机电一体化系统设计典型实例
机电一体化系统总体设计-设计过程示例
P-N5 250t座式焊接变位机 德国诺威尔重型机器制造有限公司
HB-60t型焊接变位机 成都焊研威达自动焊接设备有限公司
两自由度变位机 意大利Innse-Berardi公司
加氢反应器的两自由度变位机 法国Framatome公司
b.概念设计
2）工艺可实现性
概念设计
5）避免不良 结构性
概念设计：通 过构思确定设 计任务和用简 图形式表达的 设计问题的一 个求解轮廓。
启 动 、
变 速
仪 表 显
照 明
其 他
换
递 与 分
铲 斗
推 压
移停
示
动止
）（
配
制
动
）
3、功能元组合——相容矩阵法
方案序号
1
2
分功能
A
推压
齿条
钢丝绳
B
铲斗
正铲斗
反铲斗
C
提升
油缸
绳索
D
回转
内齿轮传动 外齿轮传动
E
能量转换
柴油机
F 能量传递与分配 齿轮箱
油泵
G
制动
带式制动 阐瓦制动
H
变速
液压式
齿轮式
I
行走
θ3
K
F0 2 B
x3 GK α
1
y3
D η
G1：滑块的重力
F2 1 θ 2
x2 G2：引导螺丝的重力
GK：各运动部件的重力
C
θ1
F0 1
y2
G1
F1 2
G2 x0
x1
y0 y1
A
液压缸驱动曲柄摇块机构方案
液压缸驱动曲柄摇块机构方案
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实例
四、进给传动部件的计算和选型
纵、横向进给传动部件的计算和选型主要包括： 确定脉冲当量、计算切削力、选择滚珠丝杠螺母副、 设计减速箱、选择步进电动机等。以下详细介绍纵 向进给机构，横向进给机构与纵向类似，在此从略。
1．脉冲当量的确定 根据设计任务的要求，X方向（横向）的脉冲当 量为δx = 0.005 mm/脉冲，Z方向（纵向）为δz = 0.01 mm/脉冲。
2．切削力的计算 切削力的分析和计算详见第三章。以下是纵向车削力的详 细计算过程。 设工件材料为碳素结构钢，σb＝650 Mpa；选用刀具材料为 硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角kr＝60°，前角γ0 ＝10°，刃倾角λs＝－5°；切削用量为：背吃刀量ap＝3 mm， 进给量f =0.6 mm/r，切削速度vc＝105 m/min。 CF＝ xF＝ 查表3-1，得： yF＝ c 2795， c 1.0， c 0.75， nFc ＝－0.15。 查表3-3，得：主偏角Кr的修正系 kkr F ＝ 0.94；刃倾角、前角 c 和刀尖圆弧半径的修正系数值均为1.0。 由经验公式（3-2），算得主切削力Fc＝2673.4 N。由经验 Fc:F f :F＝ 公式 1：0.35：0.4，算得纵向进给切削力 p N。 F＝ f 935.69 N，背向力 F=1069.36 p
3．滚珠丝杠螺母副的计算和选型（纵向） （1）工作载荷Fm的计算 已知移动部件总重量G=1300 N；车 削力Fc=2673.4 N， N。如图3-20所示， Fp=1069.36 N， F =935.69 f 根据 Fz =F ， F =F f的对应关系，可得： F =F ， c y p x Fx=935.69 N。 Fz=2673.4 N， Fy=1069.36 N， 选用矩形－三角形组合滑动导轨，查表3-29，取K= 1.15， = 0.16，代入Fm＝ ( Fz G) , 得工作载荷 KF+ x Fm ≈ 1712 N。
新机电一体化典型实例
8 机电一体化系统典型实例8.4 计算机集成制造系统近年来世界各国都在大力开展计算机集成制造系统CIMS （Computer Intergrated Manufacturing System ）方面的研究工作。
CIMS 是计算机技术和机械制造业相结合的产物，是机械制造业的一次技术革命。
(1) CIMS 的结构随着计算机技术的发展，机械工业自动化已逐步从过去的大批量生产方式向高效率、低成本的多品种、小批量自动化生产方式转变。
