《机电一体化技术与系统》教学大纲教案

《机电一体化技术与系统》教学大纲课程编码：课程名称：机电一体化技术学时/学分：32/1.5先修课程：《机械原理》、《机械设计》、《电工学》、《可编程控制技术》、《液压与气压传动》。适用专业：机械设计制造及其自动化开课教研室：机电一体化教研室一、课程性质与任务课程任务：任务是使机械设计制造及自动化的学生在机电一体化技术方面具有较广泛的知识，了解机电一体化系统（产品）一体化系统构建、设计，使学生在今后的工作中具有综合应用多学科知识的能力。二、课程教学基本要求要求掌握的基本知识机电一体化的一般知识。机电一体化的组成，各部分的性能、特点。要求掌握的基本理论和方法交流伺服电机特点及其调速方法，机械部件与气液控制技术基本原理。要求掌握的基本技能一、能设计电气电路图（并能完成配线。二、能进行PLC编程，能设计PLC控制电路。三、能用AUTOCAD画机械零30%左右，期末占70%左右。三、课程教学内容教学内容内容：机电一体化系统的意义；机电一体化系统设计工作的组织；机电一体化系统所代表产品的范围及分类；机电一体化系统设计的发展趋势。内容：熟悉电力电子器件，掌握整流电路的分析方法，熟悉PWM逆变原理。重点：整流电路的分析方法。难点：PWM逆变原理。3.第三章位置检测技术内容：熟悉包括行程开关、接近开关、光电开关检测开关原理及功能。重点：在了解各种开关原理基础上会进行简单的设计。难点：传感器接口技术，以及各传感器和plc输入模块连接。PLC控制系统控制系统，系统组成与PLC型号，PLC连接技术重点：PLC难点：PLC的应用与实践。第五章伺服传动技术的结构、工作原理及使用特点，环形分配器；功率驱动器的种类及其工作原理。重点:直流伺服电机特性和调速原理，直流伺服系统组成的基本原理，交流伺服电机特点及其调速方法，变频调速装置的基本原理。难点：直流伺服电机特性和调速原理，交流伺服电机特点及其调速方法。第六章机械传动与支承技术内容：同步带传动、谐波齿轮传动及滚珠花键传动装置的工作原理和工作特性。熟悉新型标准与非标准滚动轴承、液体与气体静压轴承、磁轴承、塑料导轨、滚动导轨和静压导轨的工作特性。重点：熟悉新型精密机械传动与支承件的工作特性，并能熟练选用。难点：机电一体化系统的机械系统的数学建模、精密机械传动件和支承件的工作特性、机械结构参数对伺服性能的影响。第七章液压与气动控制技术手控制系统分析。重点：液压控制原理及机械手液压控制原理分析。难点：喷漆机器人系统设计，气动机械手控制系统分析四、学时分配表环节环节讲自学习题课实验课其它小计内容课绪论11交流逆变技术33位置检测技术99PLC控制系统88伺服传动技术44机械传动与支承技术44液压与气动控制技术33总计3232五、建议教材及参考书教材：梁景凯主编，《机电一体化系统设计》，机械工业出版社。课程定位课。是学生经过三年基础课和技术基础课学习之后计课程。知识，从整体角度掌握机电一体化系统设计的思想、原理、方法和程序。学习方法1、认真听课2、参考教材自学3、网络自学和自测检查3、认真实验，主动参加自选实验4、积极参加讨论和完成作业（可以网络提交课程的考核办法理论课：百分制闭卷考试70% 平时成绩30%平时成绩：课堂效果、作业效果、网上答疑、实验效果1章概论1.1概述1.2机电一体化系统的设计1.3机电一体化系统的发展趋势美国《技术评论》认为，有十种新兴技术在不远的将来会产生巨大影响：无线传感器网络；可注入组织工程；纳米太阳能电池；机电一体化技术；分子成像；纳米印刷刻蚀；软件保证；糖原组学；量子密码术。1.1概述引言机电一体化一般包含机电一体化技术和机电一体化产品(系统)两层含义。1控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新科学技术。电子学机械学机电一体化电子学机械学机电一体化信息科学权威定义：70年代；合成词：Mecha—tronics。它取英语Mechanics()的前半部和Electronics（电子学）的后半部分拼成一个新词；(ASME)由计算机信息网络协调与控制的用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统。理解：机电一体化不是机械与电子简单的叠加，而是在信息论、控制论和系统论的基础上建立起来的应用技术典型的机电一体化产品(系统)有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、智CAD／CAM(ABS)发展概况：20世纪60工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结合，以提高机械产品的性能。但是由于电子技术的发展相对落后，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。70年代到80这个时期的特点是：①mechatronics（机电一体化）一词首先在日本被普遍接受，大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；②机电一体化技术和产品得到了极大发展；③各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。3、90年代后期为第三阶段①光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支。