机电有机结合之一---机电一体化系统稳态设计考虑方法
机电一体化系统的设计方法
机电一体化系统的设计方法
机电一体化系统的设计方法包括以下几个方面：
1. 概念设计：在机电一体化系统的设计初期，需要进行概念
设计，明确系统的功能、性能和结构等需求。
这个阶段需要进行需求分析、方案比较和选优等工作，确定系统的整体框架和设计指标。
2. 结构设计：在概念设计确定后，需要进行具体的结构设计，包括机械结构和电气结构的设计。
机械结构设计要考虑系统的运动学和动力学要求，选择合适的传动方式、机构和零部件等。
电气结构设计要考虑系统的电力和信号传输等需求，选择合适的电源、驱动器和控制器等。
3. 控制设计：机电一体化系统的控制设计是整个系统的关键，需要针对系统的工作原理和特点进行控制算法的设计。
根据系统的动态响应和稳态性能要求，选择合适的控制方法和参数调节方式，设计控制系统的结构和参数。
4. 效能设计：机电一体化系统的效能设计包括能量利用和噪
声控制等。
要在设计过程中考虑到能量的损失和转化效率，提高系统的能效。
同时，要对系统的噪声产生和传播进行分析和控制，减少系统产生的噪声。
5. 可靠性设计：机电一体化系统的可靠性设计是确保系统正
常工作和长期稳定运行的关键。
要进行可靠性分析和评估，识别可能的故障模式和失效原因，并采取相应的设计措施，提高
系统的可靠性和可维护性。
综上所述，机电一体化系统的设计方法涉及概念设计、结构设计、控制设计、效能设计和可靠性设计等方面，需要综合考虑系统的功能需求、结构特点、控制要求和效能指标，以实现系统的整体一体化和优化设计。
机电一体化系统设计方法及其发展
机电一体化系统设计方法及其发展机电一体化系统是指通过将机械和电子技术科学有效地结合，以实现更高效、更精准的控制和自动化。
它已经在许多领域得到了广泛的应用，包括工业生产、交通运输、医疗保健等。
机电一体化系统设计方法的发展不仅可以提高生产效率，还能够降低成本、提高产品质量、减少能源消耗等。
本文将介绍机电一体化系统设计的方法及其发展情况。
1. 系统架构设计机电一体化系统的设计首先需要进行系统架构设计。
在这个阶段，需要考虑机械和电子技术如何结合，以及各个子系统之间的协调和整合。
这包括确定系统的功能需求、分析系统的结构和工作原理、选择合适的传感器、执行器以及控制策略等。
系统架构设计的目标是确保系统的可靠性、稳定性和高效性。
2. 功能模块设计在系统架构设计确定后，需要对系统的功能模块进行设计。
这包括机械部分的设计，比如传动系统、执行机构等，以及电子部分的设计，比如控制器、传感器、电路等。
功能模块设计的关键是确定各个模块之间的接口和通信方式，以确保模块之间能够有效地协同工作。
3. 控制算法设计控制算法是机电一体化系统设计中非常重要的一个环节。
通过合适的控制算法，可以实现对机械系统的精确控制和自动化。
在这个阶段，需要进行系统的建模和仿真分析，然后针对具体的控制目标设计合适的控制算法。
常见的控制算法包括PID控制、模糊控制、神经网络控制等。
4. 系统集成与调试系统集成与调试是机电一体化系统设计的最后一个环节。
在这个阶段，需要将各个功能模块组装成整个系统，并进行系统级联调试。
通过集成和调试，可以确保系统的各个部分能够协同工作，达到设计要求。
也可以对系统进行优化调整，以提高系统的性能和稳定性。
随着科技的不断进步，机电一体化系统设计方法也在不断发展。
下面将从以下几个方面介绍其发展情况：1. 多学科融合机电一体化系统设计方法的发展趋势是多学科融合。
传统的机械设计和电子设计往往是分开进行的，但是随着机电一体化系统的出现，需要涉及到机械设计、电子技术、控制理论等多个学科的知识。
机电一体化复习资料整理总结
第一章1、机电一体化系统的构成要素与功能特征五大功能构成要素：机械系统（机构）、信息处理系统（计算机）、动力系统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件系统（如电动机)五个子系统组成。
·2、机电一体化系统（产品）设计的考虑方法：1) 机电互补法机电互补法又称取代法。
该方法的特点是利用通用或专用电子部件取代传统机械产品（系统)中的复杂机械功能部件或功能子系统，以弥补其不足。
例如：用PLC或计算机取代机械式的变速器、凸轮机构、离合器等。
可简化机械结构、提高性能。
2) 结合(融合)法它是将各组成要素有机结合为一体构成专用或通用的功能部件(子系统)，其要素之间机电参数的有机匹配比较充分。
例如：将电机的转子轴作为扫描镜的转轴。
3) 组合法它是将结合法制成的功能部件(子系统)、功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统（产品），故称组合法。
