机电一体化系统设计课程设计

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1、 机电一体化系统设计课程设计辅导材料主要内容： 一、课程设计的任务及其性能指标 二、系统总体设计 三、机械系统设计步骤及要点 四、检测系统设计及其要点 五、控制器及其信息接口设计 六、课程设计说明书（论文）参考书目： 机电一体化设计基础、 机电一体化系统设计课程设计指导书尹志强 等 编著，机工出版社、 单片微机测控系统设计大全王福瑞等编著，北京 航空航天大学出版社、 机械设计手册、 机电一体化系统设计手册 电动机（步进电机、直流伺服电机等）产品技术手册 传感器（光电编码盘、接近开关等）产品技术手册一、课程设计的任务及其性能指标1、设计任务介绍 课程设计的题目：X-Y数控进给工作台设计 数控进給

2、工作台是数控机床的主要部件之一，是典型的位 置伺服系统，有三种形式：开环系统半闭环系统闭环系统课程设计的任务v根据技术要求设计一XY数控工作 台，包括机械系统和控制系统。v设计工作可分成两部分：一是书面设 计，包括机械部分总装配图纸、控制 器的原理图和部分程序设计。二是实 验调试工作，即实现对实际工作台进 行运动控制。工作台图形数控工作台主要性能指标：（参数要求）X方向工作行程：300mm Y方向工作行程：200mm 工作台面参考尺寸：500X300（mm2） 平均切削力： 1500N 平均切削进给速度：600mm/分 最高运动速度： 6m/分 定位精度： 0.01mm 工作寿命： 每天8小时

3、，工作8年二、总体方案设计v设计任务分析v主要参数及技术指标的确定v方案制定v在具体设计之前，本着简单、实用、经济、安全、美观的基本原则所进行的综合性的设计。 产生的技术文件：v1.设计任务书（技术任务书）v2.机构运动简图（系统简图）v3 关键元器件确定v4.总装配图v5.部件装配图v6.电气、光学、气动、液压原理图v7.总体设计报告设计内容：1、确定控制方式定位精度中等，负载不大，适合采用开环控制方式或采 用半闭环控制方式2、确定机械传动方案根据机电一体化系统对传动系统的要求：采用低摩擦系数 的传动器件：滚珠丝杠、滚动导轨；无间隙联轴器 ；消除 反向传动间隙等。3、确定检测方案半闭环系统采

4、用增量式光电编码盘检测电机或丝杠转角、 转速、零位。二、总体方案设计（续1）二、总体方案设计（续2）全闭环系统采用直线光栅测量工作台位移、增量式光电编 码盘检测电机或丝杠转速。4、执行元件确定开环系统选用步进电机，半闭环和全闭环系统选择直流伺 服电机或交流伺服电机。5、控制器计算机系统选择单片机、可编程控制器、工业控制计算机是机电一体化系 统控制器采用的三种基本计算机。总体方案示意图（开环）总体方案示意图(半闭环）总体方案示意图(全闭环）三、机械系统设计步骤及要点1、机械系统初步设计 （草图）需要考虑的几个问题：丝杠的支承方式反向间隙消除 、联轴器选择2、结构尺寸 传动比、脉冲当量 几何尺寸-

5、滚珠丝杠工作长度、其它几何尺寸等 计算选择滚珠丝杠 计算选择滚动导轨 初选电动机、电机支承 初选传感器、安装（什么位置？如何安装？）3、设计原则A、满足精度的设计原则 1结构最简单原则 2. 阿贝原则（同线原理） 3变形最小原则 4基面统一原则 5. 粗精分离和精度匹配原则 6运动学原理和弹性平均原理 7平均效应原理和误差补偿原理（弹性平均原理 和多次重复测量）阿贝原则（同线原理）如：直线光栅的安装结构变形最小原则 如：工作台滑座的支承距离确定基面统一原则粗精分离和精度匹配原则v轴径（需要和不需安装轴承的）v支承件平面（有无安装件？安装精度如何？ ）v是否需要定位和调整？运动学原理和弹性平均原

6、理B、满足强度的设计原则v1等强度原则 v2力自平衡原则 v3力自加强原则 v4力作用路径最短原则 v5力自保护原则 摩擦离合器 超越离合器对于同一个零件而言，各处应力相等， 寿命相同等强度原理力自平衡原则v采取相应的措施消除或减轻机电系统 中的无用的力（如离心力、变速惯性 力）力自加强原则力作用路径最短原则减少变形和材料的使用C、符合人机工程原则v外形应直挺光滑，变化有致，结构配置匀 称，大方稳重（分割原则）v色彩新颖和谐，与环境相协调，以利于操 作者心情舒畅，减少心理错觉，提高工作 效率。（色彩原则）v操作路径短、舒适。（人体结构）D、价值系数最优原则v根据价值工程原理，产品的价值V 常用

