机电一体化

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1、第一章 概 论1. 现代工业控制的三大支柱2. “机电一体化”是3. 机电一体化是4. 优化机电一体化六大技术5. 机电一体化系统组成6. 系统三大目的功能第二章 机械系统部件的选择与设计1. 机电一体化系统与一般机械系统的不同：较高的定位精度，良好的动态响应特性（响应要快、稳定性要好）2. 机电一体化系统组成：控制部件、接口电路、功率放大电路、执行元件、机械传动部件、导向支承部件，检测传感部3. 机电一体化系统的机械系统设计要求：无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比。4. 为达到可采取措施：（1）采用低摩擦的传动和导向支承件（2）缩短传动链，提高传动与支承刚度（ 3）选择

2、合理传动比，提高系统分辨率（4）缩小反向死区误差（5）改进和合 理设计支承件和机架结构5. 机械传动部件的要求：传动间隙小、精度高、体积小、重量 轻、运动平稳、传递转矩大6. 丝杠螺母机构 作用：将旋转运动变换为直线运动或者相反分类：滑动丝杠螺母：结构简、成本低、 可自锁；但摩擦大，效率低滚动丝杠螺母：结构复杂、成本高； 摩擦小，效率高7. 滚珠丝杠副的特点：1）传动效率高，摩擦损失小 2）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 5）磨损小，使用寿命长 6）制造工艺复杂 7） 不能自锁8. 滚珠丝杠副中滚珠的循环方式：内循环和外循环 内循环内循环方式的

3、滚珠在循环过程中始终与丝杆表面保 持接触。优点：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。其不足是反向器加工困难、装配调整也不方便。 外循环滚珠在循环返向时，离开丝杆螺纹滚道。在螺母体内 或体外作循环运动。1）螺旋槽式 特点：工艺简单、径向尺寸小、易于制造。但是 挡珠器刚性差、易磨损2）插管式 特点：结构简单、容易制造。但是径向尺寸较大， 弯管端部用作挡珠器比较容易磨损3）端盖式 特点：结构简单、工艺性好，但滚道吻接和弯曲处圆角不易准确制作而影响其性能，故应用较 少9. 预紧方式：(1)双螺母螺纹预紧调整式 特点：结构简单、刚性好、预紧可靠，使用中调整方便，但不能 精确定量地

4、进行调整。(2)双螺母齿差预紧调整式特点：可实现定量调整，即可进行精密微调(如0.002mm)，使用 中调整较方便。(3) 双螺母垫片调整预紧式 特点：结构简单、刚度高、预紧可靠，但使用中调整不方便。(4) 弹簧式自动调整预紧式 特点：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。(5) 单螺母变位导程自预紧式 特点：结构简单紧凑，但使用中不能调整，且制造困难。10. 滚珠丝杠副支承方式：1) 单推-单推式特点：轴向刚度较高，预拉伸安装时，预紧力较大，但轴承寿命 比双推-双推式低。2) 双推-双推式特点：该方式适合于高刚度、高转速、高精度的精密丝杠传动

5、系 统。但随温度的升高会使丝杠的预紧力增大，易造成两端支承的 预紧力不对称。3） 双推-简支式 特点：双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于 中速、传动精度较高的长丝杠传动系统。4） 双推-自由式 特点：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。11. 滚珠丝杠副的选择步骤： （1）在选用滚珠丝杠副时，必须知道实际的工作条件：最大的工作载荷Fmax（或平均工作载荷Fcp）（N）作用下的使用寿 命 T（h）丝杠的工作长度（或螺母的有效行程） （mm）丝杠的转速n（或平均转速ncp）（r / min）滚道的硬度 HRC 及丝杠的工况. （2）然后按下列步骤进行选

