第6章_控制系统及接口设计(机电一体化系统设计-冯浩)
(整理)机电一体化系统设计
机电一体化系统设计大作业重切削数控钻铣床设计说明书学校名称：西安工业大学设计者：X X X学号：XXXXXXX指导教师：XXX二〇一〇年六月十日目录一：系统总体方案设计 (3)1.1设计参数 (3)1.2总体方案确定 (4)1.2.1 机械系统 (4)1.2.2 伺服系统设计 (4)二：机械系统的设计 (4)2.1 滚动直线导轨计算与选型 (4)2.2 主轴选型与计算 (6)2.3滚珠丝杆计算与选型 (7)2.4电机计算与选型 (9)2.5 位移测量选型 (10)2.6 数控系统选型 (10)三：装配图 (10)四：参考文献 (12)一：系统总体方案设计1.1：设计参数表11.2总体方案确定1.2.1 机械系统（1）传动机构采用滚珠丝杠副（2）导向机构采用滚动直线导轨（3）执行机构采用伺服电机1.2.2 伺服系统设计采用半闭环控制二：机械系统的设计2.1 滚动直线导轨计算与选型表2由下表3可知：在重切削的机床上选用滚柱直线导轨表3由所给条件得,该导轨的额定工作时间为12000h L h = 计算导轨的额定动载荷0.81,1,1,2c h T W f f f f ==== ，h T cCa =其中F F M∑=，32/10s h s T T l n =。
代入数据得到：X 方向导轨7563.2Ca N =；Y 方向导轨13262.1Ca N =；Z 方向导轨10286Ca N =。
在网上搜寻到交叉导轨如下图所示由上图查看得知： 选用满足要求的导轨如下表表42.2 主轴选型与计算选用铣削用电主轴， 表5冷却方式为水冷；换刀方式：手动换刀；电源电压为AC380V ；加上表3的各参数选用德国GMN 高频CNC 铣削、钻削主轴HSP 100-51000/5 。
各参数如下：○1电主轴 – 手动换刀； ○2内藏异步电机，液冷前端轴承及定子； ○3超精密混合陶瓷球轴承； ○4油气润滑或是脂润滑轴承； ○5原理示意图如下：2.3滚珠丝杆计算与选型计算载荷1.2 1.0 1.016001920C F H A M F K K K F N ==⨯⨯⨯=查手册知F K =1.2,H K =1.2, A K =1.0估算额定动载荷计算值Ca10336Ca F N =≈ X/Y/Z 轴滚珠丝杆型号DFV04010-4.8 公称直径40 导程10 动额定负荷4372 静额定负荷11264DFV05010-4.8 公称直径50 导程10 动额定负荷4823静额定负荷14080DFV04010-4.8 公称直径40 导程10 动额定负荷4372 静额定负荷11264 丝杆支撑轴承 EF40 内径： d1 40 BF50内径：d1 50 EF40 内径： d1 40 刚度验算滚珠丝杠受工作负载P 引起的导程0L 的变化量1PL L EF∆=±Y 向所受牵引力大，故应用Y 向参数计算P Ca ≈01L =6220.610(/)E N cm =⨯ ()材料为钢2F R π=所以 61.2100.2L um -∆=±⨯=丝杠因受扭矩而引起的导程变化量2L ∆很小，可以忽略。
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。
3、课程教学内容第1章概述（6学时）1．基本要求：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。
机电一体化第4章 控制系统及接口设计(4.11输入／输出控制的可靠性设计)
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1k 8031 8155 8255 T0/T1 G LM331
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特点：可提高在恶劣环境中前向型通道和电源的抗干扰 能力。
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控制系统及接口设计-接口技术
二、信息转换电路设计
(1) 弱点/强电转换电路 微机应用系统中的微机发出的控制信号一般要经 过功率放大后，才能驱动备类执行元件。
G 功放电路 K KM AC电动机
来 自 微 机 开 关 量
G
功放电路
K
AC电动机
G
功放电路
K
DT
G
功放电路
YA
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控制系统及接口设计-接口技术
（2）数字/脉冲信号转换——并行转换为串行
微 机
I/O 接 口
光 电 隔 离 电 路
A相功放电路 A相功放电路 A相功放电路 步进电机
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控制系统及接口设计-接口技术
