第一篇：機(jī)電一體化系統(tǒng)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

機(jī)電一體化系統(tǒng)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

摘要：機(jī)電一體化系統(tǒng)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法主要有可靠性設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、反求設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)等。本論文主要介紹了可靠性設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法?？煽啃栽O(shè)計(jì)包括了很廣的內(nèi)容，可以說在滿足產(chǎn)品功能，成本等要求的前提下一切使產(chǎn)品可靠運(yùn)行的設(shè)計(jì)都稱之為可靠性設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)是指將優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)過程，最終獲得比較合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法目前已比較成熟，各種計(jì)算機(jī)程序能解決不同特點(diǎn)的工程問題。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化；現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法；可靠性設(shè)計(jì)；優(yōu)化設(shè)計(jì)。

一、引言

隨著社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，使人們對設(shè)計(jì)的要求發(fā)展到了一個新的階段，具體表現(xiàn)為設(shè)計(jì)對象由單機(jī)走向系統(tǒng)、設(shè)計(jì)要求由單目標(biāo)走向多目標(biāo)、設(shè)計(jì)所涉及的領(lǐng)域由單一領(lǐng)域走向多個領(lǐng)域、承擔(dān)設(shè)計(jì)的工作人員從單人走向小組甚至大的群體、產(chǎn)品設(shè)計(jì)由自由發(fā)展走向有計(jì)劃的開展。

與人們對設(shè)計(jì)的要求相比現(xiàn)階段的設(shè)計(jì)確實(shí)是落后的，主要表現(xiàn)為：對客觀設(shè)計(jì)的研究不夠，尚未很好的掌握設(shè)計(jì)中的客觀規(guī)律；當(dāng)前設(shè)計(jì)的優(yōu)劣主要取決于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)；設(shè)計(jì)生產(chǎn)率較低；設(shè)計(jì)進(jìn)度與質(zhì)量不能很好控制；實(shí)際手段與設(shè)計(jì)方法有待改進(jìn)；尚未形成能被大家接受，能有效指導(dǎo)設(shè)計(jì)實(shí)踐的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論。

面對這種形勢，唯一的解決方法就是設(shè)計(jì)必須科學(xué)化。這就意味著要科學(xué)的闡述客觀設(shè)計(jì)過程及本質(zhì)，分析與設(shè)計(jì)有關(guān)的領(lǐng)域及其地位，在此基礎(chǔ)上科學(xué)的安排設(shè)計(jì)進(jìn)程，使用科學(xué)的方法和手段進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，同時也要求設(shè)計(jì)人員不僅有豐富的專業(yè)知識，而且要掌握先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)手段，科學(xué)地進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，這樣才能及時得到符合要求的產(chǎn)品。

二、機(jī)電一體化系統(tǒng)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法概述

機(jī)電一體化系統(tǒng)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是以設(shè)計(jì)產(chǎn)品為目標(biāo)的一個總的知識群體的總稱。它運(yùn)用了系統(tǒng)工程，實(shí)行人、機(jī)、環(huán)境系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)進(jìn)程、設(shè)計(jì)組織更合理化、現(xiàn)代化，大力采用許多動態(tài)分析方法，使問題分析動態(tài)化，實(shí)際進(jìn)程、設(shè)計(jì)方案和數(shù)據(jù)的選擇更為優(yōu)化，計(jì)算、繪圖等計(jì)算機(jī)化。所以人們常用動態(tài)化、優(yōu)化、計(jì)算機(jī)化概括其核心內(nèi)容。

機(jī)電一體化系統(tǒng)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法包括可靠性設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，反求設(shè)計(jì)方法，綠色設(shè)計(jì)方法，虛擬設(shè)計(jì)方法等。這里只介紹可靠性設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)兩種方法。

三、可靠性設(shè)計(jì)

1．可靠性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

可靠性作為產(chǎn)品質(zhì)量的主要指標(biāo)之一，隨產(chǎn)品所使用時間的延續(xù)在不斷變化?？煽啃栽O(shè)計(jì)的任務(wù)就是確定產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的變化規(guī)律，并在其基礎(chǔ)上確定如何以最少的費(fèi)用來保證應(yīng)有的工作壽命和可靠度，建立最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。因此可靠性設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括：故障機(jī)理和故障模型研究；可靠性實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究；可靠性水平的確定等。2．可靠性設(shè)計(jì)的常用指標(biāo)

表示可靠性水平高低的指標(biāo)體系如下圖，主要包括五個方面：可靠性、維修性、有效性、耐久性和安全性。3．可靠性設(shè)計(jì)常用方法（1）冗余技術(shù)：

冗余技術(shù)又稱為儲存技術(shù)。它是利用系統(tǒng)的并聯(lián)模型來提高系統(tǒng)可靠性的一種手段。冗余有工作冗余

和后備冗余兩類。

工作冗余：又稱為工作儲備和掩蔽儲備，是一種兩個或兩個以上單元并行工作的并聯(lián)模型。平時，由各個單元平均分擔(dān)工作壓力，因此工作能力有冗余。只有當(dāng)所有單元都失效時系統(tǒng)才失效，如果還有任何一個單元未失效，系統(tǒng)就能可靠地工作，不過這個單元要負(fù)擔(dān)額定的全部工作應(yīng)力。

后備冗余：又稱為非工作儲備或待機(jī)儲備。平時只需一個單元工作，另一個單元是冗余的，用于待機(jī)備用。這種系統(tǒng)必須設(shè)置失效檢測裝置和轉(zhuǎn)換裝置并保證絕對可靠，則后備冗余的可靠度比工作冗余法高。如果不絕對可靠，就寧肯采用工作冗余法，因工作冗余系統(tǒng)還有一個優(yōu)點(diǎn)，就是由于冗余單元分擔(dān)了工作應(yīng)力，各單元的工作應(yīng)力都低于額定值，因此其可靠度比預(yù)定值高。選擇冗余法必須考慮產(chǎn)品性能上的要求，如果由多個單元同時完成同一工作顯著影響系統(tǒng)的工作特性時，就不能采用工作冗余法。產(chǎn)品設(shè)計(jì)必須考慮環(huán)境條件和工作條件的影響，例如，如果多個工作單元同時工作，因每個單元的溫升而產(chǎn)生系統(tǒng)所不能容許的溫升時，最好采用后備冗余法。又如系統(tǒng)的電源有限，不足以使冗余單元同時工作，也以采用后備冗余法為好。

決定是否采用冗余技術(shù)時，要分析引起失效的可靠原因。當(dāng)失效真正是隨機(jī)失效時，冗余技術(shù)就能大大提高可靠度，但如果是由于過應(yīng)力所引起的，冗余技術(shù)就沒有用。如果某一環(huán)境條件是使并聯(lián)各單元失效的共同因素，則冗余單元也并不可靠。（2）診斷技術(shù)

從本質(zhì)上來看，診斷技術(shù)是一種檢測技術(shù)，用來取得有關(guān)產(chǎn)品中產(chǎn)生的失效（故障）類型和失效位置信息。它的任務(wù)有兩個：一是出現(xiàn)故障時，迅速確定故障的種類和位置，以便及時修復(fù)；二是在故障尚未發(fā)生時，確定產(chǎn)品中有關(guān)元器件距離極限狀態(tài)的程度，查明產(chǎn)品工作能力下降的原因，以便采取維護(hù)措施或進(jìn)行自動調(diào)整，防止發(fā)生故障。診斷的過程是：首先對診斷對象進(jìn)行特定的測試，取得診斷信號（輸出參數(shù)）。再從診斷信號中分離出能表征故障種類和位置的異常性信號，即征兆；最后將征兆與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)相比較，確定故障的種類和故障的位置。

