机电一体化系统的机电有机结合分析和设计-PPT课件
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机电一体化 完整ppt课件
2.机电技术完全融合形成新型机电一体化产品
生产机械中的激光快速成形机；信息机械中的传真机、打印机、复印机；检测机 械中的CT（计算机断层扫描诊断装置）扫描诊断仪、扫描隧道显微镜等。
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7
C650卧式车床外形图 1— 主轴变速箱 2—溜板与刀架 3—尾座 4—床身 5—丝杠
6—光杠 7—溜板箱 8—进给箱 9—挂轮箱
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8
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9
效益分析
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10
第二节 机电一体化构成要素件
11
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12
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13
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14
二、相关技术
1. 机械技术
2.
机电一体化的机械产品与传统的机械产品的
区别在于：机械结构更简单、机械功能更强、性
1 23 4
图7-18 双螺母垫片调隙式结构 1、2-单螺母 3-螺母座 4-调整垫片
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37
(b)螺纹调隙式（图7-20）其中一 个螺母的外端有凸缘而另一个螺母 的外端没有凸缘而制有螺纹，它伸 出套筒外，并用两个圆螺母固定着。 旋转圆螺母时，即可消除间隙，并 产生预拉紧力，调整好后再用另一 个圆螺母把它锁紧。
3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。
4）运动具有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运 动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。
5）磨损小，使用寿命长。
6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故 制造成本高。
7）不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的作用，下降时当传动切断后，不 能立刻停止运动，故常需添加制动装置。
生产机械中的激光快速成形机；信息机械中的传真机、打印机、复印机；检测机 械中的CT（计算机断层扫描诊断装置）扫描诊断仪、扫描隧道显微镜等。
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7
C650卧式车床外形图 1— 主轴变速箱 2—溜板与刀架 3—尾座 4—床身 5—丝杠
6—光杠 7—溜板箱 8—进给箱 9—挂轮箱
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10
第二节 机电一体化构成要素件
11
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14
二、相关技术
1. 机械技术
2.
机电一体化的机械产品与传统的机械产品的
区别在于：机械结构更简单、机械功能更强、性
1 23 4
图7-18 双螺母垫片调隙式结构 1、2-单螺母 3-螺母座 4-调整垫片
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37
(b)螺纹调隙式（图7-20）其中一 个螺母的外端有凸缘而另一个螺母 的外端没有凸缘而制有螺纹，它伸 出套筒外，并用两个圆螺母固定着。 旋转圆螺母时，即可消除间隙，并 产生预拉紧力，调整好后再用另一 个圆螺母把它锁紧。
3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。
4）运动具有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运 动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。
5）磨损小，使用寿命长。
6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故 制造成本高。
