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机电一体化系统设计报告
院系：机电学院
专业：机械电子1202 班
指导教师：史丽晨
小组成员：蒋友列120740216
景军军120740217
琪120740219
卢科峰120740220
目录
§1.机电一体化系统概述
§2.机电一体化的系统构成
一、动力能源单元
二、传感与检测单元
三、机械本体
四、执行与驱动单元
五、控制与信息处理单元
任务分配
蒋友列——汇总、传感与检测单元
景军军——执行与驱动单元、控制与信息处理单元琪——动力能源单元
卢科峰——机械本体
机电一体化系统设计报告
——家用全自动洗衣机的系统设计分析
§1.机电一体化系统概述
“机电一体化”的英文名词是mechatronics“ ”，20 世纪 70 年代初起源于日本，由机械学（ mechanics）和电子学（ electronics ）两个次组合而成，表示机械学与电子学两种学科的综合。
机电一体化含有产品与技术两个方面的容。机电一体化技术是指其技术原
理，即机电一体化系统（产品）得以实现、使用和发展的技术。其次是机电一体
化产品，该产品主要是机械系统与电子系统用相关软件有机结合而构成的新的系统，且赋予其新的功能和性能的新一代产品。
机电一体化系统（或产品）的形式多种多样，功能也各不相同。一个较完善
的机电一体化系统，包括以下几个基本要素：机械本体、动力能源、传感与检测、执行与驱动、控制与信息处理等，各要素之间通过接口相联系，也可以说这些基本要素构成了机电一体化系统的多个子系统。这些基本要素的功能实例如下图：
机电一体化的关键技术有：机械技术、计算机信息处理技术、传感检测技术、自动控制技术、伺服驱动技术、系统总成技术。机电一体化技术与相关学科、技术、行业的结合关系图如下：
§2.机电一体化的系统构成
一．动力能源单元
（一）机电一体化系统中的动力源概述
机械运动是将其他形式的能量转换成机械能，动力能源单元的功能是按照机电一体化系统的控制要求，为系统提供能量和动力，克服各种载荷去驱动执行机
构，完成信息处理使系统正常运行，能源包括电能、气能以及液能等。例如，数
控机床的动力主要来自于电能。机电一体化产品的动力部分，就像人体的脏产生
能量来维持人的生命、思维和运动一样。机电一体化系统的显著特征之一，是用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出，不但要求驱动效率高、反应速度快，而且要求对环境适应性强、可靠性高、方便维修和回收等。
（二）全自动洗衣机的动力源
常用全自动洗衣机（如：小天鹅、海尔、西门子等），额定参数为：额定电
压-- 交流 220V；额定频率 --50HZ ；额定功率 --300W ；洗衣重量 --5-7kg 。
二．传感与检测单元：
（一）机电一体化系统中的传感器概述
机电一体化系统中，传感器与检测单元的功能是对系统运行过程中所需要的本
身和外界环境的各种参数及状态进行检测，并转换成可识别信号，传输到控制信息处理单元，经过分析、处理产生相应的控制信息。测试传感部分的功能一般由专门的传感器和仪表来完成，再通过相应的信号检测装置将其反馈给信息处理与控制单元。检测传感装置相当于人体的感受器官，将外界信息传输给大脑，因此，传感器的精度决定了系统精度的上限，传感器的技术水平制约着整个机电一体化技术的发展。
（二）传感器的性能指标
1.静态特性：是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互
关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数
有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。
2.动态特性：是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感
器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准
输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意
输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响
应和频率响应来表示。
3.线性度：通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际
工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特
性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。拟合直线的
选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线
称为最小二乘法拟合直线。
4.迟滞特性：表征传感器在正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程间输
出- 输入特性曲线不一致的程度，通常用这两条曲线之间的最大差值△ MAX 与满量程输出 F·S的百分比表示。迟滞可由传感器部元件存在能量的吸收造成。
5.灵敏度：是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y 对输入量变化△ x 的比
值。它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，
则灵敏度S 是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。灵敏度的量纲是
输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm 时，输出电
压变化为 200mV ，则其灵敏度应表示为200mV/mm 。当传感器的输出、输入量
的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度，可得到较高的测量精度。
但灵敏度愈高，测量围愈窄，稳定性也往往愈差。
6.分辨力：是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果
输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的
变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。
（三）全自动洗衣机中的传感器
1.水位传感器
水位检测的精度直接影响洗净度、水流强度、洗涤时间等参数。对于模糊控制的洗衣机 ,要求水位的检测必须是连续的,故常采用谐振式水位传感器。谐振式
水位传感器是利用电磁谐振电路LC作为传感器的敏感元件,将被测物体的变化转
变为 LC 参数的变化 ,最终以频率参数输出。其工作原理是 :将水位的高低通过导管
转换成一个测试腔气体变化的压力,驱动腔上方的一块隔膜移动,带动隔膜中心的
磁芯在某线圈移动 ,从而线圈电感发生变化。由此引起谐振电路的固有频率随水
位变化。水位测量电路如下图所示,为便于与单片机接口 ,水位传感器采用数字振
荡电路 ,电感与电容组成的三点式振荡电路经C2 耦合接入数字式谐振放大器A1, 随着水位变化 ,谐振频率作相应变化 ,放大器在 a 点输出 ,经 A2 整形 ,由 c 点输出 ,此
时即可
将数字量接到单片机 .水位传感器的测量电路如下图：
2.光传感器
光传感器即洗净程度传感器。人工洗衣时可以随时用眼睛检查衣物是否洗净, 但在洗涤桶的衣物不断地进行翻滚运行, 无法直接检测衣物的洗净程度。全自动
