机电一体化系统设计--第六章 机电一体化系统设计及应用举例
机电一体化系统设计最终讲课文档
第一章 绪论
第一节 机电一体化的定义 第二节机电一体化系统设计的目标与方法 第三节 机电一体化的相关技术 第四节机电一体化系统的基本功能要素 第五节 本课程的目的和要求
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第一节 机电一体化的定义
传统机械：主要以力学为理论基础，以经验为实践 基础；
现在三十一页，总共三百二十六页。
第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
现在三十二页，总共三百二十六页。
第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
现在三十三页，总共三百二十六页。
第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
现在三十四页，总共三百二十六页。
第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
机械本体（机械系统）
提高生产效率
节约能源，降低能耗
提高安全性、可靠性
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第二节 机电一体化系统设计 的目标与方法
改善操作性和实用性 减轻劳动强度，改善劳动条件 简化结构，减轻重量 降低价格 增强柔性应用功能
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第二节 机电一体化系统设计 的目标与方法
机电一体化技术方向
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第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
传感检测单元 对系统运行过程中所需要的本身和外界环 境的各种参数及状态进行检测，并转换成 可识别信号，传输到控制信息处理单元， 经过分析、处理产生相应的控制信息。 对其要求是体积小、便于安装与联接、检 测精度高、抗干扰
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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。
机电一体化系统设计典型实例
1
优势
提高劳动效率，降低成本，增强品质和可靠性，利于维护和管理，并且有一定的 生态效益。
2
挑战
需要协调多个领域的专业技能和信息，需要对未来市场趋势和新技术有敏锐的洞 察力。
结论和总结
未来趋势
随着城市化进程加速，智慧城市崛起，机电一体 化技术将发挥更加重要的作用。
应用广泛
除了上述提到的几个行业，机电一体化技术还可 以广泛应用于医疗、农业、能源等领域。
利用机器视觉技术和高精度 地图，实现自动驾驶，减少 人为事故，提高交通规划的 效率。
智能设施
借助物联网技术和现代传感 器，交通设施变得更加智能 化，如自动收费、智慧路灯、 快速充电等。
流量管理
交通监测和分析系统可以帮 助城市管理者更好地解决交 通拥堵、路况状况和安全问 题。
机电一体化系统设计的优势和挑战
典型实例1：自动化生产线
质量控制
为了生产一致的高质量产品，生产线上使用了 各种传感器、机器视觉技术，以及即时数据处 理软件。
智能机械
生产线使用了各类高效率的机械装备，如机器 人和自动化部件来执行重复性工作。
实时监控
使用先进仪表和监控系统来跟生产量、质量， 及时发现和解决问题。
典型实例2：智能家居系统
提高质量
优秀的系统设计可以增加 可靠性和一致性，减少错 误率，提高产品质量。
机电一体化系统设计的基本原则
1
综合考虑
根据具体需求和环境条件，综合考虑
高效稳定
2
机械、电气、控制等因素。
设计系统要注重功能稳定性，保证机
电作用的高效协同。
3
安全实用
系统设计要符合安全要求，具有便于 维修、保养和更新升级的特点。
机电一体化系统总体设计与实例分析-智能洗衣机
实例运行效果测试与分析
测试目的
对智能洗衣机的各项功能进行测试，验证其性能和可靠性。
测试方法
按照标准操作程序，对洗衣机的各项功能进行测试，记录数据并进行 分析。