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控制系统及接口设计-接口技术
光电耦合隔离器按其输出级不同可分为三极管型、单 向晶闸管型、双向晶闸管型等几种，如图所示。它们的 原理是相同的，即都是通过电→光→电这种信号转换， 利用光信号的传送不受电磁场的干扰而完成隔离功能的。
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控制系统及接口设计-接口技术
现以最简单的三极管型光电耦合隔离器为例来说明它 的结构原理，如图所示。
例如在现场传感器与A/D转换器或D/A转换器与现 场执行器之间的模拟信号的线性传送，可用光耦的 这种线性区对模拟信号进行隔离。
5
控制系统及接口设计-接口技术
光耦的这两种隔离方法各有优缺点。 • 模拟信号隔离方法的优点是使用少量的光耦，成本 低；缺点是调试困难，如果光耦挑选得不合适，会影 响A/D或D/A转换的精度和线性度。数字信号隔离方法 的优点是调试简单，不影响系统的精度和线性度； • 缺点是使用较多的光耦器件，成本较高。但因光耦 越来越价廉，数字信号隔离方法的优势凸现出来，因 而在工程中使用的最多。
机电一体化教案(幻灯片)
1.1 Summary
4.CHINA：
1.1 Summary
Mechatronics contains two meanings : Mechtronics Product产品 (System系统) and Mechatronics Technology技术
The typical mechatronic product (System) :
1.1 Summary
③ Artificially Intellective Technology 人工智能 Neural Network Technology神经网络
Optical Fiber Technology光纤
1.1 Summary
1.1.2 The Meaning of Mechatronics含义 1.JAPAN： 1970’S，JAPAN：“Mechatronics” The supplement of 《Journal of Machine Design》机械设计杂志副刊
1.1 Summary
1.The Preparative Stage：准备阶段 Germination stage 萌芽阶段
Before 1960' In 1952 :The First NC Drilling and Milling Machines 数控钻铣床 In 1959 : The First Programmable Robot可编程机器人
NC Machine Tool、Robot 、Auto Electron Products汽车电子化产品、Intelligent Instrument智能化仪器仪表、Monitoring and control of the Welding process电子印刷 排版系统、CAD／CAM and so on。
第4章-伺服系统设计(机电一体化系统设计-冯浩)培训讲学
这就引入了放大电路内阻，使电动机的机械特性
便软，在设计时应加以注意。
2）调节特性 指电磁转矩恒定时，电机的转速随控制电
压变化的关系 。
当电机转速n＝0时
Ua
Ra Kt
T
表示电动机在某一负载转矩下，电动机的始动电压。 当负载转矩一定时，电动机的电枢电压必须大于始 动电压，伺服电动机才能启动 。
统，介质是采用空气，其价格低廉等优点而被广 泛应用。 气动伺服系统主要有以下特点： ①成本低。不需要花费介质费用，同时传递压力 低，气压驱动装置和管路的成本比液压驱动装置 低。 ②输出功率和力较小，体积较大。 ③控制稳定性差。空气可压缩性大，阻尼效果差， 低速不宜控制，而且运动的稳定性不好，控制精 度不高。 ④清洁、安全，结构简单，维修方便。
①功率大。可传递高达25～30MPa的压力，因 而可输出很大的功率和力。
②控制性能好。高压油液可压缩性极小，与同体 积或功率的其他驱动系统相比，刚性好，时间常 数小，可实现无极调速和缓冲定位。
③维修方便。能进行自润滑，有利于延长使用寿 命，维修比电气伺服系统简便。
3）气动伺服系统 气动伺服系统是采用压缩空气作为动力的伺服系
3 直流电动机的动态特性
电枢控制时直流伺服电动机的动态特性， 是指电动机的电枢电压突变时，电动机转 速从一种稳态到另一种稳态的过渡过程， 即
n f (t)
机械时间常数的大小表示了电动机过渡过 程的长短，反映了电机转速随电压信号变 化的快慢程度，是伺服电动机的一项重要 指标。
第4章 伺服系统设计
4.1 概述 4.2 伺服系统的执行器及其控制 4.3 伺服系统中执行器的选择 4.4 闭环控制的伺服系统设计举例
4.1 概述
一、伺服系统概念 二、伺服系统的类型 三、伺服系统的基本要求
