机电一体化机械系统的设计

摘要：机电一体化是在微电子技术向机械工业领域渗透过程中逐渐发展起来的一门独立的综合叉学科,机械系统是机电一体化的重要组成部分,是实现机电一体化产品功能的最基本的部件。近年来，机械系统的进步，推动了机电一体化的发展。本文在介绍机电一体化的基础上，就机电一体化机械系统的设计的特点和内容进行了详细介绍。

关键词：机电一体化；机械系统；设计

中图分类号：TH-39 文献标识码：A 文章编号：

一、前言

现代科学技术,特别是微电子技术和计算机技术的发展,使得传统的机械系统的设计受到了极大的冲击，电一体化产品在机械系统中发挥着越来越重要的作用。机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息机电一体化机电一体化技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合，并综合应用到实际中去的综合技术。机电一体化是一门独立的综合叉学科，现已发展到光机电一体化、机械智能化和微机械化阶段。目前，机电一体化技术已经在的各个领域已得到广泛的应用，在机械系统设计领域也发挥着越来越重要的作用。

二、机电一体化机械系统概述

机电一体化是在传统的机械技术基础上，综合应用机械技术、信息技术、微电子技术、自动控制技术、软件编程技术等技术,根据优化组织结构目标和系统功能目标,以智力、结构、运动、动力和感知组成等要素为基础,进而对各个成要素和各要素之间的运动传递、信息处理、能量变换、接口耦合、物质运动等进行研究,使整个系统进行结合与集成,并在系统控制程序的信息流控制下,形成物质的和能量的有规则运动,在高质量、高功能、高精度、高可靠性等方面实现最佳功能价值系统工程技术。机电一体化的产生和发展对机械系统也起了极大的推动和促进作用，它提高了机械系统的性能，完成传统机械所不能完成的功能。一般来说，机械技术只能形成功能有限的纯机械的产品，但与信息技术、微电子技术相结合后，就可以形成机电一体化产品。但并非任何的机械产品都能改造成机电一体化产品，必须要对其零部件也要进行适当选择或替换，再结合相关技术等才能形成机电一体化产品。

图1 机电一体化系统组成结构示意图

机电一体化机械系统是通过计算机信息网络进行协调与控制，主要是用来完成动力学任务的机械及其机电部件的系统。机电一体化机械系统核心是由计算机控制的，包括机械、电子、液压等技术的伺服系统。机电一体化机械系统的主要功能是在计算机协调和控制下，单独由控制电动机、传动机构和执行机构组成的子系统来完成一系列机械运动，完成其系统功能要求。机电一体化机械系统的设计要从系统的角度进行合理化和最优化设计。机电一体化系统的机械结构主要包括执行机构、传动机构和支承部件。（1）执行机构是依据操作指令的要求在动力源的带动下，完成操作任务的直接装置。一般具有较高的灵敏度、精确度和可靠性等。由于计算机的越来与强大的性能，传统作为动力源的电动机已发展为具有动力、变速与执行等多重功能的伺服电动机，从而简化了传动和执行机构。 (2)传动机构是伺服系统的一部分，要根据伺服控制的要求进行选择设计。传动机构不但要满足传动精度的要求，还要满足轻量、低噪声和高可靠性的要求。（3）导向机构一般指起支承和导向作用的导轨、轴承等，为机械系统中各运动装置完成其特定方向的运动提供保障。此外，在机械系统设计时，为获得良好的伺服性能，必须考虑机械结构因素与整个伺服系统的电气参数、性能参数的匹配。

与一般的机械系统相比，机电一体化系统的机械系统要求较高的制造精度、良好的动态响应特性和良好的稳定性。（1）高精度。精度的高低直接影响产品的质量，机电—体化机械系统的高精度是其最重要的要求。机电—体化机械系统其技术性能、工艺水平和功能有很大的提高，如机械系统的精度不能满足要求，则无论机电—体化也无法完成其预定的机械操作。（2）快速响应。机电一体化系统的快速响应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应当短。只有这样，能控制系统也才能及时根据机械系统的运行情况获取相关信息，然后下达指令，从而精确地完成预定的任务要求。（3）良好的稳定性。机电一体化系统要求系统抵御外界环境的影响和抗干扰能力强，机械装置在外界干扰的作用下依然能够保证稳地进行工作。因此，在机电一体化系统的机械系统设计中，一般应当满足无间隙、低摩擦、高谐振频率等要求。此外，机械系统还要求具有高可靠性、寿命长、体积小、重量轻等特点。

三、机电一体化机械系统的设计

1.机械传动设计

机械传动系统的方案设计是机械设计工作中的一个重要组成部分，是最具创造性的设计环节。正确合理地设计机械传动系统，对提高机械的性能和质量、降低机械的制造成本和使用费用等都是至关重要的。机械传动是一种把动力机产生的运动和动力传递给执行机构的中间装置,是一种扭矩和转速的变换器,其目的是在动力机与负载之间使扭矩得到合理的匹配,并可通过机构变换实现对输出的速度调节。机械传动设计的任务，是将动力机产生的机械能传输到操作机械上,因而机电一体化系统中机械传动系统的设计也就是伺服机械传动系统设计。在机电一体化系统中, 在一定程度上伺服电动机的伺服变速功能替代了传统机械传动中的变速机构,只有在伺服电机的转速范围满足不了系统要求的情况下,才会通过传动装置进行变速。由于机电一体化系统对快速响应指标要求一般都会很高，机械传动装置不仅要解决伺服电机与负载间的力矩匹配问题，还应当大力提高系统的伺服性能。因此，机电一体化系统要求机械传动部件转动应当满足惯量小、摩擦小、阻尼合理、间隙小、轻量和高可靠性等要求。因此机电一体化机械传动系统具有传动链短、转动惯量小、尽可能采用线性传递、无间隙传递等设计特点。

2.机械结构设计

机电一体化的机械结构仍属于传统机械技术的范畴,在满足伺服系统对其稳、准、快要求的前提下,从整体上说应该是朝着高速化、精密化和轻量化的方向发展。因而在进行结构设计时，必须要对具体的零部件的设计提出了更高、更严的要求,应当综合考虑到各个零部件的制造和安装精度、结构刚度、稳定性等具体情况。可以通过一些措施来改善机械结构零部件特性，如采用新材料和钢板焊接结构来提高支承件的刚度、采用合理的截面形状和尺寸、采用低摩擦系数的导轨提高运动的平稳性。近几年在结构上也出现了并联形式,如并联机器人、并联机床等,极大地简化了机械结构,提高了产品的刚度重量比及精度。除了以上两个方面以外,机电一体化机械系统设计还需工程技术人员在设计方法上大胆创新,充分利用已有的模块,,并且在设计之初,就考虑到产品在制造、使用过程中对生态环境的影响。

四、结束语

由于机电一体化的迅速发展，机电一体化技术已逐步渗透到机械工业的每一个领域，几乎不受行业的限制。机电一体化是机械设计理论的发展，设计好机电一体化机械系统是机电一体化产品的前提。面对日益发展信息时代,掌握机电一体化机械系统设计的思路,是开发机电一体化产品的关键所在。伴随着机电一体化技术的不断发展其机械部分的设计将会朝着结构更简单，控制更容易，可靠性更好，性能价格比更高的方向不断发展。

参考文献

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