机电一体化系统设计

1、机电一体化系统设计机电一体化系统设计主编主编 高钟毓高钟毓主讲 钱宏琦2009年7月第一章第一章 引论引论这一章是本书的开篇，介绍了关于机电一体化系统的基本概念，并说明一些名词和术语；给出了常见的典型机电一体化系统实例，其中，包括伺服系统、数控机床、工业机器人、自动牵引车、）顺序控制系统、柔性制造系统以及计算机集成制造系统；阐述了机电一体化系统的一般性模块结构，定义了各组成模块的功能；论述了机电一体化系统设计指标和评价标准；讨论了机电一体化设计思想和方法，着重说明了它与传统机械产品设计的区别。最后，列出了机电一体化系统设计的全过程，并详细说明每一步骤的设计内容。第一节 基本概念现从三个层次来说

2、明这个问题：系统；机电一体化；机电一体化系统。系统系统从广义上说，系统可以定义为相互作用或相互依存的任何一组形成统一整体的事物。因此，名词“系统”几乎可以用来描述任何可以想像的情况。在工程领域，系统可以是电、机械、液压、气动、热、生物及医学的，或者是这些系统的某种组合。例如，机电系统是机械与电的组合系统，特别是精密机械与微电子的综合集成系统。系统一般可以定义为任何存在某种因果关系的一组物理元件。原因称为激励或输入，效果叫做响应或输出。通常，输入和输出都是物理变量。例如，温度、压力、液位、电压、电流、位移、速度等。系统描述系统输入与输出之间的数学关系式，称为系统的数学模型。根据数学模型的不同，系

3、统可以分为静态的或动态的，线性的或非线性的，定常的或时变的，确定性的或随机的。静态系统实时输出只与当时的输入有关，描写静态系统的数学模型是代数方程组。动态系统的实时输出不仅与当时的输入有关，而且与过去的输入和输出有关，因此，描写动态系统的数学模型是微分方程组。系统输入和输出满足线性叠加原理的系统称为线性系统，不满足线性叠加原理的系统则为非线性系统。数学模型中的所有系数都为常量（与时间无关）的系统称为定常系统，否则，称为时变系统。在已知输出初值和给定输入的条件下，未来输出可以按照数学模型唯一确定的系统称为确定性系统，否则为随机系统。系统系统本书主要集中讨论线性、定常、确定性、动态系统。通常，根据

4、系统工作的物理原理（当然也可以通过实验），可以直接列写和推导出线性定常确定性动态系统的数学模型。数学模型一般为常系数线性微分方程组，并进一步通过拉氏变换，导出系统传递函数。传递函数可以描述线性定常确定性动态系统的一切特性，因而成为研究这类系统的最常用最有效的数学工具。二、机电一体化二、机电一体化“机电一体化”来源于英文名词“Mechatronics”。这是由日本人首创的一个新词，它取了“Mechanics（机械学）”的前五个字母和“Electronics（电子学）”的后七个字母组合而成。其涵义是机械与电子的集成技术。在我国通常译为“机电一体化”，或者“机械电子工程”。“机电一体化”不能被认为学

5、科分类的定义。换言之，它不是一个独立的工程学科，而是在设计过程中集成多种学科的方法或技术。它的核心学科是机械工程、电子工程，以及信息与控制技术。三、机电一体化系统三、机电一体化系统机电一体化系统是按照机电一体化方法设计出来的机械与电子紧密结合的产品或制造系统。机电一体化系统应包括机电一体化产品和机电一体化制造系统。无论是产品，还是制造系统，它们都不同于传统的机电产品或机械制造系统，因为它们几乎无一例外，都是将复杂的功能由机械转移到电子而实现的，比它们的纯机械对应物更简单，涉及的零件和机械传动部件更少。机电一体化系统是在工厂自动化、办公自动化、家庭自动化以及社会服务自动化等各种自动化环境条件下，

6、所需要的机器、机器人以及灵巧机械系统。其主要应用环境是工厂自动化。小结：目前，机电一体化的产品正以惊人的速度不断涌向市场，其中有些是老产品的更新换代，当今正在不断发展的机电一体化制造系统，充分利用了现代信息技术，改善了制造能力，使得机器比固定的自动化完成更多类型的制造任务，以及多数过去要求人工操作的加工过程实现了自动化。机电一体化制造系统还具有协调工程设计和制造技术的能力，提高了生产效率和柔性，改善了产品质量，能适应快速变化的市场需求，从而提高了产品在市场中的竞争能力。柔性制造系统、计算机集成制造系统就是在这样的背景下诞生的。它们是机电一体化系统在自动化制造设备和系统中的实际体现。第二节第二节

7、 典型机电一体化系统典型机电一体化系统当前，从传统的机电系统向机电一体化系统的过渡，已经在各个领域逐渐出现。这种过渡主要是依靠引用不断完善的控制技术加以实现的，其范围包括监控、开环控制、闭环控制、自适应控制、模糊控制以及智能控制等，因此，可认为机电一体化用于工程技术的基础是信息和控制。但是，必须注意，控制技术和机电一体化技术两者之间存在着基本的区别，机电一体化不是“伪装”的控制工程。最典型的机电一体化系统形式：一、伺服系统一、伺服系统伺服系统又叫做伺服机构。它是一种反馈控制系统，它的受控变量是机械运动，如位置、速度及加速度。多数伺服系统用来保持运动机械的输出位置紧密对应电的输入参考信号，因而是

8、一种跟踪控制系统。伺服系统通常是另一个机电一体化系统的组成部分。例如，多自由度工业机器人含有I多个伺服系统，每一个关节都有一个。多轴数控机床也有几个伺服系统，用来控制工作台运动。一、伺服系统一、伺服系统二、数控机床二、数控机床带有数控系统的机床称为数控机床。数控系统是一种利用预先决定的指令控制一系列加工作业的系统。指令以数码的形式储存在某种形式的输入介质上，如穿孔纸带、磁带，或者程序存储器的公共存储区。指令确定位置、方向、速度，以及切割速度等。零件程序包含生产希望零件所要求的全部指令。数控机床可以形成镗、钻、磨、铣、冲、特形铣、锯、车、绕（线）、火花切割、编织（服装）、铆、弯、焊以及线处理等加

