机电一体化机械系统设计的分析张占军

机电一体化机械系统设计的分析张占军

张占军

（身份证号：37292919860310xxxx）

摘要：机电一体化是机械工业领域和微电子技术领域相互渗透所形成的新型的技术领域。随着我国科技的发展，特别是电子信息技术为各行业都注入新型思想，其中传统的机械工业领域就是新型电子信息注入的受益者。本文从机电一体化机械系统的概念出发，对其设计和性能的分析说明了机电一体化对我国科技发展的重要性。

关键词：机电一体化；机械系统；设计

一、机电一体化机械系统的概念

机电一体化是由通过计算机系统的协调和控制，完成能量流、机械力以及运动等动力学任务，并且通过多种机电部件的配合、联系、协调所组成的系统。机电一体化是一门独立的综合性交叉学科，是微电子技术向机械工业领域渗透的过程中形成，机电一体化的发展和产生对机械系统起到了推动促进作用，机械系统是实现机电一体化产品的基本部件，是机电一体化的重要组成部分，因此，机电一体化的机械系统研究必须进行科学并合理的设计，机电一体化是机械科学从其概念、制造、设计、装配甚至维护、销售、技术人员培训和学的变革，机械工业的升级换代的主要方向就是机电一体化。

二、机电一体化对机械系统的基本要求

机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，除要求较高的制造精度外，还应具有良好的动态响应特性，即快速响应和良好的稳定性。

1、高精度

机电一体化机械系统的高精度是首要要求，其精度直接影响产品质量，机电一体化产品必须比普通的机械产品有所提高，不论从工艺水平、技术性能上说，都要有很大的提升，即使机电一体化产品的其它系统再精确，同样无法完成预定的机械操作，其机械系统的精度同样不能满足要求。

2、快速响应

机电一体化系统的快速响应即是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短。这样系统才能精确地完成预定的任务要求，且控制系统也才能及时根据机械系统的运行情况得到信息，下达指令，使其准确地完成任务。

3、良好的稳定性

为确保机械系统的上述特性，在设计中通常提出无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率和适当的阻尼比等要求。此外机械系统还要求具有体积小、重量轻、高可靠性和寿命长等特点。

三、机电一体化机械系统的设计

机电一体化机械系统的设计和传统的机械系统的设计有很大的不同之处。传统机械系统一般是由动力元件、传动元件、执行元件3个部分加上电磁、液压和机械控制部分，而机电一体化中的机械系统应该是“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机电部件相互联系的系统。其核心是由计算机控制的，包括机、电、液、光、磁等技术的伺服系统。

由于机电一体化机械系统有别于传统的机械系统，所以在机电一体化机械系统的设计过程中要从以下两个方面加以重视。

1、机械传动设计

为了节省大量用于换向和变速的齿轮、轴类零件和轴承，减少误差环节，提高传动效率，并且使机械得到很大的简化，将机电有机结合的原则，采用可无级速和调速范围大的控制电机，机械传动方式也由传统的串并和串联的方式转变为并联的传动方式，每一个机械运动都是由单独的控制电机、执行机构和传动机构组成的子系统完成，由计算机控制和协调各个运动之间的传动关系，把动力机产生的机械能传递到执行机械上去是机械传动设计的主要任务。因此，机电一体化传动系统具有尽可能采用无间隙传递、线性传递、转协惯量小、传动链短等设计特点。

2、机械结构设计

机械结构设计应该注重精、快、小、轻四大特点。首先，精就是指精密化，要在结构设计中，对零部件材料的选择，安装的质量上都要做精密的设计，才能使最终设计的产品更具稳定性。其次，快也可以说是高速化，设计最终产品无论是使用速度上还是灵敏度上都要比传统机械行业中生产的产品要快，提高产品使用的效率。第三，小型化和轻量化设计也是电子信息渗透的产物，轻便小型不仅能强化产品的稳定性和易控性，更能挺高使用效率。

除了以上几个方面以外，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。

三、机电一体化机械系统的组成

1、传动机构

机电一体化机械系统中的传动机构不仅仅是转速和转矩的变换器，而是已成为伺服系统的一部分，它要根据伺服控制的要求进行选择设计，以满足整个机械系统良好的伺服性能。因此传动机构除了要满足传动精度的要求，而且还要满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性的要求。

2、导向机构

导向机构的作用是支承和导向，为机械系统中各运动装置能安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障，一般指导轨、轴承等。

3、执行机构

执行机构是用以完成操作任务的直接装置。执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的操作。一般要求它具有较高的灵敏度、精确度，良好的重复性和可靠性。由于计算机的强大功能，使传统的作为动力源的电动机发展为具有动力、变速与执行等多重功能的伺服电动机，从而大大地简化了传动和执行机构。

除以上三部分外，机电一体化系统的机械部分通常还包括机座、支架、壳体等。

四、一体化机电机械系统的性能分析

为了更好的保证机电一体化机械系统的伺服性能，一方面需要更好地满足机械系统的静态特征，一方面还需要充分的利用控制自动化的方法和理论进行系统体系的动态设计与分析。要进行动态设计必须建立在静态系统的数字模型上，通过控制方法分析整个系统的特性频率，通过相应参数的调整，改变整体伺服性能。

首先，建立相关数字模型。建立机械系统数字模型一般与建立电气系统数字模型基本相同，也就是通过折算的方法，把复杂的装置结构转化为简单的、等效的函数关系，一般通过线性微分方程的数学表达式进行表达。一般机械系统的模型数字分析是输入和输出之间的关系。将复杂结构的机械系统的机械参数，比如说，阻尼、弹性模量、系统惯量的进行归一处理，进而通过数学方式准确、全面的反应各个机械参数对于整体机械系统性能的影响。要想建立这种数学模型，需要先把机电系统中的各个物理量直接折算到某个元件上，将复杂、多变额多轴传动转化为单轴传动，一定要遵循转化前后总机械系统性能相等。在单轴基础上结合输入量与输出量之间的关系，建立自身的数学表达式（输入/输出），通过此表达式反应的机械特性，就能真实的反应出原系统性能。在建立数学模型过程中，需要结合不同量的要求，折算出等效值。

其次，性能参数对整个机械系统性能价值的影响。机电系统一体化要求必须精度高、工作可靠、运动平稳，这一方面是静态设计的问题，另一方面也是进行动态系统伺服设计的要求，通过对相关数据参数的调整，从而达到系统的整体性能优化。系统自身的固定频率、阻尼直接决定了传动系统的参数、性能，所以说，机械系统的参数结构又取决于固有频率与阻尼的比率。所以说，机械系统的参数直接影响到其伺服系统的性能。通常情况下，机械系统能够简化成二阶系统，可以通过单位阶跃曲线全面反映系统阻尼的影响。在设计系统中，需要对多种性能指标进行综合考虑，通常取欠阻尼系统，不仅可以保证一定范围的震荡，比较平稳、快速的震荡，同时，灵敏度还非常高。

结语

随着社会的发展进步机电一体化是我国经济技术快速发展的产物，它为我国传统机械工业注入新鲜的血液，并推动着机械行业的发展，随着机电一体进程的加快，其机电一体化的系统设计方法和理念逐浙被接受，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，更多更好的机电一体化产品的投入市场，必然会实现效益的提升并且造福人类。

参考文献

[1]马玉哲.机电一体化技术发展的现状与展望[J].黑龙江科技信息.2011(21)

[2]高艳霞.浅谈机电一体化发展前景[J].农家科技.2011(04)