年月日 第一章绪 论 本章教学重点：机电一体化功能要素、相关技术。 本章教学难点：机电一体化相关技术 本章教学方式：多媒体教学、机电一体化功能要素举例说明， 第一节 机电一体化概念 一、机电一体化概念 Mechatronics=Mechanics+Electronics 机械工程和电子工程相结合的技术，以及应用这些技术的机械电子装置（产品）。 机电一体化产品轴 cyc 机械 微机控制汽车● ●VTR COM STL ●放像机 微机控制空调● ●激光打印机 自动售货机 ●传真机 电视·数字钟表 电算器 一宁电子轴 图1-1 机电一体化产品归类 机电一体化产品分类： 了数控机床、机器人、自动生产设备 了生产用机电一体化产品 柔性生产单元、自动组合生产单元 FMS、无人化工厂、CIMS 微机控制汽车、机车等交通运输工具 了运输、包装及工程用机电一体化产品了数控包装机械及系统 (数控运输机械及工程机械设备 自动仓库
年 月 日 1 第一章 绪 论 本章教学重点：机电一体化功能要素、相关技术。 本章教学难点：机电一体化相关技术。 本章教学方式：多媒体教学、机电一体化功能要素举例说明。 第一节 机电一体化概念 一、机电一体化概念 Mechatronics=Mechanics+Electronics 机械工程和电子工程相结合的技术，以及应用这些技术的机械电子装置（产品）。 机电一体化产品分类： 数控机床、机器人、自动生产设备 生产用机电一体化产品 柔性生产单元、自动组合生产单元 FMS、无人化工厂、CIMS 微机控制汽车、机车等交通运输工具 运输、包装及工程用机电一体化产品 数控包装机械及系统 数控运输机械及工程机械设备 自动仓库 图 1-1 机电一体化产品归类 图
年月日 了储存、销售用机电一体化产品 自动空调与制冷系统及设备 自动称量、分选、销售及现金处理系统 自动化办公设备 了社会服务性机电一体化产品 动力、医疗、环保及公共服务自动化设备 文教、体育、娱乐用机电一体化产品 微机或数控型耐用消费品 了家庭用机电一体化产品 炊事自动化机械 家庭用信息、服务设备 了测试设备 (科研及过程控制用机电一体化产品控制设备 (信息处理系统 了农、林、牧、渔及其它民用机电一体化产品 航空、航天、国防用武器装备等机电一体化产品 二、机电一体化产品的表现形式 1.机械的电子化 (1)在原有机械系统的基础上采用微型计算机控制装置，使系统的性能提高，功 能增强。例如，模糊控制洗衣机能根据衣物的洁净度自动控制洗涤过程，从而实现节 水、节电、节时、节洗衣粉的功能：机床的数控化是另一个典型的例子。 (2)用电子装置局部替代机械传动装置和机械控制装置，简化结构，增强控制灵 活性。例如，数控机床的进给系统采用伺服系统，简化了传动链，提高了进给系统的 动态性能：将传统电机的电刷用电子装置替代形成的无刷电机，具有性能可靠、结构 简单、尺寸减小等优点。 (3)用电子装置完全替代原来执行信息处理功能的机构，既减化了结构，又极大 地丰富了信息传输的内容，提高了速度。例如，石英电子钟表、电子秤、按键式电话 等。 (4)用电子装置替代机械的主功能，形成特殊的加工能力。例如，电火花加工机 床、线切割加工机床、激光加工机床等。 2.机电技术完全融合形成新型机电一体化产品 生产机械中的激光快速成形机：信息机械中的传真机、打印机、复印机：检测机 2
年 月 日 2 储存、销售用机电一体化产品 自动空调与制冷系统及设备 自动称量、分选、销售及现金处理系统 自动化办公设备 社会服务性机电一体化产品 动力、医疗、环保及公共服务自动化设备 文教、体育、娱乐用机电一体化产品 微机或数控型耐用消费品 家庭用机电一体化产品 炊事自动化机械 家庭用信息、服务设备 测试设备 科研及过程控制用机电一体化产品 控制设备 信息处理系统 农、林、牧、渔及其它民用机电一体化产品 航空、航天、国防用武器装备等机电一体化产品 二、机电一体化产品的表现形式 1.机械的电子化 （1）在原有机械系统的基础上采用微型计算机控制装置，使系统的性能提高，功 能增强。例如，模糊控制洗衣机能根据衣物的洁净度自动控制洗涤过程，从而实现节 水、节电、节时、节洗衣粉的功能；机床的数控化是另一个典型的例子。 （2）用电子装置局部替代机械传动装置和机械控制装置，简化结构，增强控制灵 活性。