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《机电一体化技术与系统》教学大纲教案

《机电一体化技术与系统》教学大纲

课程编码：

课程名称：机电一体化技术

学时/学分：32学时/1.5学分

先修课程：《机械原理》、《机械设计》、《电工学》、《可编程控制技术》、《液压与气压传动》。

适用专业：机械设计制造及其自动化

开课教研室：机电一体化教研室

一、课程性质与任务

1．课程性质：本课程属于机械设计制造及其自动化专业选修课程，强调知识结构系统性和教学体系完整性的统一，使学生对机电一体化技术有较全面的认识，比较系统地掌握机电一体化系统各元部件的选择、计算的基本理论和方法，初步具备机电一体化系统的设计能力。

2．课程任务：任务是使机械设计制造及自动化的学生在机电一体化技术方面具有较广泛的知识，了解机电一体化系统（产品）涉及的相关技术，重点掌握典型机电一体化系统构建、设计，使学生在今后的工作中具有综合应用多学科知识的能力。二、课程教学基本要求

1．要求掌握的基本知识

机电一体化的一般知识。机电一体化的组成，各部分的性能、特点。

2．要求掌握的基本理论和方法

交流逆变技术，位置检测技术，plc控制系统基本原理。常用电动机基本工作原理，交流伺服电机特点及其调速方法，机械部件与气液控制技术基本原理。

3．要求掌握的基本技能

一、能设计电气电路图（就是控制电机启停、正反转，星三角这样的），并能完成配线。二、能进行PLC编程，能设计PLC控制电路。三、能用AUTOCAD画机械零件图，并进行简单的机械设计。三、具有较强的自学能力，能看懂设备的说明书等。

4.考核方式以平时作业和期末考试相结合的方式进行。平时占30%左右，期末占70%左右。

三、课程教学内容

教学内容

1.第一章绪论

内容：机电一体化系统的意义；机电一体化系统设计工作的组织；机电一体化系统所代表产品的范围及分类；机电一体化系统设计的发展趋势。

2.第二章交流逆变技术

内容：熟悉电力电子器件，掌握整流电路的分析方法，熟悉PWM逆变原理。

重点：整流电路的分析方法。

难点：PWM逆变原理。

3.第三章位置检测技术

内容：熟悉包括行程开关、接近开关、光电开关检测开关原理及功能。

重点：在了解各种开关原理基础上会进行简单的设计。

难点：传感器接口技术，以及各传感器和plc输入模块连接。

4.第四章PLC控制系统

内容：PLC控制系统，系统组成与PLC结构，PLC的工作原理，PLC的规格与型号，PLC连接技术

重点：PLC连接技术，程序编制。

难点：PLC的应用与实践。

5.第五章伺服传动技术

内容：伺服系统的结构组成及分类，直流伺服系统结构和原理，直流伺服系统的稳态误差分析，直流伺服系统的动态校正，交流伺服系统的分类及应用。异步型交流电动机的变频调速的基本原理及特性，异步电动机变频调速系统。步进电动机的结构、工作原理及使用特点，环形分配器；功率驱动器的种类及其工作原理。

