机电一体化系统的机械系统概述
机电一体化系统设计课件(第4章)
• 机电一体化系统概述 • 机电一体化系统设计基础 • 机电一体化系统硬件设计 • 机电一体化系统软件设计
01 机电一体化系统概述
机电一体化的定义与特点
总结词
机电一体化的定义、特点
详细描述
机电一体化是将机械技术、电子技术、计算机技术等有机地结合在一起，实现 机械装置的高效、精确、自动化控制的一门技术。其主要特点包括系统化、模 块化、智能化、微型化等。
详细设计
对各组成部分进行详细设计， 包括机械结构、控制系统、传 感器等。
试制与测试
根据优化后的设计，试制样机 并进行各种工况下的测试，确 保满足设计要求。
机电一体化系统设计的关键技术
机械与控制系统集成设计
如何实现机械结构与控制系统的有效 集成，是机电一体化设计的关键。
传感器技术
传感器是实现系统感知外界信息的重 要元件，其性能直接影响系统的控制 精度和稳定性。
伺服驱动系统设计实例
通过实例讲解伺服驱动系统设计的具体方法和步骤。
04 机电一体化系统软件设计
嵌入式系统软件设计
1 2 3
嵌入式系统软件概述
嵌入式系统软件是指嵌入到硬件中，用于实现特 定功能的软件。它通常具有实时性、可靠性和专 用性的特点。
嵌入式系统软件开发流程
包括需求分析、设计、编码、测试和部署等阶段 。在开发过程中，需要考虑到硬件资源的限制和 实时性的要求。
详细介绍常用机械零件， 如轴、轴承、联轴器、齿 轮等的设计计算和选用原 则。
机械结构布局设计
探讨机械结构布局的基本 原则和优化方法，以及提 高机械系统性能的措施。
控制系统设计
控制系统概述
介绍控制系统的基本组成 和工作原理。
机电一体化系统概述
机电一体化系统概述机电一体化系统（Mechatronics System）是指将机械工程、电子工程和控制工程有机结合的一种综合性系统。
它融合了机械结构、传感器、执行器、电机、电子元件、控制系统和计算机等多种技术手段，实现了机械运动、能量转换和信息处理的一种智能化系统。
机电一体化系统的应用领域非常广泛，如机械制造、自动化生产线、汽车工业、航天航空、能源设备等。
机电一体化系统的组成包括多个子系统，如机械结构子系统、电子子系统、能源子系统和控制子系统等。
机械结构子系统主要由机械传动装置、机构部件和传感器等组成，它们协同工作，通过运动变换和能量转换实现特定的机械功能。
电子子系统则负责信号的采集、处理和控制执行器的工作，例如传感器可以感知环境信息，电机可以驱动机械运动。
能源子系统则是为整个系统提供能量，例如电源、电池或气压等。
控制子系统是机电一体化系统的“大脑”，通过对信号的处理和控制算法的实现，实现系统的自动化和智能化。
机电一体化系统的设计和开发需要考虑多种因素。
首先，需要对系统所应用的工作环境进行充分的分析和调研，包括温度、湿度、振动、噪声等，以便选择合适的机械结构和电子元件。
其次，需要对系统的功能要求进行明确，包括速度、精度、负载承载能力等。
此外，还需要对系统的可靠性、可维护性和安全性等进行全面的考虑。
机电一体化系统的应用领域非常广泛。
在机械制造领域，它可以用于自动化生产线的搬运、组装和装配等工作，提高生产效率和质量。
在汽车工业中，机电一体化系统可以实现汽车的自动驾驶和智能控制，提高行车安全性和舒适性。
在航天航空领域，机电一体化系统可以用于飞行器的导航、定位和控制，实现飞行器的自主飞行。
在能源设备领域，机电一体化系统可以用于风力发电、太阳能发电和水力发电等，提高能源利用效率和环境保护。
总之，机电一体化系统是一种综合性的系统，将机械工程、电子工程和控制工程有机结合，实现了机械运动、能量转换和信息处理的一种智能化系统。
机械工程中的机电一体化系统
机械工程中的机电一体化系统机电一体化系统是指将机械和电气控制相结合，形成一个整体的系统。
它在机械工程中起到了至关重要的作用。
本文将从机电一体化系统的定义、应用领域、优势和挑战等方面展开论述。
