机电一体化中的机械系统设计
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
机电一体化机械系统的设计要点以及未来发展探讨
机电一体化机械系统的设计要点以及未来发展探讨机电一体化机械系统是指将机械、电气、电子和计算机等技术相互融合，将机械系统、电气系统、控制系统和信息处理系统有机结合，形成一个整体化的综合性系统。
机电一体化机械系统广泛应用于制造业领域，具有高效、智能、高精度、低污染等优点。
本文将探讨机电一体化机械系统的设计要点以及未来发展趋势。
1.系统布局与结构设计机电一体化机械系统的系统布局和结构设计是关键。
在系统设计时，必须兼顾机械、电气、电子和计算机等技术因素，并且要寻找合适的结构和布局方案。
优秀的系统布局可以保证系统的高效运行和稳定性。
结构设计则包括机械部分、电气部分、控制部分和信息处理部分的结构设计。
要充分考虑这些部分的相互作用，选用高精度、高效率的部件和元器件。
2.系统功能设计机电一体化机械系统具有众多的功能需求，包括运动控制、测量、分析、诊断、参数调节等。
因此，在设计机电一体化机械系统时，需要确定系统的基本功能和特殊功能。
此外，还需要充分考虑机械部分、电气部分、控制部分和信息处理部分的相互作用，确保系统各部分能够协调工作，实现系统预期的功能和性能。
机电一体化机械系统需要相应的控制系统，以实现各种功能和工作模式。
在系统控制设计时，需要充分考虑各种控制算法和控制策略，选用合适的控制器和定位技术。
同时，还需要考虑多种传感器的配备和信息传递与处理。
在设计控制系统时，还要结合机械系统的运动学特性和机械部件的灵敏度因素等因素进行综合考虑。
机电一体化机械系统是制造业转型升级的关键技术之一，未来的发展趋势将是：1.智能化随着人工智能技术的不断进步和应用，机电一体化机械系统将更加智能化，更加自主地执行各种任务和操作。
未来的机电一体化机械系统将可以实现自我学习、自我调节、自我优化等功能，进一步提高其效率和性能。
2.高可靠性机电一体化机械系统具有高效、高精度等优点，但随着应用领域的不断拓展，其稳定性和可靠性对于工业应用的可持续性和经济性具有重要意义。
机电一体化系统设计机械系统设计
机械系统设计
图2.9 滚珠丝杠副的结构原理示意图
特点：
(1)传动效率高： 0.90到0.96 ；
(2)传动精度高、刚度好：可消除间隙； (3)定位精度和重复定位精度高； (4)运动平稳； (5)摩擦阻力小:静摩擦阻力及动静摩擦 阻力差值小； (6)不能自锁、有可逆性。
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机械系统设计
20
机械系统设计
轴向压簧调整、周向压簧调整（柔性）
径向（中心矩）调隙法；轴向调隙法；周向(切向）调隙法
(一)直齿圆柱齿轮传动机构
1.偏心轴套调整法 结构如图2.1所示。转动偏心轴套2调整 两啮合齿轮的中心距，消除齿侧间隙及其造成的换向死区。 特点：结构简单，侧隙调整后不能自动补偿。
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机械系统设计
图2.1 偏心轴套式消隙结构 1.电动机 2. 偏心轴套
15
机械系统设计
3.双片薄齿轮错齿调整法 结构如图2.3所示。 调节两薄片齿轮l、2的相对位置，达到错齿以 消除齿侧间隙，反向时也不会出现死区。
特点：齿侧间隙可自动补偿，但结构复杂。
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机械系统设计
图2.3 双圆柱薄片齿轮错齿调整 1、2. 薄片齿轮 3、4、9. 凸耳 5.螺钉 6、7. 螺母 8.弹簧
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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
轴向负荷F 的大小而变化，
如图2.10a所示；
2)双圆弧型面：滚珠与滚 道只在滚道内相切的两点 接触，接触角不变，如图 2.10b所示。
机电一体化机械系统设计
有无预紧 Fa δ
轴向刚度K（以Fp/δ为1）
无 Fp δ0
