5-1 计算机控制机电系统设计
浅谈机电一体化系统设计的目标和方法
ＯＣＣＵＰＡＴＩＯＮ121 2010 7机电一体化，是在微型计算机为代表的微电子技术、信息技术迅速发展并向机械工业领域迅猛渗透，以及与机械电子技术深度结合的现代工业的基础上，综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术和软件编程技术等群体技术，即实现多种技术功能复合的最佳功能价值系统工程技术。
一、现代机械的机电一体化目标1.提高精度机电一体化技术使机械传动部件减少，因而使由机械磨损、配合间隙及变形而引起的误差大为减小。
同时，由于机电一体化技术采用电子技术实现自动检测和自动控制，校正和补偿由各种干扰因素造成的动态误差，从而达到单纯机械装备所不能实现的工作精度。
2.增强功能现代高新技术的引入，使机械产品具有多种复合功能，成为机电一体化产品和系统的一个显著特点。
3.提高生产效率机电一体化系统可以有效地减少生产准备时间和辅助时间，缩短新产品的开发周期，提高产品的合格率，减少操作人员，从而提高生产效率，降低生产成本。
4.节约能源，降低能耗通过采用低能耗的驱动机构、最佳调节控制和提高能源利用率等措施，机电一体化产品和系统可以取得良好的节能效果。
5.提高安全性、可靠性机电一体化系统通常具有自动检测、监控子系统，因而可以对各种故障和危险自动采取保护措施并及时修正参数，提高系统的安全可靠性。
6.改善操作性和实用性机电一体化系统的各相关子系统的动作顺序和功能协调关系由控制系统决定。
随着计算机技术和自动控制技术的发展，可以通过简便的人机界面操作，实现复杂的功能控制和良好的使用效果。
7.减轻劳动强度，改善劳动条件减轻劳动强度包括繁重的体力劳动和复杂的脑力劳动。
机电一体化系统能够由计算机完成设计制造和生产过程中极为复杂的人的智力活动和资料记忆查找工作，同时又能通过过程控制自动运行，从而替代人的紧张和单调重复操作以及在危险环境下的工作。
8.简化结构，减轻重量机电一体化系统采用先进的电力电子器件和传动技术，替代老式笨重的电气控制和机械变速结构，由微处理器和集成电路等微电子元件和程序逻辑软件，完成过去靠机械传动链来实现的关联运动，从而使机电一体化产品和系统的体积小，结构简化，重量减轻。
机电控制系统
技术发展趋势
国外自上世纪60年代出现第一台工业过程控制系统以来已经过三代产 品的发展变化，随着计算机技术及产品的发展，工业控制系统亦相应地
不断发展。
➢半导体技术集成电路技术推动微处理器、微控制器的发展。 ➢分布式控制系统已推出第四代产品，如Honeywell 公司新推出的 Expersion PKS（过程知识系统），Emerson公司的A2，横河公司 的R3（PRM－工厂资源管理系统），ABB公司的Industrial IT系统。 ➢计算机技术、通信技术、控制技术的发展，使控制系统向全数 字化、全分散式、全开放可互操作和开放式互联网络的新一代现 场总线控制系统(FCS)发展。 ➢PLC技术20世纪80年代走向成熟。 ➢自动控制理论及技术的发展，先进控制、模糊控制、人工神经 网络、人工智能技术和专家系统已在工业自动化中实际应用。
❖ 富士通法纳克公司：“将 机械学和电子学有机结合 而提供的更为优越的技
术。”
工业机械手臂
机电控制技术在机械制造业中的应用，大致经历了参数数显、硬 件数控（NC控制）、计算机数控（CNC控制）、柔性生产系统 （FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）、虚拟制造系统（VMS） 等过程，使加工制造技术与生产经营模式紧密结合，形成现代制 造技术和系统。
输入量
比较元件 串联补件
驱动元件
局部反馈
并联补偿元件
执行元件
被控对象 输出量
主反馈
测量元件
”代表比较元件，它将测量元件检测到的被控量与输入量进行比 较；“-”号表示两者符号相反，即负反馈；“+”号表示两者符号相 同，即正反馈。
二，机电控制系统的发展史
机电控制系统的发展按所用控制器件来划分，它主要经历了四个阶段：
机电一体化系统课程设计题目(修改)
机电一体化课程设计指导书一、前言《机电一体化系统设计》课程设计属于高等教育自学考试“机电一体化工程”本科专业中的课程设计，课程设计采取单独制定大纲。
设计题目可以不同，基本上可归纳为以下几个方面：1、PLC在机电一体化系统中的应用；2、采用微型计算机（包括单片机）进行数据采集、处理和控制，主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用。
3、选用驱动控制电路，对执行机构进行控制。
主要考虑电机的选择及驱动力矩的计算，控制电机电路的设计。
4、精密执行机构设计。
主要考虑数控机床工作台传动装置的设计问题；弄清楚机构或机械执行的主要功能（如传递运动、动力、位置控制、微调、精密定位或高速运转等），进行力（力矩）、负载功率、惯性（转动惯量）、加（减）速控制和误差计算。
提出装配图和零件加工图。
提出对电机驱动和计算机控制要求。
5、采用传感器进行反馈控制或作为测量敏感器件，构成传感检测系统。
课程设计时，并不一定要对上面的内容面面俱到，但要对学生进行全面训练，则尽可能多涉及一些。
