第六章机电一体化系统设计
机电一体化系统设计课件
机电一体化系统设计课件1. 简介机电一体化系统是将机械、电子和控制工程相结合，形成一个协同工作的系统。
本课件将介绍机电一体化系统的设计原理、组成部分以及常见应用。
机电一体化系统设计的原理是通过集成机械、电子和控制工程的知识，实现系统的自动化和优化。
设计原理包括以下几个方面：2.1 机械设计机械设计是机电一体化系统设计的基础。
在机械设计中，需要考虑系统的运动学、动力学和机构设计等问题。
通过合理的机械设计，可以实现系统的精确运动和高效能力。
电子设计是机电一体化系统设计的重要组成部分。
在电子设计中，需要考虑系统的传感器、执行器、电路和电源等问题。
通过合理的电子设计，可以实现系统的自动化和智能化。
2.3 控制工程设计控制工程设计是机电一体化系统设计的关键。
在控制工程设计中，需要考虑系统的控制算法、控制器和通信接口等问题。
通过合理的控制工程设计，可以实现系统的稳定性和可靠性。
机电一体化系统由机械部分、电子部分和控制部分组成。
下面将分别介绍这三个部分的组成部分：3.1 机械部分机械部分包括结构、传动、执行和传感器等部件。
结构部件负责支撑和固定系统的其他部件，传动部件负责将能量和动力从一个部件传递到另一个部件，执行部件负责完成系统的特定任务，传感器部件负责感知系统的状态和环境。
电子部分包括电路、传感器、执行器和通信接口等组件。
电路负责系统的信号处理和控制算法的实现，传感器负责感知系统的状态和环境，执行器负责执行系统的动作，通信接口负责系统的数据传输。
3.3 控制部分控制部分包括控制算法、控制器和人机接口等组成部分。
控制算法负责分析系统的状态和环境，并根据预设条件进行控制决策，控制器负责实施控制算法，人机接口负责人机交互和系统监控。
4. 常见应用机电一体化系统在众多领域均有应用，下面介绍其中几个常见的应用：4.1 自动化生产线机电一体化系统被广泛应用于自动化生产线中。
通过集成机械、电子和控制工程的知识，可以实现生产线的自动化和流程优化。
机电一体化系统设计概述
机电一体化系统设计基础课程教学辅导第六章：机电一体化系统设计概述一、教学建议●通过文字教材了解机电一体化系统设计的流程，熟悉机电一体化系统的接口设计；●录像教材第7讲介绍了机电一体化系统设计流程及接口设计。
●流媒体课件中也详细讲解了机电一体化系统设计流程和接口设计。
●在学习的过程中，如果有学习的心得和体会，请在课程论坛上和大家分享；如果有什么疑惑，也可以在课程论坛寻找帮助。
二、教学要求：1．掌握机电一体化系统设计的流程和规律机电一体化系统主要设计过程可分为五个阶段：产品规划、概念设计、详细设计、设计实施和设计定型阶段，总体设计流程如图1所示。
图1 机电一体化系统设计流程2．熟悉机电一体化系统的接口设计机电一体化系统由许多要素或子系统构成，各要素或子系统之间必须能顺利地进行物质、能量和信息的传递与交换。
因此，各要素或各子系统相接处必须具备一定的联系条件，这些联系条件称为接口。
图2所示的机电一体化原理框图中采用了一些不同性质的接口。
例1：某物料搬动机械手的结构如图所示，动作过程如图所示，要求机械手的操作方式分为手动方式和自动方式。
机械手有升降、水平移动、手爪夹持等3个自由度，采用电磁阀控制的气缸驱动，PLC 控制。
要求写出物料搬动机械手设计和产品开发的详细工程路线。
物料搬动机械手结构原理图解：机电一体化系统的主要设计流程分为五个阶段：产品规划、概念设计、详细设计、设计实施和设计定型阶段。
第一阶段：产品规划阶段：进行需求分析和需求设计，以明确设计任务。
机械手的用途:物料搬运。
工作方式：手动、自动方式。
主要技术参数：3自由度。
使用环境要求：生产线。
第二阶段：概念设计阶段：在功能分析的基础上，优化筛选取得较理想的工作原理方案。
第三阶段：详细设计阶段。
对各功能模块进行细部设计，绘制相应的工程图。
该阶段的工作量既包括机械、电气、电子、控制与计算机软件等系统的设计，又包括总装图和零件图的绘制。
第四阶段：设计实施阶段。
《机电一体化系统设计》第六章课件
6.1 3D打印机
• 6.1.1 3D打印机技术认知 • 6.1.2 3D打印机组成及工作原理 • 6.1.3 3D打印的优势与面临的挑战 • 6.1.4 3D打印机的发展
6.1 3D打印机
