2 J L i a T J m i 2 J L 根据负载角加速度最大的原则，令 dL di0 解得
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。
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9
一、齿轮传动
(1) 等效转动惯量最小原则
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。
如右图，若不计轴和轴承 的转动惯量，则根据系统动 能不变的原则，等效到电机 轴上的等效转动惯量为：
Jm
eJ1J2i12J3
J4 i12i22
J1
J4
电动机
i1
i2Βιβλιοθήκη J2J3iT LF /T m(T LF /T m )2JLJm
一、齿轮传动
2．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
技术要求，选择传动方案，使驱动部件和负载之 间的转矩、转速达到合理匹配。若总传动比较大， 又不准备采用谐波、少齿差等传动，需要确定传 动级数，并在各级之间分配传动比。单级传动比 增大使传动系统简化，但大齿轮的尺寸增大会使 整个传动系统的轮廓尺寸变大。可按下述三种原 则适当分级，并在各级之间分配传动比。
支撑，保证执行精度。
(3) 低摩擦
导向和转动支撑部分采用低摩擦阻力部件，
以降低机械系统阻力，提高系统的快速响应性。
(4) 良好的稳定性
即要求机械系统的工作性能受外界环境的影
响小，抗干扰能力强。
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3
机械部分的组成
机电一体化机械系统功能上可以分为传动、 导向和执行三大机构。
传动机构 传统的机械传动是一种把动力机 产生的运动和动力传递给执行机构的中间 装置，是一种扭矩和转速的变换器，其目 的是使驱动电动机与负载之间在扭矩和转 速上得到合理的匹配。在机电一体化系统 中，普遍采用计算机控制和具有动力、变 速与执行等多重功能的伺服电动机。
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为减小齿轮 系的转动惯 量，过多增 加传动级数n 是没有意义 的，反而会 增大传动误 差，并使结 构复杂化。
13
大功率传动装置
大功率传动装置传递扭矩大，各级齿轮副 的模数、齿宽、直径等参数逐级增加。
传动比分配的基本原则仍为“前小后大”。 根据下面两图确定传动级数及各级传动比。
100
电动机驱动的两级齿轮系
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10
一、齿轮传动
因为：
J1
J3
B
32g
d14
所以：
J2
B
32g
d
4 2
J4
B
32g
d
4 4
J2 J1
d2 d1
4
i14
即：
J2 J1i14
J J3 4J J1 4d d1 44d d3 44i2 4(i/i1)4
J4J1i2 4J1(i/i1)4
令
JmeJ1(1i12
2 3 4 6 8 10 8 6
4
2
A
1
1
2 3 4 6 8 10
ik-1
例题3-2 设有i=256 的大功率传动装置，试按等效转动
惯量最小原则分配传动比。
解：查图3-4，得n= 3，Je/J170 n= 4，Je/J135（确定传动级数） n= 5，Je/J126
查图3-5，得 i1 =3.3。 （确定各级传动比）
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5
3.2 传动部件设计
一、齿轮传动 二、滚珠螺旋传动 三、同步带传动 四、谐波齿轮传动
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6
一、齿轮传动
齿轮传动方案主要包括传动比及其分配两 部分。
1. 齿轮传动系统的总传动比 根据负载特性和工作条件不同，有不
同的最佳传动比选择方案，例如“负载峰 值力矩最小”的最佳传动比方案、“负载 均方根力矩最小”的最佳传动比方案、 “转矩储备最大”的最佳传动比方案等。 在伺服系统中，通常采用负载角加速度最 大原则选择总传动比，以提高伺服系统的 响应速度。