机电一体化系统设计机械系统设计
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
第4章机电一体化机械系统设计
用预拉伸丝杠的方法来进一步补偿热变形，预 拉伸力Ft：
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•E——弹性模量 2.1×105Mpa（即2.1×105N/mm2）；
•d2——丝杠底径（mm）；
•Δt——温升（一般取2～4℃）
第4章机电一体化机械系统设计
091125第4章机电一体 化机械系统设计
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2020/11/26
第4章机电一体化机械系统设计
（l） 传动机构
• 功能——是传递动力和运动 • 作用——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 的可靠性对系统的精度、稳定性和快速性有很大影响。
• （4） 轴系
• 作用——传递转矩及精确的回转运动，它直接 承受外力（力矩）
• （5） 机座机架
• 作用——承重、支撑、保证各零部件相对位置 的基准作用。
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第4章机电一体化机械系统设计
4.1.2 机电一体化机械系统设计
特点
• 传统机械系统一般是由动力件、传动件、执行件三部 分加上电器、液压和机械控制等部分组成
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第4章机电一体化机械系统设计
4.2.2 无侧隙齿轮传动机构
• 齿轮传动消齿侧间隙的方法： • 中心距调整法 • 双圆柱薄齿轮错齿消隙法 • 齿轮增宽消隙法等。
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第4章机电一体化机械系统设计
中 心 距 调 节 消 隙 法
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•结构简单，但需反复调试
第4章机电一体化机械系统设计
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第4章机电一体化机械系统设计
机电一体化机械系统设计
机电一体化机械系统设计摘要：科学技术的发展，推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。
在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。
基于此，本文从机电一体化设计展开浅析。
关键词：机电一体化；关键技术；设计前言：随着机械电子科技的不断创新，机电一体化技术获得了跨越式的发展，逐渐实现了机械制造与计算机技术的有机结合，将工业生产中所用到的机械设备发展为有着分析能力、控制能力的智能设备。
对机电一体化控制系统的设计展开研究能够提高机械的自动化水平，改进其自动分析能力，提升其运转性能。
1、机电一体化的简介1.1概念所谓机电一体化，是指结合机械技术、信息技术、微电子技术、电工电子技术、信号变换技术与传感器技术等各项技术，并将综合体应用于实际领域的一项新兴综合性技术。
1971年，日本杂志《机械设计》副刊上最先提到机电一体化这个概念。
随着现代科学技术的发展，机电一体化设计逐渐走向智能化、人性化设计的道路。
北京数系科技的一款机电一体化设计研发全流程的旗舰品牌CAMELVIEW，能够用很少的原型，为客户有效地研发出自己所需要的一体化产品，以便更快占领市场。
1.2设计原则首先确定一系列的设计指标，再进行机电一体化系统的设计，也就是说，对所设计的系统提出必须满足的技术要求，然后才能着手具体系统的设计。
机械系统与微电子系统协同组合的原则。
在采用机电一体化技术新概念进行工程设计时，为了提高系统的性能和柔性，要求广泛的物质和信息的集成。
在整个机电一体化系统的设计过程中，都必须考虑机械技术与电子控制技术的集成，创造出机械、电子以及软件等有机结合的新产品。
机电一体化系统设计往往伴随着机械系统的再设计，而且机械系统的再设计还不是全部。
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
机电一体化中的机械系统设计
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。
机电一体化系统设计
3）精度保持性要求（耐磨性）
精度保持性要求：指导轨副表面的耐磨性（耐 磨能力）应达到导轨面的使用寿命要求。
主要包括：初期耐磨性和耐磨精度保持性两 部分，以及耐磨精度失效特性。
初期耐磨性——摩擦副初期磨损阶段特性。 耐磨精度保持性——摩擦副正常磨损阶段特 性。 耐磨精度失效特性——摩擦副剧烈磨损阶段 特性。
6.丝杠螺母传动
（1）丝杠螺母机构的主要构成 丝杠、丝杠螺母和减摩介质或滚动体（回珠装置）。 功能：实现旋转运动与直线运动之间相互转换或调整。 作用：用于机构之间能量的传递和运动形式的传递。 分类：滑动和滚动丝杠螺母机构。
（2）丝杠螺母机构的特点
滑动丝杠螺母机构：结构简单、加工方便、成本低， 且有自锁功能，但摩擦阻力较大、传动效率低 (30%~40%)。
2.1 机械系统设计概述
一、 机械系统的构成 机电一体化机械系统应包括
三大部分： （1）传动机构 （2）导向机构 （3）执行机构