7）不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的作用，下降时当传动切断后，不 能立刻停止运动，故常需添加制动装置。
《机电一体化》课件
传感器技术
传感器原理与特性
介绍常见传感器的原理、特性 及应用范围。
传感器信号处理
研究如何将传感器信号转换为 可处理的信息。
智能传感器与MEMS技术
介绍智能传感器和MEMS技术 的最新发展。
传感器在机电一体化中的 应用实例
结合实际案例，介绍传感器在 机电一体化系统中的应用。
03
机电一体化系统设计
系统设计方法
02
机电一体化技术基础
机械技术
机械系统设计
研究如何根据功能需求，设计 出合理的机械结构、传动方式
和机构。
材料力学
研究材料的力学性能，为机械 设计提供材料依据。
制造工艺
涉及机械零件的加工、装配和 检测，确保机械系统的制造精 度。
机械振动与噪声控制
研究如何减小机械系统运行中 的振动和噪声。
电子技术
智能化
机电一体化设备能够根据预设程序或外部信号进 行自主决策和控制。
跨学科性
机电一体化涉及到多个学科领域，需要多方面的 知识和技能。
高效化
机电一体化技术的应用能够提高生产效率、降低 能耗和减少人力成本。
机电一体化的应用领域
工业自动化
在制造业中，机电一体化设备能够实现自动 化生产线、机器人焊接、智能仓储等。
工业机器人的应用范围非常广泛，包括焊接、 装配、搬运、喷涂等领域。
自动化生产线
自动化生产线是将多个机电一体化产品集成在一起，实现生产过程的自动化和智能 化。
自动化生产线通常由输送带、提升机、分拣机、检测设备等组成，其中输送带是主 线，负责将工件从一个工序传输到下一个工序。
自动化生产线的应用范围非常广泛，包括食品、饮料、制药、电子等制造业领域。
《机电一体化系统》PPT课件
提高精度可以减少片缝气隙， 降低剪切毛刺；提高送料 速度直接影响到效率。对 硅钢片横剪线的要求，不 但要满足在高速下
（240m/ min）的片料定位要 求，以保证±0.1mm的尺 寸精度，而且还要满足去 毛刺（＜0.02mm）的要求。
主－从驱动方式的速度／转矩与机 械耦合同步控制系统 ①
主－从驱动方式的速度／转矩与机 械耦合同步控制系统 ②
2. 增量式光电编码器数字测速
M法测速、T法测速和M/T法 测速。详见光电编码器的内容。
方向TTL
方向TTL为高电平时，表示CP脉冲为正转 计数脉冲；方向TTL为低电平时，表示CP脉 冲为反转计数感器用于齿轮转速测 量的工程实例
5. 电涡流式（电感式 ）接近开关在位置限位 中的应用
非电量 非电量
电参量
电量
敏感元件
传感元件
测量转换电路
（被测量）
在弹性敏感元件上粘 贴有一种称电阻应变片 的 传感元件，该传感元 件能将变形量转换为电 阻值（电参量）的变化。 应变片电阻值的变化由 电桥电路转换成电压输 出，电桥电路即为测量 转换电路
因为在转换过程中， 压力、变形量、电阻值 及电压均成线性关系， 因此，最终压力与电压 成线 性对应关系。压力 转换成电压后，经过放 大等一系 列处理，由手 持式显示器显示出压力 变化值。
IC芯线焊接工作台技术指标 ③
项目
运动部分质量 运动部分速度 滚珠丝杠螺距 滚珠丝杠直径 滚珠丝杠长度 减速机构
摩擦系数 定位性能
停止精度
技术条件 项目
技术条件
15kg 125mm/s 5mm φ14mm 150mm
AC伺服电 动机
（低惯量电 动机）
额定功率 100W 额定转速 1500r/min 额定转矩 0.32Nm 光电编码器2500P/r （增量式）
（240m/ min）的片料定位要 求，以保证±0.1mm的尺 寸精度，而且还要满足去 毛刺（＜0.02mm）的要求。
主－从驱动方式的速度／转矩与机 械耦合同步控制系统 ①
主－从驱动方式的速度／转矩与机 械耦合同步控制系统 ②
2. 增量式光电编码器数字测速
M法测速、T法测速和M/T法 测速。详见光电编码器的内容。
方向TTL
方向TTL为高电平时，表示CP脉冲为正转 计数脉冲；方向TTL为低电平时，表示CP脉 冲为反转计数感器用于齿轮转速测 量的工程实例
5. 电涡流式（电感式 ）接近开关在位置限位 中的应用
非电量 非电量
电参量
电量
敏感元件
传感元件
测量转换电路
（被测量）
在弹性敏感元件上粘 贴有一种称电阻应变片 的 传感元件，该传感元 件能将变形量转换为电 阻值（电参量）的变化。 应变片电阻值的变化由 电桥电路转换成电压输 出，电桥电路即为测量 转换电路
因为在转换过程中， 压力、变形量、电阻值 及电压均成线性关系， 因此，最终压力与电压 成线 性对应关系。压力 转换成电压后，经过放 大等一系 列处理，由手 持式显示器显示出压力 变化值。
IC芯线焊接工作台技术指标 ③
项目
运动部分质量 运动部分速度 滚珠丝杠螺距 滚珠丝杠直径 滚珠丝杠长度 减速机构
摩擦系数 定位性能
停止精度
技术条件 项目
技术条件
15kg 125mm/s 5mm φ14mm 150mm
AC伺服电 动机
（低惯量电 动机）
额定功率 100W 额定转速 1500r/min 额定转矩 0.32Nm 光电编码器2500P/r （增量式）
