单元一机电一体化概述1. 1. 1机电一体化的定义“机电一体化是在机械主功能、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。

”“机电一体化”是将机械技术、微电子技术、信息技术等多门技术学科在系统工程的基础上相互渗透、有机结合而形成和发展起来的一门新的边缘技术学科。

1. 1. 3机电一体化的内容机电一体化包含了技术和产品两方面的内容，首先是指机电一体化技术，其次是指机电一体化产品。

1. 1. 4机电一体化的特点机电一体化产品的显著特点是多功能、高效率、高智能、高可靠性，同时又具有轻、薄、细、小、巧的优点，其目的是不断满足人们生产生活的多样性和省时、省力、方便的需求。

1. 2机电一体化系统的基本组成1. 2. 1机电一体化系统的功能组成传统的机械产品主要是解决物质流和能量流的问题，而机电一体化产品除了解决物质流和能量流以外，还要解决信息流的问题。

机电一体化系统的主要功能就是对输入的物质、能量与信息(即所谓工业三大要素)按照要求进行处理，输出具有所需特性的物质、能量与信息。

机电一体化系统的主功能包括变换(加工、处理)、传递(移动、输送)、储存(保持、积蓄、记录)三个目的功能。

主功能也称为执行功能，是系统的主要特征部分，完成对物质、能量、信息的交换、传递和储存。

机电一体化系统还应具备动力功能、检测功能、控制功能、构造功能等其他功能。

加工机是以物料搬运、加工为主，输入物质(原料、毛坯等)、能量(电能、液能、气能等)和信息(操作及控制指令等)，经过加工处理，主要输出改变了位置和形态的物质的系统(或产品)。

动力机，其中输出机械能的为原动机，是以能量转换为主，输入能量(或物质)和信息，输出不同能量(或物质)的系统(或产品)。

信息机是以信息处理为主，输入信息和能量，主要输出某种信息(如数据、图像、文字、声音等)的系统(或产品)。

1. 2. 2机电一体化系统的构成要素机电一体化系统一般由机械本体、传感检测、执行机构、控制及信息处理、动力系统等五部分组成，各部分之间通过接口相联系。

1.机械本体机械本体包括机械结构装置和机械传动装置。

机械结构是机电一体化系统的机体，用于支撑和连接其他要素，并把这些要素合理地结合起来，形成有机的整体。

2.动力部分动力部分是按照系统控制要求，为系统提供能量和动力，去驱动执行机构工作以完成预定的主功能。

3.传感检测部分传感检测部分是对系统运行中所需要的自身和外界环境的各种参数及状态进行检测，然后变成可识别信号，传输到信息处理单元，并且经过分析、处理后产生相应的控制信息。

4.执行机构执行机构是运动部件在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。

5.控制及信息单元控制及信息单元将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行处理、运算和决策，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地运行。

1. 2. 3机电一体化系统接口概述机电一体化系统由许多要素或子系统构成，各要素或子系统之间必须能顺利地进行物质、能量和信息的传递与交换。

各要素或各子系统相接处必须具备一定的联系条件，这些联系条件称为接口。

接口设计的总任务是解决功能模块间的信号匹配问题，根据划分出的功能模块，在分析研究各功能模块输入/输出关系的基础上，计算制定出各功能模块相互连接时所必须共同遵守的电气和机械的规范和参数约定，使其在具体实现时能够“直接”相连。

2.接口设计的要求(1)微机接口。

微机接口通常由接口电路和与之配套的驱动程序组成。

能够使被传动的数据实现在电气上、时间上相互匹配的电路称为接口电路;能够完成这种功能的程序称为接口程序。

信息转换主要包括以下方面:数字量/模拟量的转换(D/A);模拟量/数字量转换(A/D);从数字量转换成脉冲量;电平转换;电量到非电量的转换;弱电到强电的转换以及功率匹配等。

(2)机械传动接口。

要求它的连接机构紧凑、轻巧，具有较高的传动精度和定位精度，安装、维修、调整简单方便，刚度好，响应快。

1. 3机电一体化技术的理论基础与关键技术系统论、信息论、控制论是机电一体化技术的理论基础，那么微电子技术、精密机械技术等就是它的技术基础。

机电一体化技术是以机械电子系统或产品为对象，以数学方法和计算机等为工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目标，以便允分发挥人力、物力和财力，通过各种组织管理技术，使局部与整体之间协调配合，实现系统的综合最优化。

机电一体化系统是一个包括物质流、能量流和信息流的系统，而有效地利用各种信号所携带的丰富信息资源，则有赖于信号处理和信号识别技术。

1. 3. 2关键技术关键技术包括精密机械技术、传感检测技术、伺服驱动技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、接口技术和系统总体技术等。

1. 5. 2机电一体化的发展趋势机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉融合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。

因此，机电一体化的主要发展方向如下。

1.智能化2.模块化3.网络化4.微型化5.绿色环保化6.人性化7.集成化单元二机电一体化机械技术2. 1概述机械是由机械零件组成的，能够传递运动并完成某些有效工作的装置。