9、工作业。二、数控机床二、数控机床因为数控（NC）改变程序比改变凸轮、模具及样板相对容易，因此称之为柔性自动化。同一数控机床采用不同的程序可以生产各种不同的零件。数控加工最适合在同一机床上加工大量不同的零件，而极少在同一机床上连续生产单一零件。当一个零件或一个加工过程能由数学定义的时候，数控是最理想的。随着计算机辅助设计（CAD）的应用日益增加，由数学定义的过程和产品愈来愈多，人们熟悉的制图已经变得不十分必要，因为由数学定义的零件完全可以用计算机数控机床加工。三、工业机器人三、工业机器人工业机器人是另一类数控机器。它是一种可编程机械手，用来通过一系列动作，搬运物料、零件、工具，或者其它装置，以实

10、现给定的任务。工业机器人有能力移动零件、加载NC机床、操作压铸机、装配产品、焊接、喷漆、打毛刺，以及包装产品。最通用的工业机器人是具有一个自由度到六个自由度的机械手。每一个运动轴都有自己的执行器，连接到机械传动链，以实现关节运动。 三、工业机器人三、工业机器人工业机器人有三个主要组成部件：除了机械手以外，还有终端器和控制器。终端器是一个机械的、真空的或者电磁的装置，它安装在机械手的腕上，用来抓取零件或握持工具。控制器在开环控制的单轴机器人中可以是一个简单的机械挡块，而在闭环控制的六轴机器人中则是一台计算机。在任何情况下，控制器在存储器中都存有一系列定位数据。按照给定的操作次序，它启动和停止机械

11、手的运动。 三、工业机器人三、工业机器人第二类工业机器人是多轴伺服控制的，能够编程从一点运动到另一点。路径不是关键的机器人称为点位式（PIP）工业机器人；如果路径是关键的，则叫做连续路径（CP）工业机器人。PIP机器人从一点运动到另一点，在每一点上完成一定的功能。典型的功能包括点焊、粘接、钻孔、去毛刺等。CP机器人沿给定的路径从一点运动到另一点，一边运动一边完成作业。典型的CP应用包括喷漆、缝焊、切割以及检查。这类机器人控制器或者是可编程序控制器，或者是小型计算机。它们依靠悬挂式示教操作台，采用示教方法编制机器人程序。四、自动导引车四、自动导引车另一种形式的工业机器人是自动导引车（AGV）。它

12、能够跟踪编程路径，在工厂内将零件从一个地方运送到另一个地方。在汽车工业、电子产品加工工业，以及柔性制造系统中，自动导引车物料运输系统已经得到广泛使用。五、顺序控制系统五、顺序控制系统顺序控制系统是按照预先规定的次序完成一系列操作的系统。在顺序控制系统中，每一步操作是一个简单的二进制动作，如电源开关的通断或制造设备专用控制器的启停等。实现顺序控制功能可有多种手段，如继电器逻辑、固态集成电路、通用微处理机等。当前，普遍采用PLC作为顺序控制器。PLC具有足够数量的输入输出（I/0）端口，带有专用的逻辑编程语言，还有通信接口，与制造设备和系统联接十分方便，因而实际使用非常广泛。根据如何开始和终结操作

13、，顺序控制可以分为两类：当某一事件发生时，开始或结束操作的称为事件驱动顺序控制；在某一时刻或一定时间间隔之后，开始或结束操作的称为时间驱动顺序控制。 六、自动化制造系统在制造工业中，要求生产系统有能力响应不断变化的市场，以很短的周期生产出各种形式急需的小批量产品。不管是手工生产，或者是大批量生产线，都是不能满足这些要求的。前者虽然适应性强，但是生产率低；后者固有的装配与传送线缺少柔性，改变起来耗费时间和代价。这种在制造过程中增加柔性的要求，必然导致柔性制造系统概念的发展。1柔性制造系统（柔性制造系统（FMS）在柔性制造系统中，将计算机数控机床、工业机器人，以及自动导引车联接起来，以适应加工成组

14、产品。2计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（CIMS）图1-9所示是一个经济型计算机集成制造系统的组成。它通过计算机网络，将计算机辅助设计、计算机辅助规划以及计算机辅助制造，统一连接成一个大系统，实现了全厂的自动化。这是当今计算机在自动化制造系统中应用的最高水平。2计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（CIMS）在CIMS制造环境条件下，为使所有信息都能顺利传输，各个独立设备之间的通信是由局部区域网（LAN）实现的，并且通信网络是分级管理的，如图1-10所示。2计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（CIMS）在这样一个分级管理的通信结构中，最高级的是制造自动化协议（Manufactur

15、ing Automation Protocol一MAP)网络，它由7层协议堆栈实现，并采用了宽频带技术，能连接不同厂商提供的各种非标准协议的设备，但是价格较高、实时性不足。2计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（CIMS）中间级采用增强性能结构（Enhanced Perfarnnance Architectu-EPA）的MAP网，简记为MAP/EPA。MAP/EPA网采用3层的协议堆栈和简单的物理层以及载波频带技术，因此价格便宜，响应速度快。最低级采用现场总线(Field bus）。现场总线给传感器、执行器以及底层控制器提供了柔性的通信系统。第三节第三节 系统结构与模块系统结构与模块机电一体

16、化系统设计需要有一种能建立和评价各种技术集成的框架结构。为了达到此目的，人们建议采用一种自上而下和基于信息策略的系统结构。它将整个系统分解为一系列的功能模块或方块。模块之间的信息传递用箭头连接起来，箭头方向表示信息传递方向。这样，就可以将整个机电一体化系统用结构方块图表示出来。 一、环境模块一、环境模块环境模块涉及系统工作的一些外部参数，如温度、湿度、振动、冲击以及负载因素等。这些参数将影响整个系统的工作性能。它们在系统设计中构成了一系列的参数边界。系统必须在这些参数边界范围内生存和工作。任何一台仪器设备，在恒温下工作和在车间工作以及野外工作，其环境条件显然存在着巨大的差别，因而对设计的技术要

