【正文】 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)電一體化構(gòu)成要素 目 錄 緒論 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 傳感檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 控制電動(dòng)機(jī)及其選擇計(jì)算 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及接口設(shè)計(jì) 應(yīng)用舉例 緒 論 第一節(jié) 機(jī)電一體化概念 一、機(jī)電一體化概念 Mechatronics=Mechanics+Electronics 機(jī)械工程和電子工程相結(jié)合的技術(shù)，以及應(yīng)用這些技術(shù)的機(jī)械電子裝置（產(chǎn)品）。 二、機(jī)電一體化產(chǎn)品 錄像機(jī) 數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備 生產(chǎn)用機(jī)電一體化產(chǎn)品 柔性生產(chǎn)單元、自動(dòng)組合生產(chǎn)單元 FMS、無人化工廠、 CIMS 微機(jī)控制汽車、機(jī)車等交通運(yùn)輸工具 運(yùn)輸、包裝及工程用機(jī)電一體化產(chǎn)品 數(shù)控包裝機(jī)械及系統(tǒng) 數(shù)控運(yùn)輸機(jī)械及工程機(jī)械設(shè)備 自動(dòng)倉庫 儲(chǔ)存、銷售用機(jī)電一體化產(chǎn)品 自動(dòng)空調(diào)與制冷系統(tǒng)及設(shè)備 自動(dòng)稱量、分選、銷售及現(xiàn)金處理系統(tǒng) 自動(dòng)化辦公設(shè)備 社會(huì)服務(wù)性機(jī)電一體化產(chǎn)品 動(dòng)力、醫(yī)療、環(huán)保及公共服務(wù)自動(dòng)化設(shè)備 文教、體育、娛樂用機(jī)電一體化產(chǎn)品 微機(jī)或數(shù)控型耐用消費(fèi)品 家庭用機(jī)電一體化產(chǎn)品 炊事自動(dòng)化機(jī)械 家庭用信息、服務(wù)設(shè)備 測(cè)試設(shè)備 科研及過程控制用機(jī)電一體化產(chǎn)品 控制設(shè)備 信息處理系統(tǒng) 農(nóng)、林、牧、漁及其它民用機(jī)電一體化產(chǎn)品 航空、航天、國防用武器裝備等機(jī)電一體化產(chǎn)品 三、機(jī)電一體化產(chǎn)品的表現(xiàn)形式 （ 1）在原有機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用微型計(jì)算機(jī)控制裝置，使系統(tǒng)的性能提高，功能增強(qiáng)。例如，模糊控制洗衣機(jī)能根據(jù)衣物的潔凈度自動(dòng)控制洗滌過程，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)時(shí)、節(jié)洗衣粉的功能；機(jī)床的數(shù)控化是另一個(gè)典型的例子。 （ 2）用電子裝置局部替代機(jī)械傳動(dòng)裝置和機(jī)械控制裝置，簡化結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)控制靈活性。例如，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)采用伺服系統(tǒng)，簡化了傳動(dòng)鏈，提高了進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；將傳統(tǒng)電機(jī)的電刷用電子裝置替代形成的無刷電機(jī)，具有性能可靠、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸減小等優(yōu)點(diǎn)。 （ 3）用電子裝置完全替代原來執(zhí)行信息處理功能的機(jī)構(gòu)，既減化了結(jié)構(gòu)，又極大地豐富了信息傳輸?shù)膬?nèi)容，提高了速度。例如，石英電子鐘表、電子秤、按鍵式電話等。 （ 4）用電子裝置替代機(jī)械的主功能，形成特殊的加工能力。例如，電火花加工機(jī)床、線切割加工機(jī)床、激光加工機(jī)床等。 生產(chǎn)機(jī)械中的激光快速成形機(jī)；信息機(jī)械中的傳真機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)；檢測(cè)機(jī)械中的 CT（計(jì)算機(jī)斷層掃描診斷裝置）掃描診斷儀、掃描隧道顯微鏡等。 C650臥式車床外形圖 1— 主軸變速箱 2— 溜板與刀架 3— 尾座 4— 床身 5— 絲杠 6— 光杠 7— 溜板箱 8— 進(jìn)給箱 9— 掛輪箱 效益分析 第二節(jié) 機(jī)電一體化構(gòu)成要素及相關(guān)技術(shù) 一、構(gòu)成要素 二、相關(guān)技術(shù) 1. 