洗衣机通过采用光传感器检测洗涤液的透光率, 从而间接检测了洗净程度二在
洗衣机排水管两侧分别安装红外发光管和光电接收管。洗涤前、排水管中充满清水, 光电接收管受光导通 ,以此时光敏三极管输出电压为设定值。洗涤开始后 , 衣
物的污垢不断地扩散到洗涤液中 ,洗涤液逐渐变浑浊 ,致使透光率降低 ,相应地光敏三极管的输出电压也随之下降。经过一段时间后 , 该输出电压趋于稳定值 , 洗
涤过程结束，然后进人漂流阶段。光传感器的检测头由发光二极管和光敏三极管
组成，分别安装在排水阀之前的排水口左右对称两侧。为了防止天然水中的淡黄
色和淡绿色以及自然背景光对检测结果的干扰，用国产砷化镓红外发光二极管，其
光谱如下图，接收端用硅光电三极管，其光谱如下图，因为在同样的发光二极
管驱动电流作用下，光敏三极管所能接收到的光信号与检测头之间的介质有关。
为了克服发光二极管、光电三极管的老化和不一致以及长期运行之后在检测窗口所存污垢的不利影响，因此用下图所示的接口电路。
光传感器的工作原理为发光二极管发出的光透过洗涤液照射到光敏三极管
的基极，使光敏三极管基极电流、集电极电流发生变化、再将电流变化转换成电
压变化。在将电压的变化传到PLC中从而实现洗涤时间、漂洗时间和脱水时间
的长短并自动选择漂洗次数以及自动判断排水是否结束等。
3.布量传感器
布量传感器其原理如下：在波轮空转时，电机要有一定的电流强度。在洗涤桶放人适量的水后，再开动电动机，这时桶的波轮要推动水流翻滚，由于水对波轮的阻力，电动机中的电流会有所增加，但水的阻力是相对均匀的，使电机的电流也是稳定增加的。如果这时我们再加入衣物后，电流的增加就不再是稳定的了。
其原因很简单，因为衣物在水中的位置是浮动的，所以波轮对它的推动力是变化的，这样也就导致了电动机所需的动力是变化的，最终使电动机电流值的增加也有一定的波动围。如果所洗的衣物吸水性越强，则水中运动需要的力量就越大，
电动机电流的变化围也就越宽，反之，洗衣物的吸水性弱，则电流的变化围就变窄。所以通过测定电动机电流和波动的大小，即可判断出洗衣物的种类及重量。
按照这些对应关系，编好程序，程控器即可自动确定洗涤时的水流强弱和确定洗
涤时间的长短。
4.其他传感器
(1).水温传感器：可以根据环境温度和
水温，自动决定洗涤时间。
(2).混浊度传感器：该传感器主要通过
检测被洗衣物的赃污程度、赃污性质
来决定洗涤时间、漂洗次数等参数。
三．机械本体
机电一体化产品中一定有运动机
械，机械本体主要包括机械传动机构
和机械结构装置。其主要功能是使各
子系统、零部件按照一定的空间和时
间关系安置在一定位置上，实现在一定的载荷条件下的微小运动和复杂运动，它是机电一体化的基础，起着支撑系统中其他功能单元、传递运动和动力的作用。
机械本体就像人的身躯骨架，是运动机械实现柔性化和智能化的直观体现。
在全自动洗衣机的设计里面，机械本体主要包括机械支撑系统、洗涤脱水系统、进水排水系统和传动结构。
机械支撑系统 :全自动洗衣机采用一种弹性支撑结构，如左图所示；
洗涤脱水系统：它主要有盛水桶，洗涤桶和波轮组成。盛水桶又称为外桶，主要
用来盛放洗涤液。盛水桶固定在钢制底板上，通过 4 根吊杆悬挂在洗衣机箱体上。电动机，离合器，排水阀等部件都装在桶底下面。洗涤桶又称为脱水桶或者离心桶，也称为桶，它的主要功能是用来盛放衣物，在洗涤或漂洗时配合波轮完成洗
涤或漂洗功能，在脱水时便成为离心式的脱水桶。波轮是全自动洗衣机中对衣物
产生机械作用的主要部件。按波轮的形状来分，基本上有小波轮（直径在 160mm
左右）的涡卷式水流和大波轮（直径在300mm 左右）新水流两类。
排水进水系统：波轮式全自动洗衣机的进排水系统都采用了电磁阀控制。为了对桶的水位进行检测和控制，洗衣机上都安装有水位控制器（水位开关）。波轮式全自动套桶洗衣机使用最多的水位开关是空气压力式开关，主要有气压传感器装置，控制装置及电触点开关 3 部分组成，用来监视水位的高低。此外电磁阀分进水和排水电磁阀，进水电磁阀是洗衣机上的自动进水开关，它受水位开关动断触点的控制。而排水电磁阀是全自动洗衣机上的自动排水装置，同时还起改变离合器工作状态。进水、排水电磁阀是采用电流流过线圈形成磁场的原理，洗衣机电磁阀在进，排水时使用，220V 交流电压与电磁阀线圈接通，形成磁场，电
磁线圈吸合。自动打开香蕉阀门，洗衣机里的水就顺着管道流出去了。断电后，
电磁阀线圈失去电流，磁场消失，电磁铁松开，橡胶阀门自动关闭，洗衣机里的
水就流不出去了。
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传动结构：传动结构中，波轮轴总成是关键部分。
四．执行与驱动单元
执行与驱动单元包括执行元件及其驱动电路，其功能是根据控制信息和指令完成所要求的动作，将各种形式的能量转换为机械能，带动机械机构完成规定的机械运动。驱动方式按动力源的不同可分为：液压、气压、电动三种，例如数控
机床的主轴电机、进给电机及其实现功率放大的驱动电路模块等。执行元件在机械一体化系统或产品中，作用相当于人体中的四肢，可在大脑的控制下完成各种动作。机电一体化系统一方面要求执行与驱动单元具有高效率和快速响应等特
性，同时有要求其对水、油、温度、尘埃等外部环境的适应性和可靠性。由于电
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子电力技术的高速发展，高性能步进电机、直流和交流伺服驱动电机将大量应用于机电一体化系统。
电机是自动洗衣机的心脏，是整个洗涤工作的动力来源。工业上用的电机各式各样，规格型号数不胜数，其中按使用电源可以分为交流电机和直流电机两种。交流电机又分为异步电机和同步电机。洗衣机上所用到的电机是单相电容起动运转
式异步电机，使用220v 交流电源。全自动洗衣机上使用的电机输出功率一般
150W 以上，配 12μF 以上的电容器。这种电机的特点是启动转矩大，过载能力强，可以充分满足洗衣机负载频繁变化的使用要求。
在洗衣机中使用的电机都要配接电容器。电容器的作用是加大电机的起动转
矩和工作转矩，它还起确定旋转方向的作用。在洗衣机中使用的电容器一般都是纸介质或塑料介质的。电容器容量的大小一定要按照电机的要求选配，容量大了，容易使电机升温过高，缩短电机寿命；容量小了，会降低电机的起动转矩和过载能力。电容器的电压也要按照电机标牌的要求选配，一般洗衣机电机对电容器的要求电压为 400 伏到 450 伏交流电。
波轮式全自动套桶洗衣机的电动机及传动系统主要由电动机和离合器组成，
离合器又有普通离合器和减速离合器两种。其中普通离合器用在采用小波轮的套
桶洗衣机上，这种洗衣机在洗涤或者漂洗时波轮的转速和脱水时离心桶的转速相同，目前各种大波轮新水流套桶洗衣机普遍采用减速离合器，它在洗涤，漂洗时波轮的转速较慢，而脱水时离心桶的转速较快。电动机同时作为洗涤和脱水时的动力源，普遍采用主，副绕组完全对称的电容式电动机。由于一般全自动套桶洗衣机的额定洗涤容量较大，因此电动机的功率较大。采用减速离合器的全自动套桶洗衣机传动系统的原理如图所示：
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电动机与固定在离合器下端的大传动带盘之间用V 带传动。经第一级减速后大
传动带盘得到150r/min 的转速。当洗衣机处于洗涤或漂洗状态时，再经离合器
部的行星齿轮减速后，使波轮得到175r/min 低转速。此时，洗涤（脱水）桶不动。当洗衣机处于脱水状态时，离合器输出的是未经减速的850r/min 的高转速，驱动脱水桶和波轮作同步高速运转。对于使用普通离合器的小波轮套桶洗衣机来
说，有区别的仅仅是离合器部没有行星齿轮减速机构，因此在洗涤或漂洗时其波
轮的转速与脱水时的转速时相同的。
五．控制与信息处理单元
控制与信息处理单元是机电一体化系统的核心单元。其功能是将来自各传感