例如，数控机床的进给系统采用伺服系统，简化了传动链，提高了进给系统的 动态性能；将传统电机的电刷用电子装置替代形成的无刷电机，具有性能可靠、结构 简单、尺寸减小等优点。 （3）用电子装置完全替代原来执行信息处理功能的机构，既减化了结构，又极大 地丰富了信息传输的内容，提高了速度。例如，石英电子钟表、电子秤、按键式电话 等。 （4）用电子装置替代机械的主功能，形成特殊的加工能力。例如，电火花加工机 床、线切割加工机床、激光加工机床等。 2.机电技术完全融合形成新型机电一体化产品 生产机械中的激光快速成形机；信息机械中的传真机、打印机、复印机；检测机
年月日 械中的CT(计算机断层扫描诊断装置)扫描诊断仪、扫描隧道显微镜等。 第二节机电一体化构成要素及相关技术 一、机电一体化构成要素 运作 气内胜今排港 动力 控制 动力 算机 构 机构 (c) 图1-2机电一体化系统与人体对应关系 举例1：数控系统组成 传感器 工作台 执行元件 丝杠 驱动器 信息处理系统 (计算机) 动力源 图1-3数控系统组成图 举例2：机器人组成 编码器和渊速 发电机 DC伺服电机 力
年 月 日 3 械中的 CT（计算机断层扫描诊断装置）扫描诊断仪、扫描隧道显微镜等。 第二节 机电一体化构成要素及相关技术 一、机电一体化构成要素 图 1-2 机电一体化系统与人体对应关系 举例 1：数控系统组成 图 1-3 数控系统组成图 举例 2：机器人组成
年月日 图1-4机器人组成图 举例3：钢板自动切割系统组成 、三相电机 concrons.com 图1-5钢板自动切割系统组成图 二、相关技术 1.机械技术 机电一体化的机械产品与传统的机械产品的 检测 区别在于：机械结构更简单、机械功能更强、性 传感技术 能更优越。现代机械要求具有更新颖的结构、更 信息 小的体积、更轻的重量，还要求精度更高、刚度 处理 技术 更大、动态性能更好。 系统总体技术 在设计和制造机械系统时除了考虑静态、动 自动控 技术
年 月 日 4 图 1-4 机器人组成图 举例 3：钢板自动切割系统组成 成型板材自动切割工作原理 图 1-5 钢板自动切割系统组成图 二、相关技术 1.机械技术 机电一体化的机械产品与传统的机械产品的 区别在于：机械结构更简单、机械功能更强、性 能更优越。现代机械要求具有更新颖的结构、更 小的体积、更轻的重量，还要求精度更高、刚度 更大、动态性能更好。 在设计和制造机械系统时除了考虑静态、动
年月日 态刚度及热变形等问题外，还应考虑采用新型复合材料和新型结构以及新型的制造工 艺和工艺装置。 2,传感检测技术 传感检测技术的内容，一是研究如何将各种被测量（包括物理量、化学量和生物 量等)转换为与之成比例的电量：二是研究对转换的电信号的加工处理，如放大、补 偿、标度变换等。 机电一体化系统要求传感检测装置能快速、准确、可靠的获取信息 3信息处理技术 图1-6机电一体化相关技术图 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的软件技术、硬件技 术、网络与通讯技术和数据技术。机电一体化系统中主要采用工业控制机（包括可编 程控制器，单、多回路调节器，单片微控制器，总线式工业控制机，分布式计算机测 控系统)进行信息处理。信息处理的发展方向是提高信息处理的速度、可靠性和智能 化程度。人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等都属于计算机信息处理技术 的范畴。 4自动控制技术 自动控制所依据的理论是自动控制原理（包括经典控制理论和现代控制理论）， 自动控制技术就是在此理论的指导下对具体控制装置或控制系统进行设计：设计后进 行系统仿真，现场调试：最后使研制的系统可靠地投入运行。 机电一体化系统 中的自动控制技术主要包括位置控制、速度控制、最优控制、自适应控制以及模糊控 制、神经网络控制等。 5伺服传动技术 伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置常见的伺服驱动系统主要 有电气伺服（如步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等）和液压伺服（如液压马 达、脉冲油缸等)两类。 6系统总体技术 机电一体化系统是一个技术综合体，它利用系统总体技术将各有关技术协调配 合、综合运用而达到整体系统的最佳化。 三、学科构成 控制、信息工程学