二、机械系统设计的任务 1.对机械系统的要求 （1）精密化 （2）高速化 （3）小型化、轻量化 2.伺服系统的设计要求 （1）传动精度 （2）响应速度 （3）稳定性
二、机械参数对系统性能的影响 1.惯性对系统性能的影响 2.刚度对系统性能的影响 3.摩擦对系统性能的影响 4.谐振频率对系统性能的影响 5.传动误差对系统性能的影响
由于，机电一体化系统的传动负载、传动特性、传动精 度、工作条件差异很大，齿轮传动部件传动比的配置应主 要依据不同系统的实际工作情况与要求进行配置。
在一般情况下，可重点考虑如下几方面内容： 运动参量匹配 —— 传递形式与类型 功率/力/力矩匹配 —— 结构强度与刚度 转动惯量 —— 系统响应特性（静态/动态） 传递精度——传递间隙、平稳性、低速震荡（爬行现象）
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。
机械工程中的机电一体化系统设计
机械工程中的机电一体化系统设计随着科技的不断进步，机电一体化系统在机械工程领域中扮演着越来越重要的角色。
机电一体化系统的设计涉及到机械工程、电气工程和控制工程等多个学科的知识，旨在实现机械设备的自动化、智能化和高效率运行。
本文将探讨机电一体化系统设计的重要性、挑战以及未来的发展趋势。
首先，机电一体化系统设计的重要性不言而喻。
传统的机械设备往往需要人工操作，效率低下且存在安全隐患。
而通过机电一体化系统的设计，可以将机械设备与电气控制系统相结合，实现设备的自动化操作。
这不仅可以提高生产效率，减少人力成本，还可以降低事故风险，保障工作人员的安全。
例如，在工厂生产线上，通过机电一体化系统的设计，可以实现设备的自动装配、运输和包装，大大提高了生产效率。
其次，机电一体化系统设计面临着一些挑战。
首先是多学科知识的融合。
机电一体化系统设计需要涉及机械、电气和控制等多个学科的知识，需要设计师具备跨学科的能力。
其次是系统的稳定性和可靠性。
机电一体化系统通常由多个部件组成，各个部件之间需要协调工作，确保系统的稳定性和可靠性。
此外，机电一体化系统设计还需要考虑到设备的可维护性和可扩展性，以便在需要时进行维修和升级。
然而，随着科技的不断进步，机电一体化系统设计正朝着更高的水平发展。
一方面，随着传感器技术和人工智能的发展，机电一体化系统可以实现更精确的感知和判断能力。
例如，通过激光传感器和图像处理技术，机电一体化系统可以对产品进行高精度的检测和分类。
另一方面，随着通信技术的进步，机电一体化系统可以实现更高效的数据传输和远程控制。
例如，在智能工厂中，机电一体化系统可以通过云计算和物联网技术实现设备的远程监控和管理。
未来，机电一体化系统设计将继续发展，并在各个领域得到应用。
例如，在医疗领域，机电一体化系统可以用于医疗设备的自动化操作和患者监测。
在交通领域，机电一体化系统可以用于智能交通系统的建设和车辆自动驾驶技术的发展。
在农业领域，机电一体化系统可以用于农业机械的自动化操作和精准农业技术的实施。
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。
机电一体化系统设计 2.机械系统设计3
第二章 机械系统设计
2.4.2 总传动比的确定
在伺服系统中，通常采用负载角加速度最大原则(另
有折算峰值力矩最小原则，折算均方根力矩最小原则，转 矩储备最大原则)选择总传动比，以提高伺服系统的响应
速度。传动模型如图2-1所示。
图中：
Jm——电动机M的转子的转动惯量； θm——电动机M的角位移； JL——负载L的转动惯量； θL——负载L的角位移； TLF ——摩擦阻抗转矩；
第二章 机械系统设计
配置传动比的目的：满足驱动元件与负载之间的位移、 速度、加速度、传动精度（误差）相互匹配的基本要求。
由于，机电一体化系统的传动负载、传动特性、传动 精度、工作条件差异很大，齿轮传动部件传动比的配置应 主要依据不同系统的实际工作情况与要求进行配置。
在一般情况下，可重点考虑如下几方面内容： 运动参量匹配 —— 传递形式与类型 功率/力/力矩匹配 —— 结构强度与刚度 转动惯量 —— 系统响应特性（静态/动态） 传递精度——传递间隙、平稳性、低速震荡（爬行现象）
第二章 机械系统设计
大功率传动装置按质量最小原则确定各级传动比确 定，应遵循“先大后小”原则，再由经验、类比方法和 结构设计紧凑等方法确定。
减速齿轮传动的后级齿轮比前级齿轮的转矩要大得 多，同样传动比的情况下齿厚、质量也大得多，因此减 小后级传动比就相应减少了大齿轮的齿数和质量。大功 率减速传动装置的各级传动比可以按图2-7和图2-8选择。
（2-4）
第二章 机械系统设计 同理，对于n级齿轮系，则有
（2-5）
（2-6）
（k=2～n） 由此可见， 各级传动比分配的结果应遵循“前小 后大”的原则。
第二章 机械系统设计 例2-1 设有i =80，传动级数n= 4的小功率传动， 试
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。
机电一体化机械系统设计理论
2
协同性原理
各个子系统之间相互协调、协作，实现高效运行。
3
可靠性原理
设计要考虑系统的可靠性，确保长期稳定运行。
机电一体化机械系统设计的流程
需求分析
明确系统的需求，包括功能要求、性能要求、环境要求等。
概念设计
进行创意和创新，提出多个设计方案，并进行评估。
详细设计
对选定的设计方案进行详细设计，包括工程细节和零部件设计。
仿真与优化技术
利用计算机仿真和优化 算法，提前评估和改进 设计方案。
机电一体化机械系统设计案例分析
汽车制造
将机械、电气和控制技术应用于汽 车制造过程中，提高生产效率。
智能家居