器的检测信息和外部输入命令进行集中、存储、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序发出相应的控制信号，通过输出接口送往执行元件，控制整个系统有目的的运行，并达到预期的性能。控制与信息处理单元一般由计算机、逻辑电路、 A\D 与 D\A 转换， I/O( 输入与输出）和计算机外部设备等组成。例如，数
控机床中数控装置的CPU 板、 CRT显示器、键盘及打印机等，其作用正如人的
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大脑一样。机电一体化系统对控制和信息处理单元的基本要：提高信息处理速度
和可靠性，增强抗干扰能力，完善系统自诊断能力，实现信息处理智能化和产品
小型、轻量、标准化等。
1.控制要求 :
PLC投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。
（ 1）按下启动按钮及水位选择开关，开始进水加洗衣粉，水满（即水位到达高低）时停止进水，开始洗涤。
（ 2）洗涤时，正转20秒后暂停，暂停3 秒后开始反转洗涤，反转洗涤20 秒
后暂停，暂停 3 秒。
（3）如此循环 3 次，洗涤结束。然后排水，当水位下降到低位时进行脱水并继续排水。脱水时间是 10 秒，这样完成一个大循环。
（4）整个洗涤为 3 次大循环，一次为加洗衣粉，两次净水洗涤，经过 3 次大循环后洗衣结束，并且报警。
（5）报警 10 秒结束全过程，自动停机。
（6）此外按排水按钮可实现手动排水；按停车按钮可停止进水、排水、脱水及报警。
2.I/O 地址分配
根据洗衣机操作的工艺过程及对控制系统的要求，首先归纳本系统中所有输入信号和输出信号；然后根据 PLC 的输入点和输出点进行I/O 地址分配，使每个输入信号对应 PLC 部的输入继电器，每个输出信号对应PLC部的输出继电器。
PLC洗衣机控制的 I/O 地址分配如表所示 :
3.全自动洗衣机的工作顺序分析
PLC 投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。按下启动按钮时开始进水，水满 (即水位到达高水位 )时停止进水， 2s 后开始正转洗涤。正转洗涤20s 后暂停，暂停 3s 后开始反转洗涤。反转洗涤20s 后暂停，暂停 3s 后，若正、反洗
涤未满 3次，则返回从正转洗涤开始的动作; 若正、反洗涤满 3 次时，则开始排
水。排水水位若下降到低水位时，开始脱水并继续排水。脱水10s 即完成一次从进水到脱水的工作循环过程。若完成了 3 次大循环，则进行洗完报警。报警10s 结束全部过程，自动停机。若按下停止按钮，可以手动排水和手动脱水。
机电一体化系统设计基础 课程设计报告 专业：机械电子工程 班级：机电0811 学号： 2008716022 姓名：陈智建 指导教师：刘云、柯江岩 2012 年 1 月 13 日
目录 第一节绪论 (3) 1.1课程设计目的意义 (3) 1.2课程设计任务描述 (3) 1.3数控铣床的性能指标设计要求 (3) 第二节总体方案设计 (4) 2.1主轴驱动系统设计方案 (4) 2.2 X/Y/Z轴控制系统方案设计 (4) 2.3电气系统设计方案 (4) 第三节传动系统设计 (5) 3.1主轴传动系统的设计 (5) 3.1.1主轴电机选择 (5) 3.1.2变频器的选择 (5) 3.1.3主轴传动系统设计 (5) 3.2伺服驱动系统设计 (6) 3.2.1伺服传动机构设计 (6) 3.2.2伺服电机选择 (6) 3.2.3 滚珠丝杠的选择 (6) 3.2.4滚珠丝杠支承的选择 (7) 3.3设计验算校核 (8) 3.3.1惯量匹配验算 (8) 3.3.2伺服电机负载能力校验 (8) 3.3.3系统的刚度计算 (9) 3.3.4固有频率计算 (10) 3.3.5死区误差计算 (10) 3.3.6系统刚度变化引起的定位误差计算 (11) 第四节电气系统设计 (11) 后附6张系统框图和元器件图。 (14) 第五节心得体会 (15) 参考文献 (16)
第一节绪论 1.1课程设计目的意义 机电一体化是一门实践性强的综合性技术学科，所涉及的知识领域非常广泛，现代各种先进技术构成了机电一体化的技术基础。机电一体化系统设计基础课程设计属于机械电子工程专业的课程设计，培养学生综合应用所学的知识，进行机电一体化系统设计的能力。 1.2课程设计任务描述 本课程设计主要要求学生设计一数控铣床的传动系统跟控制系统，即在已有数控系统的基础上，根据实际加工要求，进行二次开发。由于生产数控系统，伺服电动机的驱动器，伺服电机的厂家很多，即使同一厂家，其生产的产品系统和型号也很多。为了避免在设计过程中选型过于宽广，并考虑到本设计的目的主要是为了训练从事设计的基本能力，数控系统规定选用Fanuc OI MATE MC。根据该数控系统控制性能，可控制3个伺服电动机轴和一个开环主轴（变频器），满足4轴联动数控铣床的控制要求。考虑到CNC控制器，驱动器和电机之间电器接口的相互匹配，在该设计中，要求3轴伺服驱动器，伺服电动机都采用Fanuc 公司生产的产品。 1.3数控铣床的性能指标设计要求 （1）主轴的转速范围：1000—24000 （rpm） （2）主轴电机功率：30/37 kw （3）X/Y/Z轴快速进给速度15/15/15m/min，X/Y/Z轴切削进给速度，1-10000 mm/min （4）系统分辨率：0.0005mm,重复精度0.02mm。
习题一答案 1-1、什么是机电一体化？ 机电一体化技术综合应用了机械技术、微电子技术、信息处理技术、自动控制技术、检测技术、电力电子技术、接口技术及系统总体技术等群体技术，在高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值的系统工程技术。 1-2、什么是机电一体化的变参数设计？ 在设计方案和结构原理不变的情况下，仅改变部分结构尺寸和性能参数，使之适用范围发生变化的设计方式。例如，同一种产品不同规格型号的相同设计。 1-3、机电一体化技术与传统机电技术的区别。 传统机电技术的操作控制主要以电磁学原理的各种电器来实现，如继电器、接触器等，在设计中不考虑或很少考虑彼此间的内在联系。机械本体和电气驱动界限分明，整个装置是刚性的，不涉及软件和计算机控制。机电一体化技术以计算机为控制中心，在设计过程中强调机械部件和电器部件间的相互作用和影响，整个装置在计算机控制下具有一定的智能性。 1-4、试分析机电一体化技术的组成及相关关系。 机电一体化系统是多学科技术的综合应用，是技术密集型的系统工程。其技术组成包括：机械技术、检测技术、伺服传动技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术和系统总体技术等。现代的机电一体化产品甚至还包含了光、声、化学、生物等技术等应用。 1-5、一个典型的机电一体化系统，应包含哪些几个基本要素？ 机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。我们将这些部分归纳为：结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、智能组成要素；这些组成要素内部及其之间，形成通过接口耦合来实现运动传递、信息控制、能量转换等有机融合的一个完整系统。 1-6、试简述机电一体化系统的设计方法。 机电一体化系统的设计过程中，一直要坚持贯彻机电一体化技术的系统思维方法，要从系统整体的角度出发分析研究各个组成要素间的有机联系，从而确定系统各环节的设计方法，并用自动控制理论的相关手段，进行系统的静态特性和动态特性分析，实现机电一体化系统的优化设计。1-7、机电一体化系统（产品）开发的类型。