机电一体化系统设计有机结合分析与设计
标准化与互换性
推动模块的标准化和互换性，降低维护成本和提高系统灵活性。
结合实例分析
实例一
数控机床的机电一体化系统设计， 通过电子系统实现对机床运动的
精确控制，提高加工精度和效率。
实例二
智能机器人的机电一体化系统设计， 集成传感器、控制器和执行器，实 现机器人的自主导航、物体识别和 抓取等功能。
实例三
机床的性能和稳定性。
数控机床的应用范围广泛，可适用于各种复杂零件的 加工，为现代制造业的发展提供了重要的技术支持。
自动化生产线设计
自动化生产线是机电一体化系统设计 的又一重要应用，通过自动化技术实 现生产过程的连续性和高效性。
自动化生产线在汽车、电子产品、食 品等领域得到广泛应用，提高了生产 效率和产品质量，降低了生产成本。
结合原则
确保机电一体化系统的稳定性、可靠性、高效性 和低成本。
接口设计
合理设计机械与电子系统之间的接口，实现数据 和信号的有效传输。
结合策略与实现
策略
采用模块化设计方法，将机电一体化系统划分为若干个功能模块， 分别进行设计、优化和集成。
实现
利用现代计算机辅助设计工具进行建模、仿真和分析，确保各模块 之间的协调性和整体性能的最优化。
风力发电机的机电一体化系统设计， 将机械能转换为电能，同时考虑风 能利用率和系统稳定性。
04
机电一体化系统设计案例
数控机床设计
数控机床是机电一体化系统设计的典型案例，通过将 机械、电子、控制等技术有机结合，实现高精度、高
效率的加工能力。
数控机床设计过程中，需要考虑机床的整体布局、传 动系统、控制系统、冷却系统等方面的设计，以确保
机械系统设计是机电一体化系统 的核心部分，包括机械结构、传
推动模块的标准化和互换性，降低维护成本和提高系统灵活性。
结合实例分析
实例一
数控机床的机电一体化系统设计， 通过电子系统实现对机床运动的
精确控制，提高加工精度和效率。
实例二
智能机器人的机电一体化系统设计， 集成传感器、控制器和执行器，实 现机器人的自主导航、物体识别和 抓取等功能。
实例三
机床的性能和稳定性。
数控机床的应用范围广泛，可适用于各种复杂零件的 加工，为现代制造业的发展提供了重要的技术支持。
自动化生产线设计
自动化生产线是机电一体化系统设计 的又一重要应用，通过自动化技术实 现生产过程的连续性和高效性。
自动化生产线在汽车、电子产品、食 品等领域得到广泛应用，提高了生产 效率和产品质量，降低了生产成本。
结合原则
确保机电一体化系统的稳定性、可靠性、高效性 和低成本。
接口设计
合理设计机械与电子系统之间的接口，实现数据 和信号的有效传输。
结合策略与实现
策略
采用模块化设计方法，将机电一体化系统划分为若干个功能模块， 分别进行设计、优化和集成。
实现
利用现代计算机辅助设计工具进行建模、仿真和分析，确保各模块 之间的协调性和整体性能的最优化。
风力发电机的机电一体化系统设计， 将机械能转换为电能，同时考虑风 能利用率和系统稳定性。
04
机电一体化系统设计案例
数控机床设计
数控机床是机电一体化系统设计的典型案例，通过将 机械、电子、控制等技术有机结合，实现高精度、高
效率的加工能力。
数控机床设计过程中，需要考虑机床的整体布局、传 动系统、控制系统、冷却系统等方面的设计，以确保
机械系统设计是机电一体化系统 的核心部分，包括机械结构、传
机电一体化系统设计第6章：机电有机结合的分析与设计
若选择步进电机，则为满足电机在带负载
时能正常启动和定位停止，要求：
‘ 电机的启动力矩 q T T
• 电机的启动力矩与最大静态转矩之间具有 下列关系：
M q / M j max
步进 相数 电机 拍数 3
3 6 4
4
8 5
5
10
0.5
0.866 0.707 0.707
0.809
0.951
m——齿轮模数 Z——齿轮齿数 n——齿轮转速
（2）等效力矩的计算 [T]的计算 上述系统在时间t内克服负载作的功的总和为：
W Ti i t F j v j t
i 1 j 1 n m
折算到电机轴的功 为：
Wk T k t
W W k
ni 1 T Ti nk 2 i 1
第六章
机电有机结合的分析与设计
6.1 概述
6.2 机电有机结合之一----机电一体化系统
的稳态设计考虑方法 6.3 机电有机结合之二----机电一体化系统 的动态设计考虑方法 6.3 可靠性、安全性设计
6-1 概 述
• 机电一体化系统设计过程是机电有机结 合即机电参数相互匹配的过程。 设计步骤： 1、了解被控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的控制方 案； • 包括系统主要元部件的种类、各部分之 间的联接方式、系统的控制方式、所需 能源形式、校正补偿方法，以及信号转 换的方式等。
验算 （1）过热验算 当负载力矩为变量时，应用等效法求其等 效转矩Tdx,在电机激磁磁通近似不变时：
T .t 1 T .t 2 ...... Tdx ( N .m ) t 1 t 2 .....
