1、機電一體化系統設計機械工程及自動化專業1概述 機電一體化技術 機電一體化促進制造業的現代化機械化機械化機械力機械力人力人力機械自動化（電氣自動化）機械自動化（電氣自動化）機電一體化（機械機電一體化（機械+微電子微電子+軟件）軟件）電腦電腦人腦（繁瑣、重復性、無創造性的）人腦（繁瑣、重復性、無創造性的） 藥廠自動生產線 柔性自動裝配線 數控銑床 加工中心 柔性制造系統一、機電一體化技術 1、機電一體化技術涵義 2、機電一體化相關技術 3、機電一體化系統構成1.機電一體化技術涵義 機電一體化 Mechatronics (mechanis lectronics)機電一體化三要素：機電一體化三要素：

2、機械系統（機構）是基礎 微電子（微處理器CPU）是核心 軟件是系統控制中心機電一體化的特征： 有機械機構、 有CPU、有軟件 （有微機、單片機、PLC等）系統的五個子系統及其功能 1 計算機（微機） 控制功能 2 執行元件 操作功能 3 機構 構造功能 4 傳感器 檢測功能 5 動力源 動力功能2、機電一體化相關技術機械技術、微電子技術、信息技術、機械技術、微電子技術、信息技術、控制技術、傳感器技術、驅動技術、控制技術、傳感器技術、驅動技術、計算機技術、軟件技術計算機技術、軟件技術等多種學科的技術融合在一起，緊密結合在一起。3、機電一體化系統構成 機械系統 微電子處理系統 傳感檢測系統 執行元

3、件系統 動力源二、機電一體化促進制造業的現代化 柔性制造系統 計算機集成制造系統(CIMS) 并行工程 虛擬設計、制造敏捷制造敏捷制造 網絡合作設計制造在制造業向全球化、網絡化、集成化和智能化在制造業向全球化、網絡化、集成化和智能化 加工中心 刀具庫、夾具庫 機器人 自動小車 立體倉庫（原料庫、成品庫）軟性制造系統：軟性制造系統： 又稱計算機綜合制造系統，在這個系統中，集成化的全局效應更為明顯。在產品生命周期中，各項作業都已有了其相應的計算機輔助系統，如：（1）計算機輔助設計(CAD)（2）計算機輔助制造(CAM)（3）計算機輔助工藝規劃(CAPP)（4）計算機輔助測試(CAT)（5）計算機輔

4、助質量控制(CAQ) 計算機集成制造系統就是將技術上的各個單項信息處理和制造企業管理信息系統(如MRP-等)集成在一起，將產品生命周期中所有的有關功能，包括設計、制造、管理、市場等的信息處理全部予以集成。 其關鍵是建立統一的全局產品數據模型和數據管理及共享的機制，以保證正確的信息在正確的時刻以正確的方式傳到所需的地方。 u計算機集成制造系統(Computer Integrated Making System，簡稱CIMS)1、先進制造技術、先進制造技術 先進制造技術（AMTAdvanced Manufacturing Technology）先進制造技術是傳統制造技術不斷吸收機械、電子、信息、材

5、料、能源和現代管理等方面的成果，并將其綜合應用于產品設計、制造、檢測、管理、銷售、使用、服務的制造全過程，以實現優質、高效、低耗、清潔、靈活的生產，并取得理想技術經濟效果的制造技術的總稱。2、敏捷制造（、敏捷制造（AMAgile Manufacturing） 敏捷制造是以競爭力和信譽度為基礎，選擇合作者組成虛擬公司，分工合作，為同一目標共同努力來增強整體競爭能力，對用戶需求作出快速反應，以滿足用戶的需要。3、虛擬制造（、虛擬制造（VMVirtual Manufacturing） 虛擬制造利用信息技術、仿真技術、計算機技術對現實制造活動中的人、物、信息及制造過程進行全面的仿真，以發現制造中可能出

6、現的問題，在產品實際生產前就采取預防措施，從而達到產品一次性制造成功，來達到降低成本、縮短產品開發周期，增強產品競爭力的目的。4、并行工程（、并行工程（CEConcurrent Engineering） 并行工程是集成地、并行地設計產品及其相關過程（包括制造過程和支持過程）的系統方法。它要求產品開發人員在一開始就考慮產品整個生命周期中從概念形成到產品報廢的所有因素，包括質量、成本、進度計劃和用戶要求，并行工程的發展為虛擬制造技術的誕生創造了條件，虛擬制造技術將是以并行工程為基礎的，并行工程的進一步發展就是虛擬制造技術。 平行工程 計劃 開發 設計 制造 包裝 銷售 設計設計工藝工藝制造制造銷售

7、銷售服務服務開發產品指令開發產品指令產品產品 計算機集成制造系統的進一步發展方向是支持“并行工程”，即力圖使那些為產品生命周期各階段服務的專家盡早地并行工作，從而使全局優化并縮短產品開發周期。1、以、以“數字化數字化”為發展核心為發展核心 信息精確，信息安全，信息容量大。包含了三大部分：以設計為中心的數字信息精確，信息安全，信息容量大。包含了三大部分：以設計為中心的數字制造，以控制為中心的數字制造和以管理為中心的數字制造。制造，以控制為中心的數字制造和以管理為中心的數字制造。2、以、以“精密化精密化”將成為發展的關鍵將成為發展的關鍵 所謂所謂“精密化精密化”，一方面是指對產品、零件的精度要求越

8、來越高。精密加工，一方面是指對產品、零件的精度要求越來越高。精密加工，細微加工，納米加工等等。細微加工，納米加工等等。3、突出、突出“極端條件極端條件”，是發展的焦點，是發展的焦點 “極極”就是極端條件在高溫、高壓、高濕、強磁場、強腐蝕等等條件下工作就是極端條件在高溫、高壓、高濕、強磁場、強腐蝕等等條件下工作的，或有高硬度、大彈性等等要求的，或形體上極大、極小、極厚、極薄、奇形的，或有高硬度、大彈性等等要求的，或形體上極大、極小、極厚、極薄、奇形怪狀的。怪狀的。4、以、以“自動化自動化”技術為發展前提技術為發展前提 “自動化自動化”從自動控制、自動調節、自動補償、自動辨識等發展到自學習、從自動