CIMS 就是为了实现机械工厂的全盘自动化和无人化而提出来的。
其基本思想就是按系统工程的观点将整个工厂组成一个系统，用计算机对产品的初始构思和设计直至最终的装配和检验的全过程实现管理和控制。
对于CIMS ，只需输入所需产品的有关市场及设计的信息和原材料，就可以输出经过检验的合格产品。
它是一种以计算机为基础，将企业全部生产活动的各个环节与各种自动化系统有机地联系起来，借以获得最佳经济效果的生产经营系统。
它利用计算机将独立发展起来的计算机辅助设计（CAD ）、计算机辅助制造（CAM ）、柔性制造系统（FMS ），管理信息系统（MIS ）以及决策支持系统（DSS ）综合为一个有机的整体，从而实现产品订货、设计、制造、管理和销售过程的自动化。
它是一种把工程设计、生产制造、市场分析以及其它支持功能合理地组织起来的计算机集成系统。
CIMS 是在柔性制造技术、计算机技术、信息技术和系统科学的基础上，将制造工厂经营活动所需的各种自动化系统有机地集成起来，使其能适应市场变化和多品种、小批量生产要求的高效益、高柔性的智能生产系统。
由此可见，计算机集成制造系统是在新的生产组织原理和概念指导下形成的生产实体，它不仅是现有生产模式的计算机化和自动化，而且是在更高水平上创造的一种新的生产模式。
从机械加工自动化及自动化技术本身的发展看，智能化和综合化是未来的主要特征，也是CIMS 最主要的技术特征。
智能化体现了自动化深度，即不仅涉及物质流控制的传统体力劳动自动化，还包括了信息流控制的脑力劳动自动化；而综合化反映了自动化的广度，它把系统空间扩展到市场、设计、制造、检验、销售及用户服务等全部过程。
机电一体化综合设计实例
第十页，共14页。
五、直流电机及其控制
可逆双向式PWM调速多采用桥式（H型）电路。
Ub1
Us
Ub3
0 t1 tf t Ub2
0 t1 tf t
b1
1
T1
D1
D3
b3 T3 0 t1 tf t
A
b2
T2Leabharlann D2B MD4
3
b4
Ub4
T4
2
0 t1 tf t
GND
肩俯仰
肩 大臂
隔离病房护理机器人
走线孔 力传感器
零位开关
肘俯仰
腕回转 腕俯仰
肘
手指
电机
小臂
超声传感器
接近开关
腕
带轮
夹 持 器
5-DOF串联手臂
第九页，共14页。
PWM调速的基本原理： 适用功率三极管作为功率驱动元件，三极管基极加入
频率固定的开关脉冲信号控制功率三极管的导通和截止。开 关脉冲信号的占空比（脉宽）按输入的指令中控制电压要求 来调节，从而改变加在直流电机电枢两端控制电压的大小和 极性，并调节直流电机的转速和转动方向。PWM调速电路 按其工作方式有可逆调速和不可逆调速两类：不可逆调速只能 控制直流电机一个方向旋转。
当： L 1(|E F||B C|)/ 0 时：
工作空间取得最大值：
S m a x (|E F | |B C |)2/(2)
第四页，共14页。
常见传动机构
移动基座设计
电机及齿形带
丝杠
导轨
横梁
丝杠
使用滚珠丝杠实现平动；
并联机构中，两丝杠平行布置，使用同一根导轨
机电一体化系统设计案例
机电一体化系统设计案例一、项目背景。
你想想啊，咱们平常的垃圾桶，就是个傻愣愣的大桶子，啥也不会，扔满了还得靠人去发现。
在这个高科技时代，这怎么能行呢？于是就有人想到，要是垃圾桶能变得聪明点，像个小机器人一样，那该多好啊。
比如说，它能自己知道什么时候满了，还能方便人们扔垃圾，甚至可以分类垃圾呢。
二、系统设计。
1. 机械结构部分。
垃圾桶的外壳设计得很有讲究。
它可不是普通的方形桶了，而是有一个流畅的曲线造型，这样既美观又方便清洁。
外壳采用了坚固又轻便的塑料材质，能承受一定的冲击力，毕竟有时候可能会被不小心撞到。
为了实现垃圾分类，这个垃圾桶内部被分成了几个小隔间，就像小房间一样。
每个隔间都有一个单独的入口，而且入口的大小和形状是根据不同类型的垃圾设计的。
比如说，可回收垃圾的入口比较大，可以让瓶子、纸张之类的轻松塞进去；而厨余垃圾的入口就小一些，防止大的非厨余垃圾混进去。
