机电系统设计提纲第1章概述1 机电一体化概念以机械学、电子学和信息科学为主的多门技术学科在机电产品发展过程中相互交叉、相互渗透而形成的一门新兴边缘性技术学科。

2 机电一体化共性关键技术（1）精密机械技术（2）信息处理技术（3）自动控制技术（4）检测传感技术（5）伺服驱动技术（6）系统总体技术3 机电一体化的作用及目的作用：（1）机电一体化技术可为改造传统设备开辟新的发展途径（2）机电一体化技术将加快机电工业赶超国际水平的步伐（3）机电一体化技术将加速改善我国的出口产品结构（4）机电一体化可增强企业的生产经营能力目的：机电一体化的目的是使产品多功能化、高效率化、高智能化、高可靠化、省材料省能源化、并使产品的结构向轻、薄、细、小巧化方向发展，不断满足人们生活的多样化要求和生产的省力化、自动化需求。

4 机电一体化系统的基本组成要素机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。

第三章机电一体化系统中的机械设计1 精度（静刚度、动刚度、定位精度等）、误差概念精度的概念（1）准确度：用系统误差大小来表示，反映了测量值偏离真值的程度。

（2）精密度：用随机误差大小来表示，反映了测量值与真值的离散程度。

（3）精确度：系统误差和随机误差大小的综合反映。

（4）设计精度：指在设计时要求达到的精度。

（5）零件精度：包括零件制造的几何尺寸误差和形状位置误差。

（6）运动精度：指设备主要零部件在以工作速度运动时的精度，常用运动误差来表示。

（7）装配精度：指零部件装配后零部件或设备的尺寸和相对位置误差，包括外形尺寸、作业位置尺寸。

（8）定位精度：指机床或仪器重要部件在运动终点所能达到的实际位置的精度，是一个评价综合性能的精度指标。

（9）重复定位精度：指运动部件沿某个坐标轴向规定位置移动，作多次双向或单向定位时，其实际位置和规定位置的偏差。

（10）几何精度：指机床、仪器在不运动或运动速度较低时的精度。

综合反映零部件和组装后设备的几何形状误差和相对位置误差。

（11）传动精度：指机械传动链单向传动时，其输入端与输出端瞬时传动比的实际值与理论值之差。

通常是以传动误差和空程误差来衡量。

（12）测量精度：指计量仪器或测量系统的使用精度，是一个综合性的精度指标，常用测得值与被测值的偏差程度来衡量。

（13）重复精度：指在同一测量方法及测试条件下，在不太长的时间间隔内，连续多次测量同一个物理参数，所得数据的分散程度。

（14）复现精度：指在不同的测量方法和测试条件下，以较长的时间间隔对同一物理参数作多次测量所得数据的接近程度。

（15）动态精度：指系统的动态参数误差。

误差的概念（1）误差：对某个物理量进行测量时，所测得的数值与真值之间的差值。

反映了测量值对真值的偏离程度。

（2）真值理论真值约定真值相对真值（3）绝对误差：测得值与被测值的真值之差。

（4）相对误差：绝对误差与被测量真值之比。

（5）随机误差：在多次测量中，大小和符号都不可预定的误差。

（6）系统误差：系统误差对的大小和方向在多次测量过程中是不变的，或者是按一定规律变化的。

（7）粗大误差：在系列测得值中有个别数值明显过大，超出在正常条件下随机误差应有的范围的误差。

（8）静态参数误差：测定静态参数所得的误差。

（9）动态参数误差：测定动态参数所得的误差。

（10）原理误差：在设计过程中，因拟定系统工作原理而作的近似假定，或采用近似理论，以及为使结构简单而采用近似的简化机构和电路等，都会使实际的作用效果与理论上出现差异，所造成的误差。

（11）制造误差：包括零件制造误差、电子元器件误差和零部件、产品的装配调整误差等。

（12）运行误差：指设备在工作过程中，由于各种原因产生的误差。

（13）传动误差：指输入轴单向回转时，输出轴转角的实际值相对于理论值的变动量。

（14）空程误差：输入轴由正向回转变为反向回转时，输出轴在转角上的滞后量。

2 齿轮传动的作用及其优缺点作用：用来传递转矩和转速。

优点： 1、瞬时传动比恒定，传动精确度高；2、强度大能承受重载，结构较紧凑；3、满足主轴进给速度要求，增大主轴转矩。

缺点： 1、齿侧间隙对传动精度影响；2、齿轮的磨损引起反转误差的逐渐扩大。

3 圆柱齿轮传动间隙消除的方法及特点（1） 偏心套(轴)调整法特点是结构简单，但其侧隙不能自动补偿。

（2） 轴向垫片调整法特点是结构简单，但其侧隙不能自动补偿。

（3） 双片薄齿轮错齿调整法特点是齿侧间隙自动补偿，反向时不会出现死区。

4 节距的概念节距：相邻两齿在节线上的距离。

由于承载绳工作时长度不变，故承载绳的中心线被视为同步带的节线。

5 导轨的作用及其应满足的基本要求作用：各种机械运行时，由导轨副保证执行件的正确运动轨迹，并影响执行件的运动特性。

基本要求：（a ）导向精度（b ）耐磨性（c ）疲劳和压溃（d ）刚度（e ）低速运动平稳性（f ）结构工艺性6 滚动直线导轨的计算循环式直线导轨副的承载能力用额定动载荷Ca 和额定静载荷Coa 表示。