9、控制、自動調節、自動補償、自動辨識等發展到自學習、自組織、自維護、自修復等更高的自動化水平。自組織、自維護、自修復等更高的自動化水平。5、以、以“成化集成化集”為發展的方法為發展的方法 “集成化集成化”，一是技術的集成，二是管理的集成，三是技術與管理的集成。，一是技術的集成，二是管理的集成，三是技術與管理的集成。6、以、以“網絡化網絡化”為發展道路為發展道路 利用網絡，進行產品設計、制造與生產管理等活動。利用網絡，進行產品設計、制造與生產管理等活動。7、“智能化智能化”是是CIMS未來發展的美好前景未來發展的美好前景 一種高度柔性與集成的方式，借助計算機模擬的人類專家的智能活動，進行一種高度柔

10、性與集成的方式，借助計算機模擬的人類專家的智能活動，進行分析、判斷、推理、構思和決策，取代或延伸制造環境中人的部分腦力勞動。分析、判斷、推理、構思和決策，取代或延伸制造環境中人的部分腦力勞動。8、“綠色綠色”是是CIMS未來發展的必然趨勢未來發展的必然趨勢 “綠色綠色”是從環境保護領域中引用來的。制造業的產品從構思開始，到設計、是從環境保護領域中引用來的。制造業的產品從構思開始，到設計、制造、銷售、使用與維修，直到回收、再制造等各階段，都必須符合環境保護要制造、銷售、使用與維修，直到回收、再制造等各階段，都必須符合環境保護要求。求。9、CIMS的標準化的標準化 在制造業向全球化、網絡化、集成化

11、和智能化發展過程中，標準化技術已迫在制造業向全球化、網絡化、集成化和智能化發展過程中，標準化技術已迫在眉睫。在眉睫。數控技術 1 數控機床要解決的問題 2 數控機床 NC、CNC 專用數控箱的數控機床 微機平臺的數控機床 六軸數控 加工中心（銑削中心、車削中心） 1 、兩軸聯動-加工平面曲線 2、三軸聯動-加工空間曲線 3、六軸以上聯動-加工任意曲面數控設備 除了制造業的數控設備外： 1 焊接設備 2激光切割機（刻字機） 3數控雕刻機 4數控繞線機 5數控鞋楦機焊接機器人焊接機器人焊接機器人機電一體化系統設計方法機電一體化系統設計方法計算機輔助設計計算機輔助設計并行工程并行工程虛擬設計虛擬設計

12、快速響應快速響應綠色設計綠色設計反求設計反求設計網絡合作設計網絡合作設計機電一體化系統設計步驟： 1明確任務明確任務 2調研調研 3方案擬定（設計）方案擬定（設計） 4機械部件設計機械部件設計 5電氣控制硬件設計電氣控制硬件設計 6控制軟件設計控制軟件設計 7組織生產、調試組織生產、調試 8改進設計改進設計 9整理資料整理資料機電一體化機械系統（特點）要求 1低摩擦阻力的傳動部件和導向支承部件。 2縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度。 3最佳傳動比，減少系統等效轉動慣量，提高加速性能。 4縮小反向死區。 5高剛度的支承和架體，系統小型化、高速、高可靠性。 2第二章 機械系統部件設計 傳動部件及其功

13、能要求 絲杠傳動部件 滾珠絲杠傳動部件 齒輪傳動部件 柔性傳動部件2.1 傳動部件選擇與設計傳動機構的作用傳遞動力（扭矩）傳遞動力（扭矩）傳遞運動（動作）傳遞運動（動作）傳遞速度（轉速）傳遞速度（轉速）1 1按摩擦類型分按摩擦類型分 滑動摩擦機構和滾動摩擦機構滑動摩擦機構和滾動摩擦機構滑動絲杠螺母機構滑動絲杠螺母機構 結構簡單、加工方便、制造成本低、具有自鎖功能，但結構簡單、加工方便、制造成本低、具有自鎖功能，但其摩擦阻力矩大、傳動效率低其摩擦阻力矩大、傳動效率低(3040)。滾珠絲杠螺母機構滾珠絲杠螺母機構 結構復雜、制造成本高，但其最大優點是摩擦阻力矩小結構復雜、制造成本高，但其最大優點是

14、摩擦阻力矩小、傳動效率高、傳動效率高(9298)，因此在機電一體化系統中得到廣，因此在機電一體化系統中得到廣泛應用。泛應用。2.1.2 絲杠螺母機構傳動機構形式絲杠螺母機構傳動機構形式作用：主要用來將旋轉運動變換為直線運動或作用：主要用來將旋轉運動變換為直線運動或將直線運動變換為旋轉運動。將直線運動變換為旋轉運動。212絲杠螺母機構基本傳動形式 1)螺母固定、絲桿轉動并移動螺母固定、絲桿轉動并移動 該傳動形式因螺母本身起著支承作用，消除了絲桿軸承可能產生的附加軸向竄動，結構較簡單，可獲得較高的傳動精度。但其軸向尺寸不易太長，剛性較差。因此只適用于行程較小的場 2)絲桿轉動、螺母移動絲桿轉動、螺

15、母移動 該傳動形式需要限制螺母的轉動，故需導向裝置。其特點是結構緊湊、絲桿剛性較好。適用于工作行程較大的場合。 3)螺母轉動、絲桿移動螺母轉動、絲桿移動 該傳動形式需要限制螺母移動和絲桿的轉動，由于結構較復雜且占用軸向空間較大，故應用較少。 4)絲桿固定、螺母轉動并移動絲桿固定、螺母轉動并移動 該傳動方式結構簡單、緊湊，但在多數情況下，使用極不方便，故很少應用 差動傳動方式 2.1.3 滾珠絲杠傳動部件 1 滾珠絲杠副的結構滾珠絲杠副的結構 絲桿、螺母、滾珠和反向器(滾珠循環反向裝置)特點：摩擦阻力小、傳動效率高摩擦阻力小、傳動效率高、 軸向剛度高、運動平穩、傳軸向剛度高、運動平穩、傳動精度高