机械专业机电一体化系统设计基础试题 一、判断题(判断下列所述是否正确，正确填入“+”。错误则填“一”号。每题2分，共24分) 1．接口技术是系统技术中的一个方面，它的功能是实现系统各部分的可靠连接。( ) 2．数控机床中的计算机属于机电一体化系统的控制及信息处理单元，而电机和主轴箱则属于系统的驱动部分。( ) 3．机电一体化产品的变参数设计是指改变部分结构尺寸而形成系列产品的设计。 ( ) 4．驱动元件的选择及动力计算是机电一体化产品开发过程理论分析阶段的工作之一。( ) 5．传动轴在单向回转时，回程误差对传动精度没有影响。( ) 6．按输出轴的转角误差最小原则，减速链传动中，从输入到输出端的各级传动比应按“前大后小”分配。( ) 7．与交流同步伺服电机一样，笼型交流异步伺服电机也可由PWM变频技术实现速度的调节。( ) 8．微机系统中，在任何给定时刻，数据流都允许沿数据总线双向传输。( ) 9．STD总线可采用总线复用技术，但不支持多处理机系统。( ) 10．TTL电平接口不能用于驱动带电气隔离的继电器。( ) 11．重复性是传感器静态特性指标之一，反映传感器输入量按同一方向做全量程连续多次变动时，输出输入特性曲线的不一致性。( ) 12．增量式光电编码器的输出量为脉冲信号，可以同时用于位置和速度测量。( )二、简答题(每题6分。共30分) 1．机电一体化系统的基本结构要素有哪些?喷漆机器人的电液伺服系统和手臂手腕分别属于其中的哪个结构要素? 2．影响机电一体化系统传动机构动力学特性的主要因素有哪些? 3．什么是步进电机的步距角?它是由哪些参数确定的? 4．简述开关量输入模板的基本组成。 5．工业PC机与个人计算机的主要差别是什么? 三、分析题(15分) 系统如图昕示．试分析齿轮机构、传感器及丝杠螺母机构的误差对输出精度的影响。 四、计算题(15分) 伺服电机驱动系统如图所示，已知齿轮减速比i=5；丝杠螺距气t s=5mm；丝杠直径d=20mm；工作台的质量为m=200kg；工作台最大线速度v=0．025m／s；最大加速度a=10m／s2，工作台与导轨之间的摩擦系数为f=0．1，传动效率η=0·7。 试求： (1)电机的负载力矩 (2)折算到电机轴上的转动惯量(g·cm2)；(3)电机的最小额定转速。
复习题 一、是非判断 1、机电产品结构方案设计时遵循传动链最短原则的好处是使传动精度高，而传动性能稳定性降低。（×） 2、莫尔条纹具有使栅距的节距误差平均化的特点。（√） 3、滚珠丝杠传动的特点是传动效率高、运动具有可逆性、传动精度高、磨损小，使用寿命长、不能自锁。（×） 4、采用光电耦合器可以将前向通道、后向通道以及其他相关部分切断与电路的联系，从而有效地防止干扰信号进入微机。（√） 5、动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管，这种逐位点亮显示器的方式称为行扫描。 （×） 6、分辨率是D/A转换器对输入量变化敏感程度的描述，与输入数字量的位数有关。8位数的分辨率为1/256，10位数的分辨率为1/1024。（√） 7、在机电产品中若有检测元件，则该产品的控制系统一定是闭环的。（×） 8、无源滤波器常采用LC谐振电路或RC网络作为滤波器件。（√） 9、机电产品转动惯量大可使机械负载变大，灵敏度下降，但是不影响机械系统的响应速度。 （×）10、执行机构运动循环图可以表明各机构间的配合协调关系。（√） 11、机电产品结构设计是从：定量到定性，具体到抽象，粗略到精细的过程结构设计满足的目标：保证功能、提高性能、降低成本。（×）12、双频激光干涉仪是同一激光器发出的光分成幅值不同的两束光产生干涉。得到的是按幅值变化的交流调频信号，信噪比高，可实现高分辨率测量。（×）13、滚珠丝杠传动中，当丝杠改变转动方向时，间隙会使运动产生空程，从而影响机构的传动精度。（√）14、采用光电耦合器可以将前向通道、后向通道以及其他相关部分切断与电路的联系，从而有效地防止干扰信号进入微机。（√）15、键码识别就是判断闭合键的代码，通常有2种方法，一种是静态检测法——称为编码键盘；另一种是动态检测法——成为非编码键盘。（×） 16、选用D/A芯片时位数愈多精度愈高，其转换的时间愈长。（√） 17、在机电产品中若有检测元件，则该产品的控制系统不一定是闭环的。（√） 18、在微机检测系统的输入通道中，采样/保持（S/H）电路可有可无。（×） 19、双片薄齿轮错齿调整法以消除齿侧间隙，但反向时不会出现死区。（×） 20、采样时间是指对被测参数检测的时间。（√） 二、简答题 1、同步带传动主要失效形式有哪些？主要原因是什么？ (a) 承载绳断裂原因是带型号过小和小带轮直径过小等。 (b) 爬齿和跳齿原因是同步带传递的圆周力过大、带与带轮间的节距差值过大、带的初拉力过小等。 (c) 带齿的磨损原因是带齿与轮齿的啮合干涉、带的张紧力过大等。 (d) 其他失效方式带和带轮的制造安装误差引起的带轮棱边磨损、带与带轮的节距差值太大和啮合齿数过少引起的带齿剪切破坏、同步带背的龟裂、承载绳抽出和包布层脱落等。
机电一体化课程设计报 告
机电一体化系统设计基础 课程设计报告 专业：机械电子工程 班级：机电0811 学号： 2008716022 姓名：陈智建 指导教师：刘云、柯江岩 2012 年 1 月 13 日
目录 第一节绪论 (4) 1.1课程设计目的意义 (4) 1.2课程设计任务描述 (4) 1.3数控铣床的性能指标设计要求 (4) 第二节总体方案设计 (5) 2.1主轴驱动系统设计方案 (5) 2.2 X/Y/Z轴控制系统方案设计 (5) 2.3电气系统设计方案 (5) 第三节传动系统设计 (6) 3.1主轴传动系统的设计 (6) 3.1.1主轴电机选择 (6) 3.1.2变频器的选择 (6) 3.1.3主轴传动系统设计 (6) 3.2伺服驱动系统设计 (7) 3.2.1伺服传动机构设计 (7) 3.2.2伺服电机选择 (7) 3.2.3 滚珠丝杠的选择 (8) 3.2.4滚珠丝杠支承的选择 (9) 3.3设计验算校核 (9) 3.3.1惯量匹配验算 (9) 3.3.2伺服电机负载能力校验 (10) 3.3.3系统的刚度计算 (11) 3.3.4固有频率计算 (11) 3.3.5死区误差计算 (12) 3.3.6系统刚度变化引起的定位误差计算 (12) 第四节电气系统设计 (13) 后附6张系统框图和元器件图。 (15) 第五节心得体会 (16) 参考文献 (17)
第一节绪论 1.1课程设计目的意义 机电一体化是一门实践性强的综合性技术学科，所涉及的知识领域非常广泛，现代各种先进技术构成了机电一体化的技术基础。机电一体化系统设计基础课程设计属于机械电子工程专业的课程设计，培养学生综合应用所学的知识，进行机电一体化系统设计的能力。 1.2课程设计任务描述 本课程设计主要要求学生设计一数控铣床的传动系统跟控制系统，即在已有数控系统的基础上，根据实际加工要求，进行二次开发。由于生产数控系统，伺服电动机的驱动器，伺服电机的厂家很多，即使同一厂家，其生产的产品系统和型号也很多。为了避免在设计过程中选型过于宽广，并考虑到本设计的目的主要是为了训练从事设计的基本能力，数控系统规定选用Fanuc OI MATE MC。根据该数控系统控制性能，可控制3个伺服电动机轴和一个开环主轴（变频器），满足4轴联动数控铣床的控制要求。考虑到CNC控制器，驱动器和电机之间电器接口的相互匹配，在该设计中，要求3轴伺服驱动器，伺服电动机都采用Fanuc公司生产的产品。 1.3数控铣床的性能指标设计要求 （1）主轴的转速范围：1000—24000 （rpm） （2）主轴电机功率：30/37 kw （3）X/Y/Z轴快速进给速度15/15/15m/min，X/Y/Z轴切削进给速度，1-10000 mm/min
