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机电一体化系统设计题目 机电一体化系统设计基础答案篇一

1.机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。其包含的技术：（1）检测传感技术（2）信息处理技术（3）自动控制技术（4）伺服驱动技术（5）精密机械技术（6）系统总体技术

2.机电一体化系统由机械系统（机构）信息处理技术（计算机）动力系统（动力源）传感检测系统（传感器）执行元件系统（如动力机）五个子系统组成。

3.伺服系统：全闭环（通过传感器直接检测目标运动进行反馈控制的系统）、半闭环、开环。

4.广义的接口功能有两种：一是变换调整；另一种是输入/输出。

5.（1）机电一体化系统设计的考虑方法通常有：机电互补法、融合法、组合法。其目的是综合运用机械技术和微电子技术各自的特长设计出最佳的机电一体化系统（产品）。（2）机电一体化系统的设计类型：开发性设计、适应性设计、变异性设计。

复习题：一.机电一体化系统有哪些基本要素组成？分别实现哪些功能？

1.控制器【控制（信息存储、处理、传送）】2.检测传感器【计测（信息收集与交换）】3.执行元件【驱动（操作）】4动力源【提供动力（能量）】5.机构【构造】

二.工业三要素指的是什么？p7物质、能量和信息。

三.机电一体化必须具有以下三大目的功能1.变换（加工、处理）功能2.传递（移动、输送）功能3.存储（保持、和蓄、记录）功能。

第二章

1.机电一体化系统的机械系统除要求其具有较高的精度外还应具有良好的动态响应特性。就是说响应要快，稳定性要好。

2.机械系统一般由减速系统、丝杠螺母副、涡轮蜗杆副等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向支撑部件、旋转支撑部件、轴系及机架或箱体等组成。

3.传动机构不断适应新的技术要求（1）精密化（2）高速化（3）小型轻量化。

4.根据丝杠和螺母相对运动的组合情况，基本传动形式有四种类型：（1）螺母固定、丝杠转动并移动（2）丝杠转动，螺母移动（应用最多）（3）螺母转动，丝杠移动（4）丝杠固定，螺母转动并移动。

5.滚珠丝杠与滑动丝杠的区别是.滚珠丝杠无自锁。

5.p36与滑动丝杠相比,滚珠丝杠副除上述优点外,还是有轴向刚度高(通过适当预紧可消除丝杠与螺母之间的轴向间隙)运动平稳,传动精度高,不易磨损,使用寿命长等优点,但由于不能自锁,具有传动可逆性，在用做升降机传动机构时需要采取制动措施。

6.滚珠的循环方式：内循环和外循环

内循环的优点：滚珠循环的回路矩，流畅性好，效率高，螺母的径向尺寸较小，其不足是反向器加工困难，装配调整也不方便———反向器式 p27

外循环：1）螺旋槽式 2）插管式：结构简单，容易制造但是径向尺寸较大，弯管端部用做挡珠器比较容易磨损。3）端盖式

7.滚珠丝杠副的主要尺寸参数：公称直径d0 基本导程ph 行程（）

导程ph（或螺矩t）指滚珠螺母相对滚珠丝杠旋转()弧度时的行程（或螺母上基准点的思向位移）

公称导程ph0通常指用做尺寸标识的导程值p28

8滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧

滚珠丝杠副在此负载时，滚珠与滚道面接触点处将产生弹性变形，换向时其轴向间隙会引起空回，这种空回是非连续性既影响传动精度又影响系统的稳定性，单螺母丝杠副的间隙消除相当困难，实际应用中常采用以下几种预紧调整方法：

1）双螺母螺纹预紧调整方式，特点：结构简单刚性好，预紧可靠，使用中调整方便，但不能精度定量地进行调整

2）双螺母垫片预紧调整式，特点：可实现定量调整可进行精密微调使用中调整较方便。调整公式：=n*t1/z1-n*t2/z2n齿数t导程

3）比螺母垫片挏预紧式，特点：结构简单，刚性高，预紧可靠但使用中调整不方便

4）弹簧式自动预紧调整式：特点：能消除使用过程中因磨损或弹性变形产生的间隙，但其结构复杂，轴向刚度低，适合用于轻载场合。

5）单螺母变位导程预紧式和螺母滚珠过盈预紧式

9.滚珠丝杠副支承方式的选择：

1）单推—单推式：特点：轴向刚度高，预拉伸安装时预紧力较大，但寿命比双推—双推式低

2）双推—双推式：适合于高刚度，高转速，高精度的精密丝杠传动系统

3）双推—简支式：双推端可预伸拉安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速，传动精度 的长丝杠传动系统

4）双推—自由式：轴的刚度和承载能力低，多用于轻载，低速的垂直安装的丝杠传动系统p3810．个传动比的最佳分配原则：（1）重量最轻原则对于小功率传动系统是各级传动i1=i2=i3=……=（）即可使传动装置的重量最轻。对于大功率各级传动比一般应以“先大后小”的原则处理。（2）输出轴转角误差最小原则：为了提供机电一体化系统传递运动精度，各级传动比应按先小后大的原则分配，以便降低齿轮的加工误差、安装误差以及回转误对输出转角精度的影响。（3）等效转动惯量最小原则利用该原则所设计的齿轮传动系统换算到电动机轴上的等效转动惯量最小.（公式：）

11.导轨副的组成：承导件和运动件组成。按接触面的摩擦性质可分：滑动导轨，滚动导轨，流体介质摩擦导轨。按其结构特点：开式导轨和闭式导轨。

12.常见的导轨副截面形式p54组合形式：双三角形、矩形和矩形组合、三角形和矩形组合、三角形和平面组合、燕尾形导轨及其组合。（1）三角形导轨（2）矩形导轨（3）燕尾形导轨（4）圆形导轨

13.导轨副间隙地调整p57为了保证导轨正常工作 导轨滑动表面之间应保持适当的间隙。(1)压板（2）镶条法。

第三章

1.什么是执行元件：该元件是处于机电一体化系统的机械系统与微电子控制系统的接点部位的能量转换部件，它能在微电子控制系统的控制下将各种形式的输入能量转换为机械能。

2.对执行元件的基本要求：（1）惯量小、动力大（2）体积小重量轻（3）便于维修安装（4）易于微机控制。

执行元件种类：电动式，液动式，全动式。

3.对控制用电机的基本要求：（1）性能密度大（2）快速性好，即加速转矩大，频响特性好。（3）位置控制精度高，调速范围宽，低速运行平稳无爬行现象，分辨率高振动噪声小

（4）适应起停频繁的工作要求（5）可靠性高寿命长。

4.三种电机的比功率：在额定输出功率相同的条件下，比功率（），交流伺服电机得比功

率最高，直流伺服电机次之步进电机最低。电机：动力用电动机、控制用电动机。

ac的调整方法：直流伺服电机为直流供电，为调节电动机转速和方向，需要对其直u流电压的大小和方向进行控制。目前常用晶体管脉宽调理驱动和晶闸管直流调速驱动两种方式。（pwm）脉宽调制

交流电动机的矢量控制是交流伺服系统的关键，可以利用微处理器和计算机数控（cnc）对交流电动机作磁场的矢量控制，从而获得对交流电动机的最佳控制。

磁场的矢量图

7.交流伺服电机的控制方法：(幅值,相位,幅相)控制

8.p103步进电机又称脉冲电机,它是将脉冲信号转换或机械角位移的执行元件

9.步距角:转子沿（顺）逆时针方向一步步地转动，每步转过的角度（转子脉冲转过的角度）。相：定子有个均匀分布的磁极，每两个相对磁极组成一相。拍：从一相通电接到另一相通电称一拍。单拍：励磁绕组依次单独通电运行。双拍：两相励磁绕组同时通电。

10.步进电机的步距角越小,意味着它所能达到的位置精度越高,通常的步距角是1.5度或0.75度

步距角的大小,=360度 /(zm)z：齿数 m：相*单或双拍，转速v=60f/mz 步距角大小与通电方式和转子齿数有关。

11.步进电机的运行特性：1分辨率，2静态特性，3动态特性

12.负载转动惯量与启动频率的关系：随着负载的增加，起动频率也会降低

13.步进电机的驱动与控制，只要控制输入电脉冲的数量及频率就可精确控制步进电机的转角及转速

14.细分驱动的特点，这种得一个步距角细分面若干步的驱动方法称为细分驱动特点：在不改动电机结构参数的情况下能使步进电机角减小，能使步进电机运行平稳，提高匀速性，并能减弱或消除振荡，但细分后的步距角精度不高，功率放大红色动电路也相应复杂。

15。无累积误差

第四章

1.专用与通用的抉择：专用控制系统适合于大批量生产机电一体化产品。对于多品种中小批量生产的机电一体化产品来说，由于还在不断改进，结构还不十分稳定，特别是对现有设备进行改造时采用通用控制系统比较合理。

2.硬件与软件的权衡：动算与判断处理等，适宜用软件来实现，而在大多数情况下，对于某种功能来说，既可用硬件来实现又可用软件来实现

3.总线类型：由数据总线，地址总线，控制总线。

总线的组成:

4.8086有两种工作模式：最大（mn/mx接地）和最小（mn/mx接+5v电压）工作模式。

5.读图4.7（1）8086最高访问20位，有16个拐角，分时发出一次16一次锁存4寻址空间64k。（2）74ls374为地址锁存器 两片74ls245收发器作为16位数据驱动器。

rom的区别：ram存取速度快，随机存储器。rom只读存储器。

7.总线驱动的作用：当总线上所挂芯片的数目较多时，必须加总线驱动器来提高总线的驱动

能力，否则将使系统的可靠性大大降低，甚至不能正常工作。

8.i/o接口硬件电路的组成：主要由地址译码器，i/o读码译码和i/o接口芯片组成。

9.i/o寻址方法（p152）由指定控制字来规定各端口的工作状态，将此控制字送入控制寄存器后，即可规定各端口的输入输出。

10.实现片选的方法（1）逻辑电路法（2）译码器

显示方法：动态和静态两种。当显示位数很少时采用静态法，当显示所需的i/o太多一般采用动态显示法。（动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器）

外部连接光电隔离电路及作用

为了防止强电干扰以及他干扰信号通过i/o控制电路进入计算机影响其工作，通常的办法是首先采用滤波吸收，抑制干扰信号的产生，然后采用光电隔离的办法，使微机与强电部件不共地。阻断干扰信号的传导，光电隔离电路主要由光电耦合器的光电转换元件组成。作用：1）可将输入与输出央两部分电路的地线分开，各自使用一套电源供电。2）可以进行电平转换3)提高驱动能力

12。plc可编程逻辑控制器p172

13。检测传感器的分类与基本要求

传感器是将被检测对象的各种物理变化量变为电信号的一种变换器

传感器按输出性能分为：开关型，模拟型，数字型

14。校准：用户在使用前或在使用过程中或搁置一段时间后再使用时必须对其性能参数进行复测或作必要的调整与修正。以保证其测量精度这个测的过程就是校准

第五章

机电一体化系统操作过程的控制目的有两个，其一些根据操作条件的变化制定最佳操作方案，其二是对操作过程进行自动检测和自动控制，提高控制性能，实现规定的目的功能

第七章

p.i.d调节是指(p表示比例,i表示积分,d表示微分)

pid调节器控制作用三种基本形式:比例作用,积分作用,微分作用.p调节缺点：存在误差，干扰较大，惯性也较大的系统不宜采用单纯的比例调节器。i调节：可以减少或消除误差，但积分调节反应慢。

pi调节：比例积分调节克服了单纯比例环节有调节误差的缺点又避免了积分环节反应慢的弱点，既改善系统的稳定性能又改善其动态性能。

pid调节：不但能改善系统稳定性能也能改善起动态性能，噪声大或响应快的系统不适用。

第八章

数控机电一体化改选考虑什么?

传统机床机电一体化的改造方法有两种：一是以微机为中心设计控制系统，另一种是采用标准的步进电机数字控制系统作为主要控制装置。

机电一体化系统设计题目 机电一体化系统设计基础答案篇二

a“机电一体化”是机械技术、电子技术和信息技术等各相关技术有机结合的一种新形式，是电子技术向机械技术领域渗透过程中逐渐形成的一个新概念。关于“机电一体化”(mechatronics)这个名词的起源，说法很多。

较为人们所接受的含义： “机电一体化是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引用微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称” 机电一体化的目的是提高系统(产品)高附加价值化，即多功能化、高效率化、高可靠性化、省材料省能源化，并使产品结构向轻、薄、短、小巧化方向发展，不断满足人们生活的多样化需求和生产的省力化、自动化需求。

优先发展的机电一体化领域必须同时具备下述几个条件：①短期或中期普遍需要；②具有显著的经济效益 ；③具备或经过短期努力能具备必需的物质技术基础；④社会效益十分显著的领域。

6大共性关键技术：1.检测传感技术，检测传感器属于机电一体化系统（或产品）的检测传感元件。2.信息（信息处理）技术，信息技术包括信息的输入、变换、运算、存储和输出技术。3自动控制技术，自动控制技术包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、再现、检索等技术。4.伺服驱动技术，伺服驱动技术，伺服驱动技术主要是执行元件中的一些技术问题。5.精密机械技术，机电一体化产品对精密机械提出的新要求有：减轻重量、缩小体积、提高精密、提高刚度、改善动态性能等。6.系统总体技术，系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统的观点和方法，将总体分解成若干功能单元，找出能完成各个功能的技术方案，再把功能与技术方案组合成方案进行分析、评价和优选的综合应用技术。

机电一体化系统（产品）由

机械系统(机构)、电子信息处理系统(计算机)、动力系统(动力源)、传感检测系统(传感器)、执行元件系统(如电动机)，五个子系统组成。

系统的五种内部功能：1.主功能： 实现系统“目的功能”直接必需的功能。2.动力功能： 向系统提供动力、让系统得以运转的功能。3.计测功能： 对系统内部信息和外部信息进行检测与计算处理的功能。4.控制功能： 对整个系统进行控制，使系统正常运转以实施 “目的功能”。5.构造功能 ：使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必需的功能。

广义接口功能有两种：1.变换调整功能、调整2.输入/输出。

根据接口的变换、调整功能，可将接口分成以下四种： 1)零接口。不进行任何变换和调整、输出即为输入等，仅起连接作用的接口，称为零接口。例如输送管、接插头、接插座、接线柱、传动轴、导线、电缆等。2）无源接口。只用无源要素进行变换、调整的接口，称为无源接口。例如齿轮减速器、进给丝杠、变压器、可变电阻器以及透镜等。3)有源接口。含有有源要素、主动进行匹配的接口，称为有源接口。例如电磁离合器、放大器、光电耦合器、d/a转换器、a/d转换器以及力矩变换器等。4)智能接口。含有微处理器，可进行程序编制或可适应性地改变接口条件的接口，称为智能接口。例如自动变速装置，通用输入／输出lsi(8255等通用i/o)、gp-ib总线、std总线等。

根据输入／输出功能可分成以下四种广义接口：1）机械接口2）物理接口 3）信息接口

4）环境接口。

工业三大要素 物质、能量和信息

机电一体化对三大要素的三大效果省能源，省资源，智能化

机电一体化系统（产品）设计的考虑方法：1)机电互补法又称取代法。该方法的特点是利用通用或专用电子部件取代传统机械产品（系统)中的复杂机械功能部件或功能子系统，以弥补其不足。2）结合(融合)法，它是将各组成要素有机结合为一体构成专用或通用的功能部件(子系统)，其要素之间机电参数的有机匹配比较充分。3）组合法，它是将结合法制成的功能部件(子系统)、功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统（品），故称组合法。

机电一体化系统的设计类型：1）开发性设计，它是没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理和要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品或系统。2)适应性设计，它是在总的方案原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品的性能和质量增加某些附加价值。3)变异性设计，它是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有所变更的要求。

b设计主要从以下几方面采取措施：1)采用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)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；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)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。

随着机电一体化技术的发展，要求传动机构不断适应新的技术要求。具体讲有三个方面：1)精密化，—对某种特定的机电一体化系统（或产品）来说，应根据其性能的需要提出适当的精密度要求。虽然不是越精密越好，但由于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。2)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。3)小型化、轻量化，—随着机电一体化系统(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。

丝杆和螺母相对运动的组合情况，有一下类型：1.螺母固定，丝杆转动并移动；2丝杆转动、螺母移动；3.螺母转动、丝杆移动；4丝杆固定、螺母转动并移动。

丝杠螺母机构的传动形式及选择方法是：(1)螺母固定、丝杠转动并移动如图2—2a所示，该传动形式因螺母本身起着支承作用，消除了丝杠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。但其轴向尺寸不宜太长，否则刚性较差。因此只适用于行程较小的场合。(2)丝杠转动、螺母移动如图2-2b所示，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，丝杠刚性较好。适用于工作行程较大的场合。(3)螺母转动、丝杠移动如图2_2c所示，该传动形式需要限制螺母移动和丝杠的转动，由于结构较复杂且占用轴向空间较大，故应用较少。(4)丝杠固定、螺母转动并移动如图2—2d所示，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。此外，还有差动传动方式，其传动原理如图2_3所示。该方式的丝杠上有基本导程(或螺距)不同的(如l01、l02)两段螺纹，其旋向相同。当丝杠2转动时，可动螺母1的移动距离s=n(l01-l02)(n为丝杠转速)，如果两基本导程的大小相差较少，则可获得较小的位移s。因此，这种传动方式多用于各种微动机构中。

滚珠丝杠副的结构类型可以从螺纹滚道的截面形状、滚珠的循环方式和消除轴向间隙的调整方法进行区别。

滚珠的循环方式有：滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环两种。外循环---外循环方式中的滚珠在循环返向时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外作循环运动。从结构上看，外循环有以下三种形式：1）螺旋槽式2）插管式3)端盖式 精度等级：根据gb/t17587.3-1998（与iso 3408-3：1992同）标准，将滚珠丝杠副的精度分成为1、2、3、4、5、7、10共七个等级，最高级为1级，最低级为10级。

