機電系統(tǒng)綜合設(shè)計1課件

機電系統(tǒng)綜合設(shè)計（全套）參賽選手：****機電學(xué)院本科課程機電系統(tǒng)綜合設(shè)計（全套）參賽選手：****機電學(xué)院本科課程機電系統(tǒng)綜合設(shè)計課程介紹內(nèi)容概述考核與成績評定參考書目機電系統(tǒng)綜合設(shè)計課程介紹內(nèi)容概述考核與成績評定參考書目課程介紹本課程以典型機電系統(tǒng)的構(gòu)成與工作原理為實例，介紹構(gòu)成機電系統(tǒng)所需的典型機械機構(gòu)、傳感器、執(zhí)行裝置、計算機控制技術(shù)等內(nèi)容，從系統(tǒng)論、信息論和控制論的觀點出發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生對機電系統(tǒng)的設(shè)計、分析能力，為從事機電系統(tǒng)的設(shè)計及其相關(guān)工作打好基礎(chǔ)。課程介紹本課程以典型機電系統(tǒng)的構(gòu)成與工作原理為實例，介紹構(gòu)成課程介紹通過本課程學(xué)習(xí)，對典型機電系統(tǒng)能夠從系統(tǒng)的觀點進行分析，并能從宏觀上進行機電系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)的基本設(shè)計，對機電系統(tǒng)所綜合的機械、電子、電氣、控制工程、信息和計算機技術(shù)等諸多學(xué)科知識進行系統(tǒng)歸納。課程介紹通過本課程學(xué)習(xí)，對典型機電系統(tǒng)能夠從系統(tǒng)的觀點進行分機電系統(tǒng)綜合設(shè)計課程介紹內(nèi)容概述考核與成績評定參考書目機電系統(tǒng)綜合設(shè)計課程介紹內(nèi)容概述考核與成績評定參考書目內(nèi)容概述（共32學(xué)時）第一章機電系統(tǒng)概述（2學(xué)時）1.機電一體化技術(shù)的發(fā)展歷程2.機電系統(tǒng)一般組成第二章機電系統(tǒng)的控制（6學(xué)時）1.控制系統(tǒng)的構(gòu)成與原理2.典型控制方法第三章傳感測控技術(shù)（6學(xué)時）1.機電一體化系統(tǒng)常用的傳感器類型與工作原理2.測量與控制系統(tǒng)的構(gòu)成與工作方式內(nèi)容概述（共32學(xué)時）第一章機電系統(tǒng)概述（2學(xué)時）內(nèi)容概述第四章機電執(zhí)行裝置與機械機構(gòu)（4學(xué)時）1.執(zhí)行裝置、機械機構(gòu)的作用2.典型機電執(zhí)行裝置和機械機構(gòu)第五章機電系統(tǒng)實例分析（6學(xué)時）消費電子產(chǎn)品中的機電系統(tǒng)實例分析（2學(xué)時）工業(yè)領(lǐng)域中的機電系統(tǒng)實例分析（1學(xué)時）汽車與機電系統(tǒng)（1學(xué)時）機電系統(tǒng)與武器系統(tǒng)（2學(xué)時）實踐環(huán)節(jié)機電系統(tǒng)綜合設(shè)計實踐（8學(xué)時）內(nèi)容概述第四章機電執(zhí)行裝置與機械機構(gòu)（4學(xué)時）機電系統(tǒng)綜合設(shè)計課程介紹內(nèi)容概述考核與成績評定參考書目機電系統(tǒng)綜合設(shè)計課程介紹內(nèi)容概述考核與成績評定參考書目考核與成績評定平時考察與考試環(huán)節(jié)結(jié)合。各教學(xué)環(huán)節(jié)占總分的比例平時及實踐環(huán)節(jié)：30%，考試：70%?？己伺c成績評定平時考察與考試環(huán)節(jié)結(jié)合。機電系統(tǒng)綜合設(shè)計課程介紹內(nèi)容概述考核與成績評定參考書目機電系統(tǒng)綜合設(shè)計課程介紹內(nèi)容概述考核與成績評定參考書目參考書目三浦宏文（日）《機電一體化實用手冊》，科學(xué)出版社，北京，2005伍清河，計算機控制系統(tǒng)傳感器技術(shù)相關(guān)教材機電接口技術(shù)相關(guān)教材參考書目三浦宏文（日）《機電一體化實用手冊》，科學(xué)出版社，北第一章機電系統(tǒng)概述機電系統(tǒng)綜合設(shè)計第一章機電系統(tǒng)概述機電系統(tǒng)綜合設(shè)計1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電一體化利用電子、信息（包括傳感器、控制、計算機等）技術(shù)使機械柔性化和智能化的技術(shù)。Mechatronics為日本學(xué)術(shù)界創(chuàng)造的詞匯，由機械和電子的英文單詞Mechanism和Electronics組合而成。機電一體化技術(shù)可以實現(xiàn)機械的柔性化和智能化柔性化：機構(gòu)具有相當(dāng)?shù)撵`活性，可實現(xiàn)微小運動和復(fù)雜運動智能化：系統(tǒng)具有很強的控制能力，甚至有一定的學(xué)習(xí)能力簡而言之，機電系統(tǒng)就是機電一體化的系統(tǒng)。1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電一體化1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電一體化的目標機電一體化的目標是將機械技術(shù)與電子技術(shù)結(jié)合，充分發(fā)揮各自的長處，彌補各自技術(shù)上的不足。機械的強度高，輸出功率大，可承受大載荷，但微小運動和復(fù)雜運動不易實現(xiàn)；電子領(lǐng)域的傳感器和計算機可以實現(xiàn)高精度的檢測與控制，但電子技術(shù)卻無法自行實現(xiàn)重載荷條件下的運動；將機械技術(shù)和電子技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)重載條件下的微小運動或復(fù)雜運動。1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電一體化的目標Yamaha數(shù)控雕刻機機電系統(tǒng)實例流水線上的工業(yè)機器人Yamaha數(shù)控雕刻機機電系統(tǒng)實例流水線上的工業(yè)機器人1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展機電設(shè)備和其系統(tǒng)是自動化系統(tǒng)的自然演變產(chǎn)品?？梢詮娜齻€方面窺視這個演變：純機械自動化系統(tǒng)(1990早期及以前)帶有電氣元件(如繼電器器、晶體管、放大器)的自動化設(shè)備(1900前——1970)計算機自動化控制系統(tǒng)(1970年代——現(xiàn)在)1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展早期自控系統(tǒng)完成自動控制完全依靠機械方式。例如，水箱實現(xiàn)水位調(diào)節(jié)時將閥門和浮球連接預(yù)設(shè)設(shè)定水位有浮球高度或者連接臂長度決定。浮球打開或關(guān)閉閥門以維持預(yù)定水位。1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展早期自控系統(tǒng)完成自動控制完全依靠機械方式。另一個完全有機械裝置構(gòu)成的經(jīng)典自動化控制系統(tǒng)是瓦特的飛球控制器，用來調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速。1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展使用運算放大器的模擬伺服控制器促成了機電系統(tǒng)的第二次變革。自動化系統(tǒng)不必是純

機械式。運算放大器

會比較設(shè)定數(shù)據(jù)和測

量數(shù)據(jù)，基于二者差

值驅(qū)動致動器。這個

原理發(fā)展成后來的機

電伺服控制系統(tǒng)。右圖為模擬式電熱控

制器原理。1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展1970年代以后，隨著微處理器引入控制領(lǐng)域，可編程控制和智能決策引入自動化設(shè)備系統(tǒng)中。數(shù)字計算機不僅使控制功能復(fù)雜程度超過先前的機械或電氣設(shè)備，同樣使先前不可能實現(xiàn)的設(shè)計成為現(xiàn)實?？刂乒δ懿粌H包含了伺服控制還有許多運算邏輯，錯誤判斷，元件狀態(tài)監(jiān)測，網(wǎng)絡(luò)通信，非線性最佳自適應(yīng)控制策略。許多功能只用模擬運算電路是不可能實現(xiàn)的。使用數(shù)字控制器，這些功能很容易實現(xiàn)，僅僅只是軟件上的編碼而已。1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展1970年代以后，隨著微處理器引入控制領(lǐng)域，可編程控制和智能決策引入自動化設(shè)備系統(tǒng)中。引入微控制器后，自動化工業(yè)在產(chǎn)品和產(chǎn)品生產(chǎn)方式上有了很大的變化?；谖⒖刂破鞯那度胧轿⒖刂破魇箍删幊躺a(chǎn)過程數(shù)量增多，如裝配線，CNC工具，材料處理。這改變了生產(chǎn)過程，減少了勞動力使用，增加了生產(chǎn)力。產(chǎn)品本身也發(fā)生了改變。1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展1.2機電一體化為機電系統(tǒng)帶來的優(yōu)勢使產(chǎn)品具有原來所不具備的新功能增強產(chǎn)品的柔性，即所謂的Flexibility改善操作性能滿足多樣性的需求擴大設(shè)計的靈活性改善生產(chǎn)的工藝性使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更為緊湊減少產(chǎn)品零部件數(shù)量提高產(chǎn)品可靠性提高品質(zhì)節(jié)省能源消耗降低成本1.2機電一體化為機電系統(tǒng)帶來的優(yōu)勢使產(chǎn)品具有原來所不具備1.2機電一體化為機電系統(tǒng)帶來的優(yōu)勢機電一體化技術(shù)的本質(zhì)是將電子技術(shù)引入到機械控制中：利用傳感器檢測機械的運動，將檢測信息輸入到計算機，經(jīng)計算得到能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期運動的控制信號，由此來控制執(zhí)行裝置。上述的計算，實際上就是計算機軟件的主要功能和作用。在系統(tǒng)中，通過編制適當(dāng)?shù)能浖崿F(xiàn)所需要的控制，從而使系統(tǒng)具有前面所說的各種優(yōu)勢。1.2機電一體化為機電系統(tǒng)帶來的優(yōu)勢機電一體化技術(shù)的本質(zhì)是1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電系統(tǒng)在系統(tǒng)設(shè)計層次方面同時包含三個不同的傳統(tǒng)工程領(lǐng)域：機械工程電氣工程計算機技術(shù)以系統(tǒng)設(shè)計層面來看，

