机电一体化导论(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：杜建铭

出版社：电子工业出版社

格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT

机电一体化导论试读：

前言

作为制造装备、制造系统中重要的基础技术，机电一体化技术正是借助于现代系统工程、电力电子、微电子、传感检测、接口、自动控制、计算机、信息、光学等科学技术的迅猛发展及其在机械制造领域中的广泛应用、交叉融合和衍生而产生的一种新思想、新方法和新型综合技术，也因此被赋予新的内涵、内容和外延，在远比过去更广泛的领域中得到了良好的应用，取得了极其巨大的经济和社会效益，使工业生产由“机械电气化”迈入了“（光）机电一体化”为特征的发展阶段。

为了使学生掌握机电一体化的基本概念、基础理论知识和应用能力，了解机电一体化技术的最新发展，多位编者在各自教学和研究的基础上共同编写，完成了本书。本书共分为6章。第1章介绍机电一体化的基本概念、内涵与发展，阐释机电一体化系统的组成、目的、功能及相关技术；第2章以机电一体化系统中的机械传动部件和机械支撑部件为对象，具体介绍典型的传动部件、旋转和导向支撑部件等的总体布局、机构选型、结构设计等基本问题；第3章在阐释传感器基本概念、组成和分类方法的基础上，介绍机电一体化系统中常用的各类传感器的基本原理、主要性能指标和特点，机电一体化系统对传感器主要性能的要求，以及选用的步骤、原则与方法；第4章结合最新产品发展和工程应用，介绍以电动机为代表的电动执行部件和以液压缸、气缸为代表的机械、液压和气动执行部件的结构原理、应用场合及使用要点；第5章介绍机电一体化控制系统中常用的PLC、单片机、工业控制计算机、开放式运动控制器的特点、分类、性能指标、发展趋势，以及选择与应用的思路、方法；第6章以机器人技术、机械滚齿机数控改造和立体化车库为典型实例，介绍机电一体化技术的典型应用及其工作原理、设计方法和设计思路。

为使学生学习和掌握机电一体化的思想、基础理论知识、基本方法、典型部件与技术及实际应用能力，本书围绕机电一体化的系统体系组织全书内容，以实际工程应用背景引入每一章节，在介绍和阐释相关内容的同时，对一些重点内容进行小结和点评，并配以实际的应用案例进行分析、讨论。本书的内容全面，体系新颖，启迪性强，注重工程上的实际应用，同时注重介绍机电一体化的理念和科学方法，培养学生的科学思维和技术创新能力。因此，本书可作为本科院校机械工程相关专业“机电一体化导论”、“机电一体化技术应用”、“机电一体化技术与系统设计”等课程的教学用书，也适合研究生、专科学生、教师和从事机电一体化设计制造的工程技术人员阅读参考。本书的配套教学资源包括电子课件和书中所有插图，采用本书授课的教师通过yuy＠phei.com.cn可免费获取。

本书由杜建铭教授担任主编，程涛副教授、石红雁副教授、曾劲松讲师担任副主编。本书的具体编写分工是：杜建铭编写第1、3章和第6章的3.2节，石红雁编写第2、4章，曾劲松编写第5章，程涛编写前言和第6章的3.1节和3.3节。本书在编写过程中得到了深圳市模具先进制造技术重点实验室、深圳大学机械基础实验教学示范中心和电子工业出版社的大力支持和帮助，在此谨向有关老师和同志表示衷心的感谢。在本书的编写中，参考、借鉴了一些相关的国内外教材、专著、论文、资料和文献，对此特向各位作者表示真诚的敬意和感谢。深圳大学的李积彬教授、王华权教授和郑三元副教授对本书的编写提出了许多宝贵的意见，在此也一同致以诚挚的谢意！

限于编者的知识、能力，书中难免有错误和不妥之处，恳请广大师生与读者批评指正、不吝赐教。

编 者第1章 概述

工程背景

从20世纪五六十年代开始，科学技术飞速发展，电视机和电冰箱等家用电器开始进入家庭人类对物质的需求日益增加，对于设计和制造业而言，必须通过不断的技术创新和大幅度的生产率提高才能适应日趋激烈的市场竞争，因此发达国家掀起了工厂自动化的研究热潮。

