闭式导轨:借助导轨副本身的封闭式结构， 在变化的空间位置和受力状况下， 使运动导轨和支承导轨的工作面都可能可靠接触， 从而保证运动导轨的规定运动。闭式导轨一般受温度的变化的影响较小。
支承件静刚度： 静刚度等于支承件产生的静变形与承受的静载荷之比、
开式导轨: 借助于运动件的自重和外载荷， 在一定的空间位置和受力状况下， 使运动导轨和支承导轨的工作面可靠接触， 从而保证运动导轨的规定运动。开式导轨一般受温度变化的影响较小。
直线运动导轨副： 支承导轨约束了运动导轨的五个自由度， 仅保留沿给定轴线的移动自由度。
旋转运动导轨副: 支承导轨约束了运动导轨的五个自由度， 仅保留沿给定轴线的旋转运动自由度。
轴系的热特性： 轴系的热特性主要参数是热源强度、 温升及工作部位的热位移。
其他动压支承： 是利用空气作用润滑剂的一种轴承， 通过空气的弹性起支承作用， 可避免固体面之间的直接接触， 在轴颈和轴瓦之间形成气锲
滚动导轨： 滚动导轨的配对导轨面间由滚动体隔开， 导轨不直接接触，运动时与滚动体产生滚动摩擦。
1、机电一体化：其含义是机械与电子的集成技术。定义为“在设计产品或制造系统时所考虑的精密机械工程、电子控制以及系统的最佳协同组合。”
2、系统：从广义上讲，系统可以定义为两个或者两个以上的事物组成的相互作用、相互依存，共同完成某种特定功能或形成某种事物现象的一个统一整体的总称。
3、机电一体化系统：是按照系统和机电一体化的定义，所有机电一体化产品以及这些产品的集成体。如：数控机床、传真打印机等
4、系统的数学模型：描述决定系统输入与输出之间关系的数学方程式
静态系统： 实时输出只与当时的输入有关。
动态系统：实时输出不仅与当时的输入有关，而且与过去的输入和输出有关。微分方程组 线性系统： 输入和输出满足线性叠加原理的系统。
非线性系统：输入和输出不满足线性叠加原理的系统。
定常系统：数学模型中的所有系数都是与时间无关的常量的系统。
时变系统：数学模型中含有与时间有关的系数的系统。
确定性系统：在已知输出初值和给定输入的条件下，未来输出可以按照数学模型唯一确定的系统。
随机系统：在已知输出初值和给定输入的条件下，未来输出不能确定的系统
综上所述，机电一体化的出现不是孤立的，它是许多科学技术发展的结晶，是社会生产力发展到一定阶段的必然要求和产物。当然，与机电一体化相关的技术还有很多，并且随着科学技术的发展，各种技术相互融合的趋势将越来越明显，机电一体化技术的发展前景也将越来越光明。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。
机电一体化产品的特点 1、体积小，重量轻 2、速度快，精度高3、可靠性高4、柔性好
服驱动系统（Servo System）简称伺服系统，是一种反馈控制系统，是一种以机械位置或角
度作为控制对象的自动控制系统，例如数控车床等。
数控机床是数字控制机床（Computer numerical control）的简称，通过数字控制系统控制加工过程的机床。数字控制系统是一种利用预先决定的指令控制一系列加工作业的系统。 数控机床一般由下列几个部分组成：
●主机，他是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。
●数控装置，是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。
●驱动装置，他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。
●辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。
●编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。
工业机器人（英语：industrial robot。简称IR）是另一类数控机器。它是可以编程多自由度的，用来通过一系列动作，搬运物料、零件、工具或者其他装置，以实现给定的任务。 自动引导车（Automatic Guided Vehicle，简记为AGV），是另一种形式的移动工业机器人。能够跟踪编程路径，在工厂内将零件从一个地方运送到另一个地方。从早期的有轨导
由于物料的多种多样，没有哪一种AGV的设计可以满足所有的要求。根据目前常见的情况，AGV小车可以六种类型：
1） 牵引车。是用途最广的一种AGV，主要用于量大和较重的货物，而且是从仓库到沿途多个地点且路径较长的情形。通常采用拖车形式。目前，有的牵引AGV可以拖动近25吨的货物。
2）单载车。与牵引车相反，单载车没有拖车，自身可以载重，通常只是将货物从一点送到另一点，路径较短。每次运载一个货架，载重较小，适于空间较小且运动受限的情形，特别是仓库与送货点之间。
3）货架车。货架车与其它的AGV都不同，因为它可以手动操作，适用于送货点到物料处理地点。由于可以手动操作，在处理物料时比较灵活。
4）叉车。叉车型的AGV，可以将货物升到高处或从高架上将货物取下，并沿导引路径行驶。
5）轻载车。是单载车的小型车。通常用于货物重量在100公斤以下的货物，适用于电子厂内将电子元器件从库区运送到生产线上。
6）装配线车。用于装配线上工件的沿途运送。最常见的是汽车装配线，用于将引擎、变速箱、车门、和其它相关的配件和总成送到装配线上合适的地点。
顺序控制系统按照规定的顺序依次完成各种操作的控制系统。顺序控制是一种按时间顺序或逻辑顺序进行控制的开环控制方式
柔性制造系统（简称ＦＭＳ），将计算机数控机床、工业机器人以及自动引导车连接起来的系统，称为柔性制造系统。是一组数控机床和其他自动化的工艺设备，由计算机信息控制系统和物料自动储运系统有机结合的整体
柔性制造系统的组成与功能
系统的组成：(1)中央管理和控制计算机 (2)物流控制装置 (3)自动化仓库 (4)无人输送台 (5)制造单元 (6)中央刀具库(7)夹具站 (8)信息传输网络 (9)随行工作台
系统的功能：1)以成组技术为核心的对零件分析编组的功能。2)以微型计算机为核心的编排作业计划的智能功能。3)以加工中心为核心,自动换刀、换工件的加工功能。4)以托盘和运输系统为核心的工件存放与运输功能。5)以各种自动检测装置为核心的自动测量、定位与保护功能
CIMS是英语Computer Integrated Manufacturing System的缩写，意思是计算机集成制造系统。通过计算机网络，将计算机辅助设计、计算机辅助规划以及计算机辅助制造，统一连接成一个大系统称为计算机集成制造系统。
CIMS大致可以分为六层：生产/制造系统，硬事务处理系统，技术设计系统，软事务处理系统，信息服务系统，决策管理系统。
CIMS分类
从生产工艺方面分，CIMS可大致分为离散型制造业、连续性制造业和混合型制造业三种；从体系结构来分，CIMS也可以分成集中性、分散性和混合型三种。
（micro-electromechanicalsystem—MEMS）机电一体化在微型化领域的发展产生了微机电系统。微机电系统基本上是指尺寸在几厘米以下乃至更小的小型装置，是一个独立的智能系统，主要由传感顺、作动器（执行器）和微能源三大部分组成
MEMS的特点是
1）微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。
2）以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。
3）批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。批量生产可大大降低生产成本。
4）集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。
5）多学科交叉：MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。
机械受控模块