推荐采用的精度等级：数控机床、精密机床和精密仪器等用于开环和半闭环进给系统，根据定位精度和重复定位精度的要求可选用1、2、3级，一般动力传动可选4、5级，全闭环系统可选2、3、4级。

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）单螺母变位导程自预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式。

滚珠丝杆副支承方式的选择：1之承方式：1)单推-单推式，2)双推-双推式，3)双推-简支式4)双推-自由式。2制动装置。

各级传动比的最佳分配原则：1.重量最轻原则。2.输出轴转角误差最小原则3.等效转动惯量最小原则.综合上述，在设计中应根据上述的原则并结合实际情况的可行性和经济性对转动惯量、结构尺寸和传动精度提出适当要求。具体来讲有一下几点：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.对于要求运动平稳、起停频繁和动态性能好的伺服系统的减速齿轮系，可按最小等效转动惯量和总转角误差最小的原则来处理。对于变负载的传动齿轮系统的各级传动比最好采用不可约的比数，避免同期齿合以降低噪声和振动。3.对于提高传动精度和减小回程误差为主的传动齿轮系，可按总转角误差最小原则。对于增速传动，由于增速时容易破环传动齿轮系工作的平稳性，应在开始几级就增速，并且要求每级增速比最好大于1：3，以利于增加轮系刚度、减小传动误差。4.对较大传动比传动的齿轮系，往往需要将定轴轮系和行星轮系巧妙结合为混合轮系。对于相当大的传动比，并且要求传动精度与传动效率高、传动平稳、体积小、重量轻时，可选用新型的谐波齿轮传动。

齿轮传动间隙的调整方法：1，圆柱齿轮传动：偏心套（轴）调整法，轴向垫片调整法，双片薄齿轮错齿调整法。

圆形导轨：此类导轨制造方便，外圆采用磨削，内孔经过珩磨，可达到精密配合，但磨损后很难调整和补偿间隙。圆柱形导轨有两个自由度，适用于同时作直线运动和转动的地方。若要限制转动。可在圆柱表面开键槽或加工出平面，但不能承受大的扭矩，亦可采用双圆柱导轨。圆柱导轨用于承受轴向载荷的场合。

2-19.设有一谐波齿轮减速器，其减速比为100，柔轮齿数为100 答：根据公式:ihr=zr/(zr-zg)可知: 当ihr=100时,zg=99,（但一般刚轮齿数比柔轮齿数多，所以舍去）当ihr=-100时,zg=101;故该谐波减速器的刚轮齿数为101,（柔轮）输出轴方向与（波发生器）输入轴转向相反。(提示：一般来说，刚轮仅比柔轮多几个齿；刚轮固定时，柔轮与输出轴固联；柔轮固定时，刚轮与输出轴固联，两种情况下，波发生器均与输入轴固联)c．执行元件的种类及特点：1.电气式执行元件，包括控制用电动机(步进电动机、dc和ac伺服电动机)、静电电动机、磁致伸缩器件、压电元件、超声波电动机以及电磁铁等。其中，利用电磁力的电动机和电磁铁，因其实用、易得而成为常用的执行元件。对控制用电动机的性能除了要求稳速运转性能之外，还要求具有良好的加速、减速性能和伺服性能等动态性能以及频繁使用时的适应性和便于维修性能。2.液压式执行元件，主要包括往复运动的油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸占绝大多数。目前，世界上已开发了各种数字式液压式执行元件，例如电-液伺服马达和电-液步进马达，这些电-液式马达的最大优点是比电动机的转矩大，可以直接驱动运行机构，转矩/惯量比大，过载能力强，适合于重载的高加减速驱动。3.气压式执行元件，气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执行元件无什么区别。具有代表性的气压执行元件有气缸、气压马达等。气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度较高的场合使用。

对执行元件的基本要求：1.惯量小、动力大

2.体积小、重量轻，既要缩小执行元件的体积、减轻重量，同时又要增大其动力，故通常用执行元件的单位重量所能达到的输出功率或比功率，即用功率密度 或比功率密度来评价这项指标。设执行元件的重量为g，则功率密度 为 p/g。比功率密度为(t2/j)/g。3.便于维修、安装，执行元件最好不需要维修。无刷dc及ac伺服电动机就是走向无维修的一例。4.宜于微机控制，根据这个要求，用微机控制最方便的是电气式执行元件。因此机电一体化系统所用执行元件的主流是电气式，其次是液压式和气压式(在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节)。内燃机定位运动的微机控制较难，故通常仅被用于交通运输机械。

对控制用电动机的基本要求：

开环系统：步进电机。半闭环，闭环系统：伺服电动机。

d简述步进电机的工作原理：其定子有六个均匀分布的磁极，每两个相对磁极组成一相，即有a-a1、b-b1、c-c1三相，磁极上绕有励磁绕组。假定转子具有均匀分布的四个齿，当a、b、c三个磁极的绕组依次通电时，则：a、b、c三对磁极依次产生磁场吸引转子转动。

简述步进电机距角大小的计算方法：步距角的大小与通电方式和转子齿数有关，其大小可用下式计算：步距角＝360°／(z m)式中 z-转子齿数；m-运行拍数，通常等于相数或相数整数倍，即m=kn(n为电动机的相数，单拍时k＝1，双拍时k＝2)。步进电机也可以制成四相、五相、六相或更多的相数，以减小步距角并改善步进电机的性能。-说明cpu,mc,与mcs的关系：微处理机简称cpu。它是一个大规模集成电路(lsi)器件或超大规模集成电路(vlsi)器件，器件中有数据通道、多个寄存器、控制逻辑和运算逻辑部件，有的器件还含有时钟电路，为器件的工作提供定时信号。微型计算机，简称mc。它是以微处理机(cpu)为中心，加上只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、输入／输出接口电路、系统总线及其他支持逻辑电路组成的计算机。上述微处理机、微型计算机都是从硬件角度定义的，而计算机的使用离不开软件支持。一般将配有系统软件、外围设备、系统总线接口的微型计算机称为微型计算机系统，简称mcs。

微机选用要点：不同领域可选用不同品种、不同档次的微机。生产系统自动化、机床自动化、数控机床一般应用8位或16位微机系统，特别是控制系统与被控对象分离时，可使用单板机、多板机微机系统。像家用电器、商用产品，计算机一般装在产品内，故应采用单片机或微处理器。然而，这类产品处理速度不高、处理数据量不大、处理过程又不太复杂，故主要采用4位或8位微机。在要求很高的实时控制及复杂的过程控制、高速运算及大量数据处理等场合，如智能机器人、导航系统、信号处理系统应主要使用16位与32位微机。对一般的工业控制设备及机电产品、汽车机电一体化控制、智能仪表、计算机外设控制、磅秤自动化、交通与能源管理等，多采用8位机。换句话说，4位机常用于较简单、规模较小的系统(或产品)，16位与32位机及64位机主要用于较复杂的大系统，8位机则用于中等规模的系统。由于单片机的迅速发展，它的功能更强，性能更完善，逐渐满足各种应用领域的要求，应用范围不断扩大，不但用于简单小系统，而且不断被复杂大系统所采用。

说明光电耦合器的光电隔离原理：控制输出时，从上图a可知，微机输出的控制信号经74ls04非门反相后，加到光电耦合器g的发光二极管正端。当控制信号为高电平时，经反相后，加到发光二极管正端的电平为低电平，因此，发光二极管不导通，没有光发出。这时光敏晶体管截止，输出信号几乎等于加在光敏晶体管集电极上的电源电压。当控制信号为低电平时，发光二极管导通并发光，光敏晶体管接收发光二极管发出的光而导通，于是输出端的电平几乎等于零。同样的道理，可将光电耦合器用于信息的输入，如上图b所示。当然，光电耦合器还有其他连接方式，以实现不同要求的电平或极性转换

e．mc/fmc/fms/fa/cims的含义是什么：mc：加工中心；fmc：柔性制造单元；fms：柔性制造系统；fa:

cims：计算机集成制造系统。f．计算：

系统调节方法：调节器及其传递函数，2.调节作用分析，3.速度反馈校正

可靠性设计：所谓可靠性，是指“产品(或系统)在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力”。“完成规定功能”就是能够连续地保持产品(或系统)的工作能力，使各项技术指标符合规定值。