測試：通常有兩種測試，一是在故障出現(xiàn)之后，為了迅速確定故障的種類和故障的位置，對診斷對象進(jìn)行試驗(yàn)性測試，這時診斷對象處于非工作狀態(tài)，這種情況稱為診斷測試；二是在故障發(fā)生前，診斷對象處于工作狀態(tài)，為了預(yù)測故障或及時發(fā)現(xiàn)故障而進(jìn)行的在線測試，這種情況稱為故障監(jiān)測。

征兆：征兆是有利于判斷故障種類和故障位置的異常性診斷信號，可分為直接征兆和間接征兆兩類。直接征兆是在檢測產(chǎn)品整機(jī)的輸出參數(shù)或可能出現(xiàn)故障的元部件輸出參數(shù)時，取得的異常性診斷信號。例如，產(chǎn)品的主要性能參數(shù)異?；蛴嘘P(guān)機(jī)械零件的磨損量、變形量等參數(shù)變化的信號。間接征兆是從那些與產(chǎn)品有關(guān)工作能力存在函數(shù)關(guān)系的間接參數(shù)中取得的異常性診斷信號。例如，產(chǎn)品的音響信號、溫度變化、潤滑油中磨損產(chǎn)物、系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)（幅頻特性），都可作為取得間接征兆的信號。采用間接征兆進(jìn)行診斷的主要優(yōu)點(diǎn)是，可以在產(chǎn)品處于工作狀態(tài)及不作任何拆卸的情況下，評價產(chǎn)品的工作能力。其缺點(diǎn)是，間接征兆與產(chǎn)品輸出信號之間往往存在某種隨即關(guān)系，此外，一些干擾因素也會影響間接征兆的有效性。盡管如此，間接征兆在診斷技術(shù)中還是得到了廣泛的應(yīng)用。

診斷：診斷就是將測試取得的診斷信號與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)相比較，或利用事先確定的征兆與故障之間的對應(yīng)關(guān)系，來確定故障的種類與部位。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)是根據(jù)產(chǎn)品或元部件輸出參數(shù)的極限值來設(shè)定的。征兆與故障之間的對應(yīng)關(guān)系，可根據(jù)理論分析或模擬仿真試驗(yàn)來建立，這種關(guān)系用列表形式來表示時，稱為故障診斷表。

四、優(yōu)化設(shè)計(jì)

1． 優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容和目的

機(jī)電一體化系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)就是要把優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用到機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中去，通過對零件、機(jī)構(gòu)、元器件和電路、部件、子系統(tǒng)乃至機(jī)電一體化系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定出最佳設(shè)計(jì)參數(shù)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高機(jī)電產(chǎn)品及技術(shù)裝備的設(shè)計(jì)水平，從而增強(qiáng)其市場競爭力和生命力。2． 機(jī)電一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)的條件

機(jī)電一體化設(shè)計(jì)比單一門類的設(shè)計(jì)有更多的可選擇性和設(shè)計(jì)靈活性，因?yàn)槟承┕δ芗瓤梢圆捎脵C(jī)械方案來實(shí)現(xiàn)，也可以采用電子硬件或軟件方案來實(shí)現(xiàn)，如機(jī)械計(jì)時器可由電子計(jì)時器代替，汽車上的機(jī)械式點(diǎn)火機(jī)構(gòu)可由微機(jī)控制的電子點(diǎn)火系統(tǒng)替代，步進(jìn)電機(jī)的硬件環(huán)形分配器可由軟件環(huán)形分配替代等。實(shí)際上，這些可以互相替代的機(jī)械、電子硬件或軟件方案必然在某個層次上可實(shí)現(xiàn)相同的功能，因而稱這些方案在實(shí)現(xiàn)某種功能上具有等效性，這種等效性是可以進(jìn)行機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的充分條件之一。

另外，從一般的控制系統(tǒng)方框圖中可以看出，各個組成環(huán)節(jié)的特性是相互關(guān)聯(lián)的，而且共同影響系統(tǒng)的性能?？刂葡到y(tǒng)的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)不是只改變控制裝置的性能，而是把包括控制對象在內(nèi)的大部分組成環(huán)節(jié)都作為可改變的設(shè)計(jì)內(nèi)容，使設(shè)計(jì)工作比只改變控制裝置有更大的靈活性，可以優(yōu)化出更合理的結(jié)構(gòu)組織形式，獲得更理想的產(chǎn)品性能。這種機(jī)電環(huán)節(jié)互相關(guān)聯(lián)、相輔相成的互補(bǔ)特性，是機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的另一充分條件。

如果在所設(shè)計(jì)產(chǎn)品中具備等效性環(huán)節(jié)或互補(bǔ)性環(huán)節(jié)，那么該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)就應(yīng)該采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)方法，否則只需采用常規(guī)設(shè)計(jì)方法。3．優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法

（1）實(shí)驗(yàn)法：由實(shí)驗(yàn)直接找到目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解及相應(yīng)的最優(yōu)點(diǎn)，求出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

（2）圖解法：根據(jù)目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)，畫出其圖形，找出最優(yōu)解，雖然此方法只適應(yīng)于求解極簡單的優(yōu)化問題，但對于理解優(yōu)化問題中的基本概念，目標(biāo)函數(shù)與約束函數(shù)之間的關(guān)系，掌握最優(yōu)解的存在規(guī)律及求解范圍都有很大的幫助。

（3）數(shù)學(xué)規(guī)劃法：優(yōu)化問題的求解主要是用數(shù)學(xué)規(guī)劃法，因此數(shù)學(xué)規(guī)劃法是整個優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的核心，該方法是根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，從求解函數(shù)極值問題的數(shù)學(xué)原理出發(fā)，運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)中一系列數(shù)學(xué)分析及計(jì)算方法，求出最優(yōu)解。數(shù)學(xué)規(guī)劃法又有許多類型：

①根據(jù)目標(biāo)函數(shù)的個數(shù)分為單目標(biāo)優(yōu)化問題和多目標(biāo)優(yōu)化問題。

②根據(jù)目標(biāo)函數(shù)及約束函數(shù)的線性性質(zhì)分為線性規(guī)劃問題和非線性規(guī)劃問題，線性規(guī)劃問題求解主要用單純行優(yōu)化法。

③非線性規(guī)劃問題又分為單變量和多變量問題。單變量問題主要用于唯一變量法。多變量問題則分為無約束優(yōu)化和有約束優(yōu)化。無約束優(yōu)化又分為導(dǎo)數(shù)優(yōu)化法和模式優(yōu)化法，有約束優(yōu)化法則分為直接優(yōu)化法和間接法。

4．優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟：（1）設(shè)計(jì)對象分析（2）設(shè)計(jì)變量和設(shè)計(jì)約束條件的確定（3）目標(biāo)函數(shù)的建立（4）合適的優(yōu)化計(jì)算方法選擇（5）優(yōu)化結(jié)果分析。

結(jié)語：機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)方法要遵循產(chǎn)品的一般性設(shè)計(jì)原則，即在保證產(chǎn)品目的、功能、性能和使用壽命前提下盡量降低成本，機(jī)電一體化的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法并不是盲目追求“高、精、尖”，而是在充分滿足用戶要求的基礎(chǔ)上努力以最新的技術(shù)手段，最廉價材料或元器件，最簡單的結(jié)構(gòu)，最低的消耗向用戶提供最滿意的產(chǎn)品。

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第二篇：機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、動力系統(tǒng)（動力源）、傳感檢測系統(tǒng)（傳感器）、執(zhí)行元件系統(tǒng)（如電動機(jī)）等五個子系統(tǒng)組成。

2、系統(tǒng)必須具有以下三大“目的功能”：①變換（加工、處理）功能；②傳遞（移動、輸送）功能；③儲存（保持、積蓄、記錄）功能。

3的變換、調(diào)整功能，可將接口分成四種：1）零接口；2）無源接口；3）有源接口；4）智能接口。

4、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的考慮方法通常有：機(jī)電互補(bǔ)法、結(jié)合（融合）法和結(jié)合法。

