第六讲 机电一体化系统设计分析
机电一体化系统设计
机电一体化系统设计一、概论1、机电一体化：是在机械的主功能、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。
2、对检测传感器的要求：要求检测传感器具有高精度、高灵敏度和高可靠性。
3、检测传感技术的主要难点：提高可靠性、精度和灵敏度。
需要研究的问题有：①提高各种敏感材料和元件灵敏度及可靠性②改进传感器结构，开发温度与湿度、视觉与触觉同时存在的符合传感器③研究在线检测技术，提高抗干扰能力④研究具有自动诊断与自动补偿功能的传感器。
4、自动控制：自动控制是指在没有人参与的情况下，通过控制装置使被控制的对象或控制过程自动的按照预定的规律运行。
5、系统总体技术：系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统的观点和方法将总体分解成若干功能单元，找出能完成各个功能的技术方案，再把功能与技术方案组合成方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。
6、系统总体技术包括：插件、接口转换、软件开发、微机应用技术、控制系统的成套性和成套设备自动化技术。
7、系统总体技术需要研究的问题：①软件开发与应用技术，包括过程参数应用软件、实时精度补偿软件②研究接插件技术，体改可靠性③通过接口和数据总线标准化④控制系统成套性和成套设备自动化⑤软件的标准化。
8、机电一体化系统由机械系统、信息处理系统、动力系统、传感检测系统、执行元件系统五个系统组成。
9、系统的五种内部功能：即主功能、动力功能、计策功能、控制功能、构造功能。
主功能是实现系统“目的功能”直接必须的功能，主要是对物质、能量、信息及其相互结合进行变换、传递和存储。
动力功能的作用是根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转，实时“目的功能”。
而构造功能则是使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必须的功能。
10、机电一体化系统设计的考虑方法同城有：几点互补法、融合法和组合法。
11、系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方法。
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
机电一体化系统的设计与评估
机电一体化系统的设计与评估1.引言机电一体化系统是将机械、电气和电子技术相结合，形成一个整体的系统。
其设计与评估是保证系统高效运行和性能优化的重要环节。
本文将从设计流程、关键技术和评估方法等方面进行探讨。
2.设计流程机电一体化系统的设计流程包括需求分析、系统设计、电气设计、机械设计和联合调试等环节。
首先，需求分析阶段明确系统的功能和性能要求，确定设计目标。
然后，进行系统设计，包括确定系统的整体框架、模块划分以及传感器、执行器等元件的选型。
接下来，进行电气设计，包括电路设计、控制策略设计和通信设计等。
同时，进行机械设计，包括结构设计、传动设计和配置布局等。
最后，进行联合调试，验证系统的功能和性能是否满足需求。
3.关键技术（1）传感技术：机电一体化系统需要对系统内外的物理量进行测量和控制，传感技术是实现这一功能的关键。
传感器的选型和布局要根据系统的需求进行合理选择，并考虑传感器精度、可靠性和成本等因素。
（2）控制技术：机电一体化系统的控制是对系统各部分进行协调和调整，确保整个系统的稳定运行。
控制方法可以采用传统的PID控制、模糊控制或者现代的自适应控制等。
（3）通信技术：机电一体化系统中的各个模块需要相互通信，实现信息的交互和控制命令的传递。
常见的通信技术包括CAN总线、以太网和无线通信等，根据系统的需求和规模选择合适的通信技术。
（4）集成技术：机电一体化系统的设计要求不同模块之间的紧密集成和协同工作。
集成技术包括硬件集成和软件集成，其中软件集成包括系统架构设计、接口协议设计和数据交换等。
