第一篇：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(dòng)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(duì)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(dòng)要滿足伺服控制的三個(gè)主要要求是（A）。

A．傳動(dòng)精度、穩(wěn)定性、快速響應(yīng)性

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

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

A．提高驅(qū)動(dòng)元件的驅(qū)動(dòng)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(dòng)誤差 E．消除傳動(dòng)系統(tǒng)的回程誤差

（三）簡(jiǎn)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(kāi)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(shuō)明圖中的各個(gè)部分屬于機(jī)電一體化系統(tǒng)中的哪個(gè)基本要素？

解：（1）依題意有兩種測(cè)量方案 a.高速端測(cè)量方案：

傳感器安裝在電機(jī)的尾部，通過(guò)測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)位移的間接測(cè)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(cè)量方案： 傳感器安裝在工作臺(tái)上，直接測(cè)量工作臺(tái)的位移?？蛇x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(tái)工業(yè)PC機(jī)對(duì)三個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)集中控制，包括任務(wù)管理和三個(gè)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(jí)控制方案：用一臺(tái)工業(yè)PC機(jī)與三個(gè)單片機(jī)通信，對(duì)三個(gè)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)管理，每個(gè)單片機(jī)負(fù)責(zé)一個(gè)自由度的伺服控制，控制系統(tǒng)原理圖如下：

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(dòng)力系統(tǒng)（動(dòng)力源）、傳感檢測(cè)系統(tǒng)（傳感器）、執(zhí)行元件系統(tǒng)（如電動(dòng)機(jī)）等五個(gè)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(dòng)、輸送）功能；③儲(chǔ)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(wú)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(gè)方面采取措施：

1）采用低摩擦阻力的傳動(dòng)部件和導(dǎo)向支承部件，如采用滾珠絲杠副、滾動(dòng)導(dǎo)向支承、動(dòng)（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(dòng)導(dǎo)軌副的傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)慣量，盡可能提高加速能力。

5如選用復(fù)合材料等來(lái)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)基礎(chǔ)》期末復(fù)習(xí)小結(jié)

一、判斷題

系統(tǒng)論、信息論、控制論是機(jī)電一體化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，是機(jī)電一體化技術(shù)的方法論。（√）

PLC采用掃描工作方式，掃描周期的長(zhǎng)短決定了PLC的工作速度。（√）

PLC完善的自診斷功能，能及時(shí)診斷出PLC系統(tǒng)的軟件、硬件故障，并能保護(hù)故障現(xiàn)場(chǎng)，保證了PLC控制系統(tǒng)的工作安全性。（√）

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量取決于機(jī)構(gòu)中各部件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)速。（×）

傳感器在使用前、使用中或修理后，必須對(duì)其主要技術(shù)指標(biāo)標(biāo)定或校準(zhǔn)，以確保傳感器的性能指標(biāo)達(dá)到要求。（√）電液伺服系統(tǒng)的過(guò)載能力強(qiáng)，在強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)和高精度定位時(shí)性能好，適合于重載的高加減速驅(qū)動(dòng)。（√）

對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，其機(jī)械特性越硬越好。（√）

感應(yīng)同步器是一種應(yīng)用電磁感應(yīng)原理制造的高精度檢測(cè)元件，有直線和圓盤式兩種，分別用作檢測(cè)直線位移和轉(zhuǎn)角。（√）

工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)部分在控制信息作用下提供動(dòng)力，包括電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓等各種類型的傳動(dòng)方式。（√）滾珠絲杠垂直傳動(dòng)時(shí)，必須在系統(tǒng)中附加自鎖或制動(dòng)裝置。（√）

機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)與一般的機(jī)械系統(tǒng)相比，應(yīng)具有高精度、良好的穩(wěn)定性、快速響應(yīng)性的特性。（√）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的采樣周期越小，其控制精度就越高。（√）

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，首先需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，然后分別進(jìn)行硬件和軟件的調(diào)試。（×）

進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，由于阻尼對(duì)系統(tǒng)的精度和快速響應(yīng)性均產(chǎn)生不利的影響，因此機(jī)械系統(tǒng)的阻尼比ξ取值越小越好。（×）

綠色設(shè)計(jì)是對(duì)已有的產(chǎn)品或技術(shù)進(jìn)行分析研究，進(jìn)而對(duì)該系統(tǒng)（產(chǎn)品）進(jìn)行剖析、重構(gòu)、再創(chuàng)造的設(shè)計(jì)。（×）脈沖分配器的作用是使電動(dòng)機(jī)繞組的通電順序按一定規(guī)律變化。（√）目前，大部分硬件接口和軟件接口都已標(biāo)準(zhǔn)化或正在逐步標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)慕涌冢倥浜辖涌诰帉懴鄳?yīng)的程序。（√）

氣壓式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)常用在定位精度較高的場(chǎng)合使用。（×）

驅(qū)動(dòng)部分在控制信息作用下提供動(dòng)力，伺服驅(qū)動(dòng)包括電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓等各種類型的驅(qū)動(dòng)裝置。（√）

數(shù)控機(jī)床中的計(jì)算機(jī)屬于機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，而電機(jī)和主軸箱則屬于系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分。（×）數(shù)字化物理樣機(jī)就是一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)。（×）

數(shù)字式位移傳感器有光柵、磁柵、感應(yīng)同步器等，它們的共同特點(diǎn)是利用自身的物理特征，制成直線型和圓形結(jié)構(gòu)的位移傳感器，輸出信號(hào)都是脈沖信號(hào)，每一個(gè)脈沖代表輸入的位移當(dāng)量，通過(guò)計(jì)數(shù)脈沖就可以統(tǒng)計(jì)位移的尺寸。（√）

雙螺母消除軸向間隙的結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，調(diào)整方便，能夠精確調(diào)整。（×）

通常，步進(jìn)電機(jī)的最高連續(xù)工作頻率遠(yuǎn)大于它的最高啟動(dòng)頻率。（√）

通用型計(jì)算機(jī)系大多工作在為特定用戶群設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點(diǎn)。（×）為減少機(jī)械傳動(dòng)部件的扭矩反饋對(duì)電機(jī)動(dòng)態(tài)性能的影響，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的基本固有頻率應(yīng)低于電氣驅(qū)動(dòng)部件的固有頻率的2~3倍，同時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)接近控制系統(tǒng)的工作頻率，以免系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩而失去穩(wěn)定性。（×）無(wú)論采用何種控制方案，系統(tǒng)的控制精度總是高于檢測(cè)裝置的精度。（×）