17、求也是极不相同的。所以，对环境模块的各种参数要求，必须强调实际应用标准和规范，例如，例行试验条件等。二、机械结构模块二、机械结构模块机械结构模块代表系统的机械结构零部件的物理实现。它主要涉及材料性能、结构特性、形状、体积及重量等参数。机械结构模块的输入由驱动模块和环境模块定义的条件一起提供的运动一机械结构模块的输出由测量模块接收，并转换为相对应的电信号。由于机械结构模块涉及系统的外貌，它还必须包括美学元件，应具有美观的造型。机械结构模块在机电一体化系统中有着特殊的作用和功能，例如，改变速度、远距离动作、力的放大和反馈、速度和力的参数调节、同步传动和传送物料等。在设计中，必须考虑精度、惯量、阻尼

18、、摩擦、间隙等参数要求，符合静平衡、动能最小等设计原则。三、测量模块三、测量模块测量模块涉及采集有关系统状态和行为的信息，由传感器、调理电路、变换电路等组成。输入参数是确定机械结构模块性能的物理变量，例如，强度、压力、位移、速度、力（力矩）以及变形等。输出参数是被测量的特征值，如电压、电流、相位、频率等。对测量模块的设计要求，就是不失真地反映被测物理变量的时间变化曲线。这里，包含了分辨率、精度、线性范围、动态响应等一系列技术指标。四、驱动模块四、驱动模块驱动模块通常由伺服放大器、执行机构、传动装置（减速器）、内反馈回路以及功率源等组成。在许多情况下，驱动模块本身就是一个伺服传动系统。驱动模块在

19、系统中的作用是改变系统的运行状态，产生所希望的运动输出。它的输入条件由处理器的输出指令设定，指令由所要求的运动形式定义。驱动模块的设计参数包括运动形式（直线运动、旋转运动、往复运动等）、运动变量（预定速度、最大加速度等）、额定力矩、电源功率、效率等。五、通信模块五、通信模块通信模块用作系统内部各模块之间的信息传输。输入和输出条件与被传输的信息特性、信息传输距离以及工作环境有关。远距离传输多数采用光缆。在车间环境下工作，为防止电噪声干扰，红外通信用得比较普遍。六、微处理机模块六、微处理机模块微处理机模块在系统中负责处理由测量模块和接口模块提供的信息。输入参数包括被测量的反馈量和与系统运行有关的设

20、定参数，如行程、工作速度等。微处理机模块的输出，一部分是决定驱动模块的工作状态，另一部分是供给接口模块的信息，反映系统当前的工作状态。对微处理机模块的设计要求取决于原始的系统功能，例如，控制机器人手臂、监控机器性能等。由控制和监控的具体功能所要求的传感器和执行器，可以决定微处理机的输入输出数目和形式。根据将要实现的功能的数量和复杂程度，可以决定合适的中央处理器(CPU）以及存储器的容量和速度。七、软件模块七、软件模块软件模块包括系统的操作指令和预先定义的各种算法，负责控制微处理机模块工作。软件模块的特性和形式与所选用的微处理机模块密切相关。软件模块的质量对机电一体化系统的柔性和智能化有着巨大的

21、影响。软件编程有汇编语言和高级语言，或者两种语言的混合编程。一般输入输出接口的子程序采用汇编语言，运行速度较快。系统软件可以采用高级语言编程，以缩短开发周期。八、接口模块八、接口模块接口模块在系统内主要用于各级之间的信息传递。在最高级，必要的人机接口用来传递用户信息。在设备层，输入输出接口用来传递传感器和执行器的信息输入输出接口的形式与所传递的信息特性有关。例如，模拟量用ADC和DAC，逻辑电平用并行I/O口，计数量用可编程计数器等。提示：应注意，在设计过程中的每一个阶段，都可以确定由独立的模块提供的功能特性，以及被传递的信息特性。在设计过程的较高阶段定义的模块，很可能本身就是一个机电一体化系

22、统，并在设计的下一阶段进一步定义出一组模块。这就是说，在一个机电一体化系统中，一个独立模块很可能是一个机电一体化的子系统。机电一体化的子系统又可定义出一组模块。因此，图1-11所表示的机电一体化系统结构模块是相对而言的。它既可以适用于大系统的结构，例如多自由度的工业机器人，也可适用于子系统的结构，例如工业机器人的关节伺服系统。第四节第四节 设计指标与评价标准设计指标与评价标准在设计一个机电一体化系统时，必须确定一系列的设计指标，也就是说，对所设计的系统提出必须满足的要求。同时，对一台新上市的产品进行评价时，也应该有一些标准，才能评定该产品的优劣。设计指标和评价标准通常是不矛盾的，相互是统一的，

23、但是二者的要求也是有区别的。前者多为定量指标，后者是在定量基础上的定性评定，如合格不合格，名列第几等。对于任何一个机电一体化系统，设计指标和评价标准大体上应包括以下几个方面。一、系统功能一、系统功能任何系统都是供给最终用户使用的，最终用户添置该系统后，能具有哪些用途，这是人们首先关心的问题，同时也是系统生产者预测市场需求的大事。譬如，当市场上三轴驱动两轴联动的数控系统已经成熟时，生产者应该注意进一步开发五轴驱动三轴联动的系统。这样既可以具有更高要求的用户订货，又可更广泛地开拓市场。所以说，任何系统的功能要求，都应该从市场需求出发，尊重最终用户的意见，结合技术上的可行性，再作出抉择。切不可片面追

