机电一体化系统设计.ppt

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1、机电一体化系统设计,机械工程及自动化专业,1概述,机电一体化技术 机电一体化促进制造业的现代化 机械化 机械力人力 机械自动化（电气自动化）机电一体化（机械+微电子+软件） 电脑人脑（繁琐、重复性、无创造性的）,药厂自动生产线 柔性自动装配线,数控铣床 加工中心 柔性制造系统,一、机电一体化技术,1、机电一体化技术涵义 2、机电一体化相关技术 3、机电一体化系统构成,1.机电一体化技术涵义,机电一体化 Mechatronics (mechanis lectronics),机电一体化三要素： 机械系统（机构）是基础 微电子（微处理器CPU）是核心 软件是系统控制中心 机电一体化的特征： 有机械机

2、构、 有CPU、有软件 （有微机、单片机、PLC等）,系统的五个子系统及其功能,1 计算机（微机） 控制功能 2 执行元件 操作功能 3 机构 构造功能 4 传感器 检测功能 5 动力源 动力功能,2、机电一体化相关技术,机械技术、微电子技术、信息技术、 控制技术、传感器技术、驱动技术、 计算机技术、软件技术 等多种学科的技术融合在一起，紧密结合在一起。,3、机电一体化系统构成,机械系统 微电子处理系统 传感检测系统 执行元件系统 动力源,二、机电一体化促进制造业的现代化,柔性制造系统 计算机集成制造系统(SIMS) 平行工程 虚拟设计、制造 敏捷制造 网络合作设计制造,在制造业向全球化、网络

3、化、集成化和智能化,加工中心 刀具库、夹具库 机器人 自动小车 立体仓库（原料库、成品库）,软性制造系统：,又称计算机综合制造系统，在这个系统中，集成化的全局效应更为明显。在产品生命周期中，各项作业都已有了其相应的计算机辅助系统，如： （1）计算机辅助设计(CAD) （2）计算机辅助制造(CAM) （3）计算机辅助工艺规划(CAPP) （4）计算机辅助测试(CAT) （5）计算机辅助质量控制(CAQ) 计算机集成制造系统就是将技术上的各个单项信息处理和制造企业管理信息系统(如MRP-等)集成在一起，将产品生命周期中所有的有关功能，包括设计、制造、管理、市场等的信息处理全部予以集成。 其关键是建

4、立统一的全局产品数据模型和数据管理及共享的机制，以保证正确的信息在正确的时刻以正确的方式传到所需的地方。,计算机集成制造系统(Computer Integrated Making System，简称CIMS),1、先进制造技术 先进制造技术（AMTAdvanced Manufacturing Technology）先进制造技术是传统制造技术不断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，并取得理想技术经济效果的制造技术的总称。 2、敏捷制造（AMAgile Manuf

5、acturing） 敏捷制造是以竞争力和信誉度为基础，选择合作者组成虚拟公司，分工合作，为同一目标共同努力来增强整体竞争能力，对用户需求作出快速反应，以满足用户的需要。 3、虚拟制造（VMVirtual Manufacturing） 虚拟制造利用信息技术、仿真技术、计算机技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，以发现制造中可能出现的问题，在产品实际生产前就采取预防措施，从而达到产品一次性制造成功，来达到降低成本、缩短产品开发周期，增强产品竞争力的目的。 4、并行工程（CEConcurrent Engineering） 并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关过程（包括制造过

6、程和支持过程）的系统方法。它要求产品开发人员在一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求，并行工程的发展为虚拟制造技术的诞生创造了条件，虚拟制造技术将是以并行工程为基础的，并行工程的进一步发展就是虚拟制造技术。,平行工程,计划 开发 设计 制造 包装 销售,设计,工艺,制造,销售,服务,开发产品指令,产品,计算机集成制造系统的进一步发展方向是支持“并行工程”，即力图使那些为产品生命周期各阶段服务的专家尽早地并行工作，从而使全局优化并缩短产品开发周期。,1、以“数字化”为发展核心 信息精确，信息安全，信息容量大。包含了三大部分：以设计为中心的

7、数字制造，以控制为中心的数字制造和以管理为中心的数字制造。 2、以“精密化”将成为发展的关键 所谓“精密化”，一方面是指对产品、零件的精度要求越来越高。精密加工，细微加工，纳米加工等等。 3、突出“极端条件”，是发展的焦点 “极”就是极端条件在高温、高压、高湿、强磁场、强腐蚀等等条件下工作的，或有高硬度、大弹性等等要求的，或形体上极大、极小、极厚、极薄、奇形怪状的。 4、以“自动化”技术为发展前提 “自动化”从自动控制、自动调节、自动补偿、自动辨识等发展到自学习、自组织、自维护、自修复等更高的自动化水平。 5、以“成化集”为发展的方法 “集成化”，一是技术的集成，二是管理的集成，三是技术与管理