1
增大而减小
约3Fp 2δ0
3/2
有 Fp
δ0 /3 3
是常数
约3Fp δ0
3
2 2 3
培训专用
② 滚珠丝杠副的轴向接触刚性
a. 不预紧的滚珠丝杠副轴向接触刚性
Ka
K
Fa 0.3Ca
1/3
b. 预紧滚珠丝杠副的轴向接触刚性
Fp Fmax / 3
• （4） 刚度大
• 大刚度利于：①减小机构弹性变形，从而减小伺服系统动力损失；
• ②提高机构固有频率，避开机构的伺服带宽，不易产生共振；
• ③增加闭环伺服系统的稳定性。
培训专用
（5） 阻尼适中
• 大阻尼能抑制振动的最大振幅，且使振动快速衰减，但同时也会 使系统的稳态误差增大，精度降低，因此阻尼要适中
培训专用
支承方 一端固定一 式 端自由 (F-O)
一端固定一 端支承 (F-S)
支承方 两端固定
式
(F-F)
润滑 密封
润滑油，润 滑脂
丝杠
螺母,
结构简单，轴向刚度较两端固定低，压 杆稳定性和临界转速较低，用于较短和 竖直的丝杠
两端与螺母要同轴，结构较复杂，工艺 较困难，刚度同(F-O)相同，压杆稳定性 和临界转速较(F-O)高，用于较长的卧式 安装丝杠
• （20） 设计计算流程
培训专用
设 计 计 算 流 程
1
2
3
4
5
6
1 改用 NO
滚动
7
导轨
8
7 增大 Ca
NO
9
10
1
机电一体化第二章 机械系统设计
（6）制造工艺复杂 滚珠丝杆和螺母等零件加工精度、 表面粗糙度要求高，故制造成本较高。
三、滚珠丝杆副传动机构
4. 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法 滚珠丝杠副除了对本身单一方向的传动精度有要
求外，对其轴向间隙也有严格要求，以保证其反向 传动精度。滚珠丝杠副的轴向间隙是承载时在滚珠 与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量 和螺母原有间隙的总和。
三、滚珠丝杆副传动机构
两端都装止推轴 承，承受轴向载 荷
两端都装止推轴 承和向心球轴轴 承，承受轴向、 径向载荷
固定端装深沟球 轴承和双向推力 轴承，承受径向、 轴向载荷，简支 端用深沟球轴承 径向约束
固定可以用深沟 球轴承和双向推 力轴承组合或用 圆锥滚子轴承
三、滚珠丝杆副传动机构
单推—单推 1．轴向刚度较高； 2．预拉伸安装时，须加载荷较大，轴承寿命比方案
三、滚珠丝杆副传动机构
3）标注方法
三、滚珠丝杆副传动机构
市场常见的滚珠丝杆型号 FF型 内循环单螺母式滚珠丝杠副 FFB型 内循环变位导程预紧螺母式滚珠丝杠副 FFZD型 内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠副 FFZL型 内循环螺纹预紧螺母式滚珠丝杠副 LR-CF(LR-CFZ)型 大导程滚珠丝杠副 DGF型 DGF端盖式滚珠丝杠副 主要生产厂商： 西班牙柯尔特（KORTA)、德国博世·力士乐 日本NSK滚珠丝杠、日本THK滚珠丝杠
第二章 机械系统设计
第一节 概述
一、机电一体化对机械系统的基本要求 (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 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。
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。
机电一体化第2章 机械系统设计(8机座和机架)分解
内容
机座或机架的作用及基本要求
机座或机架的结构设计要点
2 机械系统设计—机座和机架
一、机座或机架的作用及基本要求
作用：它既承受其它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。
分类 机座类——各种机床的床身 底座类——电动绞车的底座 箱体类——减速器的箱体、车床床头箱的箱体
受动载荷的机架零件，为了提高它的吸振能力，需要合理设计 截面形状，即使截面面积并不增加，也可提高机架承受动载的 能力。
2 机械系统设计—机座和机架
截面形状的选择 当受简单拉、压作用时，变形只和截面积有关，而与截 面形状无关，设计时主要是选择合理的尺寸。 如果受弯、扭作用时，变形与截面形状有关。在其它条 件相同情况下，抗扭惯性矩Ic越大，扭转变形越小， 抗扭刚度越大。