保证系统（产品）可靠性的方法：

自动控制：在系统(产品)设计中，利用机电一体化技术的优势，使系统(产品)具有自适应、自调整、自诊断甚至自修复的功能，可以大大提高系统(产品)的可靠性。这是因为自适应和自调整等自动化技术，能使机器具有适应工作条件经常变化的功能(对外界的作用作出反应)，以及恢复丧失了的工作能力的功能，使系统(产品)不仅具有完成规定功能的能力，而且能够长时期地保持这种能力，不必担心外界影响，也不必担心系统(产品)本身在运转过程中发生故障。（2）冗余技术。冗余技术又称储备技术。它是利用系统的并联模型来提高系统(产品)可靠性的一种手段。冗余有工作冗余和后备冗余两类。工作冗余：又称工作储备或掩蔽储备，是一种两个或两个以上单元并行工作的并联模型。平时，由各个单元平均负担工作应力，因此工作能力有冗余。只有当所有的单元都失效时系统才失效，如果还有任何一个单元未失效，系统就可靠地工作，不过这个单元要负担额定的全部工作应力。后备冗余：又称非工作储备或待机储备。平时只需一个单元工作，另一个单元是冗余的，用于待机备用。这种系统必须设置失效检测与转换装置，不断检测工作单元的工作状态，一旦发现失效就启动转换装置，用后备单元代替失效的工作单元。（3）诊断技术。从本质上来看，诊断技术是一种检测技术，用来取得有关系统(产品)中产生的失效(故障)类型和失效位置信息。它的任务有两个：一是出现故障时，迅速确定故障的种类和位置，以便及时修复；二是在故障尚未发生时，确定产品中有关元器件距离极限状态的程度，查明系统(产品)工作能力下降的原因，以便采取维护措施或进行自动调整，防止发生故障。诊断的过程是：首先对诊断对象进行特定的测试，取得诊断信号(输出参数)，再从诊断信号中分离出能表征故障种类和位置的异常性信号，即症兆；最后将症兆与标准数据相比较，确定故障的种类和故障位置。测试：通常有两种测试，一是在故障出现之后，为了迅速确定故障的种类和位置，对诊断对象进行的试验性测试，这时诊断对象处于非工作状态，这种情况称为诊断测

试；二是在故障发生之前，诊断对象处于工作状态，为了预测故障或及时发现故障而进行的在线测试，这种情况称为故障监测。症兆：症兆是有助于判断故障种类和故障位置的异常性诊断信号，可分为直接症兆和间接症兆两类。直接症兆是在检测产品整机的输出参数或可能出现故障的元、部件的输出参数时，取得的异常性诊断信号。例如，系统(产品)的主要性能参数异常或有关机械零件的磨损量、变形量等参数变化的信号。间接症兆是从那些与系统(产品)工作能力存在函数关系的间接参数中取出的异常性诊断信号。例如，系统(产品)的音响信号、温度变化、润滑油中的磨损产物、系统动态参数(幅频特性)等，都可作为取得间接症兆的信号。采用间接症兆进行诊断的主要优点是，可以在系统(产品)处于工作状态及不作任何拆卸的情况下,评价产品的工作能力。其缺点是，间接症兆与系统(产品)输出信号之间往往存在某种随机关系，此外，一些干扰因素也会影响间接症兆的有效性。尽管如此，间接症兆在诊断技术中还是得到了广泛应用。诊断：诊断就是将测试取得的诊断信号与设定的标准数据相比较，或利用事先确定的症兆与故障之间的对应关系，来确定故障的种类与部位。标准数据是根据系统(产品)或元、部件输出参数的极限值来设定的。症兆与故障之间的对应关系，可根据理论分析或模拟仿真试验来建立，这种关系用列表形式来表示时，称为故障诊断表，有时称为故障字典。前面简述了保证系统(产品)可靠性的方法，其中裕度法主要是一种改进硬件的措施，自动控制法以及冗余技术和诊断技术是用硬件、软件或两者结合来保证系统(产品)可靠性的措施。

干扰和抗干扰措施：（1)干扰源。一般来说，在机电一体化系统（产品）中，用专用或通用微型计算机组成的控制器，其硬件经过筛选和老化处理，可靠性非常高，平均无故障工作时间较长，因此，引起控制器故障(失效)的原因多半不在于其本身，而在于从各种渠道进入控制器的干扰信号。下图表示干扰信号进入控制器的各种渠道。这些渠道可分为两大类型：一是传导型，通过各种线路传入控制器，包括供电干扰、强电干扰和接地干扰等；二是辐射型，通过空间感应进入控制器，包括电磁干扰和静电干扰等。供电干扰：控制器一般都配备有专用的直流稳压电源，即使如此，从交流供电网传来的干扰信号仍然可能影响电源电压的稳定性，并可能经过整流电源窜入控制器。这些干扰信号主要来源于附近大容量用电设备的负载变化和开、停时产生的电压波动。这些设备在起动时使电网电压瞬时降低，在停止时又产生过电压和冲击电流。此外，雷电感应也会产生冲击电流。供电电网对控制器的另一种干扰是断电或瞬时断电，这将引起数据丢失或程序紊乱。强电干扰：驱动电路中的强电元件如继电器、电磁铁和接触器等感性负载，在断电时会产生过电压和冲击电流。这些干扰信号不仅影响驱动电路本身，还会通过电磁感应干扰其他信号线路。这种强电干扰信号能通过外部接口通道影响控制器内部i/o接口的状态，并通过i/o接口进入控制器。接地干扰：接地干扰是由于接地不当、形成接地环路产生的。下图为接地环路的两种典型情况。图a是由于接地点远而形成的环路，因为不同位置的接地点一般不可能电位相同，因此形成图中所示的地电位差；图b是采用公用地线串联接地而形成的环路，由于各设备负载不平衡、过载或漏电等原因，可能在设备之间形成电位差；无论哪种情况形成的电位差，都会产生一个显著的电流而干扰电路的低电平。辐射干扰：如果在控制系统附近存在磁场、电磁场、静电场或电磁波辐射源，就可能通过空间感应，直接干扰系统中的各设备(控制器、驱动接口、转换接口等)和导线，使其中的电平发生变化，或产生脉冲干扰信号。系统附近或系统中的感性负载是最常见的干扰源，它的开、停会引起电磁场的急剧变化，其触点的火花放电也会产生高频辐射。人体和处于浮动状态的设备都可能带有静电，甚至可能积累很高的电压。在静电场中，导体表面的不同部位会感应出不同的电荷，或导体上原有的电荷经感应而重新分配，这些都将干扰控制系统的正常运行。

（2)抗干扰措施。用来抑制上述各种干扰信号的产生或防止干扰信号危害的抗干扰措施，既有针对各种干扰源的性质和部位而采取的措施，也有从全局出发而采取的提高产品可靠性的措施。

供电系统的抗于扰措施：针对交流供电网络这个干扰源所采取的抗干扰措施主要是稳(稳压)、滤(滤波)、隔(隔离)。

增加电子交流稳压器：在直流稳压电源的交流进线侧增加电子交流稳压器、用来稳定220v单向交流进线电压，可以进一步提高电源电压的稳定性。

增加低通滤波器，用来滤去电源进线中的高频分量或脉冲电流。

加入隔离变压器，以阻断干扰信号的传导通路，并抑制干扰信号的强度。

在可靠性要求很高的地方，可采用不间断电源(具有备用直流电源)，以解决瞬时停电或瞬时电压降所造成的危害。接口电路的抗干扰措施：在控制器与执行元件之间的驱动接口电路中，少不了由弱电转强电的电感性负载，以及用来通、断电感负载的触点，这些都是产生强电干扰的干扰源。对于这种干扰，首先是采取吸收的方法抑制其产生，然后采取隔离的方法，阻断其传导。这种强电干扰，也会通过电磁感应影响控制器与检测传感器之间的转换接口电路。对于这种干扰以及从空间感应受到的其他辐射干扰，也需采取隔离的办法，以免通过转换接口进入控制器。采用rc电路或二极管和稳压二极管吸收在电感负载断开时产生的过电压，以消除强电干扰。

采用光隔离措施以防止驱动接口中的强电干扰及其他干扰信号进入控制器。如下图a所示,gt为光电耦合器，信号在其中单向传输，其输入端与输出端之间的寄生电容很小，绝缘电阻又非常大，因此干扰信号很难从输出端反馈到输入端，从而起到隔离作用。

转换接口的隔离：为了防止各种干扰影响由检测传感器传来的较弱的模拟信号，通常采用差分式运算放大器来隔离干扰信号，其原理如下图b所示。这种放大器的输出信号决定于两个输入端的电位差，即up-ui，而干扰信号的相位及大小对两个输入端来说是相同的，因此干扰信号就被抵消了。

对于近距离的检测传感器发出的数字或脉冲信号，不必再经过放大，可采用下图c所示的抗干扰电路。由r1和c1组成滤波器，滤去高频干扰。由于经过rc滤波后的脉冲信号往往有脉动和抖动，为了改善脉冲前沿，故增加了一级整形电路。

接地系统的抗干扰措施：要防止从接地系统传来的干扰，主要方法是切断接地环路，通常采用以下措施。

并联接地，单点接地，光电隔离。

机电一体化系统的“失效”与“故障”有何异同：如果产品不能完成规定功能，就称为失效，对于可修复的产品，也可称为故障。可见失效(或故障)是一种破坏产品(或系统)工作能力系统(产品)完成规定的功能是相对于“规定条件”和“规定时间”而言的。“规定条件”是指使用时的应力条件(工作条件)、环境条件和存储时的存储条件等，“规定条件”不同，系统（产品）的可靠性也不同。例如，同一半导体器件，在使用时要求输出不同的功率，但不同的温度和湿度等环境条件、存储条件都会影响其可靠性。“规定时间”长短的不同，系统（产品）的可靠性也不同，一般来说，规定的时间越长、故障越多，可靠性也就越低。的事件，失效(或故障)越频繁可靠性就越低。