二、课程设计参考书课程设计指导书临时没有自编教材，但供参考的书图书馆不少，以下列出：1．姜培刚编机电一体化系统设计机械工业出版社(2004年9月版)2．黄筱调等编机电一体化技术基础及应用机械工业出版社(第一版)3. 赵松年、张奇鹏主编《机电一体化系统设计》北京：机械工业出版社4. 张建民《机电一体化原理与应用》北京：国防工业出版社5. 魏俊民《机电一体化系统设计》北京：中国防织出版社6. 周祖德《机电一体化控制技术与系统》华中理工大学出版社7. 胡泓，姚伯威主编《机电一体化原理及应用》北京：国防工业出版社8. 梁景凯主编《机电一体化技术与系统》北京：机械工业出版社9．华东纺织工学院主编机床设计图册上海科学技术出版社(1979年12月版) 另外可根据学校图书馆的实际收藏来选择参考书。
三、说明书内容的要求1、课题的来源及现实意义2、总体方案的确定3、系统框图的分析4、电气执行元件的选用说明5、机械传动设计计算6、机械和电气其它部分（如传感器反馈、测量等）的说明。
基于51单片机的简易计算器设计
基于单片机的简易计算器设计摘要2关键字：80C51 LCD1602 4＊4矩阵键盘计算器2第一章绪论21。
1系统开发背景21。
2系统开发意义21.3设计目的21。
4设计任务2第二章单片机发展现状22.1目前单片机的发展状况22。
1。
1单片机的应用场合32.2计算器系统现状42.3简易计算器系统介绍4第三章系统硬件设计及说明43。
1系统组成及总体框图53.2AT89S52单片机介绍63。
3其它器件介绍及说明83.3.1 LCD1602液晶显示83。
3.2 4*4矩阵扫描按键9第四章 PROTEUS模拟仿真11第五章系统硬件设计及说明11第六章软件设计116.1汇编语言和C语言的特点及选择116.2源程序代码12摘要近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入,同时带动传统控制检测技术日益更新。
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，但仅单片机方面的知识是不够的，还应根据具体硬件结构、软硬件结合，来加以完善。
计算机在人们的日常生活中是比较常见的电子产品之一.可是它还在发展之中，以后必将出现功能更加强大的计算机,基于这样的理念，本次设计主要以80C51单片机为控制芯片，用C语言进行编程实现,通过4*4矩阵键盘控制,输出用液晶屏LCD1602显示,该计算器可以实现一般的加减乘除四则混合运算。
关键字：80C51 LCD1602 4*4矩阵键盘计算器第一章绪论1.1 系统开发背景随着社会的发展，科学的进步，人们的生活水平在逐步的提高，尤其是微电子技术的发展,犹如雨后春笋般的变化。
电子产品的更新速度快就不足惊奇了。
计算器在人们的日常中是比较的常见的电子产品之一。
如何使计算器技术更加的成熟,充分利用已有的软件和硬件条件，设计出更出色的计算器，使其更好的为各个行业服务，成了如今电子领域重要的研究课题.1.2 系统开发意义今天，人们的日常生活中已经离不开计算器了，社会的各个角落都有它的身影，比如商店,办公室,学校……。
机电一体化系统设计05 步进电机运动控制系统
5.1步进电动机与驱动
1 步进电动机的特点、种类、工作原理
厚 励德 志达 勤理 工
（1）步进电动机的特点 ① 控制精度由步进角决定（ ）。 ② 抗干扰能力强，在电机电特性工作范围 内，不产生丢步或无法工作等现象。 ③ 电机每转动一步进角，尽管存在一定的 转角误差，但电机转动360时，转角累计误 差将归零。 ④ 控制性能好，不会产生“丢步 ”现象 （频繁启动、停止、变换）。 ⑤易于与计算机实现对接。
变频信号
方向信号
步进电机驱动电路的组成
一种四相步进电机驱动实用电路
或
厚 励德 志达 勤理 工
0.1μ f 0.1μ f
步进脉冲输出
0.1μ f
定时器引 脚布局
引脚布局
引脚布局
步进脉冲
线圈
方 向 控 制
线圈
7476 7486
线圈
线圈
（1）环形脉冲分配器
厚 励德 志达 勤理 工
由于步进电机的工作原理是各绕组必须按 一定的顺序通电变化才能正常工作（A B C A B ……；A AB B BC C CA A AB B ……），完成这种通电 顺序变化规律的部件称为环形脉冲分配器。 实现脉冲环形分配的方法主要有三种： 软件分频——可充分利用计算机资源降低 硬件成本，可适用多相脉冲分配，但将占用 计算机运行时间，影响步进电机的运行速度。 IC集成电路分频（DDT分频器）——灵活性 强，可搭接成任意通电顺序的环形分配器， 不站用计算机的工作时间。
功率放大器是实现控制信号与步进电机匹配的 重要组件。 常见的步进电机功率放大器的组成与特点如下： ·单电压功率放大电路
w w w
特点：电路结构简单，但串联R2消耗能量降低放大 功率；电感较大使电路对脉冲反应较慢,输出波形 差。主要用于转速要求不高的小型步进电机控制。
机电一体化技术课后习题及答案
机电一体化技术课后习题及答案（孙卫青版第二版）1- 1 、试说机电一体化的含义答：机电一体化是在机械主功能、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。
1- 2 、机电一体化的主要组成、作用及其特点是什么答：主要由机械本体、动力系统、传感与检测系统、信息处理及控制系统和执行装置等组成。
机械本体用于支撑和连接其他要素，并把这些要素合理的结合起来，形成有机的整体。
动力系统为机电一体化产品提供能量和动力功能，驱动执行机构工作以完成预定的主功能。
传感与检测系统将机电一体化产品在运行过程中所需要的自身和外界环境的各种参数及状态转换成可以测定的物理量，同时利用检测系统的功能对这些物理量进行测定，为机电一体化产品提供运行控制所需的各种信息。
