第二章 机械本体设计-SolidWorks应用111

机电一体化技术实践工程教学实习训练中心机电一体化是精密机械工程、电子控制和系统思想在产品设计和制造过程中的协同结合。mechatronicsmechanicselectronics+在工业产品和过程的设计与制造中，机械工程与电子和智能计算机控制的协同集成。第一章绪论

机电一体化技术精密机械技术传感检测技术伺服驱动技术自动控制技术第二章机电一体化系统的单元技术

四轴联动数控雕铣机装配图第一节精密机械技术

1机械传动机构

1.1

丝杠螺母机构

1机械传动机构

1.2齿轮传动机构

1机械传动机构

1.3挠性传动机构

1机械传动机构

1.3间歇传动机构

2机械导向机构

2机械导向机构

2机械导向机构

3机械执行机构

3机械执行机构

3机械执行机构

4轴系

4轴系

5机座或机架

传感器是能够感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用的输出信号的器件或装置。第二节传感检测技术

2.1概述第二节传感检测技术

2.1概述传感器与人的感官一一对应，相当人眼（视觉）的光传感器，如光敏元件、电荷耦合器件（ＣＣＤ）、图像传感器和光敏二极管等；相当于人耳（听觉）的音响传感器，如传声器、压电元件等；相当于人皮肤（触觉）的振动传感器、温度传感器和压力传感器，其中振动传感器有应变片、半导体压力传感器等，温度传感器有热敏电阻、铂电阻、热电偶和热释电传感器等，压力传感器有膜片、力敏聚合物等；相当于人舌头（味觉）的味觉传感器，如铂、氧化物、离子传感器等；相当于人鼻（嗅觉）的嗅觉传感器，如生物化学元件等。此外，还有检测位移量的差动变压器、检测转速的编码器、磁性传感器等。第二节传感检测技术

2.1概述第二节传感检测技术

2.1概述第二节传感检测技术

2.1概述热敏传感器：热敏传感器是将温度转换为电信号的装置。

2.2传感器的基本特性1.传感器的静特性传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态下，传感器的输入与输出值之间的关系。传感器静态特性的主要技术指标有：线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。(1)线性度传感器的线性度是指传感器实际输出—输入特性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比，即(2)灵敏度传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，输出量的变化量与输入量的变化量之比，即(3)迟滞传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中，输出——输入特性曲线不重合的程度称为迟滞，迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示

2.2传感器的基本特性2.2传感器的基本特性(4)重复性传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时，所得输出--输入曲线的不一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的百分数表示，即近似计算精确计算（5）分辨力传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为阈值。（6）零漂传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。2.2传感器的基本特性2.传感器的动态特性传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动态特性参数如：最大超调量、上升时间、调整时间、频率响应范围、临界频率等。

2.2传感器的基本特性2.3常用传感器一、电阻式传感器（

resistancetypetransducer）把位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器。它主要包括电阻应变式传感器、电位器式传感器等。电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、加速度、扭矩等测量仪表。（一）变阻器式传感器变阻器式传感器也称电位器式传感器，其工作原理是将物体的位移转换为电阻的变化。

2.3常用传感器a)直线位移型b)角位移型c)非线性型又称函数电位器。是其输出电阻与电刷位移之间具有非线性函数关系的一种电位器，即它可以实现指数函数、三角函数、对数函数等各种特定函数，也可以是其它任意函数。非线性电位器可以应用于测量控制系统、解算装置等。2.3常用传感器负载电阻为

，，电位器长度为l，总电阻为Ｒ，电刷位移为x，相应的电阻为

Rx，电源电压为U，输出电压为U0为:

当时2.3常用传感器优点：①结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；②受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小；③可以实现输出—输入间任意函数关系；④输出信号大，一般不需放大。缺点：①因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此需要较大的输入能量；②由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，所以分辨力较低；③动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。2.3常用传感器（二）电阻应变式传感器

以应变片为传感元件的传感器。体积小，结构简单，动态响应快，测量精度高，寿命长，性能稳定可靠，可用于测量应变、力、位移、加速度、扭矩等参数。①

直接用来测定结构的应变或应力。②

将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参量的传感器。2.3常用传感器（二）电阻应变式传感器——纵向应变