現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)采用一對(duì)一的設(shè)備連線，按控制回路分別進(jìn)行連接，打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。（×）現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是將系統(tǒng)劃分為硬件和軟件兩個(gè)獨(dú)立的部分，然后按各自的設(shè)計(jì)流程分別完成。（×）信息處理技術(shù)是指在機(jī)電一體化產(chǎn)品工作過(guò)程中，與工作過(guò)程各種參數(shù)和狀態(tài)以及自動(dòng)控制有關(guān)的信息輸入、識(shí)別、變換、運(yùn)算、存儲(chǔ)、輸出和決策分析等技術(shù)。（√）虛擬設(shè)計(jì)是在基于多媒體的、交互的、嵌入式的三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)環(huán)境中進(jìn)行實(shí)體建模和裝配建模，生成精確的系統(tǒng)模型，并在同一環(huán)境中進(jìn)行一些相關(guān)分析，從而滿足工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用的需要。（√）

需求設(shè)計(jì)是指新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的整個(gè)生命周期內(nèi)，從分析用戶需求到以詳細(xì)技術(shù)說(shuō)明書的形式來(lái)描述滿足用戶需求產(chǎn)品的過(guò)程。（√）

選擇傳感器時(shí)，如果測(cè)量的目的是進(jìn)行定性分析，則選用絕對(duì)量值精度高的傳感器，而不宜選用重復(fù)精度高的傳感器。（×）

一般說(shuō)來(lái)，全物理仿真較之計(jì)算機(jī)仿真在時(shí)間、費(fèi)用和方便性上都具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)、快捷與實(shí)用的仿真方法。（×）

永磁型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)即使其定子繞組斷電也能保持一定轉(zhuǎn)矩，故具有記憶能力，可用于定位驅(qū)動(dòng)。（√）在閉環(huán)系統(tǒng)中，因齒輪副的嚙合間隙而造成的傳動(dòng)死區(qū)能使系統(tǒng)以6~10倍的間隙角產(chǎn)生低頻振蕩，采用消隙裝置，以提高傳動(dòng)精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。（×）

直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性是電機(jī)轉(zhuǎn)速與其輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。（×）

自動(dòng)控制技術(shù)是機(jī)電一體化相關(guān)技術(shù)之一，直接影響系統(tǒng)的控制水平、精度、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。（√）自動(dòng)控制是在人直接參與的情況下，通過(guò)控制器使被控對(duì)象或過(guò)程自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。（×）

二、單選題

以下可對(duì)交流伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速的方法是（改變電動(dòng)機(jī)的供電頻率）。

HRGP-1A噴漆機(jī)器人中的活塞式液壓缸屬于系統(tǒng)中的（驅(qū)動(dòng)部分）。

HRGP-1A噴漆機(jī)器人中的手部屬于系統(tǒng)中的（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）。

閉環(huán)控制的驅(qū)動(dòng)裝置中，絲杠螺母機(jī)構(gòu)位于閉環(huán)之外，所以它的（回程誤差和傳動(dòng)誤差都不會(huì)影響輸出精度）。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后，其輸出轉(zhuǎn)矩隨著工作頻率增高而（下降）。

采用脈寬調(diào)制（PWM）進(jìn)行直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)時(shí)，通過(guò)改變（脈沖的寬度）來(lái)改變電樞回路的平均電壓，從而實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速。

齒輪傳動(dòng)的總等效慣量隨傳動(dòng)級(jí)數(shù)(增加而減小)。傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率對(duì)傳動(dòng)精度有影響，（B）固有頻率可減小系統(tǒng)地傳動(dòng)誤差，（A）系統(tǒng)剛度可提高固有頻率。A．提高，提高

導(dǎo)程L0=8mm的絲杠驅(qū)動(dòng)總質(zhì)量為60kg的工作臺(tái)與工件，則其折算到絲杠上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為（97）kg〃mm2。多級(jí)齒輪傳動(dòng)中，各級(jí)傳動(dòng)比“前小后大”的分配原則不適用于按（重量最輕原則）設(shè)計(jì)的傳動(dòng)鏈。

多級(jí)齒輪傳動(dòng)中，各級(jí)傳動(dòng)比相等的分配原則適用于按（重量最輕原則（小功率裝置））設(shè)計(jì)的傳動(dòng)鏈。幅頻特性和相頻特性是模擬式傳感器的（動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)）。光柵傳感器的光柵是在一塊長(zhǎng)條形的光學(xué)玻璃上密集等間距平行的刻線，刻線數(shù)為100線/mm，經(jīng)四倍細(xì)分后，記數(shù)脈沖為400，光柵位移是（1）mm。（此光柵傳感器測(cè)量分辨率是（0.01）mm。）含有微處理器，可進(jìn)行程序編制或適應(yīng)條件變化的接口是（智能接口）。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，需要由用戶自行編寫（應(yīng)用軟件），具有實(shí)時(shí)性、針對(duì)性、靈活性和通用性。檢測(cè)環(huán)節(jié)能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測(cè)量，并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱，一般包括傳感器和（轉(zhuǎn)換電路）。

某機(jī)電一體化系統(tǒng)需要消除齒輪傳動(dòng)的齒側(cè)間隙，采取下列哪種方法使得調(diào)整過(guò)程中能自動(dòng)補(bǔ)償齒側(cè)間隙？（軸向壓簧錯(cuò)齒調(diào)整法）

受控變量是機(jī)械運(yùn)動(dòng)的一種反饋控制系統(tǒng)稱(伺服系統(tǒng))。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的伺服電機(jī)屬于設(shè)備的（驅(qū)動(dòng)部分）。通常，數(shù)控精密鏜銑床等高精度數(shù)控設(shè)備，其伺服系統(tǒng)的控制方式均采用（閉環(huán)控制）

為提高機(jī)電一體化機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，應(yīng)設(shè)法（增大系統(tǒng)剛度）。

下列哪個(gè)是傳感器的動(dòng)特性（幅頻特性）。

下列哪種方法是采用單螺母預(yù)緊原理來(lái)消除滾珠絲杠副的間隙？（偏置導(dǎo)程法）

以下產(chǎn)品不屬于機(jī)電一體化產(chǎn)品的是（電子計(jì)算機(jī)）。以下產(chǎn)品屬于機(jī)電一體化產(chǎn)品的是（全自動(dòng)洗衣機(jī)）。以下除了（繼電器控制系統(tǒng)），均是由硬件和軟件組成。以下抑制電磁干擾的措施，除了（軟件抗干擾），其余都是從切斷傳播途徑入手。

