《机电一体化技术》电子教案

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1、机电一体化系统设计机电一体化系统设计达州职业技术学院机电一体化构成要素目 录绪论机械系统设计传感检测系统设计控制电动机及其选择计算工业控制计算机及接口设计应用举例绪 论第一节 机电一体化概念一、机电一体化概念Mechatronics=Mechanics+Electronics机械工程和电子工程相结合的技术，以及应用这些 技术的机械电子装置（产品）。二、机电一体化产品录 像 机 数控机床、机器人、自动生产设备 生产用机电一体化产品 柔性生产单元、自动组合生产单元 FMS、无人化工厂、CIMS 微机控制汽车、机车等交通运输工具 运输、包装及工程用机电一体化产品 数控包装机械及系统 数控运输机械及工

2、程机械设备 自动仓库 储存、销售用机电一体化产品 自动空调与制冷系统及设备 自动称量、分选、销售及现金处理系统 自动化办公设备 社会服务性机电一体化产品 动力、医疗、环保及公共服务自动化设备 文教、体育、娱乐用机电一体化产品 微机或数控型耐用消费品 家庭用机电一体化产品 炊事自动化机械 家庭用信息、服务设备 测试设备 科研及过程控制用机电一体化产品 控制设备 信息处理系统农、林、牧、渔及其它民用机电一体化产品 航空、航天、国防用武器装备等机电一体化产品三、机电一体化产品的表现形式1.机械的电子化（1）在原有机械系统的基础上采用微型计算机控制装置，使系统的性能提高，功 能增强。例如，模糊控制洗衣

3、机能根据衣物的洁净度自动控制洗涤过程，从而实 现节水、节电、节时、节洗衣粉的功能；机床的数控化是另一个典型的例子。（2）用电子装置局部替代机械传动装置和机械控制装置，简化结构，增强控制灵 活性。例如，数控机床的进给系统采用伺服系统，简化了传动链，提高了进给系 统的动态性能；将传统电机的电刷用电子装置替代形成的无刷电机，具有性能可 靠、结构简单、尺寸减小等优点。 （3）用电子装置完全替代原来执行信息处理功能的机构，既减化了结构，又极大 地丰富了信息传输的内容，提高了速度。例如，石英电子钟表、电子秤、按键式 电话等。（4）用电子装置替代机械的主功能，形成特殊的加工能力。例如，电火花加工机 床、线切

4、割加工机床、激光加工机床等。2.机电技术完全融合形成新型机电一体化产品生产机械中的激光快速成形机；信息机械中的传真机、打印机、复印机；检测机 械中的CT（计算机断层扫描诊断装置）扫描诊断仪、扫描隧道显微镜等。C650卧式车床外形图 1 主轴变速箱 2溜板与刀架 3尾座 4床身 5丝杠 6光杠 7溜板箱 8进给箱 9挂轮箱 效益分析第二节 机电一体化构成要素及相关技术 一、构成要素二、相关技术机械技术机电一体化的机械产品与传统的机械产品的 区别在于：机械结构更简单、机械功能更强、性 能更优越。现代机械要求具有更新颖的结构、更 小的体积、更轻的重量，还要求精度更高、刚度 更大、动态性能更好。在设计

5、和制造机械系统时除了考虑静态、动 态刚度及热变形等问题外，还应考虑采用新型复 合材料和新型结构以及新型的制造工艺和工艺装 置。 2 .传感检测技术 传感检测技术的内容，一是研究如何将各种 被测量（包括物理量、化学量和生物量等）转换 为与之成比例的电量；二是研究对转换的电信号 的加工处理，如放大、补偿、标度变换等。机电一体化系统要求传感检测装置能快速、准确、可靠的获取信息 3 信息处理技术 实现信息处理的主要工具是计算机，计算机技术包括计算机的软件技术、硬件 技术、网络与通讯技术和数据技术。机电一体化系统中主要采用工业控制机（包 括可编程控制器，单、多回路调节器，单片微控制器，总线式工业控制机，

6、分布 式计算机测控系统）进行信息处理。信息处理的发展方向是提高信息处理的速度 、可靠性和智能化程度。人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等都属于 计算机信息处理技术的范畴。 4 自动控制技术 自动控制所依据的理论是自动控制原理（包括经典控制理论和现代控制理论） ，自动控制技术就是在此理论的指导下对具体控制装置或控制系统进行设计；设 计后进行系统仿真，现场调试；最后使研制的系统可靠地投入运行。 机电一体 化系统中的自动控制技术主要包括位置控制、速度控制、最优控制、自适应控制 以及模糊控制、神经网络控制等。 5 伺服传动技术 伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置常见的伺服驱动系统主

7、要 有电气伺服（如步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等）和液压伺服（如液 压马达、脉冲油缸等）两类。 6 系统总体技术 机电一体化系统是一个技术综合体，它利用系统总体技术将各有关技术协调配合 、综合运用而达到整体系统的最佳化。 三、学科构成四、机电电一体化系统设计统设计 方法1. 取代法取代法就是用电气控制取代原系统中 的机械控制机构。该方法是改造旧产品 、开发新产品或对原系统进行技术改造 常用的方法,也是改造传统机械产品的常 用方法。 2. 整体设计法整体设计法主要用于新产品的开发设计。在设 计时完全从系统的整体目标出发,考虑各子系统的 设计。 3.组合法组合法就是选用各种标准功能模块组合