机械受控模块代表系统的机械结构，通常包括机械传动、支座、支承等。所有的机电一体化系统都含有机械部分，它是机电一体化系统的基础，主要功能起着支撑系统中其它功能单元，传递运动和动力的作用，如改变速度、远距离动作、力的放大和反馈、速度和力的参数调节、同步传动和传送物料等。与纯粹的机械产品相比，机电一体化系统的技术性能得到提高、功能得到增强，这就要求机械本体在机械结构、材料、加工工艺性以及几何尺寸等方面能够与之相适应，具有高效、多功能、可靠和节能、小型、轻量、美观的特点。
机械受控模块输入由驱动模块和环境参数定义的条件一起提供。机械受控模块输出由测量模块接收，并转换为相应的电信号。
机械受控模块的设计要求：除了考虑结构的强度和刚性外，还必须考虑精度、惯性、阻尼、间隙、摩擦和美学要求，以符合静平衡、动平衡、动量最小和外形美观等设计原则。 测量模块
测量模块的功能是采集有关系统状态和行为的信息，包括各种传感器及其信号检测电路（调理电路、转换电路）。
测量模块的输入参数是机械受控模块性能的物理变量，如强度、压力、位移、速度、力（力矩）、以及变形等；测量模块的输出参数是被测量的特征值，如电压、电流、相位、频率等。
测量模块的设计要求：不失真地反映被测物理变量的时间变化曲线。包括分辨率、精度、线性范围、动态响应特性等一系列技术指标。
驱动模块
驱动模块通常是指由电动机及其驱动电路组成的技术模块。广义的驱动模块则把机械传动和内反馈回路以及功率源等包括在内所组成。其作用是提供驱动力改变系统包含速度和方向的运行状态，产生所希望的运动输出。
驱动模块的输入是由控制器的输出指令设定，指令由所要求的运动形式定义。驱动模块的输出由机械受控模块接受，实现运动状态的改变。
驱动模块的设计要求：在参数选择时必须考虑运动形式（直线运动、旋转运动、往复运动等）、运动变量（预定速度、最大加速度等）、额定力矩、电源功率、效率等。
通信模块
通信模块的功能是传递信息，实现内部、外部，近程和远程通信。实现的方法分有线和无线两种。
系统各模块间 总线
远距离传输 光缆或无线通信
车间防干扰 红外线通信
制造系统中 局域网通信
现代网络制造系统 互联网和解调器通信
微计算机模块
微计算机模块在系统中负责处理由测量模块和接口模块提供的信息。
微计算机模块的输入参数包括被测量的反馈量和与系统运行有关的设定参数，如行程和工作速度等；微计算机模块的输出一部分决定驱动模块的工作状态，另一部分是提供给接口的信息，反映系统当前的工作状态。
对微计算机模块的设计要求取决于原始的系统功能，例如，控制机器人手臂、监控机器性能等。
软件模块
软件模块包括系统的操作指令和预定义的各种算法，它负责控制微计算机模块的工作。软件模块的特性和形式与所选用的微计算机模块密切相关。软件的质量对机电一体化系统的柔性和智能化有着巨大的影响。
软件编程有汇编语言和高级语言，或者两种语言混合编程。
输入/输出接口子程序-- -汇编语言-- ---运行速度快
系统软件--- ---高级语言--- --开发周期短
七、接口模块
接口模块在系统内主要用于各级之间的信息传递。
最高级-- ---人机接口-- ----用户信息
设备级- ---输入/输出接口-- ---传感器信息
输入/输出接口的形式与所传递的信息特性有关，如模拟量用ADC和DAC，逻辑电平用并行I/O口，计数量用可编程计数器等。
上述通信模块、微计算机模块、软件模块和接口模块总合为控制模块。控制模块的功能是处理测量模块提供的信息，生成控制指令，输出给驱动模块的执行部件电动机。
机电一体化系统是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进行物质、能量和信息的传递与交换，因此，在相互联接要素的交界面上必须具备一定的联系条件，这些
联系条件就称为“接口”
广义的接口功能有两种，一种是输入/输出功能，另一种是变换调整功能。
1.按接口的输入/输出功能分
（1）机械接口：对机械的输入/输出部分进行几何上（形状、尺寸、配合、精度等）的匹配，如管接头，法兰盘，联轴节，减速器等。
（2）电气接口（物理接口）：对电气物理参数（电压，电流，阻抗等）进行匹配，如变压器等。
（3）信息接口（软件接口）：对软件的I/O进行语言、格式、标准、符号等的规定。如GB，ISO，ASCII，TCP/IP，各种程序语言等。
（4）环境接口：对周围的环境条件（温度，湿度，电磁场，振动，水份，粉尘等）的保护作用和隔绝作用，如防尘过滤器，防水连接器，防爆开关等。
2.按输入/输出的变换与调整功能分
（1） 零接口：不进行任何参数变换和调整，输出即输入的接口。如机械接口中的管接头，法兰盘，联轴节等，但减速器不属于此类。
（2）无源接口：仅对无源要素的参数进行变换和调整，一般不改变参数的性质，如齿轮减速器，变压器，可变电阻器以及光学透镜等。
（3）有源接口：含有有源要素，能与变换或调整的参数主动匹配，可以改变参数的性质，如电磁离合器，光电耦合器，A/D，D/A转换器等。
（4）智能接口：含有微处理器，可通过程序编制适应性地改变接口条件，如 通用I/O芯片8255，Z80-PIO，RS232串行接口，STD总线等。
对任何一个机电一体化系统，设计依据和评价标准大体应包括以下几个方面。
一、系统功能
任何系统都是供给最终用户使用的，首先要明确产品的用途和功能。任何系统的功能要求，都应从市场需求出发，尊重最终用户的意见，在作出抉择，不可片面地追求功能的多寡。
二、性能指标
性能指标是系统功能的定量度量。性能指标有分别率、灵敏度、精度、可靠性、线性度、速度和位移范围，以及承载能力、功耗、体积、重量等。当系统的功能决定后，每一项功能都应该满足一定的性能指标，只有这样，该项功能才有实用价值。制定性能指标时，必须有科学的依据，不可轻率从事。否则便会造成巨大的浪费。性能指标低了，使设计的系统无法 实用；而性能指标高了，将加大实现的难度和成本，而且可靠性可能降低。
三、使用条件
任何系统都是在一定条件下运行的，其中包括客观的环境条件和主观的人员素质。客观的环境条件有温度、湿度、振动、冲击、噪声、电磁干扰等；主观因素应考虑系统适合何种文化水平的人员使用。这里必须满足可操作性、可维修性、安全性及性能稳定性等一系列有关人身和设备的正常运转要求。在满足客观环境和主观因素这两方面的使用条件下，系统应具有一定的平均无故障时间和足够的使用寿命。只有这样，系统才能经久耐用，具有实用价值。
四、社会经济效益
所谓经济效益，应从两个方面考虑，一是从投资方，花费多少经费、人力及时间，可以开发出新一代的产品并投放市场，估计在市场上占有多大份额，将有多大的收益；而是从最终用户这一方，分析他们的费效比和经济承受能力。
总之，在设计机电一体化系统时，应全面考虑各项设计指标，力求做到系统的功能相对齐全，性能指标比较合理，实用性强、安全可靠性高，满足使用条件，经济效益好。并把它们作为
开发新产品的评价标准。
机电一体化系统的设计准则是：人、机、材料、成本，最终归结为在保证目的功能要求与适当寿命的前提下不断降低成本。
系统的设计思想
系统设计是将工程设计任务或机电一体化产品看作一个整体的系统来研究。从系统出发分析各组成部分之间的有机联系及系统与外界环境的关系，是方案设计中重要的理论方法。
系统的设计方法包括以下几个方面:1、并行设计--------把设计与制造结合起来。2、按系统工程的理论和方法去分析处理问题。3、多学科交叉进行设计。4、掌握有关各领域的信息资料。
5、以达到顾客满意的设计目标和评价标准为系统设计的最终目的。
八个步骤，
一、市场调研、需求分析和技术预测
在设计机电一体化系统之前，必须进行详细的市场调研。市场调研包括市场调查和市场预测。所谓市场调查就是运用科学的方法，系统地、全面地收集所设计产品市场需求和经销方面的情况和资料，分析研究产品在供需双方之间进行转移的状况和趋势，而市场预测就是在市场调查的基础上，运用科学方法和手段，根据历史资料和现状，通过定性的经验分析或定量的科学计算，对市场未来的不确定因素和条件做出预计、测算和判断，为产品的方案设计提供依据。