测试结果
经过测试，智能洗衣机在各项功能指标上均表现出色，具有高效、稳 定的性能。
结果分析
通过对测试结果的分析，可以得出智能洗衣机在设计和制造过程中充 分考虑了用户需求和使用场景，具有较高的实用性和可靠性。
网络化
通过物联网、云计算等技术， 实现远程监控、故障诊断和协 同作业。
绿色化
注重环保和节能，推广可再生 能源和资源循环利用。
03 智能洗衣机系统设计
智能洗衣机系统概述
智能洗衣机系统是一种集成了机 械、电子、控制和信息技术的自 动化设备，用于完成洗衣、漂洗、
甩干和烘干等任务。
智能洗衣机系统具有自动化、智 能化、高效节能和环保等特点， 能够满足现代家庭和工业生产的
机电一体化系统总体设计与实例分 析-智能洗衣机
目 录
• 引言 • 机电一体化系统概述 • 智能洗衣机系统设计 • 智能洗衣机实例分析 • 结论与展望
01 引言
主题介绍
智能洗衣机
随着科技的发展，智能家电已经成为人们日常生活的重要组成部分。智能洗衣机作为其中的代表，具有自动化、 智能化、高效节能等特点，为人们提供了更加便捷、舒适的洗衣体验。
需要。
智能洗衣机系统的设计需要综合 考虑机械结构、控制系统、人机
交互和可靠性等方面的因素。
智能洗衣机系统硬件设计
电机
传感器
电机是智能洗衣机系统的核心部件，用于 驱动洗衣机的各种运动部件，如波轮、滚 筒等。
传感器用于检测水位、温度、重量等参数 ，并将数据反馈给控制系统，以 结论与展望
机电一体化实践案例
机电一体化实践案例一、机器人焊接在某汽车制造厂中，机器人焊接已成为重要的生产工艺。
通过计算机程序的控制，机器人可以精确地执行一系列焊接操作，包括点焊、弧焊、激光焊等。
这不仅提高了生产效率，也降低了工人的劳动强度，保证了焊接质量的一致性和稳定性。
二、自动化生产线在某半导体生产车间，自动化生产线已广泛应用于产品加工和组装。
通过使用机电一体化技术，生产线上的设备可以相互配合，实现产品的自动化检测、传输、加工和包装。
这大大减少了人工干预，提高了生产效率和产品质量。
三、电动自行车装配某电动自行车制造公司采用自动化装配线来组装电动车。
通过将机械、电子、信息等技术与传统制造工艺相结合，自动化装配线能够快速、准确地完成车架、电池、电机等各个部件的组装，并实现生产数据的实时监控和管理。
这大大提高了生产效率和产品质量。
四、工业机器人应用在某重型机械制造厂，工业机器人被广泛应用于生产过程中。
通过计算机程序的控制，机器人可以完成各种复杂、危险的任务，如切割、搬运、装配等。
这不仅提高了生产效率，也保障了工人的安全。
五、自动化包装机在某食品生产车间，自动化包装机已成为重要的生产设备。
通过机电一体化技术，包装机能够自动识别产品、包装材料，并执行包装操作。
这不仅提高了生产效率，也降低了人工成本，同时保证了包装质量的一致性。
六、数控机床操作在某机械加工厂，数控机床已成为重要的生产设备。
通过计算机程序的控制，数控机床可以精确地执行各种复杂加工操作，如车削、铣削、磨削等。
这不仅提高了加工精度和效率，也降低了工人的劳动强度。
七、智能电梯控制在某高层建筑中，智能电梯控制已成为重要的设施。
通过机电一体化技术，电梯能够根据楼层需求自动调度，并实现快速、平稳地运行。
这不仅提高了电梯的运行效率，也提高了乘梯的舒适度和安全性。
八、电力系统的监控与维护在某大型工厂中，电力系统的监控与维护已成为重要的环节。
通过机电一体化技术，电力系统能够实现实时监控、故障诊断、预防性维护等功能。
机电一体化系统设计-概论
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
系统内部功能
• 主功能 • 动力功能 • 检测功能 • 控制功能 • 构造功能
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
是由日本人通过截取英文机械学(Mechanics) 的词头和电子学(Electronics)的词尾组合在 一起而创造出来的一个新的英文名词.这一名 词最早出现在1971年日本的<机械设计>杂志副 刊上,后来随着机电一体化的发展而被广泛引 用
机电一体化的含义
日本<<机械振兴协会经济研 究所>>于1981年提出的解释:“机 电一体化乃是机械的主功能、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.”