2．焊接机架的设计 优点：在刚度相同的情况下可减轻重量30％左右；改 型快，废品极
少；生产周期短、成本低。
结构：常用普通碳素结构钢材(钢板、角钢、槽钢、钢管等)焊接制造。
2 机械系统设计—机座和机架
2 机械系统设计—机座和机架
本章小结
本章重点学习了机电一体化系统的机械系统机械传动部 件和导向支承部件的选用与设计。重点掌握丝杠传动和齿 轮传动的选用与设计的基本要求、原则和设计方法以及了 解相关结构的工作原理；重点掌握滑动导轨和滚动导轨的 选用与设计的基本要求、原则和设计方法，了解相关结构 的工作原理以及其他导向装置的特点。
2 机械系统设计—机座和机架
机架零件的一般设计要求
1、保证其上的零件、部件，准确定位、可靠固定； 考虑某些关键表面及其相对位置精度； 2、应有足够的强度、刚度及振动稳定性；减少热变 形； 3、应满足工业美学要求，形状简单，颜色适应环境； 4、应具有良好的加工与安装工艺性、经济性及人机 工程等方面的要求。
机电一体化机械系统的设计要点以及未来发展探讨
机电一体化机械系统的设计要点以及未来发展探讨机电一体化机械系统是一种将机械设计与电气控制相结合的系统，可以实现自动化、智能化的功能。
在机电一体化机械系统的设计中，有几个关键的要点需要考虑。
机电一体化机械系统的设计还需要考虑智能化的要求。
随着科技的发展，人们对机械系统的智能化要求也越来越高。
在设计机电一体化机械系统时，需要考虑如何利用先进的控制算法、传感器技术和网络技术，使系统具有自动化和智能化的功能。
机电一体化机械系统的设计还需要考虑系统的可靠性和安全性。
机电一体化机械系统通常应用于工业生产中，如果系统发生故障，将对生产造成严重影响。
在设计机电一体化机械系统时，需要考虑系统的可靠性和故障诊断能力，以及采取相应的安全保护措施，确保系统的稳定运行和生产安全。
机电一体化机械系统的未来发展也值得探讨。
随着科技的不断进步，机电一体化机械系统的应用领域将会更加广泛。
在智能制造中，机电一体化机械系统可以实现自动化生产、柔性生产和个性化定制等功能，提高生产效率和产品质量。
随着人工智能和大数据技术的发展，机电一体化机械系统还可以与其他智能设备和系统进行联网，实现更加智能化的生产和管理。
随着绿色环保意识的提高，机电一体化机械系统的发展也将朝着节能减排的方向发展。
可以通过优化机械结构和控制算法，减少能量消耗，同时采用节能材料和高效的动力传输装置，实现机电一体化机械系统的节能减排目标。
机电一体化机械系统的设计要点是整体化设计、智能化要求、可靠性和安全性。
未来的发展趋势是应用领域更加广泛，实现智能化和节能减排。
机电一体化机械系统的发展对于提高生产效率、产品质量和资源利用效率具有重要意义。
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要点以及未来发展探讨
机电一体化机械系统的设计要点以及未来发展探讨机电一体化机械系统是指将机械设备与电气控制系统有机地结合在一起，实现整体化的设计与运行。
本文将从机电一体化机械系统的设计要点和未来发展进行深入探讨。
1.整体设计理念机电一体化机械系统的设计要点之一是整体设计理念。
在设计机电一体化系统时，需要将机械结构、电气控制、传感器等系统组件进行整体优化设计。
通过整体设计，可以提高系统的稳定性、效率和可靠性，使得整个系统的运行更加协调。
2.多学科交叉融合机电一体化机械系统设计要点之二是多学科交叉融合。
在现代机械系统中，机械、电气、控制、材料等多个学科之间的交叉融合是非常重要的。
在设计过程中需要充分发挥多学科交叉融合的优势，集成不同学科的知识和技术，从而实现系统的整体性能的提升。
3.全寿命周期考虑4.先进技术应用机电一体化机械系统设计要点之四是先进技术应用。
随着科学技术的不断发展，机电一体化机械系统设计中需要充分运用先进的技术手段，如人工智能、大数据、云计算、物联网等，从而提高系统的智能化、自动化和信息化水平。
5.灵活可靠的控制与传感技术机电一体化机械系统设计要点之五是灵活可靠的控制与传感技术。
在机电一体化系统中，控制技术和传感技术是非常关键的组成部分。