8、的集成。 6、以“网络化”为发展道路 利用网络，进行产品设计、制造与生产管理等活动。 7、“智能化”是CIMS未来发展的美好前景 一种高度柔性与集成的方式，借助计算机模拟的人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动。 8、“绿色”是CIMS未来发展的必然趋势 “绿色”是从环境保护领域中引用来的。制造业的产品从构思开始，到设计、制造、销售、使用与维修，直到回收、再制造等各阶段，都必须符合环境保护要求。 9、CIMS的标准化 在制造业向全球化、网络化、集成化和智能化发展过程中，标准化技术已迫在眉睫。,数控技术,1 数控机床要解决的问题 2 数控机床

9、NC、CNC 专用数控箱的数控机床 微机平台的数控机床 六轴数控 加工中心（铣削中心、车削中心）,1 、两轴联动-加工平面曲线 2、三轴联动-加工空间曲线 3、六轴以上联动-加工任意曲面,数控设备,除了制造业的数控设备外： 1 焊接设备 2激光切割机（刻字机） 3数控雕刻机 4数控绕线机 5数控鞋楦机,焊接机器人,焊接机器人,焊接机器人,机电一体化系统设计方法,计算机辅助设计 并行工程 虚拟设计 快速响应 绿色设计 反求设计 网络合作设计,机电一体化系统设计步骤：,1明确任务 2调研 3方案拟定（设计） 4机械部件设计 5电气控制硬件设计 6控制软件设计 7组织生产、调试 8改进设计 9整理资

10、料,机电一体化机械系统（特点）要求,1低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件。 2缩短传动链，提高传动与支承刚度。 3最佳传动比，减少系统等效转动惯量，提高加速性能。 4缩小反向死区。 5高刚度的支承和架体，系统小型化、高速、高可靠性。,2第二章 机械系统部件设计,传动部件及其功能要求 丝杠传动部件 滚珠丝杠传动部件 齿轮传动部件 柔性传动部件,2.1 传动部件选择与设计,传动机构的作用 传递动力（扭矩） 传递运动（动作） 传递速度（转速）,1按摩擦类型分 滑动摩擦机构和滚动摩擦机构,滑动丝杠螺母机构 结构简单、加工方便、制造成本低、具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大、传动效率低(3040)。 滚珠丝

11、杠螺母机构 结构复杂、制造成本高，但其最大优点是摩擦阻力矩小、传动效率高(9298)，因此在机电一体化系统中得到广泛应用。,2.1.2 丝杠螺母机构传动机构形式 作用：主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。,212丝杠螺母机构基本传动形式,1)螺母固定、丝杆转动并移动 该传动形式因螺母本身起着支承作用，消除了丝杆轴承可能产生的附加轴向窜动，结构较简单，可获得较高的传动精度。但其轴向尺寸不易太长，刚性较差。因此只适用于行程较小的场 2)丝杆转动、螺母移动 该传动形式需要限制螺母的转动，故需导向装置。其特点是结构紧凑、丝杆刚性较好。适用于工作行程较大的场合。 3)螺母转动、丝

12、杆移动 该传动形式需要限制螺母移动和丝杆的转动，由于结构较复杂且占用轴向空间较大，故应用较少。 4)丝杆固定、螺母转动并移动 该传动方式结构简单、紧凑，但在多数情况下，使用极不方便，故很少应用,差动传动方式,2.1.3 滚珠丝杠传动部件,1 滚珠丝杠副的结构 丝杆、螺母、滚珠和反向器(滚珠循环反向装置) 特点：摩擦阻力小、传动效率高、 轴向刚度高、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长等优点。 不能自锁，具有传动的可逆性，在用作升降传动机构时，需要采取制动措施,2滚珠丝杠副的典型结构类型 (1)螺纹滚道截面(法向)的形状 (2)滚珠的循环方式 内循环 和 外循环 内循环方式的滚珠在循环过

13、程中始终与丝杆表面保持接 触。,内循环方式的优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。其不足是反向器加工困难、装配调整也不方便,外循环有以下三种形式： 1)螺旋槽式 2)插管式 3)端盖式,螺旋槽 插管式 端盖式,1)螺旋槽式,这种结构的特点是工艺简单、径向尺寸小、易于制造。但是挡珠器刚性差、易磨损。,2)插管式,插管式结构简单、容易制造。但是径向尺寸较大，弯管端部用作挡珠器比较容易磨损。,3)端盖式,这种方式结构简单、工艺性好，但滚道吻接和弯曲处圆角不易准确制作而影响其性能，故应用较少。,3滚珠丝杠副的主要尺寸参数,公称直径d0 基本导程l0 行程l 丝杆螺纹全长ls

