机电一体化系统设计课件第三机电一体化系统执行元件的选择与设计.
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机电一体化(第3章 执行元件)
电磁阀 电磁阀对气体、液体管道的开关进行控制。 电磁阀对气体、液体管道的开关进行控制。广泛应用于液 压机械、空调系统、热水器、自动机床等系统中。 压机械、空调系统、热水器、自动机床等系统中。 电磁阀可分为交流和直流两类，根据其阀位和通道数目有 电磁阀可分为交流和直流两类， 两位三通、两位四通、三位四通等。 两位三通、两位四通、三位四通等。 下图为电磁阀的结构原理图。 下图为电磁阀的结构原理图。
二、常用的控制用电动机
控制用电动机有力矩电动机、脉冲（步进）电动机、 控制用电动机有力矩电动机、脉冲（步进）电动机、变频 调速电动机、开关磁阻电动机和各种AC/DC电动机等。 电动机等。 调速电动机、开关磁阻电动机和各种 电动机等 控制用电动机是电气伺服控制系统的动力部件， 控制用电动机是电气伺服控制系统的动力部件，是将电能 转换为机械能的一种能量转换装置。 转换为机械能的一种能量转换装置。由于其可在很宽的速度和负 载范围内进行连续、精确的控制， 载范围内进行连续、精确的控制，因而在各种机电一体化系统中 得到了广泛的应用。 得到了广泛的应用。 现代化生产对电机的性能要求越来越高：精度、速度、 现代化生产对电机的性能要求越来越高：精度、速度、带 负载能力、灵活性、智能化等。 负载能力、灵活性、智能化等。 电机的控制用自动化控制设备，朝向集成化、微型化、 电机的控制用自动化控制设备，朝向集成化、微型化、智 能化方向发展。微机和单片机使电机控制产生革命性的飞跃。 能化方向发展。微机和单片机使电机控制产生革命性的飞跃。目 前已研制出了许多微机或单片机控制电机的系统及专用控制板。 前已研制出了许多微机或单片机控制电机的系统及专用控制板。 不远的将来，智能化调速系统、电机一体化等会广泛应用。 不远的将来，智能化调速系统、电机一体化等会广泛应用。 控制用电动机有回转和直线驱动电动机，通过电压、电流、 控制用电动机有回转和直线驱动电动机，通过电压、电流、 频率(包括指令脉冲 控制，实现定速、变速驱动或反复起动、 包括指令脉冲)等 频率 包括指令脉冲 等控制，实现定速、变速驱动或反复起动、 停止的增量驱动以及复杂的驱动， 停止的增量驱动以及复杂的驱动，而驱动精度随驱动对象的不同 而不同。 而不同。机电一体化系统或产品中常用的控制用电动机是指能提 供正确运动或较复杂动作的伺服电动机。 供正确运动或较复杂动作的伺服电动机。
机电一体化系统设计 第3章 执行元器件
…
第 3 章 执行元件的选择与设计
§3-3 交流伺服电机及驱动器
伺服系统的有哪几部分组成 ➢ 机构-结构：接受执行器输出的力、力矩或功率产生机构 运动，完成最终目标。结构部分把各组成部分联成一体， 起支持与定位作用。 ➢ 能源：主要作用是给机械运动提供足够的动力，同时也 向传感器、信息处理器提供所需的能量。 ➢ 伺服电机:（M）驱动信号控制转换电路 电力电子驱动放 大模块, 电流调解单元，速度调解单元 检测装置
6）电机测试方式
通过键盘操作，伺服电机按照参数设定的脉冲频率转动。用于测试位置控制方式。
第 3 章 执行元件的选择与设计
§3-3 交流伺服电机及驱动器
交流伺服系统 PSDD驱动器驱动方式简介
电子齿轮
第 3 章 执行元件的选择与设计
§3-3 交流伺服电机及驱动器
交流伺服系统 PSDD驱动器
（1）电源输入端子：
§3-3 交流伺服电机及驱动器
交流伺服系统 PSDD驱动器驱动方式简介
4）JOG控制方式