一、机电一体化系统的定义机电一体化系统是指将机械和电气控制相结合，通过电气控制实现机械系统的自动化、智能化和高效化。
它将传统的机械系统与电气控制系统进行紧密结合，通过传感器、执行器、控制器等设备实现对机械系统的监测、控制和优化。
二、机电一体化系统的应用领域机电一体化系统广泛应用于各个领域，如工业制造、交通运输、医疗设备等。
在工业制造领域，机电一体化系统可以提高生产效率、降低生产成本。
在交通运输领域，机电一体化系统可以提高交通安全、提升运输效率。
在医疗设备领域，机电一体化系统可以实现医疗设备的智能化和自动化。
三、机电一体化系统的优势机电一体化系统具有许多优势。
首先，它可以提高系统的稳定性和可靠性。
机电一体化系统将机械和电气控制相结合，可以实现对机械系统的实时监测和控制，提高系统的稳定性和可靠性。
其次，它可以提高系统的智能化和自动化水平。
机电一体化系统通过传感器、执行器、控制器等设备实现对机械系统的智能化和自动化控制，提高系统的智能化水平。
此外，机电一体化系统还可以提高系统的效率和生产能力，降低生产成本，提高产品质量。
四、机电一体化系统面临的挑战机电一体化系统虽然具有许多优势，但也面临一些挑战。
首先，机电一体化系统的设计和开发需要跨学科的综合能力。
机械工程师需要具备电气控制方面的知识，电气工程师需要具备机械方面的知识，这对工程师的综合能力提出了更高的要求。
其次，机电一体化系统的维护和管理需要专业的技术人员。
机电一体化系统的维护和管理需要专业的技术人员进行操作和维护，提高了系统的维护成本。
此外，机电一体化系统还面临着技术更新和升级的挑战。
随着科技的不断进步，机电一体化系统需要不断更新和升级，以适应新的技术发展。
五、结语机电一体化系统在机械工程中具有重要的地位和作用。
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。
机电一体化机械技术概述
机电一体化产品的运动包括沿特定轴旋转的旋转运动、沿规 定轴线的直线运动以及平面运动等，比如机器人和数控机床等， 一台机械要由若干零件组成，在构成机械的各种部件中使用了各 种通用的零件，就是所谓的机械零件。具有代表性的主要机械零 件可分为紧固零件、传动零件和支撑零件。多种机械零件的有机 组合就构成了机构。当机构中的一个零件产生运动时，机构中的 其它零件将对应产生一定的运动。连杆机构、凸轮机构、间歇机 构是机械中最常用的三种机构。牛头刨床就是利用连杆机构原理 把作旋转运动的摆杆曲柄机构变换成作往复直线运动的滑块曲柄 机构来进行刨削的。汽车发动机则是利用凸轮机构的不同形状来 改变直线运动的行程，从而来提高燃烧效率的控制。装配生产线 的间歇运动以及旋转平台的分度则靠的是利用间歇机构把原轴的 连续旋转运动断续地传递到从轴，使从轴实现间歇性的往复运动。
2）机械结构设计的特点
机电一体化的机械结构属于传统机械技术的范畴，在满足伺服系统对其稳、 准、快要求的前提下，从整体上说应逐步向精密化、高速化、小型化和轻量化的 方向发展，因此在进行结构设计时应综合考虑各个零部件的制造、安装精度，结 构刚度，稳定性以及动作的灵敏性和易控性。对具体零部件的设计提出了更高、 更严的要求。例如，采用合理的截面形状和尺寸；采用新材料和钢板焊接结构来 提高支承件的静刚度。
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。
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。
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，而是已 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。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。