14、滚珠的工作圈(或列)数和工作滚珠的数量N,4滚珠丝杠副的精度等级及标注方法,精度等级根据JBT 316221982标准，对滚珠丝杠副的精度分成C、D、E、F、G、H六个等级，最高精度为C级，最低精度为H级 JBT 316221991为1、2、3、4、5、7、10共七个等级，最高级为1级，最低级为10级。,滚珠丝杠副精度等级的导程误差(JBT 316221982),导程精度选择检验项目,2)标注方法,5滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧,(1)双螺母螺纹预紧调整式,(2)双螺母齿差预紧调整式,(3)双螺母垫片调整预紧式,(4)弹簧式自动调整预紧式,(5)单螺母变位导程自顶紧式和单螺母滚珠过盈预紧式,

15、6滚珠丝杠副支承方式,1)单推一单推式 2)双推一双推式 3)双推一简支式 4)双推一自由式,1)单推一单推式,止推轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧力。其特点是轴向刚度较高，预拉伸安装时，预紧力较大，但轴承寿命比双推一双推式低。,2)双推一双推式,两端分别安装止推轴承与深沟球轴承的组合，并施加预紧力，其轴向刚度最高。该方式适合于高刚度、高转速、高精度的精密丝杠传动系统。但随温度的升高会使丝杠的预紧力增大，易造成两端支承的预紧力不对称。,3)双推一简支式,一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端仅安装深沟球轴承，其轴向刚度较低，使用时应注意减少丝杠热变形的影响。双推端可预拉伸安装，预紧力小

16、，轴承寿命较高，适用于中速、传动精度较高的长丝杠传动系统。,4)双推一自由式,一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端悬空呈自由状态，故轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装的丝杠传动系统。,各支承方式特性比较,轴承的组合安装支承 制动装置,超越离合器,7滚珠丝杠副的密封与润滑,防尘密封圈或防护套密封 作用：防止灰尘及杂物进入丝杠 形式：接触式 非接触式 润滑 作用：提高耐磨性、传动效率、维持传动精度、延长使用。 方式：脂润滑 油润滑,8滚珠丝杠副的选择方法,(1)结构选择 润滑 防尘 间隙 预紧 (2)结构尺寸 公称直径 与强度 刚度 有关 基本导程 大 承载能力强、移动速度大；

17、 小 传动精度高 螺纹长度 长/径比30,(3)选择的步骤 1）承载能力 2）压杆稳定性,3）刚度验算 4）速度计算 n 丝杠转速 v 移动速度,2.1.2 齿轮减速器,作用：扭矩、转速和转向的变换 1 齿轮传动形式 2 最佳传动比的确定,令： 得i最大值：,1）重量最轻原则 等齿宽等模数： 其他： 2）输出轴转角误差最小原则 四级为例： 最末级i4取大些，最后一个齿轮的精度取高些。,3）转动惯量最小原则 等效惯量： 因为： 所以得： 因此： 得： 同样方法得： 等齿宽等模数 其他：实际：先小后大,原则的运用： （1）对于要求体积小重量轻的齿轮传动系统，可用重量最轻原则。 （2）要求运动平稳、

18、起停频繁和动态特性好的齿轮传动系统，可用最小等效转动惯量和总转角误差最小原则。 （3）对于要求传动精度高的齿轮传动系统，可用输出轴转角误差最小原则。 （4）要求降低振动和噪音的齿轮传动系统的各级传动比采用不可约的比数。 （5）大传动比系统可采用行星轮系或谐波齿轮传动。,3谐波齿轮传动 1）工作原理,谐波齿轮结构,谐波齿轮减速器,2）传动比 得： （1） （2）,（3）谐波齿轮的选型 标注：,实例1: i=80,电机 n=1500，P=450w 选XB100 选n=3000rpm的电机 选XB80 必须通过用转矩计算（传递的功率与转速有关）,扭矩计算实例,（4）轮系传动,（4）齿轮间隙调整 圆柱

19、齿轮 偏心套法,轴向垫片法, 双片薄齿轮错齿法,斜齿轮,同步带传动,钢带传动,钢丝传动,小结,传动部件： 丝杠螺母传动部件 1 滑动摩擦、滚动摩擦。 2 四种传动结构形式 3 滚珠丝杠传动设计 （1） 滚珠丝杠副的结构 （2） 滚珠丝杠副的典型结构类型 （3）滚珠丝杠副的主要尺寸参数 （4）滚珠丝杠副的精度等级及标注方法 （5）滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧 （6）滚珠丝杠副支承方式 （7）滚珠丝杠副的密封与润滑 （8）滚珠丝杠副的选择方法【结构选择、结构尺寸、设计计算（承载能力 杆稳定性 刚度验算） 】 齿轮传动部件 1 齿轮传动部件作用 2 齿轮传动形式、 最佳传动比的确定 。 3 确定各