执行装置在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。
1- 3 、工业三大要素是什么？答：物质、能量和信息。
1- 4 、传统机电产品与机电一体化产品主要区别是什么？答：传统的机电产品机械与电子系统相对独立，可以分别工作。
机电一体化产品是机械系统和微电子系统的有机结合，从而赋予其新的功能和性能的一种新产品，产品功能是由所有功能单元共同作用的结果。
1- 6 、应用机电一体化技术的突出特点是什么？答：①精度提高；②生产能力和工作质量提高；③使用安全性和可靠性提高；④调解和维护方便，使用性能改善；⑤具有复合功能，适用面广；⑥改善劳动条件，有利于自动化生产；⑦节约能源，减少耗材；⑧增强柔性。
1- 7 、机电一体化的主要支撑技术有哪些，它们的作用如何？答：1、传感测试技术，在机电一体化产品中，工作过程的各种参数、工作状态以及工作过程有关的相关信息都要通过传感器进行接收，并通过相应的信号检测装置进行测量，然后送入信息处理装置以及反馈给控制装置，以实现产品工作过程的自动控制。
2、信息处理技术，在机电一体化产品工作过程中，参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。
PLC控制系统的设计（经典）
PLC控制系统的设计一、PLC控制系统设计原则与步骤1.PLC控制系统设计的基本原则PLC控制系统主要是实现被控对象的要求提高生产效率和产品质量其设计应遵循以下原则1 最大限度地满足被控对象的控制要求。
设计前应深入现场进行调查研究搜集资料并拟定电气控制方案。
2 在满足控制要求的前提下力求使控制系统简单、经济、使用及维护方便。
3 保证控制系统安全、可靠。
4 考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC的容量时应适当留有欲量。
N 满足要求Y N 满足要求2 .PLC控制系统设计的步骤PLC控制系统的设计过程如图所示1. 根据生产工艺过程分析控制要求分析控制要求确定人机接口设备PLC硬件系统设置分配I/O点设计梯形图程序写入、检查程序模拟调试设计制作控制柜现场安装接线分析控制要求现场总调试交付使用这一步是系统设计的基础设计前应熟悉图样资料深入调查研究与工艺、机械方面的技术人员和现场操作人员密切配合共同讨论以解决设计中出现的问题。
应详细了解被控对象的全部功能例如机械部件的动作顺序、动作条件、必要的保护与联锁系统要求哪些工作方式例如手动、自动、半自动等设备内部机械、液压、气动、仪表、电气五大系统之间的关系PLC与其他智能设备例如别的PLC、计算机、变频器、工业电视、机器人之间的关系PLC是否需要通信联网需要显示哪些数据及显示的方式等等。
还应了解电源突然停电及紧急情况的处理以及安全电路的设计。
有时需要设置PLC之外的手动的或机电的联锁装置来防止危险的操作。
对于大型的复杂控制系统需要考虑将系统分解为几个独立的部分各部分分别单独的PLC或其他控制装置来控制并考虑它们之间的通信方式。
1. 选择和确定人机接口设备I/O设备用于操作人员与PLC之间的信息交换使用单台PLC的小型开关量控制系统一般用指示灯、报警器、按钮和操作开关来作人机接口。
PLC本身的数字输入和数字显示功能较差可以用PLC的开关量I/O点来实现数字的输入和显示但是占用的I/O点多甚至还需要用户自制硬件。
第五章 机电一体化控制系统及其模块电路设计
图5-1 专用微机控制系统的组成
第二节 机电一体化控制系统微控制器的选择
一、微型计算机的系统构成： 人们经常提到“微机”这个术语，该术语是三个概念的 统称，即微处理器、微型计算机与微型计算机系统。 微处理器简称μP或MPU或CPU，它是一个独立的芯片，内 部含有数据通道、多个寄存器、控制逻辑部件、运算逻辑部 件以及时钟电路等。 微型计算机简称μC或MC，它是以微处理器为核心，加上 ROM、RAM、I/O接口电路、系统总线以及其他支持逻辑电 路所组成的计算机。如果以上各部分均集成在一个芯片，那 么这个芯片就叫微控制器，简称MCU，也就是人们常说的 单片机。 微型计算机系统简称MCS，一般将配有系统软件、外围设 备、系统总线接口的微型计算机称为微型计算机系统。 本节主要针对机电一体化设备专用微机控制系统，来讨 论微处理器与微控制器的选择。
集成稳压器的功能是将非稳定的直流电压变换成稳 定的直流电压。集成稳压器按工作方式可分为串联型 稳压器、并联型稳压器和开关型稳压器三种。其中开 关型稳压器的效率最高，可达70%以上，但其输出电 压的纹波较大；并联型稳压器输出电流小，但是电压 的稳定度高，主要用来作电压基准；串联型稳压器的 效率虽较低，但其输出电流范围较宽，主要用于低电 压、小电流的场合，比如，给控制系统的主机电路供 电等。
1）三端固定正电压稳压器 常用型号为7800系列。图5-2是7800稳压器的 外观图和元件符号，图a为金属封装，输出 电流较大；图b为塑料封装，输出电流较小； 图c是7800稳压器的电路符号。7800系列正 稳压器常见的标称输出电压有+5V、+6V、 +8V、+9V、+12V、+15V、+18V、+20V、 +24V等。
机电系统综合课程设计
机电系统综合课程设计任务书一、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、标准和规范，编写技术文件（说明书）等。