机电一体化系统在机械工程中的应用
机电一体化系统在机械工程中的应用机电一体化系统是指在一台机械设备中，机械、电气、电子和计算机控制等技术融为一体，形成一个整体的自动化控制系统。
随着科技的不断发展，机电一体化系统在机械工程领域中的应用越来越广泛。
它不仅能够提高机械设备的生产效率和生产质量，还能够降低人力成本和能源消耗。
本文将从机电一体化系统的基本概念、在机械工程中的应用以及未来发展趋势等方面进行探讨。
一、机电一体化系统的基本概念机电一体化系统是将机械、电气、电子和计算机控制等技术融为一体，形成一个整体的自动化控制系统。
这种系统能够实现对机械设备的自动化控制、监测和调节，从而提高生产效率和生产质量，降低生产成本。
机电一体化系统的核心是控制系统，它由传感器、执行器、控制器和人机界面组成。
传感器用于感知机械设备的工作状态和环境参数，执行器用于执行控制指令，控制器对传感器采集的数据进行处理，并发出控制指令，人机界面用于操作和监控整个系统。
1.数控机床数控机床是一种采用数控技术进行控制的机械加工设备，它能够实现对工件的自动加工。
数控机床是机电一体化系统的典型应用之一，它通过控制系统实现对机床运动轴的控制，通过数控系统实现对刀具的自动换位和自动加工过程的监控。
数控机床不仅能够提高加工精度和加工效率，还能够减少人为操作失误，降低加工成本。
2.自动化生产线在现代工业中，自动化生产线已经成为普遍存在的生产方式。
自动化生产线是通过将各种机械设备、传感器、执行器和控制器相互连接起来，实现对产品的自动化生产。
机电一体化系统在自动化生产线中起着至关重要的作用，它能够实现对生产线的自动控制和监测，提高生产效率和产品质量。
3.智能物流系统智能物流系统是通过自动化设备和控制系统，实现对物流过程的自动化管理和控制。
机电一体化系统在智能物流系统中的应用越来越广泛，它能够实现对物流设备的自动控制、货物的智能识别和分拣、仓储管理等功能，提高物流效率和减少人力成本。
未来发展趋势随着科技的不断发展，机电一体化系统在机械工程领域中的应用将会呈现出以下几个发展趋势：1.智能化发展：随着人工智能、大数据和物联网等技术的发展，机电一体化系统将更加智能化，能够实现对机械设备的智能识别、自动学习和自我调节，从而进一步提高生产效率和质量。
机电一体化的机械系统组成
机电一体化的机械系统组成机电一体化是指将机械、电气和控制等多个学科的知识进行融合，形成一个统一的系统。
机电一体化的机械系统由多个组成部分组成，这些组成部分相互协调、相互作用，以实现特定的功能。
本文将重点介绍机电一体化的机械系统的组成部分。
1. 机械传动部分机械传动部分是机电一体化的机械系统的核心组成部分，它负责将电机的转动传递给工作机构，实现所需的运动。
常见的机械传动方式有齿轮传动、带传动和链传动等。
齿轮传动具有传动效率高、传动比稳定等优点，广泛应用于机电一体化的机械系统中。
2. 电机部分电机部分是机电一体化的机械系统的能量转换部分，它通过将电能转化为机械能，驱动机械系统的工作。
常见的电机有直流电机、交流电机和步进电机等。
电机的选择应根据机械系统的需求来确定，以确保系统的稳定运行。
3. 传感器部分传感器部分是机电一体化的机械系统的感知部分，它通过感知周围环境的变化，将这些变化转化为电信号，供控制系统使用。
常见的传感器有温度传感器、压力传感器、光电传感器等。
传感器的选择应根据机械系统的需求来确定，以确保系统的可靠性和精度。
4. 控制器部分控制器部分是机电一体化的机械系统的控制中心，它根据传感器的信号和预设的控制策略，对机械系统进行控制和调节。
常见的控制器有PLC（可编程逻辑控制器）、单片机和微处理器等。
控制器的选择应根据机械系统的需求来确定，以确保系统的稳定性和可靠性。
5. 人机界面部分人机界面部分是机电一体化的机械系统与操作人员之间的交互界面，它通过显示器、键盘、触摸屏等设备，将机械系统的状态和参数展示给操作人员，并接受操作人员的指令。