• 3D打印的概念胚芽起源于18世纪西欧的雕塑艺 术，但是限于当时的科技手段，该技术一直没 能成功，直到20世纪随着计算机和网络的发展， 3D打印技术才真正得到实现与发展。英国 《The Economist》杂志《The Third Industrial Revolution》一文中，将3D打印技术作为第三 次工业革命的重要标志之一。随着智能制造的 进一步发展成熟，3D打印技术在打印材料、精 度、速度等方面都有了较大幅度的提高，新的 信息技术、控制技术、材料技术等被不断运用 于其中，使得3D打印技术在制造领域的应用越 来越广泛。
6.1.1 3D打印机技术认知
• 1.3D打印技术的概念及原理 • 3D打印(3D printing)是快速成型技术的一种。它是一种以
数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合 材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。 • 传统数控制造主要是“去除型”，即在原材料基础上， 使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余部分， 得到零部件，再以拼装，焊接等方法组合成最终产品， 面3D打印则颠覆了这一观念，无需原胚和模具，就能直 接根据计算机图形数据，通过层层增加材料的方法直接 造出任何形状的物体，这不仅缩短了产品研制周期，简 化了产品的制造程序，提高了效率，而且大大降低了成 本，因此被称为“增材制造”。
• (4)生成层面信息 层面信息包括轮廓信息和当前轮 廓的高度信息。通过求交点计算，把获取到的交点 按照顺序连接，就形成一个打印平面。轮廓信息中 包括外轮廓和内轮廓，轮廓中还应该进行光斑补偿 等。
第六章计算机数字控制程序编制基础简介 机电一体化系统设计课件
（3）常用指令代码简介
常用的准备功能M指令代码见表6.1，常 用的G指令代码见表6.2。
指令
表6.1 常用准备功能指令代码
功能
指令
功能
M00
程序停机
M07
开#号冷却液
M01
选择停机，按下“选择停”按
M08
开*号冷却液
钮后才起作用
M02
程序结束，到下一程序的起点
M09
关闭冷却易
M03
主轴顺时针方向旋转
3
传统机床加工零件时，机床运行的起始、结束、 运动的先后次序以及刀具和工件的相对位置等都是由 人工操作完成的。而CNC机床加工零件时，则是将被加 工零件的加工顺序、工艺参数和机床运动要求用数控 语言记录在数控介质（磁盘等）上，然后输入到数控 （CNC）装置，再由数控（CNC）装置控制机床运动从 而实现加工自动化，其加工过程原理如图6.1所示。
（5)制作程序载体：将程序单的内容，通过 制作数控带；或者 将程序单用键盘键入计算机，再烤贝在磁盘上。
（6)程序校验及首件试切：程序必须校验和试切削，才能正式 加工。
14
2． 普通程序格式及典型程序代码
（1)程序的构成
数控加工中零件程序组成的形式， 随数控装置功能的强弱而略有不同。 对功能较强的数控装置，零件加工程 序由主程序和子程序组成。主程序和 子程序的程序格式相同。一个主程序 按需要可以有多个子程序，并可重复 调用。用这种程序结构，可以大大简 化编程工作。
图6.5 数控系统的主要工作过程
11
工艺数据是主轴转速(S功能)和进给速度(F功能) 等功能。开关功能是对机床电器的开关指令(辅助M功 能和刀具选择T功能)，例如主轴起／停，刀具选择和 交换、冷却液的启／停等。编程时，一般不考虑刀具 的实际几何数据，数控（CNC）装置根据工件几何数 据和在加工前输入的实际刀具参数，进行刀具长度补 偿和刀具半径补偿计算，简称刀补计算。为方便编程， CNC系统中存在着多种坐标系，故数控（CNC）装置还 要进行相应的坐标变换计算。
机电一体化系统设计指南
机电一体化系统设计指南第一章总论 (2)1.1 机电一体化系统概述 (2)1.2 设计原则与目标 (2)第二章系统需求分析 (3)2.1 功能需求分析 (3)2.2 功能需求分析 (4)2.3 可靠性需求分析 (4)2.4 安全与环保需求分析 (4)第三章系统方案设计 (4)3.1 总体方案设计 (4)3.2 功能模块划分 (5)3.3 系统架构设计 (6)第四章机械系统设计 (6)4.1 机械结构设计 (6)4.2 传动系统设计 (7)4.3 支撑与固定设计 (7)第五章电气系统设计 (7)5.1 电气原理设计 (7)5.2 电气布线设计 (8)5.3 控制系统设计 (8)第六章控制算法与软件设计 (9)6.1 控制算法选择 (9)6.2 软件架构设计 (9)6.3 程序设计与调试 (10)第七章传感器与执行器选型 (11)7.1 传感器选型 (11)7.2 执行器选型 (11)7.3 传感器与执行器接口设计 (12)第八章信号处理与通信 (12)8.1 信号处理技术 (12)8.2 通信协议设计 (13)8.3 网络架构设计 (13)第九章系统集成与调试 (14)9.1 系统集成 (14)9.1.1 确定系统集成目标 (14)9.1.2 系统组件选型 (14)9.1.3 系统架构设计 (14)9.1.4 系统集成实施 (14)9.1.5 系统集成测试 (14)9.2 调试与测试 (15)9.2.1 调试策略 (15)9.2.2 功能调试 (15)9.2.3 功能调试 (15)9.2.4 稳定性调试 (15)9.2.5 测试方法 (15)9.3 故障分析与处理 (15)9.3.1 故障现象描述 (15)9.3.2 故障原因分析 (15)9.3.3 故障定位 (15)9.3.4 故障处理 (15)9.3.5 故障预防 (16)第十章产业化与维护 (16)10.1 产业化流程 (16)10.2 维护与保养 (16)10.3 用户手册编写 (17)10.4 技术支持与服务 (17)第一章总论1.1 机电一体化系统概述机电一体化系统是一种将机械、电子、控制、计算机等技术相互融合，实现设备或系统的高效、智能、自动化运行的技术体系。
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。
第六章-机电一体化系统的现代设计方法
第六章：机电一体化系统的现代设计方法一、教学建议●通过文字教材了解机电一体化系统的现代设计方法；●流媒体课件中介绍了各种常用的机电一体化系统的现代设计方法；●科学技术的发展和对产品要求的不断提高，使得设计新理论、新方法、新技术不断涌现。
建议同学们在学习本知识点的过程中，应结合生产实际，熟悉各种现代设计方法。
●在学习的过程中，如果有学习的心得和体会，请在课程论坛上和大家分享；如果有什么疑惑，也可以在课程论坛寻找帮助。
二、教学要求：了解机电一体化系统的现代设计方法1．可靠性设计可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。
通常用“概率”表示“能力”来实现可靠性指标的量化。
可靠性评价的指标体系主要包括五个方面：可靠性、维修性、有效性、耐久性和安全性。
（1）机电一体化系统的可靠性设计现代机械系统可靠性设计包括缩短传动链，减少元件数；必要时增设备用元件或系统；简化结构；增加过载保护装置、自动停机装置；设置监控系统；合理规定维修期。
（2）控制系统可靠性设计控制系统可靠性设计包括：●采用自动控制使产品具有自适应、自调整、自诊断甚至自修复的功能；●通过元器件的合理选择提高可靠性；●对功率接口采用降额设计提高可靠性；●采用监视定时器提高可靠性；●采取抗干扰措施提高可靠性。
（3）软件的可靠性技术软件的可靠性技术，大致包含利用软件提高系统可靠性和提高软件可靠性两方面的内容。
2．优化设计优化设计可明确定量优化的目标，科学地建立优化数学模型，在计算机上完成寻优，这样就能从本质上提高设计水平，缩短设计周期，有利于产品的更新和提高市场竞争能力。
机电一体化系统优化设计需要以数学规划为核心，以计算机为工具，向着多变量、多目标、高效率和高精度的方向发展，使之成为机电产品的开发、创新的强有力的现代设计手段。
优化设计的一般步骤为：建立数学模型、选择合适的优化算法及程序、通过计算机进行优化设计，得出最优化设计方案、对优化得出的方案进行评价决策。
《机电一体化系统设计课程设计》设计说明书
《机电一体化系统设计课程设计》设计说明书一、课程设计的目的机电一体化系统设计是一门综合性很强的课程，通过本次课程设计，旨在让我们将所学的机电一体化相关知识进行综合运用，培养我们独立设计和解决实际问题的能力。
具体来说，课程设计的目的包括以下几个方面：1、加深对机电一体化系统概念的理解，掌握系统设计的基本方法和步骤。
2、熟悉机械、电子、控制等多个领域的知识在机电一体化系统中的融合与应用。
3、培养我们的工程实践能力，包括方案设计、图纸绘制、参数计算、器件选型等。
4、提高我们的创新思维和团队协作能力，为今后从事相关工作打下坚实的基础。
二、课程设计的任务和要求本次课程设计的任务是设计一个具有特定功能的机电一体化系统，具体要求如下：1、确定系统的功能和性能指标，包括运动方式、精度要求、速度范围等。