機電一體化不只是這些

領(lǐng)域的總和，而是這些

領(lǐng)域的交叉。在機電控制系統(tǒng)領(lǐng)域這是革命性的變化。1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電系統(tǒng)在系統(tǒng)設(shè)計層次方面同時包含三個不1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電一體化系統(tǒng)實例如前所述，機電一體化系統(tǒng)中一定具有運動機械，并采用電子技術(shù)來使機械實現(xiàn)柔性化和智能化。機器人自動對焦相機防抖攝像機數(shù)控加工中心汽車電飯煲智能電視機？…………1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電一體化系統(tǒng)實例1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電一體化系統(tǒng)實例當(dāng)代汽車在8位和16位微控制器引入到嵌入式控制中前，汽車中的電子元件只有廣播，打火器，發(fā)電機和電池充電系統(tǒng)。發(fā)動機，傳動裝置，剎車系統(tǒng)全部由機械方式或半機械方式控制。現(xiàn)在汽車發(fā)動機裝有嵌入式控制器，基于負載，速度，溫度和壓力傳感器實時控制油料注入的時間和量，提高了油料燃燒效率，減少污染，提升性能。自動傳動裝置也有微控制器控制。剎車系統(tǒng)，包括ABS(防抱死系統(tǒng)),TCS(牽引控制系統(tǒng)),DVSC(車輛動態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng))，同樣也由集成控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)發(fā)動機或剎車，以期提高車輛控制性能。1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電一體化系統(tǒng)實例當(dāng)代汽車系統(tǒng)當(dāng)代汽車系統(tǒng)當(dāng)代汽車系統(tǒng)當(dāng)代汽車系統(tǒng)1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)“機電一體化”一詞由YaskawaElectric公司的工程師提出。每一個現(xiàn)代機電系統(tǒng)都有一個或多個嵌入式計算機，或者叫做微控制器。計算機硬件和軟件(應(yīng)用在機電系統(tǒng)控制中的部分)是機電系統(tǒng)中關(guān)鍵的一部分。得益于微控制器廣泛應(yīng)用于大眾市場，機電一體化廣泛覆蓋了社會的各個領(lǐng)域。微計算機控制器價格不斷下降，性能不斷上升，使得其可以應(yīng)用到成千上萬的產(chǎn)品中。1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)“機電一體化”一詞由YaskawaEl1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)以往機電產(chǎn)品設(shè)計團隊包括：設(shè)計機械部分的工程師設(shè)計電氣部分（如致動器，傳感器，放大器）或控制邏輯/算法的工程師設(shè)計電腦軟硬件實現(xiàn)產(chǎn)品實時控制的工程師現(xiàn)在的機電一體化工程師應(yīng)該可以完成這些所有的工作。設(shè)計過程不再是“機械電氣設(shè)計計算機控制設(shè)計”的順序排列，而是三者同時進行。機電一體化工程師的最終產(chǎn)品應(yīng)該是一個由嵌入式計算機控制的機械設(shè)備或系統(tǒng)。1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)以往機電產(chǎn)品設(shè)計團隊包括：1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電系統(tǒng)與人體的對比如果由人控制操作一個過程，人首先觀察系統(tǒng)的行為(如視覺觀察)，做出決定，然后動用身上的肌肉帶動骨骼運動，這樣一個控制動作就完成了。1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電系統(tǒng)與人體的對比1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電系統(tǒng)與人體的對比人首先觀察系統(tǒng)的行為(如視覺觀察)，做出決定，然后動用身上的肌肉帶動骨骼運動，這樣一個控制動作就完成了。1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電系統(tǒng)與人體的對比機電系統(tǒng)與人體的對比機電系統(tǒng)與人體的對比1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電系統(tǒng)與人體的對比機電系統(tǒng)通過傳感器獲取運動狀態(tài)和參數(shù)，通過ADC輸入計算機，經(jīng)計算形成的控制量由DAC交給致動系統(tǒng)，經(jīng)由機械機構(gòu)轉(zhuǎn)換，形成運動。1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電系統(tǒng)與人體的對比典型的工業(yè)機器人典型的工業(yè)機器人1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電系統(tǒng)與人體的對比歸納對比項目機電系統(tǒng)人體機械裝置運動機構(gòu)骨骼執(zhí)行裝置致動器肌肉能源裝置電源、氣源等人體轉(zhuǎn)化化學(xué)能傳感裝置各種傳感器感覺器官控制裝置計算機大腦1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電系統(tǒng)與人體的對比歸納對比項目機電系統(tǒng)1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)每個計算機控制的機電系統(tǒng)至少有四個基本功能模塊，能源裝置不屬于典型模塊。執(zhí)行裝置（致動器）機械裝置傳感器計算機或微控制器與控制流程（算法）先進的微控制器和數(shù)字信號處理技術(shù)對控制領(lǐng)域有兩個主要影響：取代模擬控制器促進新型產(chǎn)品和設(shè)計1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)每個計算機控制的機電系統(tǒng)至少有四個基本功1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電系統(tǒng)的架構(gòu)典型的機電系統(tǒng)為“計算機執(zhí)行裝置機械裝置傳感器計算機”的信號閉環(huán)回路，是一種典型的反饋系統(tǒng)。有的采用由上位計算機控制的半閉環(huán)控制方式。由執(zhí)行裝置、機械裝置和傳感器自行構(gòu)成反饋系統(tǒng)，而計算機只給出控制指令。比如采用伺服電機作為執(zhí)行裝置的情況，伺服電機自己可以通過自己的反饋回路控制運動的精確度。1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電系統(tǒng)的架構(gòu)1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)計算機執(zhí)行裝置傳感器機械裝置典型機電系統(tǒng)的大閉環(huán)架構(gòu)1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)計算機執(zhí)行裝置傳感器機械裝置典型機電系統(tǒng)另一種閉環(huán)的機電系統(tǒng)架構(gòu)描述：機械結(jié)構(gòu)，傳感器，致動器，決策部分(微控制器)，動力源，人工干預(yù)接口1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)另一種閉環(huán)的機電系統(tǒng)架構(gòu)描述：機械結(jié)構(gòu)，傳感器，致動器，決策1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)計算機執(zhí)行裝置傳感器機械裝置半閉環(huán)的機電系統(tǒng)架構(gòu)精度高，抗干擾能力強，速度慢1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)計算機執(zhí)行裝置傳感器機械裝置半閉環(huán)的機電1.4機電系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)簡介機械技術(shù)機械技術(shù)是關(guān)于機械的機構(gòu)及利用這些機械機構(gòu)傳遞運動的技術(shù)。1.4機電系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)簡介機械技術(shù)1.4機電系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)簡介執(zhí)行裝置技術(shù)要使機構(gòu)運動，必須有動力源（注意不是能源）。這種動力源就是執(zhí)行裝置。如利用電能的電動機，利用液壓能量的液壓驅(qū)動裝置，利用高壓氣源的氣體驅(qū)動裝置等。1.4機電系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)簡介執(zhí)行裝置技術(shù)1.4機電系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)簡介執(zhí)行裝置技術(shù)電機隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，驅(qū)動電機的電力控制系統(tǒng)的體積越來越小，控制也越來越方便，對直流電機和交流電機都能夠簡單地實現(xiàn)高速、高精度控制。1.4機電系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)簡介執(zhí)行裝置技術(shù)1.4機電系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)簡介執(zhí)行裝置技術(shù)氣動執(zhí)行裝置這是一種利用工廠的起源，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便的執(zhí)行裝置，但實現(xiàn)高精度控制較為困難，一般適用于對較輕的物體進行推拉等簡單操作。工廠建有專門的空壓站提供高壓氣源各種氣動工具應(yīng)用廣泛1.4機電系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)簡介執(zhí)行裝置技術(shù)工廠建有專門的空1.4機電系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)簡介執(zhí)行裝置技術(shù)氣動執(zhí)行裝置這是一種利用工廠的起源，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便的執(zhí)行裝置，但實現(xiàn)高精度控制較為困難，一般適用于對較輕的物體進行推拉等簡單操作。1.4機電系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)簡介執(zhí)行裝置技術(shù)機電系統(tǒng)綜合設(shè)計1課件1.4機電系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)簡介執(zhí)行裝置技術(shù)液壓執(zhí)行裝置推土機、裝卸機等大型工程設(shè)備上常能見到液壓裝置。機器人手臂的驅(qū)動裝置也經(jīng)常采用。結(jié)構(gòu)簡單，可實現(xiàn)大功率驅(qū)動。1.4機電系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)簡介執(zhí)行裝置技術(shù)1.4機電系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)簡介傳感器技術(shù)機械運動主要需要測量位移、速度、加速度、力、角度、角速度、角加速度、距離等變量。實際上機電系統(tǒng)也需要許多其他種類的傳感器。傳感器的主要指標包括分辨率、精度和頻響。1.4機電系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)簡介傳感器技術(shù)1.4機電系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)簡介計算機技術(shù)由傳感器檢測的機械運動信號一般都要轉(zhuǎn)換成與機械運動成比例的連續(xù)電壓信號，通過AD轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號輸入計算機，而計算機內(nèi)則以數(shù)字信號為基礎(chǔ)通過程序運算形成控制量，并經(jīng)DA變換器輸出。1.4機電系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)簡介計算機技術(shù)1.4機電系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)簡介用于控制的計算機和微控制器實例1.4機電系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)簡介用于控制的計算機和微控制器實1.4機電系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)簡介控制技術(shù)控制技術(shù)是根據(jù)傳感器信號使執(zhí)行裝置和機械裝置很好地運動，并編制出能夠?qū)崿F(xiàn)這種目標的程序。控制方法主要分為兩大類：順序控制：通過開關(guān)或繼電器觸點的接通與斷開控制執(zhí)行裝置的啟停，從而對系統(tǒng)依次進行控制。反饋控制：被控制量主要是位移和速度等連續(xù)變化的物理量，在控制中要不斷地調(diào)整被控制量，使之達到設(shè)定值的控制方式。1.4機電系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)簡介控制技術(shù)1.5機電系統(tǒng)與機電一體化技術(shù)展望進入21世紀以來，機電一體化技術(shù)得到了更大的發(fā)展，機電系統(tǒng)呈現(xiàn)出更高的智能化，將會出現(xiàn)具有更高的柔性和自適應(yīng)性的機電一體化系統(tǒng)。高性能傳感器：高精度、智能化、組合式高智能化處理：學(xué)習(xí)式、人工智能、知識庫自適應(yīng)性：自動適應(yīng)狀態(tài)和環(huán)境的變化微型機械：超小型的微小型機電裝置1.5機電系統(tǒng)與機電一體化技術(shù)展望進入21世紀以來，機電一第二章機電系統(tǒng)中的機械設(shè)計機電系統(tǒng)綜合設(shè)計第二章機電系統(tǒng)中的機械設(shè)計機電系統(tǒng)綜合設(shè)計2.1機械基礎(chǔ)機械源自于希臘語之Mechine及拉丁文Machina原指“巧妙的設(shè)計”，作為一般性的機械概念，可以追溯到古羅馬時期，主要是為了區(qū)別與手工工具?，F(xiàn)代中文之“機械”一詞為機構(gòu)（Mechanism）和機器（Machine）的總稱。機械的特征有：機械是一種人為的實物構(gòu)件的組合。機械各部分之間具有確定的相對運動。故機器能轉(zhuǎn)換機械能或完成有用的機械功，是現(xiàn)代機械原理中的最基本的概念。2.1機械基礎(chǔ)機械2.1機械基礎(chǔ)機械中文機械的現(xiàn)代概念多源自日語之“機械”一詞。日語對“機械”的定義：將具有一定強度的物體組合起來，接受外界提供的能量，按照指定的要求實現(xiàn)確定的相對運動，從而完成某些有效工作的裝置。輸入部分：接受能量、物質(zhì)和信息的部分；轉(zhuǎn)換和傳動部分：將接受的能量、物質(zhì)和信息傳遞給其他機械或轉(zhuǎn)換為其他形式的部分；輸出部分：直接完成指定工作的部分；安裝固定部分：使機械上各個部分能夠保持各自確定位置的部分。2.1機械基礎(chǔ)機械2.1機械基礎(chǔ)工具Tool，雖然工具的各部分也是由具有一定強度的物體組成，但各部分間沒有相對運動。銼刀、錘子、螺絲刀。儀器Instrument，雖然儀器的各部分間會發(fā)生一定的相對運動，但一般來說儀器不以對外輸出有用功為目的。測試儀器2.1機械基礎(chǔ)工具2.1機械基礎(chǔ)運動副機械和儀器都是由許多零件組成，各個零件互相接觸并做相對運動。這種零件的組合被稱為運動副。2.1機械基礎(chǔ)運動副2.1機械基礎(chǔ)機構(gòu)機械是以各種運動副組成，由此來依次傳遞運動。以傳遞運動或變換運動為目的，由若干個運動副組成的具有確定運動的系統(tǒng)稱為機構(gòu)（mechanism）機器同時產(chǎn)生運動和能的轉(zhuǎn)換，目的是利用或轉(zhuǎn)換機械能以代替或減輕人的勞動；而機構(gòu)只產(chǎn)生運動的轉(zhuǎn)換，目的是傳遞或變換運動。2.1機械基礎(chǔ)機構(gòu)運動轉(zhuǎn)換與傳動機構(gòu)各種傳動運動轉(zhuǎn)換與傳動機構(gòu)各種傳動2.1機械基礎(chǔ)通用機械零、部件機械由許多零、部件組成，在這些零、部件中，螺栓、螺母、齒輪和彈簧等在各種機械中幾乎都會用到，這些零、部件被稱為通用零、部件。注意與標準件區(qū)分標準件：結(jié)構(gòu)、尺寸、畫法、標記等各個方面已經(jīng)完全標準化，并由專業(yè)廠生產(chǎn)的常用的零（部）件，如螺紋件、鍵、銷、滾動軸承等等。國內(nèi)的標準件主要指螺紋緊固件。2.1機械基礎(chǔ)通用機械零、部件2.2典型機械零部件典型的機械零部件可按用途予以區(qū)分連接件：螺栓、螺母、鉚釘?shù)容S用件：軸、聯(lián)軸器、軸承、鍵等傳動件：齒輪、V帶、鏈等制動件：制動器等緩沖件：彈簧等管件：管、管接頭、閥等……2.2典型機械零部件典型的機械零部件可按用途予以區(qū)分2.2典型機械零部件齒輪齒輪傳動是通過輪齒之間的互相嚙合來實現(xiàn)直接接觸傳動。這種傳動方法的傳動比精確，傳遞功率較大。2.2典型機械零部件齒輪2.2典型機械零部件帶傳動帶傳動方法適用于主動軸和從動軸之間距離較大的場合。其優(yōu)點是傳動平穩(wěn)，振動噪聲小。缺點是由于帶傳動利用摩擦力來傳遞力矩，容易打滑，因此不能用來精確地傳動運動。2.2典型機械零部件帶傳動2.2典型機械零部件離合器當(dāng)要求被動軸作間歇運動時，需要采用離合器。主要類型：摩擦離合器同步離合器電磁離合器……2.2典型機械零部件離合器2.2典型機械零部件制動器制動器是用來降低機械運轉(zhuǎn)速度或迫使機械停止運轉(zhuǎn)的裝置。制動器工作原理是利用摩擦副中產(chǎn)生的摩擦力矩來實現(xiàn)制動作用，或者利用制動力與動力的平衡，使機器運轉(zhuǎn)速度保持恒定。為了減小制動力矩和制動器的尺寸，通常將制動器配置在機器的高速軸上。2.2典型機械零部件制動器2.2典型機械零部件聯(lián)軸器聯(lián)軸器用來聯(lián)接兩根軸，傳遞運動和轉(zhuǎn)矩，機器運轉(zhuǎn)時兩軸不能分離，一起回轉(zhuǎn)并傳遞轉(zhuǎn)矩。剛性聯(lián)軸器：不能補償兩軸間的相對位移。無減振緩沖能力，要求兩軸對中性好。凸緣聯(lián)軸器套筒聯(lián)軸器撓性聯(lián)軸器：依靠元件來補償兩軸間的相對位移。有減振緩沖能力?？稍谝欢ǔ潭壬涎a償兩軸間的某種位移。2.2典型機械零部件聯(lián)軸器2.3機電系統(tǒng)中的機械與一般的機械系統(tǒng)設(shè)計要求相比，機電系統(tǒng)的機械系統(tǒng)特別要求：定位精度高動態(tài)響應(yīng)特性好（即響應(yīng)要快，穩(wěn)定性要好）為達到這些要求，設(shè)計中常常突出以下要素：無間隙低摩擦低慣量高剛度高諧振頻率適當(dāng)?shù)淖枘岜?.3機電系統(tǒng)中的機械與一般的機械系統(tǒng)設(shè)計要求相比，機電系典型精密機電系統(tǒng)：光驅(qū)激光組件典型精密機電系統(tǒng)：光驅(qū)激光組件2.3機電系統(tǒng)中的機械機電一體化系統(tǒng)的機械系統(tǒng)采取的典型技術(shù)手段包括：1)低摩擦：采用低摩擦阻力的傳動部件和導(dǎo)向支承部件，如采用滾珠絲杠副，滾動導(dǎo)向支承、動（靜）壓導(dǎo)向支承；2)縮短傳動鏈：（如電機與絲杠螺母副直接連接，以減少中間傳動機構(gòu)等），提高傳動與支承剛度（預(yù)緊的方法）；3)