24、求功能的多寡。二、性能指标二、性能指标当系统功能决定后，每一项功能都应该满足一定的性能指标，只有这样，该项功能才具有实用价值。譬如，一台数控系统具有轮廓切削的功能，但是它的定位精度很差，最终还是不能达到加工出合格零件的目的，这项功能等于乌有。所以，性能指标是系统功能的定量度量。性能指标有分辨率、灵敏度、精度、线性度、速度和位移范围，以及承载能力、功耗、体积、质量等。制定性能指标时，必须有科学的依据，切不可轻率从事。否则，便会造成巨大的浪费。性能指标降低了，会使设计出来的系统不能实用；而性能指标高了，将加大实现的难度和代价。三、使用条件三、使用条件任何系统都是在一定条件下运行的，其中包括客观的环

25、境条件和主观的人员素质。客观的环境条件有温度、湿度、振动、冲击、噪声、电磁干扰等。主观因素应考虑系统适合何种文化水平的人员使用。这里必须满足可操作性、可维修性、安全性及可靠性等一系列有关人身和设备的正常运转的要求。在满足客观环境和主观因素这两方面的使用条件下，系统应具有一定的平均无故障时间和足够的使用寿命。只有这样，系统才能经久耐用，具有实用价值。四、经济效益四、经济效益在社会主义市场经济时代，任何新产品的开发，都应该考虑经济效益。所谓经济效益，应从两个方面考虑，一是从投资一方，花多少经费、人力及时间，可以开发出新一代产品并投放市场，估计在市场上占有多大的份额，将有多大的收益；二是从最终用户这

26、一方，分析他们的费效比和经济承受能力。只有在这两方面都考虑成熟了，才能制定出好的新产品开发策略。小结：总之，在设计机电一体化系统时，应全面考虑各项设计指标，力求做到系统功能相对齐全，性能指标比较合理，系统功能相对齐全，性能指标比较合理，实用性强，安全可靠性高，经济效益好。实用性强，安全可靠性高，经济效益好。同时，把他们作为开发新产品的评价标准。在评价新产品时，还应该与世界同类产品比较，注意他们的技术特点、先进性（费效比、节能节材、工作柔性等）以及社会效益等。第五节第五节 设计思想与方法设计思想与方法在机电一体化系统工程设计中，为了提高系统的性能和柔性，要求广泛的物质和信息的集成。无论在概念设计

27、阶段或者详细设计阶段，都必须始终贯彻机械与电子的紧密结合的原则。机电一体化系统设计往往伴随着机械系统的再设计，而且，机械系统的再设计还不是全部。许多现代的机电一体化工程设计不是被动的依靠机遇来革新机电产品，而是预先精心计划应用，并充分集成电子技术和机械技术，有目的地创造出最优的新产品，以达到新的系统比它们的原有产品更便宜、更简单、更可靠以及更具有工作柔性。 传统的工程设计方法与机电一体化的工程设计方法的主要区别： 第五节第五节 设计思想与方法设计思想与方法机电一体化方法将给产品设计带来各种发展机会。在进行机电一体化系统设计时，通常，应遵循如下原则来处理“机”与“电”的关系。一、替代机械系统一、

28、替代机械系统在极端情况下，机械的功能可以完全由微处理机和执行器取代，从而使机械产品变成电子产品。如电子手表取代机械手表，由微处理机、信号线及执行器组成的电操纵取代飞机上笨重的驾驶杆和控制面之间的连杆机构。二、简化机械系统二、简化机械系统在许多情况下，机械系统可采用机电一体化方法加以简化。依靠微处理机和执行器可以提供诸如轮廓、速度以及定位控制任务的功能。例如，传统的打字机为了移动打字头和带动纸前进，需要几套机械系统。现代的打印机，特别是激光打印机，附加了电子控制装置和微处理机，不仅能自动打印文字，而且有绘图能力。再如，安装在地面上的大型天体望远镜和卫星跟踪天线，采用轻巧的二自由度平衡环结构和计算

29、机控制方法，可以跟踪空间的任意目标。三、增强机械系统三、增强机械系统将正常设计的机械与闭环控制回路相组合，可以实现增强机械系统的运动速度、精度以及柔性。在闭环回路中，固有的比例控制在部件上的应力，与终点急刹车的执行器相比较，要小得多，因此，有关的部件可以做得更轻、惯量更小。例如，某些早期的机器人用开关控制终点急刹车的方式工作；还有一些为了实现它们的手爪沿直线路径运动，采用了复杂的机械系统。自从在机器人的每个轴上用了直流驱动电动机和谐波齿轮传动后，设计就进步多了，可以对每一根轴提供编程的比例速度。但是，由于这些电动机在空间运动，其惯性效应比较严重。更现代的方法是采用扁平型电动机直接安装在机器人的

30、基座上，依靠同轴软管和钢管驱动每一根轴。三、综合机械系统三、综合机械系统采用嵌入式微处理系统，有能力综合不同的机械系统以及相关的功能。例如，如果自动洗衣机由双速（洗旋）、单向电动机驱动，那么要求机械系统产生双向洗的动作；而采用变速直流电动机和控制器，这个动作可以由直接驱动实现。总之，机电一体化设计方法应在一开始就注意充分发挥机械和电子的综合优势，通过机电互补和集成，以求达到设计出最优的新产品，适应竞争日益激烈的世界市场。在这个市场上，工业产品的制造和销售能否获得成功，越来越依赖于机电一体化的设计能力。第六节第六节 设计过程设计过程根据评审和继续、重新工作或中途停止的决策来划分，整个设计过程可以

31、分为以下几个阶段。一、需求一、需求开发新产品应该主要由市场导向，而不是由技术导向。必须积累足够的市场研究经验和知识，才能清楚地掌握消费者的需求。这并不是说企业或公司不能够依赖生产新产品来开拓市场；而是说，在这方面一旦失败，其损失是非常惨重的。二、可行性二、可行性可行性研究必须调查所建议的产品或过程在商业和技术两方面的问题。在产品的情况下，成本概算不仅要考虑产品本身材料和元件的价格，而且要考虑生产该产品的生产设备和工具，以及产品推向市场前的开发费用、保险消耗以及未来购买者的维修消耗。这些也是影响产品利润和销售的因素。现在有全寿命周期成本的观点，即成本应考虑整个生命周期发生的费用。三、技术指标三、