2、进行系统的总体方案设计，包括机械结构、驱动系统、控制系统等的选择和布局。
3、完成机械结构的详细设计，绘制装配图和零件图。
4、选择合适的驱动电机、传感器、控制器等器件，并进行参数计算和选型。
5、设计控制系统的硬件电路和软件程序，实现系统的控制功能。
6、对设计的系统进行性能分析和优化，确保满足设计要求。
三、系统方案设计1、功能需求分析经过对任务要求的仔细研究，确定本次设计的机电一体化系统为一个小型物料搬运机器人。
该机器人能够在规定的工作空间内自主移动，抓取和搬运一定重量的物料，并放置到指定位置。
2、总体方案设计（1）机械结构采用轮式移动平台，通过直流电机驱动轮子实现机器人的移动。
机械手臂采用关节式结构，由三个自由度组成，分别实现手臂的伸缩、升降和旋转，通过舵机进行驱动。
抓取机构采用气动夹爪，通过气缸控制夹爪的开合。
（2）驱动系统移动平台的驱动电机选择直流无刷电机，通过减速器与轮子连接，以提供足够的扭矩和速度。
机械手臂的关节驱动选择舵机，舵机具有控制精度高、响应速度快等优点。
抓取机构的气缸由气泵提供气源，通过电磁阀控制气缸的动作。
机电一体化系统设计控制系统设计教学课件
详细描述
机电一体化是一门跨学科的综合性技术，它将机械技术、电子技术、计算机技 术等多项技术进行有机融合，实现各种技术之间的优势互补。其主要特点包括 高效、精确、自动化和智能化。
机电一体化系统的组成
总结词
机电一体化系统的组成
详细描述
机电一体化系统主要由机械本体、动力部分、传感检测装置、执行机构、控制系 统以及信息处理部分等组成。这些组成部分相互协作，共同实现系统的功能。
VS
执行器的工作原理
不同类型的执行器工作原理不同，但基本 原理都是基于能量转换。例如，电动式执 行器通过电能驱动电动机转动，实现控制 动作；气动式执行器通过压缩气体驱动活 塞或气动马达工作，实现控制动作。
传感器与执行器的选择与使用
选择原则
在选择传感器和执行器时，应根据具体的应用需求和条件综合考虑，选择性能稳定、可 靠性强、易于维护的传感器和执行器。同时要考虑其精度、灵敏度、响应速度等参数是
02
控制系统设计基础
控制系统的基本概念
控制系统的定义
控制系统的分类
控制系统是一种通过反馈机制，对被 控对象进行自动调节的系统，以实现 预定的目标或过程。
根据不同的分类标准，如控制方式、 控制结构、控制参数等，可以将控制 系统分为多种类型。
控制系统的基本原理
控制系统基于负反馈原理，通过比较 期望值与实际值之间的偏差，调整系 统输出，以减小偏差。
闭环控制策略
根据系统输出信号的反馈，实时调整控制信 号，以实现精确控制。
模糊控制策略
基于模糊逻辑和模糊集合理论的控制策略， 适用于不确定性和非线性系统的控制。
神经网络控制策略
模拟生物神经网络的自适应学习算法，用于 处理复杂的、非线性的系统控制问题。
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
第六章 导轨
机电一体化系统设计
第六章 导轨 （6）运动的灵活性和低速运动的平稳性 灵活性 —— 指对系统控制指令的反映能力。 低速运动平稳性 —— 指平稳匀速运动时运动部件 的波动误差（低速“爬行现象”）。
机电一体化系统设计
第六章 导轨
产生爬行的原因和过程
动摩擦系数的变化。 动摩擦系数的变化。
机电一体化系统设计
机电一体化系统设计
第六章 导轨 利用辅助导向面可以更好地限制运动件的转 动 （ 图 (d)） ,适当增大辅助导向面与基本导向面 ） 适当增大辅助导向面与基本导向面 之间的距离,可减小由导轨间的间隙所引起的转 之间的距离 可减小由导轨间的间隙所引起的转 角误差。 角误差。
机电一体化系统设计
第六章 导轨 当辅助导向面也为圆柱面时,即构成双圆柱面 当辅助导向面也为圆柱面时 即构成双圆柱面 导轨（ 它既能保证较高的导向精度, 导轨（图 (e) ）,它既能保证较高的导向精度 又能 它既能保证较高的导向精度 保证较大的承载能力。 保证较大的承载能力。
第六章 导轨
摩擦副材料 摩 擦 系 数 µ 无润滑 有润滑
————————————————————————
钢-钢 0.15* 0.1-0.12*0.1 0.05-0.1 钢-软钢 0.2 0.1-0.2 钢-不淬火的T8 0.15 0.03 钢-铸铁 0.2-0.3 0.05-0.15 钢-黄铜 0.19 0.03 钢-青铜 0.15-0.18 0.1-0.15* 0.07 钢-铝 0.17 0.02 钢-轴承合金 0.2 0.04
