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机电一体化系统由许多要素或子系统构成，各要素或子系统之间必须能顺利地进行物质、能量和信息的传递与交换。
各要素或各子系统相接处必须具备一定的联系条件，这些联系条件称为接口。
接口设计的总任务是解决功能模块间的信号匹配问题，根据划分出的功能模块，在分析研究各功能模块输入/输出关系的基础上，计算制定出各功能模块相互连接时所必须共同遵守的电气和机械的规范和参数约定，使其在具体实现时能够“直接”相连。
2.接口设计的要求
（1）微机接口。
微机接口通常由接口电路和与之配套的驱动程序组成。
能够使被传动的数据实现在电气上、时间上相互匹配的电路称为接口电路;
能够完成这种功能的程序称为接口程序。
信息转换主要包括以下方面:
数字量/模拟量的转换（D/A）;
模拟量/数字量转换（A/D）;
从数字量转换成脉冲量;
电平转换;
电量到非电量的转换;
弱电到强电的转换以及功率匹配等。
（2）机械传动接口。
要求它的连接机构紧凑、轻巧，具有较高的传动精度和定位精度，安装、维修、调整简单方便，刚度好，响应快。
1.3机电一体化技术的理论基础与关键技术
系统论、信息论、控制论是机电一体化技术的理论基础，那么微电子技术、精密机械技术等就是它的技术基础。
机电一体化技术是以机械电子系统或产品为对象，以数学方法和计算机等为工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目标，以便允分发挥人力、物力和财力，通过各种组织管理技术，使局部与整体之间协调配合，实现系统的综合最优化。
机电一体化系统是一个包括物质流、能量流和信息流的系统，而有效地利用各种信号所携带的丰富信息资源，则有赖于信号处理和信号识别技术。
1.3.2关键技术
关键技术包括精密机械技术、传感检测技术、伺服驱动技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、接口技术和系统总体技术等。
1.5.2机电一体化的发展趋势
机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉融合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。
因此，机电一体化的主要发展方向如下。
1.智能化2.模块化3.网络化4.微型化5.绿色环保化6.人性化7.集成化
单元二机电一体化机械技术
2.1概述
机械是由机械零件组成的，能够传递运动并完成某些有效工作的装置。
机械由输入部分、转换部分、传动部分、输出部分及安装固定部分等组成。
通用的传递运动的机械零件有齿轮、齿条、蜗轮、蜗杆、带、带轮、曲柄和凸轮等。
两个零件互相接触并相对运动，就形成了运动副，由若干运动副组成的具有确定运动的装置称为机构。
就传动而言，机构就是传动链，从系统动力学方面来考虑，传动链越短越好，这有利于实现系统整体最佳目标。
在必须保留一定的传动件时，在满足强度和刚度的前提下，应力求传动件“轻、薄、细、小巧”，这就要求采用特种材料和特种加工工艺。
2.1.1机械运动与机构
根据所施外力的不同，物体的运动可分为等速运动、不等速运动和间歇运动等。
等速运动可分为单方向运动和往复运动，而加速运动就是一种不等速运动，间歇运动则是指每隔一定时间自行停止的运动。
机电一体化产品的运动包括沿特定轴旋转的旋转运动、沿规定直线的直线运动以及平面运动等。
具有代表性的主要机械零件可分为紧固零件、传动零件和支撑零件。
多种机械零件的有机组合就构成了机构。
当机构中的一个零件产生运动时，机构中的其他零件将对应产生一定的运动。
连杆机构、凸轮机构、间歇机构是机械中最常用的三种机构。
2.1.2机电一体化中的机械系统及其基本要求
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，而且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.导向及支承机构