8 机电一体化系统典型实例 8.1 机器人 8.1.1 概述 机器人是能够自动识别对象或其动作，根据识别，自动决定应采取动作的自动化装置。 它能模拟人的手、臂的部分动作，实现抓取、搬运工件或操纵工具等。它综合了精密机械技 术、微电子技术、检测传感技术和自动控制技术等领域的最新成果，是具有发展前途的机电 一体化典型产品。机器人技术的应用会越来越广，将对人类的生产和生活产生巨大的影响。 可以说，任何一个国家如不拥有一定数量和质量的机器人，就不具备进行国际竞争所必需的 工业基础。 机器人的发展大致经过了三个阶段。 第一代机器人为示教再现型机器人，为了让机器人 完成某项作业，首先由操作者将完成该作业所需的各种知识（如运动轨迹、作业条件、作业 顺序、作业时间等）通过直接或间接的手段，对机器人进行示教，机器人将这些知识记忆下 来，然后根据再现指令，在一定的精度范围内，忠实地重复再现各种被示教的动作。第二代 机器人通常是指具有某种智能（如触觉、力觉、视觉等）的机器人，即由传感器得到的触觉、 听觉、视觉等信息经计算机处理后，控制机器人完成相应的操作。第三代机器人通常是指具 有高级智能的机器人，其特点是具有自学习和逻辑判断能力，可以通过各类传感器获取信息， 经过思考做出决策，以完成更复杂的操作。 一般认为机器人具备以下要素：思维系统（相当于脑），工作系统（相当于手），移动系 统（相当于脚），非接触传感器（相当于耳、鼻、目）和接触传感器（相当于皮肤）（图8-1）。 如果对机器人的能力评价标准与对生物能力的评价标准一样，即从智能、机能和物理能三个 方面进行评价，机器人能力与生物能力具有一定的相似性。图8-2是以智能度、机能度和物 理能度三座标表示的“生物空间”，这里，机能度是指变通性或通用性以及空间占有性等；物 理能度包括力、速度、连续运行能力、均一性、可靠性等；智能度则指感觉、知觉、记忆、 运算逻辑、学习、鉴定、综合判断等。把这些概括起来可以说，机器人是具有生物空间三座 标的三元机械。某些工程机械有移动性，占有空间不固定性，因而是二元机械。计算机等信 息处理机，除物理能之外，还有若干智能，因而也属于二元机械。而一般机械都只有物理能， 所以都是一元机械。 8.1.2 机器人的组成及基本机能 机器人一般由执行系统、驱动系统、控制系统，检测传感系统和人工智能系统等组成， 各系统功能如下所述。 ① 执行系统。执行系统是完成抓取工件（或工具）实现所需运动的机械部件，包括手部、 信息处理机 图8-2生物空间 图8-1机器人三要素
中国石油大学（北京）远程教育学院 《机电一体化系统设计》期末复习题 第一章绪论 判断（A对，B错） 1.工业三要素是资金、人才、技术。 2.机电一体化系统的执行机构功能是主操作功能。 答案：B A 单选 1、机电一体化系统机械本体的功能是（） A执行机构B动力源C固定其它部件D主操作功能 2、下列哪一项是机电一体化的特性。 A装置的控制属于强电范畴B自动信息处理 C支撑技术是电工技术D以机械联结为主 3、机电一体化系统的主要构成装置不包含以下哪一项（） A电子装置B控制装置C驱动装置D机械装置 答案：C B A 问答题 1、在机械工业中微电子技术应用有哪些方面，及其对机电一体化产品设计的意义？ 1)对机器或机组系统运行参数进行巡检传感或控制 2)对机器或机组系统工作程序的控制 3)用电子技术代替传统产品中机械部件完成的功能，简化产品的机械结构
4)节约材料 5)节能降耗 对机电一体化产品设计的意义表现在：功能模块化；封装模块化；电路（板）器件微型化；可靠性高；抗干扰能力强；结构一体化；机电产品体小、性优、价廉。 2、机电一体化系统的主功能组成是那些？ 物质、能量、信息（工业三要素）的变换（加工处理）、传递（移动、输送）、储存（保持、积蓄、记录） 3、机械电气化与机电一体化的区别 机械电气化 –很少考虑电器与机械的内在联系；根据机械要求选用电气传动 –机械电气界限分明，以机械联结为主，装置是刚性的 –装置的控制属于强电范畴，支撑技术是电工技术（电磁学，输配电）机电一体化 产品的新功能、智能化进步：自动检测，自动显示，自动记录，自动信息处理，自动调节控制，自动诊断，自动保护 4、简要说明机电一体化系统组成要素及其功能？ 五个方面，各组成及功能分别是：机械本体(构造功能:固定其它部件)；执行机构(主操作功能)；驱动部件(动力功能)；传感部件(信息检测)；控制部分(信息处理及控制) 5、传统机电产品与机电一体化产品的主要区别表现哪些方面？
机电一体化综合课程设计 《机电一体化课程设计任务书》普通格式 一．课程设计的目的 本次设计是机电一体化和计算机控制课程结束之后进行的一个重要的综合性、实践性教学环节，课程设计的基本目的是： 1、掌握机电一体化系统的设计过程和方法，包括参数的选择、传动设计、零件计算、结构设计、计算机控制等培养系统分析及设计的能力。 2、综合应用过去所学的理论知识，提高联系实际和综合分析的能力，进一步巩固、加深和拓宽所学的知识。
3、训练和提高设计的基本技能，如计算，绘图，运用设计资料、标准和规，编写技术文件（说明书）等。 二．设计任务及要求 设计题目：车辆出入库单片机自动控制系统 1.设计容包括：总体设计，机械系统的设计与计算，计算机控制系统设计，编写设计计算说明书； 2.课题容简介或设计要求：编制一个用单片机控制的车辆出入库管理控制程序，控制要求如下：1）入库车辆前进时，经过1# → 2#传感器后计数器加1，后退时经过2# → 1#传感器后计数器减1，单经过一个传感器则计数器不动作。2）出库车辆前进时经过2# → 1#传感器后计数器减1，后退时经过1# → 2#传感器后计数器加1，单经过一个传感器则计数器不动作。3）设计一个由两位数码管及相应的辅助元件组成的显示电路，显示车库车辆的实际数量。 3.机械部分的设计： 4.计算机控制的设计：设计显示电路图，并按图连接。画出单片机接线图，并按图接线。编制控制程序。 摘要 本次设计车辆出入库单片机自动控制系统的基本功能和设计思路，根据给定的条件，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械和电子方面的知识，完成车辆入库自动控制，并画好元器件的连接图，其中包括装置的原理方案构思和拟定；原理方案的实现，设计计算与说明。 车辆出入库单片机自动控制系统对我们生活很贴近，一个很实用的系统，可以有效地帮助我们管理车库，再加上如果用单片机来实现的话成本低，很实用，这是一个很有意义的设计。车辆入库单片机自动控制系统的难点在于,如何控制
. 8 机电一体化系统典型实例 8.1 机器人 8.1.1 概述 机器人是能够自动识别对象或其动作，根据识别，自动决定应采取动作的自动化装置。 它能模拟人的手、臂的部分动作，实现抓取、搬运工件或操纵工具等。它综合了精密机械技 术、微电子技术、检测传感技术和自动控制技术等领域的最新成果，是具有发展前途的机电 一体化典型产品。机器人技术的应用会越来越广，将对人类的生产和生活产生巨大的影响。 可以说，任何一个国家如不拥有一定数量和质量的机器人，就不具备进行国际竞争所必需的 工业基础。 机器人的发展大致经过了三个阶段。 第一代机器人为示教再现型机器人，为了让机器人 完成某项作业，首先由操作者将完成该作业所需的各种知识（如运动轨迹、作业条件、作业 顺序、作业时间等）通过直接或间接的手段，对机器人进行示教，机器人将这些知识记忆下 来，然后根据再现指令，在一定的精度围，忠实地重复再现各种被示教的动作。第二代机器 人通常是指具有某种智能（如触觉、力觉、视觉等）的机器人，即由传感器得到的触觉、听 觉、视觉等信息经计算机处理后，控制机器人完成相应的操作。第三代机器人通常是指具有 高级智能的机器人，其特点是具有自学习和逻辑判断能力，可以通过各类传感器获取信息， 经过思考做出决策，以完成更复杂的操作。 一般认为机器人具备以下要素：思维系统（相当于脑），工作系统（相当于手），移动系 统（相当于脚），非接触传感器（相当于耳、鼻、目）和接触传感器（相当于皮肤）（图8-1）。 如果对机器人的能力评价标准与对生物能力的评价标准一样，即从智能、机能和物理能三个 方面进行评价，机器人能力与生物能力具有一定的相似性。图8-2是以智能度、机能度和物 理能度三座标表示的“生物空间”，这里，机能度是指变通性或通用性以及空间占有性等；物 理能度包括力、速度、连续运行能力、均一性、可靠性等；智能度则指感觉、知觉、记忆、 运算逻辑、学习、鉴定、综合判断等。把这些概括起来可以说，机器人是具有生物空间三座 标的三元机械。某些工程机械有移动性，占有空间不固定性，因而是二元机械。计算机等信 息处理机，除物理能之外，还有若干智能，因而也属于二元机械。而一般机械都只有物理能， 所以都是一元机械。 8.1.2 机器人的组成及基本机能 信息处理机 图8-2生物空间 图8-1机器人三要素