16、、不易磨損、使用壽動精度高、不易磨損、使用壽命長等優點。命長等優點。 不能自鎖，具有傳動的可逆不能自鎖，具有傳動的可逆性，在用作升降傳動機構時，性，在用作升降傳動機構時，需要采取制動措施需要采取制動措施 2滾珠絲杠副的典型結構類型滾珠絲杠副的典型結構類型 (1)螺紋滾道截面(法向)的形狀 (2)滾珠的循環方式 內循環內循環 和和 外循環外循環 內循環方式的滾珠在循環過 程中始終與絲桿表面保持接 觸。內循環方式的優點是滾珠循環的回路短、流暢性好、效率高、螺母的徑向尺寸也較小。其不足是反向器加工困難、裝配調整也不方便外循環有以下三種形式：1)螺旋槽式螺旋槽式2)插管式插管式3)端蓋式端蓋式 螺旋槽

17、 插管式 端蓋式1)螺旋槽式 這種結構的特點是工藝簡單、徑向尺寸小、易于制造。但是擋珠器剛性差、易磨損。2)插管式插管式結構簡單、容易制造。但是徑向尺寸較大，插管式結構簡單、容易制造。但是徑向尺寸較大，彎管端部用作擋珠器比較容易磨損。彎管端部用作擋珠器比較容易磨損。3)端蓋式 這種方式結構簡單、工藝性好，但滾道吻接和彎曲處圓角不易準確制作而影響其性能，故應用較少。3滾珠絲杠副的主要尺寸參數 公稱直徑d0 基本導程l0 行程l 絲桿螺紋全長ls 滾珠的工作圈(或列)數和工作滾珠的數量N4滾珠絲杠副的精度等級及標注方法 精度等級根據JBT 316221982標準，對滾珠絲杠副的精度分成C、D、E、

18、F、G、H六個等級，最高精度為C級，最低精度為H級 JBT 316221991為1、2、3、4、5、7、10共七個等級，最高級為1級，最低級為10級。滾珠絲杠副精度等級的導程誤差(JBT 316221982)導程精度選擇檢驗項目2)標注方法5滾珠絲杠副軸向間隙的調整與預緊 (1)雙螺母螺紋預緊調整式 (2)雙螺母齒差預緊調整式 (3)雙螺母墊片調整預緊式 (4)彈簧式自動調整預緊式 (5)單螺母變位導程自頂緊式和單螺母滾珠過盈預緊式6滾珠絲杠副支承方式 1)單推一單推式 2)雙推一雙推式 3)雙推一簡支式 4)雙推一自由式1)單推一單推式止推軸承分別裝在滾珠絲杠的兩端并施加預緊止推軸承分別裝在

19、滾珠絲杠的兩端并施加預緊力。其特點是軸向剛度較高，預拉伸安裝時，力。其特點是軸向剛度較高，預拉伸安裝時，預緊力較大，但軸承壽命比雙推一雙推式低。預緊力較大，但軸承壽命比雙推一雙推式低。2)雙推一雙推式兩端分別安裝止推軸承與深溝球軸承的組合，并施加兩端分別安裝止推軸承與深溝球軸承的組合，并施加預緊力，其軸向剛度最高。該方式適合于高剛度、高預緊力，其軸向剛度最高。該方式適合于高剛度、高轉速、高精度的精密絲杠傳動系統。但隨溫度的升高轉速、高精度的精密絲杠傳動系統。但隨溫度的升高會使絲杠的預緊力增大，易造成兩端支承的預緊力不會使絲杠的預緊力增大，易造成兩端支承的預緊力不對稱。對稱。3)雙推一簡支式一端

20、安裝止推軸承與深溝球軸承的組合，另一端僅安一端安裝止推軸承與深溝球軸承的組合，另一端僅安裝深溝球軸承，其軸向剛度較低，使用時應注意減少裝深溝球軸承，其軸向剛度較低，使用時應注意減少絲杠熱變形的影響。雙推端可預拉伸安裝，預緊力小絲杠熱變形的影響。雙推端可預拉伸安裝，預緊力小，軸承壽命較高，適用于中速、傳動精度較高的長絲，軸承壽命較高，適用于中速、傳動精度較高的長絲杠傳動系統。杠傳動系統。4)雙推一自由式一端安裝止推軸承與深溝球軸承的組合，另一端懸一端安裝止推軸承與深溝球軸承的組合，另一端懸空呈自由狀態，故軸向剛度和承載能力低，多用于空呈自由狀態，故軸向剛度和承載能力低，多用于輕載、低速的垂直安裝

21、的絲杠傳動系統。輕載、低速的垂直安裝的絲杠傳動系統。各支承方式特性比較各支承方式特性比較方式方式剛度剛度精度精度軸承壽命軸承壽命適用適用 單單-單單224剛度特高剛度特高雙雙-雙雙113高精度、高剛高精度、高剛度、高速度、高速雙雙-簡簡332中速、長行程、中速、長行程、高精度高精度雙雙-自自441低速、低速、 軸承的組合安裝支承 制動裝置超超越越離離合合器器7滾珠絲杠副的密封與潤滑 防塵密封圈或防護套密封 作用：防止灰塵及雜物進入絲杠 形式：接觸式 非接觸式 潤滑 作用：提高耐磨性、傳動效率、維持傳動精度、延長使用。 方式：脂潤滑 油潤滑 8滾珠絲杠副的選擇方法 (1)結構選擇 潤滑 防塵 間

22、隙 預緊 (2)結構尺寸 公稱直徑 與強度與強度 剛度剛度 有關有關 基本導程 大大 承載能力強、移動速度大；承載能力強、移動速度大； 小小 傳動精度高傳動精度高 螺紋長度 長長/徑比徑比30 (3)選擇的步驟選擇的步驟 1）承載能力）承載能力 2）壓桿穩定性）壓桿穩定性 3）剛度驗算）剛度驗算 4）速度計算）速度計算 n 絲杠轉速絲杠轉速 v 移動速度移動速度060nv 060tna2.1.2 齒輪減速器齒輪減速器 作用：扭矩、轉速和轉向的變換 1 齒輪傳動形式齒輪傳動形式 2 最佳傳動比的確定最佳傳動比的確定令：得i最大值： 1）重量最輕原則 等齒寬等模數： 其他： 2）輸出軸轉角誤差最小

23、原則四級為例： 最末級i4取大些，最后一個齒輪的精度取高些。 3）轉動慣量最小原則等效慣量：因為：所以得：因此：得：同樣方法得：等齒寬等模數 其他：實際：先小后大 原則的運用： （1）對于要求體積小重量輕的齒輪傳動系統，可用重量最輕原則重量最輕原則。 （2）要求運動平穩、起停頻繁和動態特性好的齒輪傳動系統，可用最小等效轉動慣量和總轉角最小等效轉動慣量和總轉角誤差最小原則。誤差最小原則。 （3）對于要求傳動精度高的齒輪傳動系統，可用輸出軸轉角誤差最小原則。輸出軸轉角誤差最小原則。 （4）要求降低振動和噪音的齒輪傳動系統的各級傳動比采用不可約的比數。采用不可約的比數。 （5）大傳動比系統可采用行星