機(jī)械技術(shù) 機(jī)電一體化的機(jī)械產(chǎn)品與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品的區(qū)別在于： 機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡單、機(jī)械功能更強(qiáng)、性能更優(yōu)越。 現(xiàn)代機(jī)械要求具有 更新穎的結(jié)構(gòu)、更小的體積、更輕的重量，還要求精度更高、剛度更大、動(dòng)態(tài)性能更好。 在設(shè)計(jì)和制造機(jī)械系統(tǒng)時(shí)除了考慮 靜態(tài)、動(dòng)態(tài)剛度及熱變形 等問題外，還應(yīng)考慮采用 新型復(fù)合材料和新型結(jié)構(gòu)以及新型的制造工藝和工藝裝置 。 2 .傳感檢測(cè)技術(shù) 傳感檢測(cè)技術(shù)的內(nèi)容，一是研究如何將各種被測(cè)量（包括物理量、化學(xué)量和生物量等）轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量；二是研究對(duì)轉(zhuǎn)換的電信號(hào)的加工處理，如放大、補(bǔ)償、標(biāo)度變換等。 機(jī)電一體化系統(tǒng)要求傳感檢測(cè)裝置能 快速、準(zhǔn)確、可靠 的獲取信息 3 信息處理技術(shù) 實(shí)現(xiàn)信息處理的主要工具是 計(jì)算機(jī) ，計(jì)算機(jī)技術(shù)包括計(jì)算機(jī)的軟件技術(shù)、硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)和數(shù)據(jù)技術(shù)。機(jī)電一體化系統(tǒng)中主要采用 工業(yè)控制機(jī) （包括可編程控制器，單、多回路調(diào)節(jié)器，單片微控制器，總線式工業(yè)控制機(jī)，分布式計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)）進(jìn)行信息處理。信息處理的發(fā)展方向是提高信息處理的 速度、可靠性和智能化程度 。人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等都屬于計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)的范疇。 4 自動(dòng)控制技術(shù) 自動(dòng)控制所依據(jù)的理論是 自動(dòng)控制原理 （包括經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論），自動(dòng)控制技術(shù)就是在此理論的指導(dǎo)下對(duì)具體控制裝置或控制系統(tǒng)進(jìn)行 設(shè)計(jì) ；設(shè)計(jì)后進(jìn)行系統(tǒng) 仿真 ， 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試 ；最后使 研制 的系統(tǒng)可靠地投入運(yùn)行。 機(jī)電一體化系統(tǒng)中的自動(dòng)控制技術(shù)主要包括 位置控制、速度控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制以及模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。 5 伺服傳動(dòng)技術(shù) 伺服傳動(dòng)包括 電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓 等各種類型的傳動(dòng)裝置常見的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有 電氣伺服（如步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī) 等）和 液壓伺服（如液壓馬達(dá)、脈沖油缸 等）兩類。 6 系統(tǒng)總體技術(shù) 機(jī)電一體化系統(tǒng)是一個(gè)技術(shù)綜合體，它利用系統(tǒng)總體技術(shù)將各有關(guān)技術(shù)協(xié)調(diào)配合、綜合運(yùn)用而達(dá)到整體系統(tǒng)的最佳化。 三、學(xué)科構(gòu)成 四、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 1. 取代法 取代法就是用電氣控制取代原系統(tǒng)中的機(jī)械控制機(jī)構(gòu) 。 該方法是改造舊產(chǎn)品 、開發(fā)新產(chǎn)品 或?qū)υ到y(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造常用的方法 ,也是改造傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品的常用方法 。 2. 整體設(shè)計(jì)法 整體設(shè)計(jì)法主要用于新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì) 。 