通过按键操作控制电机点动。按下按键，电机按设定的参数转动，松开按键， 停止转动。用于手动移动机械装置到某一固定位置。
5）电机零点调试方式
长期使用后，编码器的零点可能偏移。该操作重新将编码器调零。该操作只能 在空载下进行，否则影响精度。
第 3 章 执行元件的选择与设计
§3-1 执行元件的种类、特点及基本要求
一、执行元件的种类及特点
电磁式是将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构运动。 液压式是先将电能变换为液压能并用电磁阀改变压力油的流向，
从而使液压执行元件驱动运行机构运动。 气压式与液压式的原理相同，只是将介质由油改为气体而已。 其他执行元件与使用材料有关，如使用双金属片、形状记忆合金
第 3 章 执行元件的选择与设计
§3-3 交流伺服电机及驱动器
伺服系统的有哪几部分组成 ➢ 机构-结构：接受执行器输出的力、力矩或功率产生机构 运动，完成最终目标。结构部分把各组成部分联成一体， 起支持与定位作用。 ➢ 能源：主要作用是给机械运动提供足够的动力，同时也 向传感器、信息处理器提供所需的能量。 ➢ 伺服电机:（M）驱动信号控制转换电路 电力电子驱动放 大模块, 电流调解单元，速度调解单元 检测装置
6）电机测试方式
通过键盘操作，伺服电机按照参数设定的脉冲频率转动。用于测试位置控制方式。
第 3 章 执行元件的选择与设计
§3-3 交流伺服电机及驱动器
交流伺服系统 PSDD驱动器驱动方式简介
电子齿轮
第 3 章 执行元件的选择与设计
§3-3 交流伺服电机及驱动器
交流伺服系统 PSDD驱动器
（1）电源输入端子：
§3-3 交流伺服电机及驱动器
交流伺服系统 PSDD驱动器驱动方式简介
4）JOG控制方式
通过按键操作控制电机点动。按下按键，电机按设定的参数转动，松开按键， 停止转动。用于手动移动机械装置到某一固定位置。
5）电机零点调试方式
长期使用后，编码器的零点可能偏移。该操作重新将编码器调零。该操作只能 在空载下进行，否则影响精度。
第 3 章 执行元件的选择与设计
§3-1 执行元件的种类、特点及基本要求
一、执行元件的种类及特点
电磁式是将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构运动。 液压式是先将电能变换为液压能并用电磁阀改变压力油的流向，
从而使液压执行元件驱动运行机构运动。 气压式与液压式的原理相同，只是将介质由油改为气体而已。 其他执行元件与使用材料有关，如使用双金属片、形状记忆合金
机电一体化系统执行元件的选择与设计.
定子1与转子2由铁芯构成，没有 永久磁铁，定子上嵌有线圈．
转子结构简单、转子直径小，有 利于高速响应。
铁芯无极性，常有吸引力，故不需 改变电流极性，多为单极性励磁。
无励磁时没有保持力。 需要将气隙作得尽可能小，几个微米。 制造成本高、效率低、转子的阻尼差、
噪声大等缺点。 制造材料费用低、结构简单、步距角小。
伺服电机控制三种基本形式
一、对控制用电机的基本要求
(1) 性能密度大、即功率密度和比功率大； 功率密度＝P/G(WN-1)， 比功率密度＝TN2/Jm（Ws-1)
(2) 快速性好，即加速转矩大，频响特性好； (3) 位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳无爬行现 象、分辩率高、振动噪声小； (4) 适应启、停频繁的工作要求； (5) 可靠性高、寿命长。
第三章 执行元件的选择与设计
机电一体化系统(或产品)离不开执行元件为其提供动力。如数控机床 的主轴转动、工作台的进给运动以及工业机器人手臂升降、回转和伸 缩运动等所用驱动部件 .