②对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。4、总的发展趋势①性能上，向高精度、高效率、智能化的方向发展，以数控机床为例，控制精度0.1um，进给速度100m/min以上，联动轴数15轴以上，界面、通讯等长足发展；②功能上，向小型化、轻型化、多功能化方向发展。③层次上，向系统化、复合集成化方向发展。（）智能化（）模块化）网络化（4）微型化（5）绿色化（6）人性化机电一体化的基本组成要素1、机械本体：机身、框架、机械联接等产品支持机构，实现构造功能。要求：可靠、小型、美观2、动力与驱动：要求：效率高、可靠性好3、传感测试装置：检测产品内部状态和外部环境，实现计测功能。物理量/化学量电信号要求：体积小、精度高、抗干扰4、执行机构：包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成要求的动作，实现主功能。要求：高性能、高精度、高效率、控制及信息处理单元处理、运算、决策，实现控制功能。计算机PLC D/A 光耦要求：高可靠性、柔性、智能化能源部分能源部分信息输入信息处理与控制驱动部分执行元件机械本体检测部分以上这五部分通常称为机电一体化的五大组成要素。在机电一体化系统中的这些称为四大原则。1、接口耦合与能量转换：变换、放大、耦合、能量转换23机电一体化系统的技术组成1、机械技术机械技术是机电一体化的基础。机电一体化产品中的主功能和构造功能，往往是品的主功能和构造功能，影响系统的结构、重量、体积、刚性、可靠性等。计算机辅助工艺规程编制、CADCAM等2、计算机与信息处理技术传感器A/D计算机D/A执行装置信息处理技术包括信息的输入、识别、变换、运算、存储及格出技术，它们大都是依靠计算机来进行的，因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。信息处理技传感器A/D计算机D/A执行装置3、自动控制技术自动控制技术就是通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。自再现、检索等控制技术。4、传感与检测技术研究对象：传感器及其信号检测传输装置（即变送器检测传感技术是机电一体度和可靠性将直接影响到机电一体化的性能。要求：能快速、精确地获得信息并在相应的应用环境中具有高可靠性。5、伺服驱动技术执行元件及其驱动装置执行元件种类：电动、液压、气压功能电路构成。6、系统总体技术系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统工程的观点和方法，将系统总体分要内容为接口技术。接口包括电气接口、机械接口、人机接口小结：机电一体化通过综合利用现代高新技术的优势，在提高精度、增强功能、改善操向前大大迈进了一步。1.2机电一体系统的设计机电一体化系统的分类分为开环控制系统和闭环控制系统电机典型闭环控制系统：传感器传感器工作台电动机丝杆驱动器（计算机）动力源机电一体化系统（产品）开发的类型机电一体化系统（产品）开发的类型依据该系统与相关产品比较的新颖程度和技术独创性，可分为以下几种设计类型：开发性设计（全新设计）适应性设计（原理方案不变，仅对功能及结构进行重新设计）变参数设计（仅改变部分结构尺寸而形成系列产品）机电一体化系统（产品）设计方案的常用方法在进行机电一体化系统（产品）设计之前，要依据该系统的通用性、可靠性、经济性和防伪性等要求合理地确定系统的设计方案整体设计法和组合法。取代法整体设计法组合法机电一体化系统（产品）设计与工程路线1、市场调查与预测市场调查与预测是产品开发成败的关键性的第一步。市场调查就是运用科学方法，系统地、全面地收集有关市场需求和经销方面的情况和资料，分析研究产品在供需双方之间进行转移的状况和趋势。市场预测通过定性的经验分析或定量的科学计算，对市场未来的不确定因素和条件作出预计、测算和判断，为企业提供决策依据。定性预测：在数据和信息缺乏时，依靠经验和综合分析能力，对未来的发展状况作出推测和估计，多采用下述调查法。走访调研、查资料抽样调查类比调查专家调查通过调查表向专家征询意见。根据主要影响因素和预测对象的数量关系建立数学模型，对市场发展情况作出定量预测。它多采用下述方法：时间序列回归法因果关系回归法预测目标与影响因素之间存在因果关系；产品寿命周期法产品都有一个开发、投产、成长、成熟直至淘汰的过程，衰退期。2、构思比较机电一体化产品设计应鼓励创新，充分发挥创造力和聪明才智来构思、创造新的方案。专家调查法头脑风暴法检查提问法检索查表法特性列举法缺点列举法希望列举法3、方案评价对多种构思和多种方案进行筛选，选择较好的可行方案进行组合和概略评价，从析评价，最后确定实施方案。4、详细设计根据综合评价后确定的基本方案，从技术上将其细节逐层全部展开，直至完成试制产品样机所需全部技术图纸及文件的过程。5、基本设计和工程路线产品技术开发产品技术开发目标可行性论证产品构思评价与审定制造/外购模块化设计软/硬件分配功能与结构分析试制样机试技术评价总结经验教训机电一体化产品开发的基本路线机电一体化产品开发的基本路线思考题：2章机电一体化机械系统设计理论2.1概述2.2机械传动设计的原则2.3机械系统性能分析2.4机械系统的运动控制机械设计技术

