机电一体化概论 教学课件 作者 邵泽强 第二章1至4节.ppt

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1、机电一体化概论作者：邵泽强2.1机械技术教学目标：1.理解机电一体化系统中的机械系统组成及其基本要求。2.以机器人的机构为例，了解机电一体化系统对机械部件的选用。机械技术是机电一体化的基础。机电一体化的机械产品与传统机械产品之间的区别在于：机械结构更简单、机械功能更强和性能更优越。2.1.1机电一体化系统中的机械系统及其基本要求1.机电一体化系统中的机械系统机电一体化系统的机械系统是由控制器协调与控制的，用于完成一系列机械运动的机械和（或）机电部件相互联系的系统。概括地讲，机电一体化系统中的机械系统主要包括以下五

2、大部分：1)传动机构。机电一体化机械系统中的传动机构的主要功能是传递能量和运动，因此，它实际上是一种力、速度变换器。机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很大影响，特别是其传动类型、传动方式、传动刚性以及传动的可靠性对系统的精度、稳定性和快速性有重大影响。2)导向机构。其作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和给定的运动方向运动，为机械系统中各运动装置安全、准确的完成其特定方向的运动提供保障。3)执行机构。执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的操作。一般要求它具有较高的灵敏度、精确度、良好的重复性和

3、可靠性等。4)轴系。轴系由轴、轴承及安装在轴上的齿轮、带轮等传动部件组成。轴系的主要作用是传递转矩及精确的回转运动，它直接承受外力（力矩）。5)机座或机架。机座或机架是支承其他零部件的基础部件。它既承受其他零部件的重量和工作载荷，又起保证各零部件相对位置的基准作用。2.机电一体化中机械系统的基本要求传统的机械系统和机电一体化系统的主要功能都是完成一系列的机械运动，但由于它们的组成不同，导致它们实现运动的方式不同。传统机械系统一般是由动力件、传动件、执行件三部分加上电器、液压和机械控制等部分组成，而机电一体化中的机

4、械系统是由计算机协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统组成。其核心是由计算机控制的，包括机、电、液、光、磁等技术的伺服系统。机电一体化中的机械系统需使伺服马达和负载之间的转速与转矩得到匹配，也就是在满足伺服系统高精度、高响应速度、良好稳定性的前提下，还应该具有较大的刚度、较高的可靠性和重量轻、体积小、寿命长等优点。因此，机电一体化中的机械系统除了满足一般机械设计的要求以外，还必须满足机电一体化系统的各种特殊要求。总体上讲，这些要求主要可归纳为以下几个方面：1

5、)高精度精度是机电一体化产品的重要性能指标，对其机械系统设计主要是执行机构的位置精度，其中包括结构变形、轴系误差和传动误差，另外还要考虑温度变化的影响。2)小惯量大惯量会使机械负载增大、系统响应速度变慢、灵敏度降低，使系统固有频率下降，容易产生谐振；使电气驱动部分的谐振频率变低，阻尼增大。反之，小惯量则可使控制系统的带宽做的比较宽，快速性好、精度高，同时还有利于减小用于克服惯性载荷的伺服电机的功率，提高整个系统的稳定性、动态响应和精度。3)大刚度机电一体化机械系统要有足够的刚度，弹性变形要限制在一定范围之内。弹性

6、变形不仅影响系统精度，而且影响系统结构的固有频率、控制系统的带宽和动态性能。4)快速响应性快速响应即要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的任务之间的时间间隔短。这样控制系统才能及时根据机械系统的运行情况得到消息，下达指令，使其准确的完成任务。5)良好的稳定性稳定性即要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响，抗干扰能力强。例如某饮料灌装机，若每分钟灌装450瓶，每秒就需灌装7.5瓶，此时已经难以看出瓶子的轮廓和机器的动作。为了使每个瓶子都灌满，而且饮料中的气体不得溢出，则要求机器在高速运行中十分平稳；在瓶子高速

7、运动的情况下，为了压盖机构灵巧、迅速的压上盖子而不压碎瓶子，要求瓶子不得晃动，压盖机构的动作也应准确、协调。这些要求对机械的支架、传动等提出了很严格的要求。2.1.2机电一体化产品对机械部件选用实例机器人是典型的机电一体化产品，下面以机器人的机构为核心，介绍一些机器人中较常选用的机械部件。1.螺纹的应用螺纹必须是内螺纹和外螺纹成对使用才能实现功能，通过内外螺纹的相互滑动接触能够起到拧紧或传递运动的作用。差动螺旋机构如图2.1.1所示，在螺杆或中空的螺母两端分别制成左旋螺纹和右旋螺纹，将螺杆或螺母向一个方向转动时，

8、两端将同时缩进或者同时伸出，这种机构称为颤动螺旋机构。由于差动螺旋机构的结构简单，所以在机械手上应用很多。图2.1.1双向螺旋建筑用长螺杆目前出现有建筑用长螺杆（图2.1.2），其长度可达300～1000mm。将其应用于简单的机器人上，可以组成大移动量的机构，非常方便。滚珠丝杠将螺纹的轴截面形状设计成圆弧形，在螺母和螺杆之间的螺旋沟槽中放入一排滚动轴承用的小钢球就构成了滚