1、机电系统综合设计（全套）机电系统综合设计（全套）参赛选手：参赛选手：* * * * *机电学院本科课程机电系统综合设计课程介绍内容概述考核与成绩评定参考书目课程介绍n本课程以典型机电系统的构成与工作原理为实例，介绍构成机电系统所需的典型机械机构、传感器、执行装置、计算机控制技术等内容，从系统论、信息论和控制论的观点出发，培养学生对机电系统的设计、分析能力，为从事机电系统的设计及其相关工作打好基础。课程介绍n通过本课程学习，对典型机电系统能够从系统的观点进行分析，并能从宏观上进行机电系统技术架构的基本设计，对机电系统所综合的机械、电子、电气、控制工程、信息和计算机技术等诸多学科知识进行系统归纳。
2、机电系统综合设计课程介绍内容概述考核与成绩评定参考书目内容概述（共32学时）n第一章 机电系统概述（2学时）p1.机电一体化技术的发展历程p2.机电系统一般组成n第二章 机电系统的控制（6学时）p1.控制系统的构成与原理p2.典型控制方法n第三章 传感测控技术（6学时）p1.机电一体化系统常用的传感器类型与工作原理p2.测量与控制系统的构成与工作方式内容概述n第四章 机电执行装置与机械机构（4学时）p1.执行装置、机械机构的作用p2.典型机电执行装置和机械机构n第五章 机电系统实例分析（6学时）p消费电子产品中的机电系统实例分析（2学时）p工业领域中的机电系统实例分析（1学时）p汽车与机电系统
3、（1学时）p机电系统与武器系统（2学时）n实践环节 机电系统综合设计实践（8学时）机电系统综合设计课程介绍内容概述考核与成绩评定参考书目考核与成绩评定n平时考察与考试环节结合。n各教学环节占总分的比例p平时及实践环节：30%，考试：70%。机电系统综合设计课程介绍内容概述考核与成绩评定参考书目参考书目n三浦宏文（日）机电一体化实用手册，科学出版社，北京，2005n伍清河，计算机控制系统n传感器技术相关教材n机电接口技术相关教材第一章 机电系统概述机电系统综合设计1.1 机电系统机电一体化的系统n机电一体化p利用电子、信息（包括传感器、控制、计算机等）技术使机械柔性化和智能化的技术。pMecha
4、tronics为日本学术界创造的词汇，由机械和电子的英文单词Mechanism和Electronics组合而成。p机电一体化技术可以实现机械的柔性化和智能化n柔性化：机构具有相当的灵活性，可实现微小运动和复杂运动n智能化：系统具有很强的控制能力，甚至有一定的学习能力p简而言之，机电系统就是机电一体化的系统。1.1 机电系统机电一体化的系统n机电一体化的目标p机电一体化的目标是将机械技术与电子技术结合，充分发挥各自的长处，弥补各自技术上的不足。n机械的强度高，输出功率大，可承受大载荷，但微小运动和复杂运动不易实现；n电子领域的传感器和计算机可以实现高精度的检测与控制，但电子技术却无法自行实现重载
5、荷条件下的运动；p将机械技术和电子技术相结合，实现重载条件下的微小运动或复杂运动。Yamaha数控雕刻机 机电系统实例流水线上的工业机器人1.1 机电系统机电一体化的系统n机电系统的产生与发展p机电设备和其系统是自动化系统的自然演变产品。可以从三个方面窥视这个演变：n纯机械自动化系统(1990早期及以前)n带有电气元件(如继电器器、晶体管、放大器)的自动化设备(1900前1970)n计算机自动化控制系统(1970年代现在)1.1 机电系统机电一体化的系统n机电系统的产生与发展p早期自控系统完成自动控制完全依靠机械方式。n例如，水箱实现水位调节时将阀门和浮球连接预设设定水位有浮球高度或者连接臂长
6、度决定。浮球打开或关闭阀门以维持预定水位。1.1 机电系统机电一体化的系统n机电系统的产生与发展p早期自控系统完成自动控制完全依靠机械方式。n另一个完全有机械装置构成的经典自动化控制系统是瓦特的飞球控制器，用来调节发动机转速。1.1 机电系统机电一体化的系统n机电系统的产生与发展p使用运算放大器的模拟伺服控制器促成了机电系统的第二次变革。n自动化系统不必是纯机械式。运算放大器会比较设定数据和测量数据，基于二者差值驱动致动器。这个原理发展成后来的机电伺服控制系统。n右图为模拟式电热控制器原理。1.1 机电系统机电一体化的系统n机电系统的产生与发展p1970年代以后，随着微处理器引入控制领域，可编
7、程控制和智能决策引入自动化设备系统中。n数字计算机不仅使控制功能复杂程度超过先前的机械或电气设备，同样使先前不可能实现的设计成为现实。控制功能不仅包含了伺服控制还有许多运算逻辑，错误判断，元件状态监测，网络通信，非线性最佳自适应控制策略。许多功能只用模拟运算电路是不可能实现的。使用数字控制器，这些功能很容易实现，仅仅只是软件上的编码而已。1.1 机电系统机电一体化的系统n机电系统的产生与发展p1970年代以后，随着微处理器引入控制领域，可编程控制和智能决策引入自动化设备系统中。n引入微控制器后，自动化工业在产品和产品生产方式上有了很大的变化。基于微控制器的嵌入式微控制器使可编程生产过程数量增多