1）大规模集成电路制造工艺的提高

1959年，德州仪器公司首先宣布建成世界上第一条集成电路生产线。1962年，世界上出现了第一件正式的集成电路产品。20世纪60年代初，国际上出现的集成电路产品，每个芯片上的元件数在100个左右；到1967年，一个芯片上可集成1000个晶体管，这标志着大规模集成阶段的开端；到1976年，一个芯片上可集成1万多个晶体管；进入20世纪80年代，一个芯片上有几万个晶体管的大规模集成电路已经很普遍了，并且正向超大规模集成电路发展。如今，已出现属于2第五代的产品，在不到50mm的芯片上集成的晶体管数激增到200万个以上。

2）微处理器和计算机技术的进步

随着VLSI大规模集成电路和计算机技术的飞速发展，微处理器的面貌日新月异，从单片集成上升到系统集成，性能价格比不断提高，微处理器字长从4位、8位、16位、32位一直发展到64位，工作频率从不到1MHz上升到数GHz。目前，以最新微处理器为核心的第五代计算机将把信息采集、存储、处理、通信和人工智能结合在一起，具有形式推理、联想、学习和解释能力。它的系统结构已突破传统的冯·诺依曼机器的概念，实现高度的并行处理。

3）传感器技术的进步

传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，美国早在20世纪80年代就声称世界已进入传感器时代。如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸。当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐步认识到信息摄取装置——传感器没有跟上信息技术的发展，而惊呼“大脑发达、五官不灵”。从20世纪80年代起，传感器开始受到普遍重视，逐步在世界范围内掀起了一股“传感器热”。美国国防部将传感器技术视为关键技术之一，日本把传感器技术与计算机、通信、激光半导体、超导并列为6大核心技术，德国视军用传感器为优先发展技术，英、法等国对传感器的开发投资逐年升级，前苏联军事航天计划中的第5条列有传感器技术。正是由于世界各国普遍重视和投入开发，传感器发展十分迅速，近十几年来其产量及市场需求年增长率均在10%以上。传感器技术已成为当今世界令人瞩目的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术一起构成信息产业的三大支柱。

正是计算机技术、通信技术和传感器技术的高速发展，为机电一体化相关领域技术的进步奠定了基础。目前，典型的机电一体化产品从机器人、汽车、数控机床、飞机、导弹、航天飞机到智能冰箱、空调、数字电视机、DVD、数码相机等，已遍及人类生产、生活的各个领域。1.1 机电一体化的基本概念“机电一体化”一词起源于日本，1971年日本《机械设计》杂志副刊提出了“mechatronics”一词。该词由mechanics（机械学）的前半部分与electronics（电子学）的后半部分拼合而成，我国通常把它译为“机电一体化”或“机械电子学”，涵盖着“产品”和“技术”两个方面。

作为机械产品，由纯机械发展到机械电气化仍然属于传统机械，主要功能依然是代替和放大人的体力。但是发展到机电一体化产品以后，其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外，还能赋予产品许多新的功能，如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制、自动诊断与保护等，从而使这些产品具有了智能的特征。

就机电一体化技术而言，它是由机械技术、计算机技术、伺服驱动技术、传感器技术、接口技术、先进控制技术、信息处理技术等群体技术有机融合而形成的一种综合性技术，而不是上述各种技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化——“电气机械”在概念上的根本区别。机电一体化技术的构成如图1-1所示。“日本机械振兴协会经济研究所”于1981年对机电一体化概念所做的解释是：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，并将机械设计与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。

1996年美国机械工程师学会（ASME）与国际电气与电子工程师学会（IEEE）联合创刊的《机电一体化学报》（IEEE/ASME Transaction on Mechatronics），将机电一体化定义为：在工业产品和过程的设计与制造中，机械工程与电子和智能计算机控制的协同集成。

此时的机电一体化产品或系统已不仅是人类肢体的延伸，而且是人的感官与大脑的延伸，具有“智能化”的特征。图1-2所示的是典型的机电一体化产品——七自由度机械手。图1-1 机电一体化技术的构成图1-2 七自由度机械手1.2 机电一体化系统的组成