市场调研的对象主要为该产品潜在的用户，调研的主要内容包括市场对此类产品的需求量，该产品潜在的用户，用户对该产品的要求，即该产品有哪些功能，具有什么性能和所能承受的价格范围等；此外，目前国内外市场上销售的该类产品的情况，如技术特点、功能、性能指标、产销量及价格，在使用过程中存在的问题等都是市场调研需要调查和分析的信息。 市场调研一般采用实地走访调查、抽样调查、类比调查或专家调查法等方法。所谓走访调查就是直接与潜在的经销商和用户接触，搜集查找与所设计产品有关的经营信息和技术经济信息。类比调查就是调查了解国内外其它单位开发类似产品所经历的过程、速度和背景等情况，并分析比较其与自身环境条件的相似性和不同点，以类推这种技术和产品开发的可能性和前景。抽样调查就是通过向有限范围调查、搜集资料和数据而推测总体的预测方法，在抽样调查时要注意问题的针对性，对象的代表性和推测的局限性。专家调查法就是通过调查表向有关专家征询对设计该产品的意见。
二、概念设计
1984年德国学者Pahl和Beitz在其著作《工程设计》（Engineering Design）中，将概念设计定义为“概念设计是在确定设计任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出求解方案。”
概念设计的特性有：1、创新性，2、工艺可实现性，3、多样性，4、层次性，5、避免不良结构性，6、反复迭代性。
在概念设计阶段，应该对于要求的每一功能作出求解方法的选择。如果可能的话，应该对于实现的每一功能至少想出几种选择。然后通过评审和组合这些概念设计，产生优先的方案。 概念设计的全过程可划分为前期的设计理念的确定和后期的原理设计及方案设计两大阶段。
设计方案是概念设计的结果的表现形式。
总之，概念设计是对新开发产品的构思、设想、设计要求的描述，也是对新产品的市场定位。这即使成功开发设计产品的一个重要环节，也是最富有创造性的工作阶段。
三、可行性分析
可行性分析是对概念设计所提出的机电一体化产品设计要求，从理论、技术和经济等各个方面来进行评估和论证，即分析这些要求在理论上是否正确，技术上是否可行，经济上是否合理。如果其中有一项通不过，原则上都应进行概念设计的修改，只有三方面都是可行的，开发设计工作才走向下一步。
要求对系统及其元部件进行建模仿真，试验各种模型并作出选择。
四、编制设计任务书
设计任务书是机电一体化产品设计的主要和重要依据，它以概念设计为基础，根据可行性分析所确定通过的内容要求，以正式文件的形式加以确定。
设计任务书需要列出书面的总体要求的技术指标，以便让与开发有关的人员清楚的了解必须满足的功能和要求。其内容主要包括：产品名称、产品用途、主要技术规格、技术性能指标，所有这些项目的具体内容和要求都将根据产品的不同而异。
总体技术指标中必须强调的内容有：空间要求和限制、重量、负载、运动形式和范围、直线和旋转运动的速率、速度及加速度、精度和分辨率、控制功能、设计寿命、每一个系统元件的输入和输出要求、内部和外部通信、功耗、接口、工作环境以及实用标准和规范等等。 一旦产生了总体的技术指标和定义的功能范围，单个系统元件的设计就可以在可靠地基础上进行，否则如果没有详细的总体技术指标，各个子系统的设计都失去了依据，将阻碍整个设计过程的进展。
五、初步设计
初步设计的任务就是根据设计任务书提出的参数和要求，提出实现这些要求的技术方案，其工作内容是：
1、按照系统功能和方便设计、制造角度出发划分模块和子模块，如控制模块、驱动模块、检测模块等。
2、提出实现每个模块功能的技术方案。初步设计时尽可能多提出一些可以实现的方案，以供分析、比较、筛选和优化设计。
3、对于提出的各个方案中所包含的主要器件和构件，如电动机、传动轴、传动件（齿轮、丝杠）及其主要参数进行预选和粗算，并确定出其中1~2个较优者作最后的比较。
六、方案设计评估与优化
一个好的产品构思，不仅能带来技术上的创新，功能上的突破，还能带来制造过程的简化，使用的方便，以及经济上的高效益。因此，机电一体化产品设计应鼓励创新，充分发挥创造能力和聪明才智来构思和创造新的方案。
产品方案构思完成后，以方案图的形式将设计方案表达出来。方案图应尽可能简洁明了，反映机电一体化系统各组成部分的相互关系，同时应便于后面的修改。
对多种构思和多种方案进行评估与优化，首先对系统进行建模并提出优化的目标函数和评价指标，即根据哪几个方面的参数来评价，是根据系统的动态稳定性、运动精度、工作可靠性、节能、节材和成本，还是其他性能指标，达到什么样的门槛值算最优？是进行单项优化还是多项优化？其次是根据建立起来的模型和评价的目标函数对每一个技术方案进行计算或仿真和进一步修改技术方案，最终才能完成方案设计和优化。
要借助计算机辅助工程经济技术。
七、详细设计和参数核算
详细设计是对经过方案设计评估确定的方案每一个细节进行详细的考虑和具体的设计。
详细设计的内容包括：确定后所有电子元器件的规格参数，安装位置和尺寸，机械零部件（含外购件和标准件）的规格尺寸参数和公差、配合及材料；对最后选定和设计的元器件或零部件的尺寸参数，如电动机的功率、传动轴和齿轮的强度、滚珠丝杠的刚度、整个系统的转动惯量及负载进行必要的核算。反复修改直至全部符合设计要求，最后画出零件图和加工装配图，包括提出零部件加工装配的技术条件和要求等。
要充分借助计算机辅助设计/辅助工程（CAD/CAE）技术，在机电一体化系统设计过程中，详细设计是最繁琐费时的过程，需要反复修改，逐步完善。
八、完成全部设计文件
设计文件主要包括：1、产品的全套图样——零件加工图、部件装配图、产品总装图、和包装图等。大设备还要包括设备吊运和使用安装图。
2、产品零件明细表、备件表和装箱单。
3、产品使用说明书、维护说明书、检验标准和检验方法说明书等。
第二章 机械受控模块
机电一体化机械系统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及机电部件相互联系的系统。
机械结构模块是机电一体化系统中的主要组成部分，它包含机械传动装置于支撑导向等部件，在机电一体化系统中具有传递运动和负载、匹配转矩和转速、隔离环境温度和振动，以及支撑和防护等特殊的功能和作用。
对于机电一体化系统来说，机械部分的设计，除了强度和刚度外，精度、摩擦、游隙、惯量、抗震性、稳定性和可靠性是必须优先考虑的一些技术指标。
静态设计
静态设计是指依据系统的功能要求，通过研究制定出机械系统的初步设计方案。该方案只是一个初步的轮廓，包括系统主要零、部件的种类，各部件之间的联接方式，系统的控制方式，所需能源方式等。
动态设计
动态设计是研究系统在频率域的特性，是借助静态设计的系统结构，通过建立系统组成各环节的数学模型和推导出系统整体的传递函数，利用自动控制理论的方法求得该系统的频率特性（幅频特性和相频特性）
转动惯量是物体转动时惯性的度量，转动惯量愈大，物件的转动状态就越不容易改变（变速）
摩擦对机电一体化伺服系统的主要影响是：降低系统的响应速度；引起系统的动态滞后和产生系统误差；在接近非线性区，即低速时产生爬行。
机电一体化伺服传动系统中的摩擦力主要产生于导轨副，其摩擦特性随材料和表面形状的不同而有很大的差别
齿轮副间隙的消除
在数控设备的进给驱动系统中，考虑到惯量、扭矩或脉冲当量的要求，有时要在电动机到丝杠之间加入齿轮传动副，而齿轮等传动副存在着间隙，齿轮副的间隙使得在传动过程中，主动轮突然改变旋转方向时，从动轮不能立即随之反转，而是有一个滞后量，造成齿轮传动的回差。这种非线性因素将会影响全闭环伺服系统的精度和系统的稳定性。因此，为了提高进给系统的传动精度，必须消除齿轮副的间隙。工程实践中常用刚性调整法和柔性调整法来消除齿轮副的间隙。
柔性调整法
柔性调整法主要通过在双齿轮中间加入弹性元件，使双齿轮分别贴紧其啮合的齿轮齿的两侧，以消除啮合间隙。这种方法在齿厚和周节有差异的情况下，仍可保持无间隙啮合，但将影响其传动平稳性，传动刚度降低。
柔性调整法，它适用于负荷不大的传动装置中。这种结构装配好后，齿侧间隙自动消除（补偿），可始终保持无间隙啮合，是一种常用的无间隙齿轮传动结构