32、技术指标一开始必须列写出书面的总体要求的技术指标，以便让与开发有关的人士清楚地了解必须满足的功能和要求。在这一阶段，需要（基本要求）和愿望（也许有了更好）应该分开，并且对有关它们的结论应该作出决策。关于所需功能的解决方法将不要求尝试或作出结论，因为这是设计过程下一阶段发生的事情。三、技术指标三、技术指标下列15项基本信息在总体技术指标中必须强调：l）空间要求和限制；2）质量；3）负载；4）运动形式和范围；5）直线和旋转运动的速率和速度；6）直线和旋转加速度；7）精度和分辨率；8）控制功能；9）设计寿命；10）每一个系统元件的输入和输出要求；11）内部和外部通信；12）功耗；13）接口；14）工

33、作环境；15）实用标准和规范。四、概念设计四、概念设计在概念设计阶段，应该对于要求的每一个功能作出求解方法的选择。如果可能的话，应该对于实现每一种功能至少想出几种选择。然后，通过评审和组合这些概念设计，产生优选的系统方案。五、分析、建模及仿真五、分析、建模及仿真为了帮助选择可能的解决方法，以及在详细设计阶段决定工作特性和元件尺寸等参数，可能要求对系统及其元部件进行分析和建模，并采用计算机辅助工程技术进行计算机仿真，试验各种模型和选择。这样，可以大大地缩短传统的模样再设计模样的循环过程，从而导致更短、更便宜的产品开发周期。六、具体化和最优化六、具体化和最优化一旦建立了可接受的解决方案后，应尽量直

34、接进入详细设计阶段。然而，为了设计最优的产品或系统，应该改变所选求解方法的参数，例如，元件的尺寸、材料、数量及额定值，以决定它们对系统要求的特性的影响，从而有能力确定使系统性能特性达到最优（最大或最小）的参数值。七、详细设计七、详细设计只有当最优化设计完成后，才能够考虑详细设计，选择标准元器件，绘制加工图样，表明每个元部件的公差，并通过试验，标明哪一个公差对特性变化影响最大，必须严格掌握。应注意，开发一个新的系统，通常不是一次设计就能顺利成功的，而是需要经过设计-制造-试验，再设计-再制造-再试验等反复循环过程，才能设计出达到最终满足设计要求的新产品。第二章第二章 机械传动与支承导向部件机械传

35、动与支承导向部件机电一体化系统中机械结构模块的主要组成部分是机械传动装置与支承导向部件，而支承导向部件又包括轴系、导轨及支承件等。它们在机电一体化系统中有着特殊的作用和功能，例如，传递运动和负载、匹配转矩和转速、隔离环境温度和震动，以及支承和包装等。对于机电一体化系统来说，机械部件的精度、游隙、摩擦、惯量、抗振性、稳定性以及可靠性是必须优先考虑的一些技术指标。第二章第二章 机械传动与支承导向部件机械传动与支承导向部件本章重点介绍在机电一体化系统中常用的一些机械传动部件、轴系、导轨及支承件。讨论它们的原理、结构、特点以及主要参数计算。最后，从系统的角度提出其动态数学模型和设计参数要求，以有利于系

36、统级的分析和设计。第一节第一节 齿轮系与蜗杆副齿轮系与蜗杆副齿轮系及蜗杆副是一种发展历史悠久、现在仍广泛使用的机械传动部件。它工作可靠、传动比恒定、结构成熟，但制造复杂。齿轮传动的主要精度要求是瞬时传动比不变，即主动轮作匀速转动时，从动轮也作匀速转动。理论上，摆线、渐开线的各种应用曲线都能够满足要求。但是，由于加工、装配及运行误差，使得从动轮的实际转速变得忽快忽慢，在一转范围内的实际转角与理论转角之间存在偏差。这不仅影响传动精度，而且影响工作平稳性。一、分类及选用一、分类及选用第一节第一节 齿轮系与蜗杆副齿轮系与蜗杆副根据传动轴的不同特点，可选用不同类型的齿轮或蜗杆副组成传动部件。传递平行轴之

37、间运动的正齿轮易于设计制造、成本低，使用最为广泛。斜齿轮可用于高速、重载、要求噪声低的场合，但存在较大的轴向推力；人字齿轮由于左右齿推力平衡，而不产生轴向推力，但其中一个齿轮应有一定轴向间隙，以便安装。相交轴传动中直齿锥齿轮为线接触，传动效率高。交错轴斜齿轮有滑动作用，传动效率低，同时为点接触，只能承受较轻负载。行星齿轮尺寸小、重量轻、效率高，且能传递较大功率，但结构比较复杂。第一节第一节 齿轮系与蜗杆副齿轮系与蜗杆副蜗杆副在一定意义上也可看作一种特殊的齿轮，只能用于传递空间垂直交错轴之间的回转运动。蜗杆为传动副的主动构件，蜗轮为从动构件。若设计的蜗轮包着蜗杆，则称为单包；若蜗轮和蜗杆相互包着

38、，则称为双包。蜗杆副为线接触，可传递较大功率，传动比大。蜗杆一般有18个头，优点是传动平稳、噪声小、可自锁，但传动效率低，功率损失较大。二、齿轮系传动比最佳分配条件二、齿轮系传动比最佳分配条件齿轮系经常用于伺服系统的减速增矩，往往由数对啮合齿轮组成减速器。为了达到驱动负载的高加速度，要求减速器的转动惯量尽可能地小。下面，根据最小等效转动惯量原则，决定齿轮传动级数和各级传动比分配。首先考虑图2-1所示电动机驱动的两级齿轮系，然后再推广到多级传动的情况。假设各主动小齿轮的转动惯量和齿厚均相等。图中1、2、3、 4为齿轮。设第一级齿轮传动比为i1，第二级的传动比为i2。 二、齿轮系传动比最佳分配条件