二、设计任务及要求设计题目：宠物自动喂食机的设计1.设计内容包括：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：定时投放饲料，具有开机自检功能，可以设定开启关闭时间的长短，适应不同宠物食量的需要；3.机械部分的设计：零件图，装配示意图；4.计算机控制的设计：控制系统接口图一张；5.控制装置采用直流减速电机驱动，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。
6.编写设计计算说明书1份。
摘要本次设计宠物自动喂食机的基本功能和设计思路，根据给定的规定动作顺序，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，完成宠物自动喂食机理论方案的创新设计，并绘制必要的零部件图，其中包括装置的原理方案构思和拟定；原理方案的实现、传动方案的设计，主要结构的设计简图；设计计算与说明。
宠物自动喂食机设计要求：定时投放饲料，具有开机自检功能，可以设定开启关闭时间的长短，适应不同宠物食量的需要，使用电动机驱动，其电源应为安全电源。
宠物自动喂食机设计的主要技术关键问题为：饲料的定时投放，料口的开合角度的确定，定时长短的设计，时间设定模块的组合。
关键字：单片机设计计算定时机构目录任务书 (i)摘要 (ii)目录 (iii)1 主轴的设计 (1)2主轴材料的选择 (1)3 主轴加工方法的选择 (1)4 主轴参数计算： (1)5 减速电动机的选择： (4)6 控制系统设计 (5)7 程序编写 (6)设计心得 (28)参考文献 (28)1 主轴的设计在宠物自动喂食机上采用直接由电机带动主轴旋转，控制料口的开启和关闭，由于电机选用的是具有自锁功能的直流减速电机，中间不采用减速装置，简化结构设计，使系统的结构尽量的紧凑。
机电一体化系统设计
1、先进制造技术
先进制造技术（AMT－Advanced Manufacturing Technology）先进制造 技术是传统制造技术不断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理 等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、 使用Байду номын сангаас服务的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产， 并取得理想技术经济效果的制造技术的总称。
系统的五个子系统及其功能
• 1 计算机（微机） • 2 执行元件 • 3 机构 • 4 传感器 • 5 动力源
控制功能 操作功能 构造功能 检测功能 动力功能
2、机电一体化相关技术
机械技术、微电子技术、信息技术、 控制技术、传感器技术、驱动技术、 计算机技术、软件技术
等多种学科的技术融合在一起，紧密结合在一起。
机电一体化系统设计步骤：
• 1明确任务 • 2调研 • 3方案拟定（设计） • 4机械部件设计 • 5电气控制硬件设计 • 6控制软件设计 • 7组织生产、调试 • 8改进设计 • 9整理资料
机电一体化机械系统（特点）要求
• 1低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件。 • 2缩短传动链，提高传动与支承刚度。 • 3最佳传动比，减少系统等效转动惯量，提高加
• 1)单推一单推式 • 2)双推一双推式 • 3)双推一简支式 • 4)双推一自由式
1)单推一单推式
• 止推轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧 力。其特点是轴向刚度较高，预拉伸安装时， 预紧力较大，但轴承寿命比双推一双推式低。
2)双推一双推式
• 两端分别安装止推轴承与深沟球轴承的组合，并施加 预紧力，其轴向刚度最高。该方式适合于高刚度、高 转速、高精度的精密丝杠传动系统。但随温度的升高 会使丝杠的预紧力增大，易造成两端支承的预紧力不 对称。
毕业设计(论文)-PLC自动门控制系统设计
2.3.2系统设计的基本步骤
在自动门系统设计与调试过程中最主要的是先列出设计的主要步骤流程图，如图2-2所示。
公共场所的自动平移门因为使用频率非常频繁，而任何自动门的使用频率和使用寿命都有限。例如机场、大型超市和医院外门的人员流量每天可达成千上万人次，或者在特定时间段里集中通过大量人员，在这种情况下，要使用自动门就必须进行综合考虑。例如增加门的数量，加大门扇宽度，增加关门延迟时间等。具体参数如表2-1所示。
220V AC,50-60Hz
驱动器电源
380V AC,50Hz
驱动器输出额定功率
120W
在本毕业设计的自动门针对人流较多的商场，应对周围环境进行综合考虑，所以在本课题的自动门机械传动设计中考虑了以下几个方面：
1）自动门的传动主要包括安装板，轨道，门机，皮带，吊挂件等。
2）所有的组件都为插入式元件，使得安装很简便。
由于自动门在通电后可以实现无人看管，同时又可节约空调能源、防风、防尘、降低噪音，既方便又提高了建筑的档次，于是迅速在国内外的建筑市场上得到大范围的普及。同时也几乎成为了银行，写字楼，酒店等办公娱乐场所装修必不可少的一项配置。
自动平移门最常见的形式是自动门机及门内外两侧加雷达，当人走近自动门时，雷达感应到人的存在，给控制器一个开门信号，控制器通过驱动装置将门打开。当人通过门之后，再将门关闭。由于自动平移门在通电后可以实现无人管理，既方便又提高了建筑的档次，于是迅速在国内外建筑市场上得到大范围的普及。
在自动门控制系统的设计过程中主要要考虑以下几点：
机电一体化系统设计