重点: 直流伺服电机特性和调速原理，直流伺服系统组成的基本原理，交流伺服电机特点及其调速方法，变频调速装置的基本原理。

难点：直流伺服电机特性和调速原理，交流伺服电机特点及其调速方法。

6.第六章机械传动与支承技术

内容：同步带传动、谐波齿轮传动及滚珠花键传动装置的工作原理和工作特性。

熟悉新型标准与非标准滚动轴承、液体与气体静压轴承、磁轴承、塑料导轨、滚动导轨和静压导轨的工作特性。

重点：熟悉新型精密机械传动与支承件的工作特性，并能熟练选用。

难点：机电一体化系统的机械系统的数学建模、精密机械传动件和支承件的工作特性、机械结构参数对伺服性能的影响。

7.第七章液压与气动控制技术

内容：机械手液压系统分析，液压控制原理分析，机械手液压控制原理，液压系统特点及推广，液压系统调试，电液伺服系统应用，喷漆机器人系统设计，气动机械手控制系统分析。

重点：液压控制原理及机械手液压控制原理分析。

难点：喷漆机器人系统设计，气动机械手控制系统分析

五、建议教材及参考书

教材：梁景凯主编，《机电一体化系统设计》，机械工业出版社。

课程定位

?《机电一体化技术与系统》课程是机械工程及自动化专业学生的专业基础必修课。

?是学生经过三年基础课和技术基础课学习之后，带有总结意义的一门综合性设计课程。

?在学生掌握一定的专业基础知识的基础上，以机械设计为主线，综合运用所学知识，从整体角度掌握机电一体化系统设计的思想、原理、方法和程序。

学习方法

?1、认真听课

?2、参考教材自学

?3、网络自学和自测检查

?3、认真实验，主动参加自选实验

?4、积极参加讨论和完成作业（可以网络提交）

课程的考核办法

?理论课：百分制

?闭卷考试70% 平时成绩30%

?平时成绩：课堂效果、作业效果、?网上答疑、实验效果

机电一体化

信息科学

机械学

电子学

第1章概论

? 1.1 概述

? 1.2 机电一体化系统的设计 ? 1.3 机电一体化系统的发展趋势

美国《技术评论》认为，有十种新兴技术在不远的将来会产生巨大影响：无线传感器网络；可注入组织工程；纳米太阳能电池；机电一体化技术；分子成像；纳米印刷刻蚀；软件保证；糖原组学；量子密码术。

1.1 概述

1.1.1 引言

机电一体化一般包含机电一体化技术和机电一体化产品(系统) 两层含义。

1、机电一体化技术：从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新科学技术。

2、机电一体化产品：新型机械与微电子器件，特别是微处理器、微型机相结合而开发出来的新一代电子代机械产品。权威定义：

? 起源：日本，20世纪70年代； ?

合成词：Mecha —tronics 。它取英语

Mechanics(机械学)的前半部和Electronics （电子学）的后半部分拼成一个新词；

(ASME)由计算机信息网络协调与控

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。理解：

机电一体化不是机械与电子简单的叠加，而是在信息论、控制论和系统论的

基础上建立起来的应用技术

典型的机电一体化产品(系统)有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、智

能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CAD ／CAM 系统等。常用的机电一体化产品：数控铣床、焊接机器人、汽车防抱死系统(ABS)

发展概况：

1. 20世纪60年代前为第一阶段，“萌芽阶段”

工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结合，以提高机械产品的性能。但是由于电子技术的发展相对落后，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。

2. 70年代到80年代为第二阶段，“蓬勃发展阶段”

计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。这个时期的特点是：

①mechatronics（机电一体化）一词首先在日本被普遍接受，大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；

②机电一体化技术和产品得到了极大发展；

③各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。

3、90年代后期为第三阶段，“智能化阶段”