导向及支承机构的作用是对机械结构保证一个良好导向和支承性能，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。
机电一体化中的机械系统除了满足一般机械设计的要求外，还必须满足以下几种特殊要求。
1.高精度
精度是机电一体化产品的重要性能指标，对其机械系统设计主要是执行机构的位置精度，其中包括结构变形、轴系误差和传动误差，另外还要考虑温度变化的影响。
2.小惯量
传动件本身的转动惯量会影响系统的响应速度及系统的稳定性。
大惯量会使机械负载增大、系统响应速度变慢、灵敏度降低，使系统固有频率下降，容易产生谐振;
使电气驱动部分的谐振频率变低，阻尼增大。
反之，小惯量则可使控制系统的带宽做得比较宽，快速性比较好、精度比较高，同时还有利于减小用于克服惯性载荷的伺服电机的功率，提高整个系统的稳定性、动态响应和精度。
3.大刚度
机电一体化机械系统要有足够的刚度，弹性变形要限制在一定范围之内。
弹性变形不仅影响系统精度，而且影响系统结构的固有频率、控制系统的带宽和动态性能。
机电一体化机械系统设计一样有传动设计和结构设计部分，只是由于机电一体化的特征决定了在机械系统设计过程中有它自身的特点。
2.2机械传动机构
机电一体化机械系统应具有良好的伺服性能，从而要求传动机构满足以下几个方面:
转动惯量小、刚度大、阻尼合适，此外还要求摩擦小、抗振性好、间隙小，特别是其动态特性与伺服电动机等其他环节的动态特性相匹配。
2.2.1齿轮传动
在数控机床伺服进给系统中采用齿轮传动装置的目的有两个:
一是将高转速低转矩的伺服电机（如步进电机、直流或交流伺服电机等）的输出，改变为低转速大转矩的执行件的输出;
二是使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中占有较小的比重。
此外，对开环系统还可以保证所要求的精度。
提高传动精度的结构措施有以下几种。
①适当提高零部件本身的精度。
②合理设计传动链，减少零部件制造、装配误差对传动精度的影响。
首先，合理选择传动形式;
其次，合理确定级数和分配各级传动比;
最后，合理布置传动链。
③采用消隙机构，以减少或消除空程
消除齿轮传动中侧隙的措施。
1.圆柱齿轮传动
（1）偏心轴套调整法。
（2）锥度齿轮调整法。
（3）双向薄齿轮错齿调整法。
2.2.2带传动
1.普通带传动
带传动是利用张紧在带轮上的带，靠它们之间的摩擦或啮合，在两轴（或多轴）间传递运动或动力。
根据传动原理不同，带传动可分为摩擦型和啮合型两大类，常见的是摩擦带传动。
摩擦带传动根据带的截面形状分为平带、V带、多楔带和圆带等
靠摩擦工作的带传动，其优点是:
①因带是弹性体，能缓和载荷冲击，运行平稳无噪声;
②过载时将引起带在带轮上打滑，因而可防止其他零件损坏;
③制造和安装精度不像啮合传动那样严格;
④可增加带长以适应中心距较大的工作条件（可达巧m）。
其缺点是:
①带与带轮的弹性滑动使传动比不准确，效率较低，寿命较短;
②传递同样大的圆周力时，外廓尺寸和轴上的压力都比啮合传动大;
③不宜用于高温、易燃等场合。
常用的张紧装置有三种。
（1）定期张紧装置:
调节中心距使带重新张紧。
（2）自动张紧装置（3）使用张紧轮的张紧装置
2.2.4螺旋传动
根据螺旋传动的运动方式可以分为两大类:
一类是滑动摩擦式螺旋传动，它是将联结件的旋转运动转化为被执行机构的直线运动;
另一类是滚动摩擦式螺旋传动，它是将滑动摩擦转换为滚动摩擦，完成旋转运动。
1.滑动螺旋传动
它是利用螺杆与螺母的相对运动，将旋转运动变为直线运动。
滑动螺旋传动具有传动比大、驱动负载能力强和自锁等特点。
（1）滑动螺旋传动的形式及应用
①螺母固定，螺杆转动并移动。
这种传动形式的螺母本身就起着支承作用，从而简化了结构，消除了螺杆与轴承之间可能产生的轴向窜动，容易获得较高的传动精度。
缺点是所占轴向尺寸较大（螺杆行程的两倍加上螺母高度），刚性较差。
因此仅适用于行程短的情况。
②螺杆转动，螺母移动。
这种传动形式的特点是结构紧凑（所占轴向尺寸取决于螺母高度及行程大小），刚度较大。
适用于工作行程较长的情况。
③差动螺旋传动。
（2）螺旋副零件与滑板联接结构的确定。