3、机电一体化系统的设计类型1）开发性设计它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面满足目的要求的产品或系统。
2)适应性设计它是在总的方案原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，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适应性设计，以使产品的性能和质量增加某些附加价值。
3)变异性设计它是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有所变更的要求。
第二章1.机电一体化的机械系统与一般机械系统相比，具有一定的特殊要求：（1）较高的定位精度。
（2）良好的动态响应特性。
——响应快、稳定性好。
（3）无间隙、低摩擦、低惯量、大刚度。
（4）高的谐振频率、合理的阻尼比。
2.滚珠丝杠副特点具有传动阻力小；传动效率高（92%~98%）；轴向刚度高；传动平稳；传动精度高；不易磨损、使用寿命长等优点；缺点:但不能自锁；因而用于高精度传动和升降传动时，需制动定位装置。
3.消除和减小丝杠轴向间隙的主要方法：双螺母螺纹预紧调整特点：结构简单，刚性好，预紧可靠，使用中调整方便; 但不能精确定量调整。
机电一体化系统的稳态设计考虑方法
机电有机结合的稳态设计考虑方法 在机电伺服系统主要元件选择或设计、各部分之间连 接方式、系统控制方式、所需能源供给形式、校正补偿 方法、信号转换方式等初步确定的基础上，进行机电系 统总体方案的稳定性设计——静态设计，为机电系统的 动态设计创造条件。 重点研究：系统自身的稳态特性（假设无外界干扰）
活塞车床整体结构图
活塞车床的X轴进给机构结构
目的：获取负载特征参量。 方法：综合负载特性，进行有效组合，获取必要负载特 征参量。为系统执行元件，机械变换机构等的选用或设 计，系统进行稳定性设计和动态设计创造条件。
6
Y
3
2
4 X
5
1
（2）惯量和负载的等效换算
惯量和负载转换的作用： 为使所选择执行元件（功率、力/力矩、运动参量）与
• 三维扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术， 主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以获得物体表 面的空间坐标。它的重要意义在于能够将实物的立体信息 转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供 了相当方便快捷的手段。
• 高速三维扫描及数字化系统在反求工程中发挥着巨大作用， 高速三维扫描仪已在我国多家模具厂点得到应用,取得良 好效果。该系统提供了从模型或实物扫描到加工出期望的 模型所需的诸多功能,大大缩短了模具的研制制造周期。 由于三维扫描系统已在汽车、摩托车、家电等行业得到成 功应用,相信以后将发挥更大的作用。
典型机电一体化系统 —工业机器人的组成与运动特征
转动关节
移动关节
连杆
• 工作空间 • 自由度 • 位姿 • 关节变量
机械手（manipulator）: 手臂型机器人 的简称，它是多个连杆通过关节结合起来的 机构，机械手由手臂、关节、末端执行器构 成。
机电一体化系统设计方法及其发展
机电一体化系统设计方法及其发展一、引言机电一体化系统指的是机械和电子两个领域的结合，通过控制系统和传感器实现机械设备的智能化。
随着科技的发展和工业自动化的需求增加，机电一体化系统在工业生产中扮演着越来越重要的角色。
本文将介绍机电一体化系统的设计方法及其发展。
二、机电一体化系统设计方法1. 需求分析在进行机电一体化系统的设计之前，首先需要对系统的需求进行分析。
这包括对系统功能、性能、工作环境等方面的需求进行详细的了解。
同时需要对设备的技术指标、成本预算等进行评估分析，为系统设计提供参考。
2. 系统架构设计系统架构设计是机电一体化系统设计的关键环节。
在这一阶段需要确定系统的整体结构，包括硬件组成、软件开发、控制策略等方面。
通过系统架构设计可以明确系统的功能模块、通信接口、数据流动等内容，为后续的详细设计提供基础。
3. 传感器与执行器选择在机电一体化系统中，传感器和执行器是至关重要的组成部分。
传感器用于采集系统的各种参数信息，执行器则用于对机械设备进行控制。
在选择传感器和执行器时需要考虑其适应性、精度、稳定性、成本等因素，以保证系统的稳定运行和良好性能。
4. 控制算法设计控制算法是机电一体化系统中的核心部分，其设计直接关系到系统的控制性能和稳定性。
