機電一體化系統(tǒng)設(shè)計

1、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計主編主編 高鐘毓高鐘毓主講 錢宏琦2009年7月第一章第一章 引論引論這一章是本書的開篇，介紹了關(guān)于機電一體化系統(tǒng)的基本概念，并說明一些名詞和術(shù)語；給出了常見的典型機電一體化系統(tǒng)實例，其中，包括伺服系統(tǒng)、數(shù)控機床、工業(yè)機器人、自動牽引車、）順序控制系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)以及計算機集成制造系統(tǒng)；闡述了機電一體化系統(tǒng)的一般性模塊結(jié)構(gòu)，定義了各組成模塊的功能；論述了機電一體化系統(tǒng)設(shè)計指標和評價標準；討論了機電一體化設(shè)計思想和方法，著重說明了它與傳統(tǒng)機械產(chǎn)品設(shè)計的區(qū)別。最后，列出了機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的全過程，并詳細說明每一步驟的設(shè)計內(nèi)容。第一節(jié) 基本概念現(xiàn)從三個層次來說

2、明這個問題：系統(tǒng)；機電一體化；機電一體化系統(tǒng)。系統(tǒng)系統(tǒng)從廣義上說，系統(tǒng)可以定義為相互作用或相互依存的任何一組形成統(tǒng)一整體的事物。因此，名詞“系統(tǒng)”幾乎可以用來描述任何可以想像的情況。在工程領(lǐng)域，系統(tǒng)可以是電、機械、液壓、氣動、熱、生物及醫(yī)學(xué)的，或者是這些系統(tǒng)的某種組合。例如，機電系統(tǒng)是機械與電的組合系統(tǒng)，特別是精密機械與微電子的綜合集成系統(tǒng)。系統(tǒng)一般可以定義為任何存在某種因果關(guān)系的一組物理元件。原因稱為激勵或輸入，效果叫做響應(yīng)或輸出。通常，輸入和輸出都是物理變量。例如，溫度、壓力、液位、電壓、電流、位移、速度等。系統(tǒng)描述系統(tǒng)輸入與輸出之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，稱為系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)數(shù)學(xué)模型的不同，系

3、統(tǒng)可以分為靜態(tài)的或動態(tài)的，線性的或非線性的，定常的或時變的，確定性的或隨機的。靜態(tài)系統(tǒng)實時輸出只與當時的輸入有關(guān)，描寫靜態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是代數(shù)方程組。動態(tài)系統(tǒng)的實時輸出不僅與當時的輸入有關(guān)，而且與過去的輸入和輸出有關(guān)，因此，描寫動態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是微分方程組。系統(tǒng)輸入和輸出滿足線性疊加原理的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)，不滿足線性疊加原理的系統(tǒng)則為非線性系統(tǒng)。數(shù)學(xué)模型中的所有系數(shù)都為常量（與時間無關(guān)）的系統(tǒng)稱為定常系統(tǒng)，否則，稱為時變系統(tǒng)。在已知輸出初值和給定輸入的條件下，未來輸出可以按照數(shù)學(xué)模型唯一確定的系統(tǒng)稱為確定性系統(tǒng)，否則為隨機系統(tǒng)。系統(tǒng)系統(tǒng)本書主要集中討論線性、定常、確定性、動態(tài)系統(tǒng)。通常，根據(jù)

4、系統(tǒng)工作的物理原理（當然也可以通過實驗），可以直接列寫和推導(dǎo)出線性定常確定性動態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型一般為常系數(shù)線性微分方程組，并進一步通過拉氏變換，導(dǎo)出系統(tǒng)傳遞函數(shù)。傳遞函數(shù)可以描述線性定常確定性動態(tài)系統(tǒng)的一切特性，因而成為研究這類系統(tǒng)的最常用最有效的數(shù)學(xué)工具。二、機電一體化二、機電一體化“機電一體化”來源于英文名詞“Mechatronics”。這是由日本人首創(chuàng)的一個新詞，它取了“Mechanics（機械學(xué)）”的前五個字母和“Electronics（電子學(xué)）”的后七個字母組合而成。其涵義是機械與電子的集成技術(shù)。在我國通常譯為“機電一體化”，或者“機械電子工程”?！皺C電一體化”不能被認為學(xué)

5、科分類的定義。換言之，它不是一個獨立的工程學(xué)科，而是在設(shè)計過程中集成多種學(xué)科的方法或技術(shù)。它的核心學(xué)科是機械工程、電子工程，以及信息與控制技術(shù)。三、機電一體化系統(tǒng)三、機電一體化系統(tǒng)機電一體化系統(tǒng)是按照機電一體化方法設(shè)計出來的機械與電子緊密結(jié)合的產(chǎn)品或制造系統(tǒng)。機電一體化系統(tǒng)應(yīng)包括機電一體化產(chǎn)品和機電一體化制造系統(tǒng)。無論是產(chǎn)品，還是制造系統(tǒng)，它們都不同于傳統(tǒng)的機電產(chǎn)品或機械制造系統(tǒng)，因為它們幾乎無一例外，都是將復(fù)雜的功能由機械轉(zhuǎn)移到電子而實現(xiàn)的，比它們的純機械對應(yīng)物更簡單，涉及的零件和機械傳動部件更少。機電一體化系統(tǒng)是在工廠自動化、辦公自動化、家庭自動化以及社會服務(wù)自動化等各種自動化環(huán)境條件下，

6、所需要的機器、機器人以及靈巧機械系統(tǒng)。其主要應(yīng)用環(huán)境是工廠自動化。小結(jié)：目前，機電一體化的產(chǎn)品正以驚人的速度不斷涌向市場，其中有些是老產(chǎn)品的更新?lián)Q代，當今正在不斷發(fā)展的機電一體化制造系統(tǒng)，充分利用了現(xiàn)代信息技術(shù)，改善了制造能力，使得機器比固定的自動化完成更多類型的制造任務(wù)，以及多數(shù)過去要求人工操作的加工過程實現(xiàn)了自動化。機電一體化制造系統(tǒng)還具有協(xié)調(diào)工程設(shè)計和制造技術(shù)的能力，提高了生產(chǎn)效率和柔性，改善了產(chǎn)品質(zhì)量，能適應(yīng)快速變化的市場需求，從而提高了產(chǎn)品在市場中的競爭能力。柔性制造系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)就是在這樣的背景下誕生的。它們是機電一體化系統(tǒng)在自動化制造設(shè)備和系統(tǒng)中的實際體現(xiàn)。第二節(jié)第二節(jié)

7、 典型機電一體化系統(tǒng)典型機電一體化系統(tǒng)當前，從傳統(tǒng)的機電系統(tǒng)向機電一體化系統(tǒng)的過渡，已經(jīng)在各個領(lǐng)域逐漸出現(xiàn)。這種過渡主要是依靠引用不斷完善的控制技術(shù)加以實現(xiàn)的，其范圍包括監(jiān)控、開環(huán)控制、閉環(huán)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制以及智能控制等，因此，可認為機電一體化用于工程技術(shù)的基礎(chǔ)是信息和控制。但是，必須注意，控制技術(shù)和機電一體化技術(shù)兩者之間存在著基本的區(qū)別，機電一體化不是“偽裝”的控制工程。最典型的機電一體化系統(tǒng)形式：一、伺服系統(tǒng)一、伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)又叫做伺服機構(gòu)。它是一種反饋控制系統(tǒng)，它的受控變量是機械運動，如位置、速度及加速度。多數(shù)伺服系統(tǒng)用來保持運動機械的輸出位置緊密對應(yīng)電的輸入?yún)⒖夹盘枺蚨?/p>