• 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。
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6章 机电一体化系统设计及应用举例
1、步进电动机与丝杠联接
直连式示意图 1—车床支架 2—销钉 3—联轴套 4—步进电动机
齿轮连接示意图
6 机电一体化系统设计及应用举例
2、步进电动机与床身的联接
固定板联接示意图 1—床身 2—齿轮箱 3—变速齿轮 4—丝杠支架
变速箱联接示意图 1—床身 2—圆柱套筒 3—联接板 4—步近电动机 5—齿轮 6—丝杠托架 7—丝 杠
6 机电一体化系统设计及应用举例
六、制作与调试
制作与调试是系统设计方案实施的一项重要内容。根据循环设 计及系统设计的原理，制作与调试分为两个步骤：第一步是功 能模块的制作与调试；第二步是系统整体安装与调试。
6 机电一体化系统设计及应用举例
第二节 机电一体化系统设计应用举例 ———数控机床
一、数控机床的组成
控制软件是为完成机床数控而编制的系统软件，因为各数控系统的功能 设置、控制方案、硬件线路均不相同，因此在软件结构和规模上相差很 大，但从数控的要求上看，控制软件应包括输入数据预处理、插补运算、 速度控制、自诊断和管理程序等模块。
6 机电一体化系统设计及应用举例
1、数据输入模块 系统输入的数据主要是零件的加工程序 （指令），一般通过键盘、光电读带机或盒式磁带等输入， 也有从上一级微机直接传入的（如CAD/CAM系统）。系统中所 设计的输入管理程序通常采用中断方式。例如，当读带机读 入一个数据后，就立即向CPU发出中断，由中断服务程序将该 数据读入内存。每按一次键，键盘就向CPU发出一次中断请求， CPU响应中断后就转入键盘服务程序，对相应的按键命令进行 处理。 2、数据处理模块 输入的零件加工程序是用标准的数控语言 编写的ASCII字符串，因此，需要把输入的数控代码转换成系 统能进行运算操作的二进制代码，还要进行必要的单位换算 和数控代码的功能识别，以便确定下一步的操作内容。
第六章机电一体化系统实例 机电一体化系统设计课件
一、数控技术cal Control NC）是一种借助数 字、字符或其它符号对某一工作过程（如加工、测量、 装配等）进行可编程控制的自动化方法。
数控技术（Numerical Control Technology）采用 数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。
二、 数控机床的分类
轮廓控制数控系统
轮廓控制(连续控制)系统：具有控制几个进给轴同时谐调 运动(坐标联动)，使工件相对于刀具按程序规定的轨迹和 速度运动，在运动过程中进行连续切削加工的数控系统。
适用范围：数控车床、数控铣床、加工中心等用于加工曲 线和曲面的机床。现代的数控机床基本上都是装备的这种 数控系统。
一、数控技术与数控机床
PLC、机床I/O电路和装置
PLC (Programmable Logic Controller)：用于完成与逻 辑运算有关顺序动作的I/O控制，它由硬件和软件组成；
机床I/O电路和装置：实现I/O控制的执行部件(由继电器、 电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路；
功能：
半闭环数控系统 半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装 置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检 测，不是直接检测运动部件的实际位置。
一、数控技术与数控机床
数控机床（Numerical Control Machine Tools） 是采用数控技术对机床的加工过程进行自动控制 的一类机床。它是数控技术典型应用的例子。
数控系统（Numerical Control System）实现数 字控制的装置。
计算机数控系统（Computer Numerical Control CNC ）以计算机为核心的数控系统。
二、 数控机床的分类