4.评估方法机电一体化系统的评估可从性能评估和可靠性评估两个方面进行。
（1）性能评估：通过实验和数值模拟等手段，对机电一体化系统的性能进行评估。
性能评估指标可以包括系统的响应速度、能耗、精度和稳定性等。
对于不同应用领域的机电一体化系统，可以根据具体要求设计相应的性能评估指标。
（2）可靠性评估：机电一体化系统的可靠性评估主要包括MTBF（平均无故障时间）、MTTR（平均修复时间）和系统冗余设计等。
第六讲 机电一体化系统设计解读
第六讲 机电一体化系统设计方法
3、惯量匹配计算 1）惯量匹配的基本原理 惯量匹配是指机电传动系统负载惯量与伺服电机转子 惯量相匹配。根据牛顿第二定理，机电传动系统所需 的转矩T与转动惯量和角加速度的关系为；
角加速度越小，则从计算机发出指令脉冲到进给系 统执行完毕之间的时间越长，系统反应越慢。 角加速度变化，系统反应忽快忽慢，影响加工精度。
第六讲 机电一体化系统设计方法
一、概述
当伺服系统精度要求较高或负载较大时，应采用闭 环或半闭环控制伺服系统。 当系统精度要求很高时，应采用闭环控制系统。 它将全部机械传动机执行机构都封闭在反馈控制环 内，其误差都可以通过控制系统得到补偿，因而可 以达到很高的精度。但是闭环伺服系统结构复杂， 设计难度大，成本高，尤其机械系统的动态特性难 以提高，系统稳定性难以保证，因而除非精度要求 很高时，一般应采用半闭环控制系统。
第六讲 机电一体化系统设计方法
转动惯量J由伺服电动机转动惯量JM 与机电传动系 统负载惯量JL 两部分组成
负载惯量JL由执行部件以及夹具、工件或刀具、滚 珠丝杠、联轴器等直线和旋转运动件的质量或惯量折 合到电动机轴上的惯量组成。 JL/JM应控制在一定范围内，既不能太大，也不应太 小。这就是伺服系统中电动机转子的转动惯量与负载 惯量匹配原则。
第六讲 机电一体化系统设计方法
第六讲 机电一体化系统设计方法
执行元件的选择
选择执行元件时应考虑电机的转速、转矩、和功 率等参数应与被控对象的需要相匹配，综合考虑 负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠 性以及体积、成本等多方面要求。如冗余量大， 容易成本提高、造成浪费，如果执行元件的参数 偏低，系统将达不到要求。开环伺服系统中一般 情况下应优先选用步进电动机。
《机电一体化系统设计》机电一体化系统设计及分析方法PPT课件
• 1）产品外观和结构布置方案； • 2）产品部件或子系统划分及设计目标 ； • 3）各部件或子系统的接口设计 ； • 4）制定详细设计任务书、验收规范及进
度计划 。
详细设计
• 根据详细设计任务书，对各零部件进行详 细设计，确定各零部件的形状、尺寸、材 料等参数，设计控制软件、设计电子、电 气系统的电路，选用合适的元件，绘制详 细的零件图、装配图等工程图，编写详细 的设计技术资料。详细设计还包括制定产 品制造工艺和质量检验等内容。
• 并行工程是一种以降低产品全生命周期成本， 增强易制造性，缩短上市周期和增强市场竞 争能力为目标的，把产品(系统)的设计、制 造及其相关过程作为一个有机的整体进行综 合（并行）协调的一种模式。并行工程的设 计则强调产品的全生命周期相关部门的技术 人员共同构成设计组，研发设计和生产筹备 有机的结合在一起，有利于换代快、批量不 大的产品开发。
寻常指标：作为常规要求的指标，一般不定 量描述且不出现在优化设计模型中，只需 用常规设计方法进行保证。
• 3、性能指标分配
• 分配的目的是合理限定各子系统对总体性 能指标的影响程度，是系统整体优化的保 障。
• 由于机电系统方案的多样性，各子系统的 形式不同，因此必须逐一列出它们的作用 形式。这些内容包括：相关设计参数、设 计参数受到的特征指标约束、设计参数对 优化指标的影响等三个方面。
• 经济性指标 ：反映用户获得所需功能和性 能的产品需要付出的费用高低；对于生产 者则是完成产品生产制造的成本。对于生 产者和用户都希望在获得相同产品的同时 成本/费用越低越好。对于用户其成本包括 购置和使用费用。
• 安全性指标 ：需要根据产品特点确定，它 既指产品在运行过程中对操作者和周围其 他人员的人身安全的危害程度，又指产品 本身因其它原因受损坏的可能性。