图2.6 锥齿轮轴向压簧调整
图2.7 锥齿轮周向弹簧调整 1.大片锥齿轮 2.小片锥齿轮 3.锥齿轮 4.镶块 5.弹簧 6.止动螺钉 7.凸爪 8.槽
（四）齿轮齿条传动机构
结构如图2.8所示。用于行程较长的大型机床上，易于得 到高速直线运动。 1.双片簿齿轮调整法 分别与齿条齿槽的左、右两侧贴紧， 从而消除齿侧间隙（传动负载小时采用）。 2.双厚齿轮传动的结构 进给运动由轴5输入，该轴上装有
1.垫片调整法 结构如图2.4所示。在两薄片斜齿轮1、2中间 加垫片3，改变两薄片斜齿轮之间的轴向距离，使薄片斜齿 轮1、2的螺旋线错位。
特点：1)结构简单；2)齿侧间隙不能自动补偿。3) 使用时需 要反复测试齿轮的啮合情况，反复调节垫片的厚度。
图2.4 斜齿薄片齿轮垫片调整
(二)斜齿轮传动机构
功用： 转矩匹配； 惯量匹配；脉冲当量匹配；降速
消除传动间隙
作用：消除反向间隙，提高传动精度 方法：使啮合状态轮齿的两侧均处于接触状 实现：偏心轴调整、轴向垫片调整 （刚性）
轴向压簧调整、周向压簧调整（柔性）
径向（中心矩）调隙法；轴向调隙法；周向(切向）调隙法
(一)直齿圆柱齿轮传动机构
1.偏心轴套调整法 结构如图2.1所示。转动偏心轴套2调整 两啮合齿轮的中心距，消除齿侧间隙及其造成的换向死区。 特点：结构简单，侧隙调整后不能自动补偿。
此外，还要求机械系统具有较大的刚度、良好的可靠性和重量轻、 体积小、寿命长。
三、机械系统的组成
1.传动机构 ：如，齿轮传动机构、蜗杆蜗轮传动机构、丝杠传动机 构、链传动、带传动等。
要求：满足整个机械系统良好的伺服性能；要满足传动精度的要求； 满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性的要求。
机电一体化系统设计教学大纲张建民版第四版
机电⼀体化系统设计教学⼤纲张建民版第四版《机电⼀体化系统设计》教学⼤纲⼀、课程名称1、中⽂名称：机电⼀体化系统设计2、英⽂名称：Mechatronics System Design⼆、学时总学时：90学时，其中，理论学时：72学时，实践学时：18学时学分：4学分三、开课学期第7学期四、课程考核要求考查，平时成绩占总成绩的30％，实验成绩占总成绩的20％，考试成绩占总成绩的50％。
五、课程概述本课程是机械电⼦⼯程专业的专业必修课。
本课程从系统的观点出发，利⽤机械技术和电⼦技术，通过机电有机结合构造最佳的机电系统。
课程性质：机械电⼦⼯程专业必修课。
六、适⽤专业机械电⼦⼯程、机械制造及其⾃动化等。
先⾏、后续课程情况：先⾏课：机械原理，机械设计，电⼯学，数字电⼦技术，模拟电⼦技术，控制⼯程基础，微机原理，电⽓控制技术，数控技术；后续课：⽆。
七、课程的⽬的与任务1、课程⽬的本课程是机械电⼦⼯程专业的专业必修课，通过本课程的学习，使学⽣建⽴机电产品的⼀体化设计思想，把电⼦技术、传感器技术，⾃动控制技术、计算机技术和机械技术有机地结合起来，了解各项技术之间的接⼝关系，能运⽤所学知识对机电⼀体化产品进⾏分析或设计，使学⽣具备解决⽣产过程中机电设备的运⾏、管理、维护和改造等实际问题的初步能⼒。
培养学⽣综合运⽤所学基础理论和专业知识进⾏创新设计的能⼒。
2、课程的基本要求1）学习机电⼀体化基本概念，理解机电⼀体化系统中各结构要素在系统中的作⽤和相互关系，初步建⽴机电产品的系统化设计思想。
2）了解机电⼀体化系统中常⽤传感器、传动机构、动⼒驱动装置和计算机控制系统种类和特点。
3）熟悉机电⼀体化产品的设计⽅法和⼯程路线，能够针对具体的机电⼀体化产品确定产品开发技术路线。
4）掌握机电⼀体化系统中机械、传感检测、动⼒、控制等基本结构要素的技术特点，掌握典型装置的技术原理和使⽤⽅法。
5）了解典型机电⼀体化产品的构成、特点和设计⽅法，学会设计简单的机电⼀体化产品。
机电一体机电一体化系统设计方法
7.3 优化设计
7.3.1 优化设计概念
优化设计：优化设计（optimization design）是将设计问题的物理模型转 化为数学模型，运用最优数学理论，选用适当的优化方法，以计算机为 手段求解数学模型，从而得出最佳设计方案的一种设计方法。产品的优 化设计是在规定的各种设计限制条件下，优选设计参数，使某项或几项 设计指标获得最优值。优化设计在机电一体化系统中主要应用于结构设 计与控制系统中。
确定性能指标：产品技术与性能指标包括功能性指标、经济性指标、 可靠性指标、安全性标等。
拟定开发计划：开发计划是为了实现决策，预先明确所追求的目标以 及相应的行动方案的活动，即为设定目标以及决定如何达成目标，指 明路线的过程。
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7.2.2 机电一体系统开发工作
2.设计阶段
总体设计：总体设计也称为初步设计，是应用系统总体技术，从整体 目标出发，统一分析产品的性能要求及各组成单元的特性，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。机电 一体化系统总体设计内容包括总体方案拟订、工作原理设计、功能模 块划分、技术方案评价等。
• 适应性设计：是指在工作原理和总体结构基本保持不变的情况下对现有产 品进行局部更改，或增设某种新部件，或用微电子技术代替原有的机械结 构，或为了进行微电子控制对机械结构进行局部修改，以改善产品的性能 和质量。例如，在内燃机上增加增压器以增大输出功率，增加节油器以节 约燃料，均属于适应性设计。
5
7.1.2 设计类型
11