机械传动装置设计机械结构设计

滚珠丝杠传动谐波齿轮传动导轨设计支承装置主轴组件设计概述机电一体化对机械系统的基本要求高精度快速相应良好的稳定性机械系统的组成传动机构导向机构执行机构机械系统的设计思路静态设计动态设计机械传动设计的原则机械传动装置功能及性能要求功能：传递运动（速度、位移）和动力（力、力矩）增速或减速；变速；改变运动规律或形式 动力机的动力传递给执行机的驱动力(力矩）增速或减速；变速；改变运动规律或形式动力机的动力传递给执行机的驱动力(力矩）性能要求满足以下几个方面：1、转动惯量（J）小转动惯量大对系统造成不良影响，使机械负载变大，系统响应速度降低，灵敏度下降，但是J小不应影响机械系统的刚度。2、刚度（K）大刚度是指弹性体抵抗变形的能力，或产生单位弹性变形量所需要的作用力。大的刚度对机械系统是有利的，可增大机构固有频率，不易产生共振，增加伺服系统的KmKm稳定性。3、阻尼（B）合适系统产生振动时，B越大，振幅越小，衰减越快，但稳态误差增大，精度降低。阻尼比为： 1

B2 B2 mK临界阻尼系统 一般取 1 欠阻尼系统总传动比的确定在伺服系统中，通常采用负载角加速度最大原则选择总传动比，以提高伺服系统的响应速度。传动模型如图2-1所示。GGMLJimJmLLTLF图2-1电机、传动装置和负载的传动模型J——M的转子的转动惯量；mθm——电动机M的角位移J——负载L的转动惯量；LθL——L的角位移；TLF——摩擦阻抗转矩；i——齿轮系G根据传动关系有im