在电子控制装置控制下，将输入的各种形式的能量转换为机械能，例 如电动机、液动机、气缸、内燃机、电磁铁、继电器等分别把输入的 电能、液压能、气压能和化学能转换为机械能。
在额定输出功率相同的条件下，交流伺服电机的比功率最高，依 次为步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机。
二、控制用电机的种类、特点及选用
三、直流(DC)伺服电机与驱动
1、直流伺服电机的特性及选用 （1）特点
◆ 电枢大多为永久磁铁磁场； ◆ 直流伺服电机具有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制
特性等优点。 ◆ 由于使用电刷和整流子，故寿命较低，需要定期维修。
3．便于维修、安装
执行元件最好不需要维修,例如交/直流无刷伺服电机。
转子结构简单、转子直径小，有 利于高速响应。
铁芯无极性，常有吸引力，故不需 改变电流极性，多为单极性励磁。
无励磁时没有保持力。 需要将气隙作得尽可能小，几个微米。 制造成本高、效率低、转子的阻尼差、
噪声大等缺点。 制造材料费用低、结构简单、步距角小。
伺服电机控制三种基本形式
一、对控制用电机的基本要求
(1) 性能密度大、即功率密度和比功率大； 功率密度＝P/G(WN-1)， 比功率密度＝TN2/Jm（Ws-1)
(2) 快速性好，即加速转矩大，频响特性好； (3) 位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳无爬行现 象、分辩率高、振动噪声小； (4) 适应启、停频繁的工作要求； (5) 可靠性高、寿命长。
第三章 执行元件的选择与设计
机电一体化系统(或产品)离不开执行元件为其提供动力。如数控机床 的主轴转动、工作台的进给运动以及工业机器人手臂升降、回转和伸 缩运动等所用驱动部件 .
在电子控制装置控制下，将输入的各种形式的能量转换为机械能，例 如电动机、液动机、气缸、内燃机、电磁铁、继电器等分别把输入的 电能、液压能、气压能和化学能转换为机械能。
在额定输出功率相同的条件下，交流伺服电机的比功率最高，依 次为步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机。
二、控制用电机的种类、特点及选用
三、直流(DC)伺服电机与驱动
1、直流伺服电机的特性及选用 （1）特点
◆ 电枢大多为永久磁铁磁场； ◆ 直流伺服电机具有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制
特性等优点。 ◆ 由于使用电刷和整流子，故寿命较低，需要定期维修。
3．便于维修、安装
执行元件最好不需要维修,例如交/直流无刷伺服电机。
《机电一体化目录》PPT课件
7
课程简介
（二）能力培养目标： 1、能运用机电一体化的综合技术进行系统调试。 2、能对一般机电一体化系统作装配调整和运动控 制。 3、具备简单的机电一体化产品设计能力。
8
课程简介
5.课程教学安排及学习要求 本课程共安排64学时。 学习要求：
1）对课程中基本概念及基本知识，要求做到在了解中 加深理解； 2）对操作技能部分，强调在熟练中提高操作技术； 3）时刻注意与生产实际的密切结合，充分领悟与机械 工艺的关系，切实起好铺垫作用。
所说的“积读”的意思就是把书买来，放在书桌上， 一边看着标题一边想象书的目录，就这样想象两三天。如 果将书的内容与想象成小说一样，读书的欲望就会倍增。