有一脈沖電源，通過(guò)環(huán)形分配器將脈沖分配給五相十拍通電的步進(jìn)電機(jī)定子勵(lì)磁繞組，已知轉(zhuǎn)子有24個(gè)齒，步進(jìn)電機(jī)的步距角是（1.5°）。a=360/(znk)=360/(24*5*2)在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中,常用（步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）做驅(qū)動(dòng)元件。

二、簡(jiǎn)答題

滾珠絲杠副消除軸向間隙的調(diào)整預(yù)緊方法有哪些？

滾珠絲杠副消除軸向間隙的調(diào)整預(yù)緊方法有：螺紋預(yù)緊調(diào)整式、雙螺母差齒預(yù)緊調(diào)整式、雙螺母墊片預(yù)緊調(diào)整式、彈簧式自動(dòng)調(diào)整預(yù)緊式、單螺母變位導(dǎo)程自預(yù)緊式。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸入信號(hào)是什么？如何實(shí)現(xiàn)對(duì)其轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向的控制？

步進(jìn)電機(jī)的輸入信號(hào)是脈沖序列。步進(jìn)電機(jī)的步矩角α與運(yùn)行拍數(shù)m、通電方式k（m=kN，單拍時(shí)k=1，雙拍時(shí)k=2，N為定子繞組的相數(shù)）、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)z有關(guān)。步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)的改變速度越快，其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度越快，即通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高。改變步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變。

已知一個(gè)繩位移控制系統(tǒng)的兩種驅(qū)動(dòng)方案分別如圖a和b

所示。

（1）試分析兩種方案的特點(diǎn)；（2）畫圖說(shuō)明方案（a）減速器滾筒驅(qū)動(dòng)測(cè)量位移的方法。

（a）減速器滾筒驅(qū)動(dòng)

（b）絲杠滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)

解：（1）分析兩種方案的特點(diǎn)：電機(jī)經(jīng)減速器帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，使驅(qū)動(dòng)繩產(chǎn)生位移；電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠上的螺母便產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)繩產(chǎn)生位移。

（2）畫圖說(shuō)明方案（a）減速器滾筒驅(qū)動(dòng)測(cè)量位移的方法

分析下圖調(diào)整齒側(cè)間隙的原理。

1.鎖緊螺母 2.圓螺母 3.帶凸緣螺母 4.無(wú)凸緣螺母

答：圖中所示的雙螺母螺紋預(yù)緊調(diào)整齒側(cè)間隙，雙螺母中的一個(gè)外端有凸緣，一個(gè)外端無(wú)凸緣，但制有螺紋，它伸出套筒外用兩個(gè)螺母固定鎖緊，并用鍵來(lái)防止兩螺母相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)圓螺母可調(diào)整消除間隙并產(chǎn)生預(yù)緊力，之后再用

鎖緊螺母鎖緊。

分析下圖中傳動(dòng)大負(fù)載時(shí)消除齒側(cè)間隙的原理。1、6－小齒輪 2、5－大齒輪 3－齒輪 4－預(yù)載裝置

7－齒條

答：小齒輪1、6與齒條7嚙合，與小齒輪1、6同軸的大齒輪2、5分別與齒輪3嚙合，通過(guò)預(yù)載裝置4向齒輪3上預(yù)加負(fù)載，使齒輪2、5同時(shí)向相反方向移動(dòng)，從而帶動(dòng)小齒輪1、6轉(zhuǎn)動(dòng)，其齒面便分別緊貼在齒條7上齒槽的左、右側(cè)，從而消除了齒側(cè)間隙

分析圖中整體式PLC的各組成部分中CPU、存儲(chǔ)器、電源、輸入/出單元的功能。

答:(1)中央處理器CPU是PLC的運(yùn)算和控制核心，控制其它所有部件的運(yùn)行，功能相當(dāng)于人的大腦。

(2)存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序，包括隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)和只讀存儲(chǔ)器〈ROM)，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)程序和周戶程序。(3)輸入/輸出（I/O）單元是CPU與現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備或其它外部設(shè)備之間的連接部件。(4)電源包括系統(tǒng)電源和后備電池，其中后備電池可在停電時(shí)繼續(xù)保持幾十小時(shí)的供電。

五、計(jì)算題

某工作臺(tái)采用如圖所示的直流電機(jī)絲杠螺母機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，已知工作臺(tái)的行程L=250mm，絲杠導(dǎo)程t=4mm，齒輪減速比為i=5，要求工作臺(tái)位移的測(cè)量精度為0.005mm（忽略齒輪和絲杠的傳動(dòng)誤差）。

（1）若采用高速端測(cè)量方法，將旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在電機(jī)輸出軸上，確定旋轉(zhuǎn)編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)。

簡(jiǎn)述對(duì)滾珠絲桿副進(jìn)行間隙調(diào)整和預(yù)緊方法

刻線為1024的增量式角編碼器安裝在機(jī)床的絲杠轉(zhuǎn)軸上，已知絲杠的螺距為2mm，編碼器在10秒內(nèi)輸出307200個(gè)脈沖，試求刀架的位移量和絲杠的轉(zhuǎn)速分別是多少？ 解：（1）絲杠旋轉(zhuǎn)一周有1024個(gè)脈沖，307200個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)于絲杠旋轉(zhuǎn)307200/1024=300周，故刀架的位移量為300*2mm=600mm，（2）絲杠的轉(zhuǎn)速為300*2π//10=60π

（弧度/ 秒）如圖所示的電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)系統(tǒng)，其中驅(qū)動(dòng)x向工作臺(tái)的三相雙三拍步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)子齒數(shù)z為100。滾珠絲杠的基本導(dǎo)程為l0=6mm。已知傳動(dòng)系統(tǒng)的橫向(x向)脈沖當(dāng)量δ為0.005mm/脈沖。試求：（1）步進(jìn)電機(jī)的步距角α；（2）減速齒輪的傳動(dòng)比i。

解：（1）K=3相，N=3拍，z=100

步進(jìn)電機(jī)的步距角α=360o/(z*m)= 360o/(z*K*N)= 360o/(100*3*3)=0.4 o

（2）由于一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)0.4 o，工作臺(tái)橫向(x向)脈沖當(dāng)量0.005mm，由于滾珠絲杠的基本導(dǎo)程為l0=6mm，對(duì)應(yīng)于絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)一周360 o，設(shè)一個(gè)脈沖絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為x，則