20、级传动比 ： 重量最轻原则、输出轴转角误差最小原则、转动惯量最小原则。 原则的运用方法（五点）。 4 谐波齿轮传动传动比 5 齿轮间隙调整 柔性传递,（4）齿轮间隙调整 圆柱齿轮 偏心套法,2.2 导向支承部件的选择与设计,导向支承部件的作用: (1)支承 (2)限制运动部件按给定的运动要求 (3)和规定的运动方向运动。 1导轨副的种类 直线导轨副 运动方向为直线 回转运动导轨副 运动方向为回转,导轨形式,按摩擦类型分类型,（1）滑动导轨 （2）滚动导轨 （3）流体介质摩擦导轨,按其结构特点可分为：,开式 (借助重力或弹簧弹力保证运动件与承导面之间的接触)导轨 闭式 (只靠导轨本身的结构形状保

21、证运动件与承导面之间的接触)导轨。,2.2.1导轨的基本要求,1导向精度 (1)导轨垂直面直线度 (2)导轨水平面直线度 (3)导轨扭曲度 2 刚度(要满足精度要求) 3 精度保持性(满足寿命要求) 4 运动平稳(动态要求) 5温度(的影响要满足环境温度变化要求) 6结构工艺性（满足六点定位原理及制造装配要求 ）,2.2.2滑动导轨副的结构及其选择,1导轨副的截面形状及其特点 2 轨道副的组合形式 3 轨副间隙的调整 4 导轨副材料的选择 5 提高导轨副耐磨性的措施,1导轨副的截面形状及其特点,三角形 导向精度高，磨损后自动补偿。导轨的水平与铅垂误差互相影响;用于对水平精度要求高，需要自动补偿

22、的场合。 矩形 结构简单，承载大，刚度高。水平与铅垂方向误差互相不影响;磨损不能自动补偿，摩擦力和接触变形比三角导轨小;用于载荷大时 燕尾形 结构紧凑，可承受颠覆力矩；磨损后不能自动补偿，需调整;刚度差，摩擦力大，制造维修不方便;用于运动速度不高，受力不大，高度受限制的场合. 圆形 制造方便，磨损后，不能补偿; 场合,2 导轨副的组合形式,（1）双三角形导轨 （2）矩形和矩形组合导轨 （3）三角形和矩形组合导轨 （4）三角形和平面导轨组合导轨 （5）燕尾形导轨及其组合,（1）双三角形导轨,特点：导向性好、精度保持性好(磨损能自动补偿) 接触刚度好。 缺陷： 工艺性差（导轨的四个表面难以完全接触

23、） 应用场合：高精度机床,（2）矩形和矩形组合导轨,特点：承载面和导向面分开、刚性好，工艺性好，调整和制造简单 应用场合：能承受较大的载荷和颠覆力矩,（3）三角形和矩形组合导轨,特点：兼有导向性和刚性、制造方便 缺陷：磨损不均匀、对位置精度有影响 应用场合：能承受颠覆力矩,(4) 三角形和平面导轨组合导轨,特点：兼有导向性和刚性、结构简单制造方便。 缺陷：不能承受颠覆力矩 应用场合：只有铅垂方向（向下）力,（5）燕尾形导轨及其组合,特点：结构紧凑高度小、摩擦力大，制造不便 缺陷：结构复杂、工艺性差 应用场合:运动速度不高、受力不大、高度受限制的场合.,3导轨副间隙的调整,导轨不同的截面的调整方

24、法： 三角形: 上滑面 自动修正； 下滑面 压板或调整垫片。 矩形: 分别调整水平和铅垂方向的间隙； （修刮压板或调整垫片厚度、调整螺钉） 燕尾形: 同时调整水平和铅垂方向； （镶条或垫片厚度、调整螺钉） 圆形: 不能调整。,4导轨副的材料,不同情况下摩擦系数,有润滑 无润滑 钢-铸铁 0.05-0.15 0.3-0.3 钢-黄铜 0.03 0.19 钢-青铜 0.1-0.15 0.15-0.18 钢-铝 0.02 0.17 铸铁-青铜 0.16 0.28 黄铜-黄铜 0.02 0.17 铝-钢 0.02 0.3 聚四氟乙烯 0.04（自润滑）,5提高导轨副耐磨性的措施,影响因素：摩擦系数 （