年 月 日 5 态刚度及热变形等问题外，还应考虑采用新型复合材料和新型结构以及新型的制造工 艺和工艺装置。 2 .传感检测技术 传感检测技术的内容，一是研究如何将各种被测量（包括物理量、化学量和生物 量等）转换为与之成比例的电量；二是研究对转换的电信号的加工处理，如放大、补 偿、标度变换等。 机电一体化系统要求传感检测装置能快速、准确、可靠的获取信息 3 信息处理技术 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的软件技术、硬件技 术、网络与通讯技术和数据技术。机电一体化系统中主要采用工业控制机（包括可编 程控制器，单、多回路调节器，单片微控制器，总线式工业控制机，分布式计算机测 控系统）进行信息处理。信息处理的发展方向是提高信息处理的速度、可靠性和智能 化程度。人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等都属于计算机信息处理技术 的范畴。 4 自动控制技术 自动控制所依据的理论是自动控制原理（包括经典控制理论和现代控制理论）， 自动控制技术就是在此理论的指导下对具体控制装置或控制系统进行设计；设计后进 行系统仿真，现场调试；最后使研制的系统可靠地投入运行。 机电一体化系统 中的自动控制技术主要包括位置控制、速度控制、最优控制、自适应控制以及模糊控 制、神经网络控制等。 5 伺服传动技术 伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置常见的伺服驱动系统主要 有电气伺服（如步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等）和液压伺服（如液压马 达、脉冲油缸等）两类。 6 系统总体技术 机电一体化系统是一个技术综合体，它利用系统总体技术将各有关技术协调配 合、综合运用而达到整体系统的最佳化。 三、学科构成 图 1-6 机电一体化相关技术图
年月日 图1-7机电一体化学科构成 第三节机电一体化发展方向 一、机电一体化特点 1、体积小，重量轻 2、速度快，精度高 3、可靠性高 4、柔性好 二、发展方向 1、复合化 2、小型化，轻量化 3、高速化 4、移动化 5、智能化 6、层次化和系统化 7、全盘化 总之，性能上：向高精度、高效率、高性能、智能化方向发展： 功能上：向小型化、轻型化、多功能方向发展； 层次上：向系统化、复合集成化方向发展
年 月 日 6 图 1-7 机电一体化学科构成 第三节 机电一体化发展方向 一、机电一体化特点 1、体积小，重量轻 2、速度快，精度高 3、可靠性高 4、柔性好 二、发展方向 1、复合化 2、小型化，轻量化 3、高速化 4、移动化 5、智能化 6、层次化和系统化 7、全盘化 总之，性能上:向高精度、高效率、高性能、智能化方向发展； 功能上：向小型化、轻型化、多功能方向发展； 层次上：向系统化、复合集成化方向发展
年月日 第二章机械系统设计 本章教学重点：数学模型建立、机电一体化对机械传动的要求、齿轮传动设计要点。 本章教学难点：机电一体化系统数学模型。 本章教学方式：多媒体教学、动画演示。 机械系统是机电一体化系统的最基本要素，主要包括执行机构、传动机构和支承 部件。机械的主要功能是完成机械运动，一部机器必须完成相互协调的若干机械运动。 每个机械运动可由单独的控制电机、传动件和执行机构组成的若干个子系统来完成， 若干个机械运动由计算机来协调与控制。 本章首先介绍机械系统数学模型的建立：其次分析机械传动系统的特性：最后介 绍机电一体化系统中常用的新型机械传动装置和支承部件。 第一节机械系统数学模型的建立 一、机械移动系统 机械平移系统的基本元件是质量、阻尼和弹簧。建立机械平移系统数学模型的基 本原理是牛顿第二定律。 下面以如图2-1a)所示的组合机床动力滑台铣平面为例说明平移系统的建模方 法。 x(0 工件 动力清台 f -f( 777777777 a) 图2-1动力滑台铣平面及其力学模型 a)动力滑台铣平面b)系统力学模型 设动力滑台的质量为m,液压缸的刚度为k,粘性阻尼系数为c,外力为「(t。 若不计动力滑台与支承之间的摩擦力，则系统可以简化为如图2-1)所示的力学模 型。由牛顿第二定律知，系统的运动方称为 对上式取拉氏变换，得到系统的传递函数 x.(s) 1 (2-1) F(s)ms2+cs+k