毕业设计——机电一体化设计
机电一体化系统设计设计内容：自动售货机控制系统的设计姓名：院系：物理与机电工程学院专业：机械设计制造及其自动化班级：学号：一、设计题目 (3)二、设计要求 (4)1、设计要求 (4)2.设计内容描述 (4)三、设计作用与目的 (5)四、所用设备及软件 (5)五、系统设计方案 (5)1、系统总体设计 (5)六、系统硬件设计 (6)1.系统整体设计 (6)2.I/O分配 (7)七、系统软件设计 (8)1.主程序流程设计 (8)2.各子程序设计 (9)计币部分 (10)比较部分 (10)选择和饮料供应部分 (11)余额计算部分 (11)退币部分 (12)报警部分 (11)八、实验调试结果 (11)九、设计心得 (12)十、参考文献 (13)自动售货机是能根据投入的钱币自动付货的机器。
自动售货机是商业自动化的常用设备，它不受时间、地点的限制，能节省人力、方便交易。
是一种全新的商业零售形式，又被称为24小时营业的微型超市。
能分为三种：饮料自动售货机、食品自动售货机、综合自动售货机。
随收入水平的提高，人们追求灵活、方便、快捷以及自助式服务是自动售货机得以如此迅猛发展的主要原因。
在发达国家自动售货机已经成为零售业一个不可分割的部分，特别是对青年一代，这种伴随其成长的前卫零售方式更可谓是一种新的消费时尚。
自动售货机具有技术含量高、销售方式新、市场潜力大、商品货真价实等优点，决定了它广阔的发展前景。
一、设计题目自动售货机控制系统的设计二、设计要求1、设计要求（1）、根据控制要求，所需输入信号、输出信号的点数，选择适当型号的PLC；（2）、I/O地址分配，设计PLC外部接线图；（3）、根据系统的工作过程，画出工作流程图或时序图；（4）、根据工作流程图或时序图，设计满足控制要求的梯形图；（5）、根据梯形图编写程序，并在实验室模拟调试。
2、设计内容描述PLC控制的自动售货机系统主要有三个可以感受到投币量的传感器，六个按钮开关(分别为启动按钮、停止按钮、退币按钮、汽水选择按钮、花茶选择按钮和咖啡选择按钮）三个指示灯,(分别为汽水指示灯，花茶指示灯和咖啡指示灯），和两个七段数码管。
机电一体化系统设计-概论
(3) 详细设计
• 详细设计主要是对系统总体方案进行具 体实施步骤的设计，其主要的依据是总 体方案框图。从技术上将其细节逐步全 部展开，直至完成试制产品样机所需的 全部技术图纸和文档，机电一体化的详 细设计主要应包括以下内容：
(A)机械本体设计
• 这里所说的机械本体一般由减速装置、 蜗轮蜗杆副、丝杠螺母副等各种线性传 动部件，连杆机构、凸轮机构等非线性 传动部件，挠性传动部件、间歇传动部 件等特殊传动部件，导向支承部件、旋 转支承部件以及机架等支承部件组成。
机电一体化系统设计
课程介绍
第一章。概论 第二章。机械系统设计 第三章。检测系统设计* 第四章。驱动系统设计 第五章。接口技术 第六章。控制系统设计* 第七章。机电一体化系统设计典型实例
（机器人）
参考书
• 郑堤 等主编。 机电一体化设计基础（机械工业出版社） • 李成华 等主编。 机电一体化技术（中国农业大学出版社） • 刘杰 等主编。 机电一体化技术基础与产品设计（冶金工业
实施机电一体通常可以获 得以下一些效果
（1）功能增强 （2）提高精度 （3）结构简化 （4）可靠性提高 （5）改善操作 （6）提高柔性
五.机电一体化技术的分类
• 1 机电一体化技术分类概述 目前世界上普遍认为机电一体
化有两大分支，即生产过程的机电 一体化和机电产品的机电一体化。
生产过程的机电一体化
• 机电一体化系统是由若干具有特定 功能的机械与微电子要素组成的有 机整体，具有满足人们使用要求的 功能。根据不同的使用目的，要求 系统能对输入的物质、能量和信息 进行某种处理，输出所需要的物质、 能量和信息。
三大“目的功能”
1。变换功能 2。传递功能 3。储存功能
系统的目的功能
机电一体化系统课程设计免费范文
机电一体化系统课程设计一、概述机电一体化系统是指将机械、电子、控制等多学科有机地结合起来，形成一个具有机械、电气、电子等功能部分的新型产品或系统。
随着科学技术的不断发展，机电一体化系统在工业、交通、农业等领域的应用日益广泛。
为了培养学生的综合能力和实际操作能力，机电一体化系统课程设计成为一门重要课程。
本篇文章将介绍一篇免费的机电一体化系统课程设计范文，旨在帮助同学们更好地理解该课程的设计要求和实际操作过程。
二、课程设计内容1. 课程设计主题：基于PLC的自动化控制系统设计2. 设计要求：a. 选择一个具体的工业生产场景，例如流水线生产、自动包装、自动搬运等；b. 设计一个基于PLC的自动化控制系统，实现对该生产场景的自动控制和监测；c. 设计系统的硬件配置和接线图，包括传感器、执行器、PLC等设备的选型和连接方式；d. 编写PLC控制程序，实现对生产场景的自动化控制；e. 设计人机界面，实现对系统的监控和操作；f. 编写课程设计报告，包括设计思路、系统配置、程序代码等内容。