任何一种产品或一个系统都具有一定的功能，以便满足人们的使用要求，传统的机械产品主要是解决物质流和能量流的问题，而机电一体化产品或系统除了解决物质流和能量流的问题之外，还要解决信息流的问题。物质、能量和信息是构成当今工业的三大要素。

机电一体化产品或系统的主要功能就是对输入的物质、能量与信息按照要求进行处理，然后输出具有所需特性的物质、能量与信息。因此，就要求机电一体化产品或系统必须具备变换、传递或存储三大目的功能：①变换——就是进行加工、处理；②传递——就是移动、输送；③存储——就是保持、积蓄和记录，如图1-3所示。图1-3 机电一体化系统的目的功能【应用点评1-1】机电一体化产品或系统三大目的功能举例（1）以物料搬运、加工为主要功能，其输入物质可以是原材料、毛坯等，输入的能量可以是电能、液能或气能等，输入的信息往往是一系列操作及控制指令等，上述输入的物质经过机电一体化产品或系统的加工处理，输出改变了位置、尺寸和形态的物质，这样的系统（或产品）称为加工机。例如，各种数控机床、自动化流水线等都是典型的机电一体化产品或系统。（2）以能量转换为主要功能，其将输入的一种能量转换成另外一种能量输出，这样的机电一体化产品或系统称为动力机。例如，采用计算机控制的内燃机就是把电能、热能转换成机械能。（3）以信息处理为主要功能，其输入信息和能量经过机电一体化产品或系统的处理，输出所需的某种信息，如数据、声音、图像等，这样的机电一体化产品或系统称为信息机。具体实例包括各种智能仪器、仪表，数码照相机、传真机等。

为了实现上述功能，典型的机电一体化产品或系统通常由以下几个部分组成。（1）动力部分 按照系统控制要求，为机电一体化产品或系统提供能量和动力，驱动执行机构工作以完成预定的主功能。动力系统包括电、液、气等多种动力源。（2）执行部分 在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。执行部件一般是运动部件，常采用机械、电液、气动等机构。执行机构因机电一体化产品的种类和作业对象的不同而有较大的差异，它们可以是伺服电动机，也可以是液压缸或气缸等。执行机构是实现产品目的功能的直接执行者，其性能好坏决定着整个产品的性能，因而是机电一体化产品中重要的组成部分。（3）机械部分 首先它是控制的对象，除了用于传递动力之外，还用于支撑和连接其他组成部分，并把各部分合理地结合起来，形成有机的整体。机电一体化产品或系统的种类繁多，但都离不开机械本体部分，要求其工作时刚度高、强度大、振动小、噪声低、安全可靠。（4）传感检测部分 将机电一体化产品或系统在运行过程中所需的自身和外界环境的各种参数及状态转换成可以测定的物理量，同时利用检测系统的功能对这些物理量进行测定，为机电一体化产品或系统提供运行控制所需的各种信息。传感与检测系统的功能一般由传感器或仪表来实现，对其要求是体积小、便于安装与连接、检测精度高、抗干扰等。（5）信息处理与控制部分 根据机电一体化产品或系统的功能和性能要求，信息处理及控制部分接收传感与检测系统反馈的信息，并对其进行相应的处理、运算和决策，以对产品的运行施以按照要求的控制，从而实现控制功能。机电一体化产品中，信息处理及控制部分主要是由计算机软件、硬件及相应的接口电路和信号传输部分组成。硬件一般包括输入/输出设备、可编程控制器和数控装置。该部分要求信息处理速度快，A/D和D/A转换及时，输入/输出可靠，系统的抗干扰能力强。

机电一体化产品或系统的五个组成部分在工作时相互协调，共同完成所规定的目的功能。在结构上，各组成部分通过各种接口及其相应的软件有机地结合在一起，构成一个内部匹配合理、外部效能最佳的完整产品。图1-4所示的是典型机电一体化产品——数控机床的组织结构框图，它很好地表达了机电一体化产品上述五大组成部分之间的相互关系。图1-4 典型机电一体化产品的五大组成部分

如果把上述机电一体化产品或系统与人体相比较，可得出如表1-1所示的对应关系。表1-1 机电一体化产品或系统与人体各部分功能对照表1.3 机电一体化的相关技术

发展机电一体化所面临的共性关键技术包括机械技术、计算机技术、伺服驱动技术、传感器技术、接口技术、自动控制技术、信息处理技术和网络技术等，以及由于上述各种技术的综合应用而产生的系统集成技术。