39、二、齿轮系传动比最佳分配条件对于由齿轮l和齿轮2组成的齿轮副，忽略传动能量损失，由动能守恒定律得 (2-1)式中 - 折算到1轴的转动惯量； - 折算到2轴的转动惯量； n1-1轴转速； n2 -2轴转速。2222112121nJnJ121J221J二、齿轮系传动比最佳分配条件二、齿轮系传动比最佳分配条件由式（2-1）可得折合到1轴和2轴的转动惯量的关系式 (2-2)同理，有 (2-3)12112212JiJnnJ3224JiJ 二、齿轮系传动比最佳分配条件二、齿轮系传动比最佳分配条件设各齿轮材料相同，厚度相同，且齿轮1和齿轮3一样大，则有J3= J1，并且， ， 因此，等效到电动机轴上的总转

40、动惯量J为 (2-4)其中第一等式已利用转动惯量折合关系式(2-2)和式(2-3)。设总速比为i，即，ii1 i2，则式（2-4)可改写成 （2-5）12122211121121224321211)(JiiiJJiJiiJJiJJJ)111 (4121211iiiJJ1412JiJ3424JiJ二、齿轮系传动比最佳分配条件二、齿轮系传动比最佳分配条件令 ，可解得即 （2-6） 或者 由式（2-6），可得使转动惯量J最小的i1和i2的关系式 （2-7）由于i11，式（2-7）可近似为 （2-8）0iJ102iii2216102iii2222161i02i1i224121412ii2212ii 二

41、、齿轮系传动比最佳分配条件二、齿轮系传动比最佳分配条件 一般来说，齿轮传动的总等效惯量随着传动级数增加而减少，但传动效率随着传动级数增加而降低，齿隙和摩擦的来源也随之增加。因此，在设计齿轮系传动部件时，应在传动级数和传动比的分配方面综合权衡。工程上，可按照图2-2曲线确定齿轮传动级数和传动比。为了减少负载转动惯量，除了上述考虑外，在结构上，还可在满足强度的前提下尽可能把齿轮做小，选用轻质合金以及采用在齿轮上开孔等措施。二、齿轮系传动比最佳分配条件二、齿轮系传动比最佳分配条件对于大功率传动情况，由于传递力矩较大，应考虑随转矩逐级增大相应各级齿轮的模数、齿宽，尺寸大小也应逐级增大。这时，可依照图2

42、-3中的曲线来设计齿轮系传动级数和各级传动比。设计举例当设计总传动比为i=256，由图2-3a可得，当n=3时，JG/JP=70；当n=4时，JG/JP=35；当n=5时，JG/JP=26。为了兼顾JG/JP值的大小与传动部件的紧凑性，宜选择n=4，即4级传动。再由图2-3b可得，第一级传动比i1=3.3。然后，在图2-3c中，由横坐标i=3.3，查出对应A曲线的纵坐标，可得第二级传动比i2=3.7。过A曲线该点作水平线，与B曲线相交，由该交点的横坐标得第三级传动比i3=4.3。设计举例最后，过B曲线上该交点作垂直线，再与A曲线相交，该交点所对应的纵坐标即为第四级传动比i4=4.9。此时，i=

43、i1i2i3i4=257.2647，与设计值相近，稍作修正即可。 三、齿轮副间隙的消除三、齿轮副间隙的消除齿轮副的间隙使得在传动过程中，主动轮突然改变旋转方向时，从动轮不能立即随之反转，而是有一个滞后量，造成齿轮传动的回差。这种非线性因素将会影响全闭环伺服系统的稳定性。消除齿轮副间隙通常分为刚性调整法和柔性调整法。1、刚性调整法、刚性调整法包括调整中心矩法、选择装配法、带锥度齿轮法以及斜齿轮法。2柔性调整法柔性调整法 柔性调整法主要通过在双齿轮中间加入弹性元件，使双齿轮分别贴紧其啮合齿轮齿的两侧，以消除啮合间隙。这种方法在齿厚和周节有差异的情况下，仍可保持无间隙啮合，但将影响其传动平稳性，传动

44、刚度较低。齿轮传动误差分析在齿轮系传动中，各级齿轮的传动间隙对系统精度影响程度是不同的。设各级齿轮间隙分别为1，2，n，则归算到负载轴上的总间隙为 （2-9） 式中i1，i2，in-1-各级传动比。对于减速传动的系统，传动比大于1，即ik1，k1，2，于是，由式（2-9）可见，后级的间隙比前级的间隙影响大，最后一级的间隙对系统的精度影响最大，因此，对于减速齿轮传动，保证最后一级齿轮精度最为重要。121111nnnnii ii第二节第二节 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副普通的螺旋传动早已在将回转运动变换为直线运动的场合得到广泛应用。但是，由于螺杆和螺母之间为滑动摩擦，在磨损和精度等方面不能满足一些

45、高精度机电一体化系统的要求。滚珠丝杠螺母副克服了普通螺旋传动的缺点，已发展成为一种高精度的传动装置。它采用滚动摩擦螺旋取代了滑动摩擦螺旋，具有磨损小、传动效率高、传动平稳、寿命长、精度高、温升低等优点。由于滚珠丝杠螺母副具有运动摩擦小、便于消除传动间隙等突出优点，它给机电一体化系统的性能改善带来了具大的益处。但是，它不能自锁，用于升降传动时需要另加锁紧装置，结构复杂、成本偏高。滚珠丝杠螺母副的精度根据使用范围及要求分为七个等级，即1，2， 3，4，5， 7， 10级，1级最高，依次递减。主要规格和性能指标如下：（l）公称尺寸和基本导程，见下表。(2)行程偏差和行程变动量，根据精度等级和有效行程

46、查表。容许行程变动量见下表。3）工作温度125300 。（4）工作寿命；数控机床、精密机床为1500h。一、结构类型一、结构类型滚珠丝杠螺母副分为外循环插管式和内循环反向器式两种类型，如图2-12所示。一、结构类型一、结构类型外循环插管式滚珠丝杠螺母副的滚珠，在循环过程中有一段离开丝杠表面，通过弯管形成循环回路。它的结构简单，制造容易，但径向尺寸大，且弯管两端管舌耐磨性和抗冲击性差。内循环反向器式滚珠丝杠螺母副的滚珠，在循环过程中始终与丝杠表面接触，通过反向器越过丝杠的螺纹外径进入相邻滚道，形成一个循环回路。内循环反向器式结构回路短，摩擦小，效率高，径向尺寸小，但制造成本较高。二、传动刚度计算