25、材料，润滑） 摩擦力 （压力，摩擦系数） 压比 （压力 、接触面积） 磨损 （表面质量 ） 设计、制造中采取的措施： 结构、材料、热处理、加工质量。,（1）选择导轨材料和材料搭配,材料：铸铁、钢、有色金属、塑料 铸铁 耐磨、减振、热稳定、易加工和低成本 钢 耐磨性好 （45、40Cr、20Cr、20CrMoTi、15） HRC52-58 HRC56-62 有色金属耐磨性（防锈） 黄铜 锡青铜 锌合金 铝青铜 铸铝 塑料 耐磨性 环氧树脂 聚四氟乙烯（摩擦系数小） 搭配： 支承导轨材料 动导轨材料 铸铁 铸铁、有色金属、塑料 淬火铸铁 铸铁 淬火钢 30、40 （多用于圆柱导轨） 20Cr 40

26、Cr 铸铁（TH200 TH300）或 青铜,（2）合理热处理的措施,动静导轨热处理后的 硬度差 20-40HB 。 中碳钢 45、40Cr HRC52-58。 低碳钢 20Cr、20CrMoTi、15 HRC56-62。 淬硬层（磨后）不低于1.5毫米。,（3）提高加工质量措施,提高导轨加工精度 直线度（水平面、铅垂面）平行度（扭曲度） 改善导轨表面粗糙度。,（4）结构措施,镶装导轨 镶钢导轨、镶装塑料导轨、镶装有色金属导轨 减小比压 减轻运动部件的质量、增大导轨支承面积 卸荷结构 承载和导向作用面分开。,镶装导轨 1-钢导轨 2-机身、机架,卸荷导轨 3、5和6导向面 2、4、5承载面,2

27、.3 旋转支承的选择和设计,1.旋转支承的作用 对旋转部件起支承和导向（限制运动的性质与方向）作用。 2.旋转支承的基本要求 方向精度、置中精度、摩擦力矩、载荷大小、温度影响、耐磨性、抗振性、成本。 3.旋转支承的种类 按摩擦性质分类：(1)滑动摩擦 (2)滚动摩擦 (3)流体介质支承 (4)弹性支承,2.3.1 旋转支承的基本要求,(1)置中精度（最大中心误差） (2) 方向精度（轴的最大偏角） (3) 摩擦力矩 (4)载荷大小 (5)温度影响 (6)耐磨性 (7)抗振性 (8)成本,2.3.2 旋转支承的种类,(1)滑动摩擦 (2)滚动摩擦 (3)流体介质支承 (4)弹性支承,2.3.3

28、圆柱支承,（1）摩擦力 （2）方向精度和置中精度 （3）温度影响,圆柱支承结构,运动式圆柱支承结构 半运动式圆柱支承结构,特点：较高的运动精度和置中精度；较大的承载能力。,（1）摩擦力,圆柱 颈向载荷 轴向载荷 球面轴向载荷,（2）方向精度和置中精度,置中精度：任何截面上运动件中心与支承件中心产生的最大中心之间的偏差程度 方向精度：运动件转动时，其轴线与支承件轴线产生的倾向程度,（3）温度影响,线膨胀系数 （材料搭配）: 淬火钢 0.000 012/ 铸铁 0.000 0104/ 合金钢 0.000 020/ 黄铜0.000 0192/ ,圆锥支承 填入式滚动支承,2.4轴系部件设计,1 轴系

29、设计基本要求 1)旋转精度 2)刚度轴系的刚度 3)抗振性 (强迫振动和自激振动) 4)热变形 5)轴上零件的布置 2 轴系的轴承选择 1）标准滚动轴承 2）非标滚动轴承 3）静压轴承（动压轴承、静动压轴承） 3 提高轴系抗振性的措施 1）提高轴系的旋转精度 2）提高轴系组件的抗振性 3）采取温度控制,轴系设计基本要求,1)旋转精度 2)刚度轴系的刚度 3)抗振性 (强迫振动和自激振动) 4)热变形 5)轴上零件的布置,1)旋转精度,旋转精度是指在装配之后，在无负载、低速旋转的条件下，轴前端的径向跳动和轴向窜动量。 原因：其大小取决于轴系各组成零件及支承部件的 制造精度与装配调整精度。 危害：

30、影响轴系运动精度。 措施：提高零件制造精度和装配精度。 在工作转速下，其旋转精度即它的运动精度取决于其转速、轴承性能以及轴系的动平衡状态。,2)刚度轴系的刚度,原因： 载荷为弯矩、转矩时。相应的变形量为挠度、扭转角，其刚度为抗弯刚度和抗扭刚度。轴系受载荷为径向力(如带轮、齿轮上承受的径向力)时会产生弯曲变形。 危害：引起扰度或转角误差，影响传动精度或位精度。 措施：必须进行刚度验算。,3)抗振性,轴系的振动表现为强迫振动和自激振动两种形式。 原因：有轴系组件质量不匀引起的不平衡、轴的刚度及单向受力等； 危害：直接影响旋转精度和轴承寿命。影响传动精度和位置精度。 措施：对高速运动的轴系必须以提高