机电一体化系统设计题目 机电一体化系统设计基础答案篇三

机电一体化系统设计

1、动力系统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件系统（如电动机）等五个子系统组成。

2、系统必须具有以下三大“目的功能”：①变换（加工、处理）功能；②传递（移动、输送）功能；③储存（保持、积蓄、记录）功能。

3的变换、调整功能，可将接口分成四种：1）零接口；2）无源接口；3）有源接口；4）智能接口。

4、机电一体化系统设计的考虑方法通常有：机电互补法、结合（融合）法和结合法。

5擦、低惯量、高强度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。

6、为达到上述要求，主要从以下几个方面采取措施：

1）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）压导向支承等。

2如用加预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动和支承刚度；采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接以减少中间传动机构；丝杠的支承设计中采用两端轴向预紧或预拉伸支承结构等。

3的等效动惯量，尽可能提高加速能力。

5如选用复合材料等来提高刚度和强度，减轻重量、缩小体积使结构紧密化，以确保系统的小型化、轻量化、高速化和高可靠性化。

机电一体化系统设计题目 机电一体化系统设计基础答案篇四

第一章

“机电一体化”是由mechanics（机械学）和electronics（电子学）组合而成的词。机电一体化系统包含5个基本部分：动力源、传感器、控制器、驱动部件、执行元件或机构；实现系统的5个基本功能：提供动力与能量、检测与计量、控制、为执行机构提供驱动、完成系统功能所必需的动作。

机电一体化设备的特点：

1.操作简单，对操作者要求低

2.生产效率高

3.产品的一致性好

4.设备安全性高

5.设备维护成本高

第二章

原动力：独立于系统之外并为系统提供一切能量。常见的原动力有：交流电机、直流电机、压缩空气和压力油。

电机按形式可分为模拟电机和数字电机，常用的交流电机和直流电机均属于模拟电机，常用的数字电机有交流伺服电机、直流伺服电机和步进电机。

常用的减速器类型有：齿轮减速器、蜗杆减速器、行星齿轮减速器。减速器选用时，应考虑传动比的大小、输入/输出轴的空间位置、使用条件以及经济性等因素。

普通齿轮减速器具有效率高、适应性强等优点，缺点是外形尺寸较大，适用于场地空间不受限制、长期或连续大功率工作的场合。

蜗杆减速器工作平稳，无噪声，体积小、质量轻、机构紧凑，但传动效率低，只适用于中小功率和间歇工作的场合。

行星齿轮减速器传动比范围大、体积小、质量轻、结构紧凑，并且可做成输出/输入同轴的形式，缺点是某些类型的结构稍复杂。

直线运动大多是由电机的旋转运动产生的。当电机匀速转动时，被驱动件的直线运动也是匀速运动时，称为线性直线运动。当电机匀速转动时，被驱动件的直线运动为非匀速运动，称之为非线性直线运动。

第三章

传感器是将特定的物理量按照一定的规律转换成电信号或其他形式信号的器件或装置。传感器由敏感元件、传感元件及测量转换电路3部分组成。按输出信号的种类可

分为开关量传感器、模拟量传感器和数字量传感器。

传感器的特性是指传感器输出信号与输入信号之间的对应关系，分为静态特性和动态特性。

精度是反映自动检测仪表的测量准确度的指标，是衡量传感器质量的最重要的指标。

灵敏度是指在稳定状态下，传感器的输出量变化值与引起该变化的输入量变化值之比。

分辨率是指传感器能检测出的被测信号的最小变化量。

线性度也叫线性度非线性误差，是指传感器实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差和传感器满量程输出的百分比。

迟滞是指传感器的正向特性与反向特性不一致的程度。

“霍尔效应”：半导体置于磁场中，当有电流流过时，在半导体的两侧会产生一个电动势，该电动势称为霍尔电动势，电动使得大小与电流和磁场的乘积成正比。

编码器属于数字传感器，将角位移或线位移转换成数字量，角度数字编码器按照测量数据的特点可分为绝对编码器和增量编码器。

n位码盘的分辨率为，能分辨的角度为

测量精度越高。

热电偶是将两种不同材料的导体或半导体的端点焊接起来，构成一个闭合回路，当两个节点存在温度差是，两者之间便产生电动势。

热电阻正温度系数：温度升高，电阻增加。

热电阻负温度系数：温度升高，电阻减小。

正压电效应：压电材料在受到外力的作用下，在电介质表面产生电荷，在外力消除后，电荷消失。

逆压电效应：压电材料在电介质的极化方向上施加交变电场或电压，会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质变形消失。

第四章

主令电器按其功能可分为5类：控制按钮、行程开关、万能转换开关、接近开关、主令控制器。

识读电气原理图的步骤：先看主电路，后看辅助电路。，位数n越大，能分辨的角度越小，识读电气接线图的步骤：1.分析清楚电气原理图中主电路和辅助电路所含有的元器件。

2、弄清楚电气原理图和接线图中元器件的对应关系。

3、弄清电气接线图中导线的根数和所用导线的具体规格。

4、根据电气接线图中的线号研究主电路的线路方向。

5、根据线号研究辅助电路的走向。

直流电动机启动：

1、直接启动；

2、降压启动；

3、电枢回路串电阻启动

直流电动机调速：

1、电枢串电阻调速；

2、电压调速；

3、变磁通调速

直流电动机制动：

1、能耗制动；

2、反接制动；

3、回馈制动

交流电机启动：

1、直接启动；

2、降压启动；

3、星三角形启动

交流电机调速方法：

1、变频调速；

2、变极调速；

3、电磁调速；

交流电机制动方法：

1、机械制动；

2、电力制动

步进电机是一种将电脉冲信号转换为机械角位移的电磁机械装置。

步进电机特点:

1、步进电机的输出转角与输入的脉冲个数严格成正比；

2、步进电机的转速与输入脉冲的频率成正比；

3、改变通电相序即可改变电动机转向

步进电机驱动器主要包括变频信号源、脉冲分配器和脉冲放大器3个部分。

伺服电机可以把输入的电压信号变换成电机轴上的角位移和角速度等机械信号输出，改变输入电压的大小和方向，就可以改变转轴的转速和转向。

第五章

液压与启动系统的组成：控制元件、执行元件、控制调节元件、辅助元件、工作介质

液压油为液压系统的传动介质，选择时考虑两个性质：黏性和可压缩性

空气压缩机是将机械能转换为气压能的转换装置。

储气罐作用：减少空压机输出气流压力脉动，保证输出其流动的连续性；作为压缩空气瞬间消耗需要的存储补充之用；储存一定数量的压缩空气，当空压机停机或突然停电等故障发生时，备急使用；降低空压机的启动、停止频率，其功能相当于增大了空压机的功率；利用储气罐的大表面积散热使压缩空气中的一部分水蒸气凝结成水。

干燥器的作用：除去压缩空气中的水分和油分，使湿空气变成干空气。

第六章

可编程控制器的组成包括中央处理器、存储器、输入接口和输出接口。

可编程控制器的编程语言有：指令表、梯形图与功能块图。

plc的接口电路主要分为两大类：一类采用光电隔离方式、另一类采用固体继电器

隔离方式。

可编程控制器应用系统设计与调试的主要步骤如下：

1.深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求

2.确定i/o设备

3.选择合适的plc类型

4.分配i/o点

5.设计应用系统梯形图程序

6.将程序输入plc

7.进行软件测试

8.应用系统整体调试

9.编制技术文件

机电一体化系统设计题目 机电一体化系统设计基础答案篇五

项目一 数控车床主传动系统设计与部件选择

1.1无级变速传动链

1.1.1机床主传动系统设计满足的基本要求

机床主传动系统因机床的类型、性能、规格尺寸等因素的不同，应满足的要求一也不一样。在设计机床主传动系统时最基本的原则就是以最经济、合理的方式满足既定的要求。在设计时应结合具体机床进行分析，一般应满足下述基本要求:(1)满足机床使用性能要求。

首先应满足机床的运动特性，如机床的主轴有足够的转速范围和转速级数(对于主传动为直线运动的机床，则有足够的每分钟双行程数范围及变速级数);传动系统设计合理，操作方便灵活、迅速、安全可靠等。(2)满足机床传递动力要求。

主电动机和传动机构能提供和传递足够的功率和转矩，具有较高的传动效率。

1.1.2数控机床主传动系统分类

机床主传动系统可按以下不同的特征来分类:(1)按驱动主传动的电动机类型可分为交流电动机驱动和直流电动机驱动。交流电动机驱动中又可分为单速交流电动机驱动或调速交流电动机驱动两种。调速交流电动机驱动又有多速交流电动机驱动和无级调速交流电动机驱动。无级调速交流电动机通常采用变频调速的原理。(2)按传动装置类型可分为机械传动装置、液压传动装置、电气传动装置及其组合。(3)按变速的连续性可分为分级变速传动和无级变速传动(此部分在下面详细介绍)。数控机床的主传动要求有较大的调速范围，以保证在加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。大多数数控机床采用无级变速系统，数控机床主传动系统主要有以下四种配置方式:(1)主轴电动机直接驱动。

