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1、机电一体化系统设计 第一章 概论 1.3机电一体化系统构成要素及功能构成 执行元执行元 件系统件系统 控制控制 信息信息 信息处理系统信息处理系统 （CNCCNC） 动力系统动力系统 传感检测传感检测 系统系统 机械系统机械系统 参数变参数变 化信息化信息 驱驱 动动 力力 能能 量量 检测检测 参数参数 构成要素：五大部分 1.3机电一体化系统构成要素及功能构成 机电一体化系统（产品）的五大要素及其对 应的五大功能 1.6机电一体化系统设计的考虑方法及 设计类型 1) 机电互补法 2) 结合(融合)法 3) 组合法 机电一体化系统（产品）设计的考 虑 方 法 1.6机电一体化系统设计的考虑方
2、法及 设计类型 二、机电一体化系统设计的设计类型 1）开发性设计 2）适应性设计 3）变异性设计 第二章 机械系统部件的选择与设计 第2章小结 机电一体化机械系统的三大机构 传动机构： 导向机构： 执行机构： 机械系统部件的设计要求 (1)高精度 (2)快速响应性 (3)良好的稳定性 2.1机械系统部件的设计要求 为满足机械一体化系统的三大要求，在设为满足机械一体化系统的三大要求，在设 计中常采取以下几种措施：计中常采取以下几种措施： 2.1机械系统部件的设计要求 1) 低摩擦 2) 短传动链 3) 最佳传动比 4) 反向死区误差小 5) 高刚性 本章小结 机电一体化系统中常用的机械传动部件
3、一、滚珠丝杠传动 二、齿轮传动 三、谐波齿轮传动 四、同步带传动 五、间歇传动部件 2.2 机械传动部件的选择与设计 特点: 滑动摩擦机构: 结构简单、加工方便、制造成本低， 具有自锁功能，传动效率低（30%40%）。 滚动摩擦机构：结构复杂、制造成本高，无自锁功能 ， 摩擦阻力小，传动效率高（92%98%）。 丝杠螺母机构 作用：将旋转运动转为直线运动或者将直线运动 转为旋转运动。 n n 分类：分类：滑动摩擦机构，滚动摩擦机构滑动摩擦机构，滚动摩擦机构 2.2 机械传动部件的选择与设计 丝杠螺母机构的基本传动形式 a) 螺母固定，丝杠转动并移动 b) 丝杠转动，螺母移动 c）螺母转动，丝杠
4、移动 d) 丝杠固定，螺母转动并移动 螺纹滚道型面的（法向）形状及主要尺寸 本章小结 单圆弧型滚道单圆弧型滚道双圆弧型滚道双圆弧型滚道 本章小结 滚珠丝杠副中滚珠的滚珠丝杠副中滚珠的 循环方式有循环方式有内循环内循环和和 外循环外循环二种。二种。 插管循环插管循环 优点是滚珠循环的回路短、 流畅性好、效率高、螺母的 径向尺寸也较小。 本章小结 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧 常用的预紧方法有以下几种(5种) （1）双螺母螺纹预紧调整式 （2）双螺母齿差预紧调整式 （3）双螺母垫片调整预紧式 （4）弹簧式自动调整预紧式 （5）单螺母变位导程自预紧式和单螺母滚珠过盈预 紧式 本章小结 二、齿轮传动
5、（二、齿轮传动（*） 总传动比的确定原则：负载加速度最大总传动比的确定原则：负载加速度最大 J J mm iJL Tm, m m TL, L L 负载惯量模型负载惯量模型 2.各级传动比的最佳分配原则 对于小功率传动系统，使各级传动比满足， 对于大功率，各级传动比一般应以“先小后大” （降速先慢后快）原 则处理。 (1) 重量最轻原则 本章小结 (2) 输出轴转角误差最小原则 (3) 等效转动惯量最小原则 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。 本章小结 如右图，若不计轴和轴承如右图，若不计轴和轴承 的转动惯量，则根据系统动的转动惯量，则根据系统动 能不变的原则
