机电一体化系统设计

机电一体化系统设计

一、概论

1、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、对检测传感器的要求：要求检测传感器具有高精度、高灵敏度和高可靠性。

3、检测传感技术的主要难点：提高可靠性、精度和灵敏度。需要研究的问题有：

①提高各种敏感材料和元件灵敏度及可靠性②改进传感器结构，开发温度与湿度、视觉与触觉同时存在的符合传感器③研究在线检测技术，提高抗干扰能力④研究具有自动诊断与自动补偿功能的传感器。

4、自动控制：自动控制是指在没有人参与的情况下，通过控制装置使被控制的对象或控制过程自动的按照预定的规律运行。

5、系统总体技术：系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统的观点和方法将总体分解成若干功能单元，找出能完成各个功能的技术方案，再把功能与技术方案组合成方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。

6、系统总体技术包括：插件、接口转换、软件开发、微机应用技术、控制系统的成套性和成套设备自动化技术。

7、系统总体技术需要研究的问题：①软件开发与应用技术，包括过程参数应用软件、实时精度补偿软件②研究接插件技术，体改可靠性③通过接口和数据总线标准化④控制系统成套性和成套设备自动化⑤软件的标准化。

8、机电一体化系统由机械系统、信息处理系统、动力系统、传感检测系统、执行元件系统五个系统组成。

9、系统的五种内部功能：即主功能、动力功能、计策功能、控制功能、构造功能。主功能是实现系统“目的功能”直接必须的功能，主要是对物质、能量、信息及其相互结合进行变换、传递和存储。动力功能的作用是根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转，实时“目的功能”。而构造功能则是使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必须的功能。

10、机电一体化系统设计的考虑方法同城有：几点互补法、融合法和组合法。

11、系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方法。

12、机电一体化系统的设计程序：①明确设计思想②分析、综合总体要求③拟定总体设计方案④决定性能参数⑤调研类似产品⑥划分功能模块⑦方案对比定性

⑧编写总体设计论证书。

13、机电一体化的设计类型------开发性设计：他是没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理和要求，设计出在质量和性能方满足目的要求的产品。如最初的录像机、摄影机。

14、机电一体化绿色设计：绿色设计是从并行工程思想发展而出现的一个新概念。绿色设计就是在新系统的开发阶段，就考虑其整个生命周期内对环境的影响，从而减少对环境的污染、资源的浪费、使用安全和人类健康等所产生的副作用。15、机电一体化的发展方向：智能化、模块化、网络化、微型化、系统化、绿色化。

二、机械系统部件的选择与设计

1、平面四杆机构：机架、两个连架杆、连杆。

2、机械传动部件的功能要求：应设计和选择传动隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。

3、齿轮传动间隙的调整方法（圆柱齿轮传动）：偏心套调整法、轴向垫片调整法、双片薄齿轮错齿调整法。

4、蜗形凸轮传动机构：凸轮机架、从动架。

5、导向支承部件的作用：是支承和限制运动不部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。

6、常用的导轨副的种类很多，按其接触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。

7、机电一体化系统对导轨的基本要求是导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好。

8、导轨副的组合形式：双三角形、矩形和矩形组合、三角形和矩形组合、三角形和平面组合、燕尾形导轨及其组合。

9、滚动导轨副的基本要求：导向精度、耐磨性、刚度、工艺性（导轨副要便于装配、调整、测量、防尘、润滑和维修保养）。

三、执行元件的选择与设计

1、执行元件的基本要求：①惯量小、动力大②体积小、重量轻③便于维修、安装④宜于微机控制。

2、用于私服控制的交流电动机主要有：同步型、异步型两种

反馈元件、比较元件、放大元件、执行元件、控制对象。

3、步进电机的特点：步进电机又称脉冲电动机。他是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。

4、步进电机的种类：可变磁阻型、永磁型、混合型。

5、步进电机的驱动（环形脉冲分配器）：软环分、三相六拍环形脉冲分配器、专用环形分配器器件。

6、开环步进电机控制系统主要由;环形分配器、功率放大器、步进电机、负载。

7、伺服控制系统应具有很好的稳定性、准确性、快速性。

四、微机控制系统的选择及接口设计

1、微型计算机的选择：微机应具有较完善的中断系统、足够的存储容量、完善的输入输出/通道和实时时钟。

2、传感器：是将被检测对象的各种物理变化量变为电信号的一种变换器。他主要用于检测机电一体化系统自身与作业对象、作业环境的状态，为有效的控制机电一体化系统的动作提供信息。