机电一体化设计基础考试题 1.什么是机电一体化？ 机电一体化是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。 2.机电一体化产品由哪些基本要素构成？ 机械本体（机床）、动力源（电、液压等）、检测与传感装置（各种传感器等）、控制与信息处理装置（伺服系统、cnc等）、执行机构（电机、丝杆、导轨、刀架等） 3.机电一体化有哪些共性关键技术？ 机械技术、计算机与信息处理技术、检测与传感技术、自动控制技术、伺服驱动技术、系统总体技术 4.什么是机电一体化总体设计？ 应用系统总体技术，从整体目标出发，综合分析产品的性能要求及各机、电组成单元的特性，选择最合理的单元组合方案，实现机电一体化产品整体优化设计的过程。 5.什么是特征指标、优化指标、寻常指标？其作用各是什么？这些指标可否在一定条件下相互转化？ 特征指标：决定产品功能和基本性能的指标，是设计中必须设法达到的指标。 优化指标：在产品优化设计中用来进行方案对比的评价指标。 寻常指标：产品设计中作为常规要求得一类指标，一般不定量描述。 可以相互转化。寻常指标有较为固定的范畴，而特征指标和优化指标的选定则应根据具体产品的设计要求进行。一种产品设计中的特征指标，可能是另一种产品设计中的优化指标。某些指标在要求较为严格、必须经过周密设计才能达到时，应选为特征指标，而在要求较为宽松的情况下，可选为优化指标。 6.什么是等效性、互补性、可比性？等效性、互补性、可比性分析对机电一体化设计有何意义？ 等效性：具有等效性的功能可有多种具体实现形式，如滤波功能可由多种滤波器实现。 可以互相替代的机械、电子硬件或软件方案必然在某个层次上可实现相同的功能，因而称这些方案在实现某种功能上具有等效性。产品各组成环节的特性是相互关联的，而且共同影响系统的性能，这种机、电环节互相关联、相辅相成为互补性。可比性，它是指被评价的方案之间在基本功能、基本属性及强度上要有可比性。等效性是可以进行机电一体化设计的充分条件之一。互补性，是机电一体化设计的另一充分条件。 7.试结合等效性与互补性阐述机电一体化优化设计的条件。 机电一体化优化设计要在具有等效性的功能中和具有互补性的环节中进行机械、电子、软件等技术之间的比较和权衡。首先找出它们具有可比性的表达形式，用具有相同量纲的优化指标(如成本、可靠度、相对精度等)对各方案进行比较。 8.目前大多采用什么方法进行机电一体产品的总体设计？其具体含义是什么？ 多方案优化的方法：在满足约束条件（特征指标）的前提下，采用不同原理及不同品质的组成环节构成多种可行方案，用优化指标对这些方案进行比较、优选，从而获得满足特征指标要求，且优化指标最合理的总体设计方案。 9.多目标规划的求解策略有哪些？含义分别是什么？ 降维法：用一个其主要作用的指标作为目标函数，而将其它优化指标转化为约束条件，从而使多目标优化问题转化为单目标优化问题。 顺序单目标法：首先对各优化指标按重要程度排序，按单目标优化方法依序求出每个指标所对应的最优解，然后对这些单目标优化解进行折衷处理，从而得到整体最优解。 评价函数法：首先将各优化指标依一定关系进行组合，从而构造出一个单目标问题的目标函数，被称为评价函数，然后依据这个评价函数对各种方案进行评价，最终确定出最优方案。 10.为何在机电一体化总体方案设计时要进行功能分配和性能指标分配? 如何进行功能分配和性能指标分配？ 性能指标分配目的：总体方案中一般有多个环节对同一性能指标产生影响，需要合理地限定这些环节
实验一三相异步电动机正反转控制实验 专业年级：学号：姓名：评分： 一、实验目的： 1．学习和掌握PLC的实际操作和使用方法； 2．学习和掌握利用PLC控制三相异步电动机正反转的方法。 二、实验内容及步骤： 本实验采用PLC对三相异步电动机进行正反转控制，其主电路和控制电路接线图分别为图2-1和图2-2 。图中：正向按钮接PLC的输入口X0，反向按钮接PLC的输入口X1，停止按钮接PLC的输入口X2，KM5为正向接触器，KM6反向接触器。继电器KA5、KA6分别接于PLC的输出口Y23、Y24。 其基本工作原理为：合上QF1、QF5， PLC运行。当按下正向按钮，控制程序使Y23有效，继电器KA5线圈得电，其常开触点闭合，接触器KM5的线圈得电，主触头闭合，电动机正转；当按下反向按钮，控制程序使Y24有效，继电器KA6线圈得电，其常开触点闭合，接触器KM6的线圈得电，主触头闭合，电动机反转。 实验步骤： 1．在断电的情况下，学生按图2-1和图2-2接线（为安全起见，控制电路的PLC外围继电器KA5、KA6以及接触器KM5、KM6输出线路已接好）； 2．在老师检查合格后，接通断路器QF1、QF5 ； 3．运行PC机上的工具软件FX-WIN，输入PLC梯形图； 4．对梯形图进行编辑﹑指令代码转换等操作并将程序传至PLC； 5．运行PLC，操作控制面板上的相应开关及按钮，实现电动机的正反转控制。在PC 机上对运行状况进行监控，同时观察继电器KA5、KA6和接触器KM5 、KM6的动作及变化情况，调试并修改程序直至正确； 6。记录运行结果。 图 2-1 主控电路 ～3～
图 2-2 控制电路接线图 三．实验说明及注意事项 1．本实验中，继电器KA5、KA6的线圈控制电压为24V DC，其触点5A 220V AC（或5A 30V DC）；接触器KM5、KM6的线圈控制电压为220V AC，其主触点25A 380V AC。 2．三相异步电动机的正、反转控制是通过正、反向接触器KM5、KM6改变定子绕组的相序来实现的。其中一个很重要的问题就是必须保证任何时候、任何条件下正反向接触器KM5、KM6都不能同时接通，否则会造成电源相间瞬时短路。为此，在梯形图中应采用正反转互锁，以保证系统工作安全可靠。 3．本实验中，主控电路的电压为380V DC，请注意安全！ 四．实验用仪器工具 PC 机 1台 PLC 1台 编程电缆线 1根 三相异步电动机 1台 断路器（QF1、QF5） 2个 接触器（KM5、KM6） 2个 继电器（KA5、KA6） 2个 按钮 3个 实验导线若干 五．思考题 1．试比较继电器和接触器的结构及工作原理的异同点； 答：接触器有灭弧装置，而继电器没有。 接触器是在外界输入信号下能够自动接通断开负载主回路.继电器主要是传递信号,根据输入的信号到达不同的控制目的. 2．能否将接触器KM5，KM6的线圈直接接至PLC的输出端Y23、Y24（注：本实验所用