人机界面的设计应简单直观、易于操作，以提高机械系统的使用效率。
6. 机械结构部分机械结构部分是机电一体化的机械系统的支撑和承载部分，它负责将各个组成部分连接在一起，并提供稳定的结构支撑。
机械结构的设计应考虑机械系统的功能需求和载荷要求，以确保系统的稳定性和可靠性。
机电一体化对机械系统的基本要求以及机械系统的组成
机电一体化对机械系统的基本要求以及机械系统的组成
机电一体化是指在机械系统中，将机械、电气、控制等方面的技术融合在一起，通过相互配合和协作，实现机械运转的高效、精确和稳定。
在机电一体化的过程中，机械系统必须满足一些基本要求。
首先，机械系统的结构必须合理，采用优质材料和先进工艺，确保机械系统的可靠性和寿命。
其次，机械系统的运行状态必须稳定，不受外界干扰。
这要求机械系统具备良好的抗干扰能力和自适应能力，能够自动控制和调节，保持最佳运行状态。
最后，机械系统必须具有高度的自动化和智能化，能够自主处理、传输和分析数据，实现高效的自动化控制和管理。
机械系统由多个组成部分组成，包括机械结构、传动系统、控制系统、电气系统等。
机械结构是机械系统的基础，包括机身、底座、支撑、轴承、齿轮等，它的设计和制造直接影响到机械系统的性能和稳定性。
传动系统是机械系统的核心部分，包括传动机构、减速器、离合器、刹车等，它的设计和选择需要考虑到机械系统的转速、负载、功率等参数。
控制系统是机械系统的智能化部分，包括计算机、PLC 等，它的作用是对机械系统进行自动化控制和管理。
电气系统是机械系统的电力支撑部分，包括电源、电机、传感器等，它的设计和选择需要考虑到机械系统的电气参数和需求。
综上所述，机电一体化是机械系统发展的必然趋势，它的实现需要机械、电气、控制等多个领域的技术相互融合。
机械系统的组成部分包括机械结构、传动系统、控制系统、电气系统等，它们相互配合
和协作，实现机械运行的高效、精确和稳定。
同时，机械系统在机电一体化的过程中，需要满足合理的结构、稳定的运行状态、高度的自动化和智能化等基本要求。
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。
简述机电一体化机械系统的组成
简述机电一体化机械系统的组成机电一体化机械系统是指将机械结构、电气控制和传感器技术有机地融合在一起，形成一个整体的系统。
这种系统的设计和制造能够实现机械运动的控制、感知和反馈，从而提高机械设备的性能和精度。
机电一体化机械系统的组成主要包括以下几个方面：1. 机械结构：机械结构是机电一体化机械系统的基础，它由各种机械零部件组成，包括机床、传动装置、导轨、滑块和夹具等。
机械结构的设计和制造要考虑系统的运动特性、刚度和稳定性，以及与其他部件的配合和传递力矩等。
2. 电气控制：电气控制是机电一体化机械系统的核心，它通过电气信号控制机械的运动和操作。
电气控制包括各种传感器和执行器的选择和安装，以及控制器的设计和编程。
通过电气控制，可以实现机械的自动化和智能化，提高生产效率和产品质量。
3. 传感器技术：传感器技术是机电一体化机械系统中的重要组成部分，它能够感知机械的运动和工作环境的各种参数。
常用的传感器包括位移传感器、力传感器、温度传感器和压力传感器等。
传感器的选择和布置要根据具体的应用需求，以提供准确可靠的反馈信号。
4. 控制算法：控制算法是机电一体化机械系统中的关键技术，它决定了机械的运动轨迹和操作方式。
控制算法可以通过编程实现，也可以通过硬件电路实现。
常用的控制算法包括PID控制、模糊控制和神经网络控制等。
控制算法的设计要考虑系统的稳定性、鲁棒性和响应速度等指标。
5. 数据通信：数据通信是机电一体化机械系统中的重要环节，它实现了机械系统与其他系统之间的信息交互和数据传输。
数据通信包括有线通信和无线通信两种方式，可以通过串口、以太网、无线网络和蓝牙等方式实现。