三、课程设计步骤1. 选择工业生产场景根据实际情况，选择一个具体的工业生产场景作为课程设计的基础，例如流水线生产。
2. 系统需求分析分析所选生产场景的具体要求，包括自动控制的功能需求、安全性要求、生产效率要求等。
3. 硬件配置和接线图设计根据系统需求，选择合适的传感器、执行器和PLC等硬件设备，并设计它们之间的连接方式。
4. PLC控制程序设计根据系统需求，编写PLC控制程序，实现对生产场景的自动化控制。
5. 人机界面设计设计一个直观简洁的人机界面，实现对系统的监控和操作。
6. 系统调试和实验验证将硬件设备和控制程序进行组装和调试，验证系统在实际场景中的性能和稳定性。
7. 课程设计报告撰写撰写课程设计报告，包括系统设计思路、硬件配置、程序代码、系统调试结果等内容。
四、课程设计范文（此处省略具体的课程设计范文，仅列出课程设计内容的大纲）1. 课程设计主题：基于PLC的自动化控制系统设计2. 设计要求：a. 选择流水线生产场景；b. 设计一个基于PLC的自动化控制系统，实现对流水线的自动控制和监测；c. 设计系统的硬件配置和接线图，包括传感器、执行器、PLC等设备的选型和连接方式；d. 编写PLC控制程序，实现对流水线的自动化控制；e. 设计人机界面，实现对系统的监控和操作；f. 编写课程设计报告，包括设计思路、系统配置、程序代码等内容。
机电一体化系统设计
机电一体化系统设计第一章概论1 试说明较为人们所接受的机电一体化的含义机电一体化乃是在机械的主功能，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 机电一体化的目的提高系统的附加价值，即多功能，高效率，高可靠性，省材料，省能源，并使产品结构向短小，轻，薄化方向发展，从而满足人们生活的多样化和生产的省力化，自动化需求。
3机电一体化系统由哪些基本要素组成？分加实现哪些功能？1控制器：控制2检测传感器：计测3执行元件：驱动4动力源：提供动力5机构：构造4 工业三大要素指的是什么？物质，能量，信息5说明机电一体化系统（产品）设计步骤1根据目的功能确定产品规格，性能指标2系统功能部件，功能要素的划分3接口设计4综合评价5可靠性检查6试制与调试6机电一体化系统的主要评价内容是什么？对其实现目的功能的性能，结构进行评价7机电一体化的接口功能有哪两种？1是变换，调整2输出，输入8根据不同的接口功能说明接口的种类1变换调整：零接口，无源接口，有源接口，智能接口2 输入/输出：机械接口，物理接口，信息接口，环境接口第二章机械系统部件的选择与设计1滚珠丝杠副中滚珠的基本循环方式有哪些？各有何种特点？内循环：滚珠在循环过程上始终与丝杠表面接触。
优点：滚珠循环回路短，流畅性好，效率高，螺母的径向尺寸较小。
不足：反向器加工困难装配不方便外循环：螺旋槽式：工艺简单，径向尺寸小，易于制造，但是挡珠器刚性差，易磨损插管式：结构简单，容易制造，但径向尺寸大，挡珠器容易磨损端盖式：结构简单，工艺性好，但滚道吻接和弯曲处圆角不易准备制造而影响其性能2滚珠丝杠副消除轴向间隙的调整与预紧方式有几种？各有何特点？1双螺母螺纹预紧调整式：结构简单，刚性好，预紧可靠，使用中调整方便，但不能精确定量地进行调整2 双螺母齿差预紧调整式：可实现定量调整，即可进行精密微调，使用调整较方便3 双螺母垫片调整预紧式：结构简单，，刚度高，预紧可靠，但使用中调整不方便4 弹簧式自动调整预紧式：能够消除使用过程中因磨损或弹性变形产生的间隙，但其结构复杂，轴向刚度低，适用于轻载场合5单螺母变位导程预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式：结构简单，紧凑，但使用中不能调整，，制造困难3滚珠丝杠副中支承方式有哪几种？各有何特点？1单推—单推式：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—双推式低2 双推—双推式：轴向刚度最高，适合于高刚度，高转速，高精度的精密丝杠传动系统，但温度的升高会使丝杠的预紧力增大，易造成两瑞支承的预紧力不对称3 双推—简支式：预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速，传动精度较高的长丝杠传动系统4 双推—自由式：轴向刚度和承载能力低，多用于轻载，低速的垂直安装的丝杠传动系统4 滚珠丝杠副中的公称直径根据啥选择？基本导程根据什么选取？公称直径d0应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸系列选择基本导程ph应按承载能力，传动精度及传动速度选取5伺服电机驱动负载的传动系统中，常采用什么方法选择最佳传动比常采用使负载加速度最大的方法第三章执行元件的选择与设计1 控制用电机有哪些种类，特点及应用？