《機械電子學》

也稱之為

《機電一體化技術》主講：王振成教授

高級工程師教材：《機電一體化技術》(第2版)主編：袁中凡李彬彬電子工業出版社2010-05-01出版第1章概論

機電一體化的基本概念

1機電一體化關鍵技術

2機電一體化的發展概況

3china_54@本章學習目標理解機電一體化技術的概念理解機電機電一體化技術的基本組成對機電一體化的關鍵技術有基本的認識機電一體化技術的發展方向機電一體技術在現在生活中的應用china_54@1.1機電一體化技術的概念1.1.1機電一體化系統的功能構成及定義

“機電一體化”是機械技術、微電子技術相互交叉、融合的產物。機械技術（機械學、機構學）機電一體化技術領域微電子技術（半導體技術、計算機技術）china_54@1.1.1機電一體化系統的功能構成及定義

機電一體化系統組成

能源部分信息處理與控制信息輸入驅動部分執行元件機械本體檢測部分china_54@1.1機電一體化技術的概念1.1.2機電一體化系統的結構要素

機電一體化內部所具有的功能

主功能（變換、傳遞、存儲）動力功能

檢測功能

控制功能

china_54@1.1機電一體化技術的概念機電一體化系統（產品）的5大要素及其相應的5大功能

china_54@1.1機電一體化技術的概念

1.1.3機電一體化產品的分類數控機械類

電子設備類

機電結合類

電液伺服類

信息控制類

china_54@1.2機電一體化關鍵技術

機械設計技術

計算機與信息處理技術

自動控制技術

傳感與檢測技術

執行與驅動技術

機電一體化總體設計技術

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1.3機電一體化的發展概況

1.3.1機械技術發展的總趨勢階段機械技術的發展代表的產品賦予機械的功能第一階段機構的發明凸輪、齒輪、軸承、聯軸器作業功能第二階段使作業機構動作的動力機械的發明蒸汽動力、內燃機、電動機動力功能第三階段自動控制技術的發明傳感器、伺服系統測定功能第四階段微電子學的發明大規模的集成電路、微型計算機智能功能china_54@

1.3機電一體化的發展概況

1.3.2國內外機電一體化發展狀況機電一體化技術的發展大體上可分為三個階段

20世紀60年代以前為第一階段，也可稱為“萌芽階段”。信息技術的職能是能夠提高或擴展人類的信息能力的方法和手段的總稱。20世紀70年代至20世紀80年代為第二階段，稱為“蓬勃發展階段”。

從20世紀90年代后期開始為第三階段，稱為“智能化階段”，機電一體化技術向智能化新階段邁進。

china_54@1.3機電一體化的發展概況

1.3.3機電一體化技術的發展趨勢1．智能化2．模塊化3．網絡化4．微型化5．綠色化6．人性化china_54@作業題1．什么是機電一體化？機電一體化系統的功能構成和定義是什么？2．簡要敘述機電一體化系統的共性關鍵技術。3．機電一體化系統的組成及作用？4．機電一體化系統的發展趨勢是什么？china_54@

第2章機械系統設計技術

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第2章機械系統設計技術

機械設計概述

1傳動機構的設計

2支撐導向部件的設計

3執行機構的設計

4部件應用實例

5china_54@本章學習目標1、了解機械設計的基本知識2、常用機械零件設計的基本理論和基本方法3、相關標準、規范的選用選擇4、機械零件優化設計的思維模式china_54@

2.1機械設計概述

2.1.1機電一體化對機械系統的要求（1）采用低摩擦阻力的傳動部件和導向支撐部件，如采用滾珠絲杠副、滾動導向支撐、動（靜）壓導向支撐等。（2）縮短傳動鏈，提高傳動與支撐剛度，如用加預緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動導軌副的傳動與支撐剛度；采用大扭矩、寬調速的直流或交流伺服電機直接與絲杠螺母副連接并減少中間傳動機構；絲杠的支撐設計中采用兩端軸向預緊或預拉伸支撐結構等。china_54@（3）選用最佳傳動比，以達到提高系統分辨率、減少執行元件輸出軸上的等效轉動慣量，盡可能提高加速能力。（4）縮小反向死區誤差，如采取消除傳動間隙、減少支撐變形的措施。（5）改進支撐及架體的結構設計以提高剛性，減小振動，降低噪聲。如選用復合材料等來提高剛度和強度，減小質量、縮小體積使結構緊密化，以確保系統的小型化、輕量化、高速化和高可靠性。china_54@

2.1機械設計概述

2.1.2機械系統的組成傳動機構

導向機構

執行機構

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2.1.3機械參數對系統性能的影響

1.剛度2.慣量3.摩擦4.傳動誤差5.諧振頻率china_54@2.2傳動機構的設計

2.2.1機械傳動裝置

常用的機械傳動部件有螺旋傳動、齒輪傳動、同步帶、高速帶傳動以及各種非線性傳動部件等，其主要功能是傳遞轉矩和轉速。、帶傳動1、組成：主動輪、從動輪、張緊在兩輪上的環型傳動帶。