数据通信的设计要考虑数据传输速率、可靠性和安全性等因素。
机电一体化机械系统的组成是一个相互关联、相互作用的整体，各个组成部分之间紧密配合，共同实现机械系统的功能和性能要求。
通过机电一体化技术的应用，可以提高机械设备的生产效率、准确度和可靠性，降低生产成本和能源消耗，实现智能制造和工业自动化的目标。
机电一体化系统的机械系统
外循环 螺旋槽式 ( p.24 图2.7)
插管式 埋入 凸出 端盖式 ( p.24 图2.9)
L
CM CT D
工艺简单，径向尺寸小，易于制造；挡 珠器刚性差，易磨损
结构简单，容易制造，但径向尺寸较大， 弯管端部用作挡珠器比较容易磨损。 结构简单，工艺性好，常以单螺母形式 用作升降传动机构。应用较少。
3. 5种基本传动形式(按丝杠和螺母相对运动的组合情况分)：
1)螺母固定、丝杠转动并移动：螺母本身起着支承作用，结构简 单，传动精度较高，刚性差，适用于行程较小的场合。 2)丝杠转动、螺母移动：需导向装置来限制螺母的转动。结构紧 凑、丝杠刚性好，使用于行程较大的场合。
3)螺母转动、丝杠移动：需限制螺母移动和丝杠转动，结构复杂 且占用轴向空间较大，应用较少。 4)丝杠固定、螺母转动并移动：结构简单、紧凑，使用不方便。 5)差动传动：多用于各种微动机构
4.主要尺寸参数：( p.24 图2.10) 1)公称直径d0（特征尺寸）：滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态 时包络滚珠球心的圆柱直径 2)基本导程l0：丝杠相对于螺母旋转2弧度时，螺母上基准点 的轴向位移。 l0根据机电一体化产品的精度要求确定，精度要 求较高时应选取较小的基本导程。 3)导(行)程：丝杠相对于螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点 的轴向位移。 4) 滚珠的工作圈数：一般取2.5~3.5。第一、第二和第三圈滚 珠分别承受轴向载荷的50%、30%和20%左右。 5)滚珠总数N：150 6)丝杠螺纹大径d、丝杠螺纹小径d1 7)螺母螺纹大径D、螺母螺纹小径D1 8)丝杠螺纹全长ls 9)滚珠直径Db
二、丝杠螺母机构（螺旋传动机构）基本形式
1.传动功能：旋转运动直线运动；传递能量及运动 2.分类：
机电一体化系统
机电一体化系统复习资料概念部分1、机电一体化系统基本要素机电一体化系统一般包括七个基本结构要素：机械本体、动力部分、传感检测部分、执行部分、驱动部分、控制部分及信息处理单元。
2、机电一体化系统各元素功能3、执行机构含义、种类机械本体含机械传动装置和机械结构装置——人的身体,骨骼（数控的工作台,丝杆等）机械系统内涵：起传递功率，支承连接、执行功能。
机械系统种类和作用1、传动机构：机电一体化系统中传动机构的主要功能是传递转矩和转速，实际上它是一种转矩、转速变换器。
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、稳定性和快速响应性有重大影响。
2、导向机构：其作用是支承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。
该机构应能保证安全准确。
3、执行机构：用来完成操作任务，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等。
动力单元1、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。
2、机电一体化的显著特征之一，是用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出。
传感控制单元1、自动检测——人的五官、皮肤（感应同步器,光栅）。
2、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。