選用最佳傳動比，以達到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量，盡可能提高加速能力；2.3機電系統(tǒng)中的機械機電一體化系統(tǒng)的機械系統(tǒng)采取的典型2.3機電系統(tǒng)中的機械機電一體化系統(tǒng)的機械系統(tǒng)采取的典型技術(shù)手段包括：4)

縮小反向死區(qū)誤差，如采取消除傳動間隙、減少支承變形的措施；5)

提高剛度改進支承及架體的結(jié)構(gòu)設(shè)計以提高剛性、減少振動、降低噪聲。選材上；結(jié)構(gòu)輕型化、緊密化。傳動部件是主要的運動傳遞與轉(zhuǎn)換機構(gòu)，其性能對系統(tǒng)整體性能有關(guān)鍵影響。支承與架體結(jié)構(gòu)等要素也是重要因素。2.3機電系統(tǒng)中的機械機電一體化系統(tǒng)的機械系統(tǒng)采取的典型2.4機電系統(tǒng)中的機械傳動部件機電系統(tǒng)對機械傳動部件的功能要求機械傳動部件的主要功能是傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，它實質(zhì)上是一種轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變換器，其目的是使執(zhí)行元件與負載之間在轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方面得到最佳匹配。機械傳動部件的傳動類型、傳動方式、傳動剛性以及傳動可靠性對機電系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)性有重要影響。機電系統(tǒng)設(shè)計時，需要選擇傳動間隙小、精度高、體積小、重量輕、運動平穩(wěn)、傳遞轉(zhuǎn)矩大的傳動部件。2.4機電系統(tǒng)中的機械傳動部件機電系統(tǒng)對機械傳動部件的功2.4機電系統(tǒng)中的機械傳動部件機電系統(tǒng)對機械傳動部件的功能要求精密化—要適應(yīng)產(chǎn)品的高定位精度等性能的要求，對機械傳動機構(gòu)的精密度要求也越來越高。高速化—產(chǎn)品工作效率的高低，直接與機械傳動部件的運動速度相關(guān)。因此，機械傳動機構(gòu)應(yīng)能適應(yīng)高速運動的要求。小型化、輕量化—機電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)精密化、高速化的發(fā)展，必然要求其傳動機構(gòu)的小型、輕量化，以提高運動靈敏度(快速響應(yīng)性)、減小沖擊、降低能耗。為與微電子部件的微型化相適應(yīng)，也要盡可能做到使機械傳動部件短、小、輕、薄化。2.4機電系統(tǒng)中的機械傳動部件機電系統(tǒng)對機械傳動部件的功主要傳動機構(gòu)與功能主要傳動機構(gòu)與功能2.4.1絲杠螺母傳動機構(gòu)絲杠螺母機構(gòu)為螺旋傳動機構(gòu)，主要實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動與直線運動間的相互變換，應(yīng)用于能量傳遞（傳力螺旋）、運動傳遞（傳動螺旋）和零件相對位置的調(diào)整（調(diào)整螺旋）等。根據(jù)絲杠和螺母相對運動的組合情況，其基本傳動形式有四種類型：螺母固定、絲杠轉(zhuǎn)動并移動；絲杠轉(zhuǎn)動、螺母移動；螺母轉(zhuǎn)動、絲杠移動；絲杠固定、螺母轉(zhuǎn)動并移動。2.4.1絲杠螺母傳動機構(gòu)絲杠螺母機構(gòu)為螺旋傳動機構(gòu)，主2.4.1絲杠螺母傳動機構(gòu)