在进行控制算法设计时需要考虑系统的动力学特性、传感器反馈、执行器响应等因素，通过模拟仿真和实验验证来寻找最优的控制方案。
5. 软硬件协同设计在机电一体化系统中，软件系统和硬件系统是相辅相成的。
软件系统负责实现系统的控制算法、数据处理、用户界面等功能，而硬件系统负责实现传感器采集、执行器控制等功能。
在软硬件协同设计中需要考虑二者的协作方式、通信协议、数据交互等内容。
6. 系统集成测试系统集成测试是机电一体化系统设计的最后一步，其目的是验证系统的整体性能和稳定性。
在进行系统集成测试时需要对系统的功能进行全面测试，包括开关量输入输出、模拟量采集输出、控制效果等方面。
机电一体化系统设计
机电一体化系统设计第一篇：机电一体化系统设计机电一体化系统设计1、动力系统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件系统（如电动机）等五个子系统组成。
2、系统必须具有以下三大“目的功能”：①变换（加工、处理）功能；②传递（移动、输送）功能；③储存（保持、积蓄、记录）功能。
3的变换、调整功能，可将接口分成四种：1）零接口；2）无源接口；3）有源接口；4）智能接口。
4、机电一体化系统设计的考虑方法通常有：机电互补法、结合（融合）法和结合法。
5擦、低惯量、高强度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。
6、为达到上述要求，主要从以下几个方面采取措施：1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，如采用滚珠丝杠副、滚动导向支承、动（静）压导向支承等。
2如用加预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动和支承刚度；采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接以减少中间传动机构；丝杠的支承设计中采用两端轴向预紧或预拉伸支承结构等。
3的等效动惯量，尽可能提高加速能力。
5如选用复合材料等来提高刚度和强度，减轻重量、缩小体积使结构紧密化，以确保系统的小型化、轻量化、高速化和高可靠性化。
第二篇：机电一体化系统设计讲稿项目一数控车床主传动系统设计与部件选择1.1无级变速传动链1.1.1机床主传动系统设计满足的基本要求机床主传动系统因机床的类型、性能、规格尺寸等因素的不同，应满足的要求一也不一样。
在设计机床主传动系统时最基本的原则就是以最经济、合理的方式满足既定的要求。
在设计时应结合具体机床进行分析，一般应满足下述基本要求:(1)满足机床使用性能要求。
首先应满足机床的运动特性，如机床的主轴有足够的转速范围和转速级数(对于主传动为直线运动的机床，则有足够的每分钟双行程数范围及变速级数);传动系统设计合理，操作方便灵活、迅速、安全可靠等。
(2)满足机床传递动力要求。
主电动机和传动机构能提供和传递足够的功率和转矩，具有较高的传动效率。
机电有机结合之二---机电一体化系统动态设计考虑方法
机电有机结合之二---机电一体化系统动态设计考虑方法机电一体化系统的伺服系统的稳态设计只是初步确定了系统的主回路，还很不完善。
在稳态设计基础上所建立的系统数学模型一般不能满足系统动态品质的要求，甚至是不稳定的。
为此，必须进一步进行系统的动态设计。
系统的动态设计包括：选择系统的控制方式和校正(或补偿)形式，设计校正装置，将其有效地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的要求。
控制方式：常用反馈控制方式或前馈和反馈相结合的复合控制方式等。
校正形式：工程上常用对数频率法（借助Bode图)和根轨迹方法进行设计。
对数频率法，主要适用于线性定常最小相位系统。
系统以单位反馈构成闭环，若主反馈系统不是单位反馈，需要等效成单位反馈的形式。
动态设计的一般考虑方法和步骤：该方法主要用系统开环对数幅频特性进行设计，必须将各项设计指标反映到波德图上，并画出一条能满足要求的系统开环对数幅频特性，并与原始系统(稳态设计基础上建立的系统)的开环对数幅频特性相比较，找出所需补偿(或校定)装量的对数幅频特性。
然后根据此特性来设计较正(或补偿)装置，将该装置有效地连接到原始系统的电路中去，使校正(或补偿)后的开环对数幅频特性基本上与所希望系统的特性相一致。
一、系统的校正（补偿）方法当系统有输入或受到外部干扰时，其输出必将发生变化，由于系统中总是含有一些惯性或蓄能元件，其输出量也不能立即变化到与外部输入或干扰相对应的值，也就是说需要有一个变化过程，这个变化过程即为系统的过渡过程。
机电一体化系统的动态设计过程，首先要根据系统传递函数（可由理论推导或实验方法获得）分析系统过渡过程品质(响应的稳、快、准）。