机电一体化系统设计
1、先进制造技术
先进制造技术（AMT－Advanced Manufacturing Technology）先进制造 技术是传统制造技术不断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理 等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、 使用Байду номын сангаас服务的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产， 并取得理想技术经济效果的制造技术的总称。
系统的五个子系统及其功能
• 1 计算机（微机） • 2 执行元件 • 3 机构 • 4 传感器 • 5 动力源
控制功能 操作功能 构造功能 检测功能 动力功能
2、机电一体化相关技术
机械技术、微电子技术、信息技术、 控制技术、传感器技术、驱动技术、 计算机技术、软件技术
等多种学科的技术融合在一起，紧密结合在一起。
机电一体化系统设计步骤：
• 1明确任务 • 2调研 • 3方案拟定（设计） • 4机械部件设计 • 5电气控制硬件设计 • 6控制软件设计 • 7组织生产、调试 • 8改进设计 • 9整理资料
机电一体化机械系统（特点）要求
• 1低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件。 • 2缩短传动链，提高传动与支承刚度。 • 3最佳传动比，减少系统等效转动惯量，提高加
• 1)单推一单推式 • 2)双推一双推式 • 3)双推一简支式 • 4)双推一自由式
1)单推一单推式
• 止推轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧 力。其特点是轴向刚度较高，预拉伸安装时， 预紧力较大，但轴承寿命比双推一双推式低。
2)双推一双推式
• 两端分别安装止推轴承与深沟球轴承的组合，并施加 预紧力，其轴向刚度最高。该方式适合于高刚度、高 转速、高精度的精密丝杠传动系统。但随温度的升高 会使丝杠的预紧力增大，易造成两端支承的预紧力不 对称。
机电一体化系统的设计与实现
机电一体化系统的设计与实现机电一体化系统是指将机械和电子控制系统结合在一起，通过智能化控制实现自动化操作和精确控制的系统。
在现代工业生产中，机电一体化系统已经成为各行各业的重要组成部分。
本文将探讨机电一体化系统的设计与实现，并介绍其在不同领域的应用。
机电一体化系统的设计需要考虑多个方面，包括机械设计、电气设计和控制系统设计。
首先，机械设计要考虑系统的结构和运动方式，以及与其他部件的相互配合。
其次，电气设计要考虑系统的电力供应和电路设计，包括各类传感器和执行器的选型和接线。
最后，控制系统设计是机电一体化系统的关键，要设计出高效稳定的控制算法，并选择适合的控制器和编程平台。
在机电一体化系统的实现过程中，有几个关键的步骤。
首先，需要进行系统的建模与仿真。
通过建立系统的数学模型，可以对系统的性能进行预测和优化。
其次，需要进行硬件设计与制造。
这个步骤包括选型和采购各类机械和电气元件，并进行装配和调试。
然后，需要进行软件开发与编程。
根据系统的需求，设计控制算法并进行编程实现。
最后，需要进行系统的调试与优化。
通过对系统进行运行测试和参数调整，改进系统的稳定性和性能。
机电一体化系统在多个领域都有广泛的应用。
在制造业中，机电一体化系统可以实现产品的自动化生产和质量控制，提高生产效率和降低人力成本。
在能源领域，机电一体化系统可以实现能源的高效转换和利用，提高能源利用率和减少能源浪费。
在农业领域，机电一体化系统可以实现农业机械的智能化管理和作业，提高农业生产效益和减少对自然资源的消耗。
在医疗领域，机电一体化系统可以实现医疗设备的自动化操作和监控，提高医疗服务的质量和效率。
然而，机电一体化系统的设计与实现过程中也存在一些挑战。
首先，不同领域的应用对机电一体化系统的要求不同，需要根据具体需求进行设计和优化。