机电一体化是利用计算机的信息处理功能对机械进 行各种控制的技术。当今世上只要是使人感觉到比较灵巧 便利的机械，都是基于机电一体化技术制造的，这样的说 法毫不过分。此外，机电一体化技术在家用电器、各种车 辆、医疗器械、工厂、游乐园等各种领域、场所部得到了 广泛的应用。因此，读者可以对自己感兴趣领域中的机械 进行想象。比如，喜欢开车的人就可以对ABs、自动换挡及 气囊的构造展开想象。
【教育类精品资料】
1
2
目录
课程简介 模块一 机电一体化基本概念 模块二 机械系统部件的选择与设计 模块三 微型计算机控制系统及接口设计 模块四 传感器与微机的接口技术 模块五 伺服系统设计 模块六 机电一体化系统设计及应用实例 模块七 补充内容
3
课程简介
1.愉快地读书并能够理解书中内容的诀窍就是积读5源自皮肌炎图片——皮肌炎的症状表现
• 皮肌炎是一种引起皮肤、肌肉、 心、肺、肾等多脏器严重损害的， 全身性疾病，而且不少患者同时 伴有恶性肿瘤。它的1症状表现如 下：
课程简介
（二）能力培养目标： 1、能运用机电一体化的综合技术进行系统调试。 2、能对一般机电一体化系统作装配调整和运动控 制。 3、具备简单的机电一体化产品设计能力。
8
课程简介
5.课程教学安排及学习要求 本课程共安排64学时。 学习要求：
1）对课程中基本概念及基本知识，要求做到在了解中 加深理解； 2）对操作技能部分，强调在熟练中提高操作技术； 3）时刻注意与生产实际的密切结合，充分领悟与机械 工艺的关系，切实起好铺垫作用。
所说的“积读”的意思就是把书买来，放在书桌上， 一边看着标题一边想象书的目录，就这样想象两三天。如 果将书的内容与想象成小说一样，读书的欲望就会倍增。
机电一体化是利用计算机的信息处理功能对机械进 行各种控制的技术。当今世上只要是使人感觉到比较灵巧 便利的机械，都是基于机电一体化技术制造的，这样的说 法毫不过分。此外，机电一体化技术在家用电器、各种车 辆、医疗器械、工厂、游乐园等各种领域、场所部得到了 广泛的应用。因此，读者可以对自己感兴趣领域中的机械 进行想象。比如，喜欢开车的人就可以对ABs、自动换挡及 气囊的构造展开想象。
【教育类精品资料】
1
2
目录
课程简介 模块一 机电一体化基本概念 模块二 机械系统部件的选择与设计 模块三 微型计算机控制系统及接口设计 模块四 传感器与微机的接口技术 模块五 伺服系统设计 模块六 机电一体化系统设计及应用实例 模块七 补充内容
3
课程简介
1.愉快地读书并能够理解书中内容的诀窍就是积读5源自皮肌炎图片——皮肌炎的症状表现
• 皮肌炎是一种引起皮肤、肌肉、 心、肺、肾等多脏器严重损害的， 全身性疾病，而且不少患者同时 伴有恶性肿瘤。它的1症状表现如 下：
机电一体化系统设计课程设计课件
设计软件介绍
SolidWorks
三维机械设计软件，用于建立三维模型、进行运动分析和优化设计。
AutoCAD
二维绘图软件，用于绘制平面图、电路图和布局图等。
MATLAB/Simulink
仿真软件，用于系统建模、分析和优化。
LabVIEW
虚拟仪器软件，用于数据采集、处理和控制等。
设计经验分享
经验一
注重系统整体性
设计要求
明确课程设计的要求，包括技术指标、性能参数、安全性能等方 面。
设计优化
在设计过程中注重优化，提高系统的性能、稳定性和可靠性。
设计成果评价
评价标准
制定合理的评价标准，对设计成果进行评价 。
评价方法
采用多种评价方法，如专家评审、实验测试 等，确保评价结果的客观性和准确性。
反馈与改进
根据评价结果，及时反馈设计中的不足之处 ，并进行改进和完善。
01
课程设计任务与要 求
设计任务书解读
任务书内容
01