47、二、传动刚度计算传动刚度是机械传动部件的一个重要性能指标，它直接影响整个机械结构的振动模态和机电一体化系统的性能。一般滚珠丝杠比较细长，它的刚度应该给予充分重视。参考图2-13，滚珠丝杠螺母副的传动刚度计算步骤如下：首先、由图a得到系数bSt ，利用该系数可使图b的S spm标尺扩展；其次，从图b中，根据外部轴向力Fasp与轴向预载荷力Favm，得到轴向位移S spm；于是，滚珠丝杠螺母副传动刚度可由下式计算 （2-10）spmaspSFk传动刚度计算举例传动刚度计算举例当丝杠直径为40mm，滚珠直径为6.35mm，每个螺母单元有3个滚珠环道，可由图a得bst3。如果外部轴向力Fasp为200

48、00N，轴向预载荷力Favm为5000N，则由图b可查得轴向位移S spm为S spm9m3=27m （2-11）因此，可计算该滚珠丝杠螺母副的传动刚度为 （2-12）mNmNk/740272000三、间隙消除及预紧方法三、间隙消除及预紧方法滚珠丝杠螺母副广泛用于闭环伺服控制系统中，如果传动存在间隙非线性，将使控制性能变差，故一般要采取消除间隙和适当预紧的措施：其主要方法有以下四种：1、双螺母齿差式、双螺母齿差式2双螺母螺纹式双螺母螺纹式3双螺母垫片式双螺母垫片式4单螺母变位导程自预紧式单螺母变位导程自预紧式 三、间隙消除及预紧方法三、间隙消除及预紧方法滚珠丝杠螺母副的传动间隙除了结构本身的轴

49、向窜动外，还应考虑加上轴向载荷后弹性变形所产生的轴向窜动。预紧能够有效地减小弹性变形所带来的轴向间隙，但预紧力过大将增加摩擦阻力，降低传动效率，减少其使用寿命。预紧一般应在最大轴向载荷下，既能消除间隙，又能灵活运转。在工程设计中，一般预载值的大小取最大负载的1/3时，可使效率不偏低。加预载一般分三次加载，每次加1/3的预载力，开车跑20min。 四、支承结构形式四、支承结构形式滚珠丝杠螺母副的支承主要是约束丝杠的轴向窜动，其次才是径向约束。1两端固定（双推-双推，F-F）。2一端固定一端游动（双推-简支，F-S）3两端均为单向推力（单推-单推，J-J）4. 一端固定一端自由（双推-自由， F-

50、O）第三节第三节 谐波齿轮减速器谐波齿轮减速器谐波齿轮是随空间宇航技术发展，由行星齿轮传动演变而来的。它与普通齿轮副传动相比具有速比大、范围宽，重叠系数大，啮合好，传动精度和效率高、平稳、噪声小，结构紧凑、质量轻，承载能力大，功率范围宽，间隙易于消除，可通过密封壁传动等优点，在高技术领域已经获得广泛应用。谐波齿轮减速器的技术条件如下：（1）精密级和普通级的传动误差和空程分别小于2和6；（2）额定载荷下输出轴的扭转变形角不超过15；（3）传动比为63125，效率大于80%90%；传动比大于125，效率为70%80%；（4）使用环境条件：温度40 + 50；相对湿度95% 3%（20）；振动频率7

51、0500Hz，加速度2g；扫频循环次数10次（5）在额定转速和额定载荷下，使用寿命1 104h；（6）噪声不大于60dB。一、工作原理及结构一、工作原理及结构从传动原理上讲，谐波齿轮传动分单波和双波两种；当波发生器只有一个单滚子时，这种传动称为单啮合区（单波）谐波齿轮传动；当波发生器有两个滚子时，则称为双波传动。双波传动由于对称安装有两个滚子，抵消了单滚子波发生器上的径向力，而且，柔轮和刚轮的齿数差最好为2，保证了柔轮变形的对称性。此外，波发生器还可做成3个或3个以上的滚子，这时，柔轮和刚轮的齿数差相应为3或3以上。不过，滚子越多，柔轮中的弯曲应力越大。一、工作原理及结构一、工作原理及结构柔轮

52、是一个薄壁齿圈，波发生器将它撑为椭圆形。当波发生器转动时，柔轮长轴上的轮齿A和B与刚轮完全啮合，短轴上的轮齿C和D则与刚轮完全脱开，而中间区域处于过渡状态。设柔轮比刚轮少2个齿，则当波发生器顺时针转动一周时，柔轮相对刚轮逆时针转过2个齿，于是，将波发生器的快速转动变为柔轮的慢速转动，获得很大的减速比。谐波齿轮传动除了可设计成刚轮固定外，还可设计成柔轮固定或波发生器固定的传动形式：将柔轮固定可实现通过密封壁传动。一、工作原理及结构一、工作原理及结构与完全刚性构件组成的行星齿轮传动相比，谐波齿轮采用了一部分柔性构件。传动时，由于有多对齿同时啮合传递载荷，故承载能力大。同时，由于轮齿的相对位移不大，

53、而且主要发生在载荷小的区域，故啮合时的摩擦损失小，轮齿的磨损也小。又由于谐波轮齿的特殊形状，波发生器和柔轮运动副中的压力角减小，故能量损失小。波发生器分连续作用式和脉动作用式。前面介绍的机械滚子式波发生器属于连续作用式。而脉动作用式又分液动式波发生器、气动式波发生器和电磁式波发生器。由于滚子轴承尺寸的限制，滚子式波发生器只适用于小功率的低速传动。 一、工作原理及结构一、工作原理及结构滚子式波发生器工作时，滚子与柔轮接触处常出现很大的表面应力。为了减小由此带来的应力，可以将滚子直径加大。加大到两个滚子直径之和大于柔轮直径时，可将一两个滚子沿轴向前后叉开，安装在不同的平面上，以避免两个滚子顶住。这