机电一体化系统设计
第六章 导轨 （c）两导轨面间的平行度，即扭曲度 两导轨面间的平行度，
这项误差一般规定用在导轨一定长度上或全 长上的横向扭曲值表示。
第六章--机电一体化系统设计试题汇总
第六章10.一般说来，如果增大幅值穿越频率ωc的数值，则动态性能指标中的调整时间t s( B )A.增大B.减小C.不变D.不定11.已知f(t)=a+bt，则它的拉氏变换式为( B )A.as +b B.2sbsa+ C. bsas+2D. asbs+311. 复合控制器必定具有( D )A. 顺序控制器B. CPUC. 正反馈D. 前馈控制器13. 一般说来，如果增大幅值穿越频率ωc的数值，则动态性能指标中的调整时间t s( B )A. 产大B. 减小C. 不变D. 不定10.一般来说，引入微分负反馈将使系统动态性能指标中的最大超调量( B )A.增加B.减小C.不变D.不定11.在采样—数据系统中，执行实时算法程序所花费的时间总和最好应小于采样周期的( A )A.0.1B.0.2C.0.5D.0.86.步进电机一般用于（ A ）控制系统中。
A.开环B.闭环C.半闭环D.前馈11.PD称为（ B ）控制算法。
A.比例B.比例微分C.比例积分D.比例积分微分13.如果增加相位裕量φm，则动态性能指标中的最大超调量σ%为（ C ）。
A.增大B.不变C.减小D.不能确定10．若考虑系统抑制干扰的能力，选择采样周期的一条法则是：采样速率应选为闭环系统通频带的【D 】A．5倍B．8倍C．10倍D．10倍以上11．在数控系统中，软伺服系统的系统增益K a为【B 】A．(2～5)1／s B．(8～50)1／s C．(50～100)1／s D．(120～150)1／s 10．若考虑对系统响应速度的影响，采样－数据系统中的采样周期应选为系统最小时间常数的【 A 】A．(O.1～1)倍B．2倍C．5倍D．10倍11．在串联校正的比例－积分－微分(PID)控制器中，I的作用是【 C 】A．改善稳定性B．加快系统响应速度C．提高无静差度D．增大相位裕量10.在最佳阻尼比条件下，伺服系统的自然频率w n唯一取决于【 C 】A.速度环开环增益B.电动机机电时间常数C. 速度环开环增益与电动机机电时间常数之比D. 速度环开环增益与电动机机电时间常数之积11在伺服系统中，若要提高系统无静差度，可采用串联【A 】A.PI校正B.P校正C.PD校正D.D校正7．PID控制器中，P的作用是【 A 】A．降低系统稳态误差B．增加系统稳定性C．提高系统无静差度D．减小系统阻尼7．采样一数据系统中，若考虑系统的抑制干扰能力时，采样速率应为闭环系统通频带的【A 】A .10倍以上B．5倍 C .2倍 D.(0.1～1)倍8．PID控制器中，P的含义是【D 】A.前馈 B.微分 C.积分 D.比例(2011 07)9.在软伺服系统中，一般认为速度环的闭环增益最好为系统的 【 】A.0.1倍B.2～4倍C.5倍D.10倍1．PID 控制器中，I 的作用是 【 A 】A ．提高系统误差精度B ．增加系统通频带C ．加快系统调整时间D ．减小系统伺服刚度2.要求系统响应应以零稳态误差跟踪输入信号可采用 （C ） A.前馈控制器B.PI 控制器C.复合控制器D.反馈控制器3.一般说来，如果增大自然频率ωn 的数值，则动态性能指标中的调整时间t s 将 ( B ) A.增大 B.减小 C.不变 D.不定4. 在伺服系统中，若要提高系统无静差度，可采用串联 【 A 】 A.PI 校正 B.P 校正 C.PD 校正 D.D 校正5. 伺服系统的输入可以为（B ）A.模拟电流B.模拟电压C.控制信号D.反馈信号 6. 伺服系统一般包括控制器、受控对象、比较器和（D ）等部分A.换向结构B.转化电路C.存储电路D.反馈测量装置 7. 下列那一项是反馈控制系统（ ）A.顺序控制系统B.伺服系统C.数控机床D.工业机器人8. PD 称为（ B ）控制算法。
机电一体化第六章伺服驱动控制系统设计
钟。 F.体积小、自定位和价格低是步进电动机驱动控制的三大优势。 G. 步进电机控制系统抗干扰性好
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二、 伺服驱动控制系统设计的基本要求
1. 高精度控制 2. 3. 调速范围宽、低速稳定性好 4. 快速的应变能力和过载能力强 5. 6.