如图2一1(a)所示，电动机轴与主轴用联轴器连接，这种方式大大简化了主轴箱和主轴结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电动机发热对主轴影响较大。目前，多采用交流伺服电动机，它的功率很大，但输出功率与实际消耗的功率保持同步，效率很高。(2)电动机经同步齿形带带动主轴。

如图1一1(b)所示，电动机将其运动经同步齿形带以定比传动传递给主轴。由于输出扭矩较小，这种传动方式主要用于小型数控机床低扭矩特性要求的主轴，可以减小传动中的振动和噪声。

(3)电动机经齿轮变速传动主轴。

如图1一1(c)所示，主轴电动机经二级齿轮传动变速，使主轴获得低速和高速两种转速，从而使之实现分段无级变速，这种方式在大、中型数控机床中采用较多。经过齿轮传动降速后，电动机输出转矩可以扩大，以满足主轴低速运转时输出扭矩大的特性要求。一部分小型数控机床一也采用这种传动方式，以获得强力切削时所需要的扭矩。(4)电主轴。

如图1一1(d)所示，将调速电动机与主轴合成一体(电动机转子轴即机床主轴)，其优点是主轴部件结构紧凑、刚度高、质量轻、惯量小，且可提高调速电动机启动、停止的响应特性;其缺点是电动机发热易引起热变形。1.1.3无级变速传动链的设计 无级变速传动链可以在一定的变速范围内连续改变转速，以得到最有利的切削速度;能在运转中变速，便于实现变速自动化;能在负载下变速，便于车削大端面时保持恒定的切削速度，以提高生产效率和加工质量。无级变速传动可由机械摩擦无级变速器、液压无级变速器和电气无级变速器来实现。机械摩擦无级变速器结构简单、使用可靠，常用于中、小型车床、铣床等主传动系统中。液压无级变速器传动平稳、运动换向冲击小，易于实现直线运动，常用于主运动为直线运动的机床，如磨床、拉床、刨床等机床的主传动系统中。电气无级变速器有由直流电动机或交流调速电动机驱动的两种，由于它可以大大简化机械结构，便于实现自动变速、连续变速和负载下变速，故其应用越来越)’一泛，尤其在数控机床上目前几乎全都采用电气无级变速器。

数控机床的主运动广泛采用无级变速传动，这不仅能使其在一定的调速范围内选择到合理的切削速度，而且还能在运转中自动变速。无级变速系统有机械、液压和电气等多种形式，数控机床一般采用由直流或交流调速电动机作为驱动源的电气无级变速。由于数控机床主运动的调速范围较宽，一般情况下单靠调速电动机无法满足;另一方面调速电动机的功率和转矩特性一也难以直接与机床的功率和转矩要求安全匹配。因此，需要在无级调速电动机之后串联机械分级变速传动，以满足调速范围和功率、转矩特性的要求。(1)无级变速装置的分类。

机床主传动中常用的无级变速装置有三类:变速电动机、机械无级变速装置和液压无级变速装置。

1)变速电动机。

机床上常用的变速电动机有直流电动机和交流电动机，它们在额定转速以上为恒功率变速，通常变速范围仅为2 ~3;额定转速以下为恒定转矩变速，调整范围很大，变速范围可达30甚至更大。上述功率和转矩特性一般不能满足机床的使用要求。为了扩大恒功率变速范围，可在变速电动机和主轴之间串连一个分级变速箱。变速电动机i’一泛用于数控机床和大型机床中。

2)机械无级变速装置。

机械无级变速装置有柯普(koop)型、行星锥轮型、分离锥轮钢环型和宽带型等多种结构，它们都是利用摩擦力来传递转矩的，通过连续地改变摩擦传动副工作半径来实现无级变速。由于它的变速范围小，多数是恒转矩传动，通常较少单独使用，而是与分级变速机构串联使用，以扩大变速范围。机械无级变速器应用于要求功率和变速范围较小的中、小型车型、铣床等机床的主传动中，更多的是用于进给变速传动中。

3)液压无级变速装置。

液压无级变速装置通过改变单位时间内输入液压缸或液动机中液体的油量来实现无级变速。它的特点是变速范围较大，变速方便，传动平稳，在运动换向时冲击小;易于实现直线运动和自动化。液压无级变速装置常用在主运动为直线运动的机床中，如刨床、拉床等。(2)无级变速装置与机械分级变速机构的串联。在无级变速系统装置单独使用时，其调速范围都较小，远远不能满足现代通用机床变速范围的要求。因此，常常将无级变速装置与机械分级变速机构串联，以扩大其变速范围。(3)采用直流或交流电动机无级调速。

机床上常用的无级变速机构为直流或交流调速电动机。直流电动机是采用调压和调磁方式来得到主轴所需转速的。直流电动机从额定转速向上至最高转速是用调节磁场电流(简称调磁)的办法来调速的，属于恒功率调速;从额定转速向下至最低转速是用调节电枢电压(简称调压)的办法来调速的，属恒转矩调速。通常，直流电动机的恒功率变速范围较小，仅为2~4，而恒转矩变速范围很大，可达几十，甚至超过100。交流调速电动机靠调节供电频率的方式来调速，所以其常被称为调频主轴电动机。通常额定转速向上至最高转速气max为恒定功率，变速范围为3~5;额定转速至最低转速气为恒转矩，变速范围为几十，甚至超100。直流和交流电动机的功率转矩特性如图1-2所示。

交流调速电动机由于体积小、转动惯性小、动态响应快、没有电刷且能达到的最高转速比同功率的直流电动机高，故磨损和故障也少。现在在中、小功率领域，交流调速电动机已占优势，应用一也更加广泛。伺服电动机和脉冲步进电动机都是恒转矩的，而且功率不大，所 以只能用于直线进给运动和辅助运动。基于上述分析可知，如果直流或交流调速电动机用于拖动直线运动执行器，例如龙门刨床工作台(主运动)或立式车床刀架(进给运动)，可直接利用调速电动机的恒转矩变速范围，用电动机直接带动或通过定比减速齿轮拖动执行机构。

1.2主传动系统分析

数控车床用于加工回转体零件。它集中了卧式车床、转塔车床、多刀车床、仿形车床、自动和半自动车床的功能，是数控机床中应用较广泛的品种之一。下面以一个典型数控车床c k3263 b为例说明如何分析数控机床主传动系统，图1一4所示为c k3263 b主传动系统。主电动机经带轮副和四速变速机构驱动主轴，其传动路线表达式是

拟定转速图如图2-5所示，从图中可知，主轴共得到四段转速:

1.3 车床数控化改装主传动系统方案设计

将06140卧式车床改造成用mcs-51系列单片机控制的经济型数控车床，采用步进电动机开环控制，纵向和横向均具有直线和圆弧插补功能。将原来的主传动系统改装为主变速系统。一般的卧式车床在改装为经济型数控车床时，主传动系统和变速操纵机构是不动的，可利用暂停指令进行手动变速换挡，然后再继续加工。如果要提高机床的自动化程度或者所加工工件的直径相差较大，在加工过程中需要自动变速时，可考虑设置加工过程中的自动变速装置，本任务即后一种情况。

将机械主传动系统改装为自动变速装置的几种方案说明见下文介绍。1.采用多速电动机改装

目前采用多速电动机对主传动系统进行改装，一般是将主电动机更换为双速或四速电动机，由微机系统信号自动控制切换电动机的转速。这样做的好处是机床性能良好，主传动链改装量较少，但多速电动机的功率是随着转速的变化而变化的，所以电动机功率要选的大一些，同时电动机的尺寸一也大，因此还要增加一套电动机变速系统。2.主变速系统改装

对主轴箱内变速系统进行改装，一般是将滑移齿轮变速改为电磁离合变速。这种变速机构仍为有级变速，一般变速级数不超过四级。3.采用直流主轴电动机或交流主轴电动机改装

改装后，机床主轴由直流主轴电动机(或交流主轴电动机)通过皮带直接带动，并通过电气系统实现无级变速。

采用直流主轴电动机或交流主轴电动机改装，其改装成本高，但效果好，能获得满意的速度，而且由于传动链中没有齿轮，故噪声很小。另外在改装中要注意，主轴电动机的选择要与进给系统电动机配套，以利于使用cnc系统。图1-5所示为本任务改装后的主传动系统示意。拆下原操纵手柄，装上齿轮2;以一个180 w的交流小电动机8通过蜗轮副7和齿轮3, 2将运动传给手柄轴1，带动主轴箱内的拨叉和滑块进行变速。另外将手柄轴接长，在接长轴4上安装带单个压块6的圆盘，并在附加的机壳上固定一个装有6个微动开关的圆盘5, 6个微动开关的位置与6级变速挡位对应。当手柄轴带动圆盘转动时，压块6依次压下6个微动开关，发出6个不同信号，数控系统通过对电路信号的识别来控制变速。