1）机械技术

机械技术是机电一体化的基础，机电一体化产品的主功能和构造功能往往以机械技术为主得以实现。在机械与电子相互结合的实践中，不断对机械技术提出更高的要求，使现代机械技术相对于传统机械技术发生了很大变化。新材料、新工艺、新原理、新机构等不断出现，现代设计方法不断发展和完善，以满足机电一体化产品对减轻重量、缩小体积、提高精度和刚度、改善性能等多方面的要求。

2）信息处理技术

所谓信息处理技术，主要是指利用计算机、网络、通信等技术对信息进行搜集、编码、压缩、展开等处理技术。从信息的开发、存储、传输到利用，由一系列的机械硬件与计算机软件相互支撑而实现。信息处理是否及时、准确，直接影响机电一体化产品或系统的质量和效率，因而也是机电一体化的关键技术。

3）计算机技术

在机电一体化产品中，实现信息处理技术的主要工具是计算机。计算机技术包括硬件和软件技术、网络与通信技术、数据处理技术和数据库技术等。在机电一体化产品中，计算机信息处理装置是产品的核心，它控制和指挥整个机电一体化产品的运行。信息处理是否正确、及时，直接影响到系统工作的质量和效率，因此计算机技术及信息处理技术已成为促进机电一体化技术发展和变革的最活跃的因素。

4）伺服驱动技术

伺服驱动技术主要是指机电一体化产品中的执行元件和驱动装置设计中的技术问题，它涉及设备执行操作的技术，对所加工产品的质量具有直接的影响。机电一体化产品中的执行元件有电动、气动和液压等类型，其中多采用电动式执行元件，驱动装置主要是各种电动机的驱动电源电路，目前多由电力电子器件及集成化的功能电路构成。执行元件通过接口电路与计算机相连，以实现规定的动作。因此，伺服驱动技术直接影响着机电一体化产品的功能执行和操作，对产品的动态性能、稳定性能、操作精度和控制质量等产生决定性的影响。

5）自动控制技术

所谓自动控制技术，就是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。自动控制技术的广泛应用，不仅大大提高了劳动生产率和产品质量，改善了劳动条件，而且在人类征服大自然、探索新能源、发展空间技术与改善人类物质生活等方面起着极为重要的作用。自动控制技术这一学科主要讨论控制原理，包括控制规律、分析方法和系统构成等。机电一体化将自动控制作为重要的支撑技术，自动控制装置是它的重要组成部分。

随着科学技术发展和工程实践的需要而发展起来的现代自动控制技术主要以状态空间为基础，研究多输入、多输出、变参量、非线性、高精度、高效能等控制系统的分析和设计问题。最优控制、最佳滤波、系列识别、自适应控制等都是这一领域研究的主要课题。近年来，由于计算机技术和现代应用数学研究的快速发展，现代控制理论在系统工程和模仿人类活动的智能控制等领域取得了重大进展。现代控制理论的工程化与实用化，以及优化控制模型的建立、复杂控制系统的模拟仿真、自诊断、监控技术及容错技术等都是有待开发研究的课题。

6）传感器技术

在机电一体化产品中，工作过程的各种参数、工作状态及与工作过程有关的相应信息都要通过传感器进行接收，并通过相应的信号检测装置进行测量，然后送入信息处理装置及反馈给控制装置，以实现产品工作过程的自动控制。机电一体化产品要求传感器能快速和准确地获取信息，并且不受外部工作条件和环境的影响，同时检测装置能不失真地对信号进行放大、输送和转换。

7）接口技术

机电一体化系统是机械、电子和信息等性能各异的技术融为一体的综合性能，其构成要素和子系统之间的接口极其重要。从系统外部看，输入/输出是系统与人、环境或其他系统之间的接口；从系统内部看，机电一体化系统是通过许多接口将各组成部分的输入/输出联系成一体的系统。因此，各子系统之间的接口性能就成为系统综合性能好坏的决定因素。机电一体化系统最重要的设计任务之一往往就是接口设计。