——横向应变

——泊松比优点:结构简单,性能稳定,价格低。缺点:精度不高,灵敏度低。1金属电阻应变片2.3常用传感器（二）电阻应变式传感器

2半导体应变片工作原理：半导体材料压阻效应。压阻效应：单晶片材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率

发生变化的现象。比金属丝的灵敏度大50~70倍。优点：灵敏度高。缺点：温度稳定性能差，灵敏度分散度大，以及在较大应变作用下，非线性误差大等。2.3常用传感器（三）压阻式传感器

半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别强。压阻式传感器的优点是:灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量；分辨率高，例如测量压力时可测出10～20Pa的微压；测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高；可测量低频加速度和直线加速度。最大的缺点是温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。2.3常用传感器二、电容式传感器（

capacitivetypetransducer）把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。以最简单的平行极板电容器为例说明其工作原理。在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为压力、液位、振动、位移、速度、加速度2.3常用传感器根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，其中极距变化型和面积变化型应用较广。1极距变化型优点：可进行非接触测量缺点：①

灵敏度与成反比，极距越小，灵敏度越高②

存在非线性误差，测量范围小③

配合使用的电子线路复杂2.3常用传感器根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，其中极距变化型和面积变化型应用较广。2面积变化型优点：灵敏度为线性，测量范围大。可用于测量大的角位移或线位移，差动式比单边结构的灵敏度高一倍。a)角位移型b)平面线位移型c)圆柱体线位移型2.3常用传感器根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，其中极距变化型和面积变化型应用较广。3介质变化型利用介质介电常数变化将被测量转化为电容量的传感器。常用测量材料的厚度、液位等。2.3常用传感器三、电感式传感器（

inductancetypetransducer

）电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等

2.3常用传感器1自感型1）可变磁阻式电感传感器可变磁阻式传感器的结构原理如图所示，它由线圈、铁芯及衔铁组成。2.3常用传感器1自感型1）可变磁阻式电感传感器可变磁阻式传感器的结构原理如图所示，它由线圈、铁芯及衔铁组成。灵敏度S与气隙长度的平方成反比，δ愈小，灵敏度愈高。由于S不是常数，故会出现非线性误差，为了减小这一误差，通常规定δ在较小的范围内工作。。故灵敏度S趋于定值，即输出与输入近似成线性关系。这种传感器适用于较小位移的测量，一般约为0.001～1mm。2.3常用传感器1自感型2）涡电流式利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。分析表明：由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗Z发生变化。Z的变化与δ、金属板的电阻率ρ、磁导率μ以及线圈激磁圆频率ω等有关。改变其中某一因素，即可达到不同的变换目的。例：变化δ，可作为位移，振动测量。变化ρ或μ，可作为材质鉴别或探伤等。2.3常用传感器1自感型2）涡电流式2.3常用传感器2互感式传感器——差动变压器式电传感器原理：利用电磁感应中的互感现象，将被测位移转化成线圈互感的变化。2.3常用传感器2互感式传感器——差动变压器式电传感器原理：利用电磁感应中的互感现象，将被测位移转化成线圈互感的变化。

差动变压器传感器工作原理a）、b）工作原理c）输出特性由一个线圈中的电流发生变化而使其它线圈产生感应电动势的现象叫互感现象。阶段步骤方法主要指导理论产品规划设计方法预测技术设计方法学技术预测理论市场学信息学机械产品设计一般进程信息集约可行性报告、设计要求项目表产品设计任务预测调研可行性分析明确任务要求阶段步骤方法主要指导理论原理方案设计系统化设计法创造技法评价决策方法系统工程学形态学创造学思维心理学决策论模糊数学总功能分析原理参数表、方案原理图功能分解功能载体组合功能原理方案(多个)功能元求解原理试验评价决策最优原理方案阶段步骤方法主要指导理论技术设计价值设计优化设计可靠性设计宜人性设计产品造型设计系列化设计机械性能设计工艺性设计自动化设计价值工程学最优化方法、工程遗传算法可靠性理论与实验人机工程学工业美学模块化设计、相似理论有限元法、动态设计、摩擦学设计、高等机构学机械设计的工艺基础控制理论、智能工程、人工神经元计算方法、专家系统结构方案(多个)结构价值分析试验模型试验总体设计结构设计造型设计造型价值分析外观方案(多个)评价决策评价决策最优结构方案最优造型方案最优技术设计方案总体布置图、装配草图、技术文件总体效果图、外观效果模型阶段步骤方法主要指导理论工艺设计各种制造、装配、造型、装饰、检验等方法各种工艺学批量生产计算机辅助制造销售反馈控制法零件工作图外观件加工工艺、面饰工艺规程部件装配图效果图、检验标准技术文件造型工艺文件试制修改批量生产技术服务用户访问