系统在阶跃信号作用下，过渡过程大致有以下三种情况：系统的输出按指数规律上升，最后平稳地趋于稳态值；系统的输出发散，没有稳态值，此时系统是不稳定的；系统的输出虽然有振荡，但最终能趋于稳态值。
具体表征系统动态特性好坏的定量指标就是系统过渡过程的品质指标，可以用时域内的单位阶跃响应曲线（图8.8)中的参数来表示。
机电一体化系统设计方法及其发展
机电一体化系统设计方法及其发展机电一体化系统是指将机械、电气、控制、计算机等技术融合在一起，形成一个整体的系统。
随着科技的不断发展，机电一体化系统在各个领域得到了广泛的应用，从生产制造到交通运输，从医疗设备到家用电器，无处不在。
本文将介绍机电一体化系统设计的方法及其发展状况。
1.需求分析机电一体化系统的设计首先需要进行需求分析，确定系统的功能和性能需求，包括机械结构、电气控制、通信及数据处理等方面的需求。
在需求分析阶段，需要充分了解系统的工作环境、工作条件和使用要求，为后续的设计工作奠定基础。
2.系统设计在系统设计阶段，需要将需求分析的结果转化为具体的系统设计方案。
这包括机械结构设计、电气控制方案设计、传感器和执行器的选择以及系统整体的布局和结构设计。
在系统设计过程中，需要充分考虑各个子系统之间的协调和统一，确保整个系统可以协同工作。
3.软硬件开发针对机电一体化系统的电气控制部分，需要进行软硬件开发工作。
包括控制算法的设计、嵌入式系统的开发、传感器和执行器的驱动程序开发等。
在软硬件开发过程中，需要结合具体的硬件平台和软件工具，确保系统的稳定性和可靠性。
4.集成测试集成测试是机电一体化系统设计过程中的关键环节，通过集成测试可以验证系统的整体性能和稳定性。
在集成测试阶段，需要对机械结构、电气控制、通信和数据处理等方面进行全面的测试，发现和解决潜在的问题，确保系统可以正常工作。
5.系统优化系统优化是机电一体化系统设计的最后一个环节，通过系统优化可以进一步提高系统的性能和稳定性。
在系统优化过程中，需要根据实际的使用情况和反馈信息，对系统进行调整和改进，使系统能够更好地满足用户的需求。
二、机电一体化系统设计的发展随着科技的不断进步和应用需求的不断增加，机电一体化系统设计也在不断发展和完善。
主要体现在以下几个方面：1.智能化和自动化随着人工智能技术的飞速发展，机电一体化系统设计也越来越注重智能化和自动化。
智能化和自动化的机电一体化系统可以更好地适应复杂的工作环境和变化的需求，提高工作效率和生产质量。
机电一体化系统的设计分析
机电一体化系统的设计分析机电一体化系统主要是在机械原有功能的基础上，将微电子技术应用在其中，从而使机械与电子得到有机结合，使机械具备更强大的功能。
机电一体化系统的应用使得机械的控制功能越来越复杂，使得机械的控制难度得到加大，对机械控制系统的要求也日益提高。
将计算机技术应用在机电一体化系统中，可提高机械的控制力度，从而促进机械性能的提升，让机械的操作更便捷和灵活，提高机械操作的效率和质量。
1 机电一体化系统的设计策略1.1 纵向分层设计法纵向分析设计法主要从机电一体化系统的整体来考虑，对机电一体化系统的纵向结构和功能进行系统化设计，从而使机电一体化系统的结构层次更加分明，并且提高结构层次与组织架构的对应性。
当面对不同的操作任务时，可以实现不同任务由不同结构层次负责，使机电一体化系统的结构层次得到充分的利用，体现了机电一体化系统纵向设计的精细化和科学化，实现了机电一体化系统宏观设计和微观设计的有机结合。
当然，宏观设计和微观设计隶属不同的机构层次。
宏观设计具有一定的战略性，主要为了实现机电一体化系统的经济目标和技术目标，主要在结合企业的管理层意见的基础上，再考虑企业高级技术进行完成；微观设计也属于战略性设计，但是其战略性主要体现在具体的设计技术和方案等方面，因此微观设计一般由技术部门独立完成。
1.2 横向分块设计法在应用机电一体化系统横向分块设计法时，主要包括以下方式：①替代法。
替代法主要是将机械中的复杂部件进行替换，将电子元件取代原有机械部件的位置，从而完善机械的功能，使机电一体化系统更加的优化。
例如，在对齿轮调速系统进行调整时，可利用伺服机电来弥补齿轮调速系统的不足，扩大调速范围和调速精度，从而使扭矩发生转变，让机电一体化系统的机构更加简洁，使机电一体化系统制造的周期得到缩减。
值得注意的是，在进行电子原件的替换时，必须严格遵守摩尔定律，从而在确保机电一体化系统性能的基础上，减低生产的投入。
而且随着科学技术水平的提高，电子原件替代法也将成为机电一体化系统设计的趋势之一；②融合法。
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
机电一体化系统设计机电一体化系统设计和分析方法讲义