在带螺旋槽的丝杠和螺母间装有滚珠作为中间元件的传动机构称为滚珠丝杠副
滚珠丝杠螺母副的结构与调整
各种设计制造的滚珠丝杠螺母副，尽管在结构上式样很多，但其主要区别是在螺纹滚道截面的形状，滚珠循环的方式，以及轴向间隙的调整和施加预紧力的方法等三个方面。
内循环滚珠丝杠副的径向外形尺寸小，便于安装；反向器刚性好，固定牢靠，不容易磨损；内循环是以一圈为循环，循环回路中的滚珠数目少，运行阻力小，启动容易，不易发生滚珠的堵塞，灵敏度较高。但内循环的螺母不能做成大螺距的多头螺纹传动副，否则滚珠将会发生干涉。另一个不足之处是反向器回珠槽为空间曲面呈S形，用普通设备加工困难，需要用三坐标的铣床加工，另装配调整也不方便。
外循环
滚珠在循环过程中有一部分与丝杠脱离接触的循环方式称为外循环
滚珠丝杠的预拉伸
滚珠丝杠在工作时会发热，其温度高于床身。丝杠的热膨胀将使导程加大，影响定位精度。为了补偿热膨胀，可将丝杠预拉伸。预拉伸量应略大于热膨胀量。发热后，热膨胀量抵消了部分预拉伸量，使丝杠内的拉应力下降，但长度却没有变化。需进行预拉伸的丝杠在制造时应使其目标位置（是指螺纹部分在常温下的长度）等于公称行程（是指螺纹部分的理论长度等于公称导程乘以丝杠上的螺纹圈数）减去预拉伸量。拉伸后恢复公称行程值。减去预拉伸量也称为“目标行程补偿值”。
滚珠丝杠螺母副支承方式及轴承的选择
为了提高数控机床进给系统高精度、高刚性的需要，除了应该采用高精度、高刚度的滚珠丝杠螺母副外，还必须充分重视支承的设计。应注意选用轴向刚度高，摩擦力矩小，运转精度高的轴承，同时选用合适的支承方式，并保证支承座有足够的刚度。
谐波齿轮传动的特点
与一般齿轮传动相比，谐波齿轮传动具有如下优点
（1）传动比大 单级谐波齿轮的传动比为70 ~500（50~300优先在75~250），双级谐波齿轮的传动比为3000~60000，多级和复式传动的传动比更大，可达30000以上。不仅用于减速，还可用于增速。
（2）承载能力大 谐波齿轮传动同时啮合的齿数多，可达柔轮或刚轮齿数的30% ~40％，因此能承受大的载荷。
（3）传动精度高 由于啮合齿数较多，因而误差得到均化。同时，齿侧间隙可以调整，通过调整，齿侧间隙较小，回差较小，因而传动精度高。
（4）可以向密封空间传递运动或动力 当柔轮被固定后，它既可以作为密封传动装置的壳体，又可以产生弹性变形，即完成错齿运动，从而达到传递运动或动力的目的。因此，它可以用来驱动在高真空、有原子辐射或其它有害介质的空间工作的传动机构。这一特点是现有其它传动机构所无法比拟的。
（5）传动平稳 基本上无冲击振动。这是由于齿的啮入与啮出按正弦规律变化，无突变载荷和冲击，磨损小，无噪声。
（6）传动效率较高 单级传动的效率一般在69% ~96%的范围内，寿命长。
（7）结构简单、体积小、质量小。
（8）方便地实现差速传动。
谐波齿轮传动的缺点：
（1）柔轮承受较大的交变载荷，对柔轮材料的抗疲劳强度、加工和热处理要求较高，工艺复杂；
（2）传动比下限值较高；
（3）不能做成交叉轴和相交轴的结构。
谐波齿轮传动到目前已有不少厂家专门生产，并形成系列化。用于如机器人、无线电天线伸缩器、手摇式谐波传动增速发电机、雷达、射电望远镜、卫星通信地面站天线的方位和俯仰传动机构、电子仪器、仪表、精密分度机构、小侧隙和零侧隙传动机构等。
（1）旋转精度（回转精度含轴向精度）：指装配后，在无负载、低速旋转的条件下，轴前端的径向跳动量和轴向窜动量，其大小取决于轴系各组成零件及支承部件的制造精度与装配调整精度。
（2）静刚度：单位变形量所需要静载荷大小。动刚度：动载荷下抵抗变形的能力称为动刚度，即引起单位振幅所需要的动态力。刚度反映了轴系组件抵抗静、动载荷变形的能力。
（3）抗振性（动特性）：一般指轴系抵抗冲击、振动、噪声的特性。以轴系的主振频率来表征
（4）热变形（热特性）：轴系的热特性主要参数是热源强度、温升及工作部件热位移。
滚动摩擦支撑轴系
滚动摩擦支撑轴系是采用滚动轴承支承。滚动轴承它主要由滚动体支承轴上的负荷，并与机座作相对旋转、摆动等运动，以求在较小的摩擦力矩下，达到传递功率的目的。常用的滚动轴承有两类：1）标准滚动轴承，如圆锥孔双列圆柱滚子轴承、角接触球轴承、双向推力角接触球轴承、圆锥滚子轴承等；2）新型滚动轴承，如密集滚珠轴承、变预紧力轴承、转盘轴承等。
滚动轴承的精度分B、C、D、E、G五级，B级最高，G级为普通级。
滚动轴承的选用
当滚动轴承承受纯轴向载荷时，一般选用推力轴承，当滚动轴承承受纯径向载荷时，一般选用深沟球轴承和短圆柱滚子轴承；当滚动轴承承受径向载荷的同时，还有不太大的轴向载荷时，可选用深沟球轴承、角接触球轴承、圆锥滚子轴承及调心球或调心滚子轴承；当轴向载荷较大时，可选择接触角较大的角接触球轴承及圆锥滚子轴承，或者选用向心轴承和推力轴承组合在一起，这在极高轴向负荷或特别要求有较大轴向刚性时尤为适宜。
为了消除间隙和提高旋转精度，轴承应加预紧力，使轴承在不受外载荷时，内部产生过盈。预紧力适当可以在不产生过高温升下，提高轴承的刚度、寿命和阻尼，并降低噪声。
动压轴承是在轴旋转时，油(气)被带入轴与轴承间所形成的楔形间隙中，由于间隙逐渐变窄，使压强升高，将轴浮起而形成油(气)楔，以承受载荷
磁悬浮轴承是利用磁场力将轴无机械摩擦、无润滑地悬浮在空间的一种新型轴承
导轨副
导轨副主要用来引导运动部件的走向，保证执行件的正确运动轨迹，并通过摩擦和阻尼影响执行件的运动特性，如定位精度和低速均匀性
１、导向精度高：导轨按给定方向运动的准确程度要高；导向精度的高低，主要取决于导轨的结构类型、导轨的几何精度和接触精度、导轨的配合间隙、油膜厚度和油膜刚度、导轨和基础件的刚度和热变形等
２、刚度好：导轨抵抗载荷的能力强
３、低速稳定性好：工作时轻便省力，低速时无爬行现象（其主要原因是摩擦系数随运动速度的变化和传动系统刚性不足）
４、耐磨性好及寿命长：导轨在长时间使用后，仍能保持一定导向精度的能力
５、温度变化影响小：导轨在环境温度变化的情况下仍能正常工作，既不卡死，也不影响系统的精度；
６、工艺性好：结构简单，制造容易，装拆、调整、维修及检测方便
按导轨副结构（受力情况）可以分为：
开式导轨：借助于运动件的自重和外载荷，在一定的空间位置和受力状况下，使运动导轨和支撑导轨的工作面可靠接触，从而保证运动导轨的规定运动。一般受温度变化的影响较小。 闭式导轨：借助于导轨副本身的封闭结构，在变化的空间位置和受力状况下，使运动导轨和支撑导轨的工作面都能可靠接触，从而保证运动导轨的规定运动。一般受温度变化的影响较小。
滚动直线导轨具有以下优点：
①导轨的摩擦系数小(0.003-0.005)，与滑动导轨和滚子导轨相比，摩擦力可下降约40倍。动、静摩擦系数基本相同，因而启动阻力小，不易产生爬行；随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有效的提高了数控系统的响应速度和灵敏度。
②驱动功率大大下降，只相当于普通机械的十分之一。
③可以预紧,刚度高，抗振性强；寿命长，使用耐磨材料制作，精度保持性好；润滑方便，可以采用脂润滑，一次装填，长期使用；
④适用于高速直线运动，运动速度比滑动导轨提高约10倍。
⑤精度高，运动平稳；可以实现较高的定位精度和重复定位精度。
滚动直线导轨具有以下缺点：
①导轨面与滚动体是点接触或线接触，抗振性差，接触应力大；
② 结构复杂，制造困难，成本较高；
并联机构：具有多个自由度，且驱动器分配在不同环路的闭式多环机构被称为并联机构。
并联机构是由不少于两个的一组机构并联形成的机构，各个子机构可同时接受驱动器输入，共同导致受控对象的运动状态。是多路闭环机构，可形成平面运动，也可形成空间运动，可形成纯移动、纯转动、也可形成移动和转动的混合运动。并联机构通常按自由度的数目分类，空间并联机构按照运动链的数量可以分为3轴、4轴、5轴和6轴并联机构。
在空间并联机构中，需要使用多自由度的旋转铰链，如高精度球铰和万向铰链