7.2.2 机电一体系统开发工作
定型阶段：定型是产品在正式投产前的一个重要环节，产品定型阶段 主要任务是准备定型文件（设计图纸、软件清单、机械零部件清单、 电气元器件清单及调试记录），编写技术资料（设计说明书、使用说 明书等），组织产品鉴定等。批准定型投产的产品必须由技术标准、 工艺规程、装配图、零件图、工装图以及其他相关技术资料。
机电一体化系统设计及应用实例
6.3
6.3.1 有轨小车（RGV） 有轨小车（RailGuideVehicle）是一种沿着铁轨行
走的运输工具，有自驱和它驱两种驱动方式。自驱动 有轨小车通过车上的小齿轮和安装在铁轨一侧的齿条 啮合，利用交、直流伺服电动机驱动。它驱式有轨小 车由外部链索牵引，在小车底盘的前、后各装一导向 销，地面上修有一组固定路线的沟槽，导向销嵌入沟 槽内，保证小车行进时沿着沟槽移动。
图6-2 柔性制造单元
图6-3所示是加工棱体零件的柔性制造单元。单元 主机是一台卧式加工中心，刀库容量为70把，采用双 机械手换刀，配有8工位自动交换托盘库。托盘库为环 形转盘，托盘库台面支承在圆柱环形导轨上，由内侧 的环链拖动而回转，链轮由电机驱动。
图6-3 带托盘库的柔性制造单元
6.1.3柔性制造系统(FMS) 柔 性 制 造 系 统 （ FlexibleManufacturingSystem ） 由
图6-1所示为加工曲拐零件的刚性自动线总体布局 图。该自动线年生产曲拐零件17000件，毛坯是球墨铸 铁件。由于工件形状不规则，没有合适的输送基面， 因而采用了随行夹具安装定位，便于工件的输送。
图6-1 (a)正视图；(b)俯视图
该曲拐加工自动线由七台组合机床和一个装卸工 位组成。全线定位夹紧机构由一个泵站集中供油。工 件的输送采用步伐式输送带，输送带用钢丝绳牵引式 传动装置驱动。
6.2 数控机床
6.2.1 一般数控机床通常是指数控车床、数控铣床、数
控镗铣床等，它们的下述特点对其组成自动化制造系 统是非常重要的。
1. 2.自动化程度高 3.加工精度高且质量稳定
4.生产效率较高
5.
6. 现代数控机床一般都具有通信接口，可以实现上层计 算机与数控机床之间的通信，也可以实现几台数控机床之 间的数据通信，同时还可以直接对几台数控机床进行控制。 通信功能是实现DNC、FMC、FMS的必备条件。 图6-10是数控装置的基本组成框图。图6-10中的4为数 控系统，它是数控机床的核心环节。
机电一体化系统设计课件(PPT51张)
真题解析——选择题
（ 05、4 ）1、主要用于系统中各级间的信息传递 的模块称为【 】 B A．软件模块 C．通信模块 B．接口模块 D．驱动模块
（ 04、4 ）1．由计算机网络将计算机辅助设计、 计算机辅助规划、计算机辅助制造联接成的系统称
为【 】
D
A．顺序控制系统 C．柔性制造系统
真题解析——选择题
（ 12、4 ）1．用于承载、传递力和运动的模块是
【 】A
A．机械受控模块 C．接口模块 B．驱动模块 D． 微计算机模块
（ 09、4 ）1．系统中用于提供驱动力改变系统运 行状态，产生所希望运动的模块称为 【 】 A A．驱动模块 B．接口模块 C .微计算机模块 D．测量模块
B．自动引导车系统 D． 计算机集成制造系统
真题解析——选择题
（ 03、4 ）1.将计算机数控机床、工业机器人以 及自动引导车联接起来的系统称( C ) A.顺序控制系统 B.计算机集成制造系统 C.柔性制造系统 D.伺服系统 （ 02、4 ）1.受控变量是机械运动的一种反馈控 制系统称( A.顺序控制系统 D.工业机器人 )B B.伺服系统 C.数控机床
1.2 典型机电一体化系统
工业机器人组成部件：主体结构、终端器、控制器
1.2 典型机电一体化系统
4、自动导引车 自动导引车是另一种形式的移动工业机器人。他能 跟踪编程路径，在工厂内江一个零件从一个地方移动 到另一个地方。
1.2 典型机电一体化系统
5、顺序控制系统 顺序控制系统是按照预先规定的次序完一系列操作 的系统。 根据如何开始和终结操作可分为两类： （1）当某一事件发生时，开始或结束操作的称为事件驱 动顺序控制； （2）在某一时刻或一定时间间隔之后，开始或结束操作 的称为时间驱动顺序控制。
《计算机控制技术》理论教学与系统设计
理论性和实践性都很强的学科。学生完成计算机控
制技术课程学习后 ， 一般应掌握该课程介绍 的基本 方法 ， 完成简单计算机控制系统的设计 、 安装 、 编程
成系统各个部分的设计 ， 最后综合介绍如何将控制
和调试工作。传统的“ 理论 ＋ 实验” 教学方法 中， 虽 然有实验教学 ， 但是实验使用集成实验箱 ， 学生所做
第２ ６卷 第 ２期
２ １拄 ０１
山 东 建 筑 大 学 学 报
Ｊ ＵＲＮＡ ＯＦ Ｓ Ｏ Ｌ ＨＡＮＤＯ ＮＧ ＪＡＮ Ｉ ＺＨＵ ＵＮＩ ＥＲＳＴ Ｖ ＩＹ
Ｖ １ ２ Ｎｏ ２ ｏ． ６ ． Ａｐ ． ｒ ２ １ ０１
４月
文章编号 ：６ ３— ６ ４ ２ １ ）２－ １６— ３ １７ ７４ （０ １ ０ ０ ８ ０
过 程 中 ， 习效果差 。有 些学生 在学 习完课 程 以后 ， 学
仍然没有掌握简单元件的应用和简单控制方法的应
用 。针对本课 程综 合性 、 实用 性强 的特点 ， 人提 出 本 了一 种理论 教学 与系统 设计 相结合 的教 学方法 。 教学方 法 的基本思 想是 理论 教学 围绕一个 系 统 设计 实例展 开 ， 在讲授 各 章理论 知识 的同时 ， 课后 完