5擦、低慣量、高強(qiáng)度、高諧振頻率、適當(dāng)?shù)淖枘岜鹊纫蟆?/p>

6、為達(dá)到上述要求，主要從以下幾個方面采取措施：

1）采用低摩擦阻力的傳動部件和導(dǎo)向支承部件，如采用滾珠絲杠副、滾動導(dǎo)向支承、動（靜）壓導(dǎo)向支承等。

2如用加預(yù)緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動導(dǎo)軌副的傳動和支承剛度；采用大扭矩、寬調(diào)速的直流或交流伺服電機(jī)直接與絲杠螺母副連接以減少中間傳動機(jī)構(gòu)；絲杠的支承設(shè)計(jì)中采用兩端軸向預(yù)緊或預(yù)拉伸支承結(jié)構(gòu)等。

3的等效動慣量，盡可能提高加速能力。

5如選用復(fù)合材料等來提高剛度和強(qiáng)度，減輕重量、縮小體積使結(jié)構(gòu)緊密化，以確保系統(tǒng)的小型化、輕量化、高速化和高可靠性化。

第三篇：機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)講稿

項(xiàng)目一 數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)與部件選擇

1.1無級變速傳動鏈

1.1.1機(jī)床主傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足的基本要求

機(jī)床主傳動系統(tǒng)因機(jī)床的類型、性能、規(guī)格尺寸等因素的不同，應(yīng)滿足的要求一也不一樣。在設(shè)計(jì)機(jī)床主傳動系統(tǒng)時最基本的原則就是以最經(jīng)濟(jì)、合理的方式滿足既定的要求。在設(shè)計(jì)時應(yīng)結(jié)合具體機(jī)床進(jìn)行分析，一般應(yīng)滿足下述基本要求:(1)滿足機(jī)床使用性能要求。

首先應(yīng)滿足機(jī)床的運(yùn)動特性，如機(jī)床的主軸有足夠的轉(zhuǎn)速范圍和轉(zhuǎn)速級數(shù)(對于主傳動為直線運(yùn)動的機(jī)床，則有足夠的每分鐘雙行程數(shù)范圍及變速級數(shù));傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，操作方便靈活、迅速、安全可靠等。(2)滿足機(jī)床傳遞動力要求。

主電動機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)能提供和傳遞足夠的功率和轉(zhuǎn)矩，具有較高的傳動效率。

1.1.2數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)分類

機(jī)床主傳動系統(tǒng)可按以下不同的特征來分類:(1)按驅(qū)動主傳動的電動機(jī)類型可分為交流電動機(jī)驅(qū)動和直流電動機(jī)驅(qū)動。交流電動機(jī)驅(qū)動中又可分為單速交流電動機(jī)驅(qū)動或調(diào)速交流電動機(jī)驅(qū)動兩種。調(diào)速交流電動機(jī)驅(qū)動又有多速交流電動機(jī)驅(qū)動和無級調(diào)速交流電動機(jī)驅(qū)動。無級調(diào)速交流電動機(jī)通常采用變頻調(diào)速的原理。(2)按傳動裝置類型可分為機(jī)械傳動裝置、液壓傳動裝置、電氣傳動裝置及其組合。(3)按變速的連續(xù)性可分為分級變速傳動和無級變速傳動(此部分在下面詳細(xì)介紹)。數(shù)控機(jī)床的主傳動要求有較大的調(diào)速范圍，以保證在加工時能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。數(shù)控機(jī)床的變速是按照控制指令自動進(jìn)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求。大多數(shù)數(shù)控機(jī)床采用無級變速系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)主要有以下四種配置方式:(1)主軸電動機(jī)直接驅(qū)動。

如圖2一1(a)所示，電動機(jī)軸與主軸用聯(lián)軸器連接，這種方式大大簡化了主軸箱和主軸結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出扭矩小，電動機(jī)發(fā)熱對主軸影響較大。目前，多采用交流伺服電動機(jī)，它的功率很大，但輸出功率與實(shí)際消耗的功率保持同步，效率很高。(2)電動機(jī)經(jīng)同步齒形帶帶動主軸。

如圖1一1(b)所示，電動機(jī)將其運(yùn)動經(jīng)同步齒形帶以定比傳動傳遞給主軸。由于輸出扭矩較小，這種傳動方式主要用于小型數(shù)控機(jī)床低扭矩特性要求的主軸，可以減小傳動中的振動和噪聲。

(3)電動機(jī)經(jīng)齒輪變速傳動主軸。

如圖1一1(c)所示，主軸電動機(jī)經(jīng)二級齒輪傳動變速，使主軸獲得低速和高速兩種轉(zhuǎn)速，從而使之實(shí)現(xiàn)分段無級變速，這種方式在大、中型數(shù)控機(jī)床中采用較多。經(jīng)過齒輪傳動降速后，電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩可以擴(kuò)大，以滿足主軸低速運(yùn)轉(zhuǎn)時輸出扭矩大的特性要求。一部分小型數(shù)控機(jī)床一也采用這種傳動方式，以獲得強(qiáng)力切削時所需要的扭矩。(4)電主軸。

如圖1一1(d)所示，將調(diào)速電動機(jī)與主軸合成一體(電動機(jī)轉(zhuǎn)子軸即機(jī)床主軸)，其優(yōu)點(diǎn)是主軸部件結(jié)構(gòu)緊湊、剛度高、質(zhì)量輕、慣量小，且可提高調(diào)速電動機(jī)啟動、停止的響應(yīng)特性;其缺點(diǎn)是電動機(jī)發(fā)熱易引起熱變形。1.1.3無級變速傳動鏈的設(shè)計(jì) 無級變速傳動鏈可以在一定的變速范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以得到最有利的切削速度;能在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，便于實(shí)現(xiàn)變速自動化;能在負(fù)載下變速，便于車削大端面時保持恒定的切削速度，以提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。無級變速傳動可由機(jī)械摩擦無級變速器、液壓無級變速器和電氣無級變速器來實(shí)現(xiàn)。機(jī)械摩擦無級變速器結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠，常用于中、小型車床、銑床等主傳動系統(tǒng)中。液壓無級變速器傳動平穩(wěn)、運(yùn)動換向沖擊小，易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，常用于主運(yùn)動為直線運(yùn)動的機(jī)床，如磨床、拉床、刨床等機(jī)床的主傳動系統(tǒng)中。電氣無級變速器有由直流電動機(jī)或交流調(diào)速電動機(jī)驅(qū)動的兩種，由于它可以大大簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，便于實(shí)現(xiàn)自動變速、連續(xù)變速和負(fù)載下變速，故其應(yīng)用越來越)’一泛，尤其在數(shù)控機(jī)床上目前幾乎全都采用電氣無級變速器。

數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動廣泛采用無級變速傳動，這不僅能使其在一定的調(diào)速范圍內(nèi)選擇到合理的切削速度，而且還能在運(yùn)轉(zhuǎn)中自動變速。無級變速系統(tǒng)有機(jī)械、液壓和電氣等多種形式，數(shù)控機(jī)床一般采用由直流或交流調(diào)速電動機(jī)作為驅(qū)動源的電氣無級變速。由于數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動的調(diào)速范圍較寬，一般情況下單靠調(diào)速電動機(jī)無法滿足;另一方面調(diào)速電動機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩特性一也難以直接與機(jī)床的功率和轉(zhuǎn)矩要求安全匹配。因此，需要在無級調(diào)速電動機(jī)之后串聯(lián)機(jī)械分級變速傳動，以滿足調(diào)速范圍和功率、轉(zhuǎn)矩特性的要求。(1)無級變速裝置的分類。