8、设计成机 电一体化系统。例如,设计一台数控机床,可以依据 机床的性能要求,通过对不同厂家的计算机控制单 元、伺服驱动单元、位移和速度测试单元及主轴、 导轨、刀架、传动系统等产品的评估分析,研究各 单元间接口关系和各单元对整机性能的影响,通过优 化设计确定机床的结构组成。第三节 机电一体化发展方向一、机电一体化特点 1、体积小，重量轻 2、速度快，精度高 3、可靠性高4、柔性好 二、发展方向 1、复合化 2、小型化，轻量化 3、高速化 4、移动化 5、智能化 6、层次化和系统化 7、全盘化 总之，性能上:向高精度、高效率、高性能、智能化方向发展 ；功能上：向小型化、轻型化、多功能方向发展;层次上

9、：向系统化、复合集成化方向发展。机械系统设计机械系统是机电一体化系统的最基本要素，主要包括执行机构、传动机构和支承 部件。机械的主要功能是完成机械运动，一部机器必须完成相互协调的若干机械运 动。每个机械运动可由单独的控制电机、传动件和执行机构组成的若干个子系统来 完成，若干个机械运动由计算机来协调与控制。第一节 机械传动系统的特性 一、机电一体化对机械传动的要求 1、高精度 2、快速响应 3、良好的稳定性 二、机械传动系统的特性转动惯量小 摩擦小 阻尼合适 刚度大 抗振性能好 间隙小 转动惯量大会是机械负载增大、系统响应性能变慢、灵敏度降低、固有频率下降， 容易谐振。同时，使电气驱动部件谐振频

10、率降低，阻尼增大。 阻尼越大，最大振幅越小，衰减越快。但定位精度降低，易产生爬行；稳态误差大 ，精度降低。 刚度大，失动量小。提高刚度可增加闭环系统的稳定性。第二节 机械传动装置 1 齿轮 2 同步齿形带传动 3 滚珠丝杠 4 滚珠花键5 谐波齿轮减速器 提高传动精度的结构措施提高传动精度的结构措施有： (1)适当提高零部件本身的精度； (2)合理设计传动链，减少零部件制造、装配误差对传动精度的影响 3)采用消隙机构以减少或消除空程。 合理设计传动链方法 (1)合理选择传动型式 (2)合理确定级数和分配各级传动比 (3)合理布置传动链合理确定级数和分配各级传动比合理布置传动链齿轮传动间隙的消除

11、措施 由于数控设备进给系统经常处于自动变向状态，反向时如果驱动链中的齿轮等传 动副存在间隙，就会使进给运动的反向滞后于指令信号，从而影响其驱动精度。 因此必须采取措施消除齿轮传动中的间隙，以提高数控设备进给系统的驱动精度 。1. 圆柱齿轮传动 (1) 双片薄齿轮错齿法 (2) 偏心轴套调整法 电机1是通过偏心轴套2装到壳体上，通 过转动偏心轴套的转角，就能够方便地 调整两啮合齿轮的中心距，从而消除了 圆柱齿轮正、反转时的齿侧隙。 (3) 锥度齿轮调整法 在加工齿轮1和2时，将假想的分度圆柱面改 变成带有小锥度的圆锥面，使其齿厚在齿轮 的轴向稍有变化（其外形类似于插齿刀）。 装配时只要改变垫片3

12、的厚度就能调整两个 齿轮的轴向相对位置，从而消除了齿侧间隙 。 2. 斜齿轮传动 图729是垫片错齿调整法，薄片齿轮由平 键和轴连接，互相不能相对回转。斜齿轮 1和2的齿形拼装在一起加工。装配时，将 垫片厚度增加或减少t，然后再用螺母拧 紧。这时两齿轮的螺旋线就产生了错位， 其左右两齿面分别与宽齿轮的齿面贴紧， 从而消除了间隙。 轴向压簧错齿调整法，其特点是齿侧隙可以自动补偿，但轴 向尺寸较大，结构不紧凑。同步齿形带传动 同步齿形带传动，是一种新型的带传动，如图所示，它利用齿形带的齿形与带轮的 轮齿依次相啮合传动运动和动力，因而兼有带传动，齿轮传动及链传动的优点，即 无相对滑动，平均传动比准确

13、，传动精度高，而且齿形带的强度高，厚度小，重量 轻，故可用于高速传动；齿型带无需特别张紧，故作用在轴和轴承等上的载荷小， 传动效率高，在数控机械上亦有应用。 滚珠丝杠螺母副机构 （1）滚珠丝杠副的工作原理及特点 滚珠丝杠副是一种新型的传动机构，它的结构特点是具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠 作为中间传动件，以减少摩擦，如图713所示。图中丝杠和螺母上都磨有圆弧形的螺旋 槽，这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成螺旋线滚道，在滚道内装有滚珠。当丝杠回 转时，滚珠相对于螺母上的滚道滚动，因此丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。为了防 止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能循环流动

14、。 滚珠丝杠副的特点1）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副的传动效率0.920.96，比常规的丝杠螺母 副提高34倍。因此，功率消耗只相当于常规的丝杠螺母副的1/41/3。 2）给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空行程死区，定位 精度高，刚度好。 3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。 4）运动具有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运 动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。 5）磨损小，使用寿命长。 6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故 制造成本高。7）不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的作用，下降时当传动切断后，不 能立刻停止运动，故常需添加制动装置。 滚珠丝杠副轴向间隙的调整 (a)垫片调隙式（图718） 通常用螺 钉来连接滚珠丝杠两个螺母的凸缘， 并在凸缘间加垫片。调整垫片的厚度 使螺母产生