（ ｃｏｌ ｆ ｅｈｎｃｌ ｎ ｌｃ ｏｉ Ｅ ｇｎｅ ｎ ， ｈｎ ｏｇＪ ｎｈ ｎｖｒｔ， ｉ ｎ２ ００ ， ｈｎ ） Ｓｈ ｏ ｏ ｃａ ｉ ｄＥｅｔ ｎｃ ｎｉｅｒ ｇ Ｓ ａｄｎ ｉ ｚｕＵ ｉ ｓ ｙ Ｊ ａ ５ １ １ Ｃ ｉ Ｍ ａａ ｒ ｉ ａ ｅｉ ｎ ａ
《 计算机控 制技术》 理论教学与 系统设计
李彦凤 ， 向荣 ， 许 陈继文
（ 山东建筑大学 机 电工程学 院 ， 山东 济南 ２ ００ ） ５ １１ 摘要 ： 计算机控制技术》 《 是一 门理论性和实践性都很强的专业课 ， 涉及知识面广 ， 难度 大。本文介绍 了《 计算机
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平板式普通晶闸管和螺 栓式普通晶闸管的区别
平板式普通晶闸管属于双面散热，适用于大功率场 合；螺栓式普通晶闸管属于单面散热，适用于中、小 功率场合。
单向晶闸管的工作状态： 1)导通条件 阳极加上正向电压，控制极加上正 向电压，可使晶闸管从阻断到导通。 晶闸管一旦导通，控制极对晶闸管就不起控制 作用了。 2)关断条件 流过晶闸管的电流小于保持晶闸管 导通所需的电流即维持电流时，晶闸管从导通到 阻断。
P UI 负载端输出功率 ; S U 2 I 2 电源视在功率
（2）电感性负载
整流电路直流负载的感抗 Ld 和电阻 Rd 的大小相比不可忽略时， 这种负载称为电感性负载。
单相半波可控整流接大电感负载时，为使晶闸管在电 源电压过零时能关断，负载上不致出现负电压，可在 负载上并联一个二极管，该二极管称为续流二极管， 其极性如图5-13所示。 当电源电压过零变负时，二极管 V2 导通，晶闸管反向 阻断，负载两端为二极管正向电压，接近于零，不会 出现负电压，电流波形是连续的。此外，由电感储存 的磁场能量供给电阻消耗。
Ud U 2 1 + cosα Id = = 0.45 × R R 2
U U2 I= = R R 1 π -α sin 2α + 4π 2π
负载两端电压的有效值U为
1
U
0
( 2U 2 sin t ) dt U 2
2
1 -a sin 2a 4 2
功率因数cos P UI cos S U2I 1 a sin 2a 4 2
伺服系统的基本组成：控制器、功率放大器、执行机构和检测 装置等四大部分，如图5.1所示。
图5.1 伺服系统的组成
伺服系统的种类： 1）按控制方式划分 开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环系统， 以及由它们组合的复合伺服控制系统。
伺服系统的种类： 1）按控制方式划分 开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环系统， 以及由它们组合的复合伺服控制系统。
ud
a q
wt
a：控制角，即晶闸管承受正压到触发导通之间
的电角度。
q：导通角，即晶闸管在一个周期内导通的电角度。
晶闸管的应用
图5.4 SCR的控制信号及输出波形
（2）双向晶闸管TRIAC
如图5.6所示，MT1和MT2为主电极，G为门极。 特点是：在触发后是双向导通的；门极所加触发信号可以 为正也可以为负。
伺服系统的种类：
1）按控制方式划分 开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环系统，以 及由它们组合的复合伺服控制系统。
2）按使用驱动元件划分：步进伺服系统、直流伺服 系统、交流伺服系统。
伺服系统的基本要求 ： 1.稳定性 指当作用在系统上的扰动信号消失后，系统能够 恢复到原来的稳定状态下运行，或者在输入的指令 信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能 力。 影响系统稳定的因素：伺服系统的稳定性是系统本 身的一种特性，取决于系统的结构及组成元件的参数 （如惯性、刚度、阻尼、增益等），与外界作用信号 （包括指令信号和扰动信号）的性质或形式无关。
（2）有制动作用的不可逆PWM变换器 降速状态：减小控制电压，使Ub1的正脉冲变窄，负 脉冲变宽，降低Ud使E>Ud。
能耗制动状态： ton t T ， Ub2 变正， VT2 导通，由 E － Ud 产生的反向 电流经VT2沿回路3流通； 0 t ton ，VT2截止（Ub2为负），自感电动势和反电 动势共同作用，有 Ldid / dt + E ＞Us，反向电流-id经过 VD1沿回路4流通，对电源回馈制动。
3.快速响应性 ◆上升时间：输出响应从零上升到稳态值所需要 的时间，主要取决于系统的阻尼比。阻尼比小则 响应快，但阻尼比太小会导致最大超调量（系统 输出响应的最大值与稳态值之间偏差）增大； ◆调整时间：系统的输出响应达到并保持在其稳态值 的一个允许的误差范围内所需的最短时间。 调整时间加长使系统相对稳定性降低，调整时间取决 于系统的阻尼比和无阻尼固有频率，当阻尼比一定时， 提高固有频率值可以缩短响应过程的持续时间。
三、脉宽调制功率变换技术
脉宽调制（Pulse Width Modulation）简称PWM技术， 是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压 变成连续的电压脉冲列，并通过控制脉冲宽度或周期 达到变压的目的，也可以通过控制脉冲宽度和脉冲列 的周期达到变压变频的目的。 采用的电力电子器件：全控式晶体管，如电力晶体管 （GTR）、可关断晶体管（GTO）、绝缘双极晶体管 （IGBT） 组成直流电压的控制装置，即直流斩波器（PWM斩波 器）或称直流调压器，如图5-17所示。