闭环调节系统。
(4) ①
② 调节方法。
(5) ① 使用仪器。用整定电流环的仪器记录或观察转速实际值波形，电
② 调节方法。
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六、 晶体管脉宽(PWN)直流调速系统
晶体管脉宽直流调速系统与用频率信号作开关的晶闸管系统相比，具 (1) 由于系统主电源采用整流滤波，因而对电网波形影响小，几乎不 (2) 由于晶体管开关工作频率很高（在2 kHz左右），因此系统的 (3) 电枢电流的脉动量小，容易连续，不必外加滤波电抗器也可平稳 (4) 系统的调速范围很宽，并使传动装置具有较好的线性，采用Z2
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(2) ① A. 步进电动机型号：130BYG3100D (其他型号干扰大) B. 静转矩15 N·m C. 步距角0.3°/0 6°
D. 空载工作频率40 kHz E. 负载工作频率16 kHz ② A. 驱动器型号ZD-HB30810 B. 输出功率500 W C. 工作电压85～110 V D. 工作电流8 A E. 控制信号，方波电压5～9 V，正弦信号6～15 V ③ 控制信号源。
(3) ① 标准信号控制系统（如图6-16） ②检测信号控制系统 （如图6-17）
③ 计算机控制系统（如图6-18）
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图6-16 标准信号控制系统图 图6-17 检测信号控制系统图 图6-18 计算机控制系统图
第六章 机电一体化系统设计及应用实例
2. FMC的基本控制功能
FMC的基本控制功能包括： （1）单元中各加工设备的任务管理与调度。 （2）单元内物流设备的管理与调度。 （3）刀具系统的管理。图6-2所示为一以加工回转 体零件为主的柔性制造单元。 6 机电一体化系统设计
第6章机电一体化系统设计及应用实例
图6-2 柔性制造单元 机电一体化系统设计
柔性制造单元（FlexibleManufacturingCell）由单台
数控机床、加工中心、工件自动输送及更换系统等组 成。
机电一体化系统设计
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第6章机电一体化系统设计及应用实例 1. FMC控制系统 FMC控制系统一般分为两级，分别是单元控制级和 设备控制级。 （1）设备控制级。 （2）单元控制级。
第6章机电一体化系统设计及应用实例 6.2.3车削中心 车削中心比数控车床工艺范围宽，工件一次安装，几乎 能完成所有表面的加工，如内、外圆表面，端面，沟槽，内、 外圆及端面上的螺旋槽，非回转轴心线上的轴向孔和径向孔 等。
车削中心回转刀架上可安装如钻头、铣刀、铰刀、丝锥
等回转刀具，它们由单独的电动机驱动，也称自驱动刀具。 在车削中心上用自驱动刀具对工件的加工分为两种情况：一
刚性自动线。
机电一体化系统设计
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第6章机电一体化系统设计及应用实例
图6-7 柔性制造线示意图 机电一体化系统设计
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第6章机电一体化系统设计及应用实例 6.1.5 柔性装配线(FAL) 柔性装配线（FlexibleAssemblyLine）通常由装配 站、物料输送装置和控制系统等组成。 1.装配站 FAL中的装配站可以是可编程的装配机器人,不可 编程的自动装配装置和人工装配工位。 2.物料输送装置 3.控制系统
第6讲机电一体化系统设计
（2）控制系统的可靠性设计
●
● ● ● ●
自适应、自调整、自诊断及自修复；
通过元器件的合理选择提高可靠性；
对功率接口采用降额设计提高可靠性；
采用监视定时器提高可靠性； 采用抗干扰措施提高可靠性。
（3）软件的可靠性技术
● 用软件提高系统的可靠性
● 增加系统信息管理软件与硬件的配合，对信息进行保护， 包括防止信息被破坏，在出现故障时保护信息，在故障
用各种系统(产品)信息资源。
主要采取三项基本策略①利用产品信息资
源进行创新设计或变异性设计；②虚拟设计—
—利用数字化技术加快设计过程；③远程协同、 分布设计。这些策略就是信息的资源化、产品 (系统)的数字化、设计的网络化。
4、可靠性设计
（1）机械系统的可靠性设计
● ● ● ● ● ●
缩短传动链，减少元件数； 必要时采用并联元件或系统； 简化结构； 增加过载保护装置或自动停机装置； 设置监控系统； 合理的规定维修期。
变换时，采取应急措施；在排除故障后，使系统迅速恢复正 常并投入运行等。
（3）软件的可靠性技术 ● 提高软件的可靠性
● 程序分段和层次结构
● 软件测试 ● 容错设计 ● 纠错设计
5、绿色设计 绿色设计是从 并行工程思想发展 而出现的一个新概 念。绿色设计就是 在新系统 ( 产品 ) 的 开发阶段，就考虑 其整个生命周期内 对环境的影响，从 而减少对环境的污 染、资源的浪费、 使用安全和人类健 康等所产生的副作 用。
2.6 机电一体化系统的现代设计方法
1、计算机辅助设计与并行设计 计算机辅助设计（CAD）是设计机电一体
化系统的有力工具。 并行工程（concurrent engineering, CE） 是把产品的设计、制造及相关过程作为一个有