機(jī)床主傳動中常用的無級變速裝置有三類:變速電動機(jī)、機(jī)械無級變速裝置和液壓無級變速裝置。

1)變速電動機(jī)。

機(jī)床上常用的變速電動機(jī)有直流電動機(jī)和交流電動機(jī)，它們在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率變速，通常變速范圍僅為2 ~3;額定轉(zhuǎn)速以下為恒定轉(zhuǎn)矩變速，調(diào)整范圍很大，變速范圍可達(dá)30甚至更大。上述功率和轉(zhuǎn)矩特性一般不能滿足機(jī)床的使用要求。為了擴(kuò)大恒功率變速范圍，可在變速電動機(jī)和主軸之間串連一個分級變速箱。變速電動機(jī)I’一泛用于數(shù)控機(jī)床和大型機(jī)床中。

2)機(jī)械無級變速裝置。

機(jī)械無級變速裝置有柯普(Koop)型、行星錐輪型、分離錐輪鋼環(huán)型和寬帶型等多種結(jié)構(gòu)，它們都是利用摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)矩的，通過連續(xù)地改變摩擦傳動副工作半徑來實(shí)現(xiàn)無級變速。由于它的變速范圍小，多數(shù)是恒轉(zhuǎn)矩傳動，通常較少單獨(dú)使用，而是與分級變速機(jī)構(gòu)串聯(lián)使用，以擴(kuò)大變速范圍。機(jī)械無級變速器應(yīng)用于要求功率和變速范圍較小的中、小型車型、銑床等機(jī)床的主傳動中，更多的是用于進(jìn)給變速傳動中。

3)液壓無級變速裝置。

液壓無級變速裝置通過改變單位時間內(nèi)輸入液壓缸或液動機(jī)中液體的油量來實(shí)現(xiàn)無級變速。它的特點(diǎn)是變速范圍較大，變速方便，傳動平穩(wěn)，在運(yùn)動換向時沖擊小;易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動和自動化。液壓無級變速裝置常用在主運(yùn)動為直線運(yùn)動的機(jī)床中，如刨床、拉床等。(2)無級變速裝置與機(jī)械分級變速機(jī)構(gòu)的串聯(lián)。在無級變速系統(tǒng)裝置單獨(dú)使用時，其調(diào)速范圍都較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代通用機(jī)床變速范圍的要求。因此，常常將無級變速裝置與機(jī)械分級變速機(jī)構(gòu)串聯(lián)，以擴(kuò)大其變速范圍。(3)采用直流或交流電動機(jī)無級調(diào)速。

機(jī)床上常用的無級變速機(jī)構(gòu)為直流或交流調(diào)速電動機(jī)。直流電動機(jī)是采用調(diào)壓和調(diào)磁方式來得到主軸所需轉(zhuǎn)速的。直流電動機(jī)從額定轉(zhuǎn)速向上至最高轉(zhuǎn)速是用調(diào)節(jié)磁場電流(簡稱調(diào)磁)的辦法來調(diào)速的，屬于恒功率調(diào)速;從額定轉(zhuǎn)速向下至最低轉(zhuǎn)速是用調(diào)節(jié)電樞電壓(簡稱調(diào)壓)的辦法來調(diào)速的，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。通常，直流電動機(jī)的恒功率變速范圍較小，僅為2~4，而恒轉(zhuǎn)矩變速范圍很大，可達(dá)幾十，甚至超過100。交流調(diào)速電動機(jī)靠調(diào)節(jié)供電頻率的方式來調(diào)速，所以其常被稱為調(diào)頻主軸電動機(jī)。通常額定轉(zhuǎn)速向上至最高轉(zhuǎn)速氣max為恒定功率，變速范圍為3~5;額定轉(zhuǎn)速至最低轉(zhuǎn)速氣為恒轉(zhuǎn)矩，變速范圍為幾十，甚至超100。直流和交流電動機(jī)的功率轉(zhuǎn)矩特性如圖1-2所示。

交流調(diào)速電動機(jī)由于體積小、轉(zhuǎn)動慣性小、動態(tài)響應(yīng)快、沒有電刷且能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速比同功率的直流電動機(jī)高，故磨損和故障也少?，F(xiàn)在在中、小功率領(lǐng)域，交流調(diào)速電動機(jī)已占優(yōu)勢，應(yīng)用一也更加廣泛。伺服電動機(jī)和脈沖步進(jìn)電動機(jī)都是恒轉(zhuǎn)矩的，而且功率不大，所 以只能用于直線進(jìn)給運(yùn)動和輔助運(yùn)動?；谏鲜龇治隹芍?，如果直流或交流調(diào)速電動機(jī)用于拖動直線運(yùn)動執(zhí)行器，例如龍門刨床工作臺(主運(yùn)動)或立式車床刀架(進(jìn)給運(yùn)動)，可直接利用調(diào)速電動機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩變速范圍，用電動機(jī)直接帶動或通過定比減速齒輪拖動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

1.2主傳動系統(tǒng)分析

數(shù)控車床用于加工回轉(zhuǎn)體零件。它集中了臥式車床、轉(zhuǎn)塔車床、多刀車床、仿形車床、自動和半自動車床的功能，是數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用較廣泛的品種之一。下面以一個典型數(shù)控車床C K3263 B為例說明如何分析數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)，圖1一4所示為C K3263 B主傳動系統(tǒng)。主電動機(jī)經(jīng)帶輪副和四速變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動主軸，其傳動路線表達(dá)式是

擬定轉(zhuǎn)速圖如圖2-5所示，從圖中可知，主軸共得到四段轉(zhuǎn)速:

1.3 車床數(shù)控化改裝主傳動系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

將06140臥式車床改造成用MCS-51系列單片機(jī)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，采用步進(jìn)電動機(jī)開環(huán)控制，縱向和橫向均具有直線和圓弧插補(bǔ)功能。將原來的主傳動系統(tǒng)改裝為主變速系統(tǒng)。一般的臥式車床在改裝為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床時，主傳動系統(tǒng)和變速操縱機(jī)構(gòu)是不動的，可利用暫停指令進(jìn)行手動變速換擋，然后再繼續(xù)加工。如果要提高機(jī)床的自動化程度或者所加工工件的直徑相差較大，在加工過程中需要自動變速時，可考慮設(shè)置加工過程中的自動變速裝置，本任務(wù)即后一種情況。

將機(jī)械主傳動系統(tǒng)改裝為自動變速裝置的幾種方案說明見下文介紹。1.采用多速電動機(jī)改裝

目前采用多速電動機(jī)對主傳動系統(tǒng)進(jìn)行改裝，一般是將主電動機(jī)更換為雙速或四速電動機(jī)，由微機(jī)系統(tǒng)信號自動控制切換電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。這樣做的好處是機(jī)床性能良好，主傳動鏈改裝量較少，但多速電動機(jī)的功率是隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化的，所以電動機(jī)功率要選的大一些，同時電動機(jī)的尺寸一也大，因此還要增加一套電動機(jī)變速系統(tǒng)。2.主變速系統(tǒng)改裝

對主軸箱內(nèi)變速系統(tǒng)進(jìn)行改裝，一般是將滑移齒輪變速改為電磁離合變速。這種變速機(jī)構(gòu)仍為有級變速，一般變速級數(shù)不超過四級。3.采用直流主軸電動機(jī)或交流主軸電動機(jī)改裝

改裝后，機(jī)床主軸由直流主軸電動機(jī)(或交流主軸電動機(jī))通過皮帶直接帶動，并通過電氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無級變速。