机电一体化系统设计报告 院专 业学生姓名学 号指导教师完成日期《龙门式数控钻床机械结构设计分析与综合》摘要近些年来，国内外机床工业的发展分迅速，以数控为特征的现代化机床在生产中广泛应用。在工农业生产中，经常会碰到一些大型回转体类零件，其上需加工很多孔。用普通机床对其加工往往会遗漏，而小型数控加工中心则难以对其进行加工。本课题就是针对这一问题，设计一台龙门式数控钻床，专门适合对这一类零件进行钻削加工。它不仅大大减轻了操作者的劳动强度，而且大大提高了劳动生产率。本次设计包括了数控钻床的主要机械结构，其中包括：主轴箱中的主传动系装配；进给系统中的工作台装配和传动系统中的丝杠螺母等设计。同时，将各项相关技术合理运用，以达到最优化设计的目的。机械制造工业是国民经济的基础。机床工业则是机械制造工业的基础，它在国民经济中起着至关重要的作用，但我国机床工业与发达国家相比还有较大差距，我们必须奋发图强，努力工作，以便早日赶上世界先进水平。关键词数控钻床导轨工作台滚珠丝杠目录 一、绪论 11、1国内外发展现状 11、2方案论证
11、3数控系统总体方案确定2 二、结构设计 22、1主机部分总体方案确定 22、1、1床身 22、1、2 工作台 22、1、3主要参数2 三、实体建模 3、 43、1 Solidworks三维建模4 四、滚珠丝杠设计计算 44、1 动载强度计算 44、2滚珠丝杠轴向负荷F的计算5 4、2、1摩擦力的计算 54、2、2惯性力计算 54、2、3丝杠螺母长度估算 54、2、4确定最大动载荷 54、3确定滚珠丝杠型号 64、4滚珠丝杠副的几何参数 64、5传动效率计算6 五、机械部分设计计算 75、1 轴承的选择与校核 75、2等效力矩计算
机电一体化系统课程设计 设计说明书 设计题目：X－Y数控工作台机电系统设计 院校： 班级： 姓名： 学号： 2011年 12 月 24 日
目录 机电一体化系统设计课程设计任务书1．总体方案 1.1导轨副的选用 1.2 丝杆螺母副的选用 1.3 减速装置的选用 1.4 伺服电动机的选用 1.5 检测装置的选用 2.控制系统的设计 3.机械传动部件的计算与选型 3.1导轨上移动部件的重量估算 3.2铣削力的计算 3.3直线滚动导轨副的计算与选型 3.4滚珠丝杠螺母副的计算与选型 3.5步进电动机减速箱的选用 3.6步进电动机的计算与选型 3.7增量式旋转编码器的选用 4．工作台机械装配图的绘制 5.工作台控制系统的设计 6.步进电动机驱动电源的选用 7.设计总结 参考文献 [1]张建民.《机电一体化系统设计》第三版.高等教育出版社 [2]尹志强.《系统设计课程设计指导书》.机械工业出版社
设 计 计 算 与 说 明 主要结果 设计任务： 题目：X-Y 数控工作台机电系统设计 任务：设计一种供立式数控铣床使用的X-Y 数控工作台，主要参数如下： 1）立铣刀最大直径d=15mm ； 2）立铣刀齿数Z=3； 3）最大铣削宽度mm a e 15=； 4）最大背吃刀量mm a p 8=； 5）加工材料为碳钢； 6）X 、Y 方向的脉冲当量mm y x 005.0==δδ/脉冲； 7）X 、Y 方向的定位精度均为mm 01.0±； 8）工作台导轨长度为1260mm ； 9）工作台空载最快移动速度min /3000mm v v y x ==； 10）工作台进给最快移动速度min /400max max mm v v f y f x ==； 11）移动部件总重量为800N ； 12）丝杆有效行程为920mm 。 一、总体方案的确定 1 机械传动部件的选择 1.1导轨副的选用 要设计的X-Y 工作台是用来配套轻型的立式数控铣床的，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。 1.2丝杆螺母副的选用 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杆螺母副转换成直线运动，要满足0.005mm 的脉冲当量mm 01.0±和的定位精度，滑动滑动丝杆副无能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到。滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。 1.3减速装置的选用 选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消
回转工作台的设计 一、设计的目的： 1、掌握机电一体化系统的设计过程和方法，包括参数的选择、传动设计、零件计算、结构设计、计算机控制等培养系统分析及设计的能力。 2、综合应用过去所学的理论知识，提高联系实际和综合分析的能力，进一步巩固、加深和拓宽所学的知识。 3、训练和提高设计的基本技能，如计算，绘图，运用设计资料、标准和规，编写技术文件（说明书）等。 二、设计任务及要求 设计题目：数控回转工作台的设计 1. 设计容包括：总体设计，机械系统的设计与计算，计算机控制系统设计，编写设计计算说明书； 2. 设计要求包括：回转角度0～360°；最大回转半径400㎜；最大承载重量50㎏； 3. 机械部分的设计：装配工作图1（1号）； 4. 计算机控制的设计：控制系统接口图一； 5. 控制装置采用步进电机驱动，MCS-51或单片机FX2N-PLC控制系统，软件环分，由键盘输入实现开环控制。 三、机械系统设计 在数字回转工作台机械传动部分选用蜗轮蜗杆传动,因为蜗杆传动平稳,振动,冲击和噪声均较小;能以单级传动获得教大的传动比,结构紧凑,有利于实现回转工作台所要求的分度的实现.故选用蜗轮蜗杆传动. （一）、蜗杆类型的选择: 蜗杆选择为渐开线圆柱蜗杆.因为此种蜗杆不仅可车削还可以像圆柱齿轮那样用齿轮滚刀滚削,并可用但面或单锥面砂磨削.制造精度高.是普通圆柱蜗杆传动中较理想的传动.传动效率也高,在动力传动和机床精密传动中应用较为广泛. （二）、蜗杆蜗轮材料的选择:
由于蜗杆传动啮合摩擦较大,且由于蜗轮滚刀的形状尺寸不可能做得和蜗杆绝对相同,被加工出的蜗轮齿形难以和蜗杆精确共轭,必须依靠运转跑合才渐趋理想,因此材料副的组合必须具有良好的减摩和跑合性能以及抗胶合性能。所以蜗轮通常青铜或铸铁做齿圈，并尽可能与淬硬并经磨削的钢制蜗杆相匹配。故选择:蜗杆材料为：渗碳钢，表面淬硬56-62HRC 牌号为20GrMnTi.蜗轮材料为：铸造锡青铜，牌号为ZcuSn10Pb1 （三）、蜗杆蜗轮参数计算： 1. 蜗杆传动尺寸的确定： 由设计题目中要求可知：工作台回转直径最大为400mm/50千克. 由《齿轮手册》（上）表6.2-3取蜗杆蜗轮中心距标准a=225mm; 估取蜗杆分度圆直径: 为能获得较大的传动比,取蜗杆头数为: z =1;z =90 估取模数m: m=(1.4~1.7)a/ z =3.6 取m=4 q=d /m=80/4=20 6 tanγ= z /q 则γ=2.86° 2. 确定蜗轮蜗杆各参数值 蜗杆尺寸“ 1) 蜗杆轴向齿距:p =πm=3.14×4=12.56 2) 螺旋线导程:p =p ×z =15.4×4=12.56 3) 法向齿形角:对于ZI蜗杆αn=20°在分度传动中允许减小齿形角α =15° 4) 直径系数:q= d /m=80/4=20 5) 蜗杆分度圆(中圆)直径: d (d )= d =qm=80 6) 蜗杆分度圆(中圆柱)导程角: γ=2.86° 渐开线蜗杆: 基圆柱导程角: γcosγ =cosαncosγ γ =15.264° 7) 基圆直径:d d = z m/tanγ =14.16 8) 法向基节:p =πm cosγ =12.12 9) 蜗杆齿轮顶高:h =h m=1×4=4 10 蜗杆齿根高:h =1.2m=4.8
机电一体化专业毕业设计（论文）题目 1.数控内排屑深孔钻削机床-总体及钻削系统设计 2.游梁式抽油机机构的运动学分析 3.半自动薄壁铜管弯管机-夹紧装置及电气控制系统设计 4.珩磨头旋转式数控深孔强力珩磨机床设计 5.同步电机驱动螺杆泵地面装置设计 6.试油井下套管载荷与安全性分析 7.电火花深孔套料加工系统设计 8.半自动薄壁铜管弯管机-总体及空间弯头设计 9.钻井绞车液压盘式刹车系统设计 10.钻机自动送钻系统结构设计 11.井下套管损坏机理及围压和应力分析 12.技术套管磨损程度及剩余强度分析 13.标枪阀式防气抽油泵设计 14.磁力传动石化流程泵设计 15.高产气井完井管柱力学分析 16.J C-60D液压驱动钻井绞车设计 17.修井机井架三维特征建模及结构优化分析 18.非回转体零件深孔珩磨加工系统设计 19.整体石墨电极研磨机机身部分设计 20.钻井常见复杂情况机理分析与数据库设计 21.中大孔径内排屑深孔钻削系统设计