24、輪系或諧波齒輪采用行星輪系或諧波齒輪傳動。傳動。 3諧波齒輪傳動諧波齒輪傳動 1）工作原理）工作原理 諧波齒輪結構諧波齒輪減速器 2）傳動比）傳動比 得：得：（1） （2）0r0g （3）諧波齒輪的選型 標注： 實例1: i=80,電機 n=1500，P=450w 選XB100 選n=3000rpm的電機 選XB80 必須通過用轉矩計算（傳遞的功率與轉速有關）扭矩計算實例.87N260150013. 32450輸入TN3 .2298087. 280輸入輸出TTN43. 160300013. 32450輸入TNTT6 .1148043. 180輸入輸出 （4）輪系傳動 （4）齒輪間隙調整 圓柱齒

25、輪 偏心套法 軸向墊片法 雙片薄齒輪錯齒法 斜齒輪 同步帶傳動 鋼帶傳動 鋼絲傳動小結 傳動部件： 絲杠螺母傳動部件 1 滑動摩擦、滾動摩擦。滑動摩擦、滾動摩擦。 2 四種傳動結構形式四種傳動結構形式 3 滾珠絲杠傳動設計滾珠絲杠傳動設計（1） 滾珠絲杠副的結構滾珠絲杠副的結構 （2） 滾珠絲杠副的典型結構類型滾珠絲杠副的典型結構類型 （3）滾珠絲杠副的主要尺寸參數）滾珠絲杠副的主要尺寸參數 （4）滾珠絲杠副的精度等級及標注方法）滾珠絲杠副的精度等級及標注方法 （5）滾珠絲杠副軸向間隙的調整與預緊）滾珠絲杠副軸向間隙的調整與預緊 （6 6）滾珠絲）滾珠絲杠副支承方式杠副支承方式 （7）滾珠絲杠

26、副的密封與潤滑）滾珠絲杠副的密封與潤滑 （8）滾珠絲杠副的選擇方法）滾珠絲杠副的選擇方法【結構選擇、結構結構選擇、結構尺寸、設計計算（承載能力尺寸、設計計算（承載能力 桿穩定性桿穩定性 剛度驗算）剛度驗算） 】齒輪傳動部件齒輪傳動部件1 齒輪傳動部件作用齒輪傳動部件作用 2 齒輪傳動形式、齒輪傳動形式、 最佳傳動比的確定最佳傳動比的確定 。3 確定各級傳動比確定各級傳動比 ： 重量最輕原則、輸出軸轉角誤差最小原則、轉動慣量最小原則。重量最輕原則、輸出軸轉角誤差最小原則、轉動慣量最小原則。原則的運用方法（五點）。原則的運用方法（五點）。4 諧波齒輪傳動諧波齒輪傳動傳動比傳動比 5 齒輪間隙調整齒

27、輪間隙調整柔性傳遞柔性傳遞 （4）齒輪間隙調整 圓柱齒輪 偏心套法2.2 導向支承部件的選擇與設計導向支承部件的選擇與設計 導向支承部件的作用: (1)支承 (2)限制運動部件按給定的運動要求 (3)和規定的運動方向運動。 1導軌副的種類直線導軌副直線導軌副 運動方向為直線運動方向為直線回轉運動導軌副回轉運動導軌副 運動方向為回轉運動方向為回轉 導軌形式按摩擦類型分類型（1）滑動導軌（2）滾動導軌（3）流體介質摩擦導軌按其結構特點可分為：開式開式 (借助重力或彈簧彈力保證運動借助重力或彈簧彈力保證運動件與承導面之間的接觸件與承導面之間的接觸)導軌導軌閉式閉式 (只靠導軌本身的結構形狀保證只靠導

28、軌本身的結構形狀保證運動件與承導面之間的接觸運動件與承導面之間的接觸)導軌。導軌。2.2.1導軌的基本要求1導向精度導向精度(1)導軌垂直面直線度導軌垂直面直線度(2)導軌水平面直線度導軌水平面直線度(3)導軌扭曲度導軌扭曲度2 剛度剛度(要滿足精度要要滿足精度要求求)3 精度保持性精度保持性(滿足壽滿足壽命要求命要求)4 運動平穩運動平穩(動態要求動態要求)5溫度溫度(的影響要滿足環的影響要滿足環境溫度變化要求境溫度變化要求)6結構工藝性結構工藝性（滿足六點（滿足六點定位原理及制造裝配要定位原理及制造裝配要求求 ）2.2.2滑動導軌副的結構及其選擇滑動導軌副的結構及其選擇1導軌副的截面形狀及

29、其特點2 軌道副的組合形式3 軌副間隙的調整4 導軌副材料的選擇5 提高導軌副耐磨性的措施1導軌副的截面形狀及其特點 三角形 導向精度高，磨損后自動補償。導向精度高，磨損后自動補償。導軌的水平與鉛垂誤差互相影響;用于用于對水平精度要求高，需要自動補償的場合。 矩形 結構簡單，承載大，剛度高。結構簡單，承載大，剛度高。水平與鉛垂方向誤差互相不影響;磨損不能自動補償，摩擦力和接觸變形比三角導軌小;用于載荷大時 燕尾形 結構緊湊，可承受顛覆力矩；磨損后不能自動補償，需調整;剛度差，摩擦力大，制造維修不方便;用于運動速度不高，受力不大，高度受限制的場合. 圓形 制造方便，磨損后，不能補償; 場合2 導

30、軌副的組合形式 （1）雙三角形導軌 （2）矩形和矩形組合導軌 （3）三角形和矩形組合導軌 （4）三角形和平面導軌組合導軌 （5）燕尾形導軌及其組合（1）雙三角形導軌）雙三角形導軌特點：導向性好、精度保持性好(磨損能自動補償) 接觸剛度好。缺陷： 工藝性差（導軌的四個表面難以完全接觸）應用場合：高精度機床（2）矩形和矩形組合導軌特點：承載面和導向面分開、剛性好，工藝性好，調整和制造簡單應用場合：能承受較大的載荷和顛覆力矩（3）三角形和矩形組合導軌特點：兼有導向性和剛性、制造方便缺陷：磨損不均勻、對位置精度有影響應用場合：能承受顛覆力矩(4) 三角形和平面導軌組合導軌特點：兼有導向性和剛性、結構簡