详细解读课程设计任务书，明确设计目标、要求、限制条件和
预期成果。
任务书分析
02
对任务书中的各项内容进行深入分析，理解设计的重点和难点
。
任务书实施计划
03
根据任务书要求，制定合理的设计实施计划，确保按时完成设
计任务。
设计要求与规范
设计规范
掌握机电一体化系统设计的基本规范和标准，确保设计符合行业 要求。
实时性、稳定性、可扩展性
传感检测系统设计
设计内容
传感器选型、信号处理电路、数据采 集与传
设计要点
准确性、可靠性、抗干扰能力
01
机电一体化系统设 计实践
设计案例分析
机电一体化系统设计课件
4A革命 ❖ 机电一体化系统被广泛应用于工厂自动化、办公自
动化、家庭自动化以及社会服务自动化（4A革命）等 各种自动化环境条件下中。
（4）系统数学模型 ❖ 经典控制理论：传递函数 ❖ 现代控制理论：状态空间方程
1.2 典型机电一体化系统
❖ 典型的机电一体化系统包括： ❖ 机械手关节伺服系统； ❖ 数控机床； ❖ 工业机器人； ❖ 自动导引小车； ❖ 顺序控制系统； ❖ 数控自动制造系统； ❖ 微机电系统。
通信模块 通讯模块功能是传递信息，实现系统内部、外部，
近程、远程通信。 实现的方法有：有线和无线
4、控制模块
微计算机模块 作用：在系统中负责处理由测量模块和接口模块提
供的信息。 输入参数：被测量的反馈量和与系统运行有关的设
机辅助规划以及计算机辅助制造，统一连接成一个大 系统，实现了全工厂的自动化。
1.2 典型机电一体化系统
7、微机电系统 微机电系统（MEMS）是电子和机械元件相结
合的微装置或系统，采用与集成电路兼容的批加 工技术制造，尺寸可以从毫米到微米量级范围变 化。这些系统结合传感和执行功能并进行运算处 理，改变了我们感知和控制物理世界的方式。
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
承载、传递力 和运动，也有 外观、造型和 防护的作用。
输入输出
功能
2、测量模块
功能：采集有关系统状态和行为的信息； 组成：由传感器、调理电路、变换电路组成 输入：确定机械受控模块性能的物理变量，如：压力、
动化、家庭自动化以及社会服务自动化（4A革命）等 各种自动化环境条件下中。
（4）系统数学模型 ❖ 经典控制理论：传递函数 ❖ 现代控制理论：状态空间方程
1.2 典型机电一体化系统
❖ 典型的机电一体化系统包括： ❖ 机械手关节伺服系统； ❖ 数控机床； ❖ 工业机器人； ❖ 自动导引小车； ❖ 顺序控制系统； ❖ 数控自动制造系统； ❖ 微机电系统。
通信模块 通讯模块功能是传递信息，实现系统内部、外部，
近程、远程通信。 实现的方法有：有线和无线
4、控制模块
微计算机模块 作用：在系统中负责处理由测量模块和接口模块提
供的信息。 输入参数：被测量的反馈量和与系统运行有关的设
机辅助规划以及计算机辅助制造，统一连接成一个大 系统，实现了全工厂的自动化。
1.2 典型机电一体化系统
7、微机电系统 微机电系统（MEMS）是电子和机械元件相结
合的微装置或系统，采用与集成电路兼容的批加 工技术制造，尺寸可以从毫米到微米量级范围变 化。这些系统结合传感和执行功能并进行运算处 理，改变了我们感知和控制物理世界的方式。
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
承载、传递力 和运动，也有 外观、造型和 防护的作用。
输入输出
功能
2、测量模块
功能：采集有关系统状态和行为的信息； 组成：由传感器、调理电路、变换电路组成 输入：确定机械受控模块性能的物理变量，如：压力、
