机电一体化系统设计

1. 机电一体化系统设计 山东理工大学 制作人：董爱梅

2. 机电一体化构成要素

3. 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

4. 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）。

5. 二、机电一体化产品 录像机

6. 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

7. 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。

8. 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

10. 效益分析

11. 第二节 机电一体化构成要素及相关技术一、构成要素

15. 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

16. 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，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。

17. 三、学科构成

18. 四、机电一体化系统设计方法 • 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。

19. 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。

20. 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：向系统化、复合集成化方向发展。

21. 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。

22. 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

23. 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

25. 合理确定级数和分配各级传动比

28. 合理布置传动链

29. 齿轮传动间隙的消除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

30. (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。

31. (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。

32. 2. 斜齿轮传动 图7-29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Δt，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。

33. 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。

34. 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，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。

35. 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7-13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。

36. 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η＝0.92～0.96，比常规的丝杠螺母副提高3～4倍。因此，功率消耗只相当于常规的丝杠螺母副的1/4～1/3。 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。

37. 滚珠丝杠副轴向间隙的调整 (a)垫片调隙式（图7-18） 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轴向位移，以达到消除间隙和产生预拉紧力的目的。 这种结构的特点是构造简单、可靠性好、刚度高以及装卸方便。但调整费时，并且在工作中不能随意调整，除非更换厚度不同的垫片。

38. (b)螺纹调隙式（图7-20）其中一个螺母的外端有凸缘而另一个螺母的外端没有凸缘而制有螺纹，它伸出套筒外，并用两个圆螺母固定着。旋转圆螺母时，即可消除间隙，并产生预拉紧力，调整好后再用另一个圆螺母把它锁紧。

39. (c)齿差调隙式（图7-20）在两个螺母的凸缘上各制有圆柱齿轮，两者齿数相差一个齿，并装入内齿圈中，内齿圈用螺钉或定位销固定在套筒上。调整时，先取下两端的内齿圈，当两个滚珠螺母相对于套筒同方向转动相同齿数时，一个滚珠螺母对另一个滚珠螺母产生相对角位移，从而使滚珠螺母对于滚珠丝杠的螺旋滚道相对移动，达到消除间隙并施加预紧力的目的。(c)齿差调隙式（图7-20）在两个螺母的凸缘上各制有圆柱齿轮，两者齿数相差一个齿，并装入内齿圈中，内齿圈用螺钉或定位销固定在套筒上。调整时，先取下两端的内齿圈，当两个滚珠螺母相对于套筒同方向转动相同齿数时，一个滚珠螺母对另一个滚珠螺母产生相对角位移，从而使滚珠螺母对于滚珠丝杠的螺旋滚道相对移动，达到消除间隙并施加预紧力的目的。

40. 滚珠丝杠副的标注方法 ×—— 循环方式预紧方式公称直径基本导程负荷滚珠总圈数精度等级螺纹旋向 浮动式 F 双螺母齿差预紧 C 内循环 双螺母垫片预紧 D 固定式 G 预紧方式 双螺母螺纹预紧 L 单螺母变导程自预紧B 插管式 C 外循环 螺旋槽式 L 螺旋旋向为左、右旋，只标左旋代号为LH，右旋不标。 例CTC63×10—3.5—3.5/2000×1600 表示为插管突出式外循环（CT），双螺母齿差预紧（C）的滚珠丝杠副，公称直径63mm，基本导程10mm，负荷滚珠总圈数3.5圈，精度等级3.5级，螺纹旋向为右旋，丝杠全长为2000mm，螺纹长度为1600mm。

41. 信号调理 信号处理 显示记录 被测对象 控制系统 传输 传感器 传感检测系统设计 第一节 传感器 一、传感器分类

42. 二、机电一体化对检测系统的基本要求： 精度、灵敏度、分辨率高； 线性、稳定性和重复性好； 抗干扰能力强； 静、动态特性好。 此外，要求体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维修，耐环境性能好等。 三、传感器特性： 静态特性：1、线性度：传感器实际特性曲线与拟合直线之间的偏差 2、灵敏度：输出变化对输入变化的比值 3、迟滞性：在正反行程期间输入—输出特性曲线不重合程度 4、重复性：输入量按同一方向多次测试时所得特性曲线的不重合程度 动态特性：传递函数、时间响应函数、频率响应函数、脉冲响应函数。

43. 四、传感器选用原则 快速、准确、可靠、经济的获取信号 1）足够的量程 2）与测量或控制系统匹配、转换灵敏度高 3）精度适当、稳定性高 4）反应速度快、工作可靠 5）实用性和适应性强 6）使用经济

44. 第二节 位移测量传感器 一、电容传感器 1. 变极距型电容传感器 ： 当动极板因被测量变化而向上移动使减小时，电容量增大 。 注意：传感器输出特性是非线性的，规定在较小间隙变化范围内工作。 2. 变面积型电容传感器 ： 原理：它与变极距型不同的是，被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化。 这种传感器的输出特性呈线性。因而其量程不受线性范围的限制，适合于测量较大直线位移和角位移。

45. 3．变介质型电容传感器 原理结构如图。图中两平行极板固定不动，极距为，相对介电常数为的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变电容。 应用：这种电容传感器有较多的结构形式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可以用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体的物质的湿度。

46. 二、电感式传感器将被测量转换为电感量变化的装置。变换原理：电磁感应原理。按变换方式的不同分为自感型（可变磁阻式与涡流式)与互感型(差动变压器）。1、自感型（一）可变磁阻式二、电感式传感器将被测量转换为电感量变化的装置。变换原理：电磁感应原理。按变换方式的不同分为自感型（可变磁阻式与涡流式)与互感型(差动变压器）。1、自感型（一）可变磁阻式 1——线圈 2——铁心 3——衔铁 由此可见：只要改变空气隙厚度或改变气隙截面积，即可改变线圈的电感量。 注意：改变空气隙厚度传感器输出特性是非线性的，规定在较小间隙变化范围内工作。

47. （二）涡流式 原理：金属板在交变磁场中的涡电流效应。金属板置于一线圈附近，相互间距为。当线圈中有高频交流电流通过时，便产生磁通。此交变磁通通过相邻近的金属板，金属板上便产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为涡流。这种涡流将产生交变磁通1，根据楞次定律，涡流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反。由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗发生变化，变化程度与距离有关。 影响因素：线圈与金属板间距离；金属板的电阻率；磁导率；线圈激磁园频率等。 变化线圈与金属板间距离，可作为位移、振动测量。变化金属板的电阻率、磁导率，可作为材质鉴别或探伤等。 应用：可用于动态非接触测量。用作涡流式位移计、振动测量仪、无损探伤仪、测厚仪等。 特点：结构简单，使用方便，不受油污等介质的影响。

48. 2、互感型： 差动变压器式 原理：将被测位移转换成线圈互感变化。 注意：1、输出交流电压、幅值与铁心位移成正比。只反映铁心位移大小，不反映移动极性。 2、零点残余电压。原因：两次级线圈结构不对称；初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等形成。铁心处在中间位置时，输出不为零。 解决办法：后接电路。 应用：位移测量仪。

49. 光栅 光栅是一种新型的位移检测元件，它的持 点是测量精确高、响应速度快和量程范围大等。