执行和驱动单元1、驱动单元:是在控制信息作用下，驱动各种执行机构完成各种动作和功能。
2、机电一体化技术一方面要求驱动单元具有高频率和快速响应等特性，同时又要求其对水、油、温度、尘埃等外部环境的适应性和可靠性；另一方面由于受几何上动作范围狭窄等限制，还需考虑维修方便，并且尽可能实行标准化、系列化、通用化。
3、常见执行和驱动单元：机械、电磁、电液执行机构和步进电机、交直流伺服电机驱动系统。
控制与信息处理单元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地运行，并达到预期的性能。
简述机电一体化机械系统的组成
简述机电一体化机械系统的组成机电一体化机械系统是指将机械传动与电气控制相结合，形成一个整体的系统。
这种系统能够实现机械运动的自动化、智能化，广泛应用于各个领域。
机电一体化机械系统的组成主要包括三个部分：机械部分、电气部分和控制部分。
下面将分别介绍这三个部分的具体内容。
1. 机械部分：机械部分是机电一体化机械系统的基础，它由各种机械元件组成，包括传动装置、传感器、执行机构等。
传动装置用于将电机的旋转运动转化为所需的线性或旋转运动，常见的传动装置有齿轮传动、皮带传动、链传动等。
传感器用于感知机械系统的状态和环境信息，如位置传感器、速度传感器、力传感器等。
执行机构用于根据控制信号进行相应的动作，如电动阀门、电动门禁等。
2. 电气部分：电气部分是机电一体化机械系统的核心，它主要由电气元件和电气设备组成。
电气元件包括电机、开关、保护器、接触器等，它们负责将电能转化为机械能，并进行各种电气控制。
电气设备包括电源、控制柜、仪表等，它们提供电能供应和电气控制所需的环境条件。
3. 控制部分：控制部分是机电一体化机械系统的大脑，它由控制器和控制算法组成。
控制器负责接收传感器反馈的信号，根据控制算法产生相应的控制信号，控制机械系统的运动。
控制算法是实现机电一体化机械系统自动化、智能化的关键，它可以根据实际需求进行编程，实现各种复杂的控制功能。
机电一体化机械系统的工作原理是：传感器感知机械系统的状态和环境信息，将其转化为电信号；控制器接收传感器反馈的信号，经过算法处理后产生相应的控制信号；电气部件根据控制信号进行动作，驱动机械部件实现相应的运动。
通过不断地反馈和控制，机电一体化机械系统能够实现自动化、智能化的运行。
机电一体化机械系统的应用非常广泛，例如在制造业中，可以应用于自动化生产线、机器人等领域；在交通运输领域，可以应用于自动驾驶车辆、交通信号控制等；在家居生活中，可以应用于智能家居、智能家电等。
机电一体化机械系统的发展将极大地提高生产效率，降低人力成本，改善生活质量。
机电一体化系统设计课件
机械传动系统设计
选择合适的传动方式
根据工作需求和条件，选择合适的传 动方式，如齿轮传动、带传动、链传 动等。
确定传动装置的参数
根据机械系统的功率、转速和运动特 性，确定传动装置的参数，如齿轮模 数、带轮直径等。
优化传动装置的结构
在满足功能和可靠性的前提下，优化 传动装置的结构，降低制造成本和维 护成本。
控制系统的基本概念是指通过一定的 控制手段，使被控对象根据设定的目 标进行运作的系统。
控制系统的组成
控制系统的分类
根据不同的分类标准，控制系统可以 分为开环控制系统和闭环控制系统、 连续控制系统和离散控制系统等。
控制系统通常由控制器、受控对象、 执行机构和反馈回路等部分组成。
控制系统设计方法
系统工程方法
考虑传动装置的安装和维修
在设计传动装置时，应考虑其安装和 维修的便利性，以确保机械系统的长 期稳定运行。
机械结构设计
确定机械结构的基本布局 根据机械系统的功能和使用要求 ，确定合理的机械结构基本布局 。
进行结构优化 在满足功能和可靠性的前提下， 对机械结构进行优化，降低制造 成本和维护成本。
设计关键零部件