8）系统集成技术

机电一体化产品或系统的多功能、高精度、高效能要求和多领域技术的交叉，不可避免地使产品本身及其开发设计技术复杂化。系统的总体性能不仅与各组成部分的功能、精度、性能相关，而且有赖于各组成部分是否进行了很好的协调和融合。系统集成技术就是从整体目标出发，用系统的观点和方法，将机电一体化产品的总体功能分解成若干功能单元，找出能够完成各个功能的可能技术方案，再把各个功能与技术方案组合成方案组进行分析、评价，综合优选出适宜的技术方案。系统集成技术的目的是通过协调各组件的相互关系和所用技术的一致性来保证产品实现经济、可靠、高效率和操作方便等的。系统集成技术是最能体现机电一体化特点的技术，也是保证其产品工作性能和技术指标得以实现的关键技术。1.4 机电一体化时代所面临最迫切的问题

机电一体化产品或系统是由机械产品随着科学和技术的不断进步演化发展而来的，因而其早期产品的设计只需要与机械相关的理论和知识，由具有丰富实践经验的机械工程师单独进行设计即可完成。图1-5所示的是一个早期机械式调速器控制系统。图1-5 早期机械式调速器控制系统

到机械电气化阶段，仅仅具有机械方面的知识已经不够，还需要电气控制方面的理论和知识，其产品设计通常由机械工程师和电气工程师共同协作完成，这主要源于传统的学科分类，不同学科培养出来的工程师所具备的知识和经验完全不同，很少交叉，不过由于仅涉及机械工程师和电气工程师，所以产品设计和开发的组织、协调工作相对比较容易。

到了机电一体化时代，由于其产品涉及多个学科，包括机械、电气、计算机和信息四个基本学科，而机电一体化技术是由机械技术、计算机技术、伺服驱动技术、传感器技术、接口技术、自动控制技术、信息处理技术等群体技术有机融合而形成的一种综合性技术，因此机电一体化产品或系统通常是一个复杂系统。图1-6所示的是一个采用微电子技术进行反馈调速的机电一体化系统，此时传统的机械工程师和电气工程师已无法胜任其设计工作，迫切需要培养能够协调机械、电气、控制、计算机软硬件设计工程师开展联合设计的具有机电一体化综合知识和技能的人才。图1-6 采用微电子技术进行反馈调速的机电一体化系统1.5 机电一体化的发展

任何事物的产生和发展，都离不开科技进步和社会需求。科技进步是新事物产生的基础，社会需求则是其产生的诱因和动力。机电一体化技术必将随着科技的进步而不断发展、完善。

研究机电一体化技术的先行者渡边茂先生在其《机电一体化技术的将来》一书中指出：复合化、小型化和轻量化、高速化、移动化、智能化、层次化、系统化、全盘化是机电一体化未来的7个发展方向。

由于上述思想在科学技术发展日新月异的今天看来可能并不全面，所以我们没有必要对其逐一分析和讲解，但上述思想为我们了解机电一体化技术的未来指明了方向。

目前，机电一体化产品和系统已经遍及到国民经济生产、生活的各个领域。电冰箱、全自动洗衣机、照相机等家电产品，复印机、打印机、传真机、扫描仪等自动化办公设备，CT、核磁共振等成像诊断仪器，数控机床、工业机器人、自动化物料搬运车等机械制造设备，以及由微机控制的汽车、飞机、轮船、坦克、航天飞机等交通运输工具都是典型的机电一体化产品。

未来机电一体化将通过综合利用现代化高新技术的优势，在提高精度、增强功能、提高生产率、降低成本、改善操作性与使用性、节约能源与降低消耗、减轻劳动强度与改善劳动条件、提高安全性与可靠性、简化结构与减轻重量、增强柔性与智能化程度、降低价格等方面都取得更加显著的经济效益和社会效益。

综上所述，机电一体化技术已经显示出了强大的生命力，并正以空前的速度和力度冲击着传统的技术思想、生产方式与方法，以及传统的机电产品和产业结构。国民经济的各个领域都将因此而发生深刻的技术革命。机电一体化技术的发展水平是一个国家技术发展水平的重要标志，在一定程度上反映了该国的技术经济实力。因此，工业发达国家和地区对机电一体化技术都十分重视，从政府到企业都制定了相应的发展战略。我国对机电一体化技术的研究虽然起步较晚，但发展速度较快，尤其在我国加入世界贸易组织以后，面对国际市场激烈竞争的新形势，已充分认识到机电一体化对我国经济发展的重要战略意义。政府相关部门组织专家，根据国情对发展机电一体化的目标、原则、层次和途径等进行了深入而广泛的研究，制定了一系列有利于机电一体化发展的政策法规，确定了数控机床、工业自动化控制仪表、工业机器人、汽车电子化等15个优先发展领域及6项共性关键技术的研究方向和课题。1.6 习题

1.机电一体化的定义是什么?