螺旋副零件与滑板的联接结构有下列几种。
①刚性联接结构。
②弹性联接结构③活动联接结构。
（3）影响螺旋传动精度的因素及提高传动精度的措施。
螺旋传动的传动精度是指螺杆与螺母间实际相对运动保持理论值的准确程度。
影响螺旋传动精度的因素主要有以下几项。
①螺纹参数误差。
螺纹的各项参数误差中，主要影响传动精度的是螺距误差、中径误差以及牙型半角误差。
②螺杆轴向窜动误差。
③偏斜误差。
④温度误差。
由于螺杆的螺距误差是造成螺旋传动误差的最主要因素，因此采用螺距误差校正装置是提高螺旋传动精度的有效措施之一。
（4）消除螺旋传动空回的方法。
①利用单向作用力。
②利用调整螺母。
径向调整法、轴向调整法。
③利用塑料螺母消除空回。
2.滚动螺旋传动—滚珠丝杠螺母副机构
（1）滚珠丝杠副的工作原理是具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动件，以减少摩擦，当丝杠回转时，滚珠相对于螺母上的滚道滚动，因此丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。
为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能循环流动。
滚珠丝杠副的特点如下。
①传动效率高，摩擦损失小。
②给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空行程死区，定位精度高，刚度好。
③运动平稳，无爬行现象，传动精度高。
④运动具有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。
⑤磨损小，使用寿命长⑥制造工艺复杂。
滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。
⑦不能自锁。
特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需添加制动装置。
（2）滚珠螺旋传动的结构型式与类型。
按用途和制造工艺不同，滚珠螺旋传动的结构型式有多种，它们的主要区别在于螺纹滚道法向截形、滚珠循环方式、消除轴向间隙的调整预紧方法等三方面。
①螺纹滚道法向截形是指通过滚珠中心且垂直于滚道螺旋面的平面和滚道表面交线的形状。
常用的截形有单圆弧形和双圆弧形。
②滚珠循环方式。
按滚珠在整个循环过程中与螺杆表面的接触情况，滚珠的循环方式可分为内循环和外循环两类。
③滚珠丝杠副轴向间隙的调整方法。
常用的双螺母消除轴向间隙的结构型式有以下三种。
垫片调隙式，螺纹调隙式，齿差调隙式
2.3机械导向结构
机电系统的支承部件包括导向支承部件、旋转支承部件和机座机架。
导向支承部件的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。
这样的部件通常被标为导轨副，简称导轨。
导轨副主要由定导轨、动导轨、辅助导轨、间隙调整元件以及工作介质/元件等组成按运动方式可分为直线运动导轨（滑动摩擦导轨）和回转运动导轨（滚动摩擦导轨）。
按接触表面的摩擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨等。
2.3.1滑动摩擦导轨
1.常见的滑动摩擦导轨副及其特点
常见的导轨截面形状，有三角形（分对称、不对称两类）、矩形、燕尾形及圆形等四种，每种又分为凸形和凹形两类。
凸形导轨不易积存切屑等脏物，也不易储存润滑油。
宜在低速下工作，凹形导轨则相反，可用于高速，但必须有良好的防护装置，以防切屑等脏物落入导轨。
（1）三角形导轨。
分对称型和非对称型三角形导轨
特点:
在垂直载荷作用下，具有磨损量自动补偿功能，无间隙工作，导向精度高。
为防止因振动或倾翻载荷引起两导向面较长时间脱离接触，应有辅助导向面并具备间隙调整能力。
但存在导轨水平与垂直误差的相互影响，为保证高的导向精度（直线度），导轨面加工、检验、维修困难。
对称型导轨—随顶角增大，导轨承载能力增大，但导向精度降低。
非对称导轨—主要用在载荷不对称的时候，通过调整不对称角度，使导轨左右面水平分力相互抵消，提高导轨刚度。