31、單制造方便。缺陷：不能承受顛覆力矩應用場合：只有鉛垂方向（向下）力（5）燕尾形導軌及其組合特點：結構緊湊高度小、摩擦力大，制造不便缺陷：結構復雜、工藝性差應用場合:運動速度不高、受力不大、高度受限制的場合. 3導軌副間隙的調整 導軌不同的截面的調整方法： 三角形: 上滑面 自動修正；自動修正； 下滑面下滑面 壓板或調整墊片。壓板或調整墊片。 矩形: 分別調整水平和鉛垂方向的間隙；分別調整水平和鉛垂方向的間隙； （修刮壓板或調整墊片厚度、調整螺釘）（修刮壓板或調整墊片厚度、調整螺釘） 燕尾形: 同時調整水平和鉛垂方向；同時調整水平和鉛垂方向； （鑲條或墊片厚度、調整螺釘）（鑲條或墊片厚度、調整螺

32、釘） 圓形: 不能調整不能調整。 4導軌副的材料類別性 能 材 料鑄鐵 耐磨性和減振性好，熱穩定性高，易于鑄造和切削加工，成本低 。灰鑄鐵、高磷鑄鐵、低合金鑄鐵、稀土鑄鐵等鋼淬硬鋼耐磨性比鑄鐵提高5-10倍。45, 40Cr 20Cr , 15有色金屬耐磨性。黃銅、錫青銅、鋁青銅、鋅合金、硬鋁、鑄鋁塑料(樹脂)自潤滑、低摩擦、動靜摩擦系數差別小、吸振、剛性好、簡單長命、低成本。錦綸和酚醛夾布塑料、環氧樹脂、聚四氟乙烯聚四氟乙烯不同情況下摩擦系數 有潤滑 無潤滑 鋼-鑄鐵 0.05-0.15 0.3-0.3 鋼-黃銅 0.03 0.19 鋼-青銅 0.1-0.15 0.15-0.18 鋼-鋁 0

33、.02 0.17 鑄鐵-青銅 0.16 0.28 黃銅-黃銅 0.02 0.17 鋁-鋼 0.02 0.3 聚四氟乙烯 0.04（自潤滑）5提高導軌副耐磨性的措施提高導軌副耐磨性的措施 影響因素：摩擦系數摩擦系數 （材料，潤滑）（材料，潤滑） 摩擦力摩擦力 （壓力（壓力，摩擦系數，摩擦系數） 壓比壓比 （壓力（壓力 、接觸面積、接觸面積） 磨損磨損 （表面質量（表面質量 ）設計、制造中采取的措施設計、制造中采取的措施： 結構、材料、熱處理、加工質量。結構、材料、熱處理、加工質量。（1）選擇導軌材料和材料搭配材料：材料：鑄鐵、鋼、有色金屬、塑料 鑄鐵 耐磨、減振、熱穩定、易加工和低成本鋼 耐磨性

34、好 （45、40Cr、20Cr、20CrMoTi、15） HRC52-58 HRC56-62有色金屬耐磨性（防銹） 黃銅 錫青銅 鋅合金 鋁青銅 鑄鋁塑料 耐磨性 環氧樹脂 聚四氟乙烯（摩擦系數小）搭配： 支承導軌材料支承導軌材料 動導軌材料動導軌材料 鑄鐵 鑄鐵、有色金屬、塑料 淬火鑄鐵 鑄鐵 淬火鋼 30、40 （多用于圓柱導軌） 20Cr 40Cr 鑄鐵（TH200 TH300）或 青銅 （2）合理熱處理的措施 動靜導軌熱處理后的 硬度差 20-40HB 。 中碳鋼 45、40Cr HRC52-58。 低碳鋼 20Cr、20CrMoTi、15 HRC56-62。 淬硬層（磨后）不低于1.

35、5毫米。（3）提高加工質量措施 提高導軌加工精度 直線度（水平面、鉛垂面）平行度（扭曲度） 改善導軌表面粗糙度。（4）結構措施）結構措施鑲裝導軌鑲裝導軌 鑲鋼導軌、鑲裝塑料導軌、鑲裝有色金屬導軌減小比壓減小比壓 減輕運動部件的質量、增大導軌支承面積卸荷結構卸荷結構 承載和導向作用面分開。鑲裝導軌 1-鋼導軌 2-機身、機架卸荷導軌卸荷導軌 3、5和和6導向面導向面 2、4、5承載面承載面2.3 旋轉支承的選擇和設計 1.旋轉支承的作用 對旋轉部件起支承和導向（限制運動的性質對旋轉部件起支承和導向（限制運動的性質與方向）作用。與方向）作用。 2.旋轉支承的基本要求 方向精度、置中精度、摩擦力矩、

36、載荷大小、方向精度、置中精度、摩擦力矩、載荷大小、溫度影響、耐磨性、抗振性、成本。溫度影響、耐磨性、抗振性、成本。 3.旋轉支承的種類 按摩擦性質分類：按摩擦性質分類：(1)滑動摩擦滑動摩擦 (2)滾動摩擦滾動摩擦 (3)流體介質支承流體介質支承 (4)彈性支承彈性支承2.3.1 旋轉支承的基本要求(1)置中精度置中精度（最大中心誤差）(2) 方向精度方向精度（軸的最大偏角）(3) 摩擦力矩摩擦力矩(4)載荷大小載荷大小(5)溫度影響溫度影響(6)耐磨性耐磨性(7)抗振性抗振性(8)成本成本)()(21minmaxZKdzDKdDCLC /tan2.3.2 旋轉支承的種類(1)滑動摩擦 (2)