式中:

L、、

L L——电动机的角位移、角速度、角加速度；L L L、、——负载的角位移、角速度、角加速度。m m mT 换算到电动机轴上的阻抗转矩为T /i；J换算到电动机轴上的转动惯量为J/i2。LF LF L LL/di0 设T 为电动机的驱动转矩在忽略传动装置惯量的前提下根据旋转运动Lm方程，电动机轴上的合转矩T为aT T

Tii

(J

J L)a mJ(J m

m i2 mi2L)ii2LL则L

TiTJiJi2Jm LL式(2-2)中若改变总传动比i，则 也随之改变。根据负载角加速度最大的原则，令L则解得0,,若不计摩擦即T ＝ 则0,,TTLF2JLJmmTTi LFTmi2LLi J 或T Ti2LLJ mm式(2-3)iJ换算到电动机轴上的转动L惯量正好等于电动机转子的转动惯量J 的时刻，此时，电动机的输出转矩一半用于加速负m载，一半用于加速电动机转子，达到了惯性负载和转矩的最佳匹配。传动链的级数和各级传动比的分配1.等效转动惯量最小原则齿轮系传递的功率不同,其传动比的分配也有所不同。小功率传动装置电动机驱动的二级齿轮传动系统如图2-2所示。MMJ1i1JJ12i2J3图2-2电动机驱动的两级齿轮传动由于功率小，假定各主动轮具有相同的转动惯量J，轴与轴承转动惯量不计，各齿轮均12为实心圆柱齿轮，且齿宽b和材料均相同，效率不计，则有式中：2i(1

i)1/3i 21/6i2/32——i、i 齿轮系中第一、第二级齿轮副的传动比；——1 212i——齿轮系总传动比，i=ii同理，对于n级齿轮系，则有122nn11i22(2n)i2n11iini 2nk

2(k1)2n2n122由此可见,各级传动比分配的结果应遵循“前小后大”的原则。例2-1 设有i传动级数n=4的小功率传动试按等效转动惯量最小原则分配传比。解2441 1i22(24)802411.72681i 2(2

8024/

2(21))242 2.1085i 2(3

480248024/2

3.143815i 2(80)815

6.98874 22I=iiii801234J与第一级主动e1 e JJ/J，其变化与总传动比i2-31 e 图2-3小功率传动装置确定传动级数曲线＝n＝n1n＝2n＝3n＝4n＝5501Je惯 10动转 51 5 10总传动i比

50 100大功率传动装置大功率传动装置传递的扭矩大，各级齿轮副的模数、齿宽、直径等参数逐级增加，各级齿轮的转动惯量差别很大。大功率传动装置的传动级数及各级传动比可依据图2-4、图2-52-6来确定。传动比分配的基本原则仍应为“前小后大J惯动转

100n＝n＝1n＝2n＝3n＝4n＝5100 10 100总传动i比

1000图2-4大功率传动装置确定传动级数曲线108ik 6420

n＝1 n＝2 n＝3n＝45 n＝510 100总传动i比

1000图2-5大功率传动装置确定第一级传动比曲线101864ik2B

2 3 4 6 8 108642A11 2 3ik－1

4 6 810图2-6 大功率传动装置确定各级传动比曲线例2-2 设有i=256的大功率传动装置，试按等效转动惯量最小原则分配传动比。解 查图2-，得n=JJ=7n=J/J=3；n=J/J=2。兼顾到J/J

值的大e 1 e 1 e 1 e 1小和传动装置的结构，选n＝42-5i1＝3.32-6ik-13.3处作Aiki2＝3.7。通过该点作水平线与Bi3＝4.24。由第二点作垂线与Ai4＝4.95。验算i1i2i3i4＝256.26。满足设计要求。质量最小原则1）大功率传动装置大功率减速传动装置按质量最小原则确定的各级传动比表现为“前大后小”的传动比分2-72-8选择。10754ik 321101