年 月 日 7 第二章 机械系统设计 本章教学重点：数学模型建立、机电一体化对机械传动的要求、齿轮传动设计要点。 本章教学难点：机电一体化系统数学模型。 本章教学方式：多媒体教学、动画演示。 机械系统是机电一体化系统的最基本要素，主要包括执行机构、传动机构和支承 部件。机械的主要功能是完成机械运动，一部机器必须完成相互协调的若干机械运动。 每个机械运动可由单独的控制电机、传动件和执行机构组成的若干个子系统来完成， 若干个机械运动由计算机来协调与控制。 本章首先介绍机械系统数学模型的建立；其次分析机械传动系统的特性；最后介 绍机电一体化系统中常用的新型机械传动装置和支承部件。 第一节 机械系统数学模型的建立 一、 机械移动系统 机械平移系统的基本元件是质量、阻尼和弹簧。建立机械平移系统数学模型的基 本原理是牛顿第二定律。 下面以如图 2-1a）所示的组合机床动力滑台铣平面为例说明平移系统的建模方 法。 图 2-1 动力滑台铣平面及其力学模型 a）动力滑台铣平面 b）系统力学模型 设动力滑台的质量为 m，液压缸的刚度为 k，粘性阻尼系数为 c，外力为 f（t）。 若不计动力滑台与支承之间的摩擦力，则系统可以简化为如图 2-1b）所示的力学模 型。由牛顿第二定律知，系统的运动方称为 对上式取拉氏变换，得到系统的传递函数 ( ) F(s) ms cs k X s + + = 2 0 1 （2-1）
年月日 二、机械转动系统 机械转动系统的基本元件是转动惯量、阻尼器和弹簧。建立机械转动系统数学模 型的基本原理仍是牛顿第二定律。 简单扭摆的工作原理如图2-2所示，图中了为摆锤的转动惯量：c为摆锤与空气 间的粘性阻尼系数：k为扭簧的弹性刚度：m(t)为加在摆锤上的扭矩：日(t)为摆 锤转角。则系统的运动方称为： 天 o(n) 图2-2扭摆工作原理图 Ji+c9+kθ=m0) (2-2) 对上式取拉氏变换，得系统的传递函数为 o(s) 1 (2-3) m⑤J52+cs+k 可以看出，式(2-3)与式(2-1)具有相同的形式。 三、基本物理量的折算 在建立机械系统数学模型的过程中，经常会遇到基本物理量的折算问题，在此结 合数控机床进给系统，介绍建模中的基本物理量的折算问题。 数控机床进给系统如图2-3所示。电动机通过两级减速齿轮2、Z2、24、Z4及丝 杠螺母机构驱动工作台做直线运动。 &
年 月 日 8 二、机械转动系统 机械转动系统的基本元件是转动惯量、阻尼器和弹簧。建立机械转动系统数学模 型的基本原理仍是牛顿第二定律。 简单扭摆的工作原理如图 2-2 所示，图中 J 为摆锤的转动惯量；c 为摆锤与空气 间的粘性阻尼系数；k 为扭簧的弹性刚度；m（t）为加在摆锤上的扭矩；（t）为摆 锤转角。则系统的运动方称为： 图 2-2 扭摆工作原理图 J + c + k = m(t) （2-2） 对上式取拉氏变换，得系统的传递函数为 ( ) m(s) Js cs k s + + = 2 1 （2-3） 可以看出，式（2-3）与式（2-1）具有相同的形式。 三、基本物理量的折算 在建立机械系统数学模型的过程中，经常会遇到基本物理量的折算问题，在此结 合数控机床进给系统，介绍建模中的基本物理量的折算问题。 数控机床进给系统如图 2-3 所示。电动机通过两级减速齿轮 z1、z2、z3、z4及丝 杠螺母机构驱动工作台做直线运动