8、一種跟蹤控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)通常是另一個機電一體化系統(tǒng)的組成部分。例如，多自由度工業(yè)機器人含有I多個伺服系統(tǒng)，每一個關(guān)節(jié)都有一個。多軸數(shù)控機床也有幾個伺服系統(tǒng)，用來控制工作臺運動。一、伺服系統(tǒng)一、伺服系統(tǒng)二、數(shù)控機床二、數(shù)控機床帶有數(shù)控系統(tǒng)的機床稱為數(shù)控機床。數(shù)控系統(tǒng)是一種利用預(yù)先決定的指令控制一系列加工作業(yè)的系統(tǒng)。指令以數(shù)碼的形式儲存在某種形式的輸入介質(zhì)上，如穿孔紙帶、磁帶，或者程序存儲器的公共存儲區(qū)。指令確定位置、方向、速度，以及切割速度等。零件程序包含生產(chǎn)希望零件所要求的全部指令。數(shù)控機床可以形成鏜、鉆、磨、銑、沖、特形銑、鋸、車、繞（線）、火花切割、編織（服裝）、鉚、彎、焊以及線處理等加

9、工作業(yè)。二、數(shù)控機床二、數(shù)控機床因為數(shù)控（NC）改變程序比改變凸輪、模具及樣板相對容易，因此稱之為柔性自動化。同一數(shù)控機床采用不同的程序可以生產(chǎn)各種不同的零件。數(shù)控加工最適合在同一機床上加工大量不同的零件，而極少在同一機床上連續(xù)生產(chǎn)單一零件。當一個零件或一個加工過程能由數(shù)學(xué)定義的時候，數(shù)控是最理想的。隨著計算機輔助設(shè)計（CAD）的應(yīng)用日益增加，由數(shù)學(xué)定義的過程和產(chǎn)品愈來愈多，人們熟悉的制圖已經(jīng)變得不十分必要，因為由數(shù)學(xué)定義的零件完全可以用計算機數(shù)控機床加工。三、工業(yè)機器人三、工業(yè)機器人工業(yè)機器人是另一類數(shù)控機器。它是一種可編程機械手，用來通過一系列動作，搬運物料、零件、工具，或者其它裝置，以實

10、現(xiàn)給定的任務(wù)。工業(yè)機器人有能力移動零件、加載NC機床、操作壓鑄機、裝配產(chǎn)品、焊接、噴漆、打毛刺，以及包裝產(chǎn)品。最通用的工業(yè)機器人是具有一個自由度到六個自由度的機械手。每一個運動軸都有自己的執(zhí)行器，連接到機械傳動鏈，以實現(xiàn)關(guān)節(jié)運動。 三、工業(yè)機器人三、工業(yè)機器人工業(yè)機器人有三個主要組成部件：除了機械手以外，還有終端器和控制器。終端器是一個機械的、真空的或者電磁的裝置，它安裝在機械手的腕上，用來抓取零件或握持工具?？刂破髟陂_環(huán)控制的單軸機器人中可以是一個簡單的機械擋塊，而在閉環(huán)控制的六軸機器人中則是一臺計算機。在任何情況下，控制器在存儲器中都存有一系列定位數(shù)據(jù)。按照給定的操作次序，它啟動和停止機械

11、手的運動。 三、工業(yè)機器人三、工業(yè)機器人第二類工業(yè)機器人是多軸伺服控制的，能夠編程從一點運動到另一點。路徑不是關(guān)鍵的機器人稱為點位式（PIP）工業(yè)機器人；如果路徑是關(guān)鍵的，則叫做連續(xù)路徑（CP）工業(yè)機器人。PIP機器人從一點運動到另一點，在每一點上完成一定的功能。典型的功能包括點焊、粘接、鉆孔、去毛刺等。CP機器人沿給定的路徑從一點運動到另一點，一邊運動一邊完成作業(yè)。典型的CP應(yīng)用包括噴漆、縫焊、切割以及檢查。這類機器人控制器或者是可編程序控制器，或者是小型計算機。它們依靠懸掛式示教操作臺，采用示教方法編制機器人程序。四、自動導(dǎo)引車四、自動導(dǎo)引車另一種形式的工業(yè)機器人是自動導(dǎo)引車（AGV）。它

12、能夠跟蹤編程路徑，在工廠內(nèi)將零件從一個地方運送到另一個地方。在汽車工業(yè)、電子產(chǎn)品加工工業(yè)，以及柔性制造系統(tǒng)中，自動導(dǎo)引車物料運輸系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛使用。五、順序控制系統(tǒng)五、順序控制系統(tǒng)順序控制系統(tǒng)是按照預(yù)先規(guī)定的次序完成一系列操作的系統(tǒng)。在順序控制系統(tǒng)中，每一步操作是一個簡單的二進制動作，如電源開關(guān)的通斷或制造設(shè)備專用控制器的啟停等。實現(xiàn)順序控制功能可有多種手段，如繼電器邏輯、固態(tài)集成電路、通用微處理機等。當前，普遍采用PLC作為順序控制器。PLC具有足夠數(shù)量的輸入輸出（I/0）端口，帶有專用的邏輯編程語言，還有通信接口，與制造設(shè)備和系統(tǒng)聯(lián)接十分方便，因而實際使用非常廣泛。根據(jù)如何開始和終結(jié)操作

13、，順序控制可以分為兩類：當某一事件發(fā)生時，開始或結(jié)束操作的稱為事件驅(qū)動順序控制；在某一時刻或一定時間間隔之后，開始或結(jié)束操作的稱為時間驅(qū)動順序控制。 六、自動化制造系統(tǒng)在制造工業(yè)中，要求生產(chǎn)系統(tǒng)有能力響應(yīng)不斷變化的市場，以很短的周期生產(chǎn)出各種形式急需的小批量產(chǎn)品。不管是手工生產(chǎn)，或者是大批量生產(chǎn)線，都是不能滿足這些要求的。前者雖然適應(yīng)性強，但是生產(chǎn)率低；后者固有的裝配與傳送線缺少柔性，改變起來耗費時間和代價。這種在制造過程中增加柔性的要求，必然導(dǎo)致柔性制造系統(tǒng)概念的發(fā)展。1柔性制造系統(tǒng)（柔性制造系統(tǒng)（FMS）在柔性制造系統(tǒng)中，將計算機數(shù)控機床、工業(yè)機器人，以及自動導(dǎo)引車聯(lián)接起來，以適應(yīng)加工成組

14、產(chǎn)品。2計算機集成制造系統(tǒng)（計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）圖1-9所示是一個經(jīng)濟型計算機集成制造系統(tǒng)的組成。它通過計算機網(wǎng)絡(luò)，將計算機輔助設(shè)計、計算機輔助規(guī)劃以及計算機輔助制造，統(tǒng)一連接成一個大系統(tǒng)，實現(xiàn)了全廠的自動化。這是當今計算機在自動化制造系統(tǒng)中應(yīng)用的最高水平。2計算機集成制造系統(tǒng)（計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）在CIMS制造環(huán)境條件下，為使所有信息都能順利傳輸，各個獨立設(shè)備之間的通信是由局部區(qū)域網(wǎng)（LAN）實現(xiàn)的，并且通信網(wǎng)絡(luò)是分級管理的，如圖1-10所示。2計算機集成制造系統(tǒng)（計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）在這樣一個分級管理的通信結(jié)構(gòu)中，最高級的是制造自動化協(xié)議（Manufactur

15、ing Automation Protocol一MAP)網(wǎng)絡(luò)，它由7層協(xié)議堆棧實現(xiàn)，并采用了寬頻帶技術(shù)，能連接不同廠商提供的各種非標準協(xié)議的設(shè)備，但是價格較高、實時性不足。2計算機集成制造系統(tǒng)（計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）中間級采用增強性能結(jié)構(gòu)（Enhanced Perfarnnance Architectu-EPA）的MAP網(wǎng)，簡記為MAP/EPA。MAP/EPA網(wǎng)采用3層的協(xié)議堆棧和簡單的物理層以及載波頻帶技術(shù)，因此價格便宜，響應(yīng)速度快。最低級采用現(xiàn)場總線(Field bus）?，F(xiàn)場總線給傳感器、執(zhí)行器以及底層控制器提供了柔性的通信系統(tǒng)。第三節(jié)第三節(jié) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與模塊機電一體