6mm/360o=0.005/xo，得x=0.3o 故減速齒輪的傳動(dòng)比i=0.3/0.4=3/4 某工作臺(tái)采用直流電機(jī)絲杠螺母機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)如圖所示，已知電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=4×10-4kg〃m3，與電機(jī)輸出軸相連的小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1=1×10-4kg〃m3，大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J2=1.8×10-4kg〃m3，絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js=3.8×10-4kg〃m3。工作臺(tái)的質(zhì)量m=50kg，絲杠導(dǎo)程t=5mm，齒輪減速比為i=5。試求：

（1）工作臺(tái)折算到絲杠的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JG；（2）傳動(dòng)件折算到電機(jī)軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je；（3）電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J。

圖 直流電機(jī)絲杠螺母機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái) 解：（1）JG=m（t/2π）2=50*1000*(0.005/2/3/14)2=0.03166(kg〃m3)(2)Je=(J2+Js+JG)/i2=（1.8×10-4+3.8×10-4+316.6×10-4）/52= 12.88×10-4

(kg〃m3)(3)J= J1+ Je =1×10-4 +12.88×10-4 =13.88(kg〃m3)已知某四級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，各齒輪的轉(zhuǎn)角誤差為Δφ1=Δφ2=…=Δφ8=0.01弧度，各級(jí)減速比相同，即i1 = i2 =…= i4 =3，求該系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)角誤差Δφmax。解：Δφmax=Δφ1/(i1* i2* i3* i4)+(Δφ2+Δφ3)/(i2* i3* i4)+(Δφ4+Δφ5)/(i3* i4)+

(Δφ6+Δφ7/(i4)+ Δφ8=

=0.01/34+ 0.02/33+0.02/32+0.02/3+0.01

=0.01975（弧度）

（2）若采用低速端測(cè)量方法，將傳感器與絲杠的端部直接相連，ns=500脈沖/轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)編碼器是否合用？

圖 直流電機(jī)絲杠螺母機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)

解：（1）設(shè)工作臺(tái)位移（測(cè)量精度）0.005mm時(shí)，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為X?，則有

360??X?

4mm0.005mm 得：X?0.45?，若對(duì)應(yīng)于電機(jī)軸的角度為Y?，則

Y?iX??2.25?，安裝在電機(jī)輸出軸上的旋轉(zhuǎn)編碼器共

有360?，故旋轉(zhuǎn)編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為360?/2.25??16（2）因?yàn)?60?/0.45??80> ns=500，故不合用。圖示為電樞控制式直流電動(dòng)機(jī)的工作原理圖。圖中電機(jī)線圈的電流為i；L與R為線圈的電感與電阻；電機(jī)的輸入電壓為u；折算到電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為JM；電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速分別為T和ω；KE和KT分別為電樞的電勢(shì)常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)，試求輸出轉(zhuǎn)速與輸入電壓之間的傳遞函數(shù)。

解：

??u?iR?Li'?KE?(1)?KTi?JM?'(2)在零初始條件下進(jìn)行拉氏變換：

??U(s)?I(s)R?LsI(s)?KE?(s)(3)?KTI(s)?JMs?(s)(4)

由（4）式得I(s)?JMs?(s)/KT，帶入到（3）式，得輸

出轉(zhuǎn)速與輸入電壓之間的傳遞函數(shù)

?(s)KU(s)?TLJMs2?RJMs?KEKT

五、綜合題

1．如圖所示的系統(tǒng)，試分析齒輪減速器、絲杠螺母機(jī)構(gòu)

及傳感器的誤差對(duì)輸出精度的影響。

解：齒輪減速器存在兩種誤差：傳動(dòng)誤差和回程誤差。傳動(dòng)誤差主要由溫度或彈性導(dǎo)致的齒輪變形產(chǎn)生；回程誤差主要是由齒輪間隙造成。為提高齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中傳遞運(yùn)動(dòng)的精度，各級(jí)傳動(dòng)比應(yīng)按“先小后大”原則分配，設(shè)各級(jí)轉(zhuǎn)角誤差為

??k、第k個(gè)齒輪到第n級(jí)輸出軸的傳動(dòng)比為

ikn，設(shè)各級(jí)轉(zhuǎn)角誤差折算到末級(jí)輸出軸上的總誤差為

????n???/imaxmax?knk絲杠螺母機(jī)構(gòu)傳動(dòng)誤差主要由絲杠與螺母之間的間隙決

k?1

定，通?？捎善溟g的調(diào)整、預(yù)緊調(diào)整到最小程度，由于這個(gè)誤差是在末級(jí)上，其大小直接影響輸出精度。傳感器的誤差對(duì)輸出精度的影響是通過(guò)控制產(chǎn)生的，由于傳感的誤差必然導(dǎo)致控制的誤差?？梢哉f(shuō)，傳感器的誤差直接決定對(duì)輸出精度的影響。2．用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制?？刂埔鬄椋菏紫入妱?dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)起動(dòng)，3秒后自動(dòng)反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)2秒后自動(dòng)又回到正轉(zhuǎn)，如此循環(huán)；可以隨時(shí)停車。（1）寫出I/O分配表；

（2）選擇PLC，畫出梯形圖。

解：（1）電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)起動(dòng)開(kāi)關(guān)I0.0，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)Q0.0，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)Q0.1，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)I0.1。

已知數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)如圖所示，試說(shuō)明圖中的各個(gè)部分屬于機(jī)電一體化系統(tǒng)中的哪一個(gè)基本要素？

解答：圖中各部可分為：（1）控制及信息處理單元：

鍵盤、計(jì)算機(jī)、顯示（2）測(cè)試傳感部分：光電編碼器、信號(hào)處理（3）

能源：電源（4）驅(qū)動(dòng)部分：功放、電機(jī)（5）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：聯(lián)軸器、齒輪減速器、絲杠螺母機(jī)構(gòu)、工作臺(tái) 試分析圖示傳動(dòng)系統(tǒng)中，齒輪減速器的傳動(dòng)誤差對(duì)工作臺(tái)輸出精度的影響？

解答：齒輪傳動(dòng)鏈位于電機(jī)之后，前向通道的閉環(huán)之外，其傳動(dòng)誤差的低頻分量和高頻分量都不能通過(guò)閉環(huán)控制來(lái)消除，都會(huì)影響輸出精度。