31、其静刚度、动刚度、增大轴系阻尼比等措施来提高轴系的动态性能，特别是抗振性。,4)热变形,原因：轴系的受热会使轴伸长或使轴系零件间隙发生变化。 危害：影响整个传动系统的传动精度、旋转精度及位置精度。 又由于温度的上升会使润滑油的粘度发生变化，使滑动或滚动轴承的承载能力降低。 措施：因此应采取措施将轴系部件的温升限制在一定范围之内。,5)轴上零件的布置,原因：轴上传动件的布置是否合理对轴的受力变形、热变形及振动影响较大。 危害：影响主轴前端运动精度和位置精度。 措施：作受力分析，合理布置轴上零件位置和采用卸荷结构。,(2) 轴系的轴承选择,1）标准滚动轴承 深沟球轴承、双列向心短圆柱滚子轴承、圆锥

32、滚子轴承、推力轴承。 2）非标滚动轴承 3）静压轴承（动压轴承、静动压轴承）,(1)提高轴系的旋转精度,轴承(如主轴)的旋转精度中的径向跳动主要原因： 被测表面的几何形状误差； 被测表面对旋转轴线的偏心； 旋转轴线在旋转过程中的径向漂移等因素引起。,轴系轴端的轴向窜动主要原因： 被测端面的几何形状误差； 被测端面对轴心线的不垂直度； 旋转轴线的轴向窜动。,提高其旋转精度的主要措施有： 提高轴颈与架体(或箱体)支承的加工精度； 用选配法提高轴承装配与预紧精度； 轴系组件装配后对输出端轴的外径、端面及内孔通过互为基准进行精加工。,(2)提高轴系组件的抗振性 轴系组件有强迫振动和自激振动，前者由轴系

33、组件的不平衡、齿轮及带轮质量分布不均匀以及负载变化引起的，后者是由传动系统本身的失稳引起的。 提高其抗振性的主要措施有： 提高轴系组件的固有振动频率、刚度和阻尼。 对轴系的主要零部件均应进行静态和动态平衡，选用传动平稳的传动件、对轴承进行合理预紧等。 采用吸振、隔振和消振装置。,（3）采取温度控制，减少轴系组件热变形的影响。 合理选用轴承类型和精度。 并提高相关制造和装配的质量。 采取适当的润滑方式可降低轴承的温升。 采用热隔离、热源冷昂和热平衡方法以降低温度的升高，防止轴系组件的热变形。,2.5 机架与箱体部件设计,机座或机架的作用及基本要求 机座或机架设计要点,2.5.1机座或机架的作用及

34、基本要求,1 作用 支承其他零件（重力和工作载荷）、各零件的安装基准（保证各零件之间的相对位置） 2 特点 尺寸大、结构复杂、加工面多、精度高,3 要求： （1） 静刚度、动刚度（抗震性）要求 提高静刚度 增加阻尼 减少质量（提高固有频率） 隔振措施,（2）热变形 控制环境温度、控制热源（减少发热和加强散热）、减少摩擦 采用热对称（变形对称） 采用热平衡，减少各处的温差。 （3）稳定性（精度保持性） 自然时效、人工时效。 （4）结构工艺性 （5）人机工程 （6）对环境的影响,3执行元件的选择,执行元件的要求 （可控性、可与计算机接口联接） 转角可控、 执行元件的种类 执行元件的选择 执行元件的

35、驱动及其接口,2.5.2 机座或机架设计要点,一、铸造机座 （1）提高本身的刚度 合理选择截面形状和尺寸 合理布置肋板和加强筋 合理开孔或加盖,肋板和加强肋形式,（2）提高接触刚度 表面粗糙度、加筋板等,（3）机座的模型刚度试验或计算 用机座缩小的模型做刚度试验 用有限元分析计算机座的刚度及动态特性 （4）结构工艺性,结构工艺性,（5）材料 铸铁 钢 其他材料（花岗岩、大理石、陶瓷等）,二、焊接件 钢板、角钢、型钢等焊接而成 三、铝合金型材 用铝合金型材与连接件组合而成,3执行元件的选择,执行元件的要求 执行元件的种类 执行元件的特点选择 执行元件的驱动及其接口,执行元件的要求,电可控性 （角

36、位移、转矩、转速等） （应用电压、电流、脉冲控制等） 可与计算机接口联接（宜于计算机连接） 响应迅速、反应灵敏（惯性小 动力大） 体积小重量轻 便于安装与维修,执行元件的种类,电气式 电磁式 电动机 伺服电机（交流、直流 ） 步进电机 变频电机 力矩电机 电磁铁 其他 压电元件、双金属片、形状记忆合金 液压式 液压缸、液压马达 气压式 气缸、气压马达,执行元件的特点与选择 伺服电机（交流） 角位移控制、恒转速控制、恒转矩控制 （可双目标控制） （低速大转矩、高速恒功率 ） 步进电机 角位移控制（低速大转矩） 变频电机 恒转速控 （低速恒转矩，高速恒功率） 力矩电机 恒线速度控制（恒转矩）,常用