2.机电一体化技术主要涉及哪些相关技术?

3.机电一体化产品或系统三大目的功能是什么?

4.机电一体化产品或系统的五大组成部分有哪些?并简述各部分的作用。第2章 机电一体化系统中的典型机械部件

工程背景

机械部件是机电一体化系统中的重要组成部分。机电一体化系统中的机械部件包括传动机构、导向支撑机构及执行机构。机构的性能将直接影响机电一体化系统的精度、运动平稳性、工作可靠性等。

选用思维

对于一个机电工程师而言，在设计和选择机电一体化系统的机械部件时必须首先明确以下问题：系统的主要性能指标是什么?系统对于精度和稳定性的要求怎样?是否便于维护?成本如何考虑?

通常，设计和选择时应考虑选用传动间隙小、精度高、摩擦系数小、体积小、重量轻、运动平稳、响应速度快、传递扭矩大、谐振频率高的部件，并考虑该部件与其他环节如伺服电动机等的匹配。各种传动部件传递的功率各异，精度高低有别，结构的复杂程度和价格也有相当大的差别，因此在实际设计过程中，应考虑满足主要性能指标的要求，然后注意和其他环节性能指标的匹配，最后综合考虑成本、维护等因素。2.1 机电一体化系统对机械部件的性能要求2.1.1 机电一体化系统中机械部件的组成

通常来说，机电系统的机械部件主要有以下两部分组成。（1）传动机构 由于机电一体化机械系统中传动机构的主要功能是传递能量和运动，因此，它实际上是一种力与速度的变换器。同时，传动机构也是伺服系统的一部分，它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、传动刚性及传动可靠性，都对系统的精度、稳定性和快速性有重大影响。机电一体化系统中常用的机械传动机构有螺旋传动机构、齿轮传动机构、同步带传动机构及各种非线性传动机构等。（2）导向支撑机构 顾名思义，导向支撑机构的作用就是导向和支撑。它在系统中用来支撑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可靠、准确地完成其预定的运动提供保障。机电一体化系统的典型导向支撑机构主要有各种导轨副，简称导轨。2.1.2 机电一体化系统对机械传动机构的基本要求

机械传动机构是在原动机和工作机之间，用来传递动力或改变运动状态的装置，是机械系统中的重要组成部分。传动机构在整个系统中的质量和成本都占有很大比例，同时系统的工作性能很大程度上也取决于传动机构的优劣。

在机电一体化系统中，机械传动机构对系统的动态特性的影响举足轻重。系统对机械传动机构的总体要求可以归纳为以下几个方面。（1）传动精度高，尤其是机电一体化产品，其技术性能、工艺水平和功能显著高于普通的机械设备，因此保证较高精度是其首要要求。如果机械系统的精度不能满足要求，无论其他系统工作再精确，也无法完成其预定的设计要求。（2）响应速度快，也就是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要短。只有这样，控制系统才能及时地根据机械系统的运行情况得到信息，下达指令，使其准确地完成任务。（3）稳定性好，也就是保证机械系统的抗干扰能力要强。

此外，还要求机械传动系统刚度大、可靠性高、体积小、重量轻、惯量小、寿命长、无间隙、摩擦系数小、谐振频率高、阻尼比适当等。

随着机电一体化技术的发展和使用领域的拓展，要求机械传动机构向着精密化、高速化、小型化、轻量化的方向发展，以适应机电产品对精度、运动速度、运动灵敏度及能耗的要求。2.1.3 机电一体化系统对机械支撑机构的基本要求