在垃圾桶的底部，还有一个特殊的机械装置。
这个装置就像一个小升降机，当垃圾桶满了的时候，它可以把垃圾慢慢往上顶，这样就可以提醒人们这个垃圾桶已经满了，需要清理了。
2. 传感器部分。
首先是满溢传感器。
这个小玩意儿可是个大功臣，它就安装在每个隔间的内壁上。
当垃圾堆积到一定高度，快要满出来的时候，满溢传感器就像一个小侦察兵一样，立马察觉到，然后把信号传给控制系统。
还有物体识别传感器，安装在入口处。
这个传感器可神奇了，它能识别出你扔进去的是什么垃圾。
比如说，你拿着一个塑料瓶靠近可回收垃圾入口，它能准确判断这是可回收物，然后打开入口的盖子让你扔进去。
要是你拿着个香蕉皮靠近可回收物入口，它就会“傲娇”地不让你扔，提示你要扔到厨余垃圾入口。
另外，还有气味传感器。
要是垃圾桶里的垃圾开始散发难闻的气味，气味传感器就会察觉到，然后启动一个小风扇，这个小风扇会把新鲜空气吹进垃圾桶里，同时把臭味通过特殊的通风管道排出去。
3. 控制系统部分。
这个控制系统就像是垃圾桶的大脑。
第7章 机电一体化系统实例
第7章 机电一体化系统实例
7.1 光电跟踪切割机 1.概述
2.光电跟踪传感器
3.电气控制系统
4 机械传动装置和执行装置
7.2 GCP-87电子皮带秤
1 GCP-87电子皮带秤的功能、性能
1）主要功能 2）主要参数
2.设计方案 1）设计方案
3 关键部件及动态校准方案 1）关键部件 （1）称重框架
（2）称重传感器 （3）速度传感器 （4）智能化显示仪表
2）动态校准方法
7.3 运动目标的模拟器和干扰器1Fra bibliotek概述
2 方案设计 1）机械本体设计 （1）结构形式选择
（2）传动方案选择 （3）机械外形结构
2）伺服电动机的选择与计算 （1）面向垂直运动单元的参数计算 3 系统的控制结构
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（六）管理程序
管理程序负责对数据输入、处理、插补运算等操作，对加工过程中的个程 序模块进行调度管理。管理程序还要对面板命令、脉冲信号、故障信号等引起的 中断进行处理。
（七）诊断程序
系统应对硬件工作状态和电源状况进行监视，在系统初始化过程中还需对 硬件的各个资源，如存储器，I/O等进行检测，使系统出现故障时能够及时停车 并指示故障类型和故障源。
六、数控软件
（一）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，对应的 按键名令进行处理。
第七章 机电一体化系统设计典型实例
第一节 车床的机电一体化改造 第二节 直流伺服电动机控制系统设计 第三节 用气动执行机构的传送装置的控制 第四节 简单自动门控制系统 第五节 步进电动机的控制 第六节 步进电动机的传动装置的控制系统
第一节 车床的机电一体化改造
图 开环控制系统框图
一、数控机床概述
9 n=100;od=0x1;
10 kaiten(n,od);
1、数控机床简介 2、数控机床的组成与研究对象
零件图
程序载体
数控微机系统
伺服驱动系统
机床本体
反馈系统
二、车床的机械传动系统简化
（一）改造前的结构介绍
（二）结构改进与简化
1、挂轮架系统
2、进给齿轮箱 3、溜板齿轮箱 4、横向拖板
5、刀架体→自动转位刀架（并列举四工位刀架） 图 自动转位刀架原理示意图
6、尾架→电动尾架
1—轴套 2—原尾架体 3—丝杠螺母 4—蝶形弹簧 5—顶杠 6—微型限位开关 7—调整螺钉8—电动机 9—减速箱
10—主动齿轮 11—从动齿轮 12—丝杠 13—顶尖推动丝杠
三、车床机电一体化改造的性能及精度选择
1、主轴 2、进给运动（进给速度、快速进给、脉冲当量） 3、刀架（自动转位刀架、工位数、重复定位精度） 4、其它性能指标的选择
FQ ? 3 L f H fW Fmax
? ? Fk ? f k? 2 EI
Kl
2 s
? Fmax
（3）刚度的验算
? L ? ? Fl0 ?