16、化系統(tǒng)設(shè)計需要有一種能建立和評價各種技術(shù)集成的框架結(jié)構(gòu)。為了達到此目的，人們建議采用一種自上而下和基于信息策略的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。它將整個系統(tǒng)分解為一系列的功能模塊或方塊。模塊之間的信息傳遞用箭頭連接起來，箭頭方向表示信息傳遞方向。這樣，就可以將整個機電一體化系統(tǒng)用結(jié)構(gòu)方塊圖表示出來。 一、環(huán)境模塊一、環(huán)境模塊環(huán)境模塊涉及系統(tǒng)工作的一些外部參數(shù)，如溫度、濕度、振動、沖擊以及負載因素等。這些參數(shù)將影響整個系統(tǒng)的工作性能。它們在系統(tǒng)設(shè)計中構(gòu)成了一系列的參數(shù)邊界。系統(tǒng)必須在這些參數(shù)邊界范圍內(nèi)生存和工作。任何一臺儀器設(shè)備，在恒溫下工作和在車間工作以及野外工作，其環(huán)境條件顯然存在著巨大的差別，因而對設(shè)計的技術(shù)要

17、求也是極不相同的。所以，對環(huán)境模塊的各種參數(shù)要求，必須強調(diào)實際應(yīng)用標準和規(guī)范，例如，例行試驗條件等。二、機械結(jié)構(gòu)模塊二、機械結(jié)構(gòu)模塊機械結(jié)構(gòu)模塊代表系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)零部件的物理實現(xiàn)。它主要涉及材料性能、結(jié)構(gòu)特性、形狀、體積及重量等參數(shù)。機械結(jié)構(gòu)模塊的輸入由驅(qū)動模塊和環(huán)境模塊定義的條件一起提供的運動一機械結(jié)構(gòu)模塊的輸出由測量模塊接收，并轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的電信號。由于機械結(jié)構(gòu)模塊涉及系統(tǒng)的外貌，它還必須包括美學(xué)元件，應(yīng)具有美觀的造型。機械結(jié)構(gòu)模塊在機電一體化系統(tǒng)中有著特殊的作用和功能，例如，改變速度、遠距離動作、力的放大和反饋、速度和力的參數(shù)調(diào)節(jié)、同步傳動和傳送物料等。在設(shè)計中，必須考慮精度、慣量、阻尼

18、、摩擦、間隙等參數(shù)要求，符合靜平衡、動能最小等設(shè)計原則。三、測量模塊三、測量模塊測量模塊涉及采集有關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)和行為的信息，由傳感器、調(diào)理電路、變換電路等組成。輸入?yún)?shù)是確定機械結(jié)構(gòu)模塊性能的物理變量，例如，強度、壓力、位移、速度、力（力矩）以及變形等。輸出參數(shù)是被測量的特征值，如電壓、電流、相位、頻率等。對測量模塊的設(shè)計要求，就是不失真地反映被測物理變量的時間變化曲線。這里，包含了分辨率、精度、線性范圍、動態(tài)響應(yīng)等一系列技術(shù)指標。四、驅(qū)動模塊四、驅(qū)動模塊驅(qū)動模塊通常由伺服放大器、執(zhí)行機構(gòu)、傳動裝置（減速器）、內(nèi)反饋回路以及功率源等組成。在許多情況下，驅(qū)動模塊本身就是一個伺服傳動系統(tǒng)。驅(qū)動模塊在

19、系統(tǒng)中的作用是改變系統(tǒng)的運行狀態(tài)，產(chǎn)生所希望的運動輸出。它的輸入條件由處理器的輸出指令設(shè)定，指令由所要求的運動形式定義。驅(qū)動模塊的設(shè)計參數(shù)包括運動形式（直線運動、旋轉(zhuǎn)運動、往復(fù)運動等）、運動變量（預(yù)定速度、最大加速度等）、額定力矩、電源功率、效率等。五、通信模塊五、通信模塊通信模塊用作系統(tǒng)內(nèi)部各模塊之間的信息傳輸。輸入和輸出條件與被傳輸?shù)男畔⑻匦?、信息傳輸距離以及工作環(huán)境有關(guān)。遠距離傳輸多數(shù)采用光纜。在車間環(huán)境下工作，為防止電噪聲干擾，紅外通信用得比較普遍。六、微處理機模塊六、微處理機模塊微處理機模塊在系統(tǒng)中負責(zé)處理由測量模塊和接口模塊提供的信息。輸入?yún)?shù)包括被測量的反饋量和與系統(tǒng)運行有關(guān)的設(shè)

20、定參數(shù)，如行程、工作速度等。微處理機模塊的輸出，一部分是決定驅(qū)動模塊的工作狀態(tài)，另一部分是供給接口模塊的信息，反映系統(tǒng)當前的工作狀態(tài)。對微處理機模塊的設(shè)計要求取決于原始的系統(tǒng)功能，例如，控制機器人手臂、監(jiān)控機器性能等。由控制和監(jiān)控的具體功能所要求的傳感器和執(zhí)行器，可以決定微處理機的輸入輸出數(shù)目和形式。根據(jù)將要實現(xiàn)的功能的數(shù)量和復(fù)雜程度，可以決定合適的中央處理器(CPU）以及存儲器的容量和速度。七、軟件模塊七、軟件模塊軟件模塊包括系統(tǒng)的操作指令和預(yù)先定義的各種算法，負責(zé)控制微處理機模塊工作。軟件模塊的特性和形式與所選用的微處理機模塊密切相關(guān)。軟件模塊的質(zhì)量對機電一體化系統(tǒng)的柔性和智能化有著巨大的

21、影響。軟件編程有匯編語言和高級語言，或者兩種語言的混合編程。一般輸入輸出接口的子程序采用匯編語言，運行速度較快。系統(tǒng)軟件可以采用高級語言編程，以縮短開發(fā)周期。八、接口模塊八、接口模塊接口模塊在系統(tǒng)內(nèi)主要用于各級之間的信息傳遞。在最高級，必要的人機接口用來傳遞用戶信息。在設(shè)備層，輸入輸出接口用來傳遞傳感器和執(zhí)行器的信息輸入輸出接口的形式與所傳遞的信息特性有關(guān)。例如，模擬量用ADC和DAC，邏輯電平用并行I/O口，計數(shù)量用可編程計數(shù)器等。提示：應(yīng)注意，在設(shè)計過程中的每一個階段，都可以確定由獨立的模塊提供的功能特性，以及被傳遞的信息特性。在設(shè)計過程的較高階段定義的模塊，很可能本身就是一個機電一體化系

22、統(tǒng)，并在設(shè)計的下一階段進一步定義出一組模塊。這就是說，在一個機電一體化系統(tǒng)中，一個獨立模塊很可能是一個機電一體化的子系統(tǒng)。機電一體化的子系統(tǒng)又可定義出一組模塊。因此，圖1-11所表示的機電一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊是相對而言的。它既可以適用于大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，例如多自由度的工業(yè)機器人，也可適用于子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，例如工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)。第四節(jié)第四節(jié) 設(shè)計指標與評價標準設(shè)計指標與評價標準在設(shè)計一個機電一體化系統(tǒng)時，必須確定一系列的設(shè)計指標，也就是說，對所設(shè)計的系統(tǒng)提出必須滿足的要求。同時，對一臺新上市的產(chǎn)品進行評價時，也應(yīng)該有一些標準，才能評定該產(chǎn)品的優(yōu)劣。設(shè)計指標和評價標準通常是不矛盾的，相互是統(tǒng)一的，