结合机械、电气和控制技术，实现 智能家居的自动化和智能化。
航空航天
应用于航空航天领域，提高飞行器 的性能和安全性。
机电一体化机械系统设计理论 的发展与展望
机电一体化机械系统设计 理论
欢迎来到机电一体化机械系统设计理论的世界！本次演讲将带你探索机电一 体化机械系统设计的概述，特点，基本原理，设计流程，关键技术，案例分 析以及未来发展展望。Βιβλιοθήκη 机电一体化机械系统设计的概 述
机电一体化机械系统设计是将机械、电气、电子和控制技术有机结合的综合 性学科。它旨在提高机械系统的性能、效率和可靠性。
随着科技的发展和需求的变化，机电一体化机械系统设计理论将会不断创新 和演进，为实现更高性能和更可靠的系统设计提供支持。
制造与装配
根据设计完成制造和装配工作，确保质量标准。
测试与验证
进行系统的测试和验证，确保满足设计要求。
机电一体化机械系统设计的关键技术
智能控制技术
应用先进的控制技术， 优化系统的运行和效率。
第2章 机电一体化系统机械系统设计PPT课件
第2章 机电一体化机械系统设计 （1）偏心轴套调整法 图2-1所示为最简单的偏心轴套式消隙结构。电动 机2通过偏心轴套1装在壳体上。转动偏心轴套1可以调 整两啮合齿轮的中心距,从而消除直齿圆柱齿轮传动的 齿侧间隙及其造成的换向死区。 这种方法结构简单,但侧隙调整后不能自动补偿。
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第2章 机电一体化机械系统设计
二. 传动间隙的影响
在机械传动系统中通常存在着传动间隙，如齿轮 传动的齿侧间隙、丝杠螺母的传动间隙、丝杠轴承的 轴向间隙、联轴器的扭转间隙等。传动间隙主要是机 械方面的问题，对伺服系统的的精度和稳定性都有影 响，在机电一体化机械系统中都尽力使之完全消除。
机座和机身起着支承和连接一定的零部件、并使 它们保持规定的相互位置关系的作用，其刚度对系统 的弹性变形和结构固有频率都有重要影响。机座和机 身一般具有较大的质量和尺寸，通过合理布置筋板和 加强筋来提高刚度，较之增加壁厚效果更为显著。近 年来，机座和机身有采用钢板焊接结构代替铸件的趋 势，这是因为钢板焊接结构容易采用有利于提高刚度 的筋板布置形式，钢板的弹性模量是铸件的2倍，因而 可以提高刚度，减轻重量，显著提高结构的固有频率。
一. 摩擦的影响 互相接触的两物体间只要有相对运动或有相对运 动的趋势，就有摩擦力存在。摩擦力可分为静摩擦力、 库仑摩擦力和粘性摩擦力。后两者可统称为动摩擦。
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第2章 机电一体化机械系统设计
实际机械导轨 的摩擦特性随 材料和表面状 况的不同而有 很大的不同， 如图2-1所示。
图2-1 导轨面间的摩擦系数
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第2章 机电一体化机械系统设计
(3) 选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减 少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。
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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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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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图2.1 偏心轴套式消隙结构 1.电动机 2. 偏心轴套
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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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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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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。
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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。
1)具有良好的伺服性能； 2)传动部分与伺服电机的动态特性相匹配。
即：精度高、快速响应性和稳定性好。
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对传动机构要求
1.转动惯量小
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。
1)转动惯量大会对系统造成不良影响，机械负载增大； 2)转动惯量大系统响应速度降低，灵敏度下降； 3)转动惯量大系统固有频率减小，容易产生谐振。
操作。如，电动机、液压缸、气缸、液压马达、以及各种电磁铁、 或机械手等等。 要求：具有较高的灵敏度、精确度，良好的重复性和可靠性。