机电一体化系统要求其系统的各种运动机构均得到可靠的支撑，并能准确地完成规定方向的运动。导轨的精度、刚度及结构形式等对系统的加工精度和承载能力有直接影响。为了保证较高的加工精度和较大的承载能力，要求导轨具有较高的导向精度和定位精度、足够的刚度、良好的耐磨性、优异的低速运动平稳性，并具有一定的运动灵敏度和抗震性，同时应尽量使导轨结构简单，便于制造、调整和维护。2.2 齿轮传动机构2.2.1 齿轮传动机构的作用及特点

齿轮传动是机械传动中最重要的、最有代表性的传动之一，它可以实现转矩、转速和方向的转化。传递的功率可达数十万瓦，圆周速度可达200m/s。齿轮传动的传动比稳定、效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长，在机电一体化产品中得到广泛应用。但是，齿轮传动的制造和安装精度要求高，价格较贵，不适用于传动距离过大的场合。

当齿轮作为动力传动零件时，可按一定速比传递轴与轴之间的连续的旋转运动。在表2-1中说明了齿轮输入轴与输出轴处于不同位置关系时的传动特点，其中除了齿条外，所传递的均为旋转运动。表2-1 齿轮传动的种类和特点

对于机电一体化系统，尤为关注于齿轮传动机构的动力学特性，要求其具备高精度、高稳定性、高速性、高可靠性和低噪声的特性。2.2.2 齿轮传动机构的设计

常用齿轮传动机构有一级、二级、三级等传动形式。设计机构时，传动比应满足驱动部件与负载之间位移、转矩和转速的匹配要求。为满足机构对传动精度、响应速度及稳定性的要求，应确定机构的最佳传动比，并合理分配。

1）最佳总传动比

首先定义传动机构中机构的总负载，主要包含工作负载、惯性负载和摩擦负载。当对负载进行综合时，要把它们都转化到电动机轴上，成为等效峰值综合负载转矩或等效均方根综合负载转矩。使等效负载转矩最小或负载加速度最大的总传动比，即为最佳总传动比。

2）总传动比分配

在齿轮传动机构的总传动比确定之后，根据对传动链的技术要求，选择传动方案，使驱动部件和负载之间的转矩、转速达到合理匹配。若总传动比较大，又不准备采用谐波、少齿差等传动形式，则需要确定传动级数，并在各级之间分配传动比。单级传动比增大使传动机构简化，但大齿轮的尺寸增大会使整个传动机构的轮廓尺寸变大。可按下述三种原则适当分级，并在各级之间分配传动比。（1）最小等效转动惯量原则 利用该原则所设计的齿轮传动机构，换算到电动机轴上的等效转动惯量为最小。设有一个小功率电动机驱动的二级齿轮减速传动机构，如图2-1所示。图2-1 二级齿轮减速传动机构

设其总传动比为i=ii。若先假设各主动小齿轮具有相同的转动12惯量，各齿轮均近似看成实心圆柱体，齿宽B、比重γ均相同，则其转动惯量J为：。若不计轴和轴承的转动惯量，则根据动能不变的原则，等效到电动机轴上的等效转动惯量为

因为

所以

即

令，则=0，得到i =。2

当＞＞1时，有i ≈，i≈21。

对n级齿轮传动系进行同类分析，可得

其中，k=2，3，4，…，n。

显而易见，按此公式得到的各级传动比是按“由小到大”的顺序分配的，这样设计的传动机构结构最紧凑，重量最轻。（2）重量最轻原则 对于小功率传动机构，使各级传动比i=i 12=i=…=，即可使传动机构的重量最轻。3

但应指出，上述设计公式是在惯量相同的条件下推得的，对于大功率传动机构，各级传动的模数、齿宽、直径等参数逐渐增大，公式不再成立，此时应根据经验、类比方法及结构紧凑之要求进行综合考虑。各级传动比一般应以“先大后小”原则处理。（3）输出轴转角误差最小原则 为了提高机电一体化系统中齿轮传动机构传递运动的精度，各级传动比应按“先小后大”原则分配，以便降低齿轮的加工误差、安装误差及回转误差对输出转角精度的影响。设齿轮传动机构中各级齿轮的转角误差换算到末级输出轴上的总转角误差为Δφ ，则max