37、可控电机的特点与选择,执行元件的接口与驱动,弱电与强电的连接,4 控制系统的选择与设计,控制系统的种类 控制系统的选择 检测传感器性能特点、选用及微机接口,4.1控制系统的种类,LPC可编程控制器 单片机 （有嵌入式） 工业微机（工控机、有嵌入式） 数控箱（专用控制器）,4.2控制系统选择,（1） 控制器选择 PLC可编程控制器 简单逻辑控制 单片机 大批量生产 微机 复杂控制 （复杂计算、智能控制、图形显示、 高速、大容量控制、友好界面）,(2) 单片机系统,（4）微机控制系统组成,（3）微机系统输入输出的可靠性,（4）微机、接口、驱动,DI （开关量输入） 接按钮、开关等 DO （开关量输

38、出） 电磁铁、电磁阀线圈、 步进电机等 AI ( AD 转换） 模拟量 传感器 AO （DA转换 ） 模拟量输出控制 （伺服、变频 电机驱动器等） 计数器/定时器 计脉冲数 、脉冲发生、 脉冲宽度,输出接口卡,微机输出接口弱电/强电连接,微机模拟量输出接口,4.3微机模拟量输入接口,检测元件的要求 传感器的（检测元件）种类 （1）开关量传感器 （2）模拟量传感器 （3）数字量传感器,输入接口卡,5系统特性分析,一般是高阶系统 一阶闭环系统（没有惯性、没有阻尼、刚度无穷大） 实际情况可做到：惯性很小、刚度非常大、有阻尼、固有频率很高 （1）系统的响应 输入输出特性（系统的响应） （2）系统的传递

39、函数,系统的传递函数,（3）一阶系统,（4）二阶系统,初始条件：y(0)=y(0)=0，拉氏变换得：,得传递函数：,标准形式：,n 系统无阻尼固有频率 系统阻尼比 K 系统各传递系数（比例系数、放大倍数）之积 TM 系统时间常数,1 1,（过阻尼）系统稳定,2 =1,（临界阻尼）临界状态,3 11,（欠阻尼）衰减阻尼,系统稳定,有超调。 小响应速度快，但超调量大，系统的稳定性和响应的平稳性差。,4 =0,（无阻尼）系统处于稳定与不稳定的临界状态，单位阶跃函数的响应为等幅振动，共振频率为n。 一般超调量1.525% 取0.40.8 5,5 传递函数的极点与零点 传递函数分子多项式的根称为零点；Z

40、i(I=1,2,m)。传递函数分母多项式的根称为极点；Pi(I=1,2,n)。则传递函数写为：,分母多项式,称为系统的特征方程，其根称为特征根，与上述极点是一致的，反映了系统的共振点。 注：为简化系统，一般将高阶系统简化成二阶系统，来近似讨论或估计系统的性能。,静态设计与动态设计 机电一体化系统的稳态设计考虑方法 机电一体化系统的动态设计考虑方法 机电一体化系统的可靠性设计和安全性设计,6.机电结合分析,稳态设计与动态设计的概念,机电一体化系统(产品)的设计过程是机电参数相互匹配，即机电有机结合的过程。 机电伺服系统是典型的机电一体化系统。,转速 、位移、加速度、功率、转矩；增益、驱动电流 ；

41、 机械机构、电路与控制器、软件（控制机理） 动态设计 （系统稳定性、响应快速性、震荡等） 设计校正补偿装置，使系统满足动态技术指标要求，通常要进行计算机仿真，或辅助设计,初步方案 稳态设计(机械结构、电气原理、监控软件) 系统的输出运动参数达到技术指标要求（结构设计）； 执行元件(如电动机)的匹配选型； 各主要元部件的选择与控制电路设计，并为动态设计中的校正补偿装置留有余地。,6.1 机电一体化系统(产品)的稳态设计考虑方法,负载分析 执行元件的匹配选择 减速比的匹配与各级减速比的分配 传感器、接口电路、放大器等匹配选择和设计 系统数学模型和主谐振频率的计算,6.1.1典型载荷分析,（1）典型

42、载荷 所谓典型负载： 惯性负载;（与加速度或角加速度成比例） 外力负载; （变化或恒定的力或转矩） 弹性负载; （与位移或转角成比例） 摩擦负载(滑动摩擦负载、黏性摩擦负载、滚动摩擦负载等)。（与速度或转速成比例） 实际系统负载可能是以上几种典型负载的组合，不一定均包含上述所有负载项目。,(2) 载荷的等效换算,Fj 阻力（负载） Tj 转矩 Mi 工作台质量 Vi 工作台速度 Jj 转动惯量 ni 转速,1) 求转动惯量 系统总动能：,2) 求等效转矩 时间t内系统做的总功：,因此，得到：,电机输出轴上的总动能：,工程上用转速计算：,t时间内的转角：,执行元件所做的功：,所以，得：,工程上用