如圖所示的系統(tǒng)，試分析傳感器的誤差對(duì)輸出精度的影響。解答：

傳感器位于閉環(huán)之內(nèi)的反饋通道上，其誤差的高頻分量（噪聲信號(hào)）因系統(tǒng)的低通作用得到校正，不影響輸出精度；傳感器誤差的低頻分量，如靜態(tài)精度（分辨率等）直

接影響輸出精度，它決定了系統(tǒng)精度的上限。試分析圖示傳動(dòng)系統(tǒng)中，信號(hào)變換電路及絲杠螺母機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)誤差對(duì)工作臺(tái)輸出精度的影響。

解答：信號(hào)變換電路位于輸入通道，誤差的低頻分量會(huì)影響輸出精度，因此對(duì)靜態(tài)精度有較高要求；而誤差的高頻分量對(duì)輸出精度幾乎沒(méi)有影響，允許存在一定程度的高頻噪聲。絲杠螺母機(jī)構(gòu)位于閉環(huán)之后，其誤差的低頻分量和高頻分量都會(huì)影響輸出精度，因此要盡量消除傳動(dòng)間隙和傳動(dòng)誤差。

對(duì)比說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)和直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)。（10分）解答：步進(jìn)電機(jī)與直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主要有如下不同特點(diǎn)：（1）在工作原理方面，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)改變輸入脈沖的數(shù)量、頻率和順序來(lái)控制電機(jī)；而直流電機(jī)主要是靠改變電樞兩端的電壓來(lái)調(diào)速，調(diào)速特性好，調(diào)速范圍寬。（2）步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)位置控制；而直流電機(jī)一般用于閉環(huán)位置控制。（3）步進(jìn)電機(jī)具有自鎖能力；而直流電機(jī)沒(méi)有斷電自鎖能力。（4）步進(jìn)電機(jī)的輸出扭矩較小，而直流電機(jī)的輸出扭矩可以很大。此外，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角不受電源電壓波動(dòng)的影響，但對(duì)電源的要求比較高。

如圖所示電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，已知工作臺(tái)的質(zhì)量為m=50Kg，負(fù)載力為

F,最大加速度為10m/s2,絲杠直徑為

l?1000Nd=16mm,導(dǎo)程t=4mm,齒輪減速比為

i=5,總效率為

??30%，忽略絲杠慣量的影響，試計(jì)算電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩。

解：（1）計(jì)算負(fù)載力負(fù)載力由外負(fù)

載力、慣性負(fù)載力兩部分構(gòu)成外負(fù)載力 F慣性負(fù)

l?1000N載力FmFm?m?a?50?10?500N（2）電機(jī)上的負(fù)載力矩

T?1i?t2??(F)?1ml?Fm為

?14?10?3

?5?2??(1000?500)?10.3如圖所示電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，?0.63Nm已知工作臺(tái)的質(zhì)量為m=200Kg，負(fù)載力為Fl?1500N，最大加速度為a＝5m/s2,工作臺(tái)與導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)μ=0.1，絲杠直徑為d=36mm,導(dǎo)程t=8mm,齒輪減速比為i=5,總效率為??30%，忽略絲杠慣量的影響，試計(jì)算電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩。（重力加速度取g＝10m/s2）

解：（1）計(jì)算負(fù)載力負(fù)載力由外負(fù)載力、慣性負(fù)載力和摩擦力三部分構(gòu)成外負(fù)載力F1500N

l?慣性負(fù)載力Fm?m?a?200?5?1000N

摩擦力

Ff???m?g?0.1?200?10?200N

（2）電機(jī)上的負(fù)載力矩為

T?1?t?1m

i2?(Fl?Fm?Ff)???18?10?315?2??(1500?1000?200)?0.3?2.29Nm

第四篇：機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)作業(yè)第二部分

2．為提高機(jī)電一體化機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，應(yīng)設(shè)法（A）。

A．增大系統(tǒng)剛度B．增大系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

C．增大系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力矩D．減小系統(tǒng)的摩擦阻力

3．導(dǎo)程L0=8mm的絲杠驅(qū)動(dòng)總質(zhì)量為60kg的工作臺(tái)與工件，則其折算到絲杠上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為（B）kg·mm2。

A．48.5B．97

C．4.85D．9.7

4．傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率對(duì)傳動(dòng)精度有影響，（B）固有頻率可減小系統(tǒng)地傳動(dòng)誤差，（A）系統(tǒng)剛度可提高固有頻率。A

A．提高，提高B．提高，減小

C．減小，提高D．減小，減小

5．下列哪種方法是采用單螺母預(yù)緊原理來(lái)消除滾珠絲杠副的間隙？（D）

A．螺紋調(diào)隙式B．雙螺母墊片調(diào)隙式

C．齒差調(diào)隙式D．偏置導(dǎo)程法

6.齒輪傳動(dòng)的總等效慣量隨傳動(dòng)級(jí)數(shù)(?A)。B

A.增加而減小B.增加而增加

C.減小而減小D.變化而不變

7．多級(jí)齒輪傳動(dòng)中，各級(jí)傳動(dòng)比“前小后大”的分配原則不適用于按（D）設(shè)計(jì)的傳動(dòng)鏈。

A．最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原則（小功率傳動(dòng)裝置）

B．最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原則（大功率傳動(dòng)裝置）

C．輸出軸的轉(zhuǎn)角誤差最小原則

D．重量最輕原則

8．某機(jī)電一體化系統(tǒng)需要消除齒輪傳動(dòng)的齒側(cè)間隙，采取下列哪種方法使得調(diào)整過(guò)程中能自動(dòng)補(bǔ)償齒側(cè)間隙？（D）

A．偏心套調(diào)整法B．軸向墊片調(diào)整法

C．薄片錯(cuò)齒調(diào)整法D．軸向壓簧錯(cuò)齒調(diào)整法

三、簡(jiǎn)答題

1．完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)主要包括哪幾部分？

第五篇：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(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與部件選擇

1.1無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)鏈

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

機(jī)床主傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)時(shí)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(shí)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(dòng)特性，如機(jī)床的主軸有足夠的轉(zhuǎn)速范圍和轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)(對(duì)于主傳動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)床，則有足夠的每分鐘雙行程數(shù)范圍及變速級(jí)數(shù));傳動(dòng)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(dòng)力要求。

主電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)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(dòng)效率。