20 30402 3 4 5i

30i1ii1ii21i3i3i1i2i1i210k9ki8i765310201020304050100100200300 500100070 1007 10i图2-7大功率传动装置两级传动比曲线 图2-8大功率传动装置三级传动比曲线（i<10时,使用图中的虚线） （i<100使用图中的虚线） 例 解2-8可得1 2 i≈12，i≈5i2）1 2 对于小功率传动装置，按质量最小原则来确定传动比时，通常选择相等的各级传动比。181817151614 1311 1276109851342伺服电动机因而每级齿轮副的中心距也相等。这样便可设计成如图2-9所示的回曲式齿轮传动链；其总传动比可以非常大。显然,这种结构十分紧凑。

图2-9 回曲式齿轮传动链以图2-10所示四级齿轮减速传动链为例。四级传动比分别为i1、i2、i3、i4,齿轮1~8的转角误差依次为ΔΦ1~ΔΦ8。输出输出73i24i8412i561i3图2-10 四级减速齿轮传动链ΔΦmax为Δ max

1234Δ

ΔiiiiΔiiii1Δ iiii23

1234Δ

4ii56i7 4ii56i7834 4

（2-7）由式(2-7)可以看出，如果从输入端到输出端的各级传动比按“前小后大”原则排列，则总转角误差较小,而且低速级的误差在总误差中占的比重很大。因此，要提高传动精度，就应减少传动级数,并使末级齿轮的传动比尽可能大，制造精度尽可能高。三种原则的选择在设计齿轮传动装置时，上述三条原则应根据具体工作条件综合考虑。（1）对于传动精度要求高的降速齿轮传动链若为增速传动，则应在开始几级就增速。（2）量最小原则和输出轴转角误差最小原则设计。（3）对于要求质量尽可能小的降速传动链，可按质量最小原则设计。机械系统性能分析2.3.1 数学模型的建立2-11所示的数控机床进给传动系统中，电动机通过两级减速齿轮G1、、G3、G4及丝杠螺母副驱动工作台作直线运动。设为轴Ⅰ部件和电动机转子构成的转动惯量；J2J3K2K3K为工作台导轨粘性阻尼系数；T1、T2、T3分别为轴Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的输入转矩。

2-11数控机床进给系统xoG4轴Ⅲ G2

m C

JTK333轴Ⅱ3G3轴Ⅰ

JTK222K11GT x 11 i上（本例是折算到轴Ⅰ上，使复杂的多轴传动关系转化成单一轴运动，转化前后的系统总机械性能等效；然后，在单一轴基础上根据输入量和输出量的关系建立它的输入/输出数学表达式（即数学模型。对该表达式进行的相关机械特性分析就反映了原系统的性能。在该系统的数学模型建立过程中，我们分别针对不同的物理量（如J、求出相应的折算等效值。转动惯量的折算把轴Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ上的转动惯量和工作台的质量都折算到轴Ⅰ上，作为系统的等效转动惯

、T′、Tω、

分别为轴Ⅰ、1 2 3 1 2 31 2 3 Ⅱ、Ⅲ的角速度为工作台位移时的线速度，z ，z ，z1 2 3 （1）Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轴转动惯量的折算。根据动力平衡原理,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轴的力平衡方程分别是：dt1TJddt11 1 d

T1Tdt2T dt22 2dt3TJ dt33 3

2T32因为轴Ⅱ的输入转矩T是由轴Ⅰ上的负载转矩获得的，且与它们的转速成反比，所以2二、传动装置的类型按工作原理分为：

TzTz2z21啮合传动(齿轮传动、齿形带传动)机械传动 摩擦传动(带传动、钢丝绳传动推动传动(凸轮连杆机构)液压传动流体传动 气压传动液力传交流电力传动电力传动磁力传动按输出速度情况分为：转速恒定传动转速可调传动