2 1 2 2
机电一体化技术(1)幻灯片PPT
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第二章 机械系统设计
生产加工过程监测
切削力传感器，加工噪声 传感器，超声波测距传感 器、红外接近开关传感器 等。
开始 前页 后页 结束 20212/50/2213/5/23
密歇根大学数字化工厂
流程工业设备运行状态监控
扬子石化50MW热电机组监测系统
在电力、冶金、石化、化阳 统工逻等电流厂程30工0M业W中汽，轮生机产组监线测上系 设备运行状态关系到整个生产线荆流门电程厂。2通00常MW 建机立组2监4小测时系统在
组成：
见右图
大带轮4
电动机1 V带3
轴板7
小带轮2
开始 前页 后页 结束 20212/50/2213/5/23
机械设计的一般程序
设计机器的一般程序
计划阶段
一
方案设计阶段
般
程 序
技术设计阶段
技术文件编制
开始 前页 后页 结束 20212/50/2213/5/23
对所设计的机器需求情况进行充 分调查分析，明确机器功能及约
齿轮9
排气阀4 气缸体1
凸轮7
工作过程：
活塞下行，进气阀打开，燃气被 吸入汽缸
活塞上行，进气阀关闭，压缩燃气
点火后燃气燃烧膨胀，推动活塞 下行，经连杆带动曲轴输出转动
活塞上行，排气阀打开，排出废气
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第二章 机械系统设计
生产加工过程监测
切削力传感器，加工噪声 传感器，超声波测距传感 器、红外接近开关传感器 等。
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密歇根大学数字化工厂
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扬子石化50MW热电机组监测系统
在电力、冶金、石化、化阳 统工逻等电流厂程30工0M业W中汽，轮生机产组监线测上系 设备运行状态关系到整个生产线荆流门电程厂。2通00常MW 建机立组2监4小测时系统在
组成：
见右图
大带轮4
电动机1 V带3
轴板7
小带轮2
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机械设计的一般程序
设计机器的一般程序
计划阶段
一
方案设计阶段
般
程 序
技术设计阶段
技术文件编制
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对所设计的机器需求情况进行充 分调查分析，明确机器功能及约
齿轮9
排气阀4 气缸体1
凸轮7
工作过程：
活塞下行，进气阀打开，燃气被 吸入汽缸
活塞上行，进气阀关闭，压缩燃气
点火后燃气燃烧膨胀，推动活塞 下行，经连杆带动曲轴输出转动
活塞上行，排气阀打开，排出废气
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机电一体化系统总体设计 ppt课件
• 总体设计报告要突出设计重点，将所设计系统的特点阐述 清楚，同时应列出所采取的措施及注意事项。
• 总体设计给具体设计规定了总的基本原理、原则和布局， 指导具体设计的进行;而具体设计则是在总体设计基础上 进行的具体化。具体设计不断地丰富和修改总体设计，两
者相辅相成，有机结合。因此，只有把总体设计和系统的 观点贯穿于产品开发的过程，才能保证最后的成功。
2.2 机电一体化系统原理方案设计
• 机电一体化系统原理方案设计是整个总体设计的关键，是 具有战略性和方向性的设计工作。
• 在机电一体化系统原理方案设计中，常用的方法有功能分 析设计法、创造性方法、评价与决策方法、商品化设计思 想及方法、变型产品设计中的模块化方法和相似产品系列 设计方法等。
2.2.1 机电一体化系统原理方案设计步骤
功
物料 能量 信息
总功能
物料 能量 信息
能 分
分功能1
分功能2
分功能3
解
分功能4
模
分功能21
分功能22
分功能23
型
......
分功能…
分功能…
分功能…
• (1)功能元在机电一体化系统设计中常用的基本功能元有 物理功能元、逻辑功能元和数学功能元。
• 1)物理功能元。它反映系统中能量、物料、信号变化的物 理基本动作，常用的有转变-复原、放大-缩小、合并-分 离、传导-绝缘、存储-提取。(常用的五种物理功能元)
2.2.2.3 求解功能元(分功能)
• 功能元的原理解法是通过物理作用和作用件确定的。现在 的任务是，寻找实现各个分功能的物理作用，即求得功能 元的原理解，通常有下述几种求解方法。
• (1)直觉法 • 直觉法是设计师凭借个人的智慧、经验和创造能力，充分
• 总体设计给具体设计规定了总的基本原理、原则和布局， 指导具体设计的进行;而具体设计则是在总体设计基础上 进行的具体化。具体设计不断地丰富和修改总体设计，两
者相辅相成，有机结合。因此，只有把总体设计和系统的 观点贯穿于产品开发的过程，才能保证最后的成功。
2.2 机电一体化系统原理方案设计
• 机电一体化系统原理方案设计是整个总体设计的关键，是 具有战略性和方向性的设计工作。
• 在机电一体化系统原理方案设计中，常用的方法有功能分 析设计法、创造性方法、评价与决策方法、商品化设计思 想及方法、变型产品设计中的模块化方法和相似产品系列 设计方法等。
2.2.1 机电一体化系统原理方案设计步骤
功
物料 能量 信息
总功能
物料 能量 信息
能 分
分功能1
分功能2
分功能3
解
分功能4
模
分功能21
分功能22
分功能23
型
......