年月日 图2-3数控机床进给系统 图2-3中，为轴1部件和电动机转子构成的转动惯量：么、乃为分别为轴I1、 III部件的转动惯量：k、、飞分别为轴I、II、III的扭转刚度系数：k为丝杠螺 母副及的轴向刚度系数：m为工作台质量：c为工作台导轨粘性阻尼系数：T、、方 分别为轴的输入转矩。 1转动惯量的折算 将轴I、II、IIⅡ上的转动惯量和工作台的质量都折算到轴I上，作为系统总转 动惯量。设T、了、T分别为轴I、I1、II1的负载转矩，、、分别为轴I、 II、III的角速度，v为工作台的运动速度。 1)轴1、I1、I1转动惯量的折算根据动力平衡原理，对于轴I有 T=J0+T (2-4) 对于轴I1有 T2=J2@+T (2-5) 由于轴1的输入转矩是从轴I上的负载转矩获得的，且与他们的转速成反比， 所以有 1=2T (2-6) 又由传动关系知 (2-7)
年 月 日 9 图 2-3 数控机床进给系统 图 2-3 中，J1为轴 I 部件和电动机转子构成的转动惯量；J2、 J3为分别为轴 II、 III 部件的转动惯量；k1、k2、k3分别为轴 I、II、III 的扭转刚度系数；k 为丝杠螺 母副及的轴向刚度系数；m 为工作台质量；c 为工作台导轨粘性阻尼系数；T1、T2、T3 分别为轴的输入转矩。 1 转动惯量的折算 将轴 I、II、III 上的转动惯量和工作台的质量都折算到轴 I 上，作为系统总转 动惯量。设 ' T1 、 ' T2、 ' T3 分别为轴 I、II、III 的负载转矩，1、2、3分别为轴 I、 II、III 的角速度，v 为工作台的运动速度。 1）轴 I、II、III 转动惯量的折算 根据动力平衡原理，对于轴 I 有 ' 1 1 1 T1 T = J + （2-4） 对于轴 II 有 ' 2 2 2 T2 T = J + （2-5） 由于轴 II 的输入转矩是从轴 I 上的负载转矩获得的，且与他们的转速成反比， 所以有 ' 1 1 2 2 T z z T = （2-6） 又由传动关系知 1 2 1 2 z z = （2-7）
年月日 将式(2-6)和(2-7)代入式(2-5)得 + (2-8) 对于轴II1有 工=J0+T (2-9) 根据力学原理和传动关系，整理得 - (2-10) 2)工作台质量的折算根据动力平衡关系：丝杠转动一周所做的功等于工作台 前进一个导程时其惯性力所做的功，对于工作台和丝杠有 T2元=mL (2-11) 式中一一丝杠导程。 根据传动关系有 (2-12) 将式(2-13)代入式(2-11)得 - (2-13) 3)折算到轴1上的总转动惯量将式(2-8)、(2-10)、(2-13)代入式(2-4) 并整理得 (2-14) 式中J?一一系统折算到轴I上的总转动惯量。 + (2-15) 其中，第二项为轴1转动惯量折算到轴I上的当量转动惯量：第三项为轴II1转动 惯量折算到轴I上的当量转动惯量：第四项为工作台质量折算到轴1上的当量转动惯 10
年 月 日 10 将式（2-6）和（2-7）代入式（2-5）得 ' 2 2 1 1 2 2 1 2 ' 1 T z z z z T J + = （2-8） 对于轴 III 有 ' 3 3 3 T3 T = J + （2-9） 根据力学原理和传动关系，整理得 ' 3 4 3 1 2 4 3 2 1 3 ' 2 T z z z z z z T J + = （2-10） 2）工作台质量的折算 根据动力平衡关系：丝杠转动一周所做的功等于工作台 前进一个导程时其惯性力所做的功，对于工作台和丝杠有 T 2 = mv L ' 3 （2-11） 式中 L——丝杠导程。 根据传动关系有 1 2 4 1 3 3 2 2 = = z z L L z z v （2-12） 将式（2-13）代入式（2-11）得 1 2 4 1 3 2 ' 3 2 m z z L z z T = （2-13） 3）折算到轴 I 上的总转动惯量 将式（2-8）、（2-10）、（2-13）代入式（2-4） 并整理得 1 2 2 2 4 1 3 2 2 4 1 3 3 2 2 1 1 1 2 2 + + = + L z z z z m z z z z J z z T J J 1 = J （2-14） 式中 J ——系统折算到轴 I 上的总转动惯量。 2 2 2 4 1 3 2 2 4 1 3 3 2 2 1 1 2 2 + + = + L z z z z m z z z z J z z J J J （2-15） 其中，第二项为轴 II 转动惯量折算到轴 I 上的当量转动惯量；第三项为轴 III 转动 惯量折算到轴 I 上的当量转动惯量；第四项为工作台质量折算到轴 I 上的当量转动惯