其次，机电一体化系统的开发成本较高，需要投入大量的资金和人力资源。
此外，机电一体化系统的维护和升级也需要专业的技术支持和培训。
机电一体化系统设计有机结合分析与设计
推动模块的标准化和互换性，降低维护成本和提高系统灵活性。
结合实例分析
实例一
数控机床的机电一体化系统设计， 通过电子系统实现对机床运动的
精确控制，提高加工精度和效率。
实例二
智能机器人的机电一体化系统设计， 集成传感器、控制器和执行器，实 现机器人的自主导航、物体识别和 抓取等功能。
实例三
机床的性能和稳定性。
数控机床的应用范围广泛，可适用于各种复杂零件的 加工，为现代制造业的发展提供了重要的技术支持。
自动化生产线设计
自动化生产线是机电一体化系统设计 的又一重要应用，通过自动化技术实 现生产过程的连续性和高效性。
自动化生产线在汽车、电子产品、食 品等领域得到广泛应用，提高了生产 效率和产品质量，降低了生产成本。
结合原则
确保机电一体化系统的稳定性、可靠性、高效性 和低成本。
接口设计
合理设计机械与电子系统之间的接口，实现数据 和信号的有效传输。
结合策略与实现
策略
采用模块化设计方法，将机电一体化系统划分为若干个功能模块， 分别进行设计、优化和集成。
实现
利用现代计算机辅助设计工具进行建模、仿真和分析，确保各模块 之间的协调性和整体性能的最优化。
风力发电机的机电一体化系统设计， 将机械能转换为电能，同时考虑风 能利用率和系统稳定性。
04
机电一体化系统设计案例
数控机床设计
数控机床是机电一体化系统设计的典型案例，通过将 机械、电子、控制等技术有机结合，实现高精度、高
效率的加工能力。
数控机床设计过程中，需要考虑机床的整体布局、传 动系统、控制系统、冷却系统等方面的设计，以确保
机械系统设计是机电一体化系统 的核心部分，包括机械结构、传
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第六讲 机电一体化系统设计方法
步进电机与丝杠螺母间的运动传递可能有多种形式：
采用齿轮传动时，但应采取措施消除其传动间隙。ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第六讲 机电一体化系统设计方法
执行机构方案的选择
执行机构是伺服系统中的被控对象，是进行实际操 作的机构，应根据具体操作对象及其持点来选择和 设汁。执行机构方案的选择主要是指导向机构的选 择。主要有滑动和滚动两大类，在伺服系统中应用 较多的是塑料贴面滑动导轨和滚动导轨。
第六讲 机电一体化系统设计方法
3、惯量匹配计算 1）惯量匹配的基本原理 惯量匹配是指机电传动系统负载惯量与伺服电机转子 惯量相匹配。根据牛顿第二定理，机电传动系统所需
的转矩T与转动惯量和角加速度的关系为；
角加速度越小，则从计算机发出指令脉冲到进给系 统执行完毕之间的时间越长，系统反应越慢。 角加速度变化，系统反应忽快忽慢，影响加工精度。
第六讲 机电一体化系统设计方法
第六讲 机电一体化系统设计方法
控制系统方案的选择
包括微机、步进电机控制方式、驱动电路、接口电 路等的选择和设计
常用的微型机有单板机、单片机、工业控制微型机 等，其中单片机由于在体积、成本、可靠件和控制 指令功能等许多方面的优越性，在伺服系统的控制 中得到了非常广泛的应用。
第六讲 机电一体化系统设计方法
如果比值太大，则伺服系统的动态特性主要取决于负载特性 ，负载质量、刚度、阻尼等的变化，将导致系统动态待性的 较大变化，影响系统的稳定。 如果该比值太小，说明电动机选择或传动系统设计不太合理 ，经济性较差。
第六讲 机电一体化系统设计方法
传动机构方案的选择
传动机构实质上是执行元件和执行机构之间的一个机 械接口，用于对运动和力进行变换和传递，伺服系统 中执行元件以输出转速和转矩为主，而执行机构多为 直线运动或旋转运动，将旋转运动转换为直线运动的 传动机构有：
第六讲 机电一体化系统设计方法
齿轮齿条传动可获得较大的传动比和较高的传动效 率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿条制 造困难，且为消除传动间隙而结构复杂。滚珠丝杠 传动结构简单、制造容易而应用广泛，丝杠螺母副 已成为伺服系统中的首选传动机构。