螺母固定、絲杠轉(zhuǎn)動并移動絲杠轉(zhuǎn)動、螺母移動

螺母轉(zhuǎn)動、絲杠移動絲杠固定、螺母轉(zhuǎn)動并移動2.4.1絲杠螺母傳動機構(gòu)螺母固定、絲杠轉(zhuǎn)動并移2.4.2滾珠絲杠螺母傳動機構(gòu)滾珠絲杠副為一種新型的螺旋傳動機構(gòu)，有適當(dāng)數(shù)目的滾珠作為絲杠與螺母間的中間傳動元件，變滑動摩擦為滾動摩擦。為防止?jié)L珠從滾道端面掉出，螺母螺旋槽兩端設(shè)置滾珠回程引導(dǎo)裝置，構(gòu)成滾珠循環(huán)返回流動的閉合通道。2.4.2滾珠絲杠螺母傳動機構(gòu)滾珠絲杠副為一種新型的螺旋2.4.2滾珠絲杠螺母傳動機構(gòu)滾珠絲杠螺母機構(gòu)具有以下特點：摩擦阻力矩小，摩擦損失小，傳動效率高，功率消耗是常規(guī)的滑動絲杠螺母副的1/4～1/3；適當(dāng)預(yù)緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時就可以消除空程死區(qū)，定位精度高，剛度好；啟動力矩小，運動平穩(wěn)，無爬行，傳動精度高；有運動可逆性，絲杠、螺母均可作為主動件；不易磨損，使用壽命長等優(yōu)點，精度保持好。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度要求高，制造成本高；無自鎖功能，作升降傳動機構(gòu)時，需采取制動措施。2.4.2滾珠絲杠螺母傳動機構(gòu)滾珠絲杠螺母機構(gòu)具有以下特2.4.2滾珠絲杠螺母傳動機構(gòu)2.4.2滾珠絲杠螺母傳動機構(gòu)2.4.2滾珠絲杠螺母傳動機構(gòu)2.4.2滾珠絲杠螺母傳動機構(gòu)2.4.2滾珠絲杠螺母傳動機構(gòu)2.4.2滾珠絲杠螺母傳動機構(gòu)2.4.2滾珠絲杠螺母傳動機構(gòu)滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整與預(yù)緊滾珠絲杠副在有負載作用下，滾珠和滾道面接觸點處會產(chǎn)生彈性變形，換向時軸向間隙會引起非連續(xù)空回，影響傳動精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。2.4.2滾珠絲杠螺母傳動機構(gòu)滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整與2.4.3齒輪傳動機構(gòu)齒輪傳動部件是典型的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變換器，是現(xiàn)代機械中應(yīng)用最廣泛的一種傳動機構(gòu)。優(yōu)點：適用圓周速度和功率范圍廣?？捎糜趥鬟f空間任意兩軸間的運動力，而且傳動準確、平穩(wěn)、機械效率高、使用壽命長和工作安全可靠。缺點不適于遠距離兩軸之間傳動，制造安裝復(fù)雜。2.4.3齒輪傳動機構(gòu)齒輪傳動部件是典型的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)2.4.3齒輪傳動機構(gòu)齒輪傳動部件是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變換器。齒輪傳動比i應(yīng)滿足驅(qū)動部件與負載之間的位移及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的匹配要求，用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器，其輸入電動機為高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩，而輸出則為低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩。2.4.3齒輪傳動機構(gòu)齒輪傳動部件是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變2.4.3齒輪傳動機構(gòu)設(shè)計和選用齒輪傳動機構(gòu)應(yīng)注意的問題齒輪傳動系統(tǒng)傳遞轉(zhuǎn)矩時，要求有高的剛度，慣性盡量小，精度高。齒間嚙合間隙會造成傳動死區(qū)，精度受影響，在閉環(huán)系統(tǒng)中，會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。除了采用精度高，齒側(cè)間隙小的齒輪傳動副外，還可采用多種方法消除或減小嚙合間隙，提高傳動精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。2.4.3齒輪傳動機構(gòu)設(shè)計和選用齒輪傳動機構(gòu)應(yīng)注意的問題2.4.4諧波齒輪傳動機構(gòu)諧波齒輪傳動是一種靠波發(fā)生器使柔性齒輪產(chǎn)生可控彈性變形，并與剛性齒輪相嚙合來傳遞運動和動力的齒輪傳動。五十年代，隨著空間科學(xué)、航天技術(shù)的發(fā)展，航天飛行器控制系統(tǒng)的機構(gòu)和儀表設(shè)備對機械傳動提出了新的要求，如：傳動比大、體積小、重量輕、傳動精度高、回差小等。對于上述要求，新出現(xiàn)的諧波傳動滿足了這種要求，它是在薄殼彈性變形的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種傳動技術(shù)。2.4.4諧波齒輪傳動機構(gòu)諧波齒輪傳動是一種靠波發(fā)生器使2.4.4諧波齒輪傳動機構(gòu)諧波齒輪傳動具有如下特點：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，傳動比大(幾十~幾百)，傳動精度高、回程誤差小，噪聲低、傳動平穩(wěn)、承載能力強，傳動效率高。2.4.4諧波齒輪傳動機構(gòu)諧波齒輪傳動具有如下特點：2.4.4諧波齒輪傳動機構(gòu)諧波齒輪的組成諧波齒輪傳動系統(tǒng)有三個基本構(gòu)件組成，剛性輪(CircularSpline)，柔性輪(Flexspline)和波發(fā)生器(WaveGenerator)。諧波齒輪傳動的原理就是在柔性齒輪構(gòu)件中，通過波發(fā)生器的作用產(chǎn)生一個移動變形波，并與剛輪齒相嚙合，從而達到傳動目的。2.4.4諧波齒輪傳動機構(gòu)諧波齒輪的組成2.4.5同步帶傳動簡介是一種綜合了普通帶傳動和鏈輪鏈條傳動優(yōu)點的一種新型傳動方式。它在帶的工作面及帶輪外周上均制有嚙合齒，通過帶齒與輪齒作嚙合傳動。為保證帶和帶輪作無滑差的同步傳動，其齒形帶采用了承載后無彈性變形的高強力材料，以保證帶的節(jié)距不變。同步帶帶輪齒形有梯形齒形和圓弧齒形。2.4.5同步帶傳動簡介2.4.5同步帶傳動優(yōu)點傳動比準確、傳動效率高(可達98％)、能吸振、噪聲低、傳動平穩(wěn)、能高速傳動、維護保養(yǎng)方便等優(yōu)點缺點安裝精度要求高、中心距要求嚴格，具有一定的蠕變性。2.4.5同步帶傳動優(yōu)點2.5導(dǎo)向機構(gòu)——導(dǎo)軌機電一體化系統(tǒng)要求各運動機構(gòu)必須得到可靠的支承，并能準確地完成其特定方向的運動。這個任務(wù)由導(dǎo)向機構(gòu)來完成。機電一體化系統(tǒng)的導(dǎo)向機構(gòu)是導(dǎo)軌，其作用是支承和導(dǎo)向。一副導(dǎo)軌主要由兩部分組成，在工作時一部分固定不動，

稱為支承導(dǎo)軌或?qū)к墸?/p>

另一部分相對支承導(dǎo)軌

作直線或回轉(zhuǎn)運動，稱

為動導(dǎo)軌或滑座。2.5導(dǎo)向機構(gòu)——導(dǎo)軌機電一體化系統(tǒng)要求各運動機構(gòu)必須得到2.5.1導(dǎo)軌的基本要求1)導(dǎo)向精度是指動導(dǎo)軌沿支承導(dǎo)軌運動的直線度或圓度。影響因素：導(dǎo)軌的幾何精度、接觸精度、結(jié)構(gòu)形式、剛度、熱變形、裝配質(zhì)量以及液體動壓和靜壓導(dǎo)軌的油膜厚度、油膜剛度等。2)耐磨性指導(dǎo)軌在長期使用過程中是否能持續(xù)保持一定的導(dǎo)向精度。導(dǎo)軌在工作過程中難免有所磨損，所以應(yīng)力求減少磨損量，并在磨損后能自動補償或便于調(diào)整。2.5.1導(dǎo)軌的基本要求1)導(dǎo)向精度2.5.1導(dǎo)軌的基本要求3)疲勞和壓潰導(dǎo)軌面由于過載或接觸應(yīng)力不均勻?qū)⑹箤?dǎo)軌表面產(chǎn)生彈性變形，反復(fù)運行多次后就會形成疲勞點，呈塑性變形，表面形成龜裂、剝落而出現(xiàn)凹坑，這種現(xiàn)象就是壓潰。疲勞和壓潰是滾動導(dǎo)軌失效的主要原因，為此應(yīng)控制滾動導(dǎo)軌承受的最大載荷和受載的均勻性。4)剛度導(dǎo)軌受力變形會影響導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度及部件之間的相對位置，因此要求導(dǎo)軌應(yīng)有足夠的剛度。為減輕或平衡外力的影響，可采用加大導(dǎo)軌尺寸或添加輔助導(dǎo)軌的方法提高剛度。2.5.1導(dǎo)軌的基本要求3)疲勞和壓潰2.5.1導(dǎo)軌的基本要求5)低速運動平穩(wěn)性低速運動時，作為運動部件的動導(dǎo)軌易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。低速運動的平穩(wěn)性與導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)和潤滑，動、靜摩擦系數(shù)的差值，以及導(dǎo)軌的剛度等有關(guān)。6)結(jié)構(gòu)工藝性設(shè)計導(dǎo)軌時，要注意到制造、調(diào)整和維修方便，力求結(jié)構(gòu)簡單、工藝性及經(jīng)濟性好。7)對溫度的敏感性環(huán)境溫度變化時導(dǎo)軌應(yīng)能正常工作，既不“卡死”，亦不影響系統(tǒng)的運動精度。材料和間隙影響很大。2.5.1導(dǎo)軌的基本要求5)低速運動平穩(wěn)性2.5.2導(dǎo)軌的分類按其接觸面的摩擦性質(zhì)劃分滑動導(dǎo)軌滾動導(dǎo)軌流體介質(zhì)摩擦導(dǎo)軌按其結(jié)構(gòu)特點劃分開式導(dǎo)軌：借助重力或彈簧強力保證運動件與承導(dǎo)面之間的接觸閉式導(dǎo)軌：只靠導(dǎo)軌本身的結(jié)構(gòu)形狀保證運動件與承導(dǎo)面之間的接觸2.5.2導(dǎo)軌的分類按其接觸面的摩擦性質(zhì)劃分2.5.3滑動導(dǎo)軌滑動導(dǎo)軌的兩導(dǎo)軌工作面的摩擦為滑動摩擦結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，剛度好，抗振性高，使用最為廣泛2.5.3滑動導(dǎo)軌滑動導(dǎo)軌的兩導(dǎo)軌工作面的摩擦為滑動摩擦2.5.3滑動導(dǎo)軌為減小磨損，提高定位精度，改善摩擦特性，通常需要選用合適的材料，輔以適當(dāng)?shù)臒崽幚砗图庸し椒?，如采用?yōu)質(zhì)鑄鐵，合金耐磨鑄鐵或鑲淬火鋼導(dǎo)軌，采用導(dǎo)軌表面滾軋強化，表面淬硬、涂鉻、涂鉬等方法來盡量提高導(dǎo)軌的耐磨性。也有選用新型工程塑料的，也可滿足低摩擦，耐磨，無爬行的要求。2.5.3滑動導(dǎo)軌為減小磨損，提高定位精度，改善摩擦特性，2.5.4滾動導(dǎo)軌滾動導(dǎo)軌的兩導(dǎo)軌表面之間為滾動摩擦，導(dǎo)向面之間放置滾珠、滾柱或滾針等滾動體來實現(xiàn)兩導(dǎo)軌無滑動地相對運動。2.5.4滾動導(dǎo)軌滾動導(dǎo)軌的兩導(dǎo)軌表面之間為滾動摩擦，導(dǎo)向2.5.4滾動導(dǎo)軌按滾動體的形狀區(qū)分，有鋼珠式和滾柱式兩種，如下圖。滾柱式由于為線接觸，故其有較高的承載能力，但摩擦力也較高，同時加工裝配也相對復(fù)雜。目前使用較多的是鋼珠式。2.5.4滾動導(dǎo)軌按滾動體的形狀區(qū)分，有鋼珠式和滾柱式兩種2.5.4滾動導(dǎo)軌滾動導(dǎo)軌的磨損小，壽命長，定位精度高，靈敏度高，運動平穩(wěn)可靠，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，幾何精度要求高，抗振性較差，防護要求高，制造困難，成本高。滾動導(dǎo)軌適用于工作部件要求移動均勻、動作靈敏以及定位精度高的場合，因此在高精密的機電一體化產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛。2.5.4滾動導(dǎo)軌滾動導(dǎo)軌的磨損小，壽命長，定位精度高，靈2.5.4滾動導(dǎo)軌滾動導(dǎo)軌的優(yōu)點1)承載能力大滾道采用圓弧形式，增大了滾動體與圓弧滾道接觸面積，從而大大地提高了導(dǎo)軌承載能力，可達到平面滾道形式的13倍.2)剛性強此類導(dǎo)軌制作時，常要預(yù)加載荷，這使導(dǎo)軌系統(tǒng)剛度得以提高。所以滾動直線導(dǎo)軌在工作時能承受較大的沖擊和振動。3)壽命長由于是純滾動，摩擦系數(shù)為滑動導(dǎo)軌的1/50左右，磨損小，因而壽命長，功耗低，便于機械小型化。4)傳動平穩(wěn)可靠由于摩擦力小，動作輕便，因而定位精度高，微量移動靈活準確。5)具有結(jié)構(gòu)自調(diào)整能力裝配調(diào)整容易，因此降低了對配件加工精度要求。2.5.4滾動導(dǎo)軌滾動導(dǎo)軌的優(yōu)點2.6軸系軸系是由軸、軸承、安裝于軸上的傳動體、密封件及定位組件組成的傳動裝置。軸系的主要功能是支撐旋轉(zhuǎn)零