1.1.2數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)分類

機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)可按以下不同的特征來(lái)分類:(1)按驅(qū)動(dòng)主傳動(dòng)的電動(dòng)機(jī)類型可分為交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中又可分為單速交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)或調(diào)速交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種。調(diào)速交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)又有多速交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和無(wú)級(jí)調(diào)速交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。無(wú)級(jí)調(diào)速交流電動(dòng)機(jī)通常采用變頻調(diào)速的原理。(2)按傳動(dòng)裝置類型可分為機(jī)械傳動(dòng)裝置、液壓傳動(dòng)裝置、電氣傳動(dòng)裝置及其組合。(3)按變速的連續(xù)性可分為分級(jí)變速傳動(dòng)和無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)(此部分在下面詳細(xì)介紹)。數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)要求有較大的調(diào)速范圍，以保證在加工時(shí)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(dòng)進(jìn)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動(dòng)操作的要求。大多數(shù)數(shù)控機(jī)床采用無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)主要有以下四種配置方式:(1)主軸電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。

如圖2一1(a)所示，電動(dòng)機(jī)軸與主軸用聯(lián)軸器連接，這種方式大大簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)發(fā)熱對(duì)主軸影響較大。目前，多采用交流伺服電動(dòng)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(dòng)機(jī)經(jīng)同步齒形帶帶動(dòng)主軸。

如圖1一1(b)所示，電動(dòng)機(jī)將其運(yùn)動(dòng)經(jīng)同步齒形帶以定比傳動(dòng)傳遞給主軸。由于輸出扭矩較小，這種傳動(dòng)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(dòng)中的振動(dòng)和噪聲。

(3)電動(dòng)機(jī)經(jīng)齒輪變速傳動(dòng)主軸。

如圖1一1(c)所示，主軸電動(dòng)機(jī)經(jīng)二級(jí)齒輪傳動(dòng)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(wú)級(jí)變速，這種方式在大、中型數(shù)控機(jī)床中采用較多。經(jīng)過(guò)齒輪傳動(dòng)降速后，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩可以擴(kuò)大，以滿足主軸低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(dòng)方式，以獲得強(qiáng)力切削時(shí)所需要的扭矩。(4)電主軸。

如圖1一1(d)所示，將調(diào)速電動(dòng)機(jī)與主軸合成一體(電動(dòng)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(dòng)機(jī)啟動(dòng)、停止的響應(yīng)特性;其缺點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)發(fā)熱易引起熱變形。1.1.3無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì) 無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)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(dòng)化;能在負(fù)載下變速，便于車削大端面時(shí)保持恒定的切削速度，以提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)可由機(jī)械摩擦無(wú)級(jí)變速器、液壓無(wú)級(jí)變速器和電氣無(wú)級(jí)變速器來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)械摩擦無(wú)級(jí)變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠，常用于中、小型車床、銑床等主傳動(dòng)系統(tǒng)中。液壓無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)平穩(wěn)、運(yùn)動(dòng)換向沖擊小，易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，常用于主運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)床，如磨床、拉床、刨床等機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)中。電氣無(wú)級(jí)變速器有由直流電動(dòng)機(jī)或交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩種，由于它可以大大簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速、連續(xù)變速和負(fù)載下變速，故其應(yīng)用越來(lái)越)’一泛，尤其在數(shù)控機(jī)床上目前幾乎全都采用電氣無(wú)級(jí)變速器。

數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)廣泛采用無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)，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(dòng)變速。無(wú)級(jí)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(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源的電氣無(wú)級(jí)變速。由于數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍較寬，一般情況下單靠調(diào)速電動(dòng)機(jī)無(wú)法滿足;另一方面調(diào)速電動(dòng)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(wú)級(jí)調(diào)速電動(dòng)機(jī)之后串聯(lián)機(jī)械分級(jí)變速傳動(dòng)，以滿足調(diào)速范圍和功率、轉(zhuǎn)矩特性的要求。(1)無(wú)級(jí)變速裝置的分類。

機(jī)床主傳動(dòng)中常用的無(wú)級(jí)變速裝置有三類:變速電動(dòng)機(jī)、機(jī)械無(wú)級(jí)變速裝置和液壓無(wú)級(jí)變速裝置。

1)變速電動(dòng)機(jī)。

機(jī)床上常用的變速電動(dòng)機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)，它們?cè)陬~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(dòng)機(jī)和主軸之間串連一個(gè)分級(jí)變速箱。變速電動(dòng)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(wú)級(jí)變速裝置。

機(jī)械無(wú)級(jí)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(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩的，通過(guò)連續(xù)地改變摩擦傳動(dòng)副工作半徑來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。由于它的變速范圍小，多數(shù)是恒轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)，通常較少單獨(dú)使用，而是與分級(jí)變速機(jī)構(gòu)串聯(lián)使用，以擴(kuò)大變速范圍。機(jī)械無(wú)級(jí)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(dòng)中，更多的是用于進(jìn)給變速傳動(dòng)中。

3)液壓無(wú)級(jí)變速裝置。

液壓無(wú)級(jí)變速裝置通過(guò)改變單位時(shí)間內(nèi)輸入液壓缸或液動(dòng)機(jī)中液體的油量來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。它的特點(diǎn)是變速范圍較大，變速方便，傳動(dòng)平穩(wěn)，在運(yùn)動(dòng)換向時(shí)沖擊小;易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)和自動(dòng)化。液壓無(wú)級(jí)變速裝置常用在主運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)床中，如刨床、拉床等。(2)無(wú)級(jí)變速裝置與機(jī)械分級(jí)變速機(jī)構(gòu)的串聯(lián)。在無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)裝置單獨(dú)使用時(shí)，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(wú)級(jí)變速裝置與機(jī)械分級(jí)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(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速。

機(jī)床上常用的無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)為直流或交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)是采用調(diào)壓和調(diào)磁方式來(lái)得到主軸所需轉(zhuǎn)速的。直流電動(dòng)機(jī)從額定轉(zhuǎn)速向上至最高轉(zhuǎn)速是用調(diào)節(jié)磁場(chǎng)電流(簡(jiǎn)稱調(diào)磁)的辦法來(lái)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(jiǎn)稱調(diào)壓)的辦法來(lái)調(diào)速的，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。通常，直流電動(dòng)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(guò)100。交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)靠調(diào)節(jié)供電頻率的方式來(lái)調(diào)速，所以其常被稱為調(diào)頻主軸電動(dòng)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(dòng)機(jī)的功率轉(zhuǎn)矩特性如圖1-2所示。