37、滾動摩擦 (3)流體介質支承 (4)彈性支承2.3.3 圓柱支承（1）摩擦力（2）方向精度和置中精度（3）溫度影響 圓柱支承結構 運動式圓柱支承結構 半運動式圓柱支承結構 特點：較高的運動精度和置中精度；較大的承載能力。（1）摩擦力22213231031ddddfFTqafFTQ1630rEEFaQ)11(81. 8推頸ffffdFfTp27. 157. 12/0 圓柱頸向載荷 軸向載荷 球面軸向載荷（2）方向精度和置中精度置中精度：任何截面上任何截面上運動件中心與支承件運動件中心與支承件中心產生的最大中心中心產生的最大中心之間的偏差程度之間的偏差程度方向精度：方向精度：運動件轉動運動件轉動時

38、，其軸線與支承件時，其軸線與支承件軸線產生的傾向程度軸線產生的傾向程度)()(21minmaxZKdzDKdDCLC /tan（3）溫度影響線膨脹系數 （材料搭配）:淬火鋼 0.000 012/ 鑄鐵 0.000 0104/ 合金鋼 0.000 020/ 黃銅0.000 0192/ )(1 )(1 00ttdttDXZZKK圓錐支承填入式滾動支承2.4軸系部件設計 1 軸系設計基本要求1)旋轉精度 2)剛度軸系的剛度 3)抗振性 (強迫振動和自激振動) 4)熱變形 5)軸上零件的布置 2 軸系的軸承選擇1）標準滾動軸承2）非標滾動軸承3）靜壓軸承（動壓軸承、靜動壓軸承） 3 提高軸系抗振性的措

39、施1）提高軸系的旋轉精度2）提高軸系組件的抗振性3）采取溫度控制(1) 軸系設計基本要求1)旋轉精度 2)剛度軸系的剛度 3)抗振性 (強迫振動和自激振動) 4)熱變形 5)軸上零件的布置 1)旋轉精度 旋轉精度是指在裝配之后，在無負載、低速旋轉的條件下，軸前端的徑向跳動和軸向竄動量。原因：其大小取決于軸系各組成零件及支承部件的 制造精度與裝配調整精度。 危害：影響軸系運動精度。 措施：提高零件制造精度和裝配精度。 在工作轉速下，其旋轉精度即它的運動精度取決于其轉速、軸承性能以及軸系的動平衡狀態。 2)剛度軸系的剛度原因： 載荷為彎矩、轉矩時。相應的變形量為撓度、扭轉角，其剛度為抗彎剛度和抗扭

40、剛度。軸系受載荷為徑向力(如帶輪、齒輪上承受的徑向力)時會產生彎曲變形。危害：引起擾度或轉角誤差，影響傳動精度或位精度。措施：必須進行剛度驗算。3)抗振性 軸系的振動表現為強迫振動和自激振動兩種形式。 原因：有軸系組件質量不勻引起的不平衡、軸的剛度及單向受力等；危害：直接影響旋轉精度和軸承壽命。影響傳動精度和位置精度。 措施：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性能，特別是抗振性。4)熱變形原因：軸系的受熱會使軸伸長或使軸系零件間隙發生變化。危害：影響整個傳動系統的傳動精度、旋轉精度及位置精度。 又由于溫度的上升會使潤滑油的粘度發生變化，使滑動或滾動

41、軸承的承載能力降低。措施：因此應采取措施將軸系部件的溫升限制在一定范圍之內。5)軸上零件的布置 原因：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。 危害：影響主軸前端運動精度和位置精度。 措施：作受力分析，合理布置軸上零件位置和采用卸荷結構。(2) 軸系的軸承選擇1）標準滾動軸承深溝球軸承、雙列向心短圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、推力軸承。2）非標滾動軸承3）靜壓軸承（動壓軸承、靜動壓軸承）(1)提高軸系的旋轉精度 軸承(如主軸)的旋轉精度中的徑向跳動主要原因： 被測表面的幾何形狀誤差； 被測表面對旋轉軸線的偏心； 旋轉軸線在旋轉過程中的徑向漂移等因素引起。 軸系軸端的軸向竄動

42、主要原因： 被測端面的幾何形狀誤差； 被測端面對軸心線的不垂直度； 旋轉軸線的軸向竄動。 提高其旋轉精度的主要措施有： 提高軸頸與架體(或箱體)支承的加工精度； 用選配法提高軸承裝配與預緊精度； 軸系組件裝配后對輸出端軸的外徑、端面及內孔通過互為基準進行精加工。 (2)提高軸系組件的抗振性 軸系組件有強迫振動和自激振動，前者由軸系組件的不平衡、齒輪及帶輪質量分布不均勻以及負載變化引起的，后者是由傳動系統本身的失穩引起的。 提高其抗振性的主要措施有： 提高軸系組件的固有振動頻率、剛度和阻尼。 對軸系的主要零部件均應進行靜態和動態平衡，選用傳動平穩的傳動件、對軸承進行合理預緊等。 采用吸振、隔振和

43、消振裝置。 （3）采取溫度控制，減少軸系組件熱變形的影響。 合理選用軸承類型和精度。 并提高相關制造和裝配的質量。 采取適當的潤滑方式可降低軸承的溫升。 采用熱隔離、熱源冷昂和熱平衡方法以降低溫度的升高，防止軸系組件的熱變形。2.5 機架與箱體部件設計 機座或機架的作用及基本要求 機座或機架設計要點2.5.1機座或機架的作用及基本要求 1 作用 支承其他零件（重力和工作載荷）（重力和工作載荷）、各零件的安裝基準（保證各零件之間的相對位置）（保證各零件之間的相對位置） 2 特點 尺寸大、結構復雜、加工面多、精度高 3 要求： （1） 靜剛度、動剛度（抗震性）要求提高靜剛度增加阻尼減少質量（提高固

44、有頻率）隔振措施 （2）熱變形 控制環境溫度、控制熱源（減少發熱和加強散熱）、減少摩擦 采用熱對稱（變形對稱） 采用熱平衡，減少各處的溫差。 （3）穩定性（精度保持性） 自然時效、人工時效。 （4）結構工藝性 （5）人機工程 （6）對環境的影響 3執行元件的選擇 執行元件的要求（可控性、可與計算機接口聯接）轉角可控、 執行元件的種類 執行元件的選擇 執行元件的驅動及其接口2.5.2 機座或機架設計要點一、鑄造機座一、鑄造機座 （1）提高本身的剛度 合理選擇截面形狀和尺寸 合理布置肋板和加強筋 合理開孔或加蓋肋板和加強肋形式 （2）提高接觸剛度 表面粗糙度、加筋板等 （3）機座的模型剛度試驗或計