分功能…
分功能…
分功能…
• (1)功能元在机电一体化系统设计中常用的基本功能元有 物理功能元、逻辑功能元和数学功能元。
• 1)物理功能元。它反映系统中能量、物料、信号变化的物 理基本动作，常用的有转变-复原、放大-缩小、合并-分 离、传导-绝缘、存储-提取。(常用的五种物理功能元)
2.2.2.3 求解功能元(分功能)
• 功能元的原理解法是通过物理作用和作用件确定的。现在 的任务是，寻找实现各个分功能的物理作用，即求得功能 元的原理解，通常有下述几种求解方法。
• (1)直觉法 • 直觉法是设计师凭借个人的智慧、经验和创造能力，充分
机电一体化系统设计 ppt课件
2. 快速发展阶段 ▲ 时间： 20世纪70年代到80年代
▲ 发展情况：
计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一 体化的发展奠定了技术基础，人们自觉、主动地利用３Ｃ技
术的成果创造新的机电一体化产品。Mechatronics诞生。 这一阶段，机电一体化技术和产品得到了极大发展， 各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持， 其中日本在推动机电一体化技术的发展方面起了主导作用。 我国机电一体化技术的发展也始于这一阶段，80年代开 始，组织专家根据我国国情对发展机电一体化的原则、目标、 层次和途径等进行了深入而广泛的研究，制订了一系列有利 于机电一体化发展的政策法规，确定了数控机床、工业自动 化控制仪表、工业机器人、汽车电子化等15个优先发展领域 及6项共性关键技术的研究方向和课题。
机电一体化技术主要包括技术原理和使机电一体化产品 （或系统）得以实现、使用和发展的技术。
机电一体化技术是一个技术群（族）的总称，包括检测传
感技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、机械 技术及系统总体技术等。
机电一体化产品（系统）
机电一体化产品有时也称为机电一体化系统，它们是 两个相近的概念，通常机电一体化产品指独立存在的机电 结合产品，而机电一体化系统主要指依附于主产品的部件 系统，这样的系统实际上也是机电一体化产品。
数 控 铣 床
数控车床
焊接机器人
汽车防抱死系统(ABS)
1.2 发展概况
在机电一体化技术的发展过程中，其不断吸取机械学、 电子学、信息科学等学科的发展成果，以实现本学科的发 展壮大。由于这些相关学科的发展都经历了较长的过程， 因此，机电一体化技术的发展经历了一个较长期的过程。 有学者将这一过程划分为萌芽阶段、快速发展阶段和智能 化阶段三个阶段。
机电一体化系统设计(最终版) PPT
在开发过程中，一方面要求设计机械系统 时应选择与控制系统的电气参数相匹配的 机械系统参数；同时也要求设计控制系统 时，应根据机械系统的固有结构参数来选 择和确定电气参数。
第二节 机电一体化系统设计 的目标与方法
机电一体化系统设计方法
取代法 整体设计法 组合法
第二节 机电一体化系统设计 的目标与方法
第二节 机电一体化系统设计
的目标与方法
机电一体化产品和系统的分类
按机电一体化产品和系统的用途分类，有产 业机械，信息机械，民用机械等；按机械和 电子的功能和含量分类，有以机械装置为主 体的机械电子产品和以电子装置为主体的电 子产品；按机电结合的程度分类，有附加型、 功能替代型和机电融合型。
第二节 机电一体化系统设计 的目标与方法
机电一体化系统设计(最终版)
机电一体化系统设计
教学目的 篇章结构 参考资料
教学目的
本课程主要讲述机电一体化实用技术，讲 述其基本理论，进行机电一体化产品系统 设计的综合知识。同时介绍机电一体化技 术的相关内容，各组成部分的特征和选型 以及相互结合技术方法，为综合应用机电 一体化各种技术奠定基础。通过课堂讲授 和实验观察，使学生了解微电子技术和计 算机应用技术与机械技术相结合的综合性 技术，掌握机电一体化的基础知识。
机械：强度高、输出功率大、承载大载荷；实 现微小复杂运动难。
电子：可实现复杂的检测和控制；但无法实现 重载运动。
第一节 机电一体化的定义
机电一体化是在以机械、电子技术和计算 机科学为主的多门学科相互渗透、相互结 合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴 边缘技术学科。
目前机电一体化的研究和开发主要包括计 算机数控系统、机器人、计算机辅助设计 /辅助制造系统、柔性制造系统和计算机 集成制造系统等。
第二节 机电一体化系统设计 的目标与方法
机电一体化系统设计方法
取代法 整体设计法 组合法
第二节 机电一体化系统设计 的目标与方法
第二节 机电一体化系统设计
的目标与方法
机电一体化产品和系统的分类
按机电一体化产品和系统的用途分类，有产 业机械，信息机械，民用机械等；按机械和 电子的功能和含量分类，有以机械装置为主 体的机械电子产品和以电子装置为主体的电 子产品；按机电结合的程度分类，有附加型、 功能替代型和机电融合型。
第二节 机电一体化系统设计 的目标与方法
机电一体化系统设计(最终版)
机电一体化系统设计
教学目的 篇章结构 参考资料
教学目的
本课程主要讲述机电一体化实用技术，讲 述其基本理论，进行机电一体化产品系统 设计的综合知识。同时介绍机电一体化技 术的相关内容，各组成部分的特征和选型 以及相互结合技术方法，为综合应用机电 一体化各种技术奠定基础。通过课堂讲授 和实验观察，使学生了解微电子技术和计 算机应用技术与机械技术相结合的综合性 技术，掌握机电一体化的基础知识。
机械：强度高、输出功率大、承载大载荷；实 现微小复杂运动难。
电子：可实现复杂的检测和控制；但无法实现 重载运动。
第一节 机电一体化的定义
机电一体化是在以机械、电子技术和计算 机科学为主的多门学科相互渗透、相互结 合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴 边缘技术学科。
目前机电一体化的研究和开发主要包括计 算机数控系统、机器人、计算机辅助设计 /辅助制造系统、柔性制造系统和计算机 集成制造系统等。
机电一体化第八章机电一体化系统设计与应用-PPT课件
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二、 高速线材轧钢机测控系统设计思想及关键技术
1.