①光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支。

②对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。

③由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。

4、总的发展趋势

①性能上，向高精度、高效率、智能化的方向发展，以数控机床为例，控制精度

0.1um，进给速度100m/min以上，联动轴数15轴以上，界面、通讯等长足发展；

②功能上，向小型化、轻型化、多功能化方向发展。

③层次上，向系统化、复合集成化方向发展。

?有资料总结为六化：（1）智能化（2）模块化（3）网络化

（4）微型化（5）绿色化（6）人性化

1.1.2 机电一体化的基本组成要素

1、机械本体：机身、框架、机械联接等产品支持机构，实现构造功能。

要求：可靠、小型、美观

2、动力与驱动：提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能。

要求：效率高、可靠性好

3、传感测试装置：检测产品内部状态和外部环境，实现计测功能。物理量/化学量电信号

要求：体积小、精度高、抗干扰

4、执行机构：包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成要求的动作，实现主功能。

要求：高性能、高精度、高效率

5、控制及信息处理单元：处理、运算、决策，实现控制功能。计算机PLC A/D D/A 光耦

要求：高可靠性、柔性、智能化

以上这五部分通常称为机电一体化的五大组成要素。在机电一体化系统中的这些单元和它们内部各环节之间都遵循接口耦合、运动传递、信息控制、能量转换的原则，称为四大原则。

1、接口耦合与能量转换：变换、放大、耦合、能量转换

2、信息控制

3、运动传递

1.1.3 机电一体化系统的技术组成 1、机械技术

机械技术是机电一体化的基础。机电一体化产品中的主功能和构造功能，往往是以机械技术为主实现的。特别是关键部件，如导轨、滚珠丝杠、轴承、传动部件等的材料、精度对机电一体化产品的性能、控制精度等多方向的要求。实现机电一体化产品的主功能和构造功能，影响系统的结构、重量、体积、刚性、可靠性等。

着眼点：如何与机电一体化技术相适应。CAPP （计算机辅助工艺规程编制）、 CAD 、 CAM 等

2、计算机与信息处理技术

信息处理技术包括信息的输入、识别、变换、运算、存储及格出技术，它们大都是依靠计算机来进行的，因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策等，实现信息处理的主要工具是计算机。计算机技术包括计算机硬件技术和软件技术、网络与通信技术、数据库技术等。其主要工具是计算机。

3、自动控制技术

自动控制技术就是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。自动控制技术范围很广，包括自动控制理论、控制系统设计、系统仿真、现场调试、可靠运行等从理论到实践的整个过程。由于被控对象种类繁多，所以控制技术的内容极其丰富，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、示教再现、检索等控制技术。 4、传感与检测技术

研究对象：传感器及其信号检测传输装置（即变送器）。检测传感技术是机电一体化的关键技术，它将所测得的各种参量如位移、位置、速度、加速度、力、温度、酸度和其他形式的信号等转换为统一规格的电信号输入到信息处理系统中，并由此产生出相应的控制信号以决定执行机构的运动形式和动作幅度。传感器检测的精度、灵敏度和可靠性将直接影响到机电一体化的性能。

要求：能快速、精确地获得信息并在相应的应用环境中具有高可靠性。

5、伺服驱动技术

?研究对象：执行元件及其驱动装置

?执行元件种类：电动、液压、气压

?驱动装置指各种电动机的驱动电源电路，目前多采用电力电子器件及集成化的功能电路构成。

6、系统总体技术

系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统工程的观点和方法，将系统总体分解成相互有机联系的若干功能单元，并以功能单元为子系统继续分解，直至找到可实现的技术方案，然后再将系统各个功能模块有机的结合起来，以实现整体最优。其重要内容为接口技术。接口包括电气接口、机械接口、人机接口

小结：

机电一体化通过综合利用现代高新技术的优势，在提高精度、增强功能、改善操作性和使用性、提高生产率和降低成本、节约能源和降低消耗、减轻劳动强度和改善劳动条件、提高安全性和可靠性、简化结构和减轻重量、增强柔性和智能化程度、降低价格等诸多方面都取得了显著的技术经济效益和社会效益，促使社会和科学技术又向前大大迈进了一步。

1.2 机电一体系统的设计

1.2.1 机电一体化系统的分类

分为开环控制系统和闭环控制系统

电机典型闭环控制系统：

1.2.2 机电一体化系统（产品）开发的类型

机电一体化系统（产品）开发的类型依据该系统与相关产品比较的新颖程度和技术独创性，可分为以下几种设计类型：

?开发性设计（全新设计）

?适应性设计（原理方案不变，仅对功能及结构进行重新设计）

?变参数设计（仅改变部分结构尺寸而形成系列产品）

1.2.3机电一体化系统（产品）设计方案的常用方法

在进行机电一体化系统（产品）设计之前，要依据该系统的通用性、可靠性、经济性和防伪性等要求合理地确定系统的设计方案。拟定设计方案的方法通常有取代法、整体设计法和组合法。