闭式导轨:借助导轨副本身的封闭式结构， 在变化的空间位置和受力状况下， 使运动导轨和支承导轨的工作面都可能可靠接触， 从而保证运动导轨的规定运动。闭式导轨一般受温度的变化的影响较小。
支承件静刚度： 静刚度等于支承件产生的静变形与承受的静载荷之比、
开式导轨: 借助于运动件的自重和外载荷， 在一定的空间位置和受力状况下， 使运动导轨和支承导轨的工作面可靠接触， 从而保证运动导轨的规定运动。开式导轨一般受温度变化的影响较小。
直线运动导轨副： 支承导轨约束了运动导轨的五个自由度， 仅保留沿给定轴线的移动自由度。
旋转运动导轨副: 支承导轨约束了运动导轨的五个自由度， 仅保留沿给定轴线的旋转运动自由度。
轴系的热特性： 轴系的热特性主要参数是热源强度、 温升及工作部位的热位移。
其他动压支承： 是利用空气作用润滑剂的一种轴承， 通过空气的弹性起支承作用， 可避免固体面之间的直接接触， 在轴颈和轴瓦之间形成气锲
滚动导轨： 滚动导轨的配对导轨面间由滚动体隔开， 导轨不直接接触，运动时与滚动体产生滚动摩擦。
1、机电一体化：其含义是机械与电子的集成技术。定义为“在设计产品或制造系统时所考虑的精密机械工程、电子控制以及系统的最佳协同组合。”
2、系统：从广义上讲，系统可以定义为两个或者两个以上的事物组成的相互作用、相互依存，共同完成某种特定功能或形成某种事物现象的一个统一整体的总称。
3、机电一体化系统：是按照系统和机电一体化的定义，所有机电一体化产品以及这些产品的集成体。如：数控机床、传真打印机等
4、系统的数学模型：描述决定系统输入与输出之间关系的数学方程式
静态系统： 实时输出只与当时的输入有关。
动态系统：实时输出不仅与当时的输入有关，而且与过去的输入和输出有关。微分方程组 线性系统： 输入和输出满足线性叠加原理的系统。
非线性系统：输入和输出不满足线性叠加原理的系统。
定常系统：数学模型中的所有系数都是与时间无关的常量的系统。
时变系统：数学模型中含有与时间有关的系数的系统。
确定性系统：在已知输出初值和给定输入的条件下，未来输出可以按照数学模型唯一确定的系统。
随机系统：在已知输出初值和给定输入的条件下，未来输出不能确定的系统
综上所述，机电一体化的出现不是孤立的，它是许多科学技术发展的结晶，是社会生产力发展到一定阶段的必然要求和产物。当然，与机电一体化相关的技术还有很多，并且随着科学技术的发展，各种技术相互融合的趋势将越来越明显，机电一体化技术的发展前景也将越来越光明。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。
机电一体化产品的特点 1、体积小，重量轻 2、速度快，精度高3、可靠性高4、柔性好
服驱动系统（Servo System）简称伺服系统，是一种反馈控制系统，是一种以机械位置或角
度作为控制对象的自动控制系统，例如数控车床等。
数控机床是数字控制机床（Computer numerical control）的简称，通过数字控制系统控制加工过程的机床。数字控制系统是一种利用预先决定的指令控制一系列加工作业的系统。 数控机床一般由下列几个部分组成：
●主机，他是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。
●数控装置，是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。
●驱动装置，他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。
●辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。
●编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。
工业机器人（英语：industrial robot。简称IR）是另一类数控机器。它是可以编程多自由度的，用来通过一系列动作，搬运物料、零件、工具或者其他装置，以实现给定的任务。 自动引导车（Automatic Guided Vehicle，简记为AGV），是另一种形式的移动工业机器人。能够跟踪编程路径，在工厂内将零件从一个地方运送到另一个地方。从早期的有轨导
由于物料的多种多样，没有哪一种AGV的设计可以满足所有的要求。根据目前常见的情况，AGV小车可以六种类型：
1） 牵引车。是用途最广的一种AGV，主要用于量大和较重的货物，而且是从仓库到沿途多个地点且路径较长的情形。通常采用拖车形式。目前，有的牵引AGV可以拖动近25吨的货物。
2）单载车。与牵引车相反，单载车没有拖车，自身可以载重，通常只是将货物从一点送到另一点，路径较短。每次运载一个货架，载重较小，适于空间较小且运动受限的情形，特别是仓库与送货点之间。
3）货架车。货架车与其它的AGV都不同，因为它可以手动操作，适用于送货点到物料处理地点。由于可以手动操作，在处理物料时比较灵活。
4）叉车。叉车型的AGV，可以将货物升到高处或从高架上将货物取下，并沿导引路径行驶。
5）轻载车。是单载车的小型车。通常用于货物重量在100公斤以下的货物，适用于电子厂内将电子元器件从库区运送到生产线上。
6）装配线车。用于装配线上工件的沿途运送。最常见的是汽车装配线，用于将引擎、变速箱、车门、和其它相关的配件和总成送到装配线上合适的地点。
顺序控制系统按照规定的顺序依次完成各种操作的控制系统。顺序控制是一种按时间顺序或逻辑顺序进行控制的开环控制方式
柔性制造系统（简称ＦＭＳ），将计算机数控机床、工业机器人以及自动引导车连接起来的系统，称为柔性制造系统。是一组数控机床和其他自动化的工艺设备，由计算机信息控制系统和物料自动储运系统有机结合的整体
柔性制造系统的组成与功能
系统的组成：(1)中央管理和控制计算机 (2)物流控制装置 (3)自动化仓库 (4)无人输送台 (5)制造单元 (6)中央刀具库(7)夹具站 (8)信息传输网络 (9)随行工作台
系统的功能：1)以成组技术为核心的对零件分析编组的功能。2)以微型计算机为核心的编排作业计划的智能功能。3)以加工中心为核心,自动换刀、换工件的加工功能。4)以托盘和运输系统为核心的工件存放与运输功能。5)以各种自动检测装置为核心的自动测量、定位与保护功能
CIMS是英语Computer Integrated Manufacturing System的缩写，意思是计算机集成制造系统。通过计算机网络，将计算机辅助设计、计算机辅助规划以及计算机辅助制造，统一连接成一个大系统称为计算机集成制造系统。
CIMS大致可以分为六层：生产/制造系统，硬事务处理系统，技术设计系统，软事务处理系统，信息服务系统，决策管理系统。
CIMS分类
从生产工艺方面分，CIMS可大致分为离散型制造业、连续性制造业和混合型制造业三种；从体系结构来分，CIMS也可以分成集中性、分散性和混合型三种。
（micro-electromechanicalsystem—MEMS）机电一体化在微型化领域的发展产生了微机电系统。微机电系统基本上是指尺寸在几厘米以下乃至更小的小型装置，是一个独立的智能系统，主要由传感顺、作动器（执行器）和微能源三大部分组成
MEMS的特点是
1）微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。
2）以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。
3）批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。批量生产可大大降低生产成本。
4）集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。
5）多学科交叉：MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。
机械受控模块