进电机的步距角α 及丝杠导程Ph。传动比的确定既要
使减速比达到最佳匹配，同时又要满足脉冲当量与步 距角之间的关系。
第六讲 机电一体化系统设计方法
2）各级传动比的确定 传动比的分配有三个原则：
1 2）质量最小原则 3）输出轴转角误差最小原则：
在总传动比确定的情况下，通常按最小负载惯量原则 来分配齿轮副的传动比，即按该原则设计的齿轮系统， 折算到电动机轴上的负载惯量最小。 如算出的传动比较小，可采用同步带或一级齿轮传动， 否则应采用多级齿轮传动。齿轮传动级数增加时，使 齿隙和静摩擦增加，传动效率降低而且结构复杂。
第六讲 机电一体化系统设计方法
目前大多数数控机床和工业机器人的伺服系统都采 用半闭环系统。
从控制原理上讲，闭环和半闭环控制原理是一样的 ，都要对系统输出进行实时监测和反馈，并根据偏 差对系统实施控制。两者的区别仅区别在于传感器 检测信号位置不同，因而导致设计、制造的难易程 度不同及工作性能的不同，但两者的设计及分析方 法是基本一致的。
第六讲 机电一体化系统设计方法
1、确定脉冲当量，初选步进电机
根据系统精度要求确定，对于开环伺服系统，一般
取 =0.001-0.01mm/pulse。取得太大，无法满足系
统精度要求；取得太小，或者机械系统难以实现， 或者对其精度和动态性能要求过高，经济性降低。
第六讲 机电一体化系统设计方法
2、齿轮传动计算 1）总传动比的确定 在开环系统中，步进电动机至丝杠间设有齿轮副传动 装置，其传动比i的大小决定于系统的脉冲当量δ 、步
第六讲 机电一体化系统设计方法
系统方案确定之后，应进行机械系统的设计计算， 其内容包括执行元件参数及规格的确定、系统结构 的具体设计、系统惯量、刚度等参数的计算，功率 的匹配及过载能力的验算等。
第六讲 机电一体化系统设计方法
三、开环伺服机械系统设计计算
开环控制系统设计的主要内容包括计算机硬件电路、 接口电路、步进电机驱动电路、控制算法、及相应控 制软件的具体工程设计。 设计时，先根据运动精度选定脉冲当量δ，再根据负 载确定步进电机的参数α，并选定丝杠的型号、导程 等参数，计算传动比，最后设计传动齿轮的各参数等。
第六讲 机电一体化系统设计方法
第六讲 机电一体化系统设计方法
执行元件的选择
选择执行元件时应考虑电机的转速、转矩、和功 率等参数应与被控对象的需要相匹配，综合考虑 负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠 性以及体积、成本等多方面要求。如冗余量大， 容易成本提高、造成浪费，如果执行元件的参数 偏低，系统将达不到要求。开环伺服系统中一般 情况下应优先选用步进电动机。
第六讲 机电一体化系统设计方法
第六讲 机电一体化系统设计方法
当伺服系统的负载不大、精度要求不高时，可采用开 环控制。一般来讲，设计时应主要考虑满足精度方面 的要求，并通过合理的结构参数设计，使系统共有良 好的动态响应性能。
二、系统方案确定（开环系统） 在机电一体化产品中，典型的开环控制位置伺服系统 是简易数控机床的伺服进给系统及数控x、y工作台等。 其结构原理如图所示：
第六讲 机电一体化系统设计方法
一、概述
当伺服系统精度要求较高或负载较大时，应采用闭 环或半闭环控制伺服系统。 当系统精度要求很高时，应采用闭环控制系统。 它将全部机械传动机执行机构都封闭在反馈控制环 内，其误差都可以通过控制系统得到补偿，因而可 以达到很高的精度。但是闭环伺服系统结构复杂， 设计难度大，成本高，尤其机械系统的动态特性难 以提高，系统稳定性难以保证，因而除非精度要求 很高时，一般应采用半闭环控制系统。
第六讲 机电一体化系统设计方法
转动惯量J由伺服电动机转动惯量JM 与机电传动系 统负载惯量JL 两部分组成
负载惯量JL由执行部件以及夹具、工件或刀具、滚
珠丝杠、联轴器等直线和旋转运动件的质量或惯量折 合到电动机轴上的惯量组成。
JL/JM应控制在一定范围内，既不能太大，也不应太
小。这就是伺服系统中电动机转子的转动惯量与负载 惯量匹配原则。