?取代法

?整体设计法

?组合法

1.2.4机电一体化系统（产品）设计与工程路线

1、市场调查与预测

?市场调查与预测是产品开发成败的关键性的第一步。

市场调查就是运用科学方法，系统地、全面地收集有关市场需求和经销方面的情况和资料，分析研究产品在供需双方之间进行转移的状况和趋势。

市场预测就是在市场调查的基础上，运用科学方法和手段，根据历史资料和现状，通过定性的经验分析或定量的科学计算，对市场未来的不确定因素和条件作出预计、测算和判断，为企业提供决策依据。

定性预测：在数据和信息缺乏时，依靠经验和综合分析能力，对未来的发展状况作出推测和估计，多采用下述调查法。

?走访调研、查资料

?抽样调查

?类比调查

?专家调查通过调查表向专家征询意见。

定量预测：运用相关系数法，对影响预测结果的各种因素进行相关性分析和筛选，根据主要影响因素和预测对象的数量关系建立数学模型，对市场发展情况作出定量预测。它多采用下述方法：

?时间序列回归法

?因果关系回归法预测目标与影响因素之间存在因果关系；

?产品寿命周期法产品都有一个开发、投产、成长、成熟直至淘汰的过程，整个过程中所经历的时期称为产品的寿命周期，通常分为投入期、成长期、成熟期和衰退期。

2、构思比较

机电一体化产品设计应鼓励创新，充分发挥创造力和聪明才智来构思、创造新的方案。

?专家调查法

?头脑风暴法

?检查提问法

?检索查表法

?特性列举法

?缺点列举法

?希望列举法

3、方案评价

对多种构思和多种方案进行筛选，选择较好的可行方案进行组合和概略评价，从中再选几个方案，按照机电一体化水平系统评价原则和评价方法，进行深入的综合分析评价，最后确定实施方案。

4、详细设计

根据综合评价后确定的基本方案，从技术上将其细节逐层全部展开，直至完成试制产品样机所需全部技术图纸及文件的过程。

5、基本设计和工程路线

机电一体化产品开发的基本路线

思考题：

第2章机电一体化机械系统设计理论

? 2.1 概述

? 2.2 机械传动设计的原则 ? 2.3 机械系统性能分析 ? 2.4 机械系统的运动控制

机电一体化系统中的机械设计要遵循机电结合、机电互补的原则，满足高精度、快速响应速度和稳定性的要求。具体包括两大部分的内容：一是机械传动装置的设计，一是机械结构的设计。