• 系统仿真时模型所采用的时钟称为仿真时 钟，而实际动态系统的时钟称为实际时钟。 根据仿真时钟与实际时钟的比例关系，仿 真又分为实时、亚实时和超实时仿真三种。
• 实时仿真：即仿真时钟与实际时钟完全一 致。模型仿真的速度与实际系统运行的速 度相同。当被仿真的系统中存在物理模型 或实物时，必须进行实时仿真。
2.4.1 时域的响应函数分析
• 在系统的输入端给定标准信号，从信号输入开始 到系统输出恢复稳定结束的整个输出变化的过程 为考察对象h，(t) 这个过程称为响应曲线。
tp
h() 0.9h()
0.5h() td
0 0
误差带
超调量
0 0
延迟时间 td 峰值时间 t p
上升时间 tr 调节时间 ts
0.1h()
机电一体化系统设计机电一体化系统设 计和分析方法
2.1 系统设计概述
• 系统设计的描述（什么是设计？） • 从现代设计方法的观念看，“设计”就是
一个信息系统，输入的是需求，输出是设 计的结果。 • 从系统工程的观点分析，设计是一个由时 间、逻辑和方法组成的三维系统。设计过 程中的每一个行为可以反映为此三维空间 中的一个点。
机电一体化系统设计机电一体化系统设 计和分析方法
பைடு நூலகம்
机电产品设计开 发交互过程模型
新产品想法
机电产品设计和开发的实际过 程是一个交互过程，在概念设 计和细节设计过程中需要不断 地进行验证和修改
需求
概念设计
细节设计
原型循环
设计
有效性
原型、实验和验证
实现
新产品需求改进
开发
回收
产品
维护
机电一体化系统设计机电一体化系统设 计和分析方法
机电系统分析与设计(7)
k 等效虚功：WK Teqk t
能量守恒：WK W
等效转矩：T
k eq
Fi vi / k T j j / k
i 1 j 1
m
m
7.2.2 执行元件的匹配选择
执行元件的匹配选择主要包括转矩匹配、功率匹配、 过热保护系数和过载保护系数验算四部分。
直流电机
步进电机及驱动
i 1 n
5）按速度和加速度规定要求选择减速比 在速度和加速度有要求时，除按加速度最大原则选择 减速比外，还应依据负载最大角速度与电机输出角速度之 间的关系，最终确定减速比。
i L max m
注意：应用上述方法确定机械传动部分的减速比，不能单 一应用某一种方法，应用多种方法，综合分析，结合被控 制对象的具体情况，在依据减速比的分配原则（2章）， 最终确定机械传动总减速比和各级减速比。
J1
电动机
J4 i1 i2 J3
J2
即依据负载特性、脉冲当量（分辨率）、特殊要求等综合 分析选择确定，减速比的确定既要满足被控制对象的调速范 围并使在一定条件下综合指标参数达到最佳，也要满足脉冲 当量（分辨率）与进给角之间的相应关系和在一定条件下输 出转速最大或输出转矩最大等要求。
（2）各级减速比的分配原则与方法 1）按加速度最大原则选择减速比 当要求输入信号变化快、响应快、加速度大时，应按下 式决定减速比 i：
Vi U(t) i Fi
前置 放大 功放
工作台
θ i(t) i2
D 测速发电机 电动机
i1 滚珠丝杠
1 传感器
1）无外界干扰时的传递函数数学模型
V(s) i
Ka G1 KA G2 KV S G7 G5 Km S（1+T m S） G3 1 i1 G4
机电一体化系统设计的考虑方法中,机电互补法
机电一体化系统设计的考虑方法中,机电互补法机电一体化系统设计的考虑方法中，机电互补法是一种重要的设计思想。
机电互补法通过机械、电气、电子等各种学科的相互协调和整合，将机械、电子、控制等方面的优点相结合，实现系统的高效、安全、可靠和经济的运行。
机电互补法的具体实现是通过设计人员在系统设计中，充分考虑机械、电气、电子等各种因素之间的互相影响和作用，合理地配置系统各部分的结构、功能和参数，并对系统进行优化设计和调试，从而达到最佳的运行效果。
机电互补法在机电一体化系统设计中的应用涉及到多个方面，如机械传动、控制系统、传感器、执行器和电源等，需要考虑到各方面的相互补充和协调，实现系统的高效、稳定和可靠运行。
在机电一体化系统设计中，机电互补法是一种非常重要的设计思想。
只有充分理解和应用机电互补法，才能更好地实现机电一体化系统的设计和开发，提高系统的性能和可靠性。
- 1 -。
机电一体化系统设计方法及其发展
机电一体化系统设计方法及其发展随着科技的进步和工业化的发展，机械和电气之间的融合已经成为了一种趋势。
机电一体化系统作为现代工业的重要组成部分，不仅使生产过程更加高效、智能化，还能提高产品的质量和性能。
本文将从机电一体化系统设计方法及其发展的角度展开讨论。
机电一体化系统设计方法主要包括以下几个方面：整体式设计、模块化设计、仿真设计和优化设计。