机械由输入部分、转换部分、传动部分、输出部分及安装固定部分等组成。

通用的传递运动的机械零件有齿轮、齿条、蜗轮、蜗杆、带、带轮、曲柄和凸轮等。

两个零件互相接触并相对运动，就形成了运动副，由若干运动副组成的具有确定运动的装置称为机构。

就传动而言，机构就是传动链，从系统动力学方面来考虑，传动链越短越好，这有利于实现系统整体最佳目标。

在必须保留一定的传动件时，在满足强度和刚度的前提下，应力求传动件“轻、薄、细、小巧”，这就要求采用特种材料和特种加工工艺。

2.1.1机械运动与机构根据所施外力的不同，物体的运动可分为等速运动、不等速运动和间歇运动等。

等速运动可分为单方向运动和往复运动，而加速运动就是一种不等速运动，间歇运动则是指每隔一定时间自行停止的运动。

机电一体化产品的运动包括沿特定轴旋转的旋转运动、沿规定直线的直线运动以及平面运动等。

具有代表性的主要机械零件可分为紧固零件、传动零件和支撑零件。

多种机械零件的有机组合就构成了机构。

当机构中的一个零件产生运动时，机构中的其他零件将对应产生一定的运动。

连杆机构、凸轮机构、间歇机构是机械中最常用的三种机构。

2. 1. 2机电一体化中的机械系统及其基本要求1.传动机构机电一体化机械系统中的传动机构不仅仅是转速和转矩的变换器，而且已成为伺服系统的一部分，它要根据伺服控制的要求进行选择设计，以满足整个机械系统良好的伺服性能。

因此传动机构除了要满足传动精度的要求，而且还要满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性的要求。

2.导向及支承机构导向及支承机构的作用是对机械结构保证一个良好导向和支承性能，为机械系统中各运动装置能安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障，一般指导轨、轴承等。

3.执行机构执行机构是用以完成操作任务的直接装置。

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，良好的重复性和可靠性由于计算机的强大功能，使传统作为动力源的电动机发展为具有动力、变速与执行等多重功能的伺服电动机，从而大大地简化了传动和执行机构。

除以上三部分外，机电一体化系统的机械部分通常还包括机座、支架、壳体等。

机电一体化中的机械系统除了满足一般机械设计的要求外，还必须满足以下几种特殊要求。

1.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.小惯量传动件本身的转动惯量会影响系统的响应速度及系统的稳定性。

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得比较宽，快速性比较好、精度比较高，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。

机电一体化机械系统设计一样有传动设计和结构设计部分，只是由于机电一体化的特征决定了在机械系统设计过程中有它自身的特点。

2. 2机械传动机构机电一体化机械系统应具有良好的伺服性能，从而要求传动机构满足以下几个方面:转动惯量小、刚度大、阻尼合适，此外还要求摩擦小、抗振性好、间隙小，特别是其动态特性与伺服电动机等其他环节的动态特性相匹配。

2. 2. 1齿轮传动在数控机床伺服进给系统中采用齿轮传动装置的目的有两个:一是将高转速低转矩的伺服电机(如步进电机、直流或交流伺服电机等)的输出，改变为低转速大转矩的执行件的输出;二是使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中占有较小的比重。

此外，对开环系统还可以保证所要求的精度。

提高传动精度的结构措施有以下几种。

①适当提高零部件本身的精度。

②合理设计传动链，减少零部件制造、装配误差对传动精度的影响。

首先，合理选择传动形式;其次，合理确定级数和分配各级传动比;最后，合理布置传动链。

③采用消隙机构，以减少或消除空程消除齿轮传动中侧隙的措施。

1.圆柱齿轮传动(1)偏心轴套调整法。

(2)锥度齿轮调整法。

(3)双向薄齿轮错齿调整法。

2. 2. 2带传动1.普通带传动带传动是利用张紧在带轮上的带，靠它们之间的摩擦或啮合，在两轴(或多轴)间传递运动或动力。

根据传动原理不同，带传动可分为摩擦型和啮合型两大类，常见的是摩擦带传动。

摩擦带传动根据带的截面形状分为平带、V带、多楔带和圆带等靠摩擦工作的带传动，其优点是:①因带是弹性体，能缓和载荷冲击，运行平稳无噪声;②过载时将引起带在带轮上打滑，因而可防止其他零件损坏;③制造和安装精度不像啮合传动那样严格;④可增加带长以适应中心距较大的工作条件(可达巧m)。

其缺点是:①带与带轮的弹性滑动使传动比不准确，效率较低，寿命较短;②传递同样大的圆周力时，外廓尺寸和轴上的压力都比啮合传动大;③不宜用于高温、易燃等场合。

常用的张紧装置有三种。

(1)定期张紧装置:调节中心距使带重新张紧。

(2)自动张紧装置(3)使用张紧轮的张紧装置2. 2. 4螺旋传动根据螺旋传动的运动方式可以分为两大类:一类是滑动摩擦式螺旋传动，它是将联结件的旋转运动转化为被执行机构的直线运动;另一类是滚动摩擦式螺旋传动，它是将滑动摩擦转换为滚动摩擦，完成旋转运动。