23、但是二者的要求也是有區(qū)別的。前者多為定量指標，后者是在定量基礎(chǔ)上的定性評定，如合格不合格，名列第幾等。對于任何一個機電一體化系統(tǒng)，設(shè)計指標和評價標準大體上應(yīng)包括以下幾個方面。一、系統(tǒng)功能一、系統(tǒng)功能任何系統(tǒng)都是供給最終用戶使用的，最終用戶添置該系統(tǒng)后，能具有哪些用途，這是人們首先關(guān)心的問題，同時也是系統(tǒng)生產(chǎn)者預(yù)測市場需求的大事。譬如，當市場上三軸驅(qū)動兩軸聯(lián)動的數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)成熟時，生產(chǎn)者應(yīng)該注意進一步開發(fā)五軸驅(qū)動三軸聯(lián)動的系統(tǒng)。這樣既可以具有更高要求的用戶訂貨，又可更廣泛地開拓市場。所以說，任何系統(tǒng)的功能要求，都應(yīng)該從市場需求出發(fā)，尊重最終用戶的意見，結(jié)合技術(shù)上的可行性，再作出抉擇。切不可片面追

24、求功能的多寡。二、性能指標二、性能指標當系統(tǒng)功能決定后，每一項功能都應(yīng)該滿足一定的性能指標，只有這樣，該項功能才具有實用價值。譬如，一臺數(shù)控系統(tǒng)具有輪廓切削的功能，但是它的定位精度很差，最終還是不能達到加工出合格零件的目的，這項功能等于烏有。所以，性能指標是系統(tǒng)功能的定量度量。性能指標有分辨率、靈敏度、精度、線性度、速度和位移范圍，以及承載能力、功耗、體積、質(zhì)量等。制定性能指標時，必須有科學(xué)的依據(jù)，切不可輕率從事。否則，便會造成巨大的浪費。性能指標降低了，會使設(shè)計出來的系統(tǒng)不能實用；而性能指標高了，將加大實現(xiàn)的難度和代價。三、使用條件三、使用條件任何系統(tǒng)都是在一定條件下運行的，其中包括客觀的環(huán)

25、境條件和主觀的人員素質(zhì)?？陀^的環(huán)境條件有溫度、濕度、振動、沖擊、噪聲、電磁干擾等。主觀因素應(yīng)考慮系統(tǒng)適合何種文化水平的人員使用。這里必須滿足可操作性、可維修性、安全性及可靠性等一系列有關(guān)人身和設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)的要求。在滿足客觀環(huán)境和主觀因素這兩方面的使用條件下，系統(tǒng)應(yīng)具有一定的平均無故障時間和足夠的使用壽命。只有這樣，系統(tǒng)才能經(jīng)久耐用，具有實用價值。四、經(jīng)濟效益四、經(jīng)濟效益在社會主義市場經(jīng)濟時代，任何新產(chǎn)品的開發(fā)，都應(yīng)該考慮經(jīng)濟效益。所謂經(jīng)濟效益，應(yīng)從兩個方面考慮，一是從投資一方，花多少經(jīng)費、人力及時間，可以開發(fā)出新一代產(chǎn)品并投放市場，估計在市場上占有多大的份額，將有多大的收益；二是從最終用戶這

26、一方，分析他們的費效比和經(jīng)濟承受能力。只有在這兩方面都考慮成熟了，才能制定出好的新產(chǎn)品開發(fā)策略。小結(jié)：總之，在設(shè)計機電一體化系統(tǒng)時，應(yīng)全面考慮各項設(shè)計指標，力求做到系統(tǒng)功能相對齊全，性能指標比較合理，系統(tǒng)功能相對齊全，性能指標比較合理，實用性強，安全可靠性高，經(jīng)濟效益好。實用性強，安全可靠性高，經(jīng)濟效益好。同時，把他們作為開發(fā)新產(chǎn)品的評價標準。在評價新產(chǎn)品時，還應(yīng)該與世界同類產(chǎn)品比較，注意他們的技術(shù)特點、先進性（費效比、節(jié)能節(jié)材、工作柔性等）以及社會效益等。第五節(jié)第五節(jié) 設(shè)計思想與方法設(shè)計思想與方法在機電一體化系統(tǒng)工程設(shè)計中，為了提高系統(tǒng)的性能和柔性，要求廣泛的物質(zhì)和信息的集成。無論在概念設(shè)計

27、階段或者詳細設(shè)計階段，都必須始終貫徹機械與電子的緊密結(jié)合的原則。機電一體化系統(tǒng)設(shè)計往往伴隨著機械系統(tǒng)的再設(shè)計，而且，機械系統(tǒng)的再設(shè)計還不是全部。許多現(xiàn)代的機電一體化工程設(shè)計不是被動的依靠機遇來革新機電產(chǎn)品，而是預(yù)先精心計劃應(yīng)用，并充分集成電子技術(shù)和機械技術(shù)，有目的地創(chuàng)造出最優(yōu)的新產(chǎn)品，以達到新的系統(tǒng)比它們的原有產(chǎn)品更便宜、更簡單、更可靠以及更具有工作柔性。 傳統(tǒng)的工程設(shè)計方法與機電一體化的工程設(shè)計方法的主要區(qū)別： 第五節(jié)第五節(jié) 設(shè)計思想與方法設(shè)計思想與方法機電一體化方法將給產(chǎn)品設(shè)計帶來各種發(fā)展機會。在進行機電一體化系統(tǒng)設(shè)計時，通常，應(yīng)遵循如下原則來處理“機”與“電”的關(guān)系。一、替代機械系統(tǒng)一、

28、替代機械系統(tǒng)在極端情況下，機械的功能可以完全由微處理機和執(zhí)行器取代，從而使機械產(chǎn)品變成電子產(chǎn)品。如電子手表取代機械手表，由微處理機、信號線及執(zhí)行器組成的電操縱取代飛機上笨重的駕駛桿和控制面之間的連桿機構(gòu)。二、簡化機械系統(tǒng)二、簡化機械系統(tǒng)在許多情況下，機械系統(tǒng)可采用機電一體化方法加以簡化。依靠微處理機和執(zhí)行器可以提供諸如輪廓、速度以及定位控制任務(wù)的功能。例如，傳統(tǒng)的打字機為了移動打字頭和帶動紙前進，需要幾套機械系統(tǒng)。現(xiàn)代的打印機，特別是激光打印機，附加了電子控制裝置和微處理機，不僅能自動打印文字，而且有繪圖能力。再如，安裝在地面上的大型天體望遠鏡和衛(wèi)星跟蹤天線，采用輕巧的二自由度平衡環(huán)結(jié)構(gòu)和計算

29、機控制方法，可以跟蹤空間的任意目標。三、增強機械系統(tǒng)三、增強機械系統(tǒng)將正常設(shè)計的機械與閉環(huán)控制回路相組合，可以實現(xiàn)增強機械系統(tǒng)的運動速度、精度以及柔性。在閉環(huán)回路中，固有的比例控制在部件上的應(yīng)力，與終點急剎車的執(zhí)行器相比較，要小得多，因此，有關(guān)的部件可以做得更輕、慣量更小。例如，某些早期的機器人用開關(guān)控制終點急剎車的方式工作；還有一些為了實現(xiàn)它們的手爪沿直線路徑運動，采用了復(fù)雜的機械系統(tǒng)。自從在機器人的每個軸上用了直流驅(qū)動電動機和諧波齒輪傳動后，設(shè)計就進步多了，可以對每一根軸提供編程的比例速度。但是，由于這些電動機在空間運動，其慣性效應(yīng)比較嚴重。更現(xiàn)代的方法是采用扁平型電動機直接安裝在機器人的

30、基座上，依靠同軸軟管和鋼管驅(qū)動每一根軸。三、綜合機械系統(tǒng)三、綜合機械系統(tǒng)采用嵌入式微處理系統(tǒng)，有能力綜合不同的機械系統(tǒng)以及相關(guān)的功能。例如，如果自動洗衣機由雙速（洗旋）、單向電動機驅(qū)動，那么要求機械系統(tǒng)產(chǎn)生雙向洗的動作；而采用變速直流電動機和控制器，這個動作可以由直接驅(qū)動實現(xiàn)。總之，機電一體化設(shè)計方法應(yīng)在一開始就注意充分發(fā)揮機械和電子的綜合優(yōu)勢，通過機電互補和集成，以求達到設(shè)計出最優(yōu)的新產(chǎn)品，適應(yīng)競爭日益激烈的世界市場。在這個市場上，工業(yè)產(chǎn)品的制造和銷售能否獲得成功，越來越依賴于機電一體化的設(shè)計能力。第六節(jié)第六節(jié) 設(shè)計過程設(shè)計過程根據(jù)評審和繼續(xù)、重新工作或中途停止的決策來劃分，整個設(shè)計過程可以