1 一般的动力用电动机（感应式异步电动机，同步电动机）2 控制用的电动机（力矩电动机，脉冲电动机）特点：前者1 转角与控制脉冲数成比例2有定位转矩3可构成廉价的开环控制系统后者高响应特点，特性高功率密度，可实现高精度数字控制，接触换向部件应用：前者计算机外围设备办公机械后者NC机械，机器人等2 直流伺服电机的主要技术参数有哪些？额定电压，额定电流，额定转速，额定转矩，调速比3 直流伺服电机的驱动方式有几种？晶体管脉宽调理驱动，晶闸管直流调整驱动两种方式4 旋转式步进电机按其构成可分为几种？各有何特点？1）可变磁阻型：电动机的转子结构简单，转子直径小，有利于高速响应2）永磁型：励磁功率小，效率高，造价高，因此需求量也大3）混合型：步距角小，响应频率高的优点，励磁功率小，效率高的优点5步进电机有哪几种通电方式？步距角与通电是否有关？三相单三拍，三相双三拍，三相六拍通方式。
国家开放大学电大本科《机电一体化系统设计基础》2023-2024期末试题及答案(试卷代号：1118)
国家开放大学电大本科《机电一体化系统设计基础》2023-2024期末试题及答案关建字摘要：步进，预紧，传感器，系统，机电，校准，电动机，脉冲，电机，精度竭诚为您提供优质文档，本文为收集整理修正，共5页，请先行预览，如有帮助感谢下载支持国家开放大学电大本科《机电一体化系统设计基础》2023-2024期末试题及答案（试卷代号：1118）2021年7月一、单选题（每小题3分，共24分）io以下不属于机电一体化系统主要功能的是（）。
A.控制功能B.检测功能C.计算功能D.动力功能2.为了提高机电一体化机械传动系统的固有频率，应该（）oA.增大系统刚度B.增大系统转动惯量C.增大系统的驱动力矩D.减小系统的摩擦阻力3.光栅传感器的光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，刻线数为100线/mm,当经四倍细分后记数脉冲为400时，光栅位移是（）mm。
A.1B.2C.3D.4）。
4.以下不能实现交流异步伺服电动机调速的方法是（A.改变电动机的转差率B.改变供电电压的大小C.改变电动机的供电频率D.改变电动机定子极对数5.在机电一体化系统设计开发过程中，需要根据系统功能要求编写（），具有实时性、针对性、灵活性和通用性。
A.平台软件B.开发软件C.系统软件D.应用软件6.机电一体化产品设计的第一道工序和概念设计的出发点是（）。
A.结构分析B.功能分析C.工艺分析D.流程分析7.含有微处理器，可进行程序编制或适应条件变化的接口是（）oA.零接口B.被动接口C.主动接口D.智能接口8.HRGP-1A喷漆机器人中的活塞式液压缸属于系统中的（）。
A.能源部分B.测试传感部分C.驱动部分D.执行机构二、判断题（正确的打"，错误的打X,每题3分，共30分）9.机电一体化产品具有“智能化”的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质差别。
（J）10.产品的零部件和装配精度高，系统的精度一定就高o（X）11.采用虚拟样机代替物理样机延长了产品开发周期，增加了产品开发成本，但是可以改进产品设计质量，提高而向客户与市场需求能力。
机电一体化系统设计
机电一体化系统设计大作业重切削数控钻铣床设计说明书学校名称：西安工业大学设计者：X X X学号：XXXXXXX指导教师：XXX二〇一〇年六月十日目录一：系统总体方案设计 (2)1.1设计参数 (2)1.2总体方案确定 (2)1.2.1 机械系统 (3)1.2.2 伺服系统设计 (3)二：机械系统的设计 (3)2.1 滚动直线导轨计算与选型 (3)2.2 主轴选型与计算 (5)2.3滚珠丝杆计算与选型 (6)2.4电机计算与选型 (8)2.5 位移测量选型 (9)2.6 数控系统选型 (9)三：装配图 (9)四：参考文献 (11)一：系统总体方案设计1.1：设计参数表11.2总体方案确定1.2.1 机械系统（1）传动机构采用滚珠丝杠副 （2）导向机构采用滚动直线导轨 （3）执行机构采用伺服电机 1.2.2 伺服系统设计 采用半闭环控制二：机械系统的设计2.1 滚动直线导轨计算与选型表2由下表3可知：在重切削的机床上选用滚柱直线导轨表3由所给条件得,该导轨的额定工作时间为12000h L h计算导轨的额定动载荷0.81,1,1,2c h T W f f f f ==== ，3/S wh T cF T K f Ca =其中F F M∑=，32/10s h s T T l n =。
代入数据得到：X 方向导轨7563.2Ca N =；Y 方向导轨13262.1Ca N =；Z 方向导轨10286Ca N =。