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P UI UI cos S U 1 I1 U 2 I
（2）具有电感性负载的单相全波整流电路
VT1 1 Ld
u2
u2VT 2RdFra bibliotek电感性负载
3.可控整流电路的数学模型
图5-16 晶闸管可控整流电路的失控时间
Gs (s) = K s e
-Ts s
≈ K s /(1 + Ts s)
3.功率场效应晶体管 （2)功率场效应晶体管的驱动 由于功率场效应管输入阻抗大，控制电压高， 驱动电路相对简单。
图5.12 功率场效应管的驱动
4.固态继电器（SSR）
固态继电器是一种无触点功率型通断电子开关，又 名固态开关。当在控制端输入触发信号后，主回路呈 导通状态；无控制信号时主回路呈阻断状态。
（3）功率晶体管的应用
图5.10是用功率晶体管做功放元件的步进电动机一相绕组的驱动 电路。 P1.0输出高电平经7407进行电流放大，使VT1导通。
图5.10 步进电动机一相绕组的驱动电路
3.功率场效应晶体管
（1)功率场效应晶体管的特性 1）有较高的开关速度； 2）有较宽的安全工作区而不会产生热点和正的电 阻温度系数； 3）可靠性高、过载能力强，短时过载能力为额定 值的四倍； 4）控制电压（阈值电压）高，可达2～6V，故有 较高的噪声容限和抗干扰能力； 5）输入阻抗高，驱动电流很小，接口容易。 图5.11 功率场效应晶体管表示符号 G为栅极（控制极）；S为源极；D为漏极。
机电一体化系统设计
主讲 崔小劲
第5章 伺服系统设计
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 概述 电力电子技术基础 步进伺服系统设计 直流伺服系统设计 交流伺服系统设计
5.1 概 述
伺服（随动）系统 ：在机电一体化控制系统中，输出量能够 以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统。它用来控制 被控对象的转角（或位移），使其能自动地、连续地、精确 地复现输入指令的变化规律。
接有续流二极管的单相半波可控整流电路及信号波形
2.单相全波可控整流电路
TR
0
u2
u2
单相全波可控整流电 路采用了二次侧带有 中心抽头的变压器， 每个二次绕组一周期 内只工作一半时间， 利用率低。
机械工程学院
（1）具有电阻性负载的单相全波可控整流电路
VT1
TR
u2
Rd
u2
VT2
具有电阻性负载的单相全波可控整流信号波形
主电路电压平衡方程式 电枢电流平均值
Ud = E + Id R
U d - E ρU s E Id = = R R R
（2）有制动作用的不可逆PWM变换器 ton t T 电动工作状态: Ub1=－Ub2，且Ub1、Ub2宽相等， 时，VT1导通、VT2截止，电流id回路沿1； 0 t ton ，Ub1 和Ub2改变极性，VT1截止，VD2导通， VT2仍不导通， 电流id回路沿2，有Ud>E，id>0。
图5.13 SSR应用
二、晶闸管可控整流技术
可控整流电路
单相 整流电路
单相半波 单相全波 单相桥式 三相半波 三相桥式 双反星形
负载性质： 电阻性 电感性 反电势性
三相
1．单相半波可控整流电路 (1)电阻性负载
晶闸管VT。当在 电源正半周内且 在门极加触发脉
单相变压器二 次侧电压u2为 50HZ正 弦波，
2.系统精度
◆伺服系统的精度 指其输出量复现输入指令信号的精确程度； ◆动态误差 稳定的伺服系统对变化的输入信号的动态响应过 程往往是一个振荡衰减过程，在动态响应过程中 输出量与输入量之间的偏差；
2.系统精度
◆稳态误差 在动态响应过程结束后，即在振荡完全衰减掉之后， 输出量对输入量的偏差； ◆系统的静态误差 指由系统组成元件本身的误差及干扰信号所引起的 系统输出量对输入量的偏差。
数量关系：
负载端输出直流电压 Ud 1 cosa Ud 2U 2 sin td (t ) 0.9U 2 2 负载端平均电流 Id 1
a
U 2 1 cosa Ud Id 0.9 Id Rd 2
负载端电流有效值 U2 U I I2 Rd Rd 功率因数 1 a sin 2a 2 1 a sin 2a 2
1．不可逆PWM变换器 （1）无制动作用的不可逆PWM变换器
PWM直流斩波变换器主电路原理如图所示。
VT：全控式电力晶体管； Us：由不可控整流电路提供的电源电压； C：滤波大电容，以消除直流供电线路上的谐波电流对 主电路的干扰： VD：在晶体管关断时为电枢回路提供释放电感储存能 的续流回路的二极管。
图5-17 PWM斩波器的电路原理图及波形
t on Ud = U s = ρU s T 式中 T ：开关周期；ton ：导通时间；f：开关频率；ρ—占空比，
电枢压平均值
ρ = t on / T = U d / U s = t on f
0 1
0 Ud Us
均为正值，即电动机只能实现单一方向的不可逆调速。
2.功率晶体管
图5.9功率晶体管内部结构
(2）功率晶体管的结构原理 加速二极管VD1：在输入端b的控制信号从高电 平变成低电平的瞬间，二极管VDl导通，使VT1 的一部分射极电流经过VDl流到输入端b，加速功 率晶体管集电极电流的下降速度； 续流二极管VD2：对晶体管VT2起保护作用，对 于感性负载，当功率晶体管关断时，感性负载所 存储的能量可以通过VD2的续流作用而泄放，避 免对功率晶体管造成反向击穿。