3传感器的选用原则：首先要根据使用要求在众多传感器中选择适合自己需要的，用户只需根据使用要求按其主要性能参数选用即可。

4、传感器选用的注意事项：①对于具体的传感器应根据实际的需要和可能，在确保其主要性能指标的情况下，适当放宽对次要性能指标的要求，切忌盲目追求各种特性参数均高指标②还可以采取某些技术措施来改善传感器的性能③注意不同系列产品的应用环境、使用条件和维护要求④为保证测量精度，根据使用目的可对环境和使用条件提出一定要求或采取措施。

5、灵敏度：灵敏度就是指传感器在稳态下的输出变化值和输入变化值的比值。

6、知道传感器检测系统（敏感元件、转换元件、基本转换电路）三部分的作用——P 191 图4.62

五、机电一体化系统的元、部件特征分析

1、反馈控制：就是通过适当的检测传感装置将输出量的全部或一部分返回到输出端，是之与输入量进行比较，用其偏差对系统进行控制，反馈控制的目标是使该偏差为零。

六、计算机数字控制程序编制基础简介

1、数控技术是指：用数字化信息发出指令并实现自动控制的技术。

2、数控机床是一种由计算机或专用控制装置的高效自动化机床，是综合应用计算机、自动控制、精密机械设计以及精密测量等技术的典型机电一体化产品。

3、数控机床的特点：高效、高精度、低劳动强度、高度自动化。数控机床适用于多品种、小批量零件的加工。

4、按道具相对工件移动的轨迹，数控机床可分为点位控制数控起床、点位直线控制数控机床、轮廓控制数控机床。

5、数控机床主要由：输入/输出设备、计算机控制装置、伺服系统、机床本体、检测反馈装置5部分组成。

6、数控机床主要作用是对刀具和工件之间的相对运动进行控制。

七、机电一体化系统机电有机结合的分析与设计

1、设计机电伺服系统时，要了解被控制对象的特点和对系统的具体要求，通过调查研究制定出系统初步设计方案。该方案包括系统主要元部件的种类、各部件之间的连接方式、系统的控制方式、所需能源形式、系统的控制方式、校正补偿方法以及信号转换的方式。

2、稳态设计包括使系统的输出运动参数达到技术要求、执行元件的参数选择、功率的匹配及过载能力的验算、各主要元部件的选择与控制电路设计、信号的有效传递、各级增益的分配、各级之间阻抗的匹配和抗干扰措施，并为后面动态设计中的校正补偿装置的引入留有余地。

3、机电伺服系统的动态设计包括：选择系统的控制方式和校正形式，设计校正装置，将其有效的连接到稳态设计阶段所设计的系统中去，使补偿后的系统成为稳定系统，并满足各项动态指标要求。

4、柔性制造系统的优点：良好的柔性、设备利用率高、投资小、产品质量高、加工费用低。

5、柔性制造系统由机床、控制系统、物料运送系统、操作人员组成。

九、典型机电一体化系统设计简介

1、自由生产线由：基础设备、运输存储设备、控制系统。

2、工业机器人：是一种能模拟人的手、臂的部分动作，按照预定的程序、轨迹及其他要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置，是典型的机电一体化产品，在实现柔性制造、提高产品质量、代替人在恶劣环境下工作中发挥着重要的作用。

3、工业机器人的技术参数：握取重量、运动速度、自由度、定位精度、程序编制与存储容量。