机械受控模块代表系统的机械结构，通常包括机械传动、支座、支承等。所有的机电一体化系统都含有机械部分，它是机电一体化系统的基础，主要功能起着支撑系统中其它功能单元，传递运动和动力的作用，如改变速度、远距离动作、力的放大和反馈、速度和力的参数调节、同步传动和传送物料等。与纯粹的机械产品相比，机电一体化系统的技术性能得到提高、功能得到增强，这就要求机械本体在机械结构、材料、加工工艺性以及几何尺寸等方面能够与之相适应，具有高效、多功能、可靠和节能、小型、轻量、美观的特点。
机械受控模块输入由驱动模块和环境参数定义的条件一起提供。机械受控模块输出由测量模块接收，并转换为相应的电信号。
机械受控模块的设计要求：除了考虑结构的强度和刚性外，还必须考虑精度、惯性、阻尼、间隙、摩擦和美学要求，以符合静平衡、动平衡、动量最小和外形美观等设计原则。 测量模块
测量模块的功能是采集有关系统状态和行为的信息，包括各种传感器及其信号检测电路（调理电路、转换电路）。
测量模块的输入参数是机械受控模块性能的物理变量，如强度、压力、位移、速度、力（力矩）、以及变形等；测量模块的输出参数是被测量的特征值，如电压、电流、相位、频率等。
测量模块的设计要求：不失真地反映被测物理变量的时间变化曲线。包括分辨率、精度、线性范围、动态响应特性等一系列技术指标。
驱动模块
驱动模块通常是指由电动机及其驱动电路组成的技术模块。广义的驱动模块则把机械传动和内反馈回路以及功率源等包括在内所组成。其作用是提供驱动力改变系统包含速度和方向的运行状态，产生所希望的运动输出。
驱动模块的输入是由控制器的输出指令设定，指令由所要求的运动形式定义。驱动模块的输出由机械受控模块接受，实现运动状态的改变。
驱动模块的设计要求：在参数选择时必须考虑运动形式（直线运动、旋转运动、往复运动等）、运动变量（预定速度、最大加速度等）、额定力矩、电源功率、效率等。
通信模块
通信模块的功能是传递信息，实现内部、外部，近程和远程通信。实现的方法分有线和无线两种。
系统各模块间 总线
远距离传输 光缆或无线通信
车间防干扰 红外线通信
制造系统中 局域网通信
现代网络制造系统 互联网和解调器通信
微计算机模块
微计算机模块在系统中负责处理由测量模块和接口模块提供的信息。
微计算机模块的输入参数包括被测量的反馈量和与系统运行有关的设定参数，如行程和工作速度等；微计算机模块的输出一部分决定驱动模块的工作状态，另一部分是提供给接口的信息，反映系统当前的工作状态。
对微计算机模块的设计要求取决于原始的系统功能，例如，控制机器人手臂、监控机器性能等。
软件模块
软件模块包括系统的操作指令和预定义的各种算法，它负责控制微计算机模块的工作。软件模块的特性和形式与所选用的微计算机模块密切相关。软件的质量对机电一体化系统的柔性和智能化有着巨大的影响。
软件编程有汇编语言和高级语言，或者两种语言混合编程。
输入/输出接口子程序-- -汇编语言-- ---运行速度快
系统软件--- ---高级语言--- --开发周期短
七、接口模块
接口模块在系统内主要用于各级之间的信息传递。
最高级-- ---人机接口-- ----用户信息
设备级- ---输入/输出接口-- ---传感器信息
输入/输出接口的形式与所传递的信息特性有关，如模拟量用ADC和DAC，逻辑电平用并行I/O口，计数量用可编程计数器等。
上述通信模块、微计算机模块、软件模块和接口模块总合为控制模块。控制模块的功能是处理测量模块提供的信息，生成控制指令，输出给驱动模块的执行部件电动机。
机电一体化系统是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进行物质、能量和信息的传递与交换，因此，在相互联接要素的交界面上必须具备一定的联系条件，这些
联系条件就称为“接口”
广义的接口功能有两种，一种是输入/输出功能，另一种是变换调整功能。
1.按接口的输入/输出功能分
（1）机械接口：对机械的输入/输出部分进行几何上（形状、尺寸、配合、精度等）的匹配，如管接头，法兰盘，联轴节，减速器等。
（2）电气接口（物理接口）：对电气物理参数（电压，电流，阻抗等）进行匹配，如变压器等。
（3）信息接口（软件接口）：对软件的I/O进行语言、格式、标准、符号等的规定。如GB，ISO，ASCII，TCP/IP，各种程序语言等。
（4）环境接口：对周围的环境条件（温度，湿度，电磁场，振动，水份，粉尘等）的保护作用和隔绝作用，如防尘过滤器，防水连接器，防爆开关等。
2.按输入/输出的变换与调整功能分
（1） 零接口：不进行任何参数变换和调整，输出即输入的接口。如机械接口中的管接头，法兰盘，联轴节等，但减速器不属于此类。
（2）无源接口：仅对无源要素的参数进行变换和调整，一般不改变参数的性质，如齿轮减速器，变压器，可变电阻器以及光学透镜等。
（3）有源接口：含有有源要素，能与变换或调整的参数主动匹配，可以改变参数的性质，如电磁离合器，光电耦合器，A/D，D/A转换器等。
（4）智能接口：含有微处理器，可通过程序编制适应性地改变接口条件，如 通用I/O芯片8255，Z80-PIO，RS232串行接口，STD总线等。
对任何一个机电一体化系统，设计依据和评价标准大体应包括以下几个方面。
一、系统功能
任何系统都是供给最终用户使用的，首先要明确产品的用途和功能。任何系统的功能要求，都应从市场需求出发，尊重最终用户的意见，在作出抉择，不可片面地追求功能的多寡。
二、性能指标
性能指标是系统功能的定量度量。性能指标有分别率、灵敏度、精度、可靠性、线性度、速度和位移范围，以及承载能力、功耗、体积、重量等。当系统的功能决定后，每一项功能都应该满足一定的性能指标，只有这样，该项功能才有实用价值。制定性能指标时，必须有科学的依据，不可轻率从事。否则便会造成巨大的浪费。性能指标低了，使设计的系统无法 实用；而性能指标高了，将加大实现的难度和成本，而且可靠性可能降低。
三、使用条件
任何系统都是在一定条件下运行的，其中包括客观的环境条件和主观的人员素质。客观的环境条件有温度、湿度、振动、冲击、噪声、电磁干扰等；主观因素应考虑系统适合何种文化水平的人员使用。这里必须满足可操作性、可维修性、安全性及性能稳定性等一系列有关人身和设备的正常运转要求。在满足客观环境和主观因素这两方面的使用条件下，系统应具有一定的平均无故障时间和足够的使用寿命。只有这样，系统才能经久耐用，具有实用价值。
四、社会经济效益
所谓经济效益，应从两个方面考虑，一是从投资方，花费多少经费、人力及时间，可以开发出新一代的产品并投放市场，估计在市场上占有多大份额，将有多大的收益；而是从最终用户这一方，分析他们的费效比和经济承受能力。
总之，在设计机电一体化系统时，应全面考虑各项设计指标，力求做到系统的功能相对齐全，性能指标比较合理，实用性强、安全可靠性高，满足使用条件，经济效益好。并把它们作为
开发新产品的评价标准。
机电一体化系统的设计准则是：人、机、材料、成本，最终归结为在保证目的功能要求与适当寿命的前提下不断降低成本。
系统的设计思想
系统设计是将工程设计任务或机电一体化产品看作一个整体的系统来研究。从系统出发分析各组成部分之间的有机联系及系统与外界环境的关系，是方案设计中重要的理论方法。
系统的设计方法包括以下几个方面:1、并行设计--------把设计与制造结合起来。2、按系统工程的理论和方法去分析处理问题。3、多学科交叉进行设计。4、掌握有关各领域的信息资料。
5、以达到顾客满意的设计目标和评价标准为系统设计的最终目的。
八个步骤，
一、市场调研、需求分析和技术预测
在设计机电一体化系统之前，必须进行详细的市场调研。市场调研包括市场调查和市场预测。所谓市场调查就是运用科学的方法，系统地、全面地收集所设计产品市场需求和经销方面的情况和资料，分析研究产品在供需双方之间进行转移的状况和趋势，而市场预测就是在市场调查的基础上，运用科学方法和手段，根据历史资料和现状，通过定性的经验分析或定量的科学计算，对市场未来的不确定因素和条件做出预计、测算和判断，为产品的方案设计提供依据。