设计好控制系统的硬件后，就要根据工艺过程的要求进行全系统的软件 设计。在高速线材轧机自动化控制系统中，其中关键技术包括速度级联 控制、动态速度补偿、微张力控制、活套控制、联网通信等。 2. 决定速度大小的两大要素是轧机孔型的大小和轧机的速度，轧机的孔型 一旦调整好后就固定不变，只有通过选择和调整轧机的速度才能满足坯 料速度平衡的关系。在实际应用中，孔型辊缝的大小一般无法给出精确 的量值，均采用伸长率的概念加以描述。 3. 在高速线材轧制中，当钢坯头部进入轧机时，由于传动系统的固有特性， 会使轧机形成瞬间速度下降，速降量约为设定速度的1%～2%之间， 持续时间约为数百毫秒。为了保证线材生产的正常安全进行，防止由于 动态速降而产生堆钢现象，自动控制系统必须实现动态速降补偿。为了 简化控制系统，动态速降补偿采用在速度设定值中增加一个动态速降量 (5) (6) (7) (8)
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三、
1. 在接到设计任务设计所需信息开始，在构思、规划的同时，确立该设 计的质量目标。然后将其分解到设计过程的每一步骤，而且要最大限 2. 产品要赢得信誉，除功能上满足要求外，还应做到产品寿命期内少出 故障，出了故障也要便于修理，因此必须借助于可靠性设计的手段进
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3. 计算机控制系统可对气包水位、蒸气压力、炉膛温度、炉膛负压等参 数实现过负荷报警。当运行参数超过规定的界限数值时，发出声、光 自动报警信号。 4. 计算机控制系统配备了通用打印机，可定时打印出各种运行工作参数 的数据，以生产日志和产耗统计报表。系统具有定时打印、随机打印、 报警打印等多种打印方式，以表格化形式打印出全部检测结果。 5. 计算机控制系统对气、水、油等产耗数据进行累计计算，并对产气量
二、 高速线材轧钢机测控系统设计思想及关键技术
1.
设计好控制系统的硬件后，就要根据工艺过程的要求进行全系统的软件 设计。在高速线材轧机自动化控制系统中，其中关键技术包括速度级联 控制、动态速度补偿、微张力控制、活套控制、联网通信等。 2. 决定速度大小的两大要素是轧机孔型的大小和轧机的速度，轧机的孔型 一旦调整好后就固定不变，只有通过选择和调整轧机的速度才能满足坯 料速度平衡的关系。在实际应用中，孔型辊缝的大小一般无法给出精确 的量值，均采用伸长率的概念加以描述。 3. 在高速线材轧制中，当钢坯头部进入轧机时，由于传动系统的固有特性， 会使轧机形成瞬间速度下降，速降量约为设定速度的1%～2%之间， 持续时间约为数百毫秒。为了保证线材生产的正常安全进行，防止由于 动态速降而产生堆钢现象，自动控制系统必须实现动态速降补偿。为了 简化控制系统，动态速降补偿采用在速度设定值中增加一个动态速降量 (5) (6) (7) (8)
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三、
1. 在接到设计任务设计所需信息开始，在构思、规划的同时，确立该设 计的质量目标。然后将其分解到设计过程的每一步骤，而且要最大限 2. 产品要赢得信誉，除功能上满足要求外，还应做到产品寿命期内少出 故障，出了故障也要便于修理，因此必须借助于可靠性设计的手段进
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3. 计算机控制系统可对气包水位、蒸气压力、炉膛温度、炉膛负压等参 数实现过负荷报警。当运行参数超过规定的界限数值时，发出声、光 自动报警信号。 4. 计算机控制系统配备了通用打印机，可定时打印出各种运行工作参数 的数据，以生产日志和产耗统计报表。系统具有定时打印、随机打印、 报警打印等多种打印方式，以表格化形式打印出全部检测结果。 5. 计算机控制系统对气、水、油等产耗数据进行累计计算，并对产气量
机电一体化系统的机电有机结合分析与设计 ppt课件
14
（一）半闭环控制方式
1、半闭环控制方式（系统不受干扰）
图 用滚珠丝杠传动工作台的伺服进给系统
图 系统框图
传递函数
15
2、半闭环控制方式（如系统受到外扰动转矩Tr）
图 附加扰动力矩（以电压VD表示）的系统框图
图 附加扰动力矩的等效电压后的框图
传递函数
16
（二）全闭环控制方式
图 全闭环直流伺服控制系统组成