在設(shè)計(jì)時(shí)完全從系統(tǒng)的整體目標(biāo)出發(fā) ,考慮各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 。 組合法就是選用各種標(biāo)準(zhǔn)功能模塊組合設(shè)計(jì)成機(jī)電一體化系統(tǒng) 。 例如 ,設(shè)計(jì)一臺(tái)數(shù)控機(jī)床 ,可以依據(jù)機(jī)床的性能要求 ,通過對(duì)不同廠家的計(jì)算機(jī)控制單元 、 伺服驅(qū)動(dòng)單元 、 位移和速度測(cè)試單元及主軸 、導(dǎo)軌 、 刀架 、 傳動(dòng)系統(tǒng)等產(chǎn)品的評(píng)估分析 ,研究各單元間接口關(guān)系和各單元對(duì)整機(jī)性能的影響 ,通過優(yōu)化設(shè)計(jì)確定機(jī)床的結(jié)構(gòu)組成 。 第三節(jié) 機(jī)電一體化發(fā)展方向 一、機(jī)電一體化特點(diǎn) 體積小，重量輕 速度快，精度高 可靠性高 柔性好 二、發(fā)展方向 復(fù)合化 小型化，輕量化 高速化 移動(dòng)化 智能化 層次化和系統(tǒng)化 全盤化 總之，性能上 :向高精度、高效率、高性能、智能化方向發(fā)展； 功能上：向小型化、輕型化、多功能方向發(fā)展 。 層次上：向系統(tǒng)化、復(fù)合集成化方向發(fā)展。 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)械系統(tǒng)是機(jī)電一體化系統(tǒng)的最基本要素，主要包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和支承部件。機(jī)械的主要功能是完成機(jī)械運(yùn)動(dòng)，一部機(jī)器必須完成相互協(xié)調(diào)的若干機(jī)械運(yùn)動(dòng)。每個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)可由單獨(dú)的控制電機(jī)、傳動(dòng)件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的若干個(gè)子系統(tǒng)來完成，若干個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)由計(jì)算機(jī)來協(xié)調(diào)與控制。 第一節(jié) 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的特性 一、機(jī)電一體化對(duì)機(jī)械傳動(dòng)的要求 高精度 快速響應(yīng) 良好的穩(wěn)定性 二、 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的特性 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小 摩擦小 阻尼合適 剛度大 抗振性能好 間隙小 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大會(huì)是機(jī)械負(fù)載增大、系統(tǒng)響應(yīng)性能變慢、靈敏度降低、固有頻率下降，容易諧振。同時(shí)，使電氣驅(qū)動(dòng)部件諧振頻率降低，阻尼增大。 阻尼越大，最大振幅越小，衰減越快。但定位精度降低，易產(chǎn)生爬行；穩(wěn)態(tài)誤差大，精度降低。 剛度大，失動(dòng)量小。提高剛度可增加閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 第二節(jié) 機(jī)械傳動(dòng)裝置 1 齒輪 2 同步齒形帶傳動(dòng) 3 滾珠絲杠 4 滾珠花鍵 5 諧波齒輪減速器 提高傳動(dòng)精度的結(jié)構(gòu)措施 提高傳動(dòng)精度的結(jié)構(gòu)措施有： (1)適當(dāng)提高零部件本身的精度； (2)合理設(shè)計(jì)傳動(dòng)鏈，減少零部件制造、裝配誤差對(duì)傳動(dòng)精度的影響 〔 3)采用消隙機(jī)構(gòu)．以減少或消除空程。 合理設(shè)計(jì)傳動(dòng)鏈方法 (1)合理選擇傳動(dòng)型式 (2)合理確定級(jí)數(shù)和分配各級(jí)傳動(dòng)比 (3)合理布置傳動(dòng)鏈 合理確定級(jí)數(shù)和分配各級(jí)傳動(dòng)比 合理布置傳動(dòng)鏈 齒輪傳動(dòng)間隙的消除措施 由于數(shù)控設(shè)備進(jìn)給系統(tǒng)經(jīng)常處于自動(dòng)變向狀態(tài)，反向時(shí)如果驅(qū)動(dòng)鏈中的齒輪等傳動(dòng)副存在間隙，就會(huì)使進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的反向滯后于指令信號(hào)，從而影響其驅(qū)動(dòng)精度。因此必須采取措施消除齒輪傳動(dòng)中的間隙，以提高數(shù)控設(shè)備進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)精度。 