8、，如装配线，CNC工具，材料处理。这改变了生产过程，减少了劳动力使用，增加了生产力。产品本身也发生了改变。1.2 机电一体化为机电系统带来的优势n使产品具有原来所不具备的新功能n增强产品的柔性，即所谓的Flexibilityn改善操作性能n满足多样性的需求n扩大设计的灵活性n改善生产的工艺性n使产品结构更为紧凑n减少产品零部件数量n提高产品可靠性n提高品质n节省能源消耗n降低成本1.2 机电一体化为机电系统带来的优势n机电一体化技术的本质是将电子技术引入到机械控制中：p利用传感器检测机械的运动，将检测信息输入到计算机，经计算得到能够实现预期运动的控制信号，由此来控制执行装置。n上述的计算，实际
9、上就是计算机软件的主要功能和作用。n在系统中，通过编制适当的软件实现所需要的控制，从而使系统具有前面所说的各种优势。1.3 机电系统实质n机电系统在系统设计层次方面同时包含三个不同的传统工程领域：p机械工程p电气工程p计算机技术n以系统设计层面来看，机电一体化不只是这些领域的总和，而是这些领域的交叉。n在机电控制系统领域这是革命性的变化。1.3 机电系统实质n机电一体化系统实例p如前所述，机电一体化系统中一定具有运动机械，并采用电子技术来使机械实现柔性化和智能化。n 机器人n 自动对焦相机n 防抖摄像机n 数控加工中心n 汽车n 电饭煲n 智能电视机n ？ 1.3 机电系统实质n机电一体化系统
10、实例p当代汽车n在8位和16位微控制器引入到嵌入式控制中前，汽车中的电子元件只有广播，打火器，发电机和电池充电系统。发动机，传动装置，刹车系统全部由机械方式或半机械方式控制。n现在汽车发动机装有嵌入式控制器，基于负载，速度，温度和压力传感器实时控制油料注入的时间和量，提高了油料燃烧效率，减少污染，提升性能。n自动传动装置也有微控制器控制。刹车系统，包括ABS(防抱死系统),TCS(牵引控制系统),DVSC(车辆动态稳定控制系统)，同样也由集成控制系统调节发动机或刹车，以期提高车辆控制性能。当代汽车系统当代汽车系统1.3 机电系统实质n“机电一体化”一词由Yaskawa Electric公司的工
11、程师提出。n每一个现代机电系统都有一个或多个嵌入式计算机，或者叫做微控制器。计算机硬件和软件(应用在机电系统控制中的部分) 是机电系统中关键的一部分。n得益于微控制器广泛应用于大众市场，机电一体化广泛覆盖了社会的各个领域。微计算机控制器价格不断下降，性能不断上升，使得其可以应用到成千上万的产品中。1.3 机电系统实质n以往机电产品设计团队包括：p设计机械部分的工程师p设计电气部分（如致动器，传感器，放大器）或控制逻辑/算法的工程师p设计电脑软硬件实现产品实时控制的工程师n现在的机电一体化工程师应该可以完成这些所有的工作。设计过程不再是“机械电气设计计算机控制设计”的顺序排列，而是三者同时进行。
12、n机电一体化工程师的最终产品应该是一个由嵌入式计算机控制的机械设备或系统。1.3 机电系统实质n机电系统与人体的对比p如果由人控制操作一个过程，人首先观察系统的行为(如视觉观察)，做出决定，然后动用身上的肌肉带动骨骼运动，这样一个控制动作就完成了。1.3 机电系统实质n机电系统与人体的对比p人首先观察系统的行为(如视觉观察)，做出决定，然后动用身上的肌肉带动骨骼运动，这样一个控制动作就完成了。机电系统与人体的对比1.3 机电系统实质n机电系统与人体的对比p机电系统通过传感器获取运动状态和参数，通过ADC输入计算机，经计算形成的控制量由DAC交给致动系统，经由机械机构转换，形成运动。典型的工业机
13、器人1.3 机电系统实质n机电系统与人体的对比归纳对比项目机电系统人体机械装置运动机构骨骼执行装置致动器肌肉能源装置电源、气源等人体转化化学能传感装置各种传感器感觉器官控制装置计算机大脑1.3 机电系统实质n每个计算机控制的机电系统至少有四个基本功能模块，能源装置不属于典型模块。p执行装置（致动器）p机械装置p传感器p计算机或微控制器与控制流程（算法）n先进的微控制器和数字信号处理技术对控制领域有两个主要影响：p取代模拟控制器p促进新型产品和设计1.3 机电系统实质n机电系统的架构p典型的机电系统为“计算机执行装置 机械装置传感器计算机”的信号闭环回路，是一种典型的反馈系统。p有的采用由上位计
14、算机控制的半闭环控制方式。由执行装置、机械装置和传感器自行构成反馈系统，而计算机只给出控制指令。比如采用伺服电机作为执行装置的情况，伺服电机自己可以通过自己的反馈回路控制运动的精确度。1.3 机电系统实质计算机执行装置传感器机械装置典型机电系统的大闭环架构另一种闭环的机电系统架构描述：机械结构，传感器，致动器，决策部分(微控制器)，动力源，人工干预接口1.3 机电系统实质1.3 机电系统实质计算机执行装置传感器机械装置半闭环的机电系统架构精度高，抗干扰能力强，速度慢1.4 机电系统的相关技术简介n机械技术p机械技术是关于机械的机构及利用这些机械机构传递运动的技术。1.4 机电系统的相关技术简介