需要选择灵活可靠的控制与传感技术，满足系统对于控制精度、反馈速度等方面的要求。
二、未来发展趋势1.智能化发展2.集成化设计未来的机电一体化机械系统将趋向于集成化设计。
通过集成化设计，可以有效提高系统的性能和功能，减少系统的体积和重量，实现系统的模块化设计和定制化生产。
3.柔性化生产未来的机电一体化机械系统将朝着柔性化生产发展。
通过引入柔性机器人、柔性传感器、柔性控制器等技术手段，可以实现生产过程的柔性化、快速化、定制化，从而满足不同客户的个性化需求。
4.绿色环保未来的机电一体化机械系统将注重绿色环保。
通过使用环保材料、节能技术、低排放技术等手段，可以实现系统的能源高效利用和环境保护，实现可持续发展目标。
机电一体化机械系统的设计要点以及未来发展探讨
机电一体化机械系统的设计要点以及未来发展探讨机电一体化机械系统是指将机械部件与电气控制部件紧密结合，形成一个统一的系统。
这种系统能够实现机械部件的运动与位置控制、力矩控制、速度控制等功能，以实现复杂的机械运动和工作任务。
机电一体化机械系统在现代工业中得到广泛应用，其设计要点主要包括以下几个方面：1. 刚性设计：机电一体化机械系统具有高速、高精度和高刚性的特点，因此在设计时要考虑到系统的刚性。
通过采用合适的材料和结构设计，确保系统能够承受高频振动、冲击和高负荷的工作环境。
还需要考虑到系统的行程、速度和加速度等运动参数，以满足实际工作需要。
2. 精确控制：机电一体化机械系统通过电气控制部件实现运动的精确控制。
设计时需要考虑到控制系统的精度和稳定性。
可以采用闭环控制系统，通过传感器反馈系统的实际运行状态，根据控制算法进行调整和修正，以达到所需的运动精度。
3. 电气与机械的协同设计：机电一体化机械系统的设计还需要兼顾电气和机械的相互协作。
机械设计需要考虑到电气部件的布置和安装位置，以便实现电缆和电线的连接和布线。
电气设计需要考虑到机械部件的位置和运动要求，以便实现准确的控制和操作。
设计中需要密切协调和沟通两个方面的工作。
4. 可靠性设计：机电一体化机械系统通常用于工业生产和自动化设备，因此需要具备较高的可靠性。
设计时需要考虑到系统的耐久性、抗干扰能力和故障诊断能力等方面。
可以采用双重保护系统、备份设备和自动故障恢复机制等，以提高系统的可靠性和稳定性。
未来发展方向上，机电一体化机械系统有以下几个可能的发展方向：1. 智能化：随着人工智能和物联网技术的发展，机电一体化机械系统将更加智能化。
可以通过使用各种传感器和控制器，实现自动调整和自适应功能，提高系统的效率和可靠性。
可以通过图像识别技术实现自动检测和定位，通过数据分析和预测技术实现故障诊断和预防。
2. 网络化：机电一体化机械系统可以通过网络进行监控和控制。
机电一体化机械系统的设计要点以及未来发展探讨
机电一体化机械系统的设计要点以及未来发展探讨机电一体化机械系统是指将机械设备与电气设备、电子设备和信息处理设备融合在一起，形成具有自动控制、智能化和网络化特点的综合性机械系统。
在工业生产中，机电一体化机械系统已经得到了广泛应用，为提高生产效率、降低成本、保障安全、提升产品质量等方面发挥了重要作用。
对机电一体化机械系统设计要点的研究具有重要意义，并且对其未来发展进行深入探讨也是必要的。
1. 整体设计理念机电一体化机械系统的设计要以整体设计理念为核心，包括机械结构设计、电气控制设计、传感器和执行元件的选型与布局等。
需要形成一个协调一致的整体设计方案，才能充分发挥各个子系统的功能，实现机电一体化的效果。
2. 精准的运动控制机电一体化机械系统通常需要实现精准的运动控制，这要求在设计时考虑到运动学和动力学特性，并选用适合的电机、传动装置和控制系统。
还需要考虑到动态特性，避免振动和冲击对系统稳定性的影响。
3. 智能化的感知与识别随着人工智能和物联网技术的飞速发展，机电一体化机械系统的设计也需要考虑智能化的感知与识别能力。
通过视觉、声音、激光等传感器来获取环境信息和工件信息，通过图像处理和模式识别技术实现自动识别和定位。
4. 高效的能源利用在设计机电一体化机械系统时，应当考虑到能源利用效率，尽可能减少能源浪费。
可以采用节能传动装置、高效电机和变频调速技术等手段，实现能源的高效利用。