31、分為以下幾個階段。一、需求一、需求開發(fā)新產(chǎn)品應(yīng)該主要由市場導(dǎo)向，而不是由技術(shù)導(dǎo)向。必須積累足夠的市場研究經(jīng)驗和知識，才能清楚地掌握消費者的需求。這并不是說企業(yè)或公司不能夠依賴生產(chǎn)新產(chǎn)品來開拓市場；而是說，在這方面一旦失敗，其損失是非常慘重的。二、可行性二、可行性可行性研究必須調(diào)查所建議的產(chǎn)品或過程在商業(yè)和技術(shù)兩方面的問題。在產(chǎn)品的情況下，成本概算不僅要考慮產(chǎn)品本身材料和元件的價格，而且要考慮生產(chǎn)該產(chǎn)品的生產(chǎn)設(shè)備和工具，以及產(chǎn)品推向市場前的開發(fā)費用、保險消耗以及未來購買者的維修消耗。這些也是影響產(chǎn)品利潤和銷售的因素?，F(xiàn)在有全壽命周期成本的觀點，即成本應(yīng)考慮整個生命周期發(fā)生的費用。三、技術(shù)指標三、

32、技術(shù)指標一開始必須列寫出書面的總體要求的技術(shù)指標，以便讓與開發(fā)有關(guān)的人士清楚地了解必須滿足的功能和要求。在這一階段，需要（基本要求）和愿望（也許有了更好）應(yīng)該分開，并且對有關(guān)它們的結(jié)論應(yīng)該作出決策。關(guān)于所需功能的解決方法將不要求嘗試或作出結(jié)論，因為這是設(shè)計過程下一階段發(fā)生的事情。三、技術(shù)指標三、技術(shù)指標下列15項基本信息在總體技術(shù)指標中必須強調(diào)：l）空間要求和限制；2）質(zhì)量；3）負載；4）運動形式和范圍；5）直線和旋轉(zhuǎn)運動的速率和速度；6）直線和旋轉(zhuǎn)加速度；7）精度和分辨率；8）控制功能；9）設(shè)計壽命；10）每一個系統(tǒng)元件的輸入和輸出要求；11）內(nèi)部和外部通信；12）功耗；13）接口；14）工

33、作環(huán)境；15）實用標準和規(guī)范。四、概念設(shè)計四、概念設(shè)計在概念設(shè)計階段，應(yīng)該對于要求的每一個功能作出求解方法的選擇。如果可能的話，應(yīng)該對于實現(xiàn)每一種功能至少想出幾種選擇。然后，通過評審和組合這些概念設(shè)計，產(chǎn)生優(yōu)選的系統(tǒng)方案。五、分析、建模及仿真五、分析、建模及仿真為了幫助選擇可能的解決方法，以及在詳細設(shè)計階段決定工作特性和元件尺寸等參數(shù)，可能要求對系統(tǒng)及其元部件進行分析和建模，并采用計算機輔助工程技術(shù)進行計算機仿真，試驗各種模型和選擇。這樣，可以大大地縮短傳統(tǒng)的模樣再設(shè)計模樣的循環(huán)過程，從而導(dǎo)致更短、更便宜的產(chǎn)品開發(fā)周期。六、具體化和最優(yōu)化六、具體化和最優(yōu)化一旦建立了可接受的解決方案后，應(yīng)盡量直

34、接進入詳細設(shè)計階段。然而，為了設(shè)計最優(yōu)的產(chǎn)品或系統(tǒng)，應(yīng)該改變所選求解方法的參數(shù)，例如，元件的尺寸、材料、數(shù)量及額定值，以決定它們對系統(tǒng)要求的特性的影響，從而有能力確定使系統(tǒng)性能特性達到最優(yōu)（最大或最小）的參數(shù)值。七、詳細設(shè)計七、詳細設(shè)計只有當最優(yōu)化設(shè)計完成后，才能夠考慮詳細設(shè)計，選擇標準元器件，繪制加工圖樣，表明每個元部件的公差，并通過試驗，標明哪一個公差對特性變化影響最大，必須嚴格掌握。應(yīng)注意，開發(fā)一個新的系統(tǒng)，通常不是一次設(shè)計就能順利成功的，而是需要經(jīng)過設(shè)計-制造-試驗，再設(shè)計-再制造-再試驗等反復(fù)循環(huán)過程，才能設(shè)計出達到最終滿足設(shè)計要求的新產(chǎn)品。第二章第二章 機械傳動與支承導(dǎo)向部件機械傳

35、動與支承導(dǎo)向部件機電一體化系統(tǒng)中機械結(jié)構(gòu)模塊的主要組成部分是機械傳動裝置與支承導(dǎo)向部件，而支承導(dǎo)向部件又包括軸系、導(dǎo)軌及支承件等。它們在機電一體化系統(tǒng)中有著特殊的作用和功能，例如，傳遞運動和負載、匹配轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速、隔離環(huán)境溫度和震動，以及支承和包裝等。對于機電一體化系統(tǒng)來說，機械部件的精度、游隙、摩擦、慣量、抗振性、穩(wěn)定性以及可靠性是必須優(yōu)先考慮的一些技術(shù)指標。第二章第二章 機械傳動與支承導(dǎo)向部件機械傳動與支承導(dǎo)向部件本章重點介紹在機電一體化系統(tǒng)中常用的一些機械傳動部件、軸系、導(dǎo)軌及支承件。討論它們的原理、結(jié)構(gòu)、特點以及主要參數(shù)計算。最后，從系統(tǒng)的角度提出其動態(tài)數(shù)學(xué)模型和設(shè)計參數(shù)要求，以有利于系

36、統(tǒng)級的分析和設(shè)計。第一節(jié)第一節(jié) 齒輪系與蝸桿副齒輪系與蝸桿副齒輪系及蝸桿副是一種發(fā)展歷史悠久、現(xiàn)在仍廣泛使用的機械傳動部件。它工作可靠、傳動比恒定、結(jié)構(gòu)成熟，但制造復(fù)雜。齒輪傳動的主要精度要求是瞬時傳動比不變，即主動輪作勻速轉(zhuǎn)動時，從動輪也作勻速轉(zhuǎn)動。理論上，擺線、漸開線的各種應(yīng)用曲線都能夠滿足要求。但是，由于加工、裝配及運行誤差，使得從動輪的實際轉(zhuǎn)速變得忽快忽慢，在一轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之間存在偏差。這不僅影響傳動精度，而且影響工作平穩(wěn)性。一、分類及選用一、分類及選用第一節(jié)第一節(jié) 齒輪系與蝸桿副齒輪系與蝸桿副根據(jù)傳動軸的不同特點，可選用不同類型的齒輪或蝸桿副組成傳動部件。傳遞平行軸之

37、間運動的正齒輪易于設(shè)計制造、成本低，使用最為廣泛。斜齒輪可用于高速、重載、要求噪聲低的場合，但存在較大的軸向推力；人字齒輪由于左右齒推力平衡，而不產(chǎn)生軸向推力，但其中一個齒輪應(yīng)有一定軸向間隙，以便安裝。相交軸傳動中直齒錐齒輪為線接觸，傳動效率高。交錯軸斜齒輪有滑動作用，傳動效率低，同時為點接觸，只能承受較輕負載。行星齒輪尺寸小、重量輕、效率高，且能傳遞較大功率，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。第一節(jié)第一節(jié) 齒輪系與蝸桿副齒輪系與蝸桿副蝸桿副在一定意義上也可看作一種特殊的齒輪，只能用于傳遞空間垂直交錯軸之間的回轉(zhuǎn)運動。蝸桿為傳動副的主動構(gòu)件，蝸輪為從動構(gòu)件。若設(shè)計的蝸輪包著蝸桿，則稱為單包；若蝸輪和蝸桿相互包著