15、n执行装置技术p要使机构运动，必须有动力源（注意不是能源）。这种动力源就是执行装置。p如利用电能的电动机，利用液压能量的液压驱动装置，利用高压气源的气体驱动装置等。1.4 机电系统的相关技术简介n执行装置技术p电机n随着电力电子技术的发展，驱动电机的电力控制系统的体积越来越小，控制也越来越方便 ，对直流电机和交流电机都能够简单地实现高速、高精度控制。1.4 机电系统的相关技术简介n执行装置技术p气动执行装置n这是一种利用工厂的起源，结构简单，使用方便的执行装置，但实现高精度控制较为困难，一般适用于对较轻的物体进行推拉等简单操作。工厂建有专门的空压站提供高压气源各种气动工具应用广泛1.4 机电系
16、统的相关技术简介n执行装置技术p气动执行装置n这是一种利用工厂的起源，结构简单，使用方便的执行装置，但实现高精度控制较为困难，一般适用于对较轻的物体进行推拉等简单操作。1.4 机电系统的相关技术简介n执行装置技术p液压执行装置n推土机、装卸机等大型工程设备上常能见到液压装置。n机器人手臂的驱动装置也经常采用。n结构简单，可实现大功率驱动。1.4 机电系统的相关技术简介n传感器技术p机械运动主要需要测量位移、速度、加速度、力、角度、角速度、角加速度、距离等变量。p实际上机电系统也需要许多其他种类的传感器。p传感器的主要指标包括分辨率、精度和频响。1.4 机电系统的相关技术简介n计算机技术p由传感
17、器检测的机械运动信号一般都要转换成与机械运动成比例的连续电压信号，通过AD转换器变成数字信号输入计算机，而计算机内则以数字信号为基础通过程序运算形成控制量，并经DA变换器输出。1.4 机电系统的相关技术简介n用于控制的计算机和微控制器实例1.4 机电系统的相关技术简介n控制技术p控制技术是根据传感器信号使执行装置和机械装置很好地运动，并编制出能够实现这种目标的程序。p控制方法主要分为两大类：n顺序控制：通过开关或继电器触点的接通与断开控制执行装置的启停，从而对系统依次进行控制。n反馈控制：被控制量主要是位移和速度等连续变化的物理量，在控制中要不断地调整被控制量，使之达到设定值的控制方式。1.5
18、 机电系统与机电一体化技术展望n进入21世纪以来，机电一体化技术得到了更大的发展，机电系统呈现出更高的智能化，将会出现具有更高的柔性和自适应性的机电一体化系统。p高性能传感器：高精度、智能化、组合式p高智能化处理：学习式、人工智能、知识库p自适应性：自动适应状态和环境的变化p微型机械：超小型的微小型机电装置第二章 机电系统中的机械设计机电系统综合设计2.1 机械基础n机械p源自于希腊语之Mechine及拉丁文Machinap原指“巧妙的设计”，作为一般性的机械概念，可以追溯到古罗马时期，主要是为了区别与手工工具。p现代中文之“机械”一词为机构（Mechanism）和机器（Machine）的总称
19、。机械的特征有：机械是一种人为的实物构件的组合。机械各部分之间具有确定的相对运动。故机器能转换机械能或完成有用的机械功，是现代机械原理中的最基本的概念。2.1 机械基础n机械p中文机械的现代概念多源自日语之“机械”一词。p日语对“机械”的定义：将具有一定强度的物体组合起来，接受外界提供的能量，按照指定的要求实现确定的相对运动，从而完成某些有效工作的装置。n输入部分：接受能量、物质和信息的部分；n转换和传动部分：将接受的能量、物质和信息传递给其他机械或转换为其他形式的部分；n输出部分：直接完成指定工作的部分；n安装固定部分：使机械上各个部分能够保持各自确定位置的部分。2.1 机械基础n工具pTo
20、ol，虽然工具的各部分也是由具有一定强度的物体组成，但各部分间没有相对运动。n锉刀、锤子、螺丝刀。n仪器pInstrument，虽然仪器的各部分间会发生一定的相对运动，但一般来说仪器不以对外输出有用功为目的。n测试仪器2.1 机械基础n运动副p机械和仪器都是由许多零件组成，各个零件互相接触并做相对运动。这种零件的组合被称为运动副。2.1 机械基础n机构p机械是以各种运动副组成，由此来依次传递运动。p以传递运动或变换运动为目的，由若干个运动副组成的具有确定运动的系统称为机构（mechanism）p机器同时产生运动和能的转换 ，目的是利用或转换机械能以代替或减轻人的劳动；而机构只产生运动的转换，目
21、的是传递或变换运动。运动转换与传动机构各种传动2.1 机械基础n通用机械零、部件p机械由许多零、部件组成，在这些零、部件中，螺栓、螺母、齿轮和弹簧等在各种机械中几乎都会用到，这些零、部件被称为通用零、部件。p注意与标准件区分n标准件：结构、尺寸、画法、标记等各个方面已经完全标准化，并由专业厂生产的常用的零（部）件，如螺纹件、键、销、滚动轴承等等。国内的标准件主要指螺纹紧固件。2.2 典型机械零部件n典型的机械零部件可按用途予以区分p连接件：螺栓、螺母、铆钉等p轴用件：轴、联轴器、轴承、键等p传动件：齿轮、V带、链等p制动件：制动器等p缓冲件：弹簧等p管件：管、管接头、阀等p2.2 典型机械零部