件，傳遞轉(zhuǎn)矩和運動。2.6軸系軸系是由軸、軸承、安裝于軸上的傳動體、密封件及定2.6軸系軸系按其在傳動鏈中所處的地位不同可分為傳動軸系和主軸軸系，一般來說對傳動軸的要求不高，而作為執(zhí)行件的主軸對保證機械功能，完成機械主要運動有著直接的影響，因此對主軸有較高的要求。2.6軸系軸系按其在傳動鏈中所處的地位不同可分為傳動軸系和2.6.1軸系的基本要求1)旋轉(zhuǎn)精度旋轉(zhuǎn)精度是指在裝配之后，在無負載、低速旋轉(zhuǎn)的條件下，軸前端的徑向跳動和軸向竄動量。其大小取決于軸系各組成零件及支承部件的制造精度與裝配調(diào)整精度。在工作轉(zhuǎn)速下，軸的旋轉(zhuǎn)精度（即運動精度）取決于其轉(zhuǎn)速、軸承性能以及軸系的動平衡狀態(tài)。2.6.1軸系的基本要求1)旋轉(zhuǎn)精度2.6.1軸系的基本要求2)剛度軸系剛度反映軸系組件抵抗靜動載荷變形的能力。軸系受載荷為徑向力時會產(chǎn)生彎曲變形。載荷為彎矩、轉(zhuǎn)矩時，相應(yīng)的變形量為撓度、扭轉(zhuǎn)角，其剛度為抗彎剛度和抗扭剛度。2.6.1軸系的基本要求2)剛度2.6.1軸系的基本要求3)抗振性軸系的振動表現(xiàn)為強迫振動和自激振動兩種形式。其振動原因有軸系組件質(zhì)量不勻引起的不平衡、軸的剛度及單向受力等；它們直接影響旋轉(zhuǎn)精度和軸承壽命。對高速運動的軸系必須以提高其靜剛度、動剛度、增大軸系阻尼比等措施來提高軸系的動態(tài)性能，特別是抗振性。2.6.1軸系的基本要求3)抗振性2.6.1軸系的基本要求4)熱變形軸系的受熱會使軸伸長或使軸系零件的間隙發(fā)生變化，影響整個傳動系統(tǒng)的傳動精度、旋轉(zhuǎn)精度及位置精度。另外，溫度的上升會使?jié)櫥偷酿ざ劝l(fā)生變化，使滑動或滾動軸承的承載能力降低。因此應(yīng)采取措施將軸系部件的溫升限制在一定范圍之內(nèi)。2.6.1軸系的基本要求4)熱變形2.6.1軸系的基本要求5)軸上零件的布置軸上傳動件的布置是否合理對軸的受力變形、熱變形及振動影響較大。傳動齒輪應(yīng)盡可能安置在靠近支承處，以減少軸的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。如果主軸上裝有兩對齒輪，則兩者均應(yīng)盡量靠近前支承，并使傳遞扭矩大的齒輪副更靠近前支承，使主軸受扭轉(zhuǎn)部分的長度縮短。傳動齒輪在空間布置上，也應(yīng)盡量避免彎曲變形的重疊。2.6.1軸系的基本要求5)軸上零件的布置2.6.1軸系的基本要求6)軸系的驅(qū)動方法由于電動機及傳動系統(tǒng)的振動是主要振源之一，因此，設(shè)計時應(yīng)重視合理選擇軸系的驅(qū)動方法，以保證軸系的回轉(zhuǎn)精度。例如，可采用卸荷皮帶輪、卸荷軸承、撓性聯(lián)軸器等方法減少或消除單向和不平穩(wěn)驅(qū)動力直接作用在軸系上。2.6.1軸系的基本要求6)軸系的驅(qū)動方法2.6.2軸系的分類軸系因主軸軸頸與軸套之間的摩擦性質(zhì)不同，可以分為以下幾類：1)滑動軸承軸系2)流體動壓軸承和靜壓軸承軸系3)磁懸浮軸承軸系4)滾動軸承軸系2.6.2軸系的分類軸系因主軸軸頸與軸套之間的摩擦性質(zhì)不同2.6.2軸系的分類滑動軸承軸系這種軸系在軸頸與軸套之間注入潤滑油介質(zhì)起潤滑作用。為了轉(zhuǎn)動靈活，軸頸與軸套之間應(yīng)具有一定間隙(一般不能小于2.5μm，當(dāng)轉(zhuǎn)速增大時，間隙也應(yīng)相應(yīng)增大)?；瑒虞S承軸系結(jié)構(gòu)簡單，制

造方便，剛度和承載能力大，

但抗振性和耐磨性較差，故

容易喪失精度。如采用錐形

結(jié)構(gòu)，磨損后間隙可以調(diào)整，

但調(diào)整比較麻煩。2.6.2軸系的分類滑動軸承軸系2.6.2軸系的分類流體動壓軸承和靜壓軸承軸系流體動壓軸承軸系和靜壓軸承軸系阻尼性能好、支撐精度高、具有良好的抗振性和運動平穩(wěn)性。按照油膜和氣膜壓強的形成方式分為動壓、靜壓和動靜壓相結(jié)合三類軸系。目前使用的流體介質(zhì)主要為液體和氣體。動壓軸承是在軸旋轉(zhuǎn)時，油(氣)被帶入軸與軸承間所形成楔形間隙中，由于間隙逐漸變窄，使壓強升高，將軸浮起而形成油(氣)楔，以承受載荷，其承載能力與滑動表面的線速度成正比，低速時承載能力很低。故動壓軸承只適用于速度很高、且速度變化不大的場合。2.6.2軸系的分類流體動壓軸承和靜壓軸承軸系2.6.2軸系的分類流體動壓軸承和靜壓軸承軸系動壓軸承是在軸旋轉(zhuǎn)時，油(氣)被帶入軸與軸承間所形成楔形間隙中，由于間隙逐漸變窄，使壓強升高，將軸浮起而形成油(氣)楔，以承受載荷，其承載能力與滑動表面的線速度成正比，低速時承載能力很低。故動壓軸承只適用于速度很高、且速度變化不大的場合。2.6.2軸系的分類流體動壓軸承和靜壓軸承軸系2.6.2軸系的分類流體動壓軸承和靜壓軸承軸系靜壓軸承是利用外部供油(氣)裝置將具有一定壓力的液(氣)體通過油(氣)孔進入軸套油(氣)腔，將軸浮起而形成壓力油(氣)膜，以承受載荷。其承載能力與滑動表面的線速度