（2）矩形导轨的特点:
结构简单，制造、检验、维修方便，导轨面宽、承载能力大，刚度高，但无磨损量自动补偿功能。
由于导轨在水平和垂直面位置互不影响，因而在水平和垂直两方向均须间隙调整装置，安装调整方便
（3）燕尾形导轨的特点:
无磨损量自动补偿功能，须间隙调整装置，燕尾起压板作用，镶条可调整水平垂直两方向的间隙，可承受颠覆载荷，结构紧凑，但刚度差，摩擦阻力大、制造、检验、维修不方便。
（4）圆形导轨的特点:
结构简单，制造、检验、配合方便，精度易于保证，但摩擦后很难调整，结构刚度较差。
2.导轨的基本要求
（1）导向精度高。
导向精度是指运动件按给定方向作直线运动的准确程度，它主要取决于导轨本身的几何精度及导轨配合间隙。
导轨的几何精度可用线值或角值表示。
①导轨在垂直平面和水平面内的直线度。
②导轨面间的平行度。
（2）运动轻便、平稳、低速时无爬行现象。
导轨运动的不平稳性主要表现在低速运动时导轨速度的不均匀，使运动件出现时快时慢、时动时停的爬行现象。
爬行现象主要取决于导轨副中摩擦力的大小及其稳定性。
为此，设计时应合理选择导轨的类型、材料、配合间隙、配合表面的几何形状精度及润滑方式。
（3）耐磨性好。
导轨的初始精度由制造保证，而导轨在使用过程中的精度保持性则与导轨面的耐磨性密切相关。
导轨的耐磨性主要取决于导轨的类型、材料，导轨表面的粗糙度及硬度、润滑状况和导轨表面压强的大小。
（4）对温度变化的不敏感性。
即导轨在温度变化的情况下仍能正常工作。
导轨对温度变化的不敏感性主要取决于导轨类型、材料及导轨配合间隙等。
（5）足够的刚度。
在载荷的作用下，导轨的变形不应超过允许值。
刚度不足不仅会降低导向精度，还会加快导轨面的磨损。
刚度主要与导轨的类型、尺寸以及导轨材料等有关。
（6）结构工艺性好。
导轨的结构应力求简单、便于制造、检验和调整，从而降低成本。
3.常见导轨副组合与间隙调整、特点
（1）圆柱面导轨。
圆柱面导轨的优点是导轨面的加工和检验比较简单，易于达到较高的精度;
缺点是对温度变化比较敏感，间隙不能调整。
（2）棱柱面导轨。
常用的棱柱面导轨有三角形导轨、矩形导轨、燕尾形导轨以及它们的组合式导轨。
①双三角形导轨。
②三角形一平面导轨③矩形导轨。
④燕尾导轨。
4.导轨间隙的调整
（1）采用磨、刮相应的结合面或加垫片的方法，以获得合适的间隙。
（2）采用平镶条调整间隙。
（3）采用斜镶条调整间隙。
斜镶条的侧面磨成斜度很小的斜面，导轨间隙是用镶条的纵向移动来调整的，为了缩短镶条长度，一般将其放在运动件上。
5.提高导轨耐磨性的措施
为使导轨在较长的使用期间内保持一定的导向精度，必须提高导轨的耐磨性。
由于磨损速度与材料性质、加工质量、表面压强、润滑及使用维护等因素直接有关，故欲想提高导轨的耐磨性，须从这些方面采取措施。
（1）合理选择导轨的材料及热处理。
（2）减小导轨面压强。
常采用卸载导轨，即在导轨截荷的相反方向给运动件施加一个机械的或液压的作用力（卸载力），抵消导轨上的部分载荷，从而达到既保持导轨面间仍为直接接触，又减小导轨工作面的压力。
一般卸载力取为运动件所受总重力的2/3左右。
①静压卸载导轨②水银卸载导轨③机械卸载导轨（3）保证导轨良好的润滑。
（4）提高导轨的精度。
2.3.2滚动摩擦导轨
滚动摩擦导轨是在运动件和承导件之间放置滚动体（滚珠、滚柱、滚动轴承等），使导轨运动时处于滚动摩擦状态。
滚动导轨的特点:
①摩擦系数小，不易出现爬行现象;
②定位精度高，当要求运动件产生精确微量的移动时，通常采用滚动导轨;
③磨损较小，寿命长，润滑简便;
④结构较为复杂，加工比较困难，成本较高;
⑤对脏物及导轨面的误差比较敏感。
1.滚珠导轨
V形滚珠导轨的优点是工艺性较好，容易达到较高的加工精度，但由于滚珠和导轨面是点接触，接触应力较大，容易压出沟槽，如沟槽的深度不均匀，将会降低导轨的精度。
为了改善这种情况，可采取如下措施。
（1）预先在v形槽与滚珠接触处研磨出一窄条圆弧面的浅槽，从而增加了滚珠与滚道的接触面积，提高了承载能力和耐磨性，但这时导轨中的摩擦力略有增加。
（2）采用双圆弧滚珠导轨。
当要求运动件的行程很大或需要简化导轨的设计和制造时，可采用滚珠循环式导轨。
