机电一体化

第一章绪论

第一节机电一体化的定义

1传统机械和现在机械的区别，机械和电子的优缺点：

传统机械：主要以力学为理论基础，以经验为实践基础；

现代机械：以力学、电子学、计算机学、控制论、信息论等为理论基础，以经验、机、电、计算机、传感与测试等技术为实践基础。

机械：强度高、输出功率大、承载大载荷；实现微小复杂运动难。

电子：可实现复杂的检测和控制；但无法实现重载运动。

2机电一体化和机械电气化的区别

(1)电气机械在设计过程中不考虑或较少考虑电气与机械的内在联系。

(2)机械和电气装置之间界限分明

(3)装置所需的控制以基于电磁学原理的各种电器，属于强电范畴。

3机电一体化的发展趋势：

智能化、模块化、网络化、微型化、绿色化、人格化

4机电一体化的定义

机电一体化是在以机械、电子技术和计算机科学为主的多门学科相互渗透、相互结合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴边缘技术学科。

第二节机电一体化系统设计的目标与方法

1机电一体化产品和系统的分类

按机电一体化产品和系统的用途分类，有产业机械，信息机械，民用机械等；按机械和电子的功能和含量分类，有以机械装置为主体的机械电子产品和以电子装置为主体的电子产品；按机电结合的程度分类，有功能附加型、功能替代型和机电融合型。

2机电一体化产品的优越性

(1)使用安全性和可靠性提高(2)生产能力和工作质量提高(3)调整和维护方便，使用性能改善(4)具有复合功能，适用面广(5)改善劳动条件，有利于自动化生产(6)节约能源，减少耗材

3现代机械的机电一体化目标

(1)提高精度(2)增强功能(3)提高生产效率(4)节约能源，降低能耗(5)提高安全性、可靠性改善操作性和实用性(6)减轻劳动强度，改善劳动条件(7)简化结构，减轻重量(8)降低价格(9)增强柔性应用功能

4机电一体化技术方向

(1)在原有机械系统的基础上采用微型计算机控制装置，使系统的性能提高，功能增强。

(2)用电子装置局部代替机械传动装置和机械控制装置，以简化结构，增强控制灵活性。

(3)用电子装置完全代替原来执行信息处理功能的机构，即减化了结构，又极大地丰富了信息传输内容，提高了速度。

(4)用电子装置替代机械的主要功能，形成特殊的加工能力。

(5)将机电技术完全融合形成新型机电一体化产品。

5机电一体化系统开发的设计思想

在开发过程中，一方面要求设计机械系统时应选择与控制系统的电气参数相匹配的机械系统参数；同时也要求设计控制系统时，应根据机械系统的固有结构参数来选择和确定电气参数。

6机电一体化系统设计方法

(1)取代法：这种方法是用电气控制取代原传统中机械控制机构。这种方法是改造传统机械产品和开发新型产品常用的方法。

这种方法的缺点是跳不出原系统的框架，不利于开拓思路，尤其在开发全新的产品时更具有局限性

(2)整体设计法：这种方法主要用于全新产品和系统的开发。在设计时完全从系统的整体目标考虑各子系统的设计，所以接口简单，甚至可能互融一体。

(3)组合法：这种方法就是选用各种标准模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统。利用此方法可以缩短设计与研制周期、节约工装设备费用，有利于生产管理、使用和维修。第三节机电一体化系统的基本功能要素

1机械本体（机械系统）

包括机械传动装置和机械结构装置。其主要功能是使构造系统的各子系统、零部件按照一定的空间和时间关系安置在一定位置上，并保持特定的关系。其开发重点是模块化、标准化和系列化，以便于机械系统的快速组合和更换

2动力单元

按照机电一体化系统的控制要求。为系统提供能量和动力以保证系统正常运行。其显著特征之一，是用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出。

3传感检测单元

对系统运行过程中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，并转换成可识别信号，传输到控制信息处理单元，经过分析、处理产生相应的控制信息。