采用直流主軸電動機(jī)或交流主軸電動機(jī)改裝，其改裝成本高，但效果好，能獲得滿意的速度，而且由于傳動鏈中沒有齒輪，故噪聲很小。另外在改裝中要注意，主軸電動機(jī)的選擇要與進(jìn)給系統(tǒng)電動機(jī)配套，以利于使用CNC系統(tǒng)。圖1-5所示為本任務(wù)改裝后的主傳動系統(tǒng)示意。拆下原操縱手柄，裝上齒輪2;以一個180 W的交流小電動機(jī)8通過蝸輪副7和齒輪3, 2將運(yùn)動傳給手柄軸1，帶動主軸箱內(nèi)的撥叉和滑塊進(jìn)行變速。另外將手柄軸接長，在接長軸4上安裝帶單個壓塊6的圓盤，并在附加的機(jī)殼上固定一個裝有6個微動開關(guān)的圓盤5, 6個微動開關(guān)的位置與6級變速擋位對應(yīng)。當(dāng)手柄軸帶動圓盤轉(zhuǎn)動時，壓塊6依次壓下6個微動開關(guān)，發(fā)出6個不同信號，數(shù)控系統(tǒng)通過對電路信號的識別來控制變速。

自動變速過程如下:當(dāng)變速電動機(jī)接到S指令后，便開始轉(zhuǎn)動，通過傳動裝置使手柄軸帶動撥叉滑塊使變速齒輪移位。與此同時，在速度繼電器的控制下，主電動機(jī)低速點(diǎn)動，以便滑移齒輪順利地進(jìn)人嚙合位片。當(dāng)壓塊壓下的觸點(diǎn)信號與數(shù)控系統(tǒng)S指令信號相符時，小電動機(jī)制動，主運(yùn)動變速完成。這種方案保留了原主軸箱的結(jié)構(gòu)，改裝量小，但只適合于06140型車床。

1.3.2主傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程 1.明確已知條件，草擬轉(zhuǎn)速圖 擬定轉(zhuǎn)速圖的一般步驟如下:(i)確定變速組數(shù)及各變速組的傳動副數(shù);(2)安排變速組的傳動順序，擬定結(jié)構(gòu)式(網(wǎng));(3)分配傳動副傳動比.繪制轉(zhuǎn)涼圖 2.齒輪齒數(shù)的確定

齒輪的齒數(shù)取決于傳動比和徑向尺寸要求。在同一變速組中，若模數(shù)相同且不采用變位齒輪，則傳動副的齒數(shù)和相同;若模數(shù)不同，則齒數(shù)和S與模數(shù)m,成反比，即:

對于三聯(lián)滑移齒輪，當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)齒輪且模數(shù)相同時，最大齒輪與次大齒輪的齒數(shù)差應(yīng)大于4，以避免滑移過程中的齒頂干涉。

當(dāng)傳動比i采用標(biāo)準(zhǔn)公比的整數(shù)次方時，齒數(shù)和S及小齒輪齒數(shù)可以從表1一1中查得。

1.4 實(shí)訓(xùn)準(zhǔn)備

1.項(xiàng)目任務(wù)單

項(xiàng)日任務(wù)單見附錄二。2.項(xiàng)目要求

學(xué)完基礎(chǔ)知識及實(shí)例后，學(xué)生自主分析數(shù)控車床主軸箱實(shí)物，熟悉內(nèi)部組成，然后分組制訂設(shè)計(jì)方案，方案合格后，開始具體設(shè)計(jì)。3.儀器與設(shè)備(1)CAK4085數(shù)控車床6(2)《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》若干。(3)扳手、鉗子、直尺。4.實(shí)訓(xùn)步驟

(1)學(xué)生分組，并在現(xiàn)場分析數(shù)控車床主軸箱實(shí)物。(2)學(xué)生分組，制定任務(wù)實(shí)施方案。

(3)根據(jù)任務(wù)實(shí)施方案，學(xué)生將任務(wù)實(shí)施過程填入記錄表1一2中。1.4.2項(xiàng)目評價

項(xiàng)日的整體評價如表1-3所示。

圖1一1數(shù)控機(jī)床主傳動的配置方式

圖1-2直流和交流調(diào)速電動機(jī)的功率轉(zhuǎn)矩特性

圖1-4 CK3263B主傳動系統(tǒng)

圖1-5改裝后主傳動系統(tǒng)示意圖

表1一1常見傳動比的適用齒數(shù)

表1一2項(xiàng)目實(shí)施過程記錄表

表1-3項(xiàng)目評價表

項(xiàng)目二數(shù)控車床導(dǎo)軌副設(shè)計(jì) 2.1.1導(dǎo)軌副設(shè)計(jì)步驟

(1)根據(jù)已知的工作條件，選擇合適的導(dǎo)軌類型，常見導(dǎo)軌形式見表2-1.(2)選擇導(dǎo)軌截面形狀與組合方式。常見導(dǎo)軌截面形狀見表2一2。1)雙三角形導(dǎo)軌。如圖2-1所示，雙三角形導(dǎo)軌導(dǎo)向性和精度保持性都很高，磨損后能自動下沉補(bǔ)償磨損量。兩條三角形導(dǎo)軌副同時起支撐和導(dǎo)向作用，由于結(jié)構(gòu)對稱，兩條導(dǎo)軌磨損均勻，故接觸剛度好。但由于超定位，加工、檢驗(yàn)、維修都較困難，而且當(dāng)量摩擦系數(shù)也高，因此適于精度高的場合。例如絲杠車床、單柱坐標(biāo)鎖床的導(dǎo)軌副等。2)雙矩形導(dǎo)軌。

如圖2一2所示，雙矩形導(dǎo)軌的剛度高，當(dāng)量摩擦系數(shù)比雙三角形導(dǎo)軌低，承載能力強(qiáng)，加工、檢驗(yàn)、維修都較方便，因此被廣泛使用，例如數(shù)控機(jī)床的導(dǎo)軌副。雙矩形導(dǎo)軌承載面和導(dǎo)向面是分開的，存在側(cè)向間隙，必須用鑲條調(diào)節(jié)。

如圖2一2(a)所示，用兩外側(cè)面做導(dǎo)向面時，間距大、熱變形大、間隙大，因而導(dǎo)向精度低、承載能力大;如圖2-2(b)所示，以內(nèi)外側(cè)面做導(dǎo)向面時，間距小、熱變形小、間隙小，因而導(dǎo)向精度高、易獲得較高的平行度;如圖2一2(c)所示，用兩內(nèi)側(cè)面做導(dǎo)向面時，由于導(dǎo)軌面對稱分布在導(dǎo)軌中部，當(dāng)傳動件位于對稱中心線上時，避免了由于牽引力與導(dǎo)向中心線不合而引起的偏轉(zhuǎn)，不致在改變運(yùn)動方向時引起位置誤差，故導(dǎo)向精度高。3)三角形與矩形組合。

如圖2-3(a)和圖2-3(b)所示，三角形與矩形組合導(dǎo)軌兼有三角形導(dǎo)軌的良好導(dǎo)向性及矩形導(dǎo)軌的制造方便、剛性好等優(yōu)點(diǎn)，并避免了由于熱變形所引起的配合變化。其缺點(diǎn)是三角形導(dǎo)軌比矩形導(dǎo)軌磨損快，易造成磨損不均勻，磨損后又不能通過調(diào)節(jié)來補(bǔ)償，故對位置精度有影響。

三角形與矩形組合導(dǎo)軌兼有導(dǎo)向性好、制造方便和剛度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛使用，例如車床、磨床、龍門刨床、龍門銑床、滾齒機(jī)、坐標(biāo)鎖床的導(dǎo)軌副等。4)雙燕尾形導(dǎo)軌。