7、产品的总功能F与成本C的比 值，即V=F/C来表示。 v要提高产品的价值系数，在很大程 度上决定于设计。4、总装配图3、总装配图（续）四、检测系统设计及其要点半闭环系统的检测任务：位置检测、速度检测，通常采用 光电编码盘可同时用于以上两个参数的检测。1、转角测量 传感器-光电编码盘参数选择：脉冲分辨率测量方法：计数值*脉冲分辨率2、零位检测传感器-行程开关+光电编码盘四、检测系统设计及其要点（续）检测方法：3、位移检测传感器直线光栅监测方法：五、控制器及其信息接口设计设计数控工作台的功能：工作方式：点动工作、步进工作、自动工作工作速度：快速进给、工作进給工作方向：正向运动、反向运动回零位超限报

8、警进給坐标显示五、控制器及其信息接口设计（续2） 2、选择计算机3、操作面板（决定人机接口）五、控制器及其信息接口设计（续2）4、人机接口设计（1）分析信号形式、统计数量（2）设计接口3、人机接口设计(续1）3、人机接口设计(续2）3、人机接口设计(续3）4、机电接口设计（1）信息输入接口 光电编码盘、直线光栅、接近 开关等半闭环系统细分-辨向-计数（1）信息输入接口 光电编码盘（续）（1）信息输入接口（续）（2）控制输出接口A、步进电机接口B、直流伺服电机接口（3）电气原理图5、程序设计设计程序流程图 程序编制（不作硬 性要求）六、设计说明书按以下目录摘要第一章 总体设计1.11.1.11.

9、2第二章 机械系统设计2.1 第三章 检测系统设计第四章 控制器设计第五章 系统评价或误差分析总结参考文献课程设计须交材料1、机电系统草图 1张2、电气原理图1张3、程序框图若干4、设计说明书 1份（封面按江南大学课程设计格式规定）日程安排v共三周时间（12月7日至12月25日）v 第1天- 准备（实验室实践，参考资料及设计手册）v 第2、3天-总体方案确定，完成机械结构草图。v 选择机械传动、导向、支承件v 第4天- 设计计算、选择执行元件和传感器 。v 第5-8天- 完成电气原理图。v 第9-10天- 完成程序框图。v 第11-13天- 完成设计说明书。v 第14、15天- 答辩。v 考核

10、方法v考核成绩由设计、答辩、平时成绩 三部分组成分别占50%、30%、 20%。v设计成绩由设计的正确性、图纸质 量、说明书质量、独创性等几方面 决定。v平时成绩由平时表现和按日程检查 的完成情况决定。 原理性设计v工作原理的设计v基准器件的选择v运动方式的选择v定位原理的选择v总体结构形式的选择原理性设计的方法v一个好的功能原理设计应既有创新构思， 同时有能满足用户的需求。v例如：剪草机 浮法玻璃生产方式v功能原理设计的任务：v 针对某一确定的功能要求，去寻求一些物 理效应并借助某些作用原理来求得一些实 现该功能的解法原理来，即构思能够实现 功能目标的新的解法原理。（提倡百家争 鸣，发散思维

11、）v例如：中央电视台比赛机器人/清扫机器人 的真空吸附和滚刷刷洗黑箱法设计v将系统所要完成的功能，抽象成输入量和输出量， 输入、输出量只是涉及到物料流、能量流和信号流 。v对于待设计的系统而言，在求解之前，犹如一个看 不见内部结构的黑箱。v黑箱法根据系统的某种输入及要求获得的某种输 出的功能要求，从中寻找出某种物理效应或原理来 实现输入输出之间的转换，得到相应的解决办法 。v优点：摆脱了具体的设计对象，而按系统的功能和 对三大流进行定性描述来进行思考，使问题简化， 以利于启发设计人员构思出更新、更好的功能原理 方案来。黑箱法示意图功能元、功能结构图的概念v功能元：一个系统的总功能可以分解为一些

12、分功能（子系统 功能），如果分功能仍然较复杂，则进一步分解到更低层次 的分功能，直到分解到最后不能再分解的基本功能单位为止 ，这个基本功能单位就叫功能元。v机械设计中常用的基本功能元有：物理功能元、数学功能元 和逻辑功能元v分功能的组合将形成系统的总功能（功能结构图）v功能元组合的方式有：串联结构、并联结构、循环结构v对于某一个具体的系统来说，其总功能需要分解到什么程度 ，主要取决于在哪个层次上能找到相应的技术效应和结构来 实现其功能要求。而这一步要根据设计者的知识、阅历及所 所集的资料等情况来决定。物理功能元数学功能元逻辑功能元功能结构示意图组合功能结构的三种方式功能元的求解v功能元求解的方

13、法：v1）参考有关资料、专刊或产品v2）利用各种创造性方法v3）利用设计目录目录求解法示例（一）目录求解法示例（二）系统原理方案的综合v将各种功能元的局部解合理地予 以组合，就可以得到一个系统的 多个原理解。v组合的方法：形态矩阵法功能原理设计的举例（瓶盖整列装置）一：明确设计任务（工厂现场能够提供 的电源和气源） 二：功能分析 三：功能元求解 四：功能元求解的组合 五：评价于决策功能分解v黑箱分析:总功能分析:功能元求解目录表结构总体设计v结构总体设计是将原理方案设计结构化v结构设计时的若干注意事项： 1）任务分配原理一个载体完成一个任务一个载体担任多个任务多个载体完成一个任务 2）系统结构的稳定性 当出现干扰使系统状态发生改变的同时， 会产生一种与干扰作用相反，并使系统 恢复稳定的效应。