無關(guān)，故廣泛應(yīng)用于

低、中速，大載荷的

機器。它具有剛度大、

精度高、抗振性好、

摩擦阻力小等優(yōu)點。2.6.2軸系的分類流體動壓軸承和靜壓軸承軸系2.6.2軸系的分類磁懸浮軸承磁懸浮軸承是利用磁場力將軸以無機械摩擦、無潤滑地方式懸浮在空間的一種新型軸承。磁懸浮軸承的轉(zhuǎn)軸一般要配備輔助軸承，工作時輔助軸承不與轉(zhuǎn)軸接觸，當(dāng)斷電或磁懸浮失控時能托住高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸，起到保護作用。輔助軸承與轉(zhuǎn)子之間的間隙一般等于轉(zhuǎn)子與電磁體氣隙的一半。2.6.2軸系的分類磁懸浮軸承2.6.2軸系的分類滾動軸承軸頸與軸套之間放入滾動軸承或圓球、滾柱等滾動體作為介質(zhì)的軸系。滾動軸承軸系分為標準滾動軸承軸系和非標準滾動軸承軸系兩類。2.6.2軸系的分類滾動軸承2.6.2軸系的分類滾動軸承直接用標準滾動軸承的軸系被稱為標準滾動軸承軸系。標準滾動軸承已標準化、系列化，并由軸承廠成批生產(chǎn)。在軸系設(shè)計時，只要根據(jù)負荷、轉(zhuǎn)速、精度、剛度及空間大小等即可選用所需軸承。非標準滾動軸承軸系中不用標準滾動軸承，一般是在軸頸和軸套間直接放入滾動體，因此結(jié)構(gòu)緊湊。此外，軸頸與軸套上一般不加工出圓弧形滾道，因此容易達到較高的尺寸和形狀精度，所以在機電一體化系統(tǒng)中，由于結(jié)構(gòu)尺寸的限制，或因標準滾動軸承無法滿足軸系精度要求時，常自行設(shè)計非標準滾動軸承軸系。2.6.2軸系的分類滾動軸承2.6.3軸系的結(jié)構(gòu)形式軸系的作用是承受工作時的軸向和徑向載荷，并要保證所要求的回轉(zhuǎn)精度。因此在軸系設(shè)計時，在選擇軸系類型同時，還要考慮合適的結(jié)構(gòu)形式，這樣才能滿足軸系工作的要求。圓柱—止推圓錐—止推雙錐圓柱—圓球圓錐—半圓球雙球(包括圓球—半圓球及雙半圓球等)2.6.3軸系的結(jié)構(gòu)形式軸系的作用是承受工作時的軸向和徑向2.6.3軸系的結(jié)構(gòu)形式圓柱—止推如下圖所示，其徑向載荷和徑向回轉(zhuǎn)精度由徑向圓柱形軸承承受和保證，軸向載荷和軸向精度則由止推軸承承受和保證。這種軸系結(jié)構(gòu)形式最為常見。2.6.3軸系的結(jié)構(gòu)形式圓柱—止推2.6.3軸系的結(jié)構(gòu)形式圓錐—止推如下圖所示，由兩個錐形軸承和一個止推軸承共同構(gòu)成。其徑向載荷及徑向精度由錐形軸承承擔(dān)及保證，而軸向載荷及軸向精度則由止推軸承承受和保證，其特點是徑向間隙可以調(diào)整。2.6.3軸系的結(jié)構(gòu)形式圓錐—止推2.6.3軸系的結(jié)構(gòu)形式雙錐如下圖所示，軸系兩端軸承由兩個錐角方向相反的圓錐軸承構(gòu)成，既能承受徑向載荷也能承受軸向載荷。2.6.3軸系的結(jié)構(gòu)形式雙錐2.6.3軸系的結(jié)構(gòu)形式圓柱—圓球如下圖所示，軸系兩端的軸承一個是徑向圓柱形軸承，一個是球形軸承。球形軸承承受徑向和軸向載荷。2.6.3軸系的結(jié)構(gòu)形式圓柱—圓球2.7機座與機架機座、機架的基本特點是尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工面多，幾何精度和相對位置精度要求高。一般機座多采用鑄件，機架多由型材裝配或焊接構(gòu)成。設(shè)計時，首先應(yīng)對某些關(guān)鍵表面及其相對位置精度提出相應(yīng)的精度要求，以保證產(chǎn)品總體精度。其次機架或機座的變形和振動將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和正常運轉(zhuǎn)，應(yīng)對其剛度和抗振性提出下列要求：剛度與抗振性熱變形穩(wěn)定性2.7機座與機架機座、機架的基本特點是尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加2.7.1機座與機架的剛度與抗振性剛度與抗振性剛度是抵抗載荷變形的能力。如果基礎(chǔ)部件的剛性不足，則在工件的重力、夾緊力、摩擦力、慣性力和工作載荷等的作用下，就會產(chǎn)生變形、振動或爬行，而影響產(chǎn)品定位精度、加工精度及其他性能。抵抗恒定載荷變形的能力稱為靜剛度；抵抗交變載荷變形的能力稱為動剛度2.7.1機座與機架的剛度與抗振性剛度與抗振性2.7.1機座與機架的剛度與抗振性靜剛度機座或機架的靜剛度，主要是指它們的結(jié)構(gòu)剛度和接觸剛度。動剛度與靜剛度、材料阻尼及固有振動頻率有關(guān)。在共振條件下的動剛度k可用下式表示：

Kw=2Kζ=2KB/ωn

式中：K－－靜剛度，N／m；

C——阻尼比；

B——阻尼系數(shù)；

ωn——固有振動頻率，1/s。2.7.1機座與機架的剛度與抗振性靜剛度2.7.1機座與機架的剛度與抗振性動剛度動剛度是衡量抗振性的主要指標。在一般情況下，動剛度越大，抗振性越好?？拐裥允侵赋惺苁芷日駝拥哪芰ΑＪ芷日駝拥恼裨纯赡艽嬖谟谙到y(tǒng)內(nèi)部，也可能是驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)子或轉(zhuǎn)動部件旋轉(zhuǎn)時的不平衡等。振源也可能來自于設(shè)備的外部，如鄰近機器設(shè)備、運行車輛、人員活動以及恒溫設(shè)備等。當(dāng)機座或機架受到振源影響時，整機會搖晃振動，使各主要部件及其相互間產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)振動，尤其是當(dāng)振源振動頻率與機座或機架的固有振動頻率重合時，將產(chǎn)生共振而嚴重影響機電一體化系統(tǒng)的正常工作和使用壽命。2.7.1機座與機架的剛度與抗振性動剛度2.7.1機座與機架的剛度與抗振性提高機架(座)抗振性的措施提高靜剛度，從提高固有振動頻率入手，以避免產(chǎn)生共振；適當(dāng)增加阻尼，因為增加阻尼對提高動剛度的作用很大，如液(氣)動、靜壓導(dǎo)軌的阻尼比滾動導(dǎo)軌大，故抗振性能好；在不降低機架或機座靜剛度的前提下，減輕重量以提高固有振動頻率，如適當(dāng)減薄壁厚、增加筋和隔板，采用鋼材焊接代替鑄件等；采取隔振措施，如加減振橡膠墊腳、用空氣彈簧隔板等。2.7.1機座與機架的剛度與抗振性提高機架(座)抗振性的措2.7.2機座與機架的熱變形控制熱變形系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時，電動機、強光源、烘箱等熱源散發(fā)的熱量，零部件間相對運動而摩擦生熱，電子元器件發(fā)熱等，都將傳到機座或機架上。如果熱量分布不均勻、散熱性能不同，就會由于不同部位的溫差而產(chǎn)生熱變形，影響其原有精度。為了減小熱變形，可采取以下措施：1)控制熱源2)采用熱平衡的辦法，控制各處的溫差，從而減小其相對變形。2.7.2機座與機架的熱變形控制熱變形2.7.2機座與機架的熱變形控制熱源的方法除了控制環(huán)境溫度之外，對機座或機架內(nèi)的熱源(如強光源、電動機等)也要嚴格控制。例如：采用延時繼電器，以控制燈光的發(fā)光時間；采用發(fā)光二極管等冷光源；采用膠木、石棉等隔熱墊片；采用風(fēng)扇、冷卻液等以充分散熱；將熱源遠離機座或機架；對于有相對運動的零部件，如軸承副、導(dǎo)軌副、絲杠副等，則應(yīng)從結(jié)構(gòu)上和潤滑方面改善其摩擦性、減少摩擦生熱和使熱傳遞減小。2.7.2機座與機架的熱變形控制熱源的方法2.7.3機座與機架的穩(wěn)定性機座或機架的穩(wěn)定性是指長時間地保持其幾何尺寸和主要表面相對位置的精度，以防止產(chǎn)品原有精度的喪失的能力。措施對鑄件機座應(yīng)進行時效處理來消除產(chǎn)生機座變形的內(nèi)應(yīng)力。常用的時效方法有自然時效和人工時效(熱處理法和振動法等)。振動時效，是將鑄件或焊接件在其固有振動頻率下，共振10～40min即可。振動時效的優(yōu)點是時間短，設(shè)備費用低，消耗動力少；結(jié)構(gòu)輕巧，操作簡便；可以消除熱處理無法處理的非金屬材料的內(nèi)應(yīng)力；時效后無氧化皮和尺寸變化，也不會因振動而引起新的內(nèi)應(yīng)力。2.7.3機座與機架的穩(wěn)定性機座或機架的穩(wěn)定性是指長時間地2.7.4機座與機架設(shè)計的注意事項機座或機架的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須保證其自身剛度、連接處剛度和局部剛度，同時要考慮安裝方式、材料選擇、結(jié)構(gòu)工藝性以及節(jié)省材料、降低成本和縮短生產(chǎn)周期等問題。當(dāng)機座或機架結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜時，可采用有限元法或模型試驗法來計算或測定機座或機架的剛度或變形。2.7.4機座與機架設(shè)計的注意事項機座或機架的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須2.7.4機座與機架設(shè)計的注意事項保證自身剛度合理選擇截面形狀和尺寸合理布置筋板和加強筋合理的開孔和加蓋提高機座連接處的接觸剛度機座的結(jié)構(gòu)工藝性機座的材料選擇鑄鐵鋼其他材料2.7.4機座與機架設(shè)計的注意事項保證自身剛度2.7.4機座與機架設(shè)計的注意事項保證自身剛度當(dāng)受簡單拉、壓作用時，變形只和截面積有關(guān)；設(shè)計時主要根據(jù)拉力或壓力的大小選擇合理的結(jié)構(gòu)尺寸。如果受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷，機座的變形不但與截面面積大小有關(guān)，且與截面形狀(截面慣性矩)有關(guān)。合理選擇截面形狀，可提高機座的自身剛度。封閉空心截面結(jié)構(gòu)的自身剛度比實心的大；矩形截面的抗彎剛度最大，圓形的最小；而抗扭剛度則相反，圓形最大，矩形最?。槐３謾M截面積不變、減小壁厚、增大輪廓尺寸，可提高剛度；封閉截面比不封閉截面的抗扭剛度大的多；可適當(dāng)加筋。2.7.4機座與機架設(shè)計的注意事項保證自身剛度2.7.4機座與機架設(shè)計的注意事項材料——鑄鐵用鑄鐵作為機座的材料，其工藝性能好，容易獲得結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件；鑄鐵的內(nèi)摩擦大，阻尼作用大，動態(tài)剛性好，有良好的抗振性；價格比較便宜。其缺點是需做木模，制造周期長，單件生產(chǎn)成本高，鑄造易出廢品，如有時會產(chǎn)生縮孔、氣泡、砂眼等缺陷；鑄件的加工余量大，機加工費用大。2.7.4機座與機架設(shè)計的注意事項材料——鑄鐵2.7.4機座與機架設(shè)計的注意事項材料——鋼用鋼材焊成的機座具有造型簡單，對改型和單件小批量生產(chǎn)適應(yīng)性較強，其生產(chǎn)周期比鑄鐵縮短30％～50％；鋼的彈性模量比鑄鐵的大，在同樣的載荷下，壁厚可做得比鑄鐵的薄，重量輕(比鑄鐵約輕20％～50％)，固有振動頻率高；所需設(shè)備簡單，成本較低。但鋼的抗振性能比鑄鐵差，在結(jié)構(gòu)上，需采取防振措施；鉗工工作量大；成批生產(chǎn)時，成本較高。2.7.4機座與機架設(shè)計的注意事項材料——鋼2.8典型結(jié)構(gòu)實例——機器人手臂工業(yè)機器人手臂由桿件和運動副構(gòu)成。有單自由度運動副和多自由度運動副。工業(yè)機器人手臂的關(guān)節(jié)常為單自由度主動運動副。2.8典型結(jié)構(gòu)實例——機器人手臂工業(yè)機器人手臂由桿件和運2.8.1機器人手臂機構(gòu)類型直角坐標式機器人手臂圓柱坐標式機器人手臂球(極)坐標式機器人手臂選擇順應(yīng)性裝配機器人手臂SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm)關(guān)節(jié)式機器人手臂2.8.1機器人手臂機構(gòu)類型直角坐標式機器人手臂2.8.1機器人手臂機構(gòu)類型1.直角坐標式機器人2.8.1機器人手臂機構(gòu)類型1.直角坐標式機器人2.圓柱坐標式機器人