二、机械总体方案设计的目的和内容

目的产品功能是否齐全、性能是否优良、经济效益是否显著，在很大程度上取决于总体方案设计的构思和方案拟定时的设计思想。

内容

执行系统的方案设计执行系统方案评价与决策执行系统协调设计执行机构型式设计运动规律设计系统功能原理设计机构尺度设计运动和动力分析原动机类型的选择和传动系统的方案设计各级传动比的分配传动链中机构顺序的安排传动路线选择传动类型选择控制系统的方案设计其它辅助系统的设计照明系统设计安全保障系统设计故障检测系统设计冷却系统设计润滑系统设计第二节机械执行系统运动方案设计

重要性执行系统是机械系统中的重要组成部分，直接完成机械系统预期工作任务。机械执行系统的方案设计是机械系统总体方案设计的核心，是整个机械设计工作的基础。机械执行系统的组成

由一个或多个执行机构组成。执行构件是执行机构的输出构件，其数量及运动形式、运动规律和传动特性等要求，决定了整个执行系统的结构方案。

一、机械执行系统运动方案设计的主要内容和过程

功能原理设计根据需要制定机械的总功能，拟定实现总功能的工作原理和技术手段，确定机械所要实现的工艺动作运动规律设计通过对工作原理所提出的工艺动作进行分解，决定采用何种运动规律来实现工作原理执行机构型式设计决定选择何种机构实现给定的运动规律执行系统协调设计执行机构型式设计根据工艺过程对各动作的要求，分析各执行机构应当如何协调配合，设计出机械运动循环图确定各执行机构的运动尺寸，绘制出各执行机构的运动简图运动和动力分析检验执行系统是否满足运动要求和动力性能方面的要求方案评价与决策对方案进行定性评价和定量评价并从中选出最佳设计方案

二、执行系统的功能原理设计

1.功能原理的选择与构思产品的功能产品的用途、性能、使用价值等，根据人们生产或生活需要提出。确定功能指标的考虑因素先进性可行性经济性功能原理设计的重要性决定产品的技术水平、工作质量、传动方案、结构型式、制造成本等。

功能原理设计的多方案性

工作原理不同，运动方案也不同齿轮加工剃齿范成原理仿形原理

工作原理相同，运动方案不同齿轮加工插齿滚齿

三、执行系统的运动规律设计

1.工艺动作分解和运动方案选择刀具作复合运动刀具与工作台分别运动

运动规律设计通常是对工艺方法和工艺动作进行分析，把其分解成若干个基本动作。工艺动作分解的方法不同，所形成的运动方案也不同。立式钻床工艺动作分解直线运动曲线运动复合运动往复摆动执行构件运动形式回转运动每分钟转数rpm由两个以上单一运动合成间歇转动停歇往复直线运动停歇单向直线运动沿可变曲线运动连续转动沿固定曲线运动往复直线运动每分钟转位次数、转角大小、运动系数每分钟摆动次数、转角大小、行程速度变化系数每分钟行程数、大小、行程速度变化系数每次进给量的大小每循环停歇次数、位置、时间、行程大小和工作速度

四、执行机构的型式设计

1.

设计原则●满足执行构件的工艺动作和运动要求●尽量简化和缩短运动链●尽量减小机构尺寸●选择合适的运动副形式

●考虑动力源的形式●使执行系统具有良好的传力和动力特性●使机械具有调节某些运动参数的能力●保证机械的安全运转

2.

机构的选型

目的选择或创造出满足执行构件运动和动力要求的机构。⑴传递连续转动的机构啮合传动机构

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