2、原理：原動機驅動主動輪轉動時，由于帶和帶輪間的摩擦（或嚙合），便拖動從動輪一起轉動，并傳遞一定動力。

china_54@3、類型china_54@4、特點（1）優點帶具有良好的彈性，可以緩和沖擊，吸收振動，傳動平穩，噪聲小；過載時，帶在帶輪上打滑，可防止其他零件損壞，起安全保護作用；適用于兩軸中心距較大的場合；結構簡單，制造、安裝和維護方便，成本低。（2）缺點帶在帶輪上有相對滑動，不能保證準確的傳動比；傳動效率較低，帶的壽命較短；傳動的外廓尺寸大；帶傳動需要張緊，支撐帶輪的軸和軸承受力較大；帶傳動中的摩擦會產生電火花，不宜用于易燃、易爆等場合。china_54@5、主要參數：包角α、基準長度Ld、中心距a及帶輪直徑dd1、dd2

。

6、滑動率和傳動比的計算

滑動率

式中v1為主動輪圓周速度

v2為從動輪圓周速度

帶傳動的實際傳動比

china_54@

諧波齒輪傳動

1、特點：結構簡單、傳動比大（幾十到幾百）、傳動精度高、回程誤差小、噪聲低、傳動平穩、承載能力強、效率高。2、工作原理：諧波齒輪傳動與少齒差行星齒輪傳動十分相似。它是依靠柔性齒輪產生的可控變形波引起齒間的相對錯齒來傳遞動力和運動的，因此它與一般齒輪傳動具有本質上的差別，如下圖所示，諧波齒輪傳動由波形發生器3（H）和剛輪l、柔輪2組成。3、應用領域：工業機器人、航空、火箭等機電一體化系統。

china_54@china_54@

滾珠螺旋傳動滾珠絲杠副：應用十分廣泛。1、組成：滾珠絲杠副是在絲杠和螺母間以鋼球為滾動體的螺旋傳動部件，它可將旋轉運動變為直線運動，或相反。d0－公稱直徑；Dpw－節圓直徑；α－接觸角；Ph－導程；φ－螺旋角china_54@

滾珠螺旋傳動2、滾珠的循環方式

滾珠絲杠副中滾珠的循環方式有內循環和外循環兩種

china_54@2.3支撐導向部件的設計組成：導向支撐部件、軸系支撐部件、旋轉支撐部件和機座機架。2.3.1導向支撐部件1、導軌副組成：主要由承導件1和運動件2兩部分組成。china_54@2、導軌副的分類china_54@3、導軌副間隙的調整常用的調整方法有壓板法和鑲條法兩種。對燕尾形導軌可采用鑲條（墊片）方法同時調整垂直和水平兩個方向的間隙。對矩形導軌可采用修刮壓板、調整墊片的厚度或調整螺釘的方法進行間隙的調整。china_54@2.3.2軸系支撐部件軸系支撐機構由軸及安裝在軸上的齒輪、帶輪等傳動部件組成。china_54@

軸1、軸的分類：轉軸、芯軸、傳動軸。2、軸上零件常用的軸向固定方法：軸肩和軸環、套筒、圓螺母、彈性擋圈、軸端擋圈。3、軸的周向固定：緊定螺釘固定、銷釘固定、過盈配合固定。china_54@

軸轂聯結軸轂聯結主要是使軸上零件與軸周向固定以傳遞轉矩。

常用：鍵聯結、過盈聯結、無鍵聯結、銷聯結、螺紋聯結。china_54@

軸承軸承是機械傳動中的關鍵部件，在機械零件設計時，要能夠根據軸承手冊選用合理的軸承。軸承可分為滑動摩擦軸承（簡稱滑動軸承）和滾動摩擦軸承（簡稱滾動軸承）。1、滑動軸承的失效形式：磨粒磨損、疲勞剝落、刮傷、腐蝕、膠合。2、滾動軸承的失效形式：疲勞點蝕、塑性變形、滾動軸承的密封。3、軸承的潤滑非常重要。

china_54@2.3.3旋轉支撐部件1、旋轉支撐的種類及基本要求方向和置中精度、摩擦阻力矩的大小、許用載荷、對溫度變化的敏感性、耐磨性以及磨損后補償的可能性、抗振性及成本。2、圓柱支撐china_54@2.3.3旋轉支撐部件china_54@2.3.4機架與機座1．機座機架的作用及基本要求剛度與抗振性

熱變形

穩定性

china_54@2.4執行機構設計2.4.1微動機構1、定義：微動機構是一種能在一定范圍內精確、微量地移動到給定位置或實現特定的進給運動的機構。2、特點：靈敏度高，最小移動量達到使用要求；傳動靈活、平穩，無空程與爬行，制動后能保持穩定的位置；抗干擾能力強，響應快速；結構工藝性良好。

china_54@2.4執行機構設計舉例：萬能工具顯微鏡工作臺的微動機構（手動機械式）china_54@2.4.2定位機構定位機構是機電一體化機械系統中一種確保移動件占據準確位置的執行機構，通常采用分度機構和鎖緊機構組合的形式來實現精確定位的要求。china_54@2.5部件應用實例2.5.1齒輪變速機構電機的選擇要求：1、根據課本的內容，了解電機選擇的關聯參數。2、根據相關參數，學會使用機械設計手冊進行查詢。

3、讓同學了解常用的標準（不同行業、不同企業、不同國家采用的標準不同）china_54@2.5.2數控機床回轉刀架數控機床自動回轉刀架是在一定空間范圍內，能使刀架執行自動松開、轉位、精密定位等一系列動作的機構。數控車床的刀架是機床的重要組成部分，其結構直接影響機床的切削性能和工作效率.