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进给系统的机械传动结构
1、进给系统的功用 协助完成加工表面的成形运动，传递所需的运动及动力。 2、进给系统机械部分的组成 传动机构+运动变换机构+导向机构+执行件（工作台） 传动机构: 齿轮传动、同步带传动 运动变换：丝杠螺母副、蜗杆齿条副、齿轮齿条副等 导向机构：导轨（滑动导轨、滚动导轨、静压导轨）
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类型：
定位滚珠丝杠副(P类) 传动滚珠丝杠副(T类)
外循环式 内循环式
单圆弧型面 双圆弧型面
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通过旋转角度和导 程来控制轴向位移 量的滚珠丝杠副
即与旋转角度无关， 用于传递动力的滚 珠丝杠副
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（二）滚珠丝杠副的结构
1．螺纹滚道型面的形状
1)单圆弧型面:接触角是随
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第一节 概述 第二节 常用传动支承系统设计 第三节 机械系统载荷的类型及确定 第四节 机械系统的参数设计
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第一节 概 述
一、机械系统的定义
传统机械系统组成： 动力件、传动件、执行件、 电气、机械控制
现代机械：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)机电部件一体化的机械系统 ，是机电一体化机械 系统。核心是由计算机控制的、包括机、电、液、光 等技术的伺服系统。
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二、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，机电一体化产品的技术性能、 工艺水平和功能比普通的机械产品有很大的提高，因此机电一体化 机械系统的高精度是其首要的要求。 2.快速响应 ：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。 3.良好的稳定性：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。 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、寿命长。
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二、滚珠丝杠副传动机构
滚珠丝杠副:是在丝杆和螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动 元件。它可将旋转运动转变为直线运动，或者将直线运动转 变为旋转运动。
（一）工作原理、特点及类型
结构原理示意图如图2.9所示，当丝杠旋转时，滚珠在封闭 滚道内既自转又沿滚道循环转动。因而迫使螺母(或丝杆)轴 向移动。
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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。
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一、无侧隙齿轮传动机构
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三、机械系统的组成
1.传动机构 ：如，齿轮传动机构、蜗杆蜗轮传动机构、丝杠传动机 构、链传动、带传动等。
要求：满足整个机械系统良好的伺服性能；要满足传动精度的要求； 满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性的要求。
2.导向机构 ：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。如，滚动导轨、滑动导轨 等。 3.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
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
功用： 转矩匹配； 惯量匹配；脉冲当量匹配；降速
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消除传动间隙
作用：消除反向间隙，提高传动精度 方法：使啮合状态轮齿的两侧均处于接触状 实现：偏心轴调整、轴向垫片调整 （刚性）
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工作 台
导轨 副
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3、主要要求 (1) 减小摩擦力 采用摩擦力及动静摩擦力差值较小的传动件及导轨. (2) 提高传动精度和刚度 消除传动间隙,增加传动系统刚度. (3) 减小运动惯量 快速响应.减小运动部件质量.
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第二节 常用传动支承系统设计
传动机构性能要求