6、择。1）承载能力选择2）压杆稳定性核算3） 刚度的验算12. 齿轮传动比i应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、 转速的匹配要求齿轮传动比三种分配原则：（1）重量最轻原则（2）输出轴 转角误差最小原则（3）等效转动惯量最小原则13. 分配原则的小结：1. 要求体积小，质量轻的齿轮传动系统可用重量最轻 原则；2. 要求平稳、起停频繁和动态性能好，可采用最小等效转 动惯量和总转角误差最小的原则；3. 变负载的传动比应采用不可约的比数；4. 提高传动精度和减少回程误差，可按照总转角误差 最小原则；5. 对于增速传动，要求每级增速比最好大于 1：3；6. 对于较大传动比，可采用混合轮系；7. 对于相当

7、大的传动比、并且要求传动精度与传动效率 高、传动平稳、体积小重量轻时，可采用谐波齿轮传动。14. 谐波齿轮传动特点：传动比大、范围宽（一级传动传动比范围为50500,二级可达 250025000 ）；且在传动比很大的情况下，仍具有较高的效率（单级传动可达69% 96%）；结构简单、体积小、重量轻、承载能力强、传动平稳、运动精 度高；还能实现密封空间的运动传递。缺点：柔轮易发生疲劳损坏；起动力矩大。谐波齿轮减速器原理：波发生器的连续转动，迫使柔轮上的一点不断的改变位置，这时 在柔轮的节圆的任一点，随着波发生器角位移的过程，形成一个 上下左右相对称的和谐波，故称之为：“谐波”。15. 导轨副应满足

8、的基本要求：导向精度高、刚性好、运动轻 便平稳、耐磨性好、温度变化影响小、结构工艺性好等对精度要求高的直线运动导轨，还要求导轨的承载面与导向 面严格分开；当运动件较重时，必须设有卸荷装置，运动件的支承，必须 符合三点定位原理。16. 滑动导轨副特点：1）凸形导轨不易积存切屑等脏物，也不易储存润滑油，宜在低速下工作；2）凹形导轨则相反，可用于 高速，但必须有良好的防护装置，以防切屑等脏物落入导轨 导轨副的组合形式：双三角形导轨组合、矩形导轨和矩形导轨组 合、三角形导轨和矩形导轨组合、三角形和平面导轨组合、燕尾 形导轨及其组合双三角形导轨组合优点：磨损后，可以自动补偿，故导向性和精度保持性都高，

9、接触刚度好。缺点：工艺性差，需要考虑热变形；多用于精度较高的设备。矩形导轨与矩形导轨组合导轨特点：承载面与导向面分开，制造调整简单，接触刚度低。三角形导轨和矩形导轨组合特点：兼具三角形导轨的导向好、矩形导轨的制造方便、刚 性好的优点，避免热变形。缺点：磨损不均匀、不能调整，影响位置精度。三角形导轨和平面导轨的组合特点：具有三角形导轨和矩形导轨组合的基本特点，但是没有 闭合导轨装置，仅用于受力向下的场合。缺点：牵引力布置不当时，会产生力矩，从而影响导向精度 和运动灵活性。17. 直线运动滚动导轨副的特点及要求滚动导轨的特点：摩擦系数小，运动灵活；动、静摩擦 系数基本相同，因而启动阻力小，而不易产

10、生爬行；可以预紧, 刚度高；寿命长；精度高；润滑方便。滚动导轨的缺点：抗振性差，接触应力大；对导轨的表面硬度、表面形状精度和滚动体的尺寸精度要求高；结构复杂，制造困难，成本对脏物比较敏感，必须有良好的防护装置。对滚动导轨副的基本要求：1) 导向精度 2) 耐磨性3） 刚度 4） 工艺性18. 旋转支承的种类及基本要求：旋转支承中的运动件相对于支承导件转动或摆动时，按 其相互摩擦的性质可分为滑动、滚动、弹性、气体（或液体）摩擦 支承。 滑动摩擦支承：按其结构特点，可分为圆柱、圆锥、球面和顶针 支承； 滚动摩擦支承：按其结构特点，可分为填入式滚珠支承和刀口支 承。19. 机电一体化系统对支承的要求