1. 整体式设计2. 模块化设计模块化设计是将整个机电一体化系统分解成多个模块，并对每个模块进行独立设计和制造。
这种设计方法使得系统更加灵活，便于维护和升级。
模块化设计也有利于改进设计过程的效率，降低成本。
3. 仿真设计在机电一体化系统设计中，仿真设计是一种非常重要的方法。
通过仿真可以对系统的运行过程进行模拟和分析，提前发现可能存在的问题，并对系统进行调整和优化。
这样可以大大减少实际制造和调试过程中的时间和成本，提高系统设计的准确性和可靠性。
优化设计是指通过对机电一体化系统的各个部分进行改进和优化，以达到系统整体性能最优化的目标。
通过参数优化、结构优化和控制策略等手段，可以提高系统的效率、稳定性和可靠性。
随着科技的不断进步，机电一体化系统设计方法也在不断发展。
在未来，机电一体化系统设计方法可能会朝着以下几个方向发展：1. 多学科交叉融合未来的机电一体化系统设计方法将更加强调多学科的交叉融合。
不仅需要机械、电气、电子等方面的知识，还需要涉及到计算机科学、控制工程、材料科学等多个领域的知识。
只有在多学科交叉融合的基础上，才能有效地进行机电一体化系统设计。
未来的机电一体化系统设计方法将更加注重智能化。
通过人工智能、大数据分析、物联网等技术手段，可以使机电一体化系统具有更高的自主性和智能性，减少人为干预，提高系统的实时性和适应性。
3. 可持续发展未来的机电一体化系统设计方法将更加关注系统的可持续发展性。
在设计过程中，需要考虑到对环境的影响、资源的利用效率和系统的寿命等因素，以达到经济、社会和环境的可持续发展的目标。
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。
9
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方法及其发展
机电一体化系统设计方法及其发展随着科技的飞速发展，机电一体化系统已成为现代工业生产的重要标志之一。
机电一体化系统的设计方法不仅需要考虑机械系统的稳定性和功能性，还需要考虑电气系统的性能和可靠性。
本文将探讨机电一体化系统的设计方法及其发展。
机电一体化系统的定义机电一体化系统是指将机械部件、电气元件、电子元件和控制器件等集成在一个系统中，形成一种功能完善、性能卓越、可靠性高的系统。
机电一体化系统是现代工业生产的重要标志之一。
机电一体化系统的设计方法需要考虑以下几个方面：1. 系统的可靠性设计机电一体化系统的可靠性设计是关键，需要考虑到各个部件之间的协调和匹配，确保在使用过程中不出现故障或损坏。
可靠性设计需要对系统中各个方面进行全面的分析，包括设备的寿命、结构的稳定性、系统的性能等。
控制系统的设计是机电一体化系统设计的核心，需要考虑到各个组成部分之间的配合，确保系统能够正常运行。
控制系统的设计需要考虑到各种传感器和控制器的使用，以实现准确的控制和监测。
3. 系统的诊断和维护机电一体化系统在使用过程中需要进行诊断和维护，以确保系统一直保持高水平的性能和可靠性。
诊断和维护包括系统的检测、故障排除以及维护保养。
机电一体化系统的发展已经历了三个阶段：1. 传统机械系统与电气系统独立发展阶段在这个阶段内，机械系统和电气系统是独立发展的，彼此之间并没有相互影响。
这种传统的设计方法存在着很多的问题，例如稳定性差、可靠性低、操作复杂等等。
2. 机械和电气系统的分离与嵌套阶段在这个阶段中，机械和电气系统开始相互嵌套，设计方法开始向着一体化系统的方向发展。
但由于没有很好地解决各个系统之间的协调性和一致性问题，导致了系统设计的复杂性和成本的增加。
在这个阶段中，机械、电气和控制系统被融合到一个系统中，形成了一个完整的机电一体化系统。
设计方法不再是简单地将各个系统简单地嵌套在一起，而是将各个系统融合到一起，形成一个更加完整、协同性更好的系统。
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机电有机结合之一---机电一体化系统稳态设计考虑方法一、负载分析机电伺服务系统的被控对象作机械运动时，该被控对象就是系统的负载，它与系统执行元件的机械传动联系有多种形式。
负载的运动形式有直线运动、回转运动、间歇运动等，具体的负载往往比较复杂，为便于分析，常将它分解为几种典型负载，结合系统的运动规律再将它们组合起来，使定量设计计算得以顺利进行。
1.典型负载：包括惯性负载、外力负载、弹性负载、摩擦负载（滑动摩擦负载、粘性摩擦负载、滚动摩擦负载）等。
具体系统的负载可能是以上一种或几种典型负载的组合。
2.负载的等效换算在第二章/第三节齿轮传动比分配的“等效转动惯量最小原则”中曾提高过等效转动惯量的计算方法，本节将更详细地讨论。