2.滚柱导轨和滚动轴承导轨
为了提高滚动导轨的承载能力和刚度，可采用滚柱导轨或滚动轴承导轨。
这类导轨的结构尺寸较大，常用在比较大型的精密机械上。
（1）交叉滚柱V一平导轨。
（2）V一平滚柱导轨。
2.4机械的支承结构
2.4.1机械支承结构应满足的基本要求
支承件是支承其他零部件的基础构件，既承受其他零部件的质量和工作载荷，又起保证各零部件相对位置的基准作用。
支承件多采用铸件、焊接件或型材装配件。
其基本特点是尺寸较太、结构复杂、加工面多、几何精度和相对位置精度要求较高。
在设计时，首先应对某些关键表面及其相对位置提出相应的精度要求，以保证产品总体精度;
其次，对其刚度、热变形和抗振性提出下列基本要求。
（1）应有足够的刚度。
（2）应有足够的抗振性。
动刚度是衡量抗振性的主要指标。
提高支承件的抗振性可采取如下措施:
①提高固有振动频率，以避免产生共振。
提高固有振动频率的方法是提高静刚度与质量的比值，即在保证足够静刚度的前提下尽量减轻质量。
②增加阻尼，因为增加阻尼对提高动刚度的作用很大。
③采取隔振措施，如用减振橡胶垫脚、用空气弹簧隔板等。
（3）应有较小的热变形。
（4）稳定性好。
（5）工艺性好，成本低，符合人机工程方面的要求。
2.4.2支承件的材料
支承件的材料应根据其结构、工艺、成本、生产批量和生产周期等要求选择，常用的有如下几种。
（1）灰铸铁。
（2）钢。
（3）其他材料。
2.4.3支承件的设计原则
支承件的结构设计主要是解决刚度问题，包括静刚度和动刚度。
1.提高支承件刚度的一般措施
（1）合理选择截面形状和尺寸。
（2）合理布置隔板和加强筋
（3）提高接触刚度。
提高接触刚度可采用以下措施。
①减小表面粗糙度的数值一般应选到Ra<
1.6um
②拧紧固定螺栓，使接触表面有200N/mm的预压力，以消除表面不平整的影响，提高接触刚度;
预压力应用测力扳手来控制。
③合理选择连接部位的形状，提高局部刚度，以防止产生局部变形，造成接触不良，降低接触刚度。
2.提高阻尼的一般措施
支承件通常受到的是动载荷，因此除了提高刚度外，还要提高阻尼，才能得到良好的动态特性。
提高阻尼的方法如下。
（1）士寸砂、铸造，即保留铸造件中的砂芯。
（2）对于焊接支承件，可在支承件中灌混凝土以增加阻尼。
2.5机械执行机构
机电一体化产品的执行机构是实现其主功能的重要环节，它应能快速地完成预期的动作，并具有响应速度快、动态特性好、动静态精度高、动作灵敏度高等特点，另外为便于集中控制，它还应满足效率高、体积小、质量轻、自控性强、可靠性高等要求。
2.5.1微动机构
微动机构是一种能在一定范围内精确、微量地移动到给定位置或实现特定的进给运动的机构。
2.5.2定位机构
定位机构是机电一体化机械系统中一种确保移动件占据准确位置的执行机构，通常采用分度机构和锁紧机构组合的形式来实现精确定位的要求。
2.5.3数控机床回转刀架
数控机床自动回转刀架是在一定空间范围内，能使刀架执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作的一种机构。
2.5.4工业机器人末端执行器
工业机器人是一种自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机，用来搬运物料、工件或操作工具以及完成其他各种作业的机电一体化设备。
工业机器人末端执行器装在操作机手腕的前端，是直接实现操作功能的机构。
末端执行器因用途不同而结构各异，一般可分为三大类:
圆弧型夹持器，特种末端执行器、工具型末端执行器和万能手。
单元三机电一体化传感检测技术
3.1传感器组成与分类
传感器（sensor）是能够检测出自然界中的各种物理量（或者化学量），并转换成相应非电量或电量的装置，又称为变送器、换能器或探测器。
在机电一体化系统中，被测量主要指各种物理量。
机电一体化中涉及的重要物理量主要有:
位置（位移）、速度、加速度、角度、转速，以及温度、湿度、光量、电量、流量、磁场、AE、超声波、
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