机电一体化系统设计机械部件选择与设计PPT课件
双圆弧滚道：结构简 单，存在轴向间隙，加 工困难，成本高，在使 用双螺母结构的条件下， 具有轴向间隙调整和预 紧能力，传递精度高。
第15页/共87页
单圆弧滚道 双圆弧滚道
2）按滚珠的循环方式分类： 内循环方式和外循环方式两类。
a）内循环方式
4 32
15
浮动式反向器内循环方式
第16页/共87页
b）外循环方式
第20页/共87页
5、滚珠丝杠的间隙调整与预紧
a) 双螺母螺纹预紧调整
特点：结构简单、刚性好、预紧可靠、 调整方便，但无法定量调整。
b) 双螺母垫片预紧调整
特点：结构简单、刚性好、预紧可靠、 使用调整不方便，但无法定量调整。
c) 双螺母齿差预紧调整
d) 弹簧式自动预紧调整
特点：结构较复杂、刚性好、预紧可靠、 可定量调整（0.002mm/齿），精度高、方便。
从而维持其传动精度、延长其使用寿命。 润滑：主要有脂润滑和滴油润滑。
润滑脂一般在装配时放进滚珠螺母滚道内定期润滑；
润滑油通常通过注油孔注油。 密封：接触式密封（动或静密封）和非接触式密封（迷宫式 密封）。
接触式密封圈用具有弹性的耐油橡胶或尼龙等材料制成，因 此有接触压力并产生一定的摩擦力矩，但防尘效果好。
第二章 机电一体化系统
机械系统部件的选择与设计
第2.1节 机械系统的选择与设计要求
机电一体化系统的机械系统与一般机械系
厚 统相比，除要求具有较高的定位精度之外，
励 志
达 理
勤
工
还具有良好的动态响应特性（响应快、稳定 性好）。典型机电一体化系统的构成——机 械构件及其传动部件、控制部件、接口电路、
功率放大电路、执行元件、导向支承件以及
第15页/共87页
单圆弧滚道 双圆弧滚道
2）按滚珠的循环方式分类： 内循环方式和外循环方式两类。
a）内循环方式
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15
浮动式反向器内循环方式
第16页/共87页
b）外循环方式
第20页/共87页
5、滚珠丝杠的间隙调整与预紧
a) 双螺母螺纹预紧调整
特点：结构简单、刚性好、预紧可靠、 调整方便，但无法定量调整。
b) 双螺母垫片预紧调整
特点：结构简单、刚性好、预紧可靠、 使用调整不方便，但无法定量调整。
c) 双螺母齿差预紧调整
d) 弹簧式自动预紧调整
特点：结构较复杂、刚性好、预紧可靠、 可定量调整（0.002mm/齿），精度高、方便。
从而维持其传动精度、延长其使用寿命。 润滑：主要有脂润滑和滴油润滑。
润滑脂一般在装配时放进滚珠螺母滚道内定期润滑；
润滑油通常通过注油孔注油。 密封：接触式密封（动或静密封）和非接触式密封（迷宫式 密封）。
接触式密封圈用具有弹性的耐油橡胶或尼龙等材料制成，因 此有接触压力并产生一定的摩擦力矩，但防尘效果好。
第二章 机电一体化系统
机械系统部件的选择与设计
第2.1节 机械系统的选择与设计要求
机电一体化系统的机械系统与一般机械系
厚 统相比，除要求具有较高的定位精度之外，
励 志
达 理
勤
工
还具有良好的动态响应特性（响应快、稳定 性好）。典型机电一体化系统的构成——机 械构件及其传动部件、控制部件、接口电路、
功率放大电路、执行元件、导向支承件以及
机电一体化系统设计-概论ppt课件
精选PPT课件
30
机电一体化产品根据结构和电子技术与计 算机技术在系统中的作用可以分为三类：
• （1）原机械产品采用电子技术和计 算机控制技术;
• （2）用集成电路或计算机及其软件 代替原机械的部分结构;
• （3）利用机电一体化原理设计的全 新的机电一体化产品.