直流电力传动交、直流电力传动滚珠丝杠（或滚动螺旋）一、工作原理与结构形式丝杠和螺母的螺纹滚道间置滚珠，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，使丝杠和螺母作相对运动时为滚动摩擦。在螺母（或丝杠）上有滚珠返回的通道，与螺纹滚道形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内循环。结构形式（按滚珠的循环方式不同：内循环类型外循环类型1、传动效率高一般而言，摩擦系数较小因此，效率很高，可达90%-95%。2、运动具有可逆性回转运动变直线运动 正传动直线运动变回转运动 逆传动3、传动精度高分为：轴向定位精度、进给精度4、磨损小，使用寿命长滚珠、滚道、丝杠、螺母都经过淬火、硬化处理HRC58-65。5、不能自锁垂直安装时，当运动停止后，螺母在重力作用下下滑，故需设置制动装置，如图示。6、制造工艺复杂，成本高三、轴向间隙的调整轴向间隙包括两部分 滚珠与螺母原有的间隙、承载时滚珠与滚道弹性变形引起间隙当丝杠改变转动方向时，间隙会使运动产生空程，从而影响机构的传动精度。通常采用双螺母预紧的方法消除间隙，提高刚度。三种结构形式：垫片调隙式螺纹调隙式齿差调隙式变位螺距调隙式1、垫片调隙式调整垫片厚度，使螺母产生轴向位移，该形式结构简单，调整方便，应用广，但仅适用于一般精度机构。2、螺纹调隙式通过圆螺母调整，消除间隙并产生预紧力，再用锁紧螺母锁紧，结构紧凑，调整方便。3、齿差调隙式ZZ2Z2-3、齿差调隙式ZZ2Z2-分别与内齿轮啮合，调整时先取下内齿轮，使两螺母产生相对位移（复位固定，达到消除间隙的目的。产生的轴向位移（即间隙）δ为：(11)npZ1Z2则δ=0.6μm该结构复杂，加工和装配工艺性差，但是调整的精度高，工作可靠。四、支承方式的选择和设计计算1、支承方式的选择常用推力轴承和向心球轴承。两端都装止推轴承，承受轴向载荷两端都装止推轴承，承受轴向载荷两端都装止推轴承和向心球轴轴承，承受轴向、径向载荷固定端装深沟球轴承和双向推力轴承，承受径向、轴向载荷，简支端用深沟球轴承径固定可以用深沟球轴承和双向推力轴承组合或用3.2 （无侧隙）一、齿轮传动的特点作用：用来传递转矩和转速。优点：1、瞬时传动比恒定，传动精确度高；2、强度大能承受重载，结构较紧凑；3、满足主轴进给速度要求，增大主轴转矩。缺点：1、齿侧间隙对传动精度影响；2、齿轮的磨损引起反转误差的逐渐扩大。二、齿轮传动的类型1、直齿圆柱齿轮传动中心距a中心距a双片薄齿轮错齿调整法可调拉簧式：2、斜齿轮传动垫片调整法周向弹簧式：轴向（压簧）调整法3、齿轮齿条传动存在齿侧间隙，应加以消除，常用的方法：a、双片薄齿轮错齿调整法用于传动较小负载b、双齿轮调整法用于传动较大负载，如右图所示三、齿轮传动传动链的级数和级比的选择总原则：尽量采用较大传动比的单级传动：对数减少、传动精度提高多级传动时，遵循如下的原则：1、最小等效转动惯量原则传动比i并且等效转动惯量降低不明显。2、输出轴转角误差最小原则i的分配先小后大，并且提高末一级齿轮副的精度，使输出轴转角误差最小。3、重量最轻原则小功率传动时，i的分配各级相等；大功率传动时，i的分配先大后小。2.2.2 总传动比的确定在伺服系统中,