自动变速过程如下:当变速电动机接到s指令后，便开始转动，通过传动装置使手柄轴带动拨叉滑块使变速齿轮移位。与此同时，在速度继电器的控制下，主电动机低速点动，以便滑移齿轮顺利地进人啮合位片。当压块压下的触点信号与数控系统s指令信号相符时，小电动机制动，主运动变速完成。这种方案保留了原主轴箱的结构，改装量小，但只适合于06140型车床。

1.3.2主传动系统设计过程 1.明确已知条件，草拟转速图 拟定转速图的一般步骤如下:(i)确定变速组数及各变速组的传动副数;(2)安排变速组的传动顺序，拟定结构式(网);(3)分配传动副传动比.绘制转凉图 2.齿轮齿数的确定

齿轮的齿数取决于传动比和径向尺寸要求。在同一变速组中，若模数相同且不采用变位齿轮，则传动副的齿数和相同;若模数不同，则齿数和s与模数m,成反比，即:

对于三联滑移齿轮，当采用标准齿轮且模数相同时，最大齿轮与次大齿轮的齿数差应大于4，以避免滑移过程中的齿顶干涉。

当传动比i采用标准公比的整数次方时，齿数和s及小齿轮齿数可以从表1一1中查得。

1.4 实训准备

1.项目任务单

项日任务单见附录二。2.项目要求

学完基础知识及实例后，学生自主分析数控车床主轴箱实物，熟悉内部组成，然后分组制订设计方案，方案合格后，开始具体设计。3.仪器与设备(1)cak4085数控车床6(2)《机床设计手册》若干。(3)扳手、钳子、直尺。4.实训步骤

(1)学生分组，并在现场分析数控车床主轴箱实物。(2)学生分组，制定任务实施方案。

(3)根据任务实施方案，学生将任务实施过程填入记录表1一2中。1.4.2项目评价

项日的整体评价如表1-3所示。

图1一1数控机床主传动的配置方式

图1-2直流和交流调速电动机的功率转矩特性

图1-4 ck3263b主传动系统

图1-5改装后主传动系统示意图

表1一1常见传动比的适用齿数

表1一2项目实施过程记录表

表1-3项目评价表

项目二数控车床导轨副设计 2.1.1导轨副设计步骤

(1)根据已知的工作条件，选择合适的导轨类型，常见导轨形式见表2-1.(2)选择导轨截面形状与组合方式。常见导轨截面形状见表2一2。1)双三角形导轨。如图2-1所示，双三角形导轨导向性和精度保持性都很高，磨损后能自动下沉补偿磨损量。两条三角形导轨副同时起支撑和导向作用，由于结构对称，两条导轨磨损均匀，故接触刚度好。但由于超定位，加工、检验、维修都较困难，而且当量摩擦系数也高，因此适于精度高的场合。例如丝杠车床、单柱坐标锁床的导轨副等。2)双矩形导轨。

如图2一2所示，双矩形导轨的刚度高，当量摩擦系数比双三角形导轨低，承载能力强，加工、检验、维修都较方便，因此被广泛使用，例如数控机床的导轨副。双矩形导轨承载面和导向面是分开的，存在侧向间隙，必须用镶条调节。

如图2一2(a)所示，用两外侧面做导向面时，间距大、热变形大、间隙大，因而导向精度低、承载能力大;如图2-2(b)所示，以内外侧面做导向面时，间距小、热变形小、间隙小，因而导向精度高、易获得较高的平行度;如图2一2(c)所示，用两内侧面做导向面时，由于导轨面对称分布在导轨中部，当传动件位于对称中心线上时，避免了由于牵引力与导向中心线不合而引起的偏转，不致在改变运动方向时引起位置误差，故导向精度高。3)三角形与矩形组合。

如图2-3(a)和图2-3(b)所示，三角形与矩形组合导轨兼有三角形导轨的良好导向性及矩形导轨的制造方便、刚性好等优点，并避免了由于热变形所引起的配合变化。其缺点是三角形导轨比矩形导轨磨损快，易造成磨损不均匀，磨损后又不能通过调节来补偿，故对位置精度有影响。

三角形与矩形组合导轨兼有导向性好、制造方便和刚度高等诸多优点，因此被广泛使用，例如车床、磨床、龙门刨床、龙门铣床、滚齿机、坐标锁床的导轨副等。4)双燕尾形导轨。

如图2一4(a)所示，它的高度较小，可以承受颠覆力矩，是闭式导轨中接触面最少的一种结构。间隙调整方便，用一根镶条就可以调节各接触面的间隙。这种导轨刚度较差，加工、检验、维修都不大方便，适用于受力小、层次多、要求间隙调整方便的场合，例如牛头刨床和插床的滑枕导轨、升降台铣床的床身导轨、车床刀架导轨副和仪表机床导轨等。5)矩形与燕尾形导轨组合。

如图2一4(b)所示，由于它兼有调整方便、能承受较大力矩的优点，故多用于横梁、立柱和摇臂的导轨副。6)双圆柱导轨组合。圆柱导轨具有制造方便、不宜积存较大切屑的优点，但间隙难以调整，磨损后一也不易补偿，因此适用于移动件只受轴向力的场合，例如攻螺纹机、机械手的导轨副等。(3)通过计算选择结构参数。

1)计算额定动载荷ca’(单位n)。

式中: kw—负荷系数，按表2一3选取;kh----硬度系数，按表2一4选取;kt—温度系数，按表2一5选取;kc—接触系数，按表2一6选取;k—寿命系数，一般取k=50;2)依据 的原则，选择结构参数。(4)其他参数选择。1)导轨材料选择。

铸铁耐磨性好，热稳定性高，减振性好，成本低，易于加工，在滑动导轨中应用广泛。淬硬的钢导轨耐磨性好。镶装塑料导轨具有耐磨性好，动、静摩擦系数接近，化学稳定性好，抗振性好，抗撕伤能力强，工作范围广，成本低等诸多优点。在选材时，支撑导件与运动件应选不同的材料，其热处理的方式一也有所不同。2)调整装置。

导轨工作时会产生间隙，间隙过小会增加摩擦阻力，间隙过大会降低导向精度，所以应选择合适的调整装置进行调整。例如滑动导轨副采用压板和镶条两种方法调整。①镶条。

镶条用来调整矩形导轨、燕尾形导轨的侧隙，以保证导轨面能正常接触。镶条应放在导轨受力较小的一侧，常用的有平镶条和楔形镶条两种。

平镶条如图2一5所示，它是靠调整螺钉1移动镶条2的位置来调整间隙的，图2一5(c)所示为在间隙调整好后，再用螺钉3将镶条2紧固。平镶条调整方便，制造容易，图2一5(a)和图2一5(b)所示的镶条较薄，而且只在与螺钉接触的几个点上受力，容易变形，刚度较低，日前较少使用。楔形镶条如图2一6所示，镶条的两个面分别与动导轨和支撑导轨均匀接触，所以比平镶条刚度高，但加工较困难。

楔形镶条的斜度为1 : 100一1:40,镶条越长，斜度应越小，以免两端厚度相差太大。如图2一6(a)所示的调整方法是用调节螺钉1带动镶条2做纵向移动以调节间隙。镶条上的沟槽a在刮配好后加工，这种方法构造简单，但螺钉头凸肩和镶条上沟槽之间的间隙会引起镶条在运动中窜动。图2一6(b)所示为从两端用螺钉3和5调节，避免了镶条4的窜动，性能较好。图2一6(c)所示为通过螺钉6和螺母7调节，镶条8上的圆孔在刮配好后加工，这种调节方法方便，且能防止镶条8的窜动，但其纵向尺寸较长。②压板。

压板用来调整辅助导轨面的间隙和承受的颠覆力矩，如图2一7所示。

2.2.1选择导轨副

1.确定最大载荷f-max 已知作用在单滑座上的最大载荷fmax，滑座数m=4，工作台受到进给方向的载荷(与丝杠轴线平行)ff= 1 401 n，工作台受到横向的载荷(与丝杠轴线垂直)f-n= 337 n ,工作台受到垂直方向的载荷(与工作台面垂直)fe=512 n，移动部件总重量g =736 n。单滑块所受的最大垂直

2.确定额定工作时间寿命孔 要求该导轨副每天开机6h，每年工作300个工作日，且工作8年以上，则额定工作时间寿命:

3.确定行程长度系数ts 要求单向行程长度ls = 0.52m，每分钟往返次数为3，则额定行程长度系数: 4.计算额定动载荷ca’(单位为n)要求工作温度不超过120 0c，工作速度为40 m/min，滚道表面硬度取60 hrc。由前面的计算结果得额定工作时间寿命th = 14 400 h。则:

表2一7为jsa一kl型直线滚动导轨副(宽型螺孔)尺寸参数，图2一8所示为其外形图;表28 jsa-zl型直线滚动导轨副尺寸参数

表2-9项目实施过程记录表

表2-10项目评价表

项目三 简易机电产品设计与制作

3.1.1设计原则

一方面，在保证产品完成规定功能的前提下，通过对构成各子系统的方案进行优化组合，降低成本，使系统功能平稳、准确、快速，以满足用户的要求。机电一体化产品的主要特征是自动化操作，功能是产品的生命，只有功能可靠，产品才具有价值。另一方面，要使功能达到最佳，机械子系统、电子信息处理子系统、动力子系统、传感检测子系统和执行机构子系统5部分构成要素的匹配、相互协调和相互补充也极为重要。而通过降低成本，并且使系统功能达到稳、准、快，又增强了产品的市场竞争力。

3.1.2设计工作流程

一个全新的机电一体化产品的正向设计和开发过程大体可以分为产品规划、概念设计和详细设计三个阶段。1.产品规划阶段

产品规划包括需求分析、市场预测和技术可行性分析，最后确定设计参数及设计制约条件，提出设计要求，并将其作为设计、评价和决策的依据。(1)需求分析。

需求分析从需求识别开始，认识需求是一种创造性工作，设计人员应深人实际，细致观察，敏锐捕捉市场的需求，并及时完成产品的开发和试制工作。(2)市场预测。

市场预测是产品的前期调研工作，调研内容主要有以下三方面: 1)面向用户的产品市场调研:主要有产品销售对象的可能销售量，用户对产品的功能、性能、质量、使用维护、包装及价格等方面的要求。此外，还应了解竞争产品的种类、优缺点和市场占有率等情况。

2)面向产品设计的技术调研:主要有行业和专业技术发展动态，相关理论的研究成果和新材料、新器件的发展动态，竞争企业、竞争产品的技术特点分析等。此外，还要了解本单位的生产基础条件。

3)面向产品生命周期的社会环境调研:主要有产品生产和目标市场所在地的经济技术政策(如产业发展政策、投资动向、环境保护及安全法规等)，产品的种类、规模及分布，社会的风俗习惯，社会人员构成状况及消费水平、消费心理和购买能力等。

通过调研应确定开发产品的必要性、种类和生命周期，预测产品的技术水平、经济效益和社会效益等，确定用户对产品的功能、性能、质量、外观和价格等方面的要求，即形成产品的初步概念，然后进行技术可行性分析。(3)技术可行性分析。

技术可行性分析包括以下几个方面: 1)关键技术和技术线路:研究本产品需要的关键技术，指明产品实现的技术路线和技术标准。例如，一个新概念汽车，采用什么样的发动机、什么样的控制总线和什么样的人机接口等。所使用的关键性技术应该是比较成熟的、成本和技术风险容易控制的。如果要采用比较前沿的新技术，则需要在市场和成本方面多做考虑。

2)可选技术方案:同样的产品可能有多种技术方案可选择，设计人员必须根据一定的准则从中选择一个最合适的方案或将这些方案进行综合处理。

3)主要性能指标及技术规格的可行性:产品的性能指标及技术规格对产品的成本和市场竞争力至关重要。性能指标和技术规格越高，产品的成本就越高，价格也就越高。但市场竞争力不完全由技术性能决定，还与其价格、品牌等许多因素有关。用户往往追求性价比高的产品。因此制定产品的规格和性能指标需要综合考虑各方面的因素，突出产品的特色，力争做到高性能、低价格。在制定主要产品的规格和性能指标时还要充分参考竞争对手的产品及发展趋势，制定最合理的参数。

4)主要技术风险:综合分析产品功能、技术规格及性能指标实现的可能性，分析产品开发、生产中可能存在的各种问题和风险，以及这些问题与风险的解决和规避方法。如果不充分考虑这些问题和风险，产品开发时间则可能拖延，从而错过市场最佳时机，使产品的成本过高、质量和成品率低或者大规模地更换生产设备等。因此，必须提前对这些问题进行充分的评估，使产品开发和生产能顺利进行。

5)成本分析:根据所制定的产品技术规格和技术路线，综合分析产品成本，包括技术成本、原材料成本、制造成本和人力成本等，为产品的立项提供决策支持。

6)结论和建议:根据产品的成本分析和技术风险分析，对产品的技术规格、性能指标和市场定位等参数提出修改建议，确定产品是否立项。产品立项应给出生产设计要求表，表中所列要求分为特征指标、优化指标和寻常指标，各项要求应尽可能量化，并按重要程度分出等级。2.概念设计阶段

在概念设计阶段输人生产设计要求表，输出总体方案。该方案主要包括产品外观和结构布置方案、产品部件或子系统划分以及设计目标、各部件或子系统的接口设计等三个方面，并制订详细设计任务书、验收规范及进度计划。

3.3案例导入

(3)确定小带轮齿数z1和小带轮节圆直径d1.应使小带轮齿数，而带轮最小许用齿数z min可查表3一3获得。当带速和安装尺比寸允许时，z1尽可能选用较大值，初步选取z1=12。(4)确定大带轮齿数z2和大带轮节圆直径d2(5)初选中心距久ao、带的节线长度lop、带的齿数zb。

根据表9-4选取接近标准的节线长度lp=381mm，相应齿数zb= 40。(6)计算实际中心距a。

设计同步带传动时，中心距a应该可以调整，以便获得适当的张紧力。(7)校验带与小带轮的啮合齿数zm 啮合齿数:(8)计算基准额定功率p0

(9)确定实际所需的同步带宽度bs。

式中bs0—选定型号的基准宽度，由表9-5可查得bs0 = 25.4mm;kz—小带轮啮合齿数系数，由表9-6可查得k, = 0.8。10)带的工作能力验算。

根据下式计算同步带额定功率p的精确值，若结果满足 率)，则带的工作能力合格。

带的设计功

同步带传动示意简图如图3-9所示。(11)结果整理。

同步带:选用l型同步带，订购型号为150 l100

最后，经过厂家订购与协商，确定带轮及带，零件如图3一

10、图3一11所示，同步带传动效果如图3一12所示。3.3.3锥齿轮传动设计

(1)确定齿轮材料及精度等级。

锥齿轮材料选择45 #钢调质，齿面硬度为217~225 hbs。经过计算齿轮传动的最大圆周速度为4.19 m/s，查表3一8可确定锥齿轮精度等级为7级)(2)确定模数及齿数。(3)计算相关参数。

根据以上尺寸画出小锥齿轮零件(见图3一13)和大锥齿轮零件图(见图3一14)。锥齿轮传动啮合部分三维造型如图3一15所示。3.3.4计数系统设计 在啤酒、汽水和罐头等灌装生产线上，常常需要对随传送带传送到包装处的成品瓶进行自动计数，以便统计产量或为计算机管理系统提供数据。光电计数器是通过红外线发射和接收进行计数的，有直射式和反射式两种。直射式的发射、接收分体，发生器和接收器分别置于流水线两边，中间没有阻挡时发射器的红外线反射到接收器上，接收器收到发射来的红外线，经相反处理使之没有信号输出，有工件经过时挡住光路，接收机失去红外线信号便输出一个脉冲信号到运算累加器进行计数。发射式是发射、接收同体，置流水线一边，前面没有工件往下流时，发射器发出的红外线直接射出没有反射，接收器没有接收到反射来的红外线信号则没有输出。有工件经过时，其将挡住光电路使发射器发出的红外线信号反射到接收器上，接收器接收到反射来的红外线信号便输出一个脉冲信号到运算累加器进行计数。本项目的设计日的是每推一个料，计数器显示一个数，逐次递增。整体方案是:通过传感器(光电开关或磁性开关)检测到推杆动作，将信号传到单片机，单片机输出，并令数码管显示推出工件个数)其结构如图3一16所示。

本设计是两种传感器均可，接线图如图3一17所示。

本设计中的计数器、光电开关、磁性开关均需外购，其外形如图3一18所示。

3.4.1实训准备

1.项目目的

(1)使学生具备一般机电产品方案的设计能力。(2)熟练掌握同步带设计方法。(3)学会查《机械设计手册》。2.项目要求

每组学生自行设计同步带系统和计数系统。3.仪器与设备

(1)电脑若干(二维设计软件、三维设计软件必有)。(2)《机械设计手册》若干。4.实训步骤(1)学生分组设计方案。

(2)两位指导教师及各组组长审核方案。

(3)方案通过后，具体设计，学生将项目实施过程填入记录表3-9中。3.4.2项目评价

项目的整体评价见表3一10。

图3一1机电一体化系统设计流程

图3一2常用电子类组装工具

图3一4方案一草图

图3一5风能供料装置结构示意

图3一6风能供料装置主要部件示意

图3一7同步带

表3-1同步带载荷修正系数ka

表3一3带轮最小许用齿数zmin

表3一4同步带节线长度l p

表3-5同步带在基准带宽下的许用工作拉力和线密度

表3一6小带轮啮合齿数系数

图3-9同步带传动示意简图

图3一10小带轮零件

图3一11大带轮零件

图3一12同步带传动效果

表3-10项目评价表