22、件n齿轮p齿轮传动是通过轮齿之间的互相啮合来实现直接接触传动。这种传动方法的传动比精确，传递功率较大。2.2 典型机械零部件n带传动p带传动方法适用于主动轴和从动轴之间距离较大的场合。其优点是传动平稳，振动噪声小。缺点是由于带传动利用摩擦力来传递力矩，容易打滑，因此不能用来精确地传动运动。2.2 典型机械零部件n离合器p当要求被动轴作间歇运动时，需要采用离合器。p主要类型：n摩擦离合器n同步离合器n电磁离合器n2.2 典型机械零部件n制动器p制动器是用来降低机械运转速度或迫使机械停止运转的装置。p制动器工作原理是利用摩擦副中产生的摩擦力矩来实现制动作用，或者利用制动力与动力的平衡，使机器运转速
23、度保持恒定。p为了减小制动力矩和制动器的尺寸，通常将制动器配置在机器的高速轴上。2.2 典型机械零部件n联轴器p联轴器用来联接两根轴，传递运动和转矩，机器运转时两轴不能分离，一起回转并传递转矩。 n刚性联轴器：不能补偿两轴间的相对位移。无减振缓冲能力，要求两轴对中性好。p凸缘联轴器p套筒联轴器n挠性联轴器：依靠元件来补偿两轴间的相对位移。有减振缓冲能力。可在一定程度上补偿两轴间的某种位移。2.3 机电系统中的机械n与一般的机械系统设计要求相比，机电系统的机械系统特别要求：p定位精度高p动态响应特性好（即响应要快，稳定性要好）n为达到这些要求，设计中常常突出以下要素：p无间隙p低摩擦p低惯量p高
24、刚度p高谐振频率p适当的阻尼比典型精密机电系统：光驱激光组件2.3 机电系统中的机械n机电一体化系统的机械系统采取的典型技术手段包括：1) 低摩擦： 采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，如采用滚珠丝杠副，滚动导向支承、动（静）压导向支承；2) 缩短传动链：（如电机与丝杠螺母副直接连接，以减少中间传动机构等），提高传动与支承刚度（预紧的方法）；3) 选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力；2.3 机电系统中的机械n机电一体化系统的机械系统采取的典型技术手段包括：4) 缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支承变形的措施； 5)
25、提高刚度 改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声。选材上；结构轻型化、紧密化。n传动部件是主要的运动传递与转换机构，其性能对系统整体性能有关键影响。n支承与架体结构等要素也是重要因素。2.4 机电系统中的机械传动部件n机电系统对机械传动部件的功能要求p机械传动部件的主要功能是传递转矩和转速，它实质上是一种转矩、转速变换器，其目的是使执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。p机械传动部件的传动类型、传动方式、传动刚性以及传动可靠性对机电系统的精度、稳定性和快速响应性有重要影响。机电系统设计时，需要选择传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。 2
26、.4 机电系统中的机械传动部件n机电系统对机械传动部件的功能要求p精密化要适应产品的高定位精度等性能的要求，对机械传动机构的精密度要求也越来越高。p高速化产品工作效率的高低，直接与机械传动部件的运动速度相关。因此，机械传动机构应能适应高速运动的要求。p小型化、轻量化机电一体化系统(或产品)精密化、高速化的发展，必然要求其传动机构的小型、轻量化，以提高运动灵敏度(快速响应性)、减小冲击、降低能耗。为与微电子部件的微型化相适应，也要尽可能做到使机械传动部件短、小、轻、薄化。主要传动机构与功能2.4.1 丝杠螺母传动机构n丝杠螺母机构为螺旋传动机构，主要实现旋转运动与直线运动间的相互变换，应用于能量
27、传递（传力螺旋）、运动传递（传动螺旋）和零件相对位置的调整（调整螺旋）等。n根据丝杠和螺母相对运动的组合情况，其基本传动形式有四种类型：p螺母固定、丝杠转动并移动； p丝杠转动、螺母移动；p螺母转动、丝杠移动；p丝杠固定、螺母转动并移动。2.4.1 丝杠螺母传动机构 螺母固定、丝杠转动并移动 丝杠转动、螺母移动 螺母转动、丝杠移动 丝杠固定、螺母转动并移动2.4.2 滚珠丝杠螺母传动机构n滚珠丝杠副为一种新型的螺旋传动机构，有适当数目的滚珠作为丝杠与螺母间的中间传动元件，变滑动摩擦为滚动摩擦。为防止滚珠从滚道端面掉出，螺母螺旋槽两端设置滚珠回程引导装置，构成滚珠循环返回流动的闭合通道。2.4.