在网上搜寻到交叉导轨如下图所示由上图查看得知：选用满足要求的导轨如下表表42.2 主轴选型与计算选用铣削用电主轴，表5冷却方式为水冷；换刀方式：手动换刀；电源电压为AC380V；加上表3的各参数选用德国GMN高频CNC铣削、钻削主轴HSP 100-51000/5 。
各参数如下：○1电主轴–手动换刀；○2内藏异步电机，液冷前端轴承及定子；○3超精密混合陶瓷球轴承；○4油气润滑或是脂润滑轴承；○5主轴最高转速 rpm 51000 主轴最大扭距 Nm 77原理示意图如下：2.3滚珠丝杆计算与选型各类机床滚珠丝杆副的推荐精度等级 坐标方向 X Y Z 数控钻床 B P B 数控铣床 B BB计算载荷1.2 1.0 1.016001920C F H A M F K K K F N ==⨯⨯⨯=查手册知F K =1.2,H K =1.2, A K =1.0 估算额定动载荷计算值Ca34103361.6710m hn L Ca F N =≈⨯X/Y/Z 轴滚珠丝杆型号DFV04010-4.8 公称直径40 导程10 动额定负荷4372 静额定负荷11264DFV05010-4.8 公称直径50 导程10 动额定负荷4823静额定负荷14080DFV04010-4.8 公称直径40 导程10 动额定负荷4372 静额定负荷11264 丝杆支撑轴承 EF40 内径： d1 40 BF50内径：d1 50 EF40 内径： d1 40 刚度验算滚珠丝杠受工作负载P 引起的导程0L 的变化量1PL L EF∆=±Y 向所受牵引力大，故应用Y 向参数计算P Ca ≈01L =6220.610(/)E N cm =⨯ ()材料为钢2F R π=所以 61.2100.2L um -∆=±⨯=丝杠因受扭矩而引起的导程变化量2L ∆很小，可以忽略。
《机电一体化系统设计》——期末复习题及答案_60341459302595687
中国石油大学（北京）远程教育学院《机电一体化系统设计》期末复习题第一章绪论判断（A对，B错）1.工业三要素是资金、人才、技术。
2.机电一体化系统的执行机构功能是主操作功能。
答案：B A单选1、机电一体化系统机械本体的功能是（）A执行机构B动力源C固定其它部件D主操作功能2、下列哪一项是机电一体化的特性。
A装置的控制属于强电范畴B自动信息处理C支撑技术是电工技术D以机械联结为主3、机电一体化系统的主要构成装置不包含以下哪一项（）A电子装置B控制装置C驱动装置D机械装置答案：C B A问答题1、在机械工业中微电子技术应用有哪些方面，及其对机电一体化产品设计的意义1)对机器或机组系统运行参数进行巡检传感或控制2)对机器或机组系统工作程序的控制3)用电子技术代替传统产品中机械部件完成的功能，简化产品的机械结构4)节约材料5)节能降耗对机电一体化产品设计的意义表现在：功能模块化；封装模块化；电路（板）器件微型化；可靠性高；抗干扰能力强；结构一体化；机电产品体小、性优、价廉。
2、机电一体化系统的主功能组成是那些物质、能量、信息（工业三要素）的变换（加工处理）、传递（移动、输送）、储存（保持、积蓄、记录）3、机械电气化与机电一体化的区别机械电气化–很少考虑电器与机械的内在联系；根据机械要求选用电气传动–机械电气界限分明，以机械联结为主，装置是刚性的–装置的控制属于强电范畴，支撑技术是电工技术（电磁学，输配电）机电一体化产品的新功能、智能化进步：自动检测，自动显示，自动记录，自动信息处理，自动调节控制，自动诊断，自动保护4、简要说明机电一体化系统组成要素及其功能五个方面，各组成及功能分别是：机械本体(构造功能:固定其它部件)；执行机构(主操作功能)；驱动部件(动力功能)；传感部件(信息检测)；控制部分(信息处理及控制)56、机电一体化的关键支撑技术有哪些它们的作用如何系统论、信息论、控制论是理论基础和方法论，具体来说有六个方面的关键技术：检测传感技术：是自动化、智能化、闭环控制基础信息处理技术：控制的基础,处理速度,可靠抗干扰自动控制技术：核心是计算机控制,关系着系统的静动特性和稳定性伺服传动技术：动力和运动控制实现包括电,液,气的伺服传动技术精密机械技术：基础技术涉及产品部件的模块化标准化规格化表现为减轻重量，缩小体积，提高精度，改善性能，提高可靠性系统总体技术：包括总体设计和接口设计；涉及到产品的功能分解与技术实现、系统总体综合与接口技术第二章系统总体设计判断（A对，B错）1、产品的功能、原理、结构设计，是机电一体化产品概念设计的核心内容。
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如果采样周期T取得足够小，这种逼近就会相当 准确，被控制的过程与连续过程将十分接近，称 为“准连续控制”。
上式提供了执行机构位置（如阀门开度）的
算法，称为位置式的控制算法。当执行机构 需要的不是控制量的绝对值，而是其增量 （如驱动步进电机）时，可由上式导出增量 式控制算法。
控制算法较之位置式增量式控制算法有下列