54、种波发生器称为圆盘式波发生器。谐波齿轮还可以采用轮廓曲线经过计算的凸轮代替自由波发生器，以便增加啮合齿的对数。这种严格确定柔性构件变形形状的波发生器，称为定性波发生器。柔轮分为圆柱形和钟形。钟形的表面形状是双曲面，其目的是为了保证变形齿圈具有平行位移。二、传动刚度二、传动刚度扭转刚度扭转刚度k为 （2-13）由图可见，谐波传动的刚度是非线性变化的，图中用折线近似表示。粗略估算时，可用图示虚线近似求出刚度。对比图a和图b还可看出：当存在传动间隙时，其不准确度将增大。消除传动间隙通常从以下两方面入手：其一是采用无间隙花键、过盈配合、销钉等方式联接柔轮和轴；其二是将齿轮按照无间隙加工，由于存在柔性构

55、件，这种无齿隙啮合传动不会有任何问题。22ddTk 三、双波和圆盘式波发生器谐波传动三、双波和圆盘式波发生器谐波传动速比及柔轮直径的计算速比及柔轮直径的计算设柔轮齿数为Zl，转速为l；刚轮齿数为Z2，转速为2；波发生器转速为H，则速比分别为刚轮固定时 （2-14)柔轮固定时 (2-15)波发生器固定时 (2-16)1211ZZZH1222ZZZH1221ZZ柔轮直径d计算柔轮直径d通常根据在额定力矩作用下，以及径向相对的两个区域内沿啮合齿均匀分布的切向力作用下，柔轮受扭的计算来确定。即 (2-17)式中 C-考虑沿啮合区的载荷分布及变形量对柔轮中应力分布的影响系数，一般取为1216； MP-柔

56、轮上的计算力矩； -柔轮直径与齿圈下的柔轮壁厚之比，一般取为80l00； -双向承载时的许用扭转应力。3pMCd 传动比计算当柔轮从动时，柔轮齿数Zl和刚轮齿数Z2可根据传动比i确定。即Zl2i （2-18) Z2Zl2 （2-19)当刚轮从动时，则有 Z22i （2-20)Zl= Z22 （2-21）从切齿方便考虑，Zl和Z2最好能分解成小于100的因子；从切削精度考虑，Zl和Z2与插齿刀的齿数不应有公约数。第四节第四节 轴系轴系轴系由轴、轴颈、轴承以及轴上的传动件等组成。在机械传动链内，中间传动轴的要求一般不高，但对于保证机械功能、完成机械主要运动的主轴，则有较高的要求。主要要求包括：（1

57、）回转精度回转精度 如，精密金刚石车床的主轴回转精度达0. 025m；（2）静刚度静刚度。 即单位变形量所需的静载荷大小。第四节第四节 轴系轴系（3）动特性动特性。一般指轴系抵抗冲击、振动、噪声的特性。它与轴系的动刚度、惯量等因素有关。通常，以轴系主振频率来表征。例如，各种车床的主轴系统的主频率约为200Hz。（4）热特性热特性。轴系的热特性主要参数是热源强度、温升及工作部位的热位移。精密机械不仅要控制弹性变形，还应注意热变形引起的误差。一、滚动摩擦支承轴系一、滚动摩擦支承轴系滚动摩擦支承轴系采用滚珠轴承支承。常用滚珠轴承有两类：l）标准滚动轴承，例如，圆锥孔双列圆柱滚子轴承、角接触球轴承、双

58、向推力角接触球轴承、圆锥滚子轴承等；2）新型滚动轴承，例如，密集滚珠轴承、变预紧力轴承、转盘轴承等。 一、滚动摩擦支承轴系一、滚动摩擦支承轴系在轴承承受轴向负荷时，应对其实现轴向限位。若负荷为单轴向时，轴承内、外圈作单向异面限位。内圈左端面限位，外圈右端面限位，限位方向与轴的传递力方向一致。当轴承承受双轴向负荷时，应对其内、外圈均作双向限位。轴承内圈限位可利用各种形式的挡圈和螺母实现。轴承外圈限位可利用各种形式的端盖和套圈实现。若使用螺母限位，则必须附加螺母防松装置。此外，也可以采用过盈套实现轴承轴向限位。为了消除间隙和提高旋转精度，轴承应加预紧，使轴承在不受外载荷时，内部产生过盈。预紧适当可

59、以在不产生过度温升之下，提高轴承刚度、寿命和阻尼，并降低噪声。二、滑动摩擦支承轴系二、滑动摩擦支承轴系滑动摩擦支承轴系采用液体（或气体）动、静压轴承。1液体动压支承液体动压支承液体动压支承工作原理是斜板承载机理：若两平面之间的油液成楔形，二者相对运动时将产生压力，从而可以承载。利用这一原理可以设计出各种形式的结构，形成单向或双向旋转的各种类型的动压支承。根据形成油楔的结构不同，液体动压支承分为：l）球头浮动式；2）薄壁弹性变形式；3）加工形成式。 2气体动压支承气体动压支承气体动压支承的原理与液体动压支承的基本相同，在轴颈和轴瓦之间形成气楔。由于空气的可压缩性、粘度系数和温度系数变化都较小，用

60、于超高速、超高低温、放射性、防污染等场合有独特的优越性。根据结构不同，气体动压支承分为悬臂式、波箔式和张紧式。3液体静压支承液体静压支承液体静压支承的工作原理如下：在油压的作用下，轴套内孔壁上的油腔与运动表面之间形成油膜。当轴的重量忽略不计时，油膜四周厚度相同，油腔没有压力差存在。当轴在径向载荷作用下，轴心下移，上油膜厚度大于下油膜，油腔产生压力差，将轴托起，使之回到平衡位置。液体静压支承的特点是精度高、刚度大、抗振性好、摩擦力矩小，用于中低速重载高精度的机械设备，如主轴回转精度0.025m的超精密车床，重量达到5002000t的天文光学望远镜的旋转部件。根据结构不同，液体静压支承的形式有双半