市场调研的对象主要为该产品潜在的用户，调研的主要内容包括市场对此类产品的需求量，该产品潜在的用户，用户对该产品的要求，即该产品有哪些功能，具有什么性能和所能承受的价格范围等；此外，目前国内外市场上销售的该类产品的情况，如技术特点、功能、性能指标、产销量及价格，在使用过程中存在的问题等都是市场调研需要调查和分析的信息。 市场调研一般采用实地走访调查、抽样调查、类比调查或专家调查法等方法。所谓走访调查就是直接与潜在的经销商和用户接触，搜集查找与所设计产品有关的经营信息和技术经济信息。类比调查就是调查了解国内外其它单位开发类似产品所经历的过程、速度和背景等情况，并分析比较其与自身环境条件的相似性和不同点，以类推这种技术和产品开发的可能性和前景。抽样调查就是通过向有限范围调查、搜集资料和数据而推测总体的预测方法，在抽样调查时要注意问题的针对性，对象的代表性和推测的局限性。专家调查法就是通过调查表向有关专家征询对设计该产品的意见。
二、概念设计
1984年德国学者Pahl和Beitz在其著作《工程设计》（Engineering Design）中，将概念设计定义为“概念设计是在确定设计任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出求解方案。”
概念设计的特性有：1、创新性，2、工艺可实现性，3、多样性，4、层次性，5、避免不良结构性，6、反复迭代性。
在概念设计阶段，应该对于要求的每一功能作出求解方法的选择。如果可能的话，应该对于实现的每一功能至少想出几种选择。然后通过评审和组合这些概念设计，产生优先的方案。 概念设计的全过程可划分为前期的设计理念的确定和后期的原理设计及方案设计两大阶段。
设计方案是概念设计的结果的表现形式。
总之，概念设计是对新开发产品的构思、设想、设计要求的描述，也是对新产品的市场定位。这即使成功开发设计产品的一个重要环节，也是最富有创造性的工作阶段。
三、可行性分析
可行性分析是对概念设计所提出的机电一体化产品设计要求，从理论、技术和经济等各个方面来进行评估和论证，即分析这些要求在理论上是否正确，技术上是否可行，经济上是否合理。如果其中有一项通不过，原则上都应进行概念设计的修改，只有三方面都是可行的，开发设计工作才走向下一步。
要求对系统及其元部件进行建模仿真，试验各种模型并作出选择。
四、编制设计任务书
设计任务书是机电一体化产品设计的主要和重要依据，它以概念设计为基础，根据可行性分析所确定通过的内容要求，以正式文件的形式加以确定。
设计任务书需要列出书面的总体要求的技术指标，以便让与开发有关的人员清楚的了解必须满足的功能和要求。其内容主要包括：产品名称、产品用途、主要技术规格、技术性能指标，所有这些项目的具体内容和要求都将根据产品的不同而异。
总体技术指标中必须强调的内容有：空间要求和限制、重量、负载、运动形式和范围、直线和旋转运动的速率、速度及加速度、精度和分辨率、控制功能、设计寿命、每一个系统元件的输入和输出要求、内部和外部通信、功耗、接口、工作环境以及实用标准和规范等等。 一旦产生了总体的技术指标和定义的功能范围，单个系统元件的设计就可以在可靠地基础上进行，否则如果没有详细的总体技术指标，各个子系统的设计都失去了依据，将阻碍整个设计过程的进展。
五、初步设计
初步设计的任务就是根据设计任务书提出的参数和要求，提出实现这些要求的技术方案，其工作内容是：
1、按照系统功能和方便设计、制造角度出发划分模块和子模块，如控制模块、驱动模块、检测模块等。
2、提出实现每个模块功能的技术方案。初步设计时尽可能多提出一些可以实现的方案，以供分析、比较、筛选和优化设计。
3、对于提出的各个方案中所包含的主要器件和构件，如电动机、传动轴、传动件（齿轮、丝杠）及其主要参数进行预选和粗算，并确定出其中1~2个较优者作最后的比较。
六、方案设计评估与优化
一个好的产品构思，不仅能带来技术上的创新，功能上的突破，还能带来制造过程的简化，使用的方便，以及经济上的高效益。因此，机电一体化产品设计应鼓励创新，充分发挥创造能力和聪明才智来构思和创造新的方案。
产品方案构思完成后，以方案图的形式将设计方案表达出来。方案图应尽可能简洁明了，反映机电一体化系统各组成部分的相互关系，同时应便于后面的修改。
对多种构思和多种方案进行评估与优化，首先对系统进行建模并提出优化的目标函数和评价指标，即根据哪几个方面的参数来评价，是根据系统的动态稳定性、运动精度、工作可靠性、节能、节材和成本，还是其他性能指标，达到什么样的门槛值算最优？是进行单项优化还是多项优化？其次是根据建立起来的模型和评价的目标函数对每一个技术方案进行计算或仿真和进一步修改技术方案，最终才能完成方案设计和优化。
要借助计算机辅助工程经济技术。
七、详细设计和参数核算
详细设计是对经过方案设计评估确定的方案每一个细节进行详细的考虑和具体的设计。
详细设计的内容包括：确定后所有电子元器件的规格参数，安装位置和尺寸，机械零部件（含外购件和标准件）的规格尺寸参数和公差、配合及材料；对最后选定和设计的元器件或零部件的尺寸参数，如电动机的功率、传动轴和齿轮的强度、滚珠丝杠的刚度、整个系统的转动惯量及负载进行必要的核算。反复修改直至全部符合设计要求，最后画出零件图和加工装配图，包括提出零部件加工装配的技术条件和要求等。
要充分借助计算机辅助设计/辅助工程（CAD/CAE）技术，在机电一体化系统设计过程中，详细设计是最繁琐费时的过程，需要反复修改，逐步完善。
八、完成全部设计文件
设计文件主要包括：1、产品的全套图样——零件加工图、部件装配图、产品总装图、和包装图等。大设备还要包括设备吊运和使用安装图。
2、产品零件明细表、备件表和装箱单。
3、产品使用说明书、维护说明书、检验标准和检验方法说明书等。
第二章 机械受控模块
机电一体化机械系统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及机电部件相互联系的系统。
机械结构模块是机电一体化系统中的主要组成部分，它包含机械传动装置于支撑导向等部件，在机电一体化系统中具有传递运动和负载、匹配转矩和转速、隔离环境温度和振动，以及支撑和防护等特殊的功能和作用。
对于机电一体化系统来说，机械部分的设计，除了强度和刚度外，精度、摩擦、游隙、惯量、抗震性、稳定性和可靠性是必须优先考虑的一些技术指标。
静态设计
静态设计是指依据系统的功能要求，通过研究制定出机械系统的初步设计方案。该方案只是一个初步的轮廓，包括系统主要零、部件的种类，各部件之间的联接方式，系统的控制方式，所需能源方式等。
动态设计
动态设计是研究系统在频率域的特性，是借助静态设计的系统结构，通过建立系统组成各环节的数学模型和推导出系统整体的传递函数，利用自动控制理论的方法求得该系统的频率特性（幅频特性和相频特性）
转动惯量是物体转动时惯性的度量，转动惯量愈大，物件的转动状态就越不容易改变（变速）
摩擦对机电一体化伺服系统的主要影响是：降低系统的响应速度；引起系统的动态滞后和产生系统误差；在接近非线性区，即低速时产生爬行。
机电一体化伺服传动系统中的摩擦力主要产生于导轨副，其摩擦特性随材料和表面形状的不同而有很大的差别
齿轮副间隙的消除
在数控设备的进给驱动系统中，考虑到惯量、扭矩或脉冲当量的要求，有时要在电动机到丝杠之间加入齿轮传动副，而齿轮等传动副存在着间隙，齿轮副的间隙使得在传动过程中，主动轮突然改变旋转方向时，从动轮不能立即随之反转，而是有一个滞后量，造成齿轮传动的回差。这种非线性因素将会影响全闭环伺服系统的精度和系统的稳定性。因此，为了提高进给系统的传动精度，必须消除齿轮副的间隙。工程实践中常用刚性调整法和柔性调整法来消除齿轮副的间隙。
柔性调整法
柔性调整法主要通过在双齿轮中间加入弹性元件，使双齿轮分别贴紧其啮合的齿轮齿的两侧，以消除啮合间隙。这种方法在齿厚和周节有差异的情况下，仍可保持无间隙啮合，但将影响其传动平稳性，传动刚度降低。
柔性调整法，它适用于负荷不大的传动装置中。这种结构装配好后，齿侧间隙自动消除（补偿），可始终保持无间隙啮合，是一种常用的无间隙齿轮传动结构