为使执行元件的额定转矩（或力、功率）、加减速控制等，与被控对象的固有参数（如质量、转动惯量等）相互匹配，需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）。
F面以图示的机床工作台伺服进给系统为例加以说明。
所示系统由一个移动部件和n个转动部件组成。
M、v和F分别为移动部件的质量（kg）、运动速度（m⑸和所受的负载力（N）；Jj、nj（j）和Tj分别为转动部件的转动惯量（kgm2）、转速（r/min或rad/s）和所受负载转矩（N m）。
（1）求等效转动惯量Jeq,根据能量守恒定律有:丄/ 加二丄十驹r r丄亠J J』七£尸】所叭等效转动惯量为:J2 “ — l 歿丿 用工程上常用单佞时，可拓上式改写为血丿J A 血丿 r=—4兀~ 移动部分为丝杠螺母传动时：跟丝杠连接的齿轮是第 n 个齿轮:(2)求等效负载转矩Teq 上述系统在时间t 内克服负载所作功的总和等于执行元件所做功，即:⑴心凤—土巧呼 户!所以*等效贡菽轻矩为：f 廿、寸 丄;*工r；7S 1用工程上常用单位时，可特上式改写为 —F — 2彳”：F tLyr/|^ ■ B 1速比之间的关系参见前面等效转动惯量部分。
二、执行元件的匹配选择 拟定系统方案时，要根据技术条件的要求进行综合分析， 以选择与被 控对象及其负载相匹配的执行元件。
下面以电动机的V#■位：m/s ①单位：r^d/sT 单住：m/min 旳卑位：r/niin n k.=- 比 n 1 n 2 Hj蚪】门…」(j“j 切为些杠导眾 X 为第(J^l) 91传动比W 单位:m/秒，3」单位豈zaM 秒)W 单位匕0% 岛单位：转/分1 '/=1匹配选择为例简要说明执行元件的选择方法。
电动机的转速、转矩和功率等参数应和被控对象的需要相匹配，如冗余量大、易使执行元件价格贵，使机电一体化系统的成本升高，市场竞争力下降，在使用时，冗余部分用户用不上，易造成浪费。
如果选用的执行元件的参数数值偏低，将达不到使用要求。
所以，应选择与被控对象的需要相适应的执行元件，如转速和额定转矩。
1步进电机的匹配选择（1）转矩与惯量匹配条件电动机轴上的总负载转矩T包括：等效负载转矩Teq包括摩擦负载和工作负载）、等效惯性负载转矩T惯等，即J考虑到机械的总传动效率时，则为保证电机带负载能正常起动和定位停止，起动和制动转矩Tq应满足：* *此外，推荐Jeq/Jm<=4当机库工TEfS需越的旬艰琶动班轿卅钢上新覺粥故住歎ff拒匚：-；?>&/畔遵FT朋tf t • 3 x IQ -町計―閒工棺白英轴的最血童便蓟jf为电動曲肓岀和育世!*. 为凶世4』1 P箱和連和显述逆时何△；-"—机揄枝諭臬抗的总僅动域事力U.S > »J阴曲. J -■• (2-5*3) ® S5 ■ i 4-1N m著熔审11叭m殆眨应贰号週电M林」at最犬藥誓蜒几“工丁积脳*当采閘三栩光拍迪樂方式F斉熹邊第燈監世正禀妃鲂豹龍C!馬址*电进机的绘越和制马騁旖E * £T »:V «£ 竄in r*(t > r t「5 -o s*r 厂■ o.r x 「5 = a 82M • «；,因囲〉珥■故町遗用.根据计算的T 和Jm可初步选择步进电机的型号，并对电机其他的性能指标和参数进行验算，如最快工作进给速度时电动机输出转矩校核；最快空载移动时电动机输出转矩校核；最快空载移动时电动机运行频率校核；启动频率的校核。
(2)步距角的匹配条件步距角的选择受脉冲当量等因素影响，应满足关系式f = %®)■活)当然，步距角越小，误差越小，则精度越高。
2.直流、交流伺服电机的匹配选择直流、交流伺服电机可根据估算功率进行预选。
功率的估算公式如下::电动机的最高转速(r/ min)帆《:电动机的最高角加速度（rad/s）:功率系数，一般取 =1.2~2，对于小功率伺服系统可取2.5。
在预选电动机功率后，应进行验算。
（1）过热验算当负载转矩为变量时，应用等效法求其等效转矩和等效功率，在电动机励磁磁通①近似不变时：円' 十……t1,t2 :时间间隔，在此时间间隔内的负载转矩分别为T1,T2。
则所选电动机的不过热条件为：乩--电动机的额定转矩（Nm）;欣---电动机的额定功率（W）;"*---电动机的额定转速（r/min ）。
（2）过载验算使电机瞬时最大负载转矩与电动机额定转矩的比值不大于某一系数，即km:电动机的过载系数，一般电动机产品目录中给出。
三、减速比的匹配选择与各级减速比的分配减速比主要根据负载性质、脉冲当量和机电一体化系统的综合要求来选择确定，既要使减速比达到一定条件下最佳，同时又要满足脉冲当量与步距角之间的相应关系，还要同时满足最大转速要求等。
当然要全部满足上述要求是非常困难的。
选择了总减速比之后，还要合理确定减速级数及分配各级的速比，其分配原则可参看第2 章第三节的内容。