5. 安全可靠的控制系统机电一体化机械系统的控制系统需要具有高度的安全性和可靠性，以确保系统在工作过程中不发生意外事故。
需要采用可靠的硬件设备和先进的控制算法来保障系统的安全运行。
二、未来发展趋势1. 智能化和自动化水平不断提高随着人工智能和自动化技术的不断发展，机电一体化机械系统将会朝着智能化和自动化方向不断提升。
未来的机电一体化机械系统将具备更强的自主学习和决策能力，能够适应更复杂的环境和任务。
2. 功能集成度不断提高未来的机电一体化机械系统将会朝着功能集成度更高的方向发展，将机械、电气、电子和信息技术更加紧密地融合在一起，实现更多功能的集成，以满足多样化和个性化需求。
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。
机电一体化系统中的机械设计
（确定各级传动比）
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。
二、滚珠螺旋传动
• （2）运动平稳 滚动摩擦系数接近常数，启动与 工作摩擦力矩差别很小。启动时无冲击。
• （3）能够预紧 预紧后可消除间隙产生过盈，提 高接触刚度和传动精度。
• （4）工作寿命长 滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为 高硬度、高精度，具有较长的工作寿命和精度保 持性。寿命约为滑动丝杆副的4~10倍以上。
一、齿轮传动
• 3 齿轮传动间隙的调整方法 • (1) 圆柱齿轮传动 • (a) 偏心套(轴)调整法
• 如右图所示，将相互啮合的 一对齿轮中的一个齿轮4装 在电机输出轴上，并将电机 2安装在偏心套1(或偏心轴) 上，通过转动偏心套(偏心轴) 的转角，就可调节两啮合齿 轮的中心距，从而消除圆柱 齿轮正、反转时的齿侧间隙。 特点是结构简单，但其侧隙 不能自动补偿。
令
J me
J1 (1 i12
1 i12
i2 i14
)
J em 0 i1
可得 i2
i14 1 2
电动机
J1 i1
J 2
J4
i2 J3
• 对于n级齿轮系作同类分析可得： •
2n n1 1
i1 2 2 2n 1 i 2n 1
2 k 1
ik
2
i 2n
机电一体化机械系统的设计要点以及未来发展探讨
机电一体化机械系统的设计要点以及未来发展探讨机电一体化是机械领域深度融合的一种趋势，是通过电气和机械技术的有机结合，实现机械系统的高效控制和智能化运行。
这种技术应用广泛，涉及航空、汽车、机器人、制造等多个领域，为工业和社会发展带来了极大的推动力。
1. 综合考虑机械和电气两方面的因素：机电一体化机械系统的设计应该首先考虑到机械和电气两方面的因素，如结构、材料、电子元件等。
其中，机械方面需要考虑的因素包括精确度、刚度、重量等；电气方面需要考虑的因素是电气控制器的种类、控制策略、通讯协议和信号处理等。
2. 实现模块化设计：机电一体化机械系统的设计需实现模块化设计，这样可以提高系统的可维护性和可扩展性。
不同的模块可以在各自的系统环境下进行开发和测试，并在测试通过后进行组合和集成。
同时，模块化设计能够简化故障排除和系统升级等问题。
3. 运用传感器控制技术：机电一体化机械系统设计需要运用传感器控制技术，以提高系统的智能化程度，实现系统的自动化控制和优化运行。
传感器技术可以利用物理或化学特性测量环境参数，并将信号转化为电子信号，在控制器中进行数字信号处理和分析。
4. 使用先进控制算法：机电一体化机械系统设计需要使用先进的控制算法，以保证系统的性能和效率。
控制算法可以根据模型预测和反馈控制，调整系统的状态和参数，从而使系统能够满足不同的控制需求。
机电一体化技术的发展趋势和未来发展探讨：1. 智能化趋势：未来的机电一体化技术将越来越智能化，尤其是在机器人、交通和能源等领域，将利用人工智能、大数据和物联网等技术，实现更高效、更精准的运行控制。
2. 系统集成化趋势：未来的机电一体化技术将越来越系统集成化，不只包括机械和电气系统的集成，而且还包括电磁、光学和声学等多个领域技术的融合，以保证整个系统的高效、高精度运行。
3. 网络化趋势：未来的机电一体化技术将越来越网络化，利用云计算、区块链和虚拟现实等技术，实现全球化、高效化的协同开发和数据共享，从而提高生产效率和降低成本。
机电一体化机械系统的设计要点以及未来发展探讨