28、2 滚珠丝杠螺母传动机构n滚珠丝杠螺母机构具有以下特点：摩擦阻力矩小，摩擦损失小，传动效率高，功率消耗是常规的滑动丝杠螺母副的1/4 1/3 ；适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区，定位精度高，刚度好；启动力矩小，运动平稳，无爬行，传动精度高；有运动可逆性，丝杠、螺母均可作为主动件；不易磨损，使用寿命长等优点，精度保持好。结构复杂，加工精度要求高，制造成本高；无自锁功能，作升降传动机构时，需采取制动措施。2.4.2 滚珠丝杠螺母传动机构2.4.2 滚珠丝杠螺母传动机构2.4.2 滚珠丝杠螺母传动机构2.4.2 滚珠丝杠螺母传动机构n滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧p滚珠
29、丝杠副在有负载作用下，滚珠和滚道面接触点处会产生弹性变形，换向时轴向间隙会引起非连续空回，影响传动精度和系统稳定性。2.4.3 齿轮传动机构n齿轮传动部件是典型的转矩、转速和转向的变换器，是现代机械中应用最广泛 的一种传动机构。n优点： p适用圆周速度和功率范围广。可用于传递空 间任意两轴间的运动力，而且传动准确、 平稳、机械效率高、使用寿命长和工作安全可靠。 n缺点n 不适于远距离两轴之间传动，制造安装复杂。2.4.3 齿轮传动机构n齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器。n齿轮传动比 i 应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求，用于伺服系统的齿轮减速器，其输入电动机为高转速、
30、低转矩，而输出则为低转速、高转矩。2.4.3 齿轮传动机构n设计和选用齿轮传动机构应注意的问题p齿轮传动系统传递转矩时，要求有高的刚度，惯性尽量小，精度高。齿间啮合间隙会造成传动死区，精度受影响，在闭环系统中，会造成系统不稳定。p除了采用精度高，齿侧间隙小的齿轮传动副外，还可采用多种方法消除或减小啮合间隙，提高传动精度和系统稳定性。2.4.4 谐波齿轮传动机构n谐波齿轮传动是一种靠波发生器使柔性齿轮产生可控弹性变形，并与刚性齿轮相啮合来传递运动和动力的齿轮传动。 n五十年代，随着空间科学、航天技术的发展，航天飞行器控制系统的机构和仪表设备对机械传动提出了新的要求，如：传动比大、体积小、重量轻、
31、传动精度高、回差小等。对于上述要求，新出现的谐波传动满足了这种要求，它是在薄壳弹性变形的基础上发展起来的一种传动技术。2.4.4 谐波齿轮传动机构n谐波齿轮传动具有如下特点：p结构简单、体积小、重量轻，传动比大(几十几百)，传动精度高、回程误差小，噪声低、传动平稳、承载能力强，传动效率高。2.4.4 谐波齿轮传动机构n谐波齿轮的组成p谐波齿轮传动系统有三个基本构件组成，刚性轮(Circular Spline)，柔性轮(Flexspline)和波发生器(Wave Generator)。谐波齿轮传动的原理就是在柔性齿轮构件中，通过波发生器的作用产生一个移动变形波，并与刚轮齿相啮合，从而达到传动目的
32、。2.4.5 同步带传动n简介p是一种综合了普通带传动和链轮链条传动优点的一种新型传动方式。它在带的工作面及带轮外周上均制有啮合齿，通过带齿与轮齿作啮合传动。为保证带和带轮作无滑差的同步传动，其齿形带采用了承载后无弹性变形的高强力材料，以保证带的节距不变。同步带带轮齿形有梯形齿形和圆弧齿形。2.4.5 同步带传动n优点p传动比准确、传动效率高(可达98)、能吸振、噪声低、传动平稳、能高速传动、维护保养方便等优点缺点p安装精度要求高、中心距要求严格，具有一定的蠕变性。2.5 导向机构导轨n机电一体化系统要求各运动机构必须得到可靠的支承，并能准确地完成其特定方向的运动。这个任务由导向机构来完成。n
33、机电一体化系统的导向机构是导轨，其作用是支承和导向。一副导轨主要由两部分组成，在工作时一部分固定不动，称为支承导轨或导轨，另一部分相对支承导轨作直线或回转运动，称为动导轨或滑座。 2.5.1 导轨的基本要求 n1) 导向精度p是指动导轨沿支承导轨运动的直线度或圆度。p影响因素：导轨的几何精度、接触精度、结构形式、刚度、热变形、装配质量以及液体动压和静压导轨的油膜厚度、油膜刚度等。n2) 耐磨性p指导轨在长期使用过程中是否能持续保持一定的导向精度。p导轨在工作过程中难免有所磨损，所以应力求减少磨损量，并在磨损后能自动补偿或便于调整。 2.5.1 导轨的基本要求 n3) 疲劳和压溃p导轨面由于过载