38、，則稱為雙包。蝸桿副為線接觸，可傳遞較大功率，傳動比大。蝸桿一般有18個頭，優(yōu)點是傳動平穩(wěn)、噪聲小、可自鎖，但傳動效率低，功率損失較大。二、齒輪系傳動比最佳分配條件二、齒輪系傳動比最佳分配條件齒輪系經(jīng)常用于伺服系統(tǒng)的減速增矩，往往由數(shù)對嚙合齒輪組成減速器。為了達到驅(qū)動負載的高加速度，要求減速器的轉(zhuǎn)動慣量盡可能地小。下面，根據(jù)最小等效轉(zhuǎn)動慣量原則，決定齒輪傳動級數(shù)和各級傳動比分配。首先考慮圖2-1所示電動機驅(qū)動的兩級齒輪系，然后再推廣到多級傳動的情況。假設(shè)各主動小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量和齒厚均相等。圖中1、2、3、 4為齒輪。設(shè)第一級齒輪傳動比為i1，第二級的傳動比為i2。 二、齒輪系傳動比最佳分配條件

39、二、齒輪系傳動比最佳分配條件對于由齒輪l和齒輪2組成的齒輪副，忽略傳動能量損失，由動能守恒定律得 (2-1)式中 - 折算到1軸的轉(zhuǎn)動慣量； - 折算到2軸的轉(zhuǎn)動慣量； n1-1軸轉(zhuǎn)速； n2 -2軸轉(zhuǎn)速。2222112121nJnJ121J221J二、齒輪系傳動比最佳分配條件二、齒輪系傳動比最佳分配條件由式（2-1）可得折合到1軸和2軸的轉(zhuǎn)動慣量的關(guān)系式 (2-2)同理，有 (2-3)12112212JiJnnJ3224JiJ 二、齒輪系傳動比最佳分配條件二、齒輪系傳動比最佳分配條件設(shè)各齒輪材料相同，厚度相同，且齒輪1和齒輪3一樣大，則有J3= J1，并且， ， 因此，等效到電動機軸上的總轉(zhuǎn)

40、動慣量J為 (2-4)其中第一等式已利用轉(zhuǎn)動慣量折合關(guān)系式(2-2)和式(2-3)。設(shè)總速比為i，即，ii1 i2，則式（2-4)可改寫成 （2-5）12122211121121224321211)(JiiiJJiJiiJJiJJJ)111 (4121211iiiJJ1412JiJ3424JiJ二、齒輪系傳動比最佳分配條件二、齒輪系傳動比最佳分配條件令 ，可解得即 （2-6） 或者 由式（2-6），可得使轉(zhuǎn)動慣量J最小的i1和i2的關(guān)系式 （2-7）由于i11，式（2-7）可近似為 （2-8）0iJ102iii2216102iii2222161i02i1i224121412ii2212ii 二

41、、齒輪系傳動比最佳分配條件二、齒輪系傳動比最佳分配條件 一般來說，齒輪傳動的總等效慣量隨著傳動級數(shù)增加而減少，但傳動效率隨著傳動級數(shù)增加而降低，齒隙和摩擦的來源也隨之增加。因此，在設(shè)計齒輪系傳動部件時，應(yīng)在傳動級數(shù)和傳動比的分配方面綜合權(quán)衡。工程上，可按照圖2-2曲線確定齒輪傳動級數(shù)和傳動比。為了減少負載轉(zhuǎn)動慣量，除了上述考慮外，在結(jié)構(gòu)上，還可在滿足強度的前提下盡可能把齒輪做小，選用輕質(zhì)合金以及采用在齒輪上開孔等措施。二、齒輪系傳動比最佳分配條件二、齒輪系傳動比最佳分配條件對于大功率傳動情況，由于傳遞力矩較大，應(yīng)考慮隨轉(zhuǎn)矩逐級增大相應(yīng)各級齒輪的模數(shù)、齒寬，尺寸大小也應(yīng)逐級增大。這時，可依照圖2

42、-3中的曲線來設(shè)計齒輪系傳動級數(shù)和各級傳動比。設(shè)計舉例當設(shè)計總傳動比為i=256，由圖2-3a可得，當n=3時，JG/JP=70；當n=4時，JG/JP=35；當n=5時，JG/JP=26。為了兼顧JG/JP值的大小與傳動部件的緊湊性，宜選擇n=4，即4級傳動。再由圖2-3b可得，第一級傳動比i1=3.3。然后，在圖2-3c中，由橫坐標i=3.3，查出對應(yīng)A曲線的縱坐標，可得第二級傳動比i2=3.7。過A曲線該點作水平線，與B曲線相交，由該交點的橫坐標得第三級傳動比i3=4.3。設(shè)計舉例最后，過B曲線上該交點作垂直線，再與A曲線相交，該交點所對應(yīng)的縱坐標即為第四級傳動比i4=4.9。此時，i=

43、i1i2i3i4=257.2647，與設(shè)計值相近，稍作修正即可。 三、齒輪副間隙的消除三、齒輪副間隙的消除齒輪副的間隙使得在傳動過程中，主動輪突然改變旋轉(zhuǎn)方向時，從動輪不能立即隨之反轉(zhuǎn)，而是有一個滯后量，造成齒輪傳動的回差。這種非線性因素將會影響全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。消除齒輪副間隙通常分為剛性調(diào)整法和柔性調(diào)整法。1、剛性調(diào)整法、剛性調(diào)整法包括調(diào)整中心矩法、選擇裝配法、帶錐度齒輪法以及斜齒輪法。2柔性調(diào)整法柔性調(diào)整法 柔性調(diào)整法主要通過在雙齒輪中間加入彈性元件，使雙齒輪分別貼緊其嚙合齒輪齒的兩側(cè)，以消除嚙合間隙。這種方法在齒厚和周節(jié)有差異的情況下，仍可保持無間隙嚙合，但將影響其傳動平穩(wěn)性，傳動

44、剛度較低。齒輪傳動誤差分析在齒輪系傳動中，各級齒輪的傳動間隙對系統(tǒng)精度影響程度是不同的。設(shè)各級齒輪間隙分別為1，2，n，則歸算到負載軸上的總間隙為 （2-9） 式中i1，i2，in-1-各級傳動比。對于減速傳動的系統(tǒng)，傳動比大于1，即ik1，k1，2，于是，由式（2-9）可見，后級的間隙比前級的間隙影響大，最后一級的間隙對系統(tǒng)的精度影響最大，因此，對于減速齒輪傳動，保證最后一級齒輪精度最為重要。121111nnnnii ii第二節(jié)第二節(jié) 滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠螺母副普通的螺旋傳動早已在將回轉(zhuǎn)運動變換為直線運動的場合得到廣泛應(yīng)用。但是，由于螺桿和螺母之間為滑動摩擦，在磨損和精度等方面不能滿足一些

45、高精度機電一體化系統(tǒng)的要求。滾珠絲杠螺母副克服了普通螺旋傳動的缺點，已發(fā)展成為一種高精度的傳動裝置。它采用滾動摩擦螺旋取代了滑動摩擦螺旋，具有磨損小、傳動效率高、傳動平穩(wěn)、壽命長、精度高、溫升低等優(yōu)點。由于滾珠絲杠螺母副具有運動摩擦小、便于消除傳動間隙等突出優(yōu)點，它給機電一體化系統(tǒng)的性能改善帶來了具大的益處。但是，它不能自鎖，用于升降傳動時需要另加鎖緊裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本偏高。滾珠絲杠螺母副的精度根據(jù)使用范圍及要求分為七個等級，即1，2， 3，4，5， 7， 10級，1級最高，依次遞減。主要規(guī)格和性能指標如下：（l）公稱尺寸和基本導(dǎo)程，見下表。(2)行程偏差和行程變動量，根據(jù)精度等級和有效行程