其额定行程长度寿命L 用下式计算：式中： L —额定行程长度寿命（ km ） ；Ls —工作行程长度（ m ） ；Nz —每分钟往复次数 ( 次数/min ) ；Lh —额定工作时间寿命（ h ） 。

3h z S 10L 60n l 2L ⨯⨯⨯⨯=额定行程长度寿命L 与额定动载荷Ca ( 单位为N ) 的关系式可表示为：式中： Ca —额定动载荷 （N ） ；P —实际工作载荷 ( kN ) ； —指数，滚珠 滚子： ；K —额定寿命系数，滚珠 K=50 km ，滚子 K=100km ；f h —硬度系数 ；f t —温度系数，查表1 ； f c —接触系数，查表2 ；f a —精度系数，查表3 ； f w —载荷系数，查表4 ；表1 温度系数 表2 接触系数工作温度（℃） f t 每根导轨上的滑块数 f c≤100 1.00 1 1.00>100~150 0.90 2 0.81 >150~200 0.73 3 0.72 >200~250 0.60 4 0.665 0.61表3 精度系数 表4 载荷系数精度系数 f a 工作条件 f wC 、D 1.0 无外部冲击或振动的低速运动场合，速度小于15m/min1~1.5E 、F 0.9 无明显冲击或振动的中速运动场合，速度小于60m/min 1.5~2G 0.8 有外部冲击或振动的高速运动场合，速度大于60m/min2~3.5H 0.77 同步带传动主要失效形式及其特点同步带的特点：利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次相啮合传递运动和动力。

兼有链传动、齿轮传动、带传动的优点。

同步带传动主要失效形式有：(a) 承载绳断裂(b) 爬齿和跳齿(c) 带齿的磨损(d) 其他失效方式K P C f f f f f L a w a c t h ε⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=3=ε3/10=εε8 滚珠丝杠螺母副的设计计算设计滚珠丝杠副的已知条件：平均工作载荷 Fm( N )，使用寿命 T(h)，丝杠的工作长度( 或螺母的有效行程 ) L(m)，丝杠的转速n （ 平均转速nm 或最大转速nmax ) ( r ／min )，以及滚道硬度HRC 和运转情况。

一般的设计步骤及方法如下：(1)．丝杠副的计算载荷Fc ( N )KF —载荷系数，按表1选取；KH —硬度系数，按表2选取；KA —精度系数，按表3选取；FM —平均工作载荷（ N ）。

载荷性质 无冲击平稳运转 一般运转 有冲击和振动运转KF1~1.2 1.2~1.5 1.5~2.5滚道实际硬度HRC≥5855 50 45 40 KH1.0 1.11 1.562.43.85精度系数 C 、D E 、F G H KA 1.0 1.1 1.25 1.43(2)．计算额定动载荷式中： Nm —丝杠副的平均转速（r/min ）；Lh '—运转寿命（h ）；F c —计算载荷（N ）。

例6-1 试设计一数控铣床工作台进给用滚珠丝杠副。

已知平均工作载荷Fm ＝3800N ，丝杠工作长度L ＝1.2m ，平均转速nm ＝100r/min ，最大转速nmax ＝10000r/min ，使用寿命T ＝15000h 左右，丝杠材料为CrWMn 钢，滚道硬度为58~62HRC ，传动精度要求 解：(1) 求计算载荷Fc(2) 根据寿命条件计算额定动载荷m A H F C FK K K F =4''1067.1⨯=h m C a L n F C 03.0±=σN F K K K F m A H F C 456038000.10.12.1=⨯⨯⨯==第四章 机电一体化系统常用传感器1 传感器的定义、组成、作用及功能定义： 能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置被称为传感器。

组成： 传感器由敏感元件、转换元件和其他辅助部件组成。

作用： 信息的探测、感知和捕获。

功能： 检测能感受到的被测量的信息，并按一定规律转换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

2 快速性，稳定性及可靠性概念快速性是要求系统有一定的响应速度，即要求被控制量能够迅速地根据输入信号所规定的形式变化。

稳定性是一个系统能交付使用的首要条件，包括两方面的含义，一是绝对稳定性，就是通常所说的系统稳定；另一方面是相对稳定性，即输出量振荡的强烈程度。

可靠性指系统在预定时间内，在给定工作条件下，能够满意工作的概率。

一般强调系统的无故障运行时间和故障排除时间。

3 试述绝对式编码器的特点（1）可以直接读取角度坐标的绝对值，绝对式光电编码零点固定，输出为矩形波的二进制码，输出是轴角位置的单值函数，两者具有一一对应的关系；（2）位置信息不容易丢失，编码器本身具有机械位置的存储功能，即使停电或其他原因造成坐标值清除，通电后仍然读出与机械位置相对应的位置值；（3）没有累计误差；（4）现有绝对式光电编码器多为单转式，它所能测量的轴角范围为0°—360°，不具有多转检测能力；（5）对位置绝对式信号进行采样处理时，由于延时时间的存在，不适应高速控制的要求。

4 莫尔条纹的特点及计算特点：1.莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。

N L n F C h m C a 204221067.11500010045601067.144''≈⨯⨯⨯=⨯=2.莫尔条纹具有位移放大作用。

3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。

光栅每移动过一个栅距W ，莫尔条纹就移动过一个条纹间距B莫尔条纹的间距B 与两光栅条纹夹角之间关系为通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号 其电压为：θθW W B ≈=2sin 2W xU U U m π2sin 0+=。