机电一体化系统设计(最终版)ppt课件
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第三节 机电一体化的相关技术
机械技术（精密机械技术）
是机电一体化的基础。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、性能更优越。
机械技术的出发点在于如何与机电一体化技 术相适应，利用其他高新技术来更新概念， 实现结构、材料、性能以及功能上的变更。
现代机械：以力学、电子学、计算机学、控制 论、信息论等为理论基础，以经验、机、电、 计算机、传感与测试等技术为实践基础。
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。
202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。
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第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
接口
将各要素或子系统连接成为一个有机整体， 使各个功能环节有目的地协调一致运动， 从而形成机电一体化的系统工程。
其基本功能主要有三个：变换、放大、传 递
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第五节 本课程的目的和要求
本课程的目的和要求
第三节 机电一体化的相关技术
自动控制技术
自动控制技术的目的在于实现机电一体化 系统的目标最佳化。 机电一体化系统中的自动控制技术主要包 括位置控制、速度控制、最优控制、自适 应控制、模糊控制、神经网络控制等。
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第三节 机电一体化的相关技术
伺服驱动技术
伺服驱动技术就是在控制指令的指挥下， 控制驱动元件，使机械的运动部件按照指 令要求运动，并具有良好的动态性能。 常见的伺服驱动系统主要有电气伺服和液 压伺服。
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6.1 概 述 6.2 产品规划 6.3 概念设计 6.4 接口设计
第六章 机电一体化系统设计
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6.1 概 述
•设动
一、 设计流程
二、 设计思想、类型、准则和规 律
第六章 机电一体化系统设计--概述
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1.设计思想
机电互补法:
通用或专用电 子部件
结合法:
取代
复杂机械功能 部件或功能子
系统
各组成要素 有机结合为 一体
专用或通用的 构成 功能部件（子
系统）
机电参数 的有机匹
配
第六章 机电一体化系统设计--概述
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组合法: 将结合法制成的功能部件（子系统）、功 能模块，像搭积木那样组合成机电一体化系统（产 品）。
需求分析过程:
市场信息的搜集，整理与归纳阶段； 市场需求信息的提取与发现阶段； 对提炼出来的需求信息进行分类整理， 提供给相关部门，作为决策的重要依据。
第六章 机电一体化系统设计--产品规划
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消费者的潜在需要
用户对现有产品的反映
市场需求 和营销
产品市场寿命周期要求 市场调查、分 析或计算
竞争对手的技术挑战
如工业机器人各自由度 （伺服轴）的执行元件、 运动机构、检测传感元件 和控制器等组成的功能部 件（或子系统），用于不 同的关节，组成工业机器 人的回转、伸缩、俯仰等 各种功能模块系列，组合 成结构和用途不同的工业 机器人。
智能机器人表演太极拳相扑等动作
第六章 机电一体化系统设计--概述
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2.设计类型
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•概念设计的内涵
（1）在设计理念上融入了设计师的智慧和经验结晶的、 崭新的设计哲理和创新灵感，使概念设计更具创新 性。
（2）在设计内容上更加广泛，在产品生命周期的各阶 段要求进行需求分析、功能分析、确定工作原理、 对功能载体的选择和方案组成等。
（3）在设计方法上更加全面地融合各种现代设计方法， 寻求全局最优方案，同时使设计过程更具有创新性。
开发性设计：工作原理、结构等完全未知，无参照产 品，用成熟的科技或经验证可行的新技术，设计出质 量和性能方面满足目的要求的新产品。
第六章 机电一体化系统设计--概述
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适应性设计：总方案原理基本保持不变，对现有产 品局部更改，或用微电子技术代替原机械结构，或 为微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，使 产品的性能和质量增加附加价值。
第六章 机电一体化系统设计