6、，等效到电机能不变的原则，等效到电机 轴上的等效转动惯量为：轴上的等效转动惯量为： 本章小结 因为：因为： 所以：所以： 即：即： 代入式： 本章小结 可得： 1 谐波齿轮传动的工作原理 三、谐波齿轮传动 谐波齿轮传动优点： 具有结构简单、传动比大(一级传动传动比范围为 50 500，二级可达2500 25000 )； 传动精度高、传动平稳； 承载能力强、效率高（单级传动可达69% 96% ）。 三、谐波齿轮传动 本章小结 齿轮传动间隙的调整方法（传动精度） 1. 偏心调整法 2. 轴向垫片调整法 3. 双片薄齿轮错齿调整法 4. 斜齿轮传动调整法 本章小结 2.3 导向支撑部件的选择与设计
7、2. 导轨副应满足的基本要求 （a）导向精度 （b）刚度 （c）精度的保持性(耐磨性) （d）运动的灵活性和低速运动的平稳性 （e）对温度的敏感性和结构工艺性 本章小结 滑动摩擦的特点：导轨副相对静止时，静摩擦系数 较大，一旦开始运动，静摩擦变为动摩擦，动摩擦系 数很小。 导轨的爬行现象机理（弹簧导轨的爬行现象机理（弹簧- -阻尼系统）阻尼系统）* 弹簧-阻尼系统图 1-主动件；2-弹簧-阻尼；3-运动件；4-静导轨 本章小结 防止爬行现象采取以下几项措施 * 为防止爬行现象的出现，可同时采取以下措 施： 1)减少动静摩擦系数的差异，采用滚动导轨、静压导轨、 卸荷导轨、贴塑料层导轨等；在普通滑
8、动导轨上使用含有 极性添加剂的导轨油； 2) 提高传动系统的刚度，用减小结合面、增大结构尺寸、 缩短传动链、减少传动副数量等方法。 3.导轨副间隙的调整 为保证导轨正常工作，导轨滑动表面之间应保持 适当的间隙。间隙过小，会增加摩擦阻力；间隙 过大，会降低导向精度。导轨的间隙如依靠刮研 来保证，要费很大的劳动量，而且导轨经长期使 用后，会因磨损而增大间隙，需要及时调整，故 导轨应有间隙调整装置。矩形导轨需要在垂直和 水平两个方向上调整间隙。 本章小结 常用的调整方法有压板和镶条法两种方法。对 燕尾形导轨可采用镶条(垫片)方法同时调整垂直 和水平两个方向的间隙。 本章小结 燕尾形导轨及其组合的间隙
9、调整 1-斜镶条 ； 2-压板 ； 3-直镶条 对矩形导轨可采用修刮压板、修刮调整垫片的厚 度或调整螺钉的方法进行间隙的调整 本章小结 矩形导轨垂直方向间隙的调整 1-压板 ； 2-接合面 ； 3-调整螺钉 ； 4-调整垫片 各种支承结构简图 2.4 旋转支承的选择与设计 支承件 圆柱支承 运动件 圆锥支承球面支承顶针支承 填入式支承刀口支承气液摩擦支承弹性支承 方向精度和置中精度 u 方向精度是指运动件转动时，其轴线与承导件 的轴线产生倾斜的程度。 u 置中精度是指在任意截面上，运动件的中心与 承导件的中心之间产生偏移的程度。 2.4 旋转支承的选择与设计 2.5 轴系部件的选择与设计 一、
10、基本要求（P75） 二、 轴(主轴)系用轴承的类型与选择 标准滚动轴承 深沟球轴承 双列向心短圆柱滚子轴承 圆锥滚子轴承 推力轴承 2.5 轴系部件的选择与设计 配套应用例* 机架 主轴 1.如何安装 2.轴承间隙调整 3.轴向力的传递 2.6 机电一体化系统(产品)的机座或机架 提高刚度的措施： 1）合理选择截面形状与尺寸 封闭空心截面的刚度比实心的大，矩形节截面的抗弯刚 度最大，圆心截面的抗扭刚度最大； 2）加肋板及加强肋 3）合理开孔和加盖 面壁开孔：开孔时要尽量对称排列 4）机座连接处要加厚或加筋板 2.6 机电一体化系统(产品)的机座或机架 机座的结构工艺性 1）铸件形状简单，拔模容
11、易，便于制造。 2）机座壁厚应尽量均匀，避免截面的急剧变化。 3）在同一侧面的加工表面，应处于同一个平面上，以 便一起刨出或铣出。 第三章 执行元件的选择与设计 一、执行元件的种类及特点 根据使用能量的不同，可以将执行元件分为电磁式、液压式和气 压式等几种类型， 1. 电气式执行元件 2. 液压式执行元件 3. 气压式执行元件 1. 惯量小、动力大 2. 体积小、重量轻 通常用执行元件的单位重量所能达到的输出功率或比功率，即用 功率密度 或比功率密度来评价这项指标。设执行元件的重量为G，则 功率密度 为 P/G。 比功率 T2/J 比功率密度为 (T2/J)/G 。 3.便于维修、安装 执行元