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第一节 机电一体化系统设计要点
开始
需求抽象：确定产品规格、性能参数
准
备
拟定总体方案、划分功能模块
阶
段
方案论证、确定模块设计目标和人员组织
段理 论 设 计 阶
接口和功能模块细部设计 理论设计总体评价 满意否
设 计 实 施 阶 段
段定 型 阶
满意否
功能模块制作与调试 满意否
一、数控机床的组成 图6-1所示为数控机床的组成框图。被加工零件的图纸是数控机床 加工的原始数据，在加工前需要根据零件图制定加工工序及工艺规 程，并将其按照标准的数控编程语言编制成加工程序。
二、数控车床的机械结构 图6-2表示一种普通车床改造后的方案。图中不改变车 床主轴箱，即主轴变速仍靠人工控制，走刀丝杠改成滚 珠丝杠11，去掉光杠，在走刀段右端增加一个丝杠支承 。丝杠11的右端用纵向步进电动机4直接驱动（或经传 动齿轮减速驱动）。纵向走刀丝杠采用滚珠丝杠的目的 是为了提高纵向走刀的移动精度，对于半精加工的车床 可直接使用原来的丝杠。同样，横向走刀丝杠由步进电 动机3直接驱动，完成横向走刀的进给和变速。另外， 刀架部分采用了电动刀架实现自动换刀。为了使车床能 实现自动车制螺纹，还要在主轴尾部加接一光电编码器 （图中未示出），作为主轴位置检测，使车刀运动与主 轴位置相配合。
1—电动刀架 2—联轴器 3—横向步进电机 4—纵向步进电 机 5—联轴器 6—纵向微调机构 7—横向微调机构 8—横 向螺母 9—纵向螺母10—横向微调机构 11—纵向滚珠丝杠
图6-2 普通车床改造示意图
1、步进电动机与丝杠联接 步进电动机与丝杠的联接
要可靠，传动无间隙。为了便于编程和保证加工精度， 一般要求纵向运动的步进当量为0.01mm，横向运动的 步进当量为0.005mm，步进电动机与丝杠的联接方式 有直连式（同轴连接）和齿轮联接两种形式。
三、数控机床计算机控制系统硬 件
单片机系统
STD总线数控系统
全功能型数控系统
1、单片机系统
P1口与面板操作开关的连接
Hale Waihona Puke 功能选择开关接线图2、STD总线数控系统
3、全功能型 数控系统
四、数控机床的软件构成
数控机床的软件分为系统软件（控制软件）和应用软件（加 工软件）两部分。加工软件是描述被加工零件的几何形状、加 工顺序、工艺参数的程序，它用国际标准的数控编程语言编程 ，有关数控编程的规范和编程方法，可参阅有关的标准手册及 文献资料。
Z1 360 l 360 0.01 1
可选，Z1 20, Z2 50 m 1.5 模数的齿轮传动副。当 为小数时，则可采用挂轮。
注意：步进电动机步距角与定子绕组的相数m、转 子的齿数z、通电方式k有关，可用下式表示：
= 360/mzk
式中m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=2。
齿轮联接方式如图6-5所示。在步进电动机步距角α、步 进当量ι及丝杠螺距t确定后，步进电动机和丝杠的联接 传动比不一定正好是1：1的关系，这时采用一对齿轮， 齿轮传动比的计算可根据下面计算：
i Z2 t （6-1）
Z1 360 l
例 6-1 将 改 造 一 台 C620 车 床 ， 其 纵 向 丝 杠 的 螺 距 t=12mm，采用110BF003型步进电动机，步距α=0.75°， 系统规定的纵向步进当量ι=0.01mm，计算步进电动机 与纵向丝杠之间的联接传动比。 i 解：根据式（6-1） i Z2 t 12 0.75 2.5
控制软件是为完成机床数控而编制的系统软件，因为各数控 系统的功能设置、控制方案、硬件线路均不相同，因此在软件 结构和规模上相差很大，但从数控的要求上看，控制软件应包 括输入数据预处理、插补运算、速度控制、自诊断和管理程序 等模块。
系统整体安装调试与可靠性、抗干扰性复 核
满意否 工艺定型 编写技术文档资料 结束
第二节 数控机床
自1952年由美国帕森斯公司与麻省理工学院机构实验室研制成功 世界上第一台三坐标数控铣床以来，数控机床经历了硬件数控 （NC）、计算机数控（CNC）、多机台计算机直接群控（DNC） 和微机数控（MNC）五个发展阶段，形成了门类齐全、品种繁多的 数控机床，如数控车床、铣床、钻床、磨床和加工中心等。