数控机床的机电一体化设计特点
数控机床的机电一体化设计主要体现在数字化控 制技术的应用上，包括高精度定位、高速切削、 高刚性结构等。
工业机器人的机电一体化设计
工业机器人概述
01
工业机器人是一种自动化生产设备，能够实现高效、精准、快
速的作业。
工业机器人的组成
02
工业机器人由机械臂、控制系统、伺服系统等部分组成，各部
机电一体化的发展历程与趋势
总结词
发展与展望
详细描述
机电一体化技术的发展经历了多个阶段，从最初的简单机械与电气组合，到计算机控制 和可编程逻辑控制器的出现，再到现代的智能制造和物联网技术，其发展历程体现了技 术与工业需求的不断进步。未来，随着人工智能、大数据等新技术的融合，机电一体化
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（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。
❖ 可利用 Je/J1 与 i的关系确定传动级数。
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 假定条件：各主动小齿轮具有相同的转动惯
量J1, 轴与轴承的转动惯量不计，各齿轮均为实 心圆柱体，且齿宽和材料均相同，效率为1。
256
图2-5
查图2-6（P32 图2-30c）, 在横坐标ik-1上i1=3.3处作垂直线与 A线交于第一点, 在纵坐标 ik 轴上查得i2＝3.7。
通过该点作水平线与B曲
101
线相交得第二点i3＝4.24。由 第二点作垂线与A曲线相交得
8 6
第三点i4＝4.95。
4
2
3 4 6 8 10
8
6
4
(1) 结构简单，体积小，重量轻 (2) 传动比范围大
单级：50~300；双级：3000~60000 (3) 同时啮合的齿数多 正是由于这一独特的 优点，使谐波传动的精度高，齿的承载能力大， 进而可实现大速比、小体积。 (4) 承载能力大，运动精度高 (5) 运动平稳，无冲击，噪声小 (6) 齿侧间隙可以调整 (7) 齿面磨损小而均匀，传动效率高
10 i1
7
5 4
3
2
i
2
i2 i1
i
k
1
10
20 30 40 50 70 100
1
2 3 4 5 7 10
i
图2-7 大功率传动装置两级传动比曲线 （i<10时,使用图中的红线）
30 20
i
k
i1 10
9 8
7 6
5
i2
i3 3
i1
i2
i3
2
10
20 30 4050
10 0
100 200 300 500 1000
原则分配传动比。 解：查图2-4（P32 图2-30a）, 得n=3, Je/J1=70；n=4,
Je / J1 =35；n=5, Je / J1 =26。兼顾到 Je / J1值的大小和传动装置 的结构, 选n＝4。
图2-4
第3章 机电一体化系统的机械系统 查图2-5（P32 图2-30b）, 得i1＝3.3。
图2-3 小功率传动装置确定传动级数曲线
❖ （2）大功率传动装置 大功率传动装置传递的扭矩大,各级齿轮副
的模数、齿宽、直径等参数逐级增加,各级齿轮 的转动惯量差别很大。
大功率传动装置的传动级数及各级传动比可 依 据 图 2-4 、 图 2-5 、 图 2-6 来 确 定 （ 教 材 ： P32 图2-30）。传动比分配的基本原则仍应为“前小 后大”。
i
图2-8 大功率传动装置三级传动比曲线 （ i <100时,使用图中的红线）
例2-4 设 n＝3, i＝202, 求各级传动比。
解：查图2-8可得 i1≈12，i2≈5，i3≈3.4
验算：i1 i2 i3 ＝204 基本满足设计要求。
ik
30 20
i1
10
9 8
7 6
5
i2
i3
3
i1
i2
i3
2
10
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。