如圖2一4(a)所示，它的高度較小，可以承受顛覆力矩，是閉式導(dǎo)軌中接觸面最少的一種結(jié)構(gòu)。間隙調(diào)整方便，用一根鑲條就可以調(diào)節(jié)各接觸面的間隙。這種導(dǎo)軌剛度較差，加工、檢驗(yàn)、維修都不大方便，適用于受力小、層次多、要求間隙調(diào)整方便的場合，例如牛頭刨床和插床的滑枕導(dǎo)軌、升降臺銑床的床身導(dǎo)軌、車床刀架導(dǎo)軌副和儀表機(jī)床導(dǎo)軌等。5)矩形與燕尾形導(dǎo)軌組合。

如圖2一4(b)所示，由于它兼有調(diào)整方便、能承受較大力矩的優(yōu)點(diǎn)，故多用于橫梁、立柱和搖臂的導(dǎo)軌副。6)雙圓柱導(dǎo)軌組合。圓柱導(dǎo)軌具有制造方便、不宜積存較大切屑的優(yōu)點(diǎn)，但間隙難以調(diào)整，磨損后一也不易補(bǔ)償，因此適用于移動件只受軸向力的場合，例如攻螺紋機(jī)、機(jī)械手的導(dǎo)軌副等。(3)通過計(jì)算選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1)計(jì)算額定動載荷Ca’(單位N)。

式中: KW—負(fù)荷系數(shù)，按表2一3選取;KH----硬度系數(shù)，按表2一4選取;KT—溫度系數(shù)，按表2一5選取;KC—接觸系數(shù)，按表2一6選取;K—壽命系數(shù)，一般取K=50;2)依據(jù) 的原則，選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)。(4)其他參數(shù)選擇。1)導(dǎo)軌材料選擇。

鑄鐵耐磨性好，熱穩(wěn)定性高，減振性好，成本低，易于加工，在滑動導(dǎo)軌中應(yīng)用廣泛。淬硬的鋼導(dǎo)軌耐磨性好。鑲裝塑料導(dǎo)軌具有耐磨性好，動、靜摩擦系數(shù)接近，化學(xué)穩(wěn)定性好，抗振性好，抗撕傷能力強(qiáng)，工作范圍廣，成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。在選材時，支撐導(dǎo)件與運(yùn)動件應(yīng)選不同的材料，其熱處理的方式一也有所不同。2)調(diào)整裝置。

導(dǎo)軌工作時會產(chǎn)生間隙，間隙過小會增加摩擦阻力，間隙過大會降低導(dǎo)向精度，所以應(yīng)選擇合適的調(diào)整裝置進(jìn)行調(diào)整。例如滑動導(dǎo)軌副采用壓板和鑲條兩種方法調(diào)整。①鑲條。

鑲條用來調(diào)整矩形導(dǎo)軌、燕尾形導(dǎo)軌的側(cè)隙，以保證導(dǎo)軌面能正常接觸。鑲條應(yīng)放在導(dǎo)軌受力較小的一側(cè)，常用的有平鑲條和楔形鑲條兩種。

平鑲條如圖2一5所示，它是靠調(diào)整螺釘1移動鑲條2的位置來調(diào)整間隙的，圖2一5(c)所示為在間隙調(diào)整好后，再用螺釘3將鑲條2緊固。平鑲條調(diào)整方便，制造容易，圖2一5(a)和圖2一5(b)所示的鑲條較薄，而且只在與螺釘接觸的幾個點(diǎn)上受力，容易變形，剛度較低，日前較少使用。楔形鑲條如圖2一6所示，鑲條的兩個面分別與動導(dǎo)軌和支撐導(dǎo)軌均勻接觸，所以比平鑲條剛度高，但加工較困難。

楔形鑲條的斜度為1 : 100一1:40,鑲條越長，斜度應(yīng)越小，以免兩端厚度相差太大。如圖2一6(a)所示的調(diào)整方法是用調(diào)節(jié)螺釘1帶動鑲條2做縱向移動以調(diào)節(jié)間隙。鑲條上的溝槽a在刮配好后加工，這種方法構(gòu)造簡單，但螺釘頭凸肩和鑲條上溝槽之間的間隙會引起鑲條在運(yùn)動中竄動。圖2一6(b)所示為從兩端用螺釘3和5調(diào)節(jié)，避免了鑲條4的竄動，性能較好。圖2一6(c)所示為通過螺釘6和螺母7調(diào)節(jié)，鑲條8上的圓孔在刮配好后加工，這種調(diào)節(jié)方法方便，且能防止鑲條8的竄動，但其縱向尺寸較長。②壓板。

壓板用來調(diào)整輔助導(dǎo)軌面的間隙和承受的顛覆力矩，如圖2一7所示。

2.2.1選擇導(dǎo)軌副

1.確定最大載荷F-max 已知作用在單滑座上的最大載荷Fmax，滑座數(shù)M=4，工作臺受到進(jìn)給方向的載荷(與絲杠軸線平行)Ff= 1 401 N，工作臺受到橫向的載荷(與絲杠軸線垂直)F-n= 337 N ,工作臺受到垂直方向的載荷(與工作臺面垂直)Fe=512 N，移動部件總重量G =736 N。單滑塊所受的最大垂直

2.確定額定工作時間壽命孔 要求該導(dǎo)軌副每天開機(jī)6h，每年工作300個工作日，且工作8年以上，則額定工作時間壽命:

3.確定行程長度系數(shù)TS 要求單向行程長度LS = 0.52m，每分鐘往返次數(shù)為3，則額定行程長度系數(shù): 4.計(jì)算額定動載荷Ca’(單位為N)要求工作溫度不超過120 0C，工作速度為40 m/min，滾道表面硬度取60 HRC。由前面的計(jì)算結(jié)果得額定工作時間壽命Th = 14 400 h。則:

表2一7為JSA一KL型直線滾動導(dǎo)軌副(寬型螺孔)尺寸參數(shù)，圖2一8所示為其外形圖;表28 JSA-ZL型直線滾動導(dǎo)軌副尺寸參數(shù)

表2-9項(xiàng)目實(shí)施過程記錄表

表2-10項(xiàng)目評價表

項(xiàng)目三 簡易機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制作

3.1.1設(shè)計(jì)原則

一方面，在保證產(chǎn)品完成規(guī)定功能的前提下，通過對構(gòu)成各子系統(tǒng)的方案進(jìn)行優(yōu)化組合，降低成本，使系統(tǒng)功能平穩(wěn)、準(zhǔn)確、快速，以滿足用戶的要求。機(jī)電一體化產(chǎn)品的主要特征是自動化操作，功能是產(chǎn)品的生命，只有功能可靠，產(chǎn)品才具有價值。另一方面，要使功能達(dá)到最佳，機(jī)械子系統(tǒng)、電子信息處理子系統(tǒng)、動力子系統(tǒng)、傳感檢測子系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)5部分構(gòu)成要素的匹配、相互協(xié)調(diào)和相互補(bǔ)充也極為重要。而通過降低成本，并且使系統(tǒng)功能達(dá)到穩(wěn)、準(zhǔn)、快，又增強(qiáng)了產(chǎn)品的市場競爭力。

3.1.2設(shè)計(jì)工作流程

一個全新的機(jī)電一體化產(chǎn)品的正向設(shè)計(jì)和開發(fā)過程大體可以分為產(chǎn)品規(guī)劃、概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)三個階段。1.產(chǎn)品規(guī)劃階段

產(chǎn)品規(guī)劃包括需求分析、市場預(yù)測和技術(shù)可行性分析，最后確定設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)制約條件，提出設(shè)計(jì)要求，并將其作為設(shè)計(jì)、評價和決策的依據(jù)。(1)需求分析。

需求分析從需求識別開始，認(rèn)識需求是一種創(chuàng)造性工作，設(shè)計(jì)人員應(yīng)深人實(shí)際，細(xì)致觀察，敏銳捕捉市場的需求，并及時完成產(chǎn)品的開發(fā)和試制工作。(2)市場預(yù)測。

