机电一体化技术是一门发展中的边缘学科技术，是根据生产实际需要，在传统技术的基础上，与一些新技术相结合而发展起来的多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。其中，机械技术是机电一体化技术的基础。

随着高新技术引入机械行业，机械技术面临着挑战和变革。在机电一体化产品中，它不再是单一地完成系统间的连接，它既是系统控制的对象，也是实现系统行为的执行装置，因此机械系统的设计对于机电一体化系统的结构、重量、体积、动态性能、耐用性等诸方面均有重要影响。机械系统技术的着眼点在于如何与机电一体化的技术发展相适应，综合利用其他高新技术实现机械结构、材料、性能上的变革，满足减少重量、缩小体积、提高精度、提高刚度、改善性能的要求。

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。在机械系统设计时，除考虑一般机械设计要求外，还必须考虑机械结构因素与整个伺服系统的性能参数、电气参数的匹配，以获得良好的伺服性能。

一、机电一体化对机械系统的基本要求

机电一体化产品中的机械系统主要包括支撑、传动、执行机构等，一般由减速装置、丝杆螺母副、涡轮蜗杆副等各种线性传动部件及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向支撑部件、螺旋支撑部件、轴系及机架等机构组成。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

精度直接影响产品的质量，尤其对于机电一体化产品，其技术性能、工艺水平和功能上都比普通的机械产品有很大的提高，因此对机电―体化机械系统的精度提除了更高的要求。如果机械系统的精度不能满足要求，则无论机电―体化产品其它系统工作再精确，也无法完成其预定的机械操作。

2、快速响应

机电一体化系统中既有高速的信息处理单元，也有慢速的机械单元，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

机电一体化系统要求其机械装置在温度、振动等外界干扰的作用下依然能够正常稳定的工作。既系统抵御外界环境的影响，适应环境和抗干扰能力强。

简而言之，就是“稳、准、快”。此外，还须有较大的刚度、良好的可靠性、重量轻、体积小、寿命长等要求。

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。未达到上述要求，主要从以下几方面采取措施：

1、采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑部件。如采用滚珠丝杆副、滚珠导向支撑、动（静）压导向支撑等。

2、缩短传动链，简化主传动系统的机械结构。主传动常采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杆螺母副连接，以减少中间传动环节。

3、提高传动与支撑刚度。如采用预加紧的方法提高滚珠丝杆副和滚动导轨副的传动与支撑刚度，丝杆的支撑设计中采用二端轴向预紧或预拉伸支撑结构等。

4、选用最佳传动比，以达到2提高系统分辨率、减少到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。

5、缩小反向死区误差。在进给传动中，一方面采用无间隙且减少摩擦的滚珠丝杆副，预加载荷的双齿轮齿条副等精密机构，另一方面采取消除传动间隙、减少支撑变形等措施。

6、改进支撑及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声。如选用复合材料等来提高刚度和强度、减轻重量、缩小体积、使结构紧密化，以确保系统的小型化、轻量化、高速化和高可靠性。

二、机械系统的组成

概括地讲，机电一体化机械系统应主要包括如下三大部分机构。

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。

三、机械系统的设计思想

机电一体化的机械系统设计主要包括两个环节：静态设计和动态设计。

1、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。

有了初步设计方案后，开始着手按技术要求设计系统的各组成部件的结构、运动关系及参数；零件的材料、结构、制造精度确定；执行元件（如电机）的参数、功率及过载能力的验算；相关元、部件的选择；系统的阻尼配置等。以上称为稳态设计。稳态设计保证了系统的静态特性要求。

2、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）。系统的频率特性体现了系统对不同频率信号的反应，决定了系统的稳定性、最大工作频率和抗干扰能力。

静态设计是忽略了系统自身运动因素和干扰因素的影响状态下进行的产品设计，对于伺服精度和响应速度要求不高的机电一体化系统，静态设计就能够满足设计要求。对于精密和高速智能化机电一体化系统，环境干扰和系统自身的结构及运动因素对系统产生的影响会很大，因此必须通过调节各个环节的相关参数，改变系统的动态特性以保证系统的功能要求。动态分析与设计过程往往会改变前期的部分设计方案，有时甚至会推翻整个方案，要求重新进行静态设计。

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