式中，Δ φ为第k个齿轮所具有的转角误差；i为第k个齿轮的转kkn轴至第n级输出轴的传动比。

比如，对于一个四级齿轮传动机构，设各齿轮的传动误差分别为Δ φ，Δ φ，…，Δ φ，则换算到末级输出轴上的总转角误差为128

上述计算对小功率传动比较符合实际，而对于大功率传动，由于转矩较大，需要按其他法则进行计算。

综上所述，对于设计定轴齿轮传动机构，在确定总传动比、传动级数和传动比分配时，要根据系统的工作条件和功能要求，在考虑上述三个原则的同时，考虑其可行性和经济性，合理分配传动比。【应用点评2-1】齿轮传动比的分配

① 对于要求体积小、重量轻的齿轮传动机构，适用于重量最轻原则。

② 对于要求动作平稳、启停频繁和动态性能好的伺服系统中的齿轮减速机构，可采用等效惯量和总转角误差最小原则。

③ 对于传动精度要求高、回程误差小的传动轮系，可采用总转角误差最小原则。

④ 对于大传动比传动轮系，可采用定轴轮系和行星轮系的组合轮系，或采用谐波齿轮传动。2.2.3 齿轮传动间隙的消除方法

齿轮传动具有运动精度高和工作平稳的特点，必须尽可能减小传动齿轮副间的传动间隙，否则，齿侧间隙会造成机电系统反向运动滞后，丢失指令脉冲并产生反向死区，对传动精度造成很大影响。机电一体化系统对传动精度要求很高，对齿轮传动机构一般要求采用必要的消除齿隙的措施。

1.直齿圆柱齿轮传动间隙的消除方法

1）偏心套筒或偏心轴齿侧间隙调整法

如图2-2所示，将相互啮合的一对齿轮中的一个齿轮4装在电动机输出轴上，并将电动机2安装在偏心套1（或偏心轴）上，通过转动偏心套（偏心轴）的转角，就可调节两个啮合齿轮的中心距，从而消除圆柱齿轮正反转时的齿侧间隙。该方法的特点是结构简单，传动刚度高，传递动力大，但由磨损产生的侧隙不能自动补偿。

2）轴向垫片齿侧间隙调整法

如图2-3所示，在加工相互啮合的两个齿轮1、2时，将分度圆柱面制成带有小锥度的圆锥面，使齿轮齿厚在轴向稍有变化，装配时只需改变垫片3的厚度，使齿轮2进行轴向移动，调整两个齿轮在轴向的相对位置，即可达到消除齿侧间隙的目的。该方法的特点与偏心套齿侧间隙调整方法相同。上述两种方法齿轮磨损后齿侧间隙均不能自动补偿，因此加工时对齿轮的齿厚及齿距公差要求较严，否则将影响传动的灵活性。图2-2 偏心套筒或偏心轴齿侧间隙调整法1—偏心套；2—电动机；3—减速箱；4，5—齿轮图2-3 轴向垫片齿侧间隙调整法1，2—齿轮；3—垫片

3）双片薄齿轮错齿齿侧间隙调整法

如图2-4所示，两个齿数相同的薄片齿轮与另外一个宽齿轮啮合。薄片齿轮套装在一起，并可进行相对回转运动。每个薄片齿轮上分别开有周向圆弧槽，并在齿轮的齿槽内压有装弹簧的凸耳。由于弹簧的作用使齿轮错位，分别与宽齿轮的齿槽左右侧贴紧，从而消除了齿侧间隙。无论正向或反向旋转，都只有一个齿轮承受转矩，因此承载能力受到限制，设计时必须计算弹簧的拉力，使它能克服最大转矩。图2-4 双片薄齿轮错齿齿侧间隙调整法

这种调整法结构较复杂，传动刚度低，不宜传递大转矩，对齿轮的齿厚和齿距要求较低，可始终保持啮合无间隙，反向时不会出现死区。在检测装置中应用很多。

上述的各种齿隙调整方法各有利弊，使用时应根据要求合理选择。

2.斜齿圆柱齿轮传动间隙的消除方法

1）垫片调整法

消除斜齿轮传动齿轮侧隙的方法与上述错齿调整法基本相同，也是用两个薄片斜齿轮与一个宽齿轮啮合，只是在两个薄片斜齿轮的中

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

下载完整电子书