Ml
2 0
ES 2? ?IE
五、单片机控制系统设计（ X-Y工作台）
（一）工作台组成及控制要求 1、步进电机选用四相八拍，其脉冲当量为0.01mm/step； 2、能用键盘输入控制命令，控制工作台的X、Y方向上的运动及实 现其功能，其运动范围为0～200mm； 3、能实现显示工作台的当前运动位置； 4、具有超程指示警报及停止功能； 5、采用硬件进行环形分配，字符发生及键盘扫描均由软件实现。
（四）速度控制模块
一条曲线的进给运动往往需要刀具或工作台在规定的时间内走许多步来完 成，因此除输出正确的插补脉冲外，为了保证进给运动的精度和平稳性，还应控 制进给的速度，在速度变化较大时，要进行自动加减速控制，以避免速度突变造 成伺服系统的驱动失步。
（五）输出控制模块
输出控制包括： 1、伺服控制：将插补运算出的进给脉冲转变为有关坐标的进给运动。 2、误差补偿：当进给脉冲改变方向时，根据机床精度进行反向间隙补偿处 理。 3、M、S、T等辅助功能的输出：在加工中，需要启动机床主轴、调整主轴 速度和换刀等，因此，软件需要根据控制代码，从相应的硬件输出口输出控制脉 冲或电平信号。
（二）设计计算：
1、纵向进给丝杠的负载分析
（1）切削负载 （2）摩擦阻力 （3）等效转动惯量 （4）丝杠摩擦力矩计算 （5）等效负载转矩计算 （6）启动惯性转矩计算 （7）步进电动机输出轴上总负载转矩的计算
2、步进电机的匹配选择
Tq ? ???
3、滚珠丝杠的校核
（1）承载能力选择 （2）压杆稳定性核算
（二）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。
（三）插补运算模块
数控系统必须按照零件加工程序中提供的数据，如曲线的种类、起点、终 点等，按插补原理进行运算，并向各坐标发出相应的进给脉冲。进给脉冲通过伺 服系统驱动刀具或工作台相应的运动，完成程序规定的加工。插补运算模块除实 现插补各种运算外，还有实时性要求，在数控过程中，往往是一边插补一边加工 的，因此插补运算的时间要尽可能短。
（二）控制系统硬件组成
微型计算机
计数器
专用控制程
8031
序EPROM
单
片
机
I/O
用户加工程 序外部RAM
光电 隔离
功放
X或Y向 步进电机
驱动电路
三相异步电机
车床
光栅
刀架 移动 刀
架 刀架 转动
键盘显 示驱动
计数器
零位脉冲 刀架进给脉冲
主轴 主轴脉冲编码器
图 车床闭环控制系统
（三）微处理器系统及接口
第二节 直流伺服电动机控制系统设计
一、直流伺服电动机的控制 1、连接
2、动作
二、控制程序
1 int kaiten(int n，int od);
2 main()
3{
4 unsigned int st,stp;
5 outp(0xd6,0x90);
6 do{
7
st=inp(0xd0)&0x10;
8 }while(st!=0x10);
（1）刀具补偿（磨损影响） （2）间隙补偿（间隙消除机构、微机控制） （3）显示（LED、LCD） （4）诊断功能（防止程序有误和机床的误动作）
四、进给系统的主要设计计算
（一）实例说明：（以数控车床纵向Z设计为例）
设某车床，其纵向（z）进给丝杠改用滚珠丝杠，其基本导程l0=6；纵向溜板 箱及横向工作台与刀架等可移动部件总质量为400kg（实际设计时应根据图纸进 行计算或拆卸称重）；脉冲当量δ取0.01mm/脉冲（该值应根据被加工零件的最高 精度的尺寸公差来选定，一般取其公差的1/2）；取工件进给速度为v溜＝ 60mm/min、快速进给速度取为v溜＝2m/min；步进电机的步距角a预选为0.75（o） /step。