45、算 用機座縮小的模型做剛度試驗 用有限元分析計算機座的剛度及動態特性 （4）結構工藝性結構工藝性結構工藝性 （5）材料 鑄鐵 鋼 其他材料（花崗巖、大理石、陶瓷等）二、焊接件二、焊接件鋼板、角鋼、型鋼等焊接而成鋼板、角鋼、型鋼等焊接而成三、鋁合金型材三、鋁合金型材用鋁合金型材與連接件組合而成用鋁合金型材與連接件組合而成3執行元件的選擇 執行元件的要求 執行元件的種類 執行元件的特點選擇 執行元件的驅動及其接口執行元件的要求電可控性電可控性 （角位移、轉矩、轉速等）（角位移、轉矩、轉速等） （應用電壓、電流、脈沖控制等）（應用電壓、電流、脈沖控制等）可與計算機接口聯接可與計算機接口聯接（宜于計算

46、機連接）（宜于計算機連接）響應迅速、反應靈敏響應迅速、反應靈敏（慣性小（慣性小 動力大）動力大）體積小重量輕體積小重量輕便于安裝與維修便于安裝與維修執行元件的種類執行元件的種類電氣式電氣式 電磁式電磁式 電動機電動機 伺服電機（交流、直流伺服電機（交流、直流 ） 步進電機步進電機 變頻電機變頻電機 力矩電機力矩電機 電磁鐵電磁鐵 其他其他 壓電元件、雙金屬片、形狀記憶合金壓電元件、雙金屬片、形狀記憶合金液壓式液壓式 液壓缸、液壓馬達液壓缸、液壓馬達 氣壓式氣壓式 氣缸、氣壓馬達氣缸、氣壓馬達執行元件的特點與選擇執行元件的特點與選擇伺服電機（交流）伺服電機（交流） 角位移控制、恒轉速控制、恒轉矩

47、控制角位移控制、恒轉速控制、恒轉矩控制 （可雙目標控制）（可雙目標控制） （低速大轉矩、高速恒功率（低速大轉矩、高速恒功率 ）步進電機步進電機 角位移控制角位移控制（低速大轉矩）（低速大轉矩）變頻電機變頻電機 恒轉速控恒轉速控 （低速恒轉矩，高速恒功率）（低速恒轉矩，高速恒功率）力矩電機力矩電機 恒線速度控制恒線速度控制（恒轉矩）（恒轉矩）常用可控電機的特點與選擇常用可控電機的特點與選擇控制電機控制電機控制特點控制特點動力特性動力特性傳動比計算傳動比計算選擇主參數選擇主參數伺服電機伺服電機角位移控制角位移控制恒轉速控制恒轉速控制恒轉矩控制恒轉矩控制低速大轉矩低速大轉矩高速恒功率高速恒功率 0-

48、電機最大功率電機最大功率步進電機步進電機 角位移控制角位移控制低速大轉矩低速大轉矩靜扭矩靜扭矩變頻電機變頻電機 恒轉速控恒轉速控 低速恒轉矩，低速恒轉矩，高速恒功率高速恒功率0-2電機最大功率電機最大功率力矩電機力矩電機恒線速度控制恒線速度控制恒轉矩恒轉矩0-1 1S2nn2, 1（過阻尼）系統穩定2 =1 n2, 1S（臨界阻尼）臨界狀態3 11 （過阻尼）系統穩定 2 =1 （臨界阻尼）臨界狀態 3 01 （欠阻尼）衰減阻尼,系統穩定,有超調。 小響應速度快，但超調量大，系統的穩定性和響應的平穩性差。 4 =0 （無阻尼）系統處于穩定與不穩定的臨界狀態，單位階躍函數的響應為等幅振動，共振頻

49、率為n。 一般超調量1.525% 取0.40.8 5 1S2nn2, 1n2, 1S1jS2nn2, 1n2, 1jS 傳遞函數分子多項式的根稱為零點；Zi(I=1,2,m) 傳遞函數分母多項式的根稱為極點；Pi(I=1,2,n) 則傳遞函數寫為： 分母多項式=0 稱為系統的特征方程，其根稱為特征根，與上述極點是一致的，反映了系統的共振點。 注：為簡化系統，一般將高階系統簡化成二階系統，來近似討論或估計系統的性能。)PS()PS)(PS()ZS()ZS)(ZS(0b) s (Gn21m216.4 機電一體化系統的可靠性設計和安全性設計 1.可靠性設計的基本概念可靠性設計的基本概念 在規定條件規

50、定條件下、規定時間規定時間內完成規定功能規定功能的能力。 任何材料、載荷都是隨機變量隨機變量 ，都有可能失效。失效。 用概率理概率理論定量分析定量分析產品在工作中的可靠程度可靠程度。 2.常用指標常用指標失效率失效率可靠度可靠度平均壽命平均壽命 3提高可靠性措施提高可靠性措施（1）元、器件嚴格篩選）元、器件嚴格篩選（2）抗干擾措施）抗干擾措施（3）自診斷和自糾錯技術）自診斷和自糾錯技術（4）容錯和冗余技術）容錯和冗余技術（5）軟件可靠性技術）軟件可靠性技術二 安全性設計（1）元、器件嚴格篩選）元、器件嚴格篩選（2）抗干擾措施）抗干擾措施（3）自診斷和自糾錯技術）自診斷和自糾錯技術（4）容錯和冗

51、余技術）容錯和冗余技術（5）軟件可靠性技術）軟件可靠性技術7.數字控制方法 數字PID 模糊控制 神經網絡控制7.1. .1. 數字數字PIDPID控制算法控制算法PID控制算法的優越性：c.c.算法簡單，易于掌握；算法簡單，易于掌握； a.a.P P、I I、D D三個參數的優化配置，三個參數的優化配置， 兼顧了動態過程的現在、過去兼顧了動態過程的現在、過去 與將來的信息，使動態過程快速、與將來的信息，使動態過程快速、 平穩和準確；平穩和準確； b.b.適應性好，魯棒性強；適應性好，魯棒性強； 理想PID控制算法pd0i1d ( )( )( )( )dte tu tKe te t dtTTt