机电一体化机械系统的设计要点以及未来发展探讨机电一体化是指机械与电子、计算机、控制等技术融合为一体的技术体系。
机电一体化机械系统的设计要点包括机械结构设计、电气控制系统设计、传感器选型、运动控制算法设计、界面设计等几个方面。
本文将探讨这些设计要点及机电一体化机械系统未来发展方向。
一、机械结构设计机械结构设计是机电一体化机械系统的基础，要兼顾机械强度和稳定性、传动效率等方面。
在机械结构设计中，要考虑到通用性，便于维修和升级。
同时，机械结构设计也需要考虑到如何与电气控制系统、传感器等配合，实现机械系统与电气系统的紧密协同。
二、电气控制系统设计电气控制系统包括电机驱动和控制信号传输两方面。
在电机驱动方面，可通过选择合适的电机类型、控制器等元器件，以实现高效、精准的控制。
在控制信号传输方面，可以使用各种传输协议，在提高系统稳定性和效率的同时，扩展系统应用范围。
三、传感器选型传感器可依靠各种技术原理识别物理量，故在机电一体化机械系统中起到了极其重要的角色。
传感器选型应根据系统要求选择合适的传感器，如温度传感器、压力传感器、声音传感器、光学传感器等，在提高机械系统运行质量和效率的同时，实现对整个系统进行集中、精确的监控和控制。
四、运动控制算法设计机电一体化机械系统的运动控制算法设计涉及到控制系统内部算法的设计和优化、算法与传感器信息的结合等方面。
要根据系统特性和需求选择合适的控制算法，如PID控制算法、模糊控制算法、自适应控制算法等。
同时，要针对控制系统内部的延迟和波动等问题进行优化，提高控制系统的稳定性和精度。
五、界面设计界面设计是机电一体化机械系统与用户接口的内容之一。
通过界面的设计，能够实现操作简易、信息友好、交互性强的特点。
应采用图形化、可视化的界面设计方式，使终端用户方便地维护、升级系统。
未来发展趋势随着技术发展和市场需求的变化，机电一体化机械系统的未来发展趋势将呈现以下几个特点：一、智能化。
利用新型技术将智能化引入到机电一体化机械系统中，如人工智能、物联网等，实现智能化运行、调控和控制系统优化。
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1.转动惯量（M=Jε）
在不影响机械系统刚度的前提下，传动机构的质量和转 动惯量应尽量减小。否则，转动惯量大会对系统造成不良影 响：机械负载增大，需要增大驱动电机的功率；系统响应速 度降低，灵敏度下降；系统固有频率减小，容易产生谐振。 所以在设计传动机构时应尽量减小转动惯量，通常采取以下 措施：
（1）选择转矩/惯量比(M/J)大的控制电机．因为在伺服系 统中高速电机的转动惯量在总惯量中是主要的，往往比负载 的折算惯量大得多，特别是减速比大的系统，所以应尽量选 用低惯量的控制电机。
(2)适当选用强度高、刚度好、质量轻的材料，减轻各零 部件的质量，合理布置结构， 转动部分的质量应尽量靠近轴 线。
(3)合理选取总传动比和分配各级传动比．因为负载转动 惯量折算到高速电机轴上，要除以传动比的平方，总传动比 大，负载的折算惯量小。另外，合理地分配各级传动比也可 使传动系统的折算惯量减小。
机电一体化中中的机械设计要遵循机电结合、机电互补 的原则，满足高精度、快速响应速度和稳定性的要求。具体包
括两大部分的内容：一是机械传动装置的设计，一是机械 结构的设计。
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
（3）选用最佳传动比，以提高系统分辨率，减小等效 到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速度；
（4）缩小反响死区误差，如采取消除传动间隙，减小 支承变形等措施；
（5）改进支承及架体的结构设计，以提高刚性，减少 振动，降低噪音，如采用复合材料等。
二、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．因此传动机构除了要满足传动精度的要求，而且 还要满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性的要求。
机械结构设计
导轨设计 支承装置 主轴组件设计
第一节 机电一体化机械系统概述