2.8.1機器人手臂機構(gòu)類型2.圓柱坐標式機器人

2.8.1機器人手臂機構(gòu)類型2.8.1機器人手臂機構(gòu)類型3.球(極)坐標式機器人2.8.1機器人手臂機構(gòu)類型3.球(極)坐標式機器人4.選擇順應(yīng)性裝配機器人手臂SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm)

3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),其軸線相互平行,在平面內(nèi)進行定位和定向2.8.1機器人手臂機構(gòu)類型4.選擇順應(yīng)性裝配機器人手臂2.8.1機器人手臂機構(gòu)2.8.1機器人手臂機構(gòu)類型關(guān)節(jié)式機器人手臂2.8.1機器人手臂機構(gòu)類型關(guān)節(jié)式機器人手臂2.8.2機身和臂部形式1.橫梁式運動形式大多為直移型(1)單臂懸掛式(2)雙臂懸掛式(3)多臂懸掛式2.8.2機身和臂部形式1.橫梁式2.立柱式這類機器人多采用回轉(zhuǎn)型、俯仰型或曲伸型（1）單臂（2）雙臂2.8.2機身和臂部形式2.立柱式2.8.2機身和臂部形式3.機座式各種運動形式均可設(shè)計成機座式手臂配置在機座頂端手臂配置在機座立柱中間2.8.2機身和臂部形式3.機座式2.8.2機身和臂部形式4.曲伸式(1)平面屈伸(2)SCARA機器人(3)空間屈伸2.8.2機身和臂部形式4.曲伸式2.8.2機身和臂部形式2.3手腕和末端執(zhí)行器機構(gòu)安裝在機器人手部末端,直接作用于對象的裝置叫做末端執(zhí)行器.也可使用手部(hand)這個術(shù)語來代替末端執(zhí)行器。2.3手腕和末端執(zhí)行器機構(gòu)安裝在機器人手部末端,直接作用于對2.3.1手部的分類研究結(jié)果:手的功能大致可分為“抓取”和“操作”兩類.抓取分為如圖所示的六種形態(tài)2.3.1手部的分類研究結(jié)果:手的功能大致可分為“抓取”和“

機械手部(兩指、三指、變形指)特殊手部（吸盤、噴槍、焊槍等通用手部（兩指－五指）手部機械手部(兩指、三指、變形指)手部2.3.2手腕部結(jié)構(gòu)形式1.單自由度手腕2.兩自由度手腕兩種結(jié)構(gòu):a.匯交式b.偏置式2.3.2手腕部結(jié)構(gòu)形式3.三自由度手腕:a.偏交型b.匯交型c.球形匯交型d.中空偏交型e.匯形偏交型3.三自由度手腕:機電系統(tǒng)綜合設(shè)計1課件機電系統(tǒng)綜合設(shè)計（全套）參賽選手：****機電學(xué)院本科課程機電系統(tǒng)綜合設(shè)計（全套）參賽選手：****機電學(xué)院本科課程機電系統(tǒng)綜合設(shè)計課程介紹內(nèi)容概述考核與成績評定參考書目機電系統(tǒng)綜合設(shè)計課程介紹內(nèi)容概述考核與成績評定參考書目課程介紹本課程以典型機電系統(tǒng)的構(gòu)成與工作原理為實例，介紹構(gòu)成機電系統(tǒng)所需的典型機械機構(gòu)、傳感器、執(zhí)行裝置、計算機控制技術(shù)等內(nèi)容，從系統(tǒng)論、信息論和控制論的觀點出發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生對機電系統(tǒng)的設(shè)計、分析能力，為從事機電系統(tǒng)的設(shè)計及其相關(guān)工作打好基礎(chǔ)。課程介紹本課程以典型機電系統(tǒng)的構(gòu)成與工作原理為實例，介紹構(gòu)成課程介紹通過本課程學(xué)習(xí)，對典型機電系統(tǒng)能夠從系統(tǒng)的觀點進行分析，并能從宏觀上進行機電系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)的基本設(shè)計，對機電系統(tǒng)所綜合的機械、電子、電氣、控制工程、信息和計算機技術(shù)等諸多學(xué)科知識進行系統(tǒng)歸納。課程介紹通過本課程學(xué)習(xí)，對典型機電系統(tǒng)能夠從系統(tǒng)的觀點進行分機電系統(tǒng)綜合設(shè)計課程介紹內(nèi)容概述考核與成績評定參考書目機電系統(tǒng)綜合設(shè)計課程介紹內(nèi)容概述考核與成績評定參考書目內(nèi)容概述（共32學(xué)時）第一章機電系統(tǒng)概述（2學(xué)時）1.機電一體化技術(shù)的發(fā)展歷程2.機電系統(tǒng)一般組成第二章機電系統(tǒng)的控制（6學(xué)時）1.控制系統(tǒng)的構(gòu)成與原理2.典型控制方法第三章傳感測控技術(shù)（6學(xué)時）1.機電一體化系統(tǒng)常用的傳感器類型與工作原理2.測量與控制系統(tǒng)的構(gòu)成與工作方式內(nèi)容概述（共32學(xué)時）第一章機電系統(tǒng)概述（2學(xué)時）內(nèi)容概述第四章機電執(zhí)行裝置與機械機構(gòu)（4學(xué)時）1.執(zhí)行裝置、機械機構(gòu)的作用2.典型機電執(zhí)行裝置和機械機構(gòu)第五章機電系統(tǒng)實例分析（6學(xué)時）消費電子產(chǎn)品中的機電系統(tǒng)實例分析（2學(xué)時）工業(yè)領(lǐng)域中的機電系統(tǒng)實例分析（1學(xué)時）汽車與機電系統(tǒng)（1學(xué)時）機電系統(tǒng)與武器系統(tǒng)（2學(xué)時）實踐環(huán)節(jié)機電系統(tǒng)綜合設(shè)計實踐（8學(xué)時）內(nèi)容概述第四章機電執(zhí)行裝置與機械機構(gòu)（4學(xué)時）機電系統(tǒng)綜合設(shè)計課程介紹內(nèi)容概述考核與成績評定參考書目機電系統(tǒng)綜合設(shè)計課程介紹內(nèi)容概述考核與成績評定參考書目考核與成績評定平時考察與考試環(huán)節(jié)結(jié)合。各教學(xué)環(huán)節(jié)占總分的比例平時及實踐環(huán)節(jié)：30%，考試：70%。考核與成績評定平時考察與考試環(huán)節(jié)結(jié)合。機電系統(tǒng)綜合設(shè)計課程介紹內(nèi)容概述考核與成績評定參考書目機電系統(tǒng)綜合設(shè)計課程介紹內(nèi)容概述考核與成績評定參考書目參考書目三浦宏文（日）《機電一體化實用手冊》，科學(xué)出版社，北京，2005伍清河，計算機控制系統(tǒng)傳感器技術(shù)相關(guān)教材機電接口技術(shù)相關(guān)教材參考書目三浦宏文（日）《機電一體化實用手冊》，科學(xué)出版社，北第一章機電系統(tǒng)概述機電系統(tǒng)綜合設(shè)計第一章機電系統(tǒng)概述機電系統(tǒng)綜合設(shè)計1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電一體化利用電子、信息（包括傳感器、控制、計算機等）技術(shù)使機械柔性化和智能化的技術(shù)。Mechatronics為日本學(xué)術(shù)界創(chuàng)造的詞匯，由機械和電子的英文單詞Mechanism和Electronics組合而成。機電一體化技術(shù)可以實現(xiàn)機械的柔性化和智能化柔性化：機構(gòu)具有相當(dāng)?shù)撵`活性，可實現(xiàn)微小運動和復(fù)雜運動智能化：系統(tǒng)具有很強的控制能力，甚至有一定的學(xué)習(xí)能力簡而言之，機電系統(tǒng)就是機電一體化的系統(tǒng)。1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電一體化1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電一體化的目標機電一體化的目標是將機械技術(shù)與電子技術(shù)結(jié)合，充分發(fā)揮各自的長處，彌補各自技術(shù)上的不足。機械的強度高，輸出功率大，可承受大載荷，但微小運動和復(fù)雜運動不易實現(xiàn)；電子領(lǐng)域的傳感器和計算機可以實現(xiàn)高精度的檢測與控制，但電子技術(shù)卻無法自行實現(xiàn)重載荷條件下的運動；將機械技術(shù)和電子技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)重載條件下的微小運動或復(fù)雜運動。1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電一體化的目標Yamaha數(shù)控雕刻機機電系統(tǒng)實例流水線上的工業(yè)機器人Yamaha數(shù)控雕刻機機電系統(tǒng)實例流水線上的工業(yè)機器人1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展機電設(shè)備和其系統(tǒng)是自動化系統(tǒng)的自然演變產(chǎn)品?？梢詮娜齻€方面窺視這個演變：純機械自動化系統(tǒng)(1990早期及以前)帶有電氣元件(如繼電器器、晶體管、放大器)的自動化設(shè)備(1900前——1970)計算機自動化控制系統(tǒng)(1970年代——現(xiàn)在)1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展早期自控系統(tǒng)完成自動控制完全依靠機械方式。例如，水箱實現(xiàn)水位調(diào)節(jié)時將閥門和浮球連接預(yù)設(shè)設(shè)定水位有浮球高度或者連接臂長度決定。浮球打開或關(guān)閉閥門以維持預(yù)定水位。1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展早期自控系統(tǒng)完成自動控制完全依靠機械方式。另一個完全有機械裝置構(gòu)成的經(jīng)典自動化控制系統(tǒng)是瓦特的飛球控制器，用來調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速。1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展使用運算放大器的模擬伺服控制器促成了機電系統(tǒng)的第二次變革。自動化系統(tǒng)不必是純