市場預(yù)測是產(chǎn)品的前期調(diào)研工作，調(diào)研內(nèi)容主要有以下三方面: 1)面向用戶的產(chǎn)品市場調(diào)研:主要有產(chǎn)品銷售對象的可能銷售量，用戶對產(chǎn)品的功能、性能、質(zhì)量、使用維護(hù)、包裝及價格等方面的要求。此外，還應(yīng)了解競爭產(chǎn)品的種類、優(yōu)缺點(diǎn)和市場占有率等情況。

2)面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)的技術(shù)調(diào)研:主要有行業(yè)和專業(yè)技術(shù)發(fā)展動態(tài)，相關(guān)理論的研究成果和新材料、新器件的發(fā)展動態(tài)，競爭企業(yè)、競爭產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)分析等。此外，還要了解本單位的生產(chǎn)基礎(chǔ)條件。

3)面向產(chǎn)品生命周期的社會環(huán)境調(diào)研:主要有產(chǎn)品生產(chǎn)和目標(biāo)市場所在地的經(jīng)濟(jì)技術(shù)政策(如產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策、投資動向、環(huán)境保護(hù)及安全法規(guī)等)，產(chǎn)品的種類、規(guī)模及分布，社會的風(fēng)俗習(xí)慣，社會人員構(gòu)成狀況及消費(fèi)水平、消費(fèi)心理和購買能力等。

通過調(diào)研應(yīng)確定開發(fā)產(chǎn)品的必要性、種類和生命周期，預(yù)測產(chǎn)品的技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益等，確定用戶對產(chǎn)品的功能、性能、質(zhì)量、外觀和價格等方面的要求，即形成產(chǎn)品的初步概念，然后進(jìn)行技術(shù)可行性分析。(3)技術(shù)可行性分析。

技術(shù)可行性分析包括以下幾個方面: 1)關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)線路:研究本產(chǎn)品需要的關(guān)鍵技術(shù)，指明產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。例如，一個新概念汽車，采用什么樣的發(fā)動機(jī)、什么樣的控制總線和什么樣的人機(jī)接口等。所使用的關(guān)鍵性技術(shù)應(yīng)該是比較成熟的、成本和技術(shù)風(fēng)險容易控制的。如果要采用比較前沿的新技術(shù)，則需要在市場和成本方面多做考慮。

2)可選技術(shù)方案:同樣的產(chǎn)品可能有多種技術(shù)方案可選擇，設(shè)計(jì)人員必須根據(jù)一定的準(zhǔn)則從中選擇一個最合適的方案或?qū)⑦@些方案進(jìn)行綜合處理。

3)主要性能指標(biāo)及技術(shù)規(guī)格的可行性:產(chǎn)品的性能指標(biāo)及技術(shù)規(guī)格對產(chǎn)品的成本和市場競爭力至關(guān)重要。性能指標(biāo)和技術(shù)規(guī)格越高，產(chǎn)品的成本就越高，價格也就越高。但市場競爭力不完全由技術(shù)性能決定，還與其價格、品牌等許多因素有關(guān)。用戶往往追求性價比高的產(chǎn)品。因此制定產(chǎn)品的規(guī)格和性能指標(biāo)需要綜合考慮各方面的因素，突出產(chǎn)品的特色，力爭做到高性能、低價格。在制定主要產(chǎn)品的規(guī)格和性能指標(biāo)時還要充分參考競爭對手的產(chǎn)品及發(fā)展趨勢，制定最合理的參數(shù)。

4)主要技術(shù)風(fēng)險:綜合分析產(chǎn)品功能、技術(shù)規(guī)格及性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的可能性，分析產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)中可能存在的各種問題和風(fēng)險，以及這些問題與風(fēng)險的解決和規(guī)避方法。如果不充分考慮這些問題和風(fēng)險，產(chǎn)品開發(fā)時間則可能拖延，從而錯過市場最佳時機(jī)，使產(chǎn)品的成本過高、質(zhì)量和成品率低或者大規(guī)模地更換生產(chǎn)設(shè)備等。因此，必須提前對這些問題進(jìn)行充分的評估，使產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)能順利進(jìn)行。

5)成本分析:根據(jù)所制定的產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格和技術(shù)路線，綜合分析產(chǎn)品成本，包括技術(shù)成本、原材料成本、制造成本和人力成本等，為產(chǎn)品的立項(xiàng)提供決策支持。

6)結(jié)論和建議:根據(jù)產(chǎn)品的成本分析和技術(shù)風(fēng)險分析，對產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格、性能指標(biāo)和市場定位等參數(shù)提出修改建議，確定產(chǎn)品是否立項(xiàng)。產(chǎn)品立項(xiàng)應(yīng)給出生產(chǎn)設(shè)計(jì)要求表，表中所列要求分為特征指標(biāo)、優(yōu)化指標(biāo)和尋常指標(biāo)，各項(xiàng)要求應(yīng)盡可能量化，并按重要程度分出等級。2.概念設(shè)計(jì)階段

在概念設(shè)計(jì)階段輸人生產(chǎn)設(shè)計(jì)要求表，輸出總體方案。該方案主要包括產(chǎn)品外觀和結(jié)構(gòu)布置方案、產(chǎn)品部件或子系統(tǒng)劃分以及設(shè)計(jì)目標(biāo)、各部件或子系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)等三個方面，并制訂詳細(xì)設(shè)計(jì)任務(wù)書、驗(yàn)收規(guī)范及進(jìn)度計(jì)劃。

3.3案例導(dǎo)入

(3)確定小帶輪齒數(shù)Z1和小帶輪節(jié)圓直徑d1.應(yīng)使小帶輪齒數(shù)，而帶輪最小許用齒數(shù)Z min可查表3一3獲得。當(dāng)帶速和安裝尺比寸允許時，Z1盡可能選用較大值，初步選取Z1=12。(4)確定大帶輪齒數(shù)Z2和大帶輪節(jié)圓直徑d2(5)初選中心距久ao、帶的節(jié)線長度Lop、帶的齒數(shù)Zb。

根據(jù)表9-4選取接近標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)線長度Lp=381mm，相應(yīng)齒數(shù)Zb= 40。(6)計(jì)算實(shí)際中心距a。

設(shè)計(jì)同步帶傳動時，中心距a應(yīng)該可以調(diào)整，以便獲得適當(dāng)?shù)膹埦o力。(7)校驗(yàn)帶與小帶輪的嚙合齒數(shù)Zm 嚙合齒數(shù):(8)計(jì)算基準(zhǔn)額定功率P0

(9)確定實(shí)際所需的同步帶寬度bs。

式中bs0—選定型號的基準(zhǔn)寬度，由表9-5可查得bs0 = 25.4mm;Kz—小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，由表9-6可查得K, = 0.8。10)帶的工作能力驗(yàn)算。

根據(jù)下式計(jì)算同步帶額定功率P的精確值，若結(jié)果滿足 率)，則帶的工作能力合格。

帶的設(shè)計(jì)功

同步帶傳動示意簡圖如圖3-9所示。(11)結(jié)果整理。

同步帶:選用L型同步帶，訂購型號為150 L100

最后，經(jīng)過廠家訂購與協(xié)商，確定帶輪及帶，零件如圖3一

10、圖3一11所示，同步帶傳動效果如圖3一12所示。3.3.3錐齒輪傳動設(shè)計(jì)

(1)確定齒輪材料及精度等級。

錐齒輪材料選擇45 #鋼調(diào)質(zhì)，齒面硬度為217~225 HBS。經(jīng)過計(jì)算齒輪傳動的最大圓周速度為4.19 m/s，查表3一8可確定錐齒輪精度等級為7級)(2)確定模數(shù)及齒數(shù)。(3)計(jì)算相關(guān)參數(shù)。