43、转矩计算：,计算注意事项：,1理论公式单位 kg m s制。 2工程上转速n用 rmp (转/分)。 3模数单位一般采用mm计算。 4 单位为rad/s。,3）计算实例,已知：M=400kg F=800N Jm=4x10-5kgm2 JI=4x10-5kgm2 JII=4x10-5kgm2 TL=4Nm Z1=20 Z2=40 m=1,求: 等效转动惯量 等效转矩,1）求Jmeq,2)求 Tmeq,已知：M=400kg F=800N ,Jm=4x10-5kgm2 , JI=4x10-5kgm2 , JII=4x10-5kgm2 ,TL=4Nm ,Z1=20, Z2=40, m=1,6.1.2

44、执行元件匹配选择,(1) 转矩匹配,考虑传动效率,(2) 功率匹配,过热验算,过载验算,一般取,小功率伺服系统,实例,Tmeq=2.5Nm Jmeq=3X10-2kgm2 m=50ard/s t =0.5s =0.85,6.1.3减速比选择与各级减速比的分配,减速比的选择： （1）加速度最大 （2）速度最大 (f1 电动机粘性摩擦系数,f2负载粘性摩擦系数） （3）转角匹配（位移） （4）输出轴转角误差最小 （5）对速度、加速度均有要求 按（1）求 i，再检验：,各级转速分配原则：,重量最轻原则 输出轴转角误差最小原则 转动惯量最小原则,等模数，等齿宽（小功率）：,否则：先大后小,等模数，等齿

45、宽（小功率）,大功率：由大到小,末级取大，提高最后一个齿轮的精度,6.1.4传感器、执行元件与接口电路匹配,一、模拟信号 传感器接口卡（AD卡） 电压匹配，阻抗匹配。精度、信噪比。仪表放大器。 接口卡执行元件（DA卡） 电流及电压匹配，功率放大器或电流放大器。 二、脉冲信号 传感器输出接口卡（计数器卡） 脉冲整形与放大。整形限幅放大器。 接口卡执行元件 （脉宽调制卡） 脉冲功率放大器或电流放大器 三、数字信号 TTL电平、CMOS电平（I/O卡） 等各种电平与驱动能力匹配。电压放大器或功率放大器。,AD转换,DO,DI,DA转换,机电一体化系统的典型微机控制系统组成,6.1.5主谐振频率的计算

46、,6.2机电一体化系统的动态设计考虑方法,动态设计： （1）系统控制方法 （2）校正形式 （3）设计校正器 目标：使系统满足动态指标的要求而成为稳定系统。,6.2.1系统调节方法,上升时间 延滞时间 调整时间 超调量,比例调节器 积分调节器 比例-积分调节器 比例-积分-微分调节器,1 PID调节器,2典型信号响应,3系统的动态特性,一阶系统特性 二阶系统特性 N阶系统特性,n 系统无阻尼固有频率 系统阻尼比 K 系统各传递系数（比例系数、放大倍数）之积 TM 系统时间常数 注： 1 1 （过阻尼）系统稳定 2 =1 （临界阻尼）临界状态 3 01 （欠阻尼）衰减阻尼,系统稳定,有超调。 小响

47、应速度快，但超调量大，系统的稳定性和响应的平稳性差。 4 =0 （无阻尼）系统处于稳定与不稳定的临界状态，单位阶跃函数的响应为等幅振动，共振频率为n。 一般超调量1.525% 取0.40.8 5,传递函数分子多项式的根称为零点；Zi(I=1,2,m) 传递函数分母多项式的根称为极点；Pi(I=1,2,n) 则传递函数写为： 分母多项式=0 称为系统的特征方程，其根称为特征根，与上述极点是一致的，反映了系统的共振点。 注：为简化系统，一般将高阶系统简化成二阶系统，来近似讨论或估计系统的性能。,6.4 机电一体化系统的可靠性设计和安全性设计,1.可靠性设计的基本概念 在规定条件下、规定时间内完成规定功能的能力。 任何材料、载荷都是随机变量 ，都有可能失效。 用概率理论定量分析产品在工作中的可靠程度。 2.常用指标 失效率 可靠度 平均寿命,3提高可靠性措施 （1）元、器件严格筛选 （2）抗干扰措施 （3）自诊断和自纠错技术 （4）容错和冗余技术 （5）软件可靠性技术,二 安全性设计,（1）元、器件严格筛选,（2）抗干扰措施,（3）自诊断和自纠错技术,（4）容错和冗余技术