交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)由于體積小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣性小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、沒(méi)有電刷且能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速比同功率的直流電動(dòng)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(dòng)機(jī)已占優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用一也更加廣泛。伺服電動(dòng)機(jī)和脈沖步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)。基于上述分析可知，如果直流或交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)用于拖動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器，例如龍門刨床工作臺(tái)(主運(yùn)動(dòng))或立式車床刀架(進(jìn)給運(yùn)動(dòng))，可直接利用調(diào)速電動(dòng)機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩變速范圍，用電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)或通過(guò)定比減速齒輪拖動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

1.2主傳動(dòng)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(dòng)和半自動(dòng)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(gè)典型數(shù)控車床C K3263 B為例說(shuō)明如何分析數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)，圖1一4所示為C K3263 B主傳動(dòng)系統(tǒng)。主電動(dòng)機(jī)經(jīng)帶輪副和四速變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)主軸，其傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)開(kāi)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(lái)的主傳動(dòng)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(shí)，主傳動(dòng)系統(tǒng)和變速操縱機(jī)構(gòu)是不動(dòng)的，可利用暫停指令進(jìn)行手動(dòng)變速換擋，然后再繼續(xù)加工。如果要提高機(jī)床的自動(dòng)化程度或者所加工工件的直徑相差較大，在加工過(guò)程中需要自動(dòng)變速時(shí)，可考慮設(shè)置加工過(guò)程中的自動(dòng)變速裝置，本任務(wù)即后一種情況。

將機(jī)械主傳動(dòng)系統(tǒng)改裝為自動(dòng)變速裝置的幾種方案說(shuō)明見(jiàn)下文介紹。1.采用多速電動(dòng)機(jī)改裝

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

對(duì)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(jí)變速，一般變速級(jí)數(shù)不超過(guò)四級(jí)。3.采用直流主軸電動(dòng)機(jī)或交流主軸電動(dòng)機(jī)改裝

改裝后，機(jī)床主軸由直流主軸電動(dòng)機(jī)(或交流主軸電動(dòng)機(jī))通過(guò)皮帶直接帶動(dòng)，并通過(guò)電氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。

采用直流主軸電動(dòng)機(jī)或交流主軸電動(dòng)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(dòng)鏈中沒(méi)有齒輪，故噪聲很小。另外在改裝中要注意，主軸電動(dòng)機(jī)的選擇要與進(jìn)給系統(tǒng)電動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)示意。拆下原操縱手柄，裝上齒輪2;以一個(gè)180 W的交流小電動(dòng)機(jī)8通過(guò)蝸輪副7和齒輪3, 2將運(yùn)動(dòng)傳給手柄軸1，帶動(dòng)主軸箱內(nèi)的撥叉和滑塊進(jìn)行變速。另外將手柄軸接長(zhǎng)，在接長(zhǎng)軸4上安裝帶單個(gè)壓塊6的圓盤，并在附加的機(jī)殼上固定一個(gè)裝有6個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)的圓盤5, 6個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)的位置與6級(jí)變速擋位對(duì)應(yīng)。當(dāng)手柄軸帶動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，壓塊6依次壓下6個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)，發(fā)出6個(gè)不同信號(hào)，數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電路信號(hào)的識(shí)別來(lái)控制變速。

自動(dòng)變速過(guò)程如下:當(dāng)變速電動(dòng)機(jī)接到S指令后，便開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)傳動(dòng)裝置使手柄軸帶動(dòng)撥叉滑塊使變速齒輪移位。與此同時(shí)，在速度繼電器的控制下，主電動(dòng)機(jī)低速點(diǎn)動(dòng)，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(hào)與數(shù)控系統(tǒng)S指令信號(hào)相符時(shí)，小電動(dòng)機(jī)制動(dòng)，主運(yùn)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)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(dòng)副數(shù);(2)安排變速組的傳動(dòng)順序，擬定結(jié)構(gòu)式(網(wǎng));(3)分配傳動(dòng)副傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(shí)，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(guò)程中的齒頂干涉。

當(dāng)傳動(dòng)比i采用標(biāo)準(zhǔn)公比的整數(shù)次方時(shí)，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(jiàn)附錄二。2.項(xiàng)目要求

學(xué)完基礎(chǔ)知識(shí)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(kāi)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(cè)》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(chǎng)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(guò)程填入記錄表1一2中。1.4.2項(xiàng)目評(píng)價(jià)

項(xiàng)日的整體評(píng)價(jià)如表1-3所示。

圖1一1數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)的配置方式

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

圖1-4 CK3263B主傳動(dòng)系統(tǒng)

圖1-5改裝后主傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

表1一1常見(jiàn)傳動(dòng)比的適用齒數(shù)

表1一2項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程記錄表

表1-3項(xiàng)目評(píng)價(jià)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(jiàn)導(dǎo)軌形式見(jiàn)表2-1.(2)選擇導(dǎo)軌截面形狀與組合方式。常見(jiàn)導(dǎo)軌截面形狀見(jiàn)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(dòng)下沉補(bǔ)償磨損量。兩條三角形導(dǎo)軌副同時(shí)起支撐和導(dǎo)向作用，由于結(jié)構(gòu)對(duì)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(chǎng)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(kāi)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(shí)，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(shí)，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(shí)，由于導(dǎo)軌面對(duì)稱分布在導(dǎo)軌中部，當(dāng)傳動(dòng)件位于對(duì)稱中心線上時(shí)，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(dòng)方向時(shí)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(guò)調(diào)節(jié)來(lái)補(bǔ)償，故對(duì)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(chǎng)合，例如牛頭刨床和插床的滑枕導(dǎo)軌、升降臺(tái)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(dòng)件只受軸向力的場(chǎng)合，例如攻螺紋機(jī)、機(jī)械手的導(dǎo)軌副等。(3)通過(guò)計(jì)算選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1)計(jì)算額定動(dòng)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(dòng)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(dòng)、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(shí)，支撐導(dǎo)件與運(yùn)動(dòng)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(shí)會(huì)產(chǎn)生間隙，間隙過(guò)小會(huì)增加摩擦阻力，間隙過(guò)大會(huì)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(dòng)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(lái)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(dòng)鑲條2的位置來(lái)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(gè)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(gè)面分別與動(dòng)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(zhǎng)，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(dòng)鑲條2做縱向移動(dòng)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(jiǎn)單，但螺釘頭凸肩和鑲條上溝槽之間的間隙會(huì)引起鑲條在運(yùn)動(dòng)中竄動(dòng)。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(dòng)，性能較好。圖2一6(c)所示為通過(guò)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(dòng)，但其縱向尺寸較長(zhǎng)。②壓板。