根據(jù)以上尺寸畫出小錐齒輪零件(見圖3一13)和大錐齒輪零件圖(見圖3一14)。錐齒輪傳動嚙合部分三維造型如圖3一15所示。3.3.4計(jì)數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在啤酒、汽水和罐頭等灌裝生產(chǎn)線上，常常需要對隨傳送帶傳送到包裝處的成品瓶進(jìn)行自動計(jì)數(shù)，以便統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量或?yàn)橛?jì)算機(jī)管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。光電計(jì)數(shù)器是通過紅外線發(fā)射和接收進(jìn)行計(jì)數(shù)的，有直射式和反射式兩種。直射式的發(fā)射、接收分體，發(fā)生器和接收器分別置于流水線兩邊，中間沒有阻擋時發(fā)射器的紅外線反射到接收器上，接收器收到發(fā)射來的紅外線，經(jīng)相反處理使之沒有信號輸出，有工件經(jīng)過時擋住光路，接收機(jī)失去紅外線信號便輸出一個脈沖信號到運(yùn)算累加器進(jìn)行計(jì)數(shù)。發(fā)射式是發(fā)射、接收同體，置流水線一邊，前面沒有工件往下流時，發(fā)射器發(fā)出的紅外線直接射出沒有反射，接收器沒有接收到反射來的紅外線信號則沒有輸出。有工件經(jīng)過時，其將擋住光電路使發(fā)射器發(fā)出的紅外線信號反射到接收器上，接收器接收到反射來的紅外線信號便輸出一個脈沖信號到運(yùn)算累加器進(jìn)行計(jì)數(shù)。本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)日的是每推一個料，計(jì)數(shù)器顯示一個數(shù)，逐次遞增。整體方案是:通過傳感器(光電開關(guān)或磁性開關(guān))檢測到推桿動作，將信號傳到單片機(jī)，單片機(jī)輸出，并令數(shù)碼管顯示推出工件個數(shù))其結(jié)構(gòu)如圖3一16所示。

本設(shè)計(jì)是兩種傳感器均可，接線圖如圖3一17所示。

本設(shè)計(jì)中的計(jì)數(shù)器、光電開關(guān)、磁性開關(guān)均需外購，其外形如圖3一18所示。

3.4.1實(shí)訓(xùn)準(zhǔn)備

1.項(xiàng)目目的

(1)使學(xué)生具備一般機(jī)電產(chǎn)品方案的設(shè)計(jì)能力。(2)熟練掌握同步帶設(shè)計(jì)方法。(3)學(xué)會查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》。2.項(xiàng)目要求

每組學(xué)生自行設(shè)計(jì)同步帶系統(tǒng)和計(jì)數(shù)系統(tǒng)。3.儀器與設(shè)備

(1)電腦若干(二維設(shè)計(jì)軟件、三維設(shè)計(jì)軟件必有)。(2)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》若干。4.實(shí)訓(xùn)步驟(1)學(xué)生分組設(shè)計(jì)方案。

(2)兩位指導(dǎo)教師及各組組長審核方案。

(3)方案通過后，具體設(shè)計(jì)，學(xué)生將項(xiàng)目實(shí)施過程填入記錄表3-9中。3.4.2項(xiàng)目評價

項(xiàng)目的整體評價見表3一10。

圖3一1機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

圖3一2常用電子類組裝工具

圖3一4方案一草圖

圖3一5風(fēng)能供料裝置結(jié)構(gòu)示意

圖3一6風(fēng)能供料裝置主要部件示意

圖3一7同步帶

表3-1同步帶載荷修正系數(shù)KA

表3一3帶輪最小許用齒數(shù)Zmin

表3一4同步帶節(jié)線長度L P

表3-5同步帶在基準(zhǔn)帶寬下的許用工作拉力和線密度

表3一6小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)

圖3-9同步帶傳動示意簡圖

圖3一10小帶輪零件

圖3一11大帶輪零件

圖3一12同步帶傳動效果

表3-10項(xiàng)目評價表

第四篇：機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

班級：數(shù)控姓名：潘萬順學(xué)號：081841191

摘要：機(jī)電一體化是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果,本文簡述了機(jī)電一體化技術(shù)的基本概要和發(fā)展背景。綜述了國內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù)的現(xiàn)狀，分析了機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢。作為機(jī)電系的一名學(xué)生，將來工作學(xué)習(xí)都會以機(jī)電為主，所以必須掌握好各種機(jī)電的專業(yè)知識。我會本著認(rèn)真的態(tài)度對待專業(yè)課的學(xué)習(xí)，提高自己的專業(yè)素養(yǎng).接下來我將介紹一下我對電動機(jī)的認(rèn)識。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化；技術(shù)；應(yīng)用

引言

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學(xué)科的交叉與滲透，導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機(jī)械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機(jī)械工業(yè)的滲透所形成的機(jī)電一體化，使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機(jī)械電氣化”邁入了“機(jī)電一體化”為特征的發(fā)展階段。

第五篇：機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

（一）判斷題

1．在機(jī)電一體化系統(tǒng)驅(qū)動裝置中，反饋通道上環(huán)節(jié)的誤差與輸入通道上環(huán)節(jié)的誤差對系統(tǒng)輸出精度的影響是相同的。（＋）

2．通常，采用STD總線的工業(yè)控制機(jī)與外部設(shè)備的電氣接口均為TTL電平接口。

（－）

（二）選擇題

1．在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，機(jī)械傳動要滿足伺服控制的三個主要要求是（A）。

A．傳動精度、穩(wěn)定性、快速響應(yīng)性

B．傳動精度、穩(wěn)定性、低噪聲C．傳動精度、高可靠性、小型輕量化D．傳動精度、高可靠性、低沖擊振動

2．在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，通過（B、C、E）可有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

A．提高驅(qū)動元件的驅(qū)動力

B．增大執(zhí)行裝置的固有頻率 C．提高系統(tǒng)的阻尼能力

D．減小機(jī)構(gòu)的傳動誤差 E．消除傳動系統(tǒng)的回程誤差

（三）簡答題

例：試述機(jī)電一體化產(chǎn)品的定義和分類方法。

解答：機(jī)電一體化產(chǎn)品是新型機(jī)械與微電子器件，特別是與微處理器、微型計(jì)算機(jī)相接合而開發(fā)的新一代電子化機(jī)械產(chǎn)品。

按用途可分為信息機(jī)電一體化產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)機(jī)電一體化產(chǎn)品和家庭用機(jī)電一體化產(chǎn)品。

（四）分析題

例：已知數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)如圖所示，試說明圖中的各個部分屬于機(jī)電一體化系統(tǒng)中的哪個基本要素？

解：（1）依題意有兩種測量方案 a.高速端測量方案：

傳感器安裝在電機(jī)的尾部，通過測量電機(jī)的轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)工作臺位移的間接測量?？蛇x用光電編碼器式傳感器或者磁電式編碼器。

b.低速端測量方案： 傳感器安裝在工作臺上，直接測量工作臺的位移。可選用光柵式位移傳感器、感應(yīng)同步器或者電位計(jì)式位移傳感器。

(2)控制計(jì)算機(jī)和控制方案的選擇

可以使用工業(yè)PC機(jī)及或者單片機(jī)完成系統(tǒng)的控制。具體可有以下三種方案： a．工業(yè)PC機(jī)集中控制方案：用一臺工業(yè)PC機(jī)對三個自由度實(shí)現(xiàn)集中控制，包括任務(wù)管理和三個自由度的伺服控制系統(tǒng)原理圖如下：

b．工業(yè)PC機(jī)、單片機(jī)分級控制方案：用一臺工業(yè)PC機(jī)與三個單片機(jī)通信，對三個單片機(jī)實(shí)現(xiàn)管理，每個單片機(jī)負(fù)責(zé)一個自由度的伺服控制，控制系統(tǒng)原理圖如下：