数据缓冲功能。接口中一般都设置数据寄 存器或锁存器，以解决高速CPU和低速外 设之间的矛盾，避免丢失数据。另外，这 些锁存器常常有驱动作用。 设备选择功能。微机系统中通常有多个外 设，而CPU在同一时间只能与一台外设交 换信息，这就要借助于接口的地址译码对 外设进行寻址。
信息转换功能。由于外设所能提供和所需 要的各种信号常常与微机总线信号不能兼 容，因此信号转换不可避免，它是接口设 计中的一个很重要方面。通常遇到的信号 变换包括：信号的电平转换、模/数和数/模 转换，串/并和并/串转换，数据宽度变换等。
2．信号放大电路 3．A／D转换电路
4．温度设置电路
5．显示接口电路
6．功率放大及执行电路
采用步进电机作为执行元件，步进电机其作用是 将电脉冲信号转换为相应的位移量。由于步进电机 具有快速启动，精确步进以及能直接接受数字量的 特点，在工业生产过程的过程控制系统中，不用位 移传感器也能实现精确定位，冈而得到广泛应用。 该系统采用相反应式步进电机，型号为55BF004— Ⅱ，主要参数如下： 1）步距角：1.5°/3°： 2）最人静力矩：50kg.cm 3）最高空载起动频率：550步/秒 4）相数：三相 5）额定电流：0.5A。
5.光耦合器驱动接口电路设计
光电耦合器是把发光二极管和光敏晶体管或
光敏晶闸管封装在一起，通过光信号，实现 电信号传递的器件。由于光耦合输入和输出 之间没有直接的电气连接，电信号通过光信 号传递的，所以也称光隔离器
光耦合器具有以下特点： 光耦合器的信号传递采取电－光－电形式，发光部
分和受光部分不接触，因此其绝缘电阻可高达 1010Ω以上，并能承受2000V以上的高压。被耦合 的两个部分可以自成系统不“共地”，能够实现强 电和弱电的电气隔离。 光耦合器的发光二极管是电流驱动器件，能够吸收 尖峰干扰信号，所以具有很强的噪声抑制能力。 光耦合器作为开关应用时，具有耐用、可靠性高和 高速的优点，响应时间一般为微妙级，高速型可达 纳秒级。
二、总体方案设计
根据上述功能要求，选择单片机AT89C52 构成系统，采用带有死区的PID控制算法,当 温度在给定购死区范围内时，不予调节。当 温度超出给定范围时，由单片机系统按照运 算结果驱动步进电机，调节加热装置，以控 制合成装置的温度。系统的总体方案如图所 示。
三、系统硬件构成
该系统的硬件电路由温度检测、信号放大、
二、控制器的几种改进形式
1、带有死区的PID算法
在计算机控制系统中，某些系统为了避免控
制动作过于频繁，消除由于频繁动作所引起 的系统振荡和设备磨损。对一些精度要求不 太高的场合，可以采用带有死区的PID控制。
2、积分分离的PID算法 在普通的数字控制器中引入积分环节，主要是为了
消除静差，提高控制精度，但在过程的启动、停车 或大幅度改变给定值时，由于在短时间内产生很大 的偏差，往往会产生严重的积分饱和现象，以致造 成很大的超调和长时间的振荡。这是某些生产过程 所不允许的。为了克服这个缺点，可采用积分分离 方法，即在被控制量开始跟踪时，取消积分作用； 而当被控制量接近给定值时，才将积分作用投入以 消除静差。控制算法可改写为:
接收、解释并执行CPU命令的功能。CPU 发到外设的各种命令都是以代码的形式先 发到接口电炉，再由接口电路解释后，形 成一系列控制信号发送到外设（被控对象） 的。为了实现CPU与外设之间的联络，接 口电路还必须提供一些状态信号。
中断管理功能。当外设需要及时得到CPU的服务， 例如，在出现故障而要求CPU进行及时处理时， 就应该在接口中设置中断控制逻辑，由它完成向 CPU提出中断请求，进行中断优先级排队，接收 中断响应信号以及向CPU提供中断向量等有关中 断事务工作，这样除了能使CPU实时处理紧急情 况外，还能使快速CPU与慢速外设并行工作，从 而提高CPU的效率。 可编程功能。为使接口具有较强的通用性、灵活 性和可扩充性，现在的接口芯片多数是可编程的， 这样在不改变硬件的条件下，只改变驱动程序就 可以改变接口的工作方式和功能，以适应不同的 用途。
在实际工程中，增量式算法比位置式算法应
用广泛得多。
PID计算程序可根据精度要求和计算速度选
择定点计算和浮点计算。定点计算程序简单， 运算速度快但精度有限。浮点计算适应范围 宽、精度高，但程序复杂、运算速度慢。 在微机控制中，既要考虑控制器的计算精度， 又要考虑系统的实时性、通用性。这里给出 一种较为实用的两字节定点PID计算方法， 精度较高，程序又比较简单。总长为16位。
模拟PID调节器的调节规律是由硬件来实现
的。在计算机控制系统中，调节算法一般用 软件来实现，由于编程的灵活性，它使 控制 器的调节功能变得更加丰富和完善。
在计算机控制系统中，为实现调节算法，应
对微分方程式离散化。
T u(k ) K p {e(t ) TI
TD e( j ) [e(k ) e(k 1)]} T j 0