34、或接触应力不均匀将使导轨表面产生弹性变形，反复运行多次后就会形成疲劳点，呈塑性变形，表面形成龟裂、剥落而出现凹坑，这种现象就是压溃。p疲劳和压溃是滚动导轨失效的主要原因，为此应控制滚动导轨承受的最大载荷和受载的均匀性。 n4) 刚度p导轨受力变形会影响导轨的导向精度及部件之间的相对位置，因此要求导轨应有足够的刚度。为减轻或平衡外力的影响，可采用加大导轨尺寸或添加辅助导轨的方法提高刚度。2.5.1 导轨的基本要求 n5) 低速运动平稳性 p低速运动时，作为运动部件的动导轨易产生爬行现象。低速运动的平稳性与导轨的结构和润滑，动、静摩擦系数的差值，以及导轨的刚度等有关。 n6) 结构工艺性p设计导轨
35、时，要注意到制造、调整和维修方便，力求结构简单、工艺性及经济性好。 n7) 对温度的敏感性p环境温度变化时导轨应能正常工作，既不“卡死”，亦不影响系统的运动精度。材料和间隙影响很大。2.5.2 导轨的分类n按其接触面的摩擦性质划分p滑动导轨p滚动导轨p流体介质摩擦导轨n按其结构特点划分p开式导轨：借助重力或弹簧强力保证运动件与承导面之间的接触 p闭式导轨：只靠导轨本身的结构形状保证运动件与承导面之间的接触 2.5.3 滑动导轨n滑动导轨的两导轨工作面的摩擦为滑动摩擦n结构简单，制造方便，刚度好，抗振性高，使用最为广泛2.5.3 滑动导轨n为减小磨损，提高定位精度，改善摩擦特性，通常需要选用合适
36、的材料，辅以适当的热处理和加工方法，如采用优质铸铁，合金耐磨铸铁或镶淬火钢导轨，采用导轨表面滚轧强化，表面淬硬、涂铬、涂钼等方法来尽量提高导轨的耐磨性。n也有选用新型工程塑料的，也可满足低摩擦，耐磨，无爬行的要求。 2.5.4 滚动导轨n滚动导轨的两导轨表面之间为滚动摩擦，导向面之间放置滚珠、滚柱或滚针等滚动体来实现两导轨无滑动地相对运动。2.5.4 滚动导轨n按滚动体的形状区分，有钢珠式和滚柱式两种，如下图。滚柱式由于为线接触，故其有较高的承载能力，但摩擦力也较高，同时加工装配也相对复杂。目前使用较多的是钢珠式。2.5.4 滚动导轨n滚动导轨的磨损小，寿命长，定位精度高，灵敏度高，运动平稳可
37、靠，但结构复杂，几何精度要求高，抗振性较差，防护要求高，制造困难，成本高。n滚动导轨适用于工作部件要求移动均匀、动作灵敏以及定位精度高的场合，因此在高精密的机电一体化产品中应用广泛。 2.5.4 滚动导轨n滚动导轨的优点p1)承载能力大n滚道采用圆弧形式，增大了滚动体与圆弧滚道接触面积，从而大大地提高了导轨承载能力，可达到平面滚道形式的13倍.p2)刚性强n此类导轨制作时，常要预加载荷，这使导轨系统刚度得以提高。所以滚动直线导轨在工作时能承受较大的冲击和振动。p3)寿命长n由于是纯滚动，摩擦系数为滑动导轨的1/50左右，磨损小，因而寿命长，功耗低，便于机械小型化。p4)传动平稳可靠n由于摩擦力
38、小，动作轻便，因而定位精度高，微量移动灵活准确。p5)具有结构自调整能力n装配调整容易，因此降低了对配件加工精度要求。 2.6 轴系n轴系是由轴、轴承、安装于轴上的传动体、密封件及定位组件组成的传动装置。n轴系的主要功能是支撑旋转零件，传递转矩和运动。2.6 轴系n轴系按其在传动链中所处的地位不同可分为传动轴系和主轴轴系，一般来说对传动轴的要求不高，而作为执行件的主轴对保证机械功能，完成机械主要运动有着直接的影响，因此对主轴有较高的要求。2.6.1 轴系的基本要求n1)旋转精度p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。其大小取决于轴系各组成零件及支承部