1、求等效转动惯量: 2、求等效负载转矩:
8
3、计算举例
图 进给系统示意图
9
二、执行元件的匹配选择
（一）系统执行元件的转矩匹配 1、转矩计算
总负载转矩: 考虑到机械的总传动效率:
2、转矩匹配计算实例
判定条件:
10
（二）系统执行元件的功率匹配（直流、交流伺服电动机） 1、功率估算
2、验算 （1）过热验算
图图系统框图一半闭环控制方式图图用滚珠丝杠传动工作台的伺服进给系统传递函数1半闭环控制方式系统不受干扰2半闭环控制方式如系统受到外扰动转矩tr图图附加扰动力矩以电压vd表示的系统框图图图附加扰动力矩的等效电压后的框图传递函数二全闭环控制方式图图全闭环直流伺服控制系统组成图图系统框图传递函数三机械传动系统传递函数gjs的建立方法图图伺服进给机械传动系统示意图设设k为等效到电动机轴上的总的扭转刚度则有k为为k3k4换算到轴上的扭转刚度又有
（2）过载验算
11
三、减速比的匹配选择与各级减速比的分配
1、使加速度最大的选择方法；
2、最大输出速度选择方法；
3、满足送进系统传动基本要求的选择方法； 4、减速器输出轴转角误差最小原则； 5、对速度和加速度均有一定要求的选择方法。
12
四、检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路及电源等的匹配 选择与设计
（一）半闭环控制方式
1、半闭环控制方式（系统不受干扰）
图 用滚珠丝杠传动工作台的伺服进给系统
图 系统框图
传递函数
15
2、半闭环控制方式（如系统受到外扰动转矩Tr）
图 附加扰动力矩（以电压VD表示）的系统框图
图 附加扰动力矩的等效电压后的框图
传递函数
16
（二）全闭环控制方式
图 全闭环直流伺服控制系统组成
1、求等效转动惯量: 2、求等效负载转矩:
8
3、计算举例
图 进给系统示意图
9
二、执行元件的匹配选择
（一）系统执行元件的转矩匹配 1、转矩计算
总负载转矩: 考虑到机械的总传动效率:
2、转矩匹配计算实例
判定条件:
10
（二）系统执行元件的功率匹配（直流、交流伺服电动机） 1、功率估算
2、验算 （1）过热验算
图图系统框图一半闭环控制方式图图用滚珠丝杠传动工作台的伺服进给系统传递函数1半闭环控制方式系统不受干扰2半闭环控制方式如系统受到外扰动转矩tr图图附加扰动力矩以电压vd表示的系统框图图图附加扰动力矩的等效电压后的框图传递函数二全闭环控制方式图图全闭环直流伺服控制系统组成图图系统框图传递函数三机械传动系统传递函数gjs的建立方法图图伺服进给机械传动系统示意图设设k为等效到电动机轴上的总的扭转刚度则有k为为k3k4换算到轴上的扭转刚度又有
（2）过载验算
11
三、减速比的匹配选择与各级减速比的分配
1、使加速度最大的选择方法；
2、最大输出速度选择方法；
3、满足送进系统传动基本要求的选择方法； 4、减速器输出轴转角误差最小原则； 5、对速度和加速度均有一定要求的选择方法。
12
四、检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路及电源等的匹配 选择与设计
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(6.2)
2
v j k i J m J eq i j i 1 j 1 k k
m 2 n
m 2 n
(6.3)
用工程上常用的单位，可将上式改写为
n v 900 j k i J m J eq i j 2 i n n 1 j 1 k k
下面以机床工作台的伺服进给系统为例加以说明
图6.1 伺服进给系统示意
1) 求等效转动惯量Jkeq。该系统运动部件的动能总和为
n 1m 2 1 2 E m Jj iv i j 2i 2 1 j 1
(6.1)
设等效到执行元件输出轴上的总动能为
由于E=Ek 故
1 k 2 Ek Jeq k 2
第6章
机电一体化系统的机电有机结合 分析与设计
第6章 机电一体化系统的机电有机结合分析与设计
机电一体化
本章要求：
了解：机电一体化系统的稳态设计、动态设计及 可靠性、安全性设计。
第6章 机电一体化系统的机电有机结合分析与设计
机电一体化
机电一体化系统的稳态与动态设计