优点。 ⑴位置式控制算法的输出量与整个过去状态 有关，计算公式中要用到偏差的累加值，容 易产生较大的累计误差。而且这样也需占用 较多的存储单元，不便于计算机编程。增量 式算法的输出量只与3个采样值有关，计算误 差或精度不足对控制量的计算影响较小。
⑵）当控制从手动切换到自动时，增量式调
节易于实现无冲击切换。另外，在计算机发 生故障时，由于执行装置本身有寄存作用， 故增量控制可使它保持原位。
2.LED显示接口电路设计 1）LED显示器。
动态显示和静态显示
2)LED显示接口电路设计
3．A/D转换接口电路设计
A/D转换电路的功能是将连续变化的模拟量
信号转换成数字信号. ICL7109是美国INTERSIL公司生产的双积分 式12位A/D转换器。
（1）主要技术指标：
口电路设计和控制算法的设计。
6.2.1单片机接口的作用和功能
单片机接口主要负责接收、解释并执行CPU
发出的命令，传送外设的状态，以及双方的 数据传输，管理双方的工作逻辑，协调它们 的工作时序。总之，单片机接口部件作为 CPU与外设之间一个界面，使得双方有条不 紊地协调工作，从而完成CPU与外界的信息 交换。 按CPU与外界交换信息的要求，一般来讲， 接口部件应具有如下功能：
6.2单片机接口及控制系统设计
单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规
模集成电路技术把具有数据处理能力的中央 处理器CPU 、随机存储器RAM、只读存储 器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计 时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小 而完善的计算机系统。
单片机控制系统的设计的关键在于单片机接
第6章 控制系统及接口设计
6.1 概 述
机电一体化产品的控制系统种类繁多，但基
本结构和功能是相同的。以微控制器为基础 的数字式控制是控制系统实现的主要形式。
6.1.1 控制系统的基本构成
控制系统是机电一体化产品中重要的组成部
分，主要实现控制、协调和信息处理功能。 控制系统是由控制装置、执行机构、被控对 象及传感与检测装置所构成的整体，其基本 构成如图所示。
需要注意的是：上述功能并非每个芯片都同
时具备，对不同的配置和不同用途的单片机 系统，其接口的功能和实现的方式有所不同， 接口电路的复杂性相差甚远。
6.2.3常用单片机接口设计
1.独立式键盘输入接口设计
例：如图6－3所示，P1.0—P1.7接8个按健；要求按一 个键则进入对应的程序段。 分析： 断是否有键按下；若有键按下，则消抖，然后把P1 的值循环移入进位位，来确定哪一个键被按下。程序流 程图如图6－4所示。
四、ห้องสมุดไป่ตู้制算法的选择
1.控制方法的选择 为了避免执行机构的动作过于频繁 ，消除由
于频繁动作引起的震荡现象，这里采用带死 区的PID控制算法，死区的范围由实验整定。 如果太小执行机构动作频繁，机构磨损，达 不到稳定被调对象的目的。如果太大，调节 不及时，系统将产生很大的滞后，该系统选 择死区范围为－2～＋2°。
表示A/D正在转换，低电平表示转换结束。 RUN/HOLD：高电平表示启动连续转换；低 电平表示转换停止。
P1.4~P1.7
4.功率接口电路设计
在机电一体化产品中，被控对象所需要的驱
动功率一般比较大，而计算机发出的数字控 制信号的功率很小，从而必须经过功率放大 后才能用来驱动被控对象。实现功率放大功 能的接口电路称为功率接口电路。
被控对象从简单到复杂，千变万化，机电一
体化产品所采用的控制系统的形式也各有不 同。控制系统的分类方法繁多，常见的分类 方法有： 1) 按控制器所依据的判定准则中是否有被控 对象状态的函数，可将控制系统分为顺序控 制系统和反馈控制系统。
2) 按系统输出的变化规律可将控制系统分为
镇定控制系统、程序控制系统和随动系统。 3) 按系统中所处理信号的形式可将控制系 统分为连续控制系统和离散控制系统。 4)按被控对象自身的特性，还可将控制系统 分成线性系统与非线性系统、确定系统与随 机系统、集中参数系统与分布参数系统、时 变系统与时不变系统等。
6.2.4 PID控制算法
一、模拟PID控制器及其调节规律的数字化 所谓PID控制就是比例(Proportional) 、积分
(Integral)和微分(Differential)控制，对于实际的物 理系统，其被控对象通常都有储能元件，这就造成 系统对输入作用的响应有一定的惯性。另外，在能 量和信息传输过程中，由于管道和传输等原因会引 入一些时间上的滞后，这往往会导致系统的响应变 差，甚至不稳定。因此，为了改善系统的调节品质， 通常会在系统中引入偏差的比例调节，以保证系统 的快速性。引入偏差的积分调节以提高控制精度， 引入偏差的微分调节来消除系统惯性的影响，这就 形成了按偏差调节的系统