46、查表。容許行程變動量見下表。3）工作溫度125300 。（4）工作壽命；數(shù)控機床、精密機床為1500h。一、結(jié)構(gòu)類型一、結(jié)構(gòu)類型滾珠絲杠螺母副分為外循環(huán)插管式和內(nèi)循環(huán)反向器式兩種類型，如圖2-12所示。一、結(jié)構(gòu)類型一、結(jié)構(gòu)類型外循環(huán)插管式滾珠絲杠螺母副的滾珠，在循環(huán)過程中有一段離開絲杠表面，通過彎管形成循環(huán)回路。它的結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，但徑向尺寸大，且彎管兩端管舌耐磨性和抗沖擊性差。內(nèi)循環(huán)反向器式滾珠絲杠螺母副的滾珠，在循環(huán)過程中始終與絲杠表面接觸，通過反向器越過絲杠的螺紋外徑進入相鄰滾道，形成一個循環(huán)回路。內(nèi)循環(huán)反向器式結(jié)構(gòu)回路短，摩擦小，效率高，徑向尺寸小，但制造成本較高。二、傳動剛度計算

47、二、傳動剛度計算傳動剛度是機械傳動部件的一個重要性能指標，它直接影響整個機械結(jié)構(gòu)的振動模態(tài)和機電一體化系統(tǒng)的性能。一般滾珠絲杠比較細長，它的剛度應(yīng)該給予充分重視。參考圖2-13，滾珠絲杠螺母副的傳動剛度計算步驟如下：首先、由圖a得到系數(shù)bSt ，利用該系數(shù)可使圖b的S spm標尺擴展；其次，從圖b中，根據(jù)外部軸向力Fasp與軸向預(yù)載荷力Favm，得到軸向位移S spm；于是，滾珠絲杠螺母副傳動剛度可由下式計算 （2-10）spmaspSFk傳動剛度計算舉例傳動剛度計算舉例當絲杠直徑為40mm，滾珠直徑為6.35mm，每個螺母單元有3個滾珠環(huán)道，可由圖a得bst3。如果外部軸向力Fasp為200

48、00N，軸向預(yù)載荷力Favm為5000N，則由圖b可查得軸向位移S spm為S spm9m3=27m （2-11）因此，可計算該滾珠絲杠螺母副的傳動剛度為 （2-12）mNmNk/740272000三、間隙消除及預(yù)緊方法三、間隙消除及預(yù)緊方法滾珠絲杠螺母副廣泛用于閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，如果傳動存在間隙非線性，將使控制性能變差，故一般要采取消除間隙和適當預(yù)緊的措施：其主要方法有以下四種：1、雙螺母齒差式、雙螺母齒差式2雙螺母螺紋式雙螺母螺紋式3雙螺母墊片式雙螺母墊片式4單螺母變位導(dǎo)程自預(yù)緊式單螺母變位導(dǎo)程自預(yù)緊式 三、間隙消除及預(yù)緊方法三、間隙消除及預(yù)緊方法滾珠絲杠螺母副的傳動間隙除了結(jié)構(gòu)本身的軸

49、向竄動外，還應(yīng)考慮加上軸向載荷后彈性變形所產(chǎn)生的軸向竄動。預(yù)緊能夠有效地減小彈性變形所帶來的軸向間隙，但預(yù)緊力過大將增加摩擦阻力，降低傳動效率，減少其使用壽命。預(yù)緊一般應(yīng)在最大軸向載荷下，既能消除間隙，又能靈活運轉(zhuǎn)。在工程設(shè)計中，一般預(yù)載值的大小取最大負載的1/3時，可使效率不偏低。加預(yù)載一般分三次加載，每次加1/3的預(yù)載力，開車跑20min。 四、支承結(jié)構(gòu)形式四、支承結(jié)構(gòu)形式滾珠絲杠螺母副的支承主要是約束絲杠的軸向竄動，其次才是徑向約束。1兩端固定（雙推-雙推，F(xiàn)-F）。2一端固定一端游動（雙推-簡支，F(xiàn)-S）3兩端均為單向推力（單推-單推，J-J）4. 一端固定一端自由（雙推-自由， F-

50、O）第三節(jié)第三節(jié) 諧波齒輪減速器諧波齒輪減速器諧波齒輪是隨空間宇航技術(shù)發(fā)展，由行星齒輪傳動演變而來的。它與普通齒輪副傳動相比具有速比大、范圍寬，重疊系數(shù)大，嚙合好，傳動精度和效率高、平穩(wěn)、噪聲小，結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕，承載能力大，功率范圍寬，間隙易于消除，可通過密封壁傳動等優(yōu)點，在高技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。諧波齒輪減速器的技術(shù)條件如下：（1）精密級和普通級的傳動誤差和空程分別小于2和6；（2）額定載荷下輸出軸的扭轉(zhuǎn)變形角不超過15；（3）傳動比為63125，效率大于80%90%；傳動比大于125，效率為70%80%；（4）使用環(huán)境條件：溫度40 + 50；相對濕度95% 3%（20）；振動頻率7

51、0500Hz，加速度2g；掃頻循環(huán)次數(shù)10次（5）在額定轉(zhuǎn)速和額定載荷下，使用壽命1 104h；（6）噪聲不大于60dB。一、工作原理及結(jié)構(gòu)一、工作原理及結(jié)構(gòu)從傳動原理上講，諧波齒輪傳動分單波和雙波兩種；當波發(fā)生器只有一個單滾子時，這種傳動稱為單嚙合區(qū)（單波）諧波齒輪傳動；當波發(fā)生器有兩個滾子時，則稱為雙波傳動。雙波傳動由于對稱安裝有兩個滾子，抵消了單滾子波發(fā)生器上的徑向力，而且，柔輪和剛輪的齒數(shù)差最好為2，保證了柔輪變形的對稱性。此外，波發(fā)生器還可做成3個或3個以上的滾子，這時，柔輪和剛輪的齒數(shù)差相應(yīng)為3或3以上。不過，滾子越多，柔輪中的彎曲應(yīng)力越大。一、工作原理及結(jié)構(gòu)一、工作原理及結(jié)構(gòu)柔輪

52、是一個薄壁齒圈，波發(fā)生器將它撐為橢圓形。當波發(fā)生器轉(zhuǎn)動時，柔輪長軸上的輪齒A和B與剛輪完全嚙合，短軸上的輪齒C和D則與剛輪完全脫開，而中間區(qū)域處于過渡狀態(tài)。設(shè)柔輪比剛輪少2個齒，則當波發(fā)生器順時針轉(zhuǎn)動一周時，柔輪相對剛輪逆時針轉(zhuǎn)過2個齒，于是，將波發(fā)生器的快速轉(zhuǎn)動變?yōu)槿彷喌穆俎D(zhuǎn)動，獲得很大的減速比。諧波齒輪傳動除了可設(shè)計成剛輪固定外，還可設(shè)計成柔輪固定或波發(fā)生器固定的傳動形式：將柔輪固定可實現(xiàn)通過密封壁傳動。一、工作原理及結(jié)構(gòu)一、工作原理及結(jié)構(gòu)與完全剛性構(gòu)件組成的行星齒輪傳動相比，諧波齒輪采用了一部分柔性構(gòu)件。傳動時，由于有多對齒同時嚙合傳遞載荷，故承載能力大。同時，由于輪齒的相對位移不大，