2.1 概述

2.1.1 机电一体化对机械系统的基本要求

1. 高精度

2. 快速相应

3. 良好的稳定性 2.1.2 机械系统的组成

1. 传动机构

2. 导向机构

3. 执行机构

2.1.3 机械系统的设计思路

1. 静态设计

2. 动态设计

2.2 机械传动设计的原则

2.2.1 机械传动装置功能及性能要求

功能：传递运动（速度、位移）和动力（力、力矩）

机械设计技术

机械传动装置设计

机械结构设计

滚珠丝杠传动无侧隙齿轮传动

谐波齿轮传动同步齿形带传动膜片弹性联轴器导轨设计支承装置主轴组件设计

机电一体化系统的传动装置是伺服系统的一部分，通过控制装置，使机械传动部分与伺服电动机的动态特性相匹配，并且满足传动精度、定位精度高，响应速度快，速度的稳定性好。

性能要求满足以下几个方面： 1、转动惯量（ J ）小

转动惯量大对系统造成不良影响，使机械负载变大，系统响应速度降低，灵敏度下降，但是 J 小不应影响机械系统的刚度。 2、刚度（ K ）大

刚度是指弹性体抵抗变形的能力，或产生单位弹性变形量所需要的作用力。

大的刚度对机械系统是有利的，可增大机构固有频率，不易产生共振，增加伺服系统的

稳定性。

3、阻尼（B ）合适

系统产生振动时，B 越大，振幅越小，衰减越快，但稳态误差增大，精度降低。阻尼比为：

2.2.2 总传动比的确定

在伺服系统中，通常采用负载角加速度最大原则选择总传动比，以提高伺服系统的响应速度。传动模型如图2-1所示。

图2-1 电机、传动装置和负载的传动模型

图中： J m ——电动机M 的转子的转动惯量；

θm ——电动机M 的角位移

J L ——负载L 的转动惯量；

=ξ1

>ξ1

<ξ过阻尼系统临界阻尼系统

欠阻尼系统

一般取

.04.0<<ξm

K =

B 2=ξ

J m

J L

M G

θm θL

T LF

m m θθθ 、、L

L L θθθ 、、0/=di d L θ L

θ θL ——负载L 的角位移；

T LF ——摩擦阻抗转矩； i ——齿轮系G 的总传动比。 ? 根据传动关系有

式中:

——电动机的角位移、角速度、角加速度；

——负载的角位移、角速度、角加速度。 T LF 换算到电动机轴上的阻抗转矩为T LF / i ；J L 换算到电动机轴上的转动惯量为J L /i 2。

设T m

为电动机的驱动转矩，在忽略传动装置惯量的前提下，根据旋转运动方程，电动机轴上的合转矩T a 为

式(2-2)中若改变总传动比i ，则也随之改变。根据负载角加速度最大的原则，令则解得

若不计摩擦,即T LF ＝0, 则

? 式(2-3)表明，得到传动装置总传动比i 的最佳值的时刻就是J L 换算到电动机轴上的转动惯量正好等于电动机转子的转动惯量J m 的时刻，此时，电动机的输出转矩一半用于加速负载，一半用于加速电动机转子，达到了惯性负载和转矩的最佳匹配。 2.2.3 传动链的级数和各级传动比的分配 ? 1. 等效转动惯量最小原则

齿轮系传递的功率不同, 其传动比的分配也有所不同。 1）小功率传动装置

L m

L m i θθθθθθ ===L

m LF m L

L L m m L m LF m a J i J T i T i i

J J i J J i T T T +-=??+=?+=-

=222)()(θθθ 则m L m LF m LF J J T T T T i +???

? ??+=2

m L

m L T i

T J J i ==

2或

电动机驱动的二级齿轮传动系统如图2-2所示。

图2-2 电动机驱动的两级齿轮传动

由于功率小，假定各主动轮具有相同的转动惯量J 1，轴与轴承转动惯量不计，各齿轮均为实心圆柱齿轮，且齿宽b 和材料均相同，效率不计，则有式中：

i 1、 i 2 ——齿轮系中第一、第二级齿轮副的传动比； i ——齿轮系总传动比， i = i 1 i 2。同理，对于n 级齿轮系，则有

由此可见, 各级传动比分配的结果应遵循“前小后大”的原则。

例2-1 设有i =80，传动级数n= 4的小功率传动，试按等效转动惯量最小原则分配传动比。

解

J 1

i 1

J 2

J 1

J 3

i 2

/26/123/112)2(i i i i -=?=122222

)1(21

)12(21211

2-????