1. 圓柱齒輪傳動(dòng) (1) 雙片薄齒輪錯(cuò)齒法 圖 7 28 圓 柱薄片齒輪可調(diào)拉簧錯(cuò)齒調(diào)整法 2 齒輪 3 、8 凸耳 4 彈簧 5 、6 螺母 7螺 釘3 54 6 72138(2) 偏心軸套調(diào)整法 電機(jī) 1是通過偏心軸套 2裝到殼體上，通過轉(zhuǎn)動(dòng)偏心軸套的轉(zhuǎn)角，就能夠方便地調(diào)整兩嚙合齒輪的中心距，從而消除了圓柱齒輪正、反轉(zhuǎn)時(shí)的齒側(cè)隙。 圖726 偏 心軸套式消除間隙結(jié)構(gòu) 1 電動(dòng)機(jī) 2 偏 心軸套2 1(3) 錐度齒輪調(diào)整法 在加工齒輪 1和 2時(shí)，將假想的分度圓柱面改變成帶有小錐度的圓錐面，使其齒厚在齒輪的軸向稍有變化（其外形類似于插齒刀）。裝配時(shí)只要改變墊片 3的厚度就能調(diào)整兩個(gè)齒輪的軸向相對(duì)位置，從而消除了齒側(cè)間隙。 圖727 帶 錐度齒輪的消除間隙結(jié)構(gòu) 2 齒輪 3 墊 片2132. 斜齒輪傳動(dòng) 圖 729是墊片錯(cuò)齒調(diào)整法，薄片齒輪由平鍵和軸連接，互相不能相對(duì)回轉(zhuǎn)。斜齒輪1和 2的齒形拼裝在一起加工。裝配時(shí)，將墊片厚度增加或減少 Δt，然后再用螺母擰緊。這時(shí)兩齒輪的螺旋線就產(chǎn)生了錯(cuò)位，其左右兩齒面分別與寬齒輪的齒面貼緊，從而消除了間隙。 圖729 斜齒薄片齒輪墊片錯(cuò)齒調(diào)整法薄片斜齒輪2寬齒輪薄片斜齒輪1墊片tΔβ軸向壓簧錯(cuò)齒調(diào)整法 ， 其特點(diǎn)是齒側(cè)隙可以自動(dòng)補(bǔ)償，但軸向尺寸較大，結(jié)構(gòu)不緊湊。 圖730 斜 齒薄片齒輪軸向壓簧錯(cuò)齒調(diào)整法調(diào)壓螺母寬齒輪薄片斜齒輪2薄片斜齒輪1軸向壓簧同步齒形帶傳動(dòng) 同步齒形帶傳動(dòng)，是一種新型的帶傳動(dòng)，如圖所示，它利用齒形帶的齒形與帶輪的輪齒依次相嚙合傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，因而兼有帶傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)及鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，即無相對(duì)滑動(dòng)，平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)精度高，而且齒形帶的強(qiáng)度高，厚度小，重量輕，故可用于高速傳動(dòng)；齒型帶無需特別張緊，故作用在軸和軸承等上的載荷小，傳動(dòng)效率高，在數(shù)控機(jī)械上亦有應(yīng)用。 絲杠螺母機(jī)構(gòu)傳動(dòng)形式與特點(diǎn) （ 1）絲杠螺母機(jī)構(gòu)的主要構(gòu)成 絲杠、絲杠螺母和減摩介質(zhì)或滾動(dòng)體（回珠裝置）。 功能：實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)之間相互轉(zhuǎn)換或調(diào)整。 作用：用于機(jī)構(gòu)之間能量的傳遞和運(yùn)動(dòng)形式的傳遞。 分類：滑動(dòng)和滾動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)。 （ 2）絲杠螺母機(jī)構(gòu)傳遞運(yùn)動(dòng)的基本條件 1）滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)傳遞運(yùn)動(dòng)基本條件： 應(yīng)有足夠的滑移間隙和充分地潤滑，熱脹冷縮補(bǔ)償空間；因而，存在一定的空回間隙。 a) 螺母 固定、絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)精度較高、螺母支承絲桿可消除附加軸向竄動(dòng)，剛性較差特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、絲桿剛性較高、要限制螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，故需導(dǎo)向裝置b) 絲桿 轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母移動(dòng)c) 螺母 轉(zhuǎn)動(dòng)、絲桿移動(dòng)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、站用空間較大、傳動(dòng)時(shí)需限制螺母移動(dòng)和絲桿轉(zhuǎn)動(dòng) 但使用不方便，故應(yīng)用較少。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、絲桿剛性較高d) 絲桿 固定，螺母轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的類型與特點(diǎn) 0102S