11、：方向精度、置中精度、摩 擦阻力矩的大小、许用载荷、对温度变化的敏感性、耐磨性以及 磨损的可补偿性、抗振性、成本20. 轴系部件设计的基本要求1）旋转精度： 是指在装配之后，在无负载、低速旋转的条件下，轴前端的 径向跳动和轴向窜动量。 取决于零部件的制造精度与装配调整精度。2）轴系的刚度： 反映了轴系组件抵抗静、动载荷变形的能力。 载荷为弯矩、转矩时，相应的变形量为挠度、扭转角，其刚 度为抗弯刚度和抗扭刚度；载荷为径向力时会产生弯曲变形。因 此，除了强度之外，还必须进行刚度验算。3) 抗振性：轴系的振动表现为强迫振动和自激振动两种形式。 振动原因有轴系组件质量不匀引起的动不平衡、轴的刚 度及单

12、向受力等；它们直接影响旋转精度和轴承寿命。对高速运动的轴系必须提高系统的动态性能，特别是抗 振性。可以采取：提高静刚度、动刚度、增大轴系阻尼比。4) 热变形： 轴系的受热会使轴伸长或使轴系零件间隙发生变化，影响整 个传动系统的传动精度、旋转精度及位置精度。温度的上升会使润滑油的粘度发生变化，使滑动或滚动轴承 的承载能力降低。21. 机座或机架的作用及基本要求： 机座或机架是支承其他零部件的基础部件。1. 刚度与抗振性2. 减小热变形3. 提高稳定性机座或机架的结构设计要求：自身刚度连接刚度局部刚度；安装方式材料选择结构工艺性以及节省材料、降低成本和缩短生产周期等问题。铸造机座焊接机架第三章 执

13、行元件的选择与设计1. 执行元件是处于机电一体化系统的机械运行机构与微电子控 制装置的联接部位的能量转换元件。执行元件微电子装置的控制下，将输入的各种形式的能量转 换为机械能，例如电动机、电磁铁、继电器、液动机、油（气缸） 内燃机等分别把输入的电能、液压能、气压能和化学能转换为机 械能。执行元件的种类：电气式执行元件、液、气压式执行元件、其他种类特点优点缺点电 气 式可使用商用电源:信 号与动力的传送方向 相同：有交流和直流之 别，应注意电压之大小操作简便：编程容易：能 实现泄位伺服：响应快、易 与CPU相接；体积小、动力 较大;无污染瞬时输出功率大：过载差，特别是由 F某种原因血卡住时，会引

14、起烧毁事 故，易受外部噪声彩响气压式空气压力源的压力 为（5-7）x 10s Pa;要求 操作人员技术憨练气源方便、成本低；无泄 漏污染；速度快、操作比较 简单功率小，体积大，动作不够半稳；不易 小型化；远距离转输困雉；工作噪声大、 难丁伺服压 式啤求操柞人怙技术 熟练；液压源压力为 （20 80）x 10s Pii输出功率大,速度快，动 作平稳，叮实现泄位伺服： 易与CPU相接;响应快设备难于小型化；液压源或液压油要 求（杂质、温度、油量、质量）严格；易渺 漏且有污染2. 步进电动机是较早使用的机电一体化执行元件。步进电动机系统由步进电动机本体、步进电动机驱动器和控制器组成。 步进电动机的优

15、缺点优点：可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价;位移与输入脉冲信号数相对应，步距差不长期积累；无刷，电动机本体部件少，可靠性高；易于起动、停止、正反转及变速，响应性好；停止时，可有自锁能力；步距角选择范围大，可在几十角分至180。大范围内选择。在小步距情况下，通常可以在超低速下高转矩稳定运行，通 常可以不经减速器直接驱动负载。速度可在相当宽的范围内平滑调节，同时用一台控制器控 制几台步进电机可使它们完全同步运行；缺点：步进电动机带惯性负载的能力较差；由于存在失步和共振，因此步进电动机的加减速方法根据利用状态的不同而复杂化；不能直接使用普通的交直流电源驱动。3. 步进电动机的工作原理三相反应式步进电动机三相组成；按Af Bf Cf Af顺序通电：A 相励磁绕组 1、3 两齿B 相励磁绕组 2、4 两齿C 相励磁绕组 1、3 两齿 实现转子逆时针方向转动。 从一相通电换接到另一相通电称为一拍。 三