机械电子学第1、2章2014秋修改

《机械电子学》

也称之为

《机电一体化技术》主讲：王振成教授

高级工程师教材：《机电一体化技术》(第2版)主编：袁中凡李彬彬电子工业出版社2010-05-01出版第1章概论

机电一体化的基本概念

1机电一体化关键技术

2机电一体化的发展概况

3china_54@本章学习目标理解机电一体化技术的概念理解机电机电一体化技术的基本组成对机电一体化的关键技术有基本的认识机电一体化技术的发展方向机电一体技术在现在生活中的应用china_54@1.1机电一体化技术的概念1.1.1机电一体化系统的功能构成及定义

“机电一体化”是机械技术、微电子技术相互交叉、融合的产物。机械技术（机械学、机构学）机电一体化技术领域微电子技术（半导体技术、计算机技术）china_54@1.1.1机电一体化系统的功能构成及定义

机电一体化系统组成

能源部分信息处理与控制信息输入驱动部分执行元件机械本体检测部分china_54@1.1机电一体化技术的概念1.1.2机电一体化系统的结构要素

机电一体化内部所具有的功能

主功能（变换、传递、存储）动力功能

检测功能

控制功能

china_54@1.1机电一体化技术的概念机电一体化系统（产品）的5大要素及其相应的5大功能

china_54@1.1机电一体化技术的概念

1.1.3机电一体化产品的分类数控机械类

电子设备类

机电结合类

电液伺服类

信息控制类

china_54@1.2机电一体化关键技术

机械设计技术

计算机与信息处理技术

自动控制技术

传感与检测技术

执行与驱动技术

机电一体化总体设计技术

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1.3机电一体化的发展概况

1.3.1机械技术发展的总趋势阶段机械技术的发展代表的产品赋予机械的功能第一阶段机构的发明凸轮、齿轮、轴承、联轴器作业功能第二阶段使作业机构动作的动力机械的发明蒸汽动力、内燃机、电动机动力功能第三阶段自动控制技术的发明传感器、伺服系统测定功能第四阶段微电子学的发明大规模的集成电路、微型计算机智能功能china_54@

1.3机电一体化的发展概况

1.3.2国内外机电一体化发展状况机电一体化技术的发展大体上可分为三个阶段

20世纪60年代以前为第一阶段，也可称为“萌芽阶段”。信息技术的职能是能够提高或扩展人类的信息能力的方法和手段的总称。20世纪70年代至20世纪80年代为第二阶段，称为“蓬勃发展阶段”。

从20世纪90年代后期开始为第三阶段，称为“智能化阶段”，机电一体化技术向智能化新阶段迈进。

china_54@1.3机电一体化的发展概况

1.3.3机电一体化技术的发展趋势1．智能化2．模块化3．网络化4．微型化5．绿色化6．人性化china_54@作业题1．什么是机电一体化？机电一体化系统的功能构成和定义是什么？2．简要叙述机电一体化系统的共性关键技术。3．机电一体化系统的组成及作用？4．机电一体化系统的发展趋势是什么？china_54@

第2章机械系统设计技术

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第2章机械系统设计技术

机械设计概述

1传动机构的设计

2支撑导向部件的设计

3执行机构的设计

4部件应用实例

5china_54@本章学习目标1、了解机械设计的基本知识2、常用机械零件设计的基本理论和基本方法3、相关标准、规范的选用选择4、机械零件优化设计的思维模式china_54@

2.1机械设计概述

2.1.1机电一体化对机械系统的要求（1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑部件，如采用滚珠丝杠副、滚动导向支撑、动（静）压导向支撑等。（2）缩短传动链，提高传动与支撑刚度，如用加预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动与支撑刚度；采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接并减少中间传动机构；丝杠的支撑设计中采用两端轴向预紧或预拉伸支撑结构等。china_54@（3）选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。（4）缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支撑变形的措施。（5）改进支撑及架体的结构设计以提高刚性，减小振动，降低噪声。如选用复合材料等来提高刚度和强度，减小质量、缩小体积使结构紧密化，以确保系统的小型化、轻量化、高速化和高可靠性。china_54@

2.1机械设计概述

2.1.2机械系统的组成传动机构

导向机构

执行机构

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2.1.3机械参数对系统性能的影响

1.刚度2.惯量3.摩擦4.传动误差5.谐振频率china_54@2.2传动机构的设计

2.2.1机械传动装置

常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带、高速带传动以及各种非线性传动部件等，其主要功能是传递转矩和转速。、带传动1、组成：主动轮、从动轮、张紧在两轮上的环型传动带。