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6.3 机电一体化系统的概念设计
一、概念设计的内涵和特征 二、概念设计的过程 三、产品的功能—原理—结构设计
第六章 机电一体化系统设计--概念设计
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一、 概念设计的内涵和特征:
Palh & Beitz概念设计：“在确定任务之后，通过抽 象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其 组合等，确定出基本求解途径，得出求解方案。”
第六章 机电一体化系统设计--概述
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变型设计：针对已有产品原缺点或新工作要求，
从工作原理、功能结构、执行机构类型和尺寸等 进行变异，设计出新产品适市场需要，增强竞争
力。
第六章 机电一体化系统设计--概述
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3.设计准则和规律
设计准则：主要考虑“人、机、材料、成本”等因 素，在保证目的功能要求与适当寿命的前提下不断 降低成本。
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三、 产品的功能—原理—结构设计
（一） 功能—行为—结构关系 （二） 产品的功能设计 （三） 产品的原理设计 （四） 产品的结构设计 （五）方案的评价与筛选
第六章 机电一体化系统设计--概念设计
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（一） 产品的功能—行为—结构关系
产品结构状态的变化是行为，行为的作用是功能， 结构是功能和行为的载体。
设计规律：根据设计要求先确定离散元素间的逻 辑关系，研究其相互间的物理关系，根据设计要求 和手册确定其结构关系，完成全部设计工作。
第六章 机电一体化系统设计--概述
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6.2 机电一体化系统的产品规划
➢ 产品规划的主要工作：需求分析和需求设计，明确 设计任务。
一、需求分析 ：将需求具体化， 明确设计任务的要求，应自始至终 指导设计。
概念产品：产品总体特征、性能、结构、尺 寸形状的描述和实现。
第六章 机电一体化系统设计--概念设计
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• 概念产品应包括：产品的功能、原理信息、简单 的装配结构、零部件形状信息、基本的可制造与 可装配信息、市场竞争力与成本信息、可服务与 维修信息等。
武汉理工大
学首款电动
概念车
第六章 机电一体化系统设计--概念设计
技术发展的推动
市 场
提供依据
预
测
社会的需求
企业 决策
市场调查的内容
第六章 机电一体化系统设计
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二、 需求设计：新产品开发生命周期内，从分析 用户需求到以详细技术说明书的形式描述满足用户 需求产品的一个子过程。
运动参数
动力参数
机电一体化产品 基本性能指标
品质参数 结构参数 界面参数
环境参数
… 机电一体化产品基本性能指标
第六章 机电一体化系统设计--概念设计
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3. 机电一体化的主要特征用微电子装置来取代机 械控制装置及其原来执行信息处理的机构；
另一个特征是微电子控制装置常在软件支持下工 作，具有柔性自动化功能。
第六章 机电一体化系统设计--概念设计
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二、概念设计的过程:
第六章 机电一体化系统设计--概念设计
第六章 机电一体化系统设计
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运动参数：运动轨迹、行程、速度和加速度、 方向和起、止点位置正确性的指标；
动力参数：为完成工艺动作应输出的动力大小 的指标，如力、力矩和功率等；
品质参数：运动参数和动力参数品质的指标；
第六章 机电一体化系统设计--产品规划
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结构参数：空间几何尺寸、结构、外观造型。 界面参数：人机对话方式和功能。 环境参数：工作的环境，如温度、湿度、输入 电源等。
第六章 机电一体化系统设计--概念设计
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概念设计的基本特征
（1）创新性 （2）多样性 （3）层次性
创新性
概念设计 的
基本特征
多样性
第六章 机电一体化系统设计
层次性
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概念设计应注意：
1. 采用新的物理原理，使主功能发生根本性的变化， 开发新产品。
2. 采用创新思维和技术成果。新思路、新构思通常 与新技术、新能源、新材料、新工艺等有密切联系。