机电一体化系统总体设计-设计过程示例

机电一体化系统设计课程设计说明书（小幅面平板式二维绘图仪画笔驱动系统）目录目录................................................................................................................... - 2 - 中文摘要................................................................................................................... - 4 -一、课程设计的目的............................................................................................... - 5 -二、设计任务........................................................................................................... - 5 -三、总体方案的确定............................................................................................... - 5 -四、机械传动部件的设计与选型........................................................................... - 6 -1．滚珠丝杆副的选型与计算........................................................................... - 6 - 2．电机的选型与计算....................................................................................... - 8 -3、轴承的选择与验算..................................................................................... - 11 -4．联轴器的选用............................................................................................. - 12 - 5．滚动直线导轨选择,计算和验算................................................................ - 12 - 6．密封和润滑................................................................................................. - 13 -五、机械控制系统原理及电路设计..................................................................... - 13 -1、设计要求..................................................................................................... - 13 -2、方案分析..................................................................................................... - 13 -3、单片机系统与步进电动机驱动器之间的接口方法................................. - 14 -4、步进电动机驱动电源的选用..................................................................... - 15 -六、设计结论......................................................................................................... - 18 -七、个人总结......................................................................................................... - 21 -八、参考文献......................................................................................................... - 22 -中文摘要模块化的小幅面平板式单坐标画笔驱动系统，通常由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠副，以及伺服电动机等部件组成。

CAD机电一体化设计方法与实例解析CAD机电一体化设计是将机械和电气两个领域的设计进行整合，通过使用计算机辅助设计（CAD）软件进行设计和分析，实现机电系统的一体化设计和优化。

这种设计方法可以提高设计效率、降低成本，并且确保设计的准确性和可靠性。

下面将通过一个实例来解析CAD机电一体化设计的过程。

假设我们要设计一个自动化生产线的机电系统。

首先，我们需要对生产线进行初步的机械设计。

使用CAD软件，我们可以绘制出生产线的总体布局图，并根据工艺要求设计各个工作站的结构和尺寸。

在设计过程中，我们可以根据不同的需求进行多次修改和调整，比如改变工作站之间的距离、调整传送带的长度和速度等等。

通过CAD软件的设计分析功能，我们可以评估不同设计方案的优劣，选择最佳的方案。

接下来，我们需要对生产线的电气系统进行设计。

我们可以使用CAD 软件绘制出电气布线图，包括电气设备的位置、电缆的布置、电源和控制系统的连接等等。

在设计过程中，我们还可以使用CAD软件进行电气系统的模拟和仿真，验证电气系统的工作可靠性和稳定性。

在实施CAD机电一体化设计的过程中，机械和电气设计师需要密切合作，共同完成生产线的整体设计。

他们可以通过CAD软件进行实时的协同设计，同时对机械和电气设计进行交互验证和修改。

比如，机械设计师可以根据电气设计师的需求进行相关部件的设计和选择，而电气设计师可以根据机械设计的要求确定电气设备的安装位置和布线方式。

除了设计阶段，CAD机电一体化设计还可以在生产阶段发挥作用。

我们可以使用CAD软件生成机械和电气部件的生产工艺，包括加工工艺和装配工艺。

通过CAD软件的模拟和分析功能，我们可以预测生产过程中可能遇到的问题，并提前采取相应的措施进行优化。

总结来说，CAD机电一体化设计是一种将机械和电气设计整合在一起的设计方法。

通过使用CAD软件，设计师可以实现机械和电气设计的协同工作，提高设计效率、降低成本，并确保设计的准确性和可靠性。

1、用功能树法进行露天矿开采挖掘机的功能原理方案设计。

答：首先进行功能原理结构分析：由此推导，得出以下功能原理图：2、一数控系统如图所示，试说明图中的各个部分分别属于机电一体化系统的哪一基本结构要素。

总总总总总总1总总总1总总总n……总总总n……总总总n……总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总答：按照机电一体化系统的基本结构要素，图示数控机床的各个部分归类如下：（1）控制及信息处理单元： 键盘、计算机、显示（2）测试传感部分： 光电编码器、信号处理（3）能源： 电源（4）驱动部分： 功放、电机（5）执行机构： 联轴器、齿轮减速器、丝杠螺母机构、工作台3、已知某物料搬动机械手的结构与动作过程如图所示，要求机械手的操作方式分为手动方式和自动方式。

机械手有升降、水平移动、手爪夹持等3个自由度，采用电磁阀控制的气缸驱动，PLC控制。

要求写出物料搬动机械手设计和产品开发的详细工程路线。

左移答：系统设计的详细工程路线：1)确定目标及技术规范：机械手的用途：物料搬运。

工作方式：手动、自动方式主要技术参数：3自由度。

使用环境要求：生产线2)可行性分析：收集资料、市场分析、可行性分析、技术经济性分析3)总体方案设计：机械手总体结构方案设计制定研制计划；开发经费概算；开发风险分析。

4)总体方案的评审、评价。

5)理论分析阶段：机构运动学模型、作业空间分析；机构的力学计算；驱动元件的选择、动力计算；传感器选择、精度分析；建立控制模型、仿真分析。

6)详细设计：包括系统总体设计，业务的划分；控制系统设计；程序设计；后备系统设计；设计说明书、使用说明书。

7)详细设计方案评价。

8)试制样机：机械本体、动力驱动系统、供电系统、控制系统、传感器、检测系统。

9)机械手样机的实验测试：调试控制系统、控制性能测试、功能测试、精度、工作空间测试、动态指标测试、作业试验。

10)技术评价与审定：对样机及其性能进行综合评价，提供改进意见，对不满意的部分进行修改，直至样机合格后方可进人下一步骤。

机电一体化总体设计一、性能指标分析1、黑箱法的基本原理：将所要实现给定功能的机电系统看作为一个未知内部功能结构、功能载体的“黑箱”，通过对输入量和输出量的分析，逐步把握输入和输出的基本特征和转换关系，寻求能实现这种基本特征和转换关系的工作原理和功能载体。