精选PPT课件
31
2 机械制造过程的机电一体化
6
二. 机电一体化技术的发展
• 由于大规模集成电路和超大规模集成电 路的出现，特别是微型电子计算机的空 前发展，促进了机械技术和电子技术相 互交叉和相互渗透，并使机械技术和电 子技术在系统论、信息论和控制论的基 础上有机地结合起来，形成今天的机电 一体化技术。
精选PPT课件
7
• 直到70年代初，日本人对机电一体化的 长期实践和最新应用成果加以系统的概 括和总结，才形成一个比较完整的机电 一体化概念。此后由于大规模集成电路 技术和微型计算机技术的迅速发展，使 得机电结合的形式更加灵活，内容更加 丰富，应用更加广泛，因而在以机械工 业为主的传统产业中引发了一场大规模 的机电一体化技术革命。
精选PPT课件
24
5。执行机构
• 包括机械传动与操作机构，在 控制信息作用下完成要求的动作， 实现产品的主功能。执行机构因作 业对象不同而形式各异。
精选PPT课件
25
四。机电一体化的意义
• 机电一体化技术可以用来设计新型 的机电一体化产品，改造旧的机电 产品，使机电产品的面貌大大改观， 达到功能增强、精度提高、结构简 化(体积减少、重量减轻)、可靠性提 高、改善操作、提高柔性、性能价 格比大大改善的目的。
精选PPT课件
13
系统的目的功能
精选PPT课件
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。
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e
T
Tjmax
定子 转子
失调角示意图
p
p /2
p /2
p
e
Tjmax
矩－角特性曲线
厚
励 志 勤
德 达 理
工
（3）动态特性
动态特性参数：主要指动态稳定区、启动转矩、 矩－频特性、惯－频特性等。
动态稳定区：在步进电机从A相转换为B（或AB）
相通电，不产生丢步时的稳定工作区域θr。从
图中可以得出，步进电机工作的拍数越多，稳定
⑤易于与计算机实现对接。
厚
励 志 勤
德 达 理
工
（2）步进电动机的种类
① 种类 · 按转子构成分类： 可变磁组型（VR）步进电机 ——转子为导
磁体，也称反应式步进电机。 永磁型（PM）步进电机 ——转子为永磁铁。 混合型（HB-Hybrid）步进电机 ——转子
为导磁体和永磁铁的组合。 · 按定子绕组对数分类：
3.3.1 步进电动机的特点、种类、工作原理
（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）。
2．液压式执行元件
液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油 缸、液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功 率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点
3．气压式执行元件
气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外， 与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大 的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可 压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。
主要分为：串行控制和并行控制两种方法
脉冲
环 方向控制 形
分 配 方式信号 器
功 率 放 大 电
步 进 电 机
路
步
相 驱
相动
相电 相路 相器
进 电 机 各 相 绕
组
串行控制方式
并行控制方式
3.4 直流（DC）伺服电动机及其驱动
厚
励 志 勤
德 达 理
工
3.4.1 直流（DC）伺服电动机工作原理
通过电刷和转换器产生的整流作用，使磁 场磁动势和电枢电流磁动势正交，从而产生 转动力矩。使用直流供电，实现速度和方向 调节控制，主要通过对直流电压/电流的大 小和方向进行调节来实现。
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德 达 理
工
3.2.1 机电一体化系统 对伺服控制电动机的基本要求
为实现运动、功率/能量、控制运动方式的 转换，对伺服控制电动机提出了一些基本要求。 （1）性能密度大。即功率密度 Pw=P/G 或比 功率密度 Pbw=(T2/J)/G 大。 （2）快速性好。加速度大、响应特性好。 （3）位置控制与速度控制精度高、调速范围 大、低速平稳性好、分辨率高以及振动噪音小。 （4）能适应频繁启动，可靠性高、寿命长。 （5）易于与计算机对接，实现计算机控制。
（2）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速） （3）改变电枢回路电阻调速
典型直流伺服电动机控制数学模型
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德 达 理
工
直流（DC）伺服电动机的特性
厚
励 志 勤
德 达 理
工
特点：具有较高的响应速度、精度和频率， 优良的控制特性等，但由于所用电刷和转换 器是使用寿命较低，需要定期更换。
3.4.2 直流（DC）伺服电动机的驱动
A
C1
B
2
4
B3
C
A
A
C1
B 4
B2
3C
A
A
C
4
B
1 2
3
B
C
A