在带螺旋槽的丝杠和螺母间装有滚珠作为中间元件的传动机构称为滚珠丝杠副
滚珠丝杠螺母副的结构与调整
各种设计制造的滚珠丝杠螺母副，尽管在结构上式样很多，但其主要区别是在螺纹滚道截面的形状，滚珠循环的方式，以及轴向间隙的调整和施加预紧力的方法等三个方面。
内循环滚珠丝杠副的径向外形尺寸小，便于安装；反向器刚性好，固定牢靠，不容易磨损；内循环是以一圈为循环，循环回路中的滚珠数目少，运行阻力小，启动容易，不易发生滚珠的堵塞，灵敏度较高。但内循环的螺母不能做成大螺距的多头螺纹传动副，否则滚珠将会发生干涉。另一个不足之处是反向器回珠槽为空间曲面呈S形，用普通设备加工困难，需要用三坐标的铣床加工，另装配调整也不方便。
外循环
滚珠在循环过程中有一部分与丝杠脱离接触的循环方式称为外循环
滚珠丝杠的预拉伸
滚珠丝杠在工作时会发热，其温度高于床身。丝杠的热膨胀将使导程加大，影响定位精度。为了补偿热膨胀，可将丝杠预拉伸。预拉伸量应略大于热膨胀量。发热后，热膨胀量抵消了部分预拉伸量，使丝杠内的拉应力下降，但长度却没有变化。需进行预拉伸的丝杠在制造时应使其目标位置（是指螺纹部分在常温下的长度）等于公称行程（是指螺纹部分的理论长度等于公称导程乘以丝杠上的螺纹圈数）减去预拉伸量。拉伸后恢复公称行程值。减去预拉伸量也称为“目标行程补偿值”。
滚珠丝杠螺母副支承方式及轴承的选择
为了提高数控机床进给系统高精度、高刚性的需要，除了应该采用高精度、高刚度的滚珠丝杠螺母副外，还必须充分重视支承的设计。应注意选用轴向刚度高，摩擦力矩小，运转精度高的轴承，同时选用合适的支承方式，并保证支承座有足够的刚度。
谐波齿轮传动的特点
与一般齿轮传动相比，谐波齿轮传动具有如下优点
（1）传动比大 单级谐波齿轮的传动比为70 ~500（50~300优先在75~250），双级谐波齿轮的传动比为3000~60000，多级和复式传动的传动比更大，可达30000以上。不仅用于减速，还可用于增速。
（2）承载能力大 谐波齿轮传动同时啮合的齿数多，可达柔轮或刚轮齿数的30% ~40％，因此能承受大的载荷。
（3）传动精度高 由于啮合齿数较多，因而误差得到均化。同时，齿侧间隙可以调整，通过调整，齿侧间隙较小，回差较小，因而传动精度高。
（4）可以向密封空间传递运动或动力 当柔轮被固定后，它既可以作为密封传动装置的壳体，又可以产生弹性变形，即完成错齿运动，从而达到传递运动或动力的目的。因此，它可以用来驱动在高真空、有原子辐射或其它有害介质的空间工作的传动机构。这一特点是现有其它传动机构所无法比拟的。
（5）传动平稳 基本上无冲击振动。这是由于齿的啮入与啮出按正弦规律变化，无突变载荷和冲击，磨损小，无噪声。
（6）传动效率较高 单级传动的效率一般在69% ~96%的范围内，寿命长。
（7）结构简单、体积小、质量小。
（8）方便地实现差速传动。
谐波齿轮传动的缺点：
（1）柔轮承受较大的交变载荷，对柔轮材料的抗疲劳强度、加工和热处理要求较高，工艺复杂；
（2）传动比下限值较高；
（3）不能做成交叉轴和相交轴的结构。
谐波齿轮传动到目前已有不少厂家专门生产，并形成系列化。用于如机器人、无线电天线伸缩器、手摇式谐波传动增速发电机、雷达、射电望远镜、卫星通信地面站天线的方位和俯仰传动机构、电子仪器、仪表、精密分度机构、小侧隙和零侧隙传动机构等。
（1）旋转精度（回转精度含轴向精度）：指装配后，在无负载、低速旋转的条件下，轴前端的径向跳动量和轴向窜动量，其大小取决于轴系各组成零件及支承部件的制造精度与装配调整精度。
（2）静刚度：单位变形量所需要静载荷大小。动刚度：动载荷下抵抗变形的能力称为动刚度，即引起单位振幅所需要的动态力。刚度反映了轴系组件抵抗静、动载荷变形的能力。
（3）抗振性（动特性）：一般指轴系抵抗冲击、振动、噪声的特性。以轴系的主振频率来表征
（4）热变形（热特性）：轴系的热特性主要参数是热源强度、温升及工作部件热位移。
滚动摩擦支撑轴系
滚动摩擦支撑轴系是采用滚动轴承支承。滚动轴承它主要由滚动体支承轴上的负荷，并与机座作相对旋转、摆动等运动，以求在较小的摩擦力矩下，达到传递功率的目的。常用的滚动轴承有两类：1）标准滚动轴承，如圆锥孔双列圆柱滚子轴承、角接触球轴承、双向推力角接触球轴承、圆锥滚子轴承等；2）新型滚动轴承，如密集滚珠轴承、变预紧力轴承、转盘轴承等。
滚动轴承的精度分B、C、D、E、G五级，B级最高，G级为普通级。
滚动轴承的选用
当滚动轴承承受纯轴向载荷时，一般选用推力轴承，当滚动轴承承受纯径向载荷时，一般选用深沟球轴承和短圆柱滚子轴承；当滚动轴承承受径向载荷的同时，还有不太大的轴向载荷时，可选用深沟球轴承、角接触球轴承、圆锥滚子轴承及调心球或调心滚子轴承；当轴向载荷较大时，可选择接触角较大的角接触球轴承及圆锥滚子轴承，或者选用向心轴承和推力轴承组合在一起，这在极高轴向负荷或特别要求有较大轴向刚性时尤为适宜。
为了消除间隙和提高旋转精度，轴承应加预紧力，使轴承在不受外载荷时，内部产生过盈。预紧力适当可以在不产生过高温升下，提高轴承的刚度、寿命和阻尼，并降低噪声。
动压轴承是在轴旋转时，油(气)被带入轴与轴承间所形成的楔形间隙中，由于间隙逐渐变窄，使压强升高，将轴浮起而形成油(气)楔，以承受载荷
磁悬浮轴承是利用磁场力将轴无机械摩擦、无润滑地悬浮在空间的一种新型轴承
导轨副
导轨副主要用来引导运动部件的走向，保证执行件的正确运动轨迹，并通过摩擦和阻尼影响执行件的运动特性，如定位精度和低速均匀性
１、导向精度高：导轨按给定方向运动的准确程度要高；导向精度的高低，主要取决于导轨的结构类型、导轨的几何精度和接触精度、导轨的配合间隙、油膜厚度和油膜刚度、导轨和基础件的刚度和热变形等
２、刚度好：导轨抵抗载荷的能力强
３、低速稳定性好：工作时轻便省力，低速时无爬行现象（其主要原因是摩擦系数随运动速度的变化和传动系统刚性不足）
４、耐磨性好及寿命长：导轨在长时间使用后，仍能保持一定导向精度的能力
５、温度变化影响小：导轨在环境温度变化的情况下仍能正常工作，既不卡死，也不影响系统的精度；
６、工艺性好：结构简单，制造容易，装拆、调整、维修及检测方便
按导轨副结构（受力情况）可以分为：
开式导轨：借助于运动件的自重和外载荷，在一定的空间位置和受力状况下，使运动导轨和支撑导轨的工作面可靠接触，从而保证运动导轨的规定运动。一般受温度变化的影响较小。 闭式导轨：借助于导轨副本身的封闭结构，在变化的空间位置和受力状况下，使运动导轨和支撑导轨的工作面都能可靠接触，从而保证运动导轨的规定运动。一般受温度变化的影响较小。
滚动直线导轨具有以下优点：
①导轨的摩擦系数小(0.003-0.005)，与滑动导轨和滚子导轨相比，摩擦力可下降约40倍。动、静摩擦系数基本相同，因而启动阻力小，不易产生爬行；随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有效的提高了数控系统的响应速度和灵敏度。
②驱动功率大大下降，只相当于普通机械的十分之一。
③可以预紧,刚度高，抗振性强；寿命长，使用耐磨材料制作，精度保持性好；润滑方便，可以采用脂润滑，一次装填，长期使用；
④适用于高速直线运动，运动速度比滑动导轨提高约10倍。
⑤精度高，运动平稳；可以实现较高的定位精度和重复定位精度。
滚动直线导轨具有以下缺点：
①导轨面与滚动体是点接触或线接触，抗振性差，接触应力大；
② 结构复杂，制造困难，成本较高；
并联机构：具有多个自由度，且驱动器分配在不同环路的闭式多环机构被称为并联机构。
并联机构是由不少于两个的一组机构并联形成的机构，各个子机构可同时接受驱动器输入，共同导致受控对象的运动状态。是多路闭环机构，可形成平面运动，也可形成空间运动，可形成纯移动、纯转动、也可形成移动和转动的混合运动。并联机构通常按自由度的数目分类，空间并联机构按照运动链的数量可以分为3轴、4轴、5轴和6轴并联机构。
在空间并联机构中，需要使用多自由度的旋转铰链，如高精度球铰和万向铰链