对其要求是体积小、便于安装与连接、检测精度高、抗干扰性强。

4执行单元

根据控制信息和指令完成所要求的动作。

5驱动单元

在控制信息作用下，驱动各种执行机构完成各种动作和功能。

6控制与信息处理单元

控制与信息处理单元是机电一体化系统的核心单元。其功能是将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、存储、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序发出相应的控制信号，通过输出接口送往执行机构，控制整个系统有目的的运行，并达到预期的性能。

7接口

将各要素或子系统连接成为一个有机整体，使各个功能环节有目的地协调一致运动，从而形成机电一体化的系统工程。

其基本功能主要有三个：变换、放大、传递

第四节机电一体化的相关技术

1机械技术（精密机械技术）

是机电一体化的基础。机电一体化的机械产品与传统的机械产品的区别在于：机械结构更简单、机械功能更强、性能更优越。

机械技术的出发点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其他高新技术来更新概念，实现结构、材料、性能以及功能上的变更。

2传感检测技术

是机电一体化系统的感觉器官，即从待测对象那获取能反映待测对象特征与状态的信息。它是实现自动控制、自动调节的关键环节，其功能越强，系统的自动化程度就越高。

传感检测技术的研究内容包括两方面：一是研究如何将各种被测量转换为与之成比例的电量；二是研究如何将转换的电信号的加工处理。

3信息处理技术

信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策。实现信息处理的主要工具是

计算机，因此信息处理技术与计算机技术是密切相关的。信息处理的发展方向是如何提高信息处理的速度、可靠性和智能化程度。

4自动控制技术

自动控制技术的目的在于实现机电一体化系统的目标最佳化。机电一体化系统中的自动控制技术主要包括位置控制、速度控制、最优控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制等。

5伺服驱动技术

伺服驱动技术就是在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械的运动部件按照指令要求运动，并具有良好的动态性能。常见的伺服驱动系统主要有电气伺服和液压伺服。

6系统总体技术

系统总体技术是以整体的概念组织应用各种相关的应用技术。即从全局的角度和系统的目标出发，将系统分解为若干子系统，从而实现整个系统技术协调的观点来考虑每个子系统的技术方案，对于子系统与子系统之间的矛盾或子系统和系统整体之间的矛盾都要从总体协调的需要来选择解决方案。

第二章机械系统设计

传动机构：机电一体化系统中传动结构的主要功能是传递转矩和转速。因此，它实际上是一种转矩、转速变化器。

导向机构：其作用是支撑和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。

执行机构：用来完成操作任务。能根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的操作。

2.1.1传动机构的种类及特点

机电一体化系统中所用的传动机构主要有滑动丝杠副、滚珠丝杠副、齿轮传动副、同步带传动副、间歇机构、绕性传动机构等。

对于工作机中的传动机构，既要求能实现运动的转换，又要求能够实现动力的转换；对于信息机中的传动机构，主要要求运动的转换；对于动力，则只需要克服惯性力（力矩）和各种摩擦力（力矩）以及较小的工作负载即可。

2.1.2传动机构的基本要求

1影响机电一体化系统中的传动链动力学性能的因素一般有以下几个

（1）负载的变换（2）传动链惯性（3）传动链固有频率（4）间隙、摩擦、润滑和温升2在不影响系统刚度的条件下，传动机构的质量和转动惯量应尽可能小

3刚度越大伺服系统动力损失越小；刚度越大机构固有频率越高，超出系统的频带宽度，不易产生共振；刚度越大闭环系统的稳定性越高

4机械零件产生共振时，系统中阻尼越大，最大振幅就越小，且衰减越快；但大阻尼也会使系统的失动量和反转误差增大，稳态误差增大，精度降低

5系统传动部件的静摩擦力应尽可能小；动摩擦力应是尽可能小的正斜率，若为负斜率则易产生爬行，精度降低，寿命减少。

6此外，还要求抗振性好，稳定性高，间隙小（减少误差，提高伺服系统中位置环的稳定性），避免谐振，特别是其动态特性与伺服电动等其他环节的动态性能相匹配。

7转动惯量

在满足系统刚度的条件下，机械部分的质量和转动惯量越小越好。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。

8摩擦

两物体接触面间的摩擦力在应用上可以简化为粘性摩擦力、库伦摩擦力与静摩擦力三