39、件的制造精度与装配调整精度。p在工作转速下，轴的旋转精度（即运动精度）取决于其转速、轴承性能以及轴系的动平衡状态。 2.6.1 轴系的基本要求n2)刚度p轴系刚度反映轴系组件抵抗静动载荷变形的能力。p轴系受载荷为径向力时会产生弯曲变形。p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。2.6.1 轴系的基本要求n3)抗振性p轴系的振动表现为强迫振动和自激振动两种形式。其振动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；它们直接影响旋转精度和轴承寿命。p对高速运动的轴系必须以提高其静刚度、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。 2
40、.6.1 轴系的基本要求n4)热变形p轴系的受热会使轴伸长或使轴系零件的间隙发生变化，影响整个传动系统的传动精度、旋转精度及位置精度。p另外，温度的上升会使润滑油的黏度发生变化，使滑动或滚动轴承的承载能力降低。因此应采取措施将轴系部件的温升限制在一定范围之内。 2.6.1 轴系的基本要求n5)轴上零件的布置p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。传动齿轮应尽可能安置在靠近支承处，以减少轴的弯曲和扭转变形。如果主轴上装有两对齿轮，则两者均应尽量靠近前支承，并使传递扭矩大的齿轮副更靠近前支承，使主轴受扭转部分的长度缩短。p传动齿轮在空间布置上，也应尽量避免弯曲变形的重叠。
41、2.6.1 轴系的基本要求n6)轴系的驱动方法p由于电动机及传动系统的振动是主要振源之一，因此，设计时应重视合理选择轴系的驱动方法，以保证轴系的回转精度。p例如，可采用卸荷皮带轮、卸荷轴承、挠性联轴器等方法减少或消除单向和不平稳驱动力直接作用在轴系上。2.6.2 轴系的分类n轴系因主轴轴颈与轴套之间的摩擦性质不同，可以分为以下几类：p1)滑动轴承轴系 p2)流体动压轴承和静压轴承轴系 p3)磁悬浮轴承轴系 p4)滚动轴承轴系 2.6.2 轴系的分类n滑动轴承轴系 p这种轴系在轴颈与轴套之间注入润滑油介质起润滑作用。为了转动灵活，轴颈与轴套之间应具有一定间隙(一般不能小于2.5m，当转速增大时，
42、间隙也应相应增大)。p滑动轴承轴系结构简单，制造方便，刚度和承载能力大，但抗振性和耐磨性较差，故容易丧失精度。如采用锥形结构，磨损后间隙可以调整，但调整比较麻烦。 2.6.2 轴系的分类n流体动压轴承和静压轴承轴系p流体动压轴承轴系和静压轴承轴系阻尼性能好、支撑精度高、具有良好的抗振性和运动平稳性。按照油膜和气膜压强的形成方式分为动压、静压和动静压相结合三类轴系。目前使用的流体介质主要为液体和气体。p动压轴承是在轴旋转时，油(气)被带入轴与轴承间所形成楔形间隙中，由于间隙逐渐变窄，使压强升高，将轴浮起而形成油(气)楔，以承受载荷，其承载能力与滑动表面的线速度成正比，低速时承载能力很低。故动压轴
43、承只适用于速度很高、且速度变化不大的场合。2.6.2 轴系的分类n流体动压轴承和静压轴承轴系p动压轴承是在轴旋转时，油(气)被带入轴与轴承间所形成楔形间隙中，由于间隙逐渐变窄，使压强升高，将轴浮起而形成油(气)楔，以承受载荷，其承载能力与滑动表面的线速度成正比，低速时承载能力很低。故动压轴承只适用于速度很高、且速度变化不大的场合。2.6.2 轴系的分类n流体动压轴承和静压轴承轴系p静压轴承是利用外部供油(气)装置将具有一定压力的液(气)体通过油(气)孔进入轴套油(气)腔，将轴浮起而形成压力油(气)膜，以承受载荷。其承载能力与滑动表面的线速度无关，故广泛应用于低、中速，大载荷的机器。它具有刚度大
44、、精度高、抗振性好、摩擦阻力小等优点。2.6.2 轴系的分类n磁悬浮轴承p磁悬浮轴承是利用磁场力将轴以无机械摩擦、无润滑地方式悬浮在空间的一种新型轴承。磁悬浮轴承的转轴一般要配备辅助轴承，工作时辅助轴承不与转轴接触，当断电或磁悬浮失控时能托住高速旋转的转轴，起到保护作用。辅助轴承与转子之间的间隙一般等于转子与电磁体气隙的一半。2.6.2 轴系的分类n滚动轴承p轴颈与轴套之间放入滚动轴承或圆球、滚柱等滚动体作为介质的轴系。滚动轴承轴系分为标准滚动轴承轴系和非标准滚动轴承轴系两类。2.6.2 轴系的分类n滚动轴承p直接用标准滚动轴承的轴系被称为标准滚动轴承轴系。标准滚动轴承已标准化、系列化，并由轴