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德 达 理
工
3.3.2 步进电动机的运行特性与性能指标
（1）分辨率
主 要 指 步 进 角 =360º/znK 。 如 ： 0.6º/1.2º、 0.75º/1.5º、0.9º/1.8º、………。
（2）静态特性
主要指步进电机在稳态工作条件下的特性， 包括：矩—角特性、静转矩、静态稳定特性等。
t U
t
多路功率开关细分电路
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iw w
工
单功率放大细分驱动电路
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励 志 勤
德 达 理
工
阶梯波控制信号的产生与放大方法
U
放大
t
细分环形 分配器
放大 加 放大 法
器
w
放大
iw
t
细分环形 分配器
加 法 放大 器
w
分先放大后叠加；先叠加后放大两种方法。
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德 达 理
工
（4）步进电机的微机控制
快、动作平稳，可 液压源和液压油
实现定位伺服控制； 要求严格；易产
易与计算机（CPU） 生泄露而污染环
连接。
境。
3.1.2机电一体化系统对执行元件的基本要求
（1）惯量小，动力大。 （2）体积小，重量轻。 （3）安装方便、便于维修维护。 （4）易于实现自动化控制。
3.2 机电一体化系统常用的控制电动机
常用伺服控制电动机 ： DC/AC电动机、力矩电动机、步进（脉冲） 电动机、变频调速电动机、开关电磁电动机 以及其他电动机（直流或交流脉宽调速电动 机、电磁伸缩元件）等。
常用伺服控制电动机的控制方式
主要有：开环控制、半闭环控制、
厚
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德 达 理
闭环控制三种。 如图所示数控机床伺服系统。
工
它由控制器、被控对象、反馈测量装置 等部分组成。
交流伺服电机 直流伺服电机
执
液压式
行
元
件 气压式
油缸 液压马达 气缸 气压马达
步进电机 其他电机 双金属片 状态记忆金属
其他
与材料有关
压电元件
执行元件的特点
1. 电气执行元件
电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流 （AC）伺服电机、步进电机以及电磁铁等。对这些 伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态性 能好，适合于频繁使用，便于维修等
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。
厚
励 志 勤
德 达 理
工
专用环形分频器——使用 方便，接口简单，专业化生
工
3.3.3 步进电机的驱动与控制
步进电机的驱动电路：主要由脉冲分配器 和功率放大器两部份组成。
变频控制信号：主要有脉冲频率信号和 方向控制信号。
变频信号
方向信号
脉冲 分配器
功率 放大器
步进电机驱动电路的组成
厚
励 志 勤
德 达 理
工
一种四相步进电机驱动实用电路
0.1μ f
或 0.1μ f
0.1μ f
德 达 理
工
最高连续运转频率fmax及矩－频特性：步
进电机连续运转时所能接受的最高控制频率
fmax，称最高连续运转频率；步进电机连续
运转转矩随频率的增加而降低，称矩－频特 性。
T Tjmax
p
p /3
Tq
r
Tjmax
T Tjmax
Tq
p
p
e
p /3
r
Tjmax
p
e
矩－角特性曲线族
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励 志 勤
德 达 理
1）直流电动机的脉宽调速电路原理
τ
τ
2）直流电动机的方向控制电路
厚
励 志 勤
德 达 理
工
d
b
a
厚
励 志 勤
德 达 理
工
直流PMW调速驱动电路
直流电机 PWM调速电路
晶闸管驱动
直流电机 PWM调速电路
H桥驱动
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工
3.5 交流（AC）伺服电动机及其驱动
方 向 控 制
步进脉冲输出
定时器引 脚布局
引脚布局
引脚布局
步进脉冲
7486
7476
线圈 线圈 线圈 线圈
厚
励 志 勤
德 达 理
工
（1）环形脉冲分配器
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：
工作区域θr越接近静态稳定工作区域θe，越不
容易丢步。
起动转矩Tq：两相（A、B）矩－角特性之交点
Tq表示步进电机单相励磁时所能带动的极限负载 转矩，与步进电机的相数和通电方式有关。
T Tjmax
p
p /3
Tq
r
Tjmax
T Tjmax
Tq
p
p
e
p /3
r
Tjmax
矩－角
特性
p
e 曲线族
厚
励 志 勤
分为2相、 3相、 4相、 5相、 10相等步进电机。 · 按定子绕组通电极性分类： 分为单极性和双极性步进电机。
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德 达 理
工
（3）步进电动机的工作原理
当第一个脉冲通入A相时，磁通企图沿着磁 阻最小的路径闭合，在此磁场力的作用下， 转子的1、3齿要和A级对齐。当下一个脉冲通 入B相时，磁通同样要按磁阻最小的路径闭合， 即2、4齿要和B级对齐，则转子就顺逆时针方 向转动一定的角度：