12、件最好不需要维修。无刷DC及AC伺服电动机就是走 向无维修的一例。 4. 宜于微机控制 用微机控制最方便的是电气式执行元件。因此机电一体化系统所 用执行元件的主流是电气式，其次是液压式和气压式(在驱动接口 中需要增加电-液或电-气变换环节)。 二、对执行元件的基本要求 一、对控制用电动机的基本要求 步进电动机具有以下特点： 步进电动机的工作状态不易受各种干扰因 步进电动机的步距角有误差，但不会长期积 累。 控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢 步”。 步进电动机的结构组成： 步步 进进 电电 机机 组组 成成 定子定子 转子转子 由硅钢片叠由硅钢片叠 成成, ,有一定数量的有一定数量的 磁
13、极和绕组磁极和绕组 用硅钢片叠用硅钢片叠 成或成或 用软磁性用软磁性 材料做成凸极结材料做成凸极结 构构 2. 步进电动机的种类 步进电动机的种类很多， 有旋转式步进电动机，也有直线步进电动机； 从励磁相数来分有三相、四相、五相、六相等步进 电动机。 常用的旋转式步进电动机的按转子结构的不同，可 将其分为以下三种： 1）可变磁阻(VR-Variable Reluctance)型 2) 永磁(PM-Permanent Magnet)型 3) 混合(HB-Hybrid)型 特点 1）可变磁阻(VR-Variable Reluctance)型 特点： 转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。 电动
14、机的定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁 时没有保持力 铁心无极性，故不需改变电流极性。 步距角小、响应频率高 2) 永磁(PM-Permanent Magnet)型 特点： 定子的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸 引与排斥产生转矩。 定子绕组断电也能保持一定转矩，故具有 记忆能力，可用做定位驱动。 励磁功率小、效率高、造价低，因此需要 量也大。 由于转子磁铁的磁化间距受到限制，难于 制造，故步距角较大。与VR型相比转矩大 ，但转子惯量也较大。 3)混合(HB-Hybrid)型 优点： 步距角小、响应频率高（VR型步进电动机的优点 ）， 励磁功率小、效率高（PM型步进电动机） 无励磁时具有保持力。
15、 励磁时的静止转矩都比VR型步进电动机的大 HB步进电动机能够用做超低速同步电动机，如用 60Hz驱动每步1.8的电动机可作为72rmin的同 步电动机使用。 1.1.步进电动机工作原理工作原理 B C I A IB IC N S 按AB C A 的顺序给三相绕组 轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转 过30(步距角)，每个通电循环周期(3拍)磁场在 空间旋转了360而转子转过90(一个齿距角)。 2. 2. 三相双三拍三相双三拍 按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通 电。每拍有两相绕组同时通电。 1.1.三相单三拍三相单三拍 “ “三相三相” ”指三相步进电机；指三相步进电机；“ “单单” ”指每次只能一相绕组指每次只能一相绕组 通电；通电；“ “三拍三拍” ”指通电三次完成一个通电循环。指通电三次完成一个通电循环。 与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循 环周期也分为三拍。每拍转子转过30 (步距角)， 一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角)。 2. 2. 三相六拍三相六拍 按AAB B BC C CA的顺序给三相 绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制 特性。 与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更 小，更适用于需要精确定位的控制系统中。 完成一个通电循环，转子将转过一个 齿距角。 步距角的大小与通电方式和转子齿数有关，其大小可 用下式