52、pdi( )1( )1( )U sG sKT sE sTs連續形式離散等效：以求和替代積分，向后差分替代微分00( )( )ktie t dtTe i( )( )(1)de te ke kdtT0( )(1)( )( )( )kpdiiTe ke ku kKe ke iTTT0( )( )( )( )(1)kpidiu kK e kKe iKe ke k位置算式 理想PID的遞推算式向后差分法離散化1(1)/( )( )( )( )szTU zG zG sE z11(1)1(1)dpiTTzKTzT11 211(1)(1)1dpiTTKzzzTT1211(1)(12)1dddpiTTTTKzz

53、zTTTT112(1) ( )(1)(12)( )dddpiTTTTzU zKzzE zTTTT 理想PID的增量差分形式012( )( )(1)(2)u kq e kq e kq e k( )(1)( )u ku ku k 012(1)2(1)dpidpdpTTqKTTTqKTTqKT 其中 實際微分PID控制算法pdi( )11( )1( )1fU sG sKT sE sT sTs實際微分PID的一種連續形式理想微分PID的不足：（1）干擾作用下機構動作頻繁（2）微分輸出常越限,不能充分發揮作用增量式PID控制算法 實際微分的離散化1(1)/( )( )( )( )szTU zG zG s

54、E z1111(1)11(1)/(1)dpfiTTzKTzTTzT12111(1)(12)(1) ()pdddffiK TTTTTzzzTTT zTTTT112()( )(1)(12)( )dddffpiTTTTTTT zU zK TzzE zTTTT 差分形式1234( )(1)( )(1)(2)( )(1)( )u kCu kC e kC e kC e ku ku ku k 1ffTCTT2(1)pdfiK TTTCTTTT3(12)pdfK TTCTTT 4pdfK TCTT 理想微分理想微分PIDPID與實際微分與實際微分PIDPID階躍響應對比階躍響應對比 u(k)u(k)32132

55、1微分項積分項比例項微分項積分項比例項kTkkTk00(a) 理想微分PID(b)實際微分PID圖9-2 兩種微分PID控制作用的階躍響應實際微分PID與理想微分PID對比（1 1）理想微分）理想微分PIDPID算法的微分作用僅局限于一個采樣周期有一算法的微分作用僅局限于一個采樣周期有一個大幅度的輸出，在實際使用這會產生兩方面的問題。一是控個大幅度的輸出，在實際使用這會產生兩方面的問題。一是控制輸出可能超過執行機構或制輸出可能超過執行機構或D/AD/A轉換的上下限，二是執行機構轉換的上下限，二是執行機構的響應速度可能跟不上，無法在短時間內跟蹤這種較大的微分的響應速度可能跟不上，無法在短時間內跟

56、蹤這種較大的微分輸出。這樣在大的干擾作用情況下，一方面會使算法中的微分輸出。這樣在大的干擾作用情況下，一方面會使算法中的微分不能充分發揮作用，另一方面也會對執行機構產生一個大的沖不能充分發揮作用，另一方面也會對執行機構產生一個大的沖擊作用。相反地，實際微分擊作用。相反地，實際微分PIDPID算法由于慣性濾波的存在，使微算法由于慣性濾波的存在，使微分作用可持續多個采樣周期，有效地避免了上述問題的產生，分作用可持續多個采樣周期，有效地避免了上述問題的產生，因而具有更好的控制性能。因而具有更好的控制性能。（2 2）由于微分對高頻信號具有放大作用，采用理想微分容易由于微分對高頻信號具有放大作用，采用理

57、想微分容易在系統中引入高頻的干擾，引起執行機構的頻繁動作，降低機在系統中引入高頻的干擾，引起執行機構的頻繁動作，降低機構的使用壽命。而實際微分構的使用壽命。而實際微分PIDPID算法中包含有一階慣性環節，具算法中包含有一階慣性環節，具有低通濾波的能力，抗干擾能力較強。有低通濾波的能力，抗干擾能力較強。其它形式的實際微分PID( )11( )1( )1dpdidU sT sG sKTE sTssK( )1( )1( )1dpdidU sT sG sKTE sTssK手動/自動跟蹤與無擾動切換（1）自動到手動 主要由手動操作器的硬件實現 手動操作器：自動狀態下-跟隨器 切換過程中-保持器 手動狀態

58、下-操作器 （2）手動到自動起主要作用的是計算機PID算法的軟件 需硬件支持，采樣手動器或執行機構輸出的所謂閥位值 ，即獲得(1)u k 手動手動/ /自動跟蹤與無擾動切換自動跟蹤與無擾動切換（續）（續）（2 2）手動到自動）手動到自動目的：使目的：使( )0u k手動狀態下：使算法中手動狀態下：使算法中 (1)(2)(1)e ke ku k、等歷史狀態清零等歷史狀態清零 切換過程中：目的使切換過程中：目的使 ( )0e k 1 1）SPSP跟蹤跟蹤PVPV：完全無擾，缺點：完全無擾，缺點SPSP須重新設定須重新設定2 2）SPSP不跟蹤不跟蹤PV PV ：無須重設：無須重設SP,SP,切自動

59、時偏差不能過大，切自動時偏差不能過大，以利減小切換擾動以利減小切換擾動7.1 7.1 數字數字PIDPID算法的改進算法的改進常用改進算法：常用改進算法：積分分離算法積分分離算法抗積分飽和算法抗積分飽和算法微分項改進微分項改進帶死區的算法帶死區的算法 積分分離算法現象現象：一般一般PID,PID,當有較大的擾動或大幅度改變當有較大的擾動或大幅度改變設定值時，由于短時間內出現大的偏差，加上設定值時，由于短時間內出現大的偏差，加上系統本身具有的慣性和滯后，在積分的作用下，系統本身具有的慣性和滯后，在積分的作用下，將引起系統過量的超調和長時間的波動。將引起系統過量的超調和長時間的波動。 積分的主要作

60、用積分的主要作用：在控制的后期消除穩態偏差在控制的后期消除穩態偏差 普通分離算法：大偏差時不積分普通分離算法：大偏差時不積分 當當 時，采用時，采用PIDPID控制控制當當 時，采用時，采用PDPD控制控制 ( )e k( )e k 積分分離值的確定原則abcytPDPDPID圖9-3 不同積分分離值下的系統響應曲線 變速積分( ) ( )( )iiu kf e k K e k1( )( )( )( )0( )e kBAe kBf e kBe kABAe kAB0BA+B-B-A-Be(k)tPID變速積分變速積分PDPD 抗積分飽和措施現象現象：由于控制輸出與被控量不是一一對應的，由于控制輸