45、承厂成批生产。在轴系设计时，只要根据负荷、转速、精度、刚度及空间大小等即可选用所需轴承。p非标准滚动轴承轴系中不用标准滚动轴承，一般是在轴颈和轴套间直接放入滚动体，因此结构紧凑。此外，轴颈与轴套上一般不加工出圆弧形滚道，因此容易达到较高的尺寸和形状精度，所以在机电一体化系统中，由于结构尺寸的限制，或因标准滚动轴承无法满足轴系精度要求时，常自行设计非标准滚动轴承轴系。2.6.3 轴系的结构形式n轴系的作用是承受工作时的轴向和径向载荷，并要保证所要求的回转精度。因此在轴系设计时，在选择轴系类型同时，还要考虑合适的结构形式，这样才能满足轴系工作的要求。p圆柱止推p圆锥止推p双锥p圆柱圆球p圆锥半圆球
46、p双球(包括圆球半圆球及双半圆球等)2.6.3 轴系的结构形式n圆柱止推p如下图所示，其径向载荷和径向回转精度由径向圆柱形轴承承受和保证，轴向载荷和轴向精度则由止推轴承承受和保证。这种轴系结构形式最为常见。2.6.3 轴系的结构形式n圆锥止推p如下图所示，由两个锥形轴承和一个止推轴承共同构成。其径向载荷及径向精度由锥形轴承承担及保证，而轴向载荷及轴向精度则由止推轴承承受和保证，其特点是径向间隙可以调整。2.6.3 轴系的结构形式n双锥p如下图所示，轴系两端轴承由两个锥角方向相反的圆锥轴承构成，既能承受径向载荷也能承受轴向载荷。2.6.3 轴系的结构形式n圆柱圆球p如下图所示，轴系两端的轴承一个
47、是径向圆柱形轴承，一个是球形轴承。球形轴承承受径向和轴向载荷。 2.7 机座与机架n机座、机架的基本特点是尺寸大、结构复杂、加工面多，几何精度和相对位置精度要求高。n一般机座多采用铸件，机架多由型材装配或焊接构成。p设计时，首先应对某些关键表面及其相对位置精度提出相应的精度要求，以保证产品总体精度。其次机架或机座的变形和振动将直接影响产品的质量和正常运转，应对其刚度和抗振性提出下列要求：n刚度与抗振性n热变形 n稳定性2.7.1 机座与机架的刚度与抗振性n刚度与抗振性p刚度是抵抗载荷变形的能力。p如果基础部件的刚性不足，则在工件的重力、夹紧力、摩擦力、惯性力和工作载荷等的作用下，就会产生变形、
48、振动或爬行，而影响产品定位精度、加工精度及其他性能。 p抵抗恒定载荷变形的能力称为静刚度；p抵抗交变载荷变形的能力称为动刚度2.7.1 机座与机架的刚度与抗振性n静刚度p机座或机架的静刚度，主要是指它们的结构刚度和接触刚度。p动刚度与静刚度、材料阻尼及固有振动频率有关。在共振条件下的动刚度k 可用下式表示：p Kw=2K=2KB/n式中：K静刚度，Nm； C阻尼比； B阻尼系数； n固有振动频率，1/s。2.7.1 机座与机架的刚度与抗振性n动刚度p动刚度是衡量抗振性的主要指标。在一般情况下，动刚度越大，抗振性越好。p抗振性是指承受受迫振动的能力。受迫振动的振源可能存在于系统内部，也可能是驱动
49、电动机转子或转动部件旋转时的不平衡等。振源也可能来自于设备的外部，如邻近机器设备、运行车辆、人员活动以及恒温设备等。当机座或机架受到振源影响时，整机会摇晃振动，使各主要部件及其相互间产生弯曲或扭转振动，尤其是当振源振动频率与机座或机架的固有振动频率重合时，将产生共振而严重影响机电一体化系统的正常工作和使用寿命。2.7.1 机座与机架的刚度与抗振性n提高机架(座)抗振性的措施p提高静刚度，从提高固有振动频率入手，以避免产生共振；p适当增加阻尼，因为增加阻尼对提高动刚度的作用很大，如液(气)动、静压导轨的阻尼比滚动导轨大，故抗振性能好；p在不降低机架或机座静刚度的前提下，减轻重量以提高固有振动频率
50、，如适当减薄壁厚、增加筋和隔板，采用钢材焊接代替铸件等；p采取隔振措施，如加减振橡胶垫脚、用空气弹簧隔板等。2.7.2 机座与机架的热变形n控制热变形p系统运转时，电动机、强光源、烘箱等热源散发的热量，零部件间相对运动而摩擦生热，电子元器件发热等，都将传到机座或机架上。如果热量分布不均匀、散热性能不同，就会由于不同部位的温差而产生热变形，影响其原有精度。为了减小热变形，可采取以下措施：p1)控制热源p2)采用热平衡的办法，控制各处的温差，从而减小其相对变形。2.7.2 机座与机架的热变形n控制热源的方法p除了控制环境温度之外，对机座或机架内的热源(如强光源、电动机等)也要严格控制。例如：n采用