22.压后射流泵速排用地面泵设计 23.水平井钻头钻压加载器设计 24.环阀式防气抽油泵设计 25.齿轮箱振动信号频谱分析与故障诊断 26.数控枪钻机床-总体及钻削系统设计 27.Z J50电驱动钻机用新型齿轮传动绞车设计 28.前置型油梁式抽油机的设计 29.固定型液体驱动射流泵采油装置设计 30.液压反馈抽稠泵设计 31.海洋钻井平台钻杆自动排放及移动运系统设计 32.X J-350修井机绞车的设计计算 33.往复泵实验装置设计 34.40型液动顶驱装置设计 35.顶驱装置试验台设计 36.10型抽油机动力与减速系统设计 37.特厚壁套管及其抗挤强度分析 38.钻井岩屑清洗机设计 39.十字路口交通信号灯的PLC控制程序设计 40.离心式灌注泵设计 41.单级输油泵设计 42.工件旋转式数控深孔强力珩磨机床设计 43.数控内排屑深孔钻削机床数控工作台及冷却系统设计
一、判断题（正确的打√，错误的打×） 1．机电一体化系统的主要功能就是对输入的物质按照要求进行处理，输出具有所需特性的物质。（x）P4 2.系统论、信息论、控制论是机电一体化技术的理论基础，是机电一体化技术的方法论。（√）P10 3．信息处理技术是指在机电一体化产品工作过程中，与工作过程各种参数和状态以及自动控制有关的信息输入、识别、变换、运算、存储、输出和决策分析等技术。（√）P11 4．自动控制是在人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。（x）P11 5．产品的组成零部件和装配精度高，系统的精度一定就高。（x） 6．为减少机械传动部件的扭矩反馈对电机动态性能的影响，机械传动系统的基本固有频率应低于电气驱动部件的固有频率的2~3倍，同时，传动系统的固有频率应接近控制系统的工作频率，以免系统产生振荡而失去稳定性。（x）P21 7．传动机构的转动惯量取决于机构中各部件的质量和转速。（x）P21 8．在闭环系统中，因齿轮副的啮合间隙而造成的传动死区能使系统以6~10倍的间隙角产生低频振荡，采用消隙装置，以提高传动精度和系统稳定性。（x）P44 9．进行机械系统结构设计时，由于阻尼对系统的精度和快速响应性均产生不利的影响，因此机械系统的阻尼比ξ取值越小越好。（x）P27 10．滚珠丝杠垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。（√）P33 11．采用偏心轴套调整法对齿轮传动的侧隙进行调整，结构简单，且可以自动补偿侧隙。（x）P47 12．采用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计测试和评估，延长了产品开发周期，增加了产品开发成本，但是可以改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求能力。（x）P65 1．机电一体化系统是以微电子技术为主体、以机械部分为核心，强调各种技术的协同和集成的综合性技术。（x）P7 2．机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，应具有高精度、良好的稳定性、快速响应性的特性。（√）P20 3．双螺母消除轴向间隙的结构形式结构紧凑，工作可靠，调整方便，能够精确调整。（x）P35 4.传感器的转换元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分。（x）P72 5．感应同步器是一种应用电磁感应原理制造的高精度检测元件，有直线和圆盘式两种，分别用作检测直线位移和转角。（√） 6．选择传感器时，如果测量的目的是进行定性分析，则选用绝对量值精度高的传感器，而不宜选用重复精度高的传感器。（x）P87 7．传感器在使用前、使用中或修理后，必须对其主要技术指标标定或校准，以确保传感器的性能指标达到要求。（√）P89
《机电一体化技术概论》课程思政方案及实施案例 一、素质目标 1.具备一定的学习新技术和新知识的自修能力； 2.机电一体化产品发展、结构组成及功能； 3.具备分析机电一体化产品模块功能、典型案例应用，强调产品模块调试方法 4.有较快适应生产、管理第一线岗位需要的能力； 5.提升敬业爱岗和良好的团队合作精神； 6.形成较强的安全和环保意识； 7.在工程实践中能自觉遵守职业道德和规范，具有法律意识。 二、课程内容与要求
三、实施案例 案例1 从任课班级中挑选成绩好学生组建兴趣小组，根据企业如何进行激光打标机设计开发，培养学生对复杂自动化设备设计的解决方案，设计满足特定需求的机械系统、部件以及工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识。通过项目实施，一是让学生能针对个人或职业发展的需求，采用合适的方法，自主学习，适应发展。二是能够在机械工程实践中开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具。三是能主动与其他专业的成员合作开展工作，完成团队分配的工作，承担团队成员的角色和责任。 案例2 通过一个综合案例的学习、设计、研发，内化敬业、精益、专注、创新的“工匠精神”，形成优秀的职业价值取向和行为表现。 （1）任务引领 按照给定的自动化设备，设计相应的控制电路。 （2）知识传授
掌握基本电子元器件的性能和应用。 （3）能力训练 分组实训，设计电路，并进行模拟仿真，完成预定的电路功能。 （4）检查 分组检查讨论检测结果 （5）评估 学生陈述，教师分析 （6）下次任务布置 知识创新点的提炼，形成知识产权。 （注：文档可能无法思考全面，请浏览后下载，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）
滨州职业学院毕业论文设计 题目：数控机床工作台与控制系统设计学号： 姓名： 专业班级: 教学单位：电气工程学院 指导教师：
滨州职业学院毕业论文（设计）任务书 电气自动化技术专业级 1、毕业论文（设计）题目数控机床工作台与控制系统设计 2、学生完成全部任务期限：2016年 6月10日 3、任务要求： 1）进程要求 1）提出选题的初步设想。 2）搜集、整理与毕业设计或论文有关的、充分的、准确的信息资料，扩充查阅范围。 3）分析、筛选已有的信息资料，提出研究设想与计划。 4）向指导教师提出开题报告（见附页）。 5）构思论文框架，编写论文提纲，撰写论文初稿。 6）提请指导老师审阅，并根据老师的指导意见做进一步修订，装订成册。 （2）成果要求 1）毕业设计应提交设计图纸和相应的说明书。图纸须规范、完整、清晰、正确，格式符合国家标准的要求；说明书须规范、详实，应包括：任务书、开题报告、正文（摘要、正文内容，结语，参考文献）、附录等。书写认真、清楚，字数不少于8000字。主要包括：前言、摘要、正文内容 2）毕业论文应包括：任务书、开题报告、正文（前言、摘要、关键词，正文内容、结语、参考文献）、附录等；书写认真、清楚，字数以15000字左右为宜。 4、实验（调研）部分内容要求： （1）实验内容与论文题目一致，数据真实。
（2）调研内容详实，调研结论应具备普遍性。 5、文献查阅及翻译要求： （1）参考文献应与论文内容相一致。 （2）参考文献不少于8篇。 （3）参考文献的格式参考滨州职业学院毕业论文格式要求。 （4）翻译文献应与原文内容一致。 指导教师：（签名） 学生：（签名）