壓板用來(lái)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(tái)受到進(jìn)給方向的載荷(與絲杠軸線平行)Ff= 1 401 N，工作臺(tái)受到橫向的載荷(與絲杠軸線垂直)F-n= 337 N ,工作臺(tái)受到垂直方向的載荷(與工作臺(tái)面垂直)Fe=512 N，移動(dòng)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(shí)間壽命孔 要求該導(dǎo)軌副每天開(kāi)機(jī)6h，每年工作300個(gè)工作日，且工作8年以上，則額定工作時(shí)間壽命:

3.確定行程長(zhǎng)度系數(shù)TS 要求單向行程長(zhǎng)度LS = 0.52m，每分鐘往返次數(shù)為3，則額定行程長(zhǎng)度系數(shù): 4.計(jì)算額定動(dòng)載荷Ca’(單位為N)要求工作溫度不超過(guò)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(shí)間壽命Th = 14 400 h。則:

表2一7為JSA一KL型直線滾動(dòng)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(dòng)導(dǎo)軌副尺寸參數(shù)

表2-9項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程記錄表

表2-10項(xiàng)目評(píng)價(jià)表

項(xiàng)目三 簡(jiǎn)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(guò)對(duì)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(dòng)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(jià)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(dòng)力子系統(tǒng)、傳感檢測(cè)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(guò)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

3.1.2設(shè)計(jì)工作流程

一個(gè)全新的機(jī)電一體化產(chǎn)品的正向設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)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(gè)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(chǎng)預(yù)測(cè)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(píng)價(jià)和決策的依據(jù)。(1)需求分析。

需求分析從需求識(shí)別開(kāi)始，認(rèn)識(shí)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(chǎng)的需求，并及時(shí)完成產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和試制工作。(2)市場(chǎng)預(yù)測(cè)。

市場(chǎng)預(yù)測(cè)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(chǎng)調(diào)研:主要有產(chǎn)品銷售對(duì)象的可能銷售量，用戶對(duì)產(chǎn)品的功能、性能、質(zhì)量、使用維護(hù)、包裝及價(jià)格等方面的要求。此外，還應(yīng)了解競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的種類、優(yōu)缺點(diǎn)和市場(chǎng)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(dòng)態(tài)，相關(guān)理論的研究成果和新材料、新器件的發(fā)展動(dòng)態(tài)，競(jìng)爭(zhēng)企業(yè)、競(jìng)爭(zhēng)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(huì)環(huán)境調(diào)研:主要有產(chǎn)品生產(chǎn)和目標(biāo)市場(chǎng)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(dòng)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(huì)的風(fēng)俗習(xí)慣，社會(huì)人員構(gòu)成狀況及消費(fèi)水平、消費(fèi)心理和購(gòu)買能力等。

通過(guò)調(diào)研應(yīng)確定開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的必要性、種類和生命周期，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益等，確定用戶對(duì)產(chǎn)品的功能、性能、質(zhì)量、外觀和價(jià)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(gè)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(gè)新概念汽車，采用什么樣的發(fā)動(dòng)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(xiǎn)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(chǎng)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(gè)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(duì)產(chǎn)品的成本和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(jià)格也就越高。但市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不完全由技術(shù)性能決定，還與其價(jià)格、品牌等許多因素有關(guān)。用戶往往追求性價(jià)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(zhēng)做到高性能、低價(jià)格。在制定主要產(chǎn)品的規(guī)格和性能指標(biāo)時(shí)還要充分參考競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品及發(fā)展趨勢(shì)，制定最合理的參數(shù)。

4)主要技術(shù)風(fēng)險(xiǎn):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(kāi)發(fā)、生產(chǎn)中可能存在的各種問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)，以及這些問(wèn)題與風(fēng)險(xiǎn)的解決和規(guī)避方法。如果不充分考慮這些問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間則可能拖延，從而錯(cuò)過(guò)市場(chǎng)最佳時(shí)機(jī)，使產(chǎn)品的成本過(guò)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(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行充分的評(píng)估，使產(chǎn)品開(kāi)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(xiǎn)分析，對(duì)產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格、性能指標(biāo)和市場(chǎng)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(jí)。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(gè)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(shí)，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(zhǎng)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(zhǎng)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(dòng)時(shí)，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(hào)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(dòng)示意簡(jiǎn)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(gòu)型號(hào)為150 L100

最后，經(jīng)過(guò)廠家訂購(gòu)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(dòng)效果如圖3一12所示。3.3.3錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)

(1)確定齒輪材料及精度等級(jí)。

錐齒輪材料選擇45 #鋼調(diào)質(zhì)，齒面硬度為217~225 HBS。經(jīng)過(guò)計(jì)算齒輪傳動(dòng)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(jí)為7級(jí))(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(jiàn)圖3一13)和大錐齒輪零件圖(見(jiàn)圖3一14)。錐齒輪傳動(dòng)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(duì)隨傳送帶傳送到包裝處的成品瓶進(jìn)行自動(dòng)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(guò)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(méi)有阻擋時(shí)發(fā)射器的紅外線反射到接收器上，接收器收到發(fā)射來(lái)的紅外線，經(jīng)相反處理使之沒(méi)有信號(hào)輸出，有工件經(jīng)過(guò)時(shí)擋住光路，接收機(jī)失去紅外線信號(hào)便輸出一個(gè)脈沖信號(hào)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(méi)有工件往下流時(shí)，發(fā)射器發(fā)出的紅外線直接射出沒(méi)有反射，接收器沒(méi)有接收到反射來(lái)的紅外線信號(hào)則沒(méi)有輸出。有工件經(jīng)過(guò)時(shí)，其將擋住光電路使發(fā)射器發(fā)出的紅外線信號(hào)反射到接收器上，接收器接收到反射來(lái)的紅外線信號(hào)便輸出一個(gè)脈沖信號(hào)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(gè)料，計(jì)數(shù)器顯示一個(gè)數(shù)，逐次遞增。整體方案是:通過(guò)傳感器(光電開(kāi)關(guān)或磁性開(kāi)關(guān))檢測(cè)到推桿動(dòng)作，將信號(hào)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(gè)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(kāi)關(guān)、磁性開(kāi)關(guān)均需外購(gòu)，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(huì)查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》。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(cè)》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(zhǎng)審核方案。

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

項(xiàng)目的整體評(píng)價(jià)見(jiàn)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(zhǎng)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(dòng)示意簡(jiǎn)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(dòng)效果

表3-10項(xiàng)目評(píng)價(jià)表