? ??==-----n k n

k i n i i i n n n

验算 I= i 1i 2i 3i 4≈80

若以传动级数为参变量，齿轮系中折算到电动机轴上的等效转动惯量J e 与第一级主动齿轮的转动惯量J 1之比为J e /J 1，其变化与总传动比i 的关系如图2-3所示。

图2-3 小功率传动装置确定传动级数曲线

2）大功率传动装置

大功率传动装置传递的扭矩大，各级齿轮副的模数、齿宽、直径等参数逐级增加，各级齿轮的转动惯量差别很大。大功率传动装置的传动级数及各级传动比可依据图2-4、图2-5、图2-6来确定。传动比分配的基本原则仍应为“前小后大”。

图2-4 大功率传动装置确定传动级数曲线

9887

.6)2

80(21438

.3)2

80(21085

.2)2

80(27268

.180215

82415

2/4322)

12(22/421

)

(21

4214

4=======?=------i i i i 10050

105

n ＝

n ＝4

n ＝5

105100

50总传动比

i 转动惯量比J e /J 1

n ＝3

1100

5010

转动惯量比J e /J 1

010

100256

1000

总传动比

i n ＝1

n ＝2n ＝3

n ＝4n ＝5

图2-5 大功率传动装置确定第一级传动比曲线

图2-6 大功率传动装置确定各级传动比曲线

例2-2 设有i =256的大功率传动装置，试按等效转动惯量最小原则分配传动比。解查图2-4，得n=3，J e /J 1=70；n=4，J e / J 1 =35； n=5，J e / J 1 =26。兼顾到J e / J 1值的大小和传动装置的结构，选n ＝4。查图2-5，得i 1＝3.3。查图2-6，在横坐标i k-1上3.3处作垂直线与A 线交于第一点，在纵坐标i k 轴上查得i 2＝3.7。通过该点作水平线与B 曲线相交得第二点i 3＝4.24。由第二点作垂线与A 曲线相交得第三点i 4＝4.95。验算i 1 i 2 i 3 i 4＝256.26。满足设计要求。 ? 2. 质量最小原则

1）大功率传动装置

对于大功率传动装置的传动级数确定，主要考虑结构的紧凑性。在给定总传动比的情况下，传动级数过少会使大齿轮尺寸过大，导致传动装置体积和质量增大；传动级数过多会增加轴、轴承等辅助构件，导致传动装置质量增加。设计时应综合考虑系统的功能要求和环境因素，通常情况下传动级数要尽量地少。

大功率减速传动装置按质量最小原则确定的各级传动比表现为“前大后小”的传动比分配方式。减速齿轮传动的后级齿轮比前级齿轮的转矩要大得多，同样传动比的情况下齿厚、质量也大得多，因此减小后级传动比就相应减少了大齿轮的齿数和质量。大功率减速传动装置的各级传动比可以按图2-7和图2-8选择。

105

i k

86420

100

1000

n ＝1

n ＝2n ＝3n ＝4n ＝5

总传动比

i 10i k

8642

12346

810

6810i k －1

123468

B A

图2-7 大功率传动装置两级传动比曲线图2-8 大功率传动装置三级传动比曲线

（i <10时,使用图中的虚线）（i <100时,使用图中的虚线）

例

2-4 设n ＝3，i ＝202，求各级传动比。解查图2-8可得

i 1≈12，i 2≈5， i 3≈3.4

2）小功率传动装置

对于小功率传动装置，按质量最小原则来确定传动比时，通常选择相等的各级传动比。在假设各主动小齿轮的模数、齿数均相等的特殊条件下，各大齿轮的分度圆直径均相等，

因而每级齿轮副的中心距也相等。这样便可设计成如图2-9所示的回曲式齿轮传动链；其总传动比可以非常大。显然,这种结构十分紧凑。

图2-9 回曲式齿轮传动链

? 3. 输出轴转角误差最小原则

以图2-10所示四级齿轮减速传动链为例。四级传动比分别为 i 1、 i 2、 i 3、 i 4,齿轮1~8 的转角误差依次为ΔΦ1~ΔΦ8。

1020304050701001

345710

i 1

i 2

i 1

i 2

i k

1020304050100100

200

3005001000

i 1

i k

i 2i 3

i 1

i 2

i 3

伺服

电动机

1516

14131112

978

33i 24

i 1

i 3

i 4

输出