53、而且主要發(fā)生在載荷小的區(qū)域，故嚙合時的摩擦損失小，輪齒的磨損也小。又由于諧波輪齒的特殊形狀，波發(fā)生器和柔輪運動副中的壓力角減小，故能量損失小。波發(fā)生器分連續(xù)作用式和脈動作用式。前面介紹的機械滾子式波發(fā)生器屬于連續(xù)作用式。而脈動作用式又分液動式波發(fā)生器、氣動式波發(fā)生器和電磁式波發(fā)生器。由于滾子軸承尺寸的限制，滾子式波發(fā)生器只適用于小功率的低速傳動。 一、工作原理及結(jié)構(gòu)一、工作原理及結(jié)構(gòu)滾子式波發(fā)生器工作時，滾子與柔輪接觸處常出現(xiàn)很大的表面應(yīng)力。為了減小由此帶來的應(yīng)力，可以將滾子直徑加大。加大到兩個滾子直徑之和大于柔輪直徑時，可將一兩個滾子沿軸向前后叉開，安裝在不同的平面上，以避免兩個滾子頂住。這

54、種波發(fā)生器稱為圓盤式波發(fā)生器。諧波齒輪還可以采用輪廓曲線經(jīng)過計算的凸輪代替自由波發(fā)生器，以便增加嚙合齒的對數(shù)。這種嚴格確定柔性構(gòu)件變形形狀的波發(fā)生器，稱為定性波發(fā)生器。柔輪分為圓柱形和鐘形。鐘形的表面形狀是雙曲面，其目的是為了保證變形齒圈具有平行位移。二、傳動剛度二、傳動剛度扭轉(zhuǎn)剛度扭轉(zhuǎn)剛度k為 （2-13）由圖可見，諧波傳動的剛度是非線性變化的，圖中用折線近似表示。粗略估算時，可用圖示虛線近似求出剛度。對比圖a和圖b還可看出：當存在傳動間隙時，其不準確度將增大。消除傳動間隙通常從以下兩方面入手：其一是采用無間隙花鍵、過盈配合、銷釘?shù)确绞铰?lián)接柔輪和軸；其二是將齒輪按照無間隙加工，由于存在柔性構(gòu)

55、件，這種無齒隙嚙合傳動不會有任何問題。22ddTk 三、雙波和圓盤式波發(fā)生器諧波傳動三、雙波和圓盤式波發(fā)生器諧波傳動速比及柔輪直徑的計算速比及柔輪直徑的計算設(shè)柔輪齒數(shù)為Zl，轉(zhuǎn)速為l；剛輪齒數(shù)為Z2，轉(zhuǎn)速為2；波發(fā)生器轉(zhuǎn)速為H，則速比分別為剛輪固定時 （2-14)柔輪固定時 (2-15)波發(fā)生器固定時 (2-16)1211ZZZH1222ZZZH1221ZZ柔輪直徑d計算柔輪直徑d通常根據(jù)在額定力矩作用下，以及徑向相對的兩個區(qū)域內(nèi)沿嚙合齒均勻分布的切向力作用下，柔輪受扭的計算來確定。即 (2-17)式中 C-考慮沿嚙合區(qū)的載荷分布及變形量對柔輪中應(yīng)力分布的影響系數(shù)，一般取為1216； MP-柔

56、輪上的計算力矩； -柔輪直徑與齒圈下的柔輪壁厚之比，一般取為80l00； -雙向承載時的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。3pMCd 傳動比計算當柔輪從動時，柔輪齒數(shù)Zl和剛輪齒數(shù)Z2可根據(jù)傳動比i確定。即Zl2i （2-18) Z2Zl2 （2-19)當剛輪從動時，則有 Z22i （2-20)Zl= Z22 （2-21）從切齒方便考慮，Zl和Z2最好能分解成小于100的因子；從切削精度考慮，Zl和Z2與插齒刀的齒數(shù)不應(yīng)有公約數(shù)。第四節(jié)第四節(jié) 軸系軸系軸系由軸、軸頸、軸承以及軸上的傳動件等組成。在機械傳動鏈內(nèi)，中間傳動軸的要求一般不高，但對于保證機械功能、完成機械主要運動的主軸，則有較高的要求。主要要求包括：（1

57、）回轉(zhuǎn)精度回轉(zhuǎn)精度 如，精密金剛石車床的主軸回轉(zhuǎn)精度達0. 025m；（2）靜剛度靜剛度。 即單位變形量所需的靜載荷大小。第四節(jié)第四節(jié) 軸系軸系（3）動特性動特性。一般指軸系抵抗沖擊、振動、噪聲的特性。它與軸系的動剛度、慣量等因素有關(guān)。通常，以軸系主振頻率來表征。例如，各種車床的主軸系統(tǒng)的主頻率約為200Hz。（4）熱特性熱特性。軸系的熱特性主要參數(shù)是熱源強度、溫升及工作部位的熱位移。精密機械不僅要控制彈性變形，還應(yīng)注意熱變形引起的誤差。一、滾動摩擦支承軸系一、滾動摩擦支承軸系滾動摩擦支承軸系采用滾珠軸承支承。常用滾珠軸承有兩類：l）標準滾動軸承，例如，圓錐孔雙列圓柱滾子軸承、角接觸球軸承、雙

58、向推力角接觸球軸承、圓錐滾子軸承等；2）新型滾動軸承，例如，密集滾珠軸承、變預(yù)緊力軸承、轉(zhuǎn)盤軸承等。 一、滾動摩擦支承軸系一、滾動摩擦支承軸系在軸承承受軸向負荷時，應(yīng)對其實現(xiàn)軸向限位。若負荷為單軸向時，軸承內(nèi)、外圈作單向異面限位。內(nèi)圈左端面限位，外圈右端面限位，限位方向與軸的傳遞力方向一致。當軸承承受雙軸向負荷時，應(yīng)對其內(nèi)、外圈均作雙向限位。軸承內(nèi)圈限位可利用各種形式的擋圈和螺母實現(xiàn)。軸承外圈限位可利用各種形式的端蓋和套圈實現(xiàn)。若使用螺母限位，則必須附加螺母防松裝置。此外，也可以采用過盈套實現(xiàn)軸承軸向限位。為了消除間隙和提高旋轉(zhuǎn)精度，軸承應(yīng)加預(yù)緊，使軸承在不受外載荷時，內(nèi)部產(chǎn)生過盈。預(yù)緊適當可

59、以在不產(chǎn)生過度溫升之下，提高軸承剛度、壽命和阻尼，并降低噪聲。二、滑動摩擦支承軸系二、滑動摩擦支承軸系滑動摩擦支承軸系采用液體（或氣體）動、靜壓軸承。1液體動壓支承液體動壓支承液體動壓支承工作原理是斜板承載機理：若兩平面之間的油液成楔形，二者相對運動時將產(chǎn)生壓力，從而可以承載。利用這一原理可以設(shè)計出各種形式的結(jié)構(gòu)，形成單向或雙向旋轉(zhuǎn)的各種類型的動壓支承。根據(jù)形成油楔的結(jié)構(gòu)不同，液體動壓支承分為：l）球頭浮動式；2）薄壁彈性變形式；3）加工形成式。 2氣體動壓支承氣體動壓支承氣體動壓支承的原理與液體動壓支承的基本相同，在軸頸和軸瓦之間形成氣楔。由于空氣的可壓縮性、粘度系數(shù)和溫度系數(shù)變化都較小，用

60、于超高速、超高低溫、放射性、防污染等場合有獨特的優(yōu)越性。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，氣體動壓支承分為懸臂式、波箔式和張緊式。3液體靜壓支承液體靜壓支承液體靜壓支承的工作原理如下：在油壓的作用下，軸套內(nèi)孔壁上的油腔與運動表面之間形成油膜。當軸的重量忽略不計時，油膜四周厚度相同，油腔沒有壓力差存在。當軸在徑向載荷作用下，軸心下移，上油膜厚度大于下油膜，油腔產(chǎn)生壓力差，將軸托起，使之回到平衡位置。液體靜壓支承的特點是精度高、剛度大、抗振性好、摩擦力矩小，用于中低速重載高精度的機械設(shè)備，如主軸回轉(zhuǎn)精度0.025m的超精密車床，重量達到5002000t的天文光學(xué)望遠鏡的旋轉(zhuǎn)部件。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，液體靜壓支承的形式有雙半