機械式。運算放大器

會比較設(shè)定數(shù)據(jù)和測

量數(shù)據(jù)，基于二者差

值驅(qū)動致動器。這個

原理發(fā)展成后來的機

電伺服控制系統(tǒng)。右圖為模擬式電熱控

制器原理。1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展1970年代以后，隨著微處理器引入控制領(lǐng)域，可編程控制和智能決策引入自動化設(shè)備系統(tǒng)中。數(shù)字計算機不僅使控制功能復(fù)雜程度超過先前的機械或電氣設(shè)備，同樣使先前不可能實現(xiàn)的設(shè)計成為現(xiàn)實?？刂乒δ懿粌H包含了伺服控制還有許多運算邏輯，錯誤判斷，元件狀態(tài)監(jiān)測，網(wǎng)絡(luò)通信，非線性最佳自適應(yīng)控制策略。許多功能只用模擬運算電路是不可能實現(xiàn)的。使用數(shù)字控制器，這些功能很容易實現(xiàn)，僅僅只是軟件上的編碼而已。1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展1970年代以后，隨著微處理器引入控制領(lǐng)域，可編程控制和智能決策引入自動化設(shè)備系統(tǒng)中。引入微控制器后，自動化工業(yè)在產(chǎn)品和產(chǎn)品生產(chǎn)方式上有了很大的變化。基于微控制器的嵌入式微控制器使可編程生產(chǎn)過程數(shù)量增多，如裝配線，CNC工具，材料處理。這改變了生產(chǎn)過程，減少了勞動力使用，增加了生產(chǎn)力。產(chǎn)品本身也發(fā)生了改變。1.1機電系統(tǒng)——機電一體化的系統(tǒng)機電系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展1.2機電一體化為機電系統(tǒng)帶來的優(yōu)勢使產(chǎn)品具有原來所不具備的新功能增強產(chǎn)品的柔性，即所謂的Flexibility改善操作性能滿足多樣性的需求擴大設(shè)計的靈活性改善生產(chǎn)的工藝性使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更為緊湊減少產(chǎn)品零部件數(shù)量提高產(chǎn)品可靠性提高品質(zhì)節(jié)省能源消耗降低成本1.2機電一體化為機電系統(tǒng)帶來的優(yōu)勢使產(chǎn)品具有原來所不具備1.2機電一體化為機電系統(tǒng)帶來的優(yōu)勢機電一體化技術(shù)的本質(zhì)是將電子技術(shù)引入到機械控制中：利用傳感器檢測機械的運動，將檢測信息輸入到計算機，經(jīng)計算得到能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期運動的控制信號，由此來控制執(zhí)行裝置。上述的計算，實際上就是計算機軟件的主要功能和作用。在系統(tǒng)中，通過編制適當(dāng)?shù)能浖崿F(xiàn)所需要的控制，從而使系統(tǒng)具有前面所說的各種優(yōu)勢。1.2機電一體化為機電系統(tǒng)帶來的優(yōu)勢機電一體化技術(shù)的本質(zhì)是1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電系統(tǒng)在系統(tǒng)設(shè)計層次方面同時包含三個不同的傳統(tǒng)工程領(lǐng)域：機械工程電氣工程計算機技術(shù)以系統(tǒng)設(shè)計層面來看，

機電一體化不只是這些

領(lǐng)域的總和，而是這些

領(lǐng)域的交叉。在機電控制系統(tǒng)領(lǐng)域這是革命性的變化。1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電系統(tǒng)在系統(tǒng)設(shè)計層次方面同時包含三個不1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電一體化系統(tǒng)實例如前所述，機電一體化系統(tǒng)中一定具有運動機械，并采用電子技術(shù)來使機械實現(xiàn)柔性化和智能化。機器人自動對焦相機防抖攝像機數(shù)控加工中心汽車電飯煲智能電視機？…………1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電一體化系統(tǒng)實例1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電一體化系統(tǒng)實例當(dāng)代汽車在8位和16位微控制器引入到嵌入式控制中前，汽車中的電子元件只有廣播，打火器，發(fā)電機和電池充電系統(tǒng)。發(fā)動機，傳動裝置，剎車系統(tǒng)全部由機械方式或半機械方式控制?，F(xiàn)在汽車發(fā)動機裝有嵌入式控制器，基于負載，速度，溫度和壓力傳感器實時控制油料注入的時間和量，提高了油料燃燒效率，減少污染，提升性能。自動傳動裝置也有微控制器控制。剎車系統(tǒng)，包括ABS(防抱死系統(tǒng)),TCS(牽引控制系統(tǒng)),DVSC(車輛動態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng))，同樣也由集成控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)發(fā)動機或剎車，以期提高車輛控制性能。1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電一體化系統(tǒng)實例當(dāng)代汽車系統(tǒng)當(dāng)代汽車系統(tǒng)當(dāng)代汽車系統(tǒng)當(dāng)代汽車系統(tǒng)1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)“機電一體化”一詞由YaskawaElectric公司的工程師提出。每一個現(xiàn)代機電系統(tǒng)都有一個或多個嵌入式計算機，或者叫做微控制器。計算機硬件和軟件(應(yīng)用在機電系統(tǒng)控制中的部分)是機電系統(tǒng)中關(guān)鍵的一部分。得益于微控制器廣泛應(yīng)用于大眾市場，機電一體化廣泛覆蓋了社會的各個領(lǐng)域。微計算機控制器價格不斷下降，性能不斷上升，使得其可以應(yīng)用到成千上萬的產(chǎn)品中。1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)“機電一體化”一詞由YaskawaEl1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)以往機電產(chǎn)品設(shè)計團隊包括：設(shè)計機械部分的工程師設(shè)計電氣部分（如致動器，傳感器，放大器）或控制邏輯/算法的工程師設(shè)計電腦軟硬件實現(xiàn)產(chǎn)品實時控制的工程師現(xiàn)在的機電一體化工程師應(yīng)該可以完成這些所有的工作。設(shè)計過程不再是“機械電氣設(shè)計計算機控制設(shè)計”的順序排列，而是三者同時進行。機電一體化工程師的最終產(chǎn)品應(yīng)該是一個由嵌入式計算機控制的機械設(shè)備或系統(tǒng)。1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)以往機電產(chǎn)品設(shè)計團隊包括：1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電系統(tǒng)與人體的對比如果由人控制操作一個過程，人首先觀察系統(tǒng)的行為(如視覺觀察)，做出決定，然后動用身上的肌肉帶動骨骼運動，這樣一個控制動作就完成了。1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電系統(tǒng)與人體的對比1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電系統(tǒng)與人體的對比人首先觀察系統(tǒng)的行為(如視覺觀察)，做出決定，然后動用身上的肌肉帶動骨骼運動，這樣一個控制動作就完成了。1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電系統(tǒng)與人體的對比機電系統(tǒng)與人體的對比機電系統(tǒng)與人體的對比1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電系統(tǒng)與人體的對比機電系統(tǒng)通過傳感器獲取運動狀態(tài)和參數(shù)，通過ADC輸入計算機，經(jīng)計算形成的控制量由DAC交給致動系統(tǒng)，經(jīng)由機械機構(gòu)轉(zhuǎn)換，形成運動。1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電系統(tǒng)與人體的對比典型的工業(yè)機器人典型的工業(yè)機器人1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電系統(tǒng)與人體的對比歸納對比項目機電系統(tǒng)人體機械裝置運動機構(gòu)骨骼執(zhí)行裝置致動器肌肉能源裝置電源、氣源等人體轉(zhuǎn)化化學(xué)能傳感裝置各種傳感器感覺器官控制裝置計算機大腦1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電系統(tǒng)與人體的對比歸納對比項目機電系統(tǒng)1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)每個計算機控制的機電系統(tǒng)至少有四個基本功能模塊，能源裝置不屬于典型模塊。執(zhí)行裝置（致動器）機械裝置傳感器計算機或微控制器與控制流程（算法）先進的微控制器和數(shù)字信號處理技術(shù)對控制領(lǐng)域有兩個主要影響：取代模擬控制器促進新型產(chǎn)品和設(shè)計1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)每個計算機控制的機電系統(tǒng)至少有四個基本功1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電系統(tǒng)的架構(gòu)典型的機電系統(tǒng)為“計算機執(zhí)行裝置機械裝置傳感器計算機”的信號閉環(huán)回路，是一種典型的反饋系統(tǒng)。有的采用由上位計算機控制的半閉環(huán)控制方式。由執(zhí)行裝置、機械裝置和傳感器自行構(gòu)成反饋系統(tǒng)，而計算機只給出控制指令。比如采用伺服電機作為執(zhí)行裝置的情況，伺服電機自己可以通過自己的反饋回路控制運動的精確度。1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)機電系統(tǒng)的架構(gòu)1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)計算機執(zhí)行裝置傳感器機械裝置典型機電系統(tǒng)的大閉環(huán)架構(gòu)1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)計算機執(zhí)行裝置傳感器機械裝置典型機電系統(tǒng)另一種閉環(huán)的機電系統(tǒng)架構(gòu)描述：機械結(jié)構(gòu)，傳感器，致動器，決策部分(微控制器)，動力源，人工干預(yù)接口1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)另一種閉環(huán)的機電系統(tǒng)架構(gòu)描述：機械結(jié)構(gòu)，傳感器，致動器，決策1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)計算機執(zhí)行裝置傳感器機械裝置半閉環(huán)的機電系統(tǒng)架構(gòu)精度高，抗干擾能力強，速度慢1.3機電系統(tǒng)實質(zhì)計算機執(zhí)行裝置傳感器機械裝置半閉環(huán)的機電1.4機電系