物料：固体、液体、气体等任何物体；能量：机械能、电能、热能、化学能、光能等；信息：数据、指示值、测量值、掌握信号、波形等。

物料的转换指如何将毛坯、半成品转换成成品；能量的转换指如何将其它形式的能量转换成机械能或机械能变成其它形式能量；信息的传输或转换指将物理量的测量和显示、掌握信号的传递等。

功能元实施原理方案的选择各种功能实施的基础：以自然科学原理为基础的技术效应，例如以物理学为主要技术基础的力学、机械学、电学、磁学、光学等原理广泛应用于工程技术的各个领域，即所谓的物理效应。

实施的要点：同一种功能可以用不同的技术效应来实现，选出最佳的功能元实施原理方案，有以下途径可以参考：参考资料、专利、产品；利用制造性思维；利用设计名目。

2 系统结构方案设计结构方案设计是原理设计方案的结构化，而且实现结构的优化和创新。

主要包括两个方面：机械结构重点考虑和设计电气结构主要是选型，考虑安装问题结构方案设计的工作任务、内容及步骤（1）、任务：将原理方案结构化，确定机器(或系统)各个零部件的材料、外形、尺寸、加工和装配等；（2）、内容：设计零部件外形、数量、相互空间位置，选择材料、确定尺寸，进行各种计算校核，按比例绘制结构方案总图，在计算时，采纳优化设计、牢靠性设计、计算机帮助设计等现代设计方法。

结构方案设计原理与原则①、运动学设计原则空间物体有六个自由度，自由度S与约束q关系是：S = 6-q应当合理施加约束，满意物体所所需要的运动方式。

要求约束：ⅰ、点约束ⅰ、约束点离开远些ⅰ、自由度限制方向应垂直于被约束平面②、基准面合一原则结构设计尽量满意：定位基准面与使用或加工基准面统一原则，可以减小由于基准不全都带来的误差。

机电一体化系统课程设计X-Y数控工作台设计说明书：称学校名：班级学号：名生学姓：班级2016 4月年1 / 21一、总体方案设计1.1 设计任务设计一个数控X-Y工作台及其控制系统。

该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为±0.01mm，定位精度为0.025mm。

设计参数如下：负载重量G=150N；台面尺寸C×B×H＝145mm×160mm×12mm；底座外形尺寸C1×B1×H1＝210mm×220mm×140mm；最大长度L=388mm；工作台加工范围X=55mm，Y=50mm；工作台最大快移速度为1m/min。

1.2 总体方案确定（1）系统的运动方式与伺服系统由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。

定位方式采用增量坐标控制。

为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台。

（2）计算机系统本设计采用了与MCS-51系列兼容的AT89S51单片机控制系统。

它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。

控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。

系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。

LED显示数控工作台的状态。

（3）X-Y工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。

为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。

由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。

采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。

考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。

图1-1 系统总体框图2 / 21二、机械系统设计、工作台外形尺寸及重量估算2.1向拖板（上拖板）尺寸：X??50 ×145×160 长宽高体积×材料比重估算重量：按重量=2??3901010??7.8??145?16050?N04551?6?01Y向拖板（下拖板）尺寸：重量：约90N。

机电一体化系统的设计步骤机电一体化系统设计就像搭积木，但这个积木超级复杂又超酷。

一、需求分析。

这是第一步啦。

就好比你要盖房子，得先知道住的人有啥需求。

要是给小两口设计机电一体化系统，和给大工厂设计肯定不一样。

得了解这个系统是干啥用的，要达到啥功能。

比如说，是要一个能精确控制温度的设备呢，还是一个快速搬运东西的机械臂。

这一步就像侦探找线索，把各种需求都挖出来，越详细越好。

二、方案构思。

有了需求就开始想办法啦。

这时候就像厨师做菜，各种食材（技术、部件）在脑袋里组合。

是用液压传动好呢，还是电动的更合适。

就像你搭配衣服，要找最适合的风格。

要考虑系统的整体布局，各个部分怎么连接，是串联还是并联。

这个阶段可以脑洞大开，多画几个草图，把各种可能的方案都列出来，哪怕有些看起来很奇葩。

三、模型制作。

想好了方案就动手做个小模型呗。

这就像做个小手工，把想法变成实实在在能看到的东西。

可以用简单的材料先搭个架子，看看各个部分的配合是不是像想象中那么完美。

这个模型不一定要很精致，但要能体现出系统的主要结构和功能。

在这个过程中，可能会发现一些之前没想到的问题，比如说某个部件太大，装不下，或者某个连接的地方很别扭。

四、详细设计。

模型有了，问题也发现了，就开始详细设计。

这一步就像给房子画施工图，每个细节都不能放过。

要确定每个部件的具体尺寸、材料、性能参数。

比如说电机要用多大功率的，传感器的精度要多高。

这时候要参考很多资料，像个学霸一样去研究各种标准和规范。

而且要和不同的供应商联系，看看有没有合适的部件可以买，要是没有可能还得自己设计制造。

五、系统集成。

把各个精心设计的部件组合在一起就像拼拼图。

要保证它们之间能完美协作。

这时候要进行各种调试，就像给乐队调音一样。

看看系统整体的功能是不是达到了预期的要求。

如果有问题，就像医生看病一样，一点点排查是哪个部件出了毛病，是线路接错了，还是程序有bug。

六、测试优化。

最后就是测试优化啦。

让系统跑一跑，看看在各种情况下的表现。

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