2、原理：原动机驱动主动轮转动时，由于带和带轮间的摩擦（或啮合），便拖动从动轮一起转动，并传递一定动力。

china_54@3、类型china_54@4、特点（1）优点带具有良好的弹性，可以缓和冲击，吸收振动，传动平稳，噪声小；过载时，带在带轮上打滑，可防止其他零件损坏，起安全保护作用；适用于两轴中心距较大的场合；结构简单，制造、安装和维护方便，成本低。（2）缺点带在带轮上有相对滑动，不能保证准确的传动比；传动效率较低，带的寿命较短；传动的外廓尺寸大；带传动需要张紧，支撑带轮的轴和轴承受力较大；带传动中的摩擦会产生电火花，不宜用于易燃、易爆等场合。china_54@5、主要参数：包角α、基准长度Ld、中心距a及带轮直径dd1、dd2

。

6、滑动率和传动比的计算

滑动率

式中v1为主动轮圆周速度

v2为从动轮圆周速度

带传动的实际传动比

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谐波齿轮传动

1、特点：结构简单、传动比大（几十到几百）、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高。2、工作原理：谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似。它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力和运动的，因此它与一般齿轮传动具有本质上的差别，如下图所示，谐波齿轮传动由波形发生器3（H）和刚轮l、柔轮2组成。3、应用领域：工业机器人、航空、火箭等机电一体化系统。

china_54@china_54@

滚珠螺旋传动滚珠丝杠副：应用十分广泛。1、组成：滚珠丝杠副是在丝杠和螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动部件，它可将旋转运动变为直线运动，或相反。d0－公称直径；Dpw－节圆直径；α－接触角；Ph－导程；φ－螺旋角china_54@

滚珠螺旋传动2、滚珠的循环方式

滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环两种

china_54@2.3支撑导向部件的设计组成：导向支撑部件、轴系支撑部件、旋转支撑部件和机座机架。2.3.1导向支撑部件1、导轨副组成：主要由承导件1和运动件2两部分组成。china_54@2、导轨副的分类china_54@3、导轨副间隙的调整常用的调整方法有压板法和镶条法两种。对燕尾形导轨可采用镶条（垫片）方法同时调整垂直和水平两个方向的间隙。对矩形导轨可采用修刮压板、调整垫片的厚度或调整螺钉的方法进行间隙的调整。china_54@2.3.2轴系支撑部件轴系支撑机构由轴及安装在轴上的齿轮、带轮等传动部件组成。china_54@

轴1、轴的分类：转轴、芯轴、传动轴。2、轴上零件常用的轴向固定方法：轴肩和轴环、套筒、圆螺母、弹性挡圈、轴端挡圈。3、轴的周向固定：紧定螺钉固定、销钉固定、过盈配合固定。china_54@

轴毂联结轴毂联结主要是使轴上零件与轴周向固定以传递转矩。

常用：键联结、过盈联结、无键联结、销联结、螺纹联结。china_54@

轴承轴承是机械传动中的关键部件，在机械零件设计时，要能够根据轴承手册选用合理的轴承。轴承可分为滑动摩擦轴承（简称滑动轴承）和滚动摩擦轴承（简称滚动轴承）。1、滑动轴承的失效形式：磨粒磨损、疲劳剥落、刮伤、腐蚀、胶合。2、滚动轴承的失效形式：疲劳点蚀、塑性变形、滚动轴承的密封。3、轴承的润滑非常重要。

china_54@2.3.3旋转支撑部件1、旋转支撑的种类及基本要求方向和置中精度、摩擦阻力矩的大小、许用载荷、对温度变化的敏感性、耐磨性以及磨损后补偿的可能性、抗振性及成本。2、圆柱支撑china_54@2.3.3旋转支撑部件china_54@2.3.4机架与机座1．机座机架的作用及基本要求刚度与抗振性

热变形

稳定性

china_54@2.4执行机构设计2.4.1微动机构1、定义：微动机构是一种能在一定范围内精确、微量地移动到给定位置或实现特定的进给运动的机构。2、特点：灵敏度高，最小移动量达到使用要求；传动灵活、平稳，无空程与爬行，制动后能保持稳定的位置；抗干扰能力强，响应快速；结构工艺性良好。

china_54@2.4执行机构设计举例：万能工具显微镜工作台的微动机构（手动机械式）china_54@2.4.2定位机构定位机构是机电一体化机械系统中一种确保移动件占据准确位置的执行机构，通常采用分度机构和锁紧机构组合的形式来实现精确定位的要求。china_54@2.5部件应用实例2.5.1齿轮变速机构电机的选择要求：1、根据课本的内容，了解电机选择的关联参数。2、根据相关参数，学会使用机械设计手册进行查询。

3、让同学了解常用的标准（不同行业、不同企业、不同国家采用的标准不同）china_54@2.5.2数控机床回转刀架数控机床自动回转刀架是在一定空间范围内，能使刀架执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作的机构。数控车床的刀架是机床的重要组成部分，其结构直接影响机床的切削性能和工作效率.