（2）大功率传动装置 大功率减速传动装置按质量最小原则确定的各 级传动比表现为“前大后小”的传动比分配方式。 [说明]：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。 方法一：可以按图2-7和图2-8（见下一页）选 择。 方法二：见教材P32。
例2-1 设有i=80, 传动级数n=4的小功率传动, 试 按等效转动惯量最小原则分配传动比。
解：
24 41
1
i1 22(24 1) 8024 1 1.7268
i2
2( 21)
80 24 1 2( 2 ) 4/2
2.1085
i3
2
(
80 24 / 2
4
)15
3.1438
第3章 机电一体化系统的机械系统
❖缺点： (1) 柔轮周期性变形，易于疲劳损坏 (2) 柔轮和波发生器的制造难度较大 (3) 传动比的下限值高，齿数不能太少 (4) 谐波齿轮传动没有中间轴，因而不能获得中
间速度 (5) 如果结构参数选择不当，会过热，降低传动
承载能力 目前，各国学者公认的谐波传动最为主要的失
（2）常用机械传动装置
齿轮传动、同步带传动、链传动、 谐波齿轮传动、滚珠丝杠传动，其 它传动元件。
（3）对传动装置的基本要求
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。
1、定轴轮系传动 轮系中各齿轮的轴线相对机架 的位置不变。 功用：可用作较远距离的传动， 获得较大的传动比，可改变从动 轴的转向，获得多种传动比。
i1
i2
i=i1 i2
2、行星齿轮传动轮系
主要由传动齿轮、定位 齿轮、行星齿轮和行星架等 组成。
行星齿轮传动的主要特点： 体积小，承载能力大，工作 平稳。但大功率高速行星齿 轮传动结构较复杂，要求制 造精度高。
2.2 机械传动系统的设计 2.2.1 概述
（1）机械传动装置的功能 机械传动是一种运动和动力的传递 装置,是扭矩和转速的变换器,其目的 是在动力机与负载之间使扭矩得到合 理的匹配,并可通过机构变换实现对输 出的速度调节。
在机电一体化系统中,伺服电动机的伺服变速功 能在很大程度上代替了传统机械传动中的变速机构, 只有当伺服电机的转速范围满足不了系统要求时, 才通过传动装置变速。
Jm
(2-2)
i JL 或
Jm
JL i2
Jm
(2-2)
式(2-2)表明, 得到传动装置总传动比i的最佳 值的时刻就是JL换算到电动机轴上的转动惯量 正好等于电动机转子的转动惯量Jm的时刻, 此
时, 电动机的输出转矩一半用于加速负载,一半 用于加速电动机转子, 达到了惯性负载和转矩
的最佳匹配。
传动比分别为 i1、i2、i3、i4, 齿轮1~8的转角误差依 次为ΔΦ1~ΔΦ8。
3 i2
1
2
7 4
i4
输出 8
i1
5 i3
6
图 2-10 四级减速齿轮传动链
该传动链输出轴的总转动角误差ΔΦmax为
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。
2.1.2 对机械系统的特殊要求
机电一体化系统的机械系统与一般机械系统相 比，具有一定的特殊要求：
（1）较高的定位精度 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，机电一体化机械系统的 高精度是其首要的要求。
i
k
验算i1 i2 i3 i 4＝256.26。
满足设计要求。
2
2
B
A
1
1
2 3 4 6 8 10
ik－1
图2-6
2、质量最小原则 （1）小功率传动装置 对于小功率传动系统（假设条件同前），使各级传动比 满足：
i1 i2 i3 .... in 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
Jm m
i JL
L
TLF
i —— 齿轮系G的总传动比。 图2-1 电机、传动装置和负载的传动模型
其传动比为：