四、微机与检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路及电源等的匹配选择与设计稳态设计过程中，确定了执行元件与机械传动系统之后，需要根据所拟系统的初步方案，选择和设计系统的其余部分，包括 1.选择或设计微机与检测传感装置；2.选择或设计信号转换接口电路、放大电路；3.选择或设计电源。
各部分的设计计算，必须从系统总体要求出发，考虑相邻部分的广义接口、信号的有效传递（防干扰措施）、输入/输出的阻抗匹配。
总之，要使整个系统在各种运行条件下，达到各项设计要求。
伺服系统的稳态设计要从两头人手：1. 从系统应具有的输出能力及要求出发，选定执行元件和传动装置;2. 从系统的精度、速度要求出发，选择和设计微机与检测装置，并确定信号的前向和后向通道；关于微机、传感器、执行元件的选择，前面的章节已有详细的叙述，下面着重提出两点：1.伺服放大器的设计与选择：伺服系统放大器的设计与选择主要考虑以下几个问题：（1）功率输出级必须与所用执行元件匹配，其输出电压、电流应满足执行元件的容量要求，不仅要满足执行元件额定值的需要，而且还应该能够保证执行元件短时过载、短时快速的要求。
总之，输出级的输出阻抗要小，效率要高、时间常数要小。
（2）放大器应为执行元件（如电动机）的运行状态提供适宜条件。
例如：为大功率电动机提供制动条件，为力矩电动机或永磁式直流电动机的电枢电流提供限制保护措施。
（3）放大器应有足够的线性范围，以保证执行元件的容量得以正常发挥。
（4）输入级应能与检测传感装置相匹配，即它的输入阻抗要大，以减轻检测传感装置的负荷。
（5）放大器应具有足够的放大倍数，其特性应稳定可靠，便于调整。
2.电源的设计与选择：在一个系统中，所需电源一般很难统一，除了有动力电源外，还有各种类型的控制电源。
系统对电源及其频率的稳定度都有一定要求（1）所使用电源应具有足够的保护措施，如过电压保护、掉电保护、过电流保护、短路保护等；（2）应具有抗干扰措施，如滤波、隔离、屏蔽等；（3）要有为系统服务的自检电路、显示与操作装置。
五、系统数学模型的建立1.半闭环控制方式,传递函数如下：电机&⑷=r（5）"亍尹頁瓦瓦kg出其中，口加』iK.-lWWttXWWfiiK**5&車at大4址建丄用・一豊1（佃1!电4）轨塔垃iJG-j*廈反摘増空】电劝飢耐删常Itih、讣一M運ttUK,-世■检牺幡血超堰盘】匕心）■人业压的爺氏度撲「 &（心―莹軌■岀轉桶的扯氏变*当系统受到附加外扰动转矩Tr （如摩擦转矩）时，框图变为如下：严SI 呼L（ ______ B ,_sKT:直流伺服电动机的转矩常数;Ra:直流伺服电动机转子的绕组阻抗；Ro:功率放大器的输出阻抗；VD（S）对应于扰动力矩的等效扰动电压的拉氏变换。
则扰动与输出之间的传递函数为：由上可知，在半闭环直流伺服系统中，无论是输入/输出间，还是扰动/输出间的传递函数都是二阶振荡环节2•全闭环控制方式在考虑弹性变形的前提下，包含在闭环系统内的机械传动系统本身又是一个二阶振荡环节，这使得系统其中，k=kakAkm/i1辄3完整的传递函数必然是高阶的，从而导致系统具有多个谐振频率。
但在控制系统中，往往感兴趣的是其主谐振频率。
3•工作台进给系统的主谐振频率K1 , K2, K3 —轴I、"、皿的扭转刚度；J1, J2, J3 --轴I、H、皿上运动零部件的转动惯量；M —工作台的总质量；J0—轴H、皿及工作台等效到电动机轴上的总转动惯量；B0—工作台等效到电动机轴上的阻尼系数；K—机械传动系统的总扭转刚度。
K — ________________________________________________ 瓦心心；+ K尼匚总：+K人曲/認斗亠&爲心那（2鲜几=J2鹫+ J.心J + ［岂妝你）》=兀则可写出釐化系统的动态方程:(it2 加占)rf\r. (/)厶二胞® =:rI 门W询一西⑴-B对上式逬行拉氏变换得•心丸(0 = K\OM -X的卜九曲($)式中占⑶二严乂⑴二加：®,其中。
=字・根据式(6-26),可画出简化系続的框图如图6・口所示.通过系统框图的简化可得系竦的传谨函数为K尤⑶后(J宀B”虾心冷+禺)KD$匕"$ + 厶〃:”+(厶 + J* 5K；式中IQ =J^・B Q二 B.q通常，在机械传动系统中，财B叫是比鮫弱的，故式(6-27)可近似用下式表示系统框图(6-27)式中 壬；为系统等效到电动机轴上的总转动惯量。
从式(6-28)可以看岀，由于系统存左一个等效速度皑尼系绞〜 5 , 仅主谐拯频率具有阻尼特性，且有一个纯积分转变为惯性环节. D. ______________ 2(2 曲) ____________ (6-28) 说明该系统不。