以机电伺服系统为例说明机电一体化系统设计的一般考虑方法。 位置伺服控制系统和速度伺服控制系统的共同点是通过系统执行元件 直接或经过传动系统系统驱动被控对象，从而完成所需要的机械运动。 因此，工程上是围绕机械运动的规律和运动参数对它们提出技术要求的 设计过程： 1.了解被控对象的特点和对系统的具体要求，通过调查研究制定出系 统的设计方案（初步设计方案） 2.进行定量的分析计算，先是稳态设计计算，后是动态设计计算（详 细的设计方案） 3.样机试验与调试，确定系统的实际电路与实际参数。 此外，设计过程中，要充分注意系统的安全性、可靠性要求。
第6章 机电一体化系统的机电有机结合分析与设计
机电一体化
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（或转矩）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等，为后面动态设计中的校正补偿装
置的引入留有余地。 动态设计主要是设计校正补偿装置，使系统满足动态技术指标要 求;通常要进行计算机仿真，或借助计算机进行辅助设计 作用：考虑了机电参数的有机结合与匹配，有利于减少盲目性和 加快样机的调试和电路参数的确定。
(6.8)
3) 计算举例。求等效到电动 机轴上的等效转动惯量Jmeq和 等效转矩Tmeq
解：1)求Jmeq ，根据式(6.4)可得
2 n d z mz Ⅱ 2 1 2 v n n mz / 60000 因为 A m m 1 60 2 z 1000 60 2
v m 900 2 A J 2m J J J ( n n ) eq A m Ⅰ Ⅱ Ⅱ m n m
的机电一体化系统。
1
第6章 机电一体化系统的机电有机结合分析与设计
机电一体化
6.1 机电有机结合之一 ——机电一体化系统的稳态设计考虑方法
6.1.1 典型负载分析 (1)典型负载 为便于分析，将具体的负载分解为几种典型负载，使定量设计计算 得以顺利进行 ◆ 惯性负载 ◆ 弹性负载
◆ 外力负载
◆ 摩擦负载
择，应与被控对象的固有参数（如质量、转动惯量等）相互匹配。
因此，要将被控对象相关部件的固有参数及其所受的负载（力或转 矩等）等效换算到执行元件的输出轴上，即计算其输出轴承受的等
效转动惯量和等效负载转矩（回转运动）或计算等效质量和等效力
（直线运动）。
第6章 机电一体化系统的机电有机结合分析与设计
机电一体化
控制器 输入指令
调节 元件
输出量 执行元件 被控对象
比较元件
测量、反馈 元件 伺服系统基本结构方框图
电气控制装置
执行元件
机械执行 装置 传 感 器
由两部分组成： 电气控制装置部分 机械执行装置部分
伺服系统组成
在控制信号传递路线上，以执行元件作为接口
在反馈信号传递路线上，以传感器作为接口
许多机电一体化产品需要对输出量进行跟踪控制，因而伺服系统是 机电一体化产品的一个重要组成部分，而且往往是实现某些产品目 的功能的主体。伺服系统离不开机械技术和电子技术的综合运用， 其功能是通过机电结合才得以实现的，因此，它本身就是一个典型
k kt
则执行元件所作的功为
k W T k eq kt
(6.6)
n
由于W=Wk 故
T F v T i i/ k j j/ k
k eq i 1 j 1
m
(6.7)用工程上常用的来自位，可将上式改写为 m n 30 n v k j i T F T eq i j n n k k i 1 j 1
伺服系统基本概念
伺服系统也称之为随动系统，是一种能够跟踪输入的指令进行动作，从 而获得精确的位置、速度或力、力矩输出的自动控制系统。大多数伺服 系统具有检测反馈回路，因而伺服系统是一种反馈控制系统。它是根据 输入的指令值与输出的物理量之间的偏差进行动作控制的，其工作过程 是一个偏差不断产生，又不断消除的动态过渡过程。
负载分析的目的：获得负载的综合定量数值，为选择与之匹配的 执行元件及进行动态设计分析打下基础。
第6章 机电一体化系统的机电有机结合分析与设计
机电一体化
6.1 机电有机结合之一 ——机电一体化系统的稳态设计考虑方法
6.1.1 典型负载分析 (2)负载的等效换算 被控对象的运动有直线运动和回转运动 被控对象与执行元件有直接联系的，也有通过传动装置联接的。 执行元件的额定转矩（或力、功率）、加减速控制及制动方案的选
式中：nk_——执行元件的转速(r/min)
2
(6.4)
第6章 机电一体化系统的机电有机结合分析与设计
机电一体化
2) 求等效负载转矩Tkeq。设上述系统在时间t内克服负载所作 功的总和为 m n W F T iv it j jt (6.5)
i 1 j 1
同理，执行元件输出轴在时间t内的转角为