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和(或) 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，以完成其功能要求。因此机电一体化 机械系统的设计要考虑产品的总体布局、机构选型、结构造型 的合理化和最优化．
第一节 机电一体化机械系统概述
一、机电一体化对机械系统的基本要求
1、高精度 机械传动精度主要是由传动件的制造误差、装 配误差，传动间隙和弹性变形所引起的。
2、快速响应 即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。机械系统的响应主要取决于加 速度。
3、良好的稳定性 即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。
② 导程为L的丝杠驱动质量为m2的工作台和质量为m1的工件， 工作台和工件折算到丝杠上的总折算转动惯量为：
③齿条驱动的工作台（m2）与工件（m1）折算到节 圆半径为r的小齿轮上的转动惯量为
J=(m1+ m2)r 2
④ 齿轮传动转动惯量折算 轴1上的传动齿轮的转动 惯量J1折算到轴2上时，等效折算惯量为
另一方面，转动惯量相当于电路中的电容器，有储能作 用，可以改善转速的均匀性，所以有些要求转速均匀的产 品．如录像机、收录机等，都有转动惯量较大的飞轮。
转动惯量的计算
① 对于轴、轴承、齿轮、联轴节、丝杠等圆柱体的转动惯量 计算公式为：
J＝md2/8＝πd4Lρ／32
式中：m为圆柱体质量；d为圆柱体直径；L为圆柱体的长度；ρ 为圆柱体密度。
J=J1/i2 （i为轴1与轴2之间的总传动比，i=Z1/Z2）
⑤二级传动系统等效转动惯量折算
JD Z1 J1
Z2 J2 Z3
J3 Z4
m1 m2
Js
2.摩擦
摩擦力可分为静摩擦力、库仑摩擦力和粘性摩擦力。库 仑摩擦力是一种大小与速度无关的恒值阻滞力，当两物体作 相对滑动时，便出现库仑摩擦。粘性摩擦力代表一种阻滞力， 它正比于相对速度，当物体以—般速度通过液体或气体时就 会出现粘性摩擦。库仑摩擦和粘性摩擦可统称为动摩擦。
机电一体化系统中的伺服系统，主要是以机械量(位置、速 度，加速度、力等)为控制对象的一种自动控制系统。它在工作 时，要求系统的输出能平稳地、快速地、准确地跟随输入指令 动作。机电一体化中的机械系统已成为伺服系统的组成部分， 直接影响系统的控制精度、响应速度和稳定性。机械系统的性 能与系统本身的阻尼比ξ、固有频率有关。ξ、ω又与机械系统 的结构参数密切相关。因此，机械系统的结构参数对伺服系统 性能有很大影响。此外，机械结构中许多非线性因素，如传动 件的非线性摩擦、传动间隙、机械零部件的非弹性变形等，对 伺服系统性能也有较大影响。下面就机械结构因素对伺服系统 性能的影响进行分析讨论，以便在进行机械设计和选型时合理 的考虑这些因素。
摩擦是机电一体化系统中的一个非线性因素，它对系统 有不利影响，如会造成系统的死区误差；引起动态滞后，降 低系统响应速度；引起低速爬行等，但摩擦对系境的稳定性 又是有利的．
爬行是一种摩擦自激振动，振动能量来自系统本 身。产生爬行的原因可归纳为以下几点；
此外，还要求机械系统具有较大的刚度，良好的可靠性和 重量轻，体积小和寿命长。
为达到上述要求，主要从以下几个方面采取措施：
（1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，如采 用滚动丝杠副，滚动导向支承等；
（2）缩短传动链，提高传动与支承刚度，如用加预紧力 的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动与支承刚度；
2．导向机构 其作用是支承和导向，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，
3．执行机构 它是用以完成操作任务的．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．一般 要求它具有较高的灵敏度、精确度，良好的重复性和可靠性。
第二节 机械传动系统
一、伺服机械传动系统的传动特性