机电一体化系统驱动模块的设计
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。
机电一体化系统设计
1. 机电一体化技术（或产品）的定义定义：在机械的主功能，动力功能，信息功能，控制功能基础上引入微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机的结合所构成的系统的总称。
2. 机电一体化系统或产品设计的目的是什么？主要目的：增加机械系统或产品的附加值和自动化程度3. 机电一体化系统（产品）的主要构成单元或组成部分有哪些？机械系统，电子信息处理系统，动力系统，传感系统，执行控制系统4、简述机电一体化系统或产品的机电结合（融合）设计方法。
机电结合设计方法是将个组成要素有机的结合为一体而构成专用或通用的功能部件，其要素之间机电参数的有机匹配比较充分5、简述机电一体化系统（产品）的机电组合设计方法，特点是什么？。
机电一体化系统的机电组合设计方法是将用结合法制成的功能部件，功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统，特点是可以缩短设计与研制周期，节约工装设备费用，且有利于生产管理，使用和维修。
6. 机械传动系统在机电一体化系统（产品）中的基本功能和作用是什么？机械传动系统在机电一体化系统中的基本功能是传递力/转矩和速度/转速。
实质上是一种转矩，转速变换器。
作用是使执行原件与负载之间在转矩和转速方面达到合理的匹配。
7. 简答机电一体化机械传动的主要功能，目的，基本要求。
功能：传递力/转矩和速度/转速目的：使执行元件与负载之间在转矩和转速方面达到合理的匹配。
基固本要求：转动间隙小，精度高，体积小，重量轻，运动平稳，传动转矩大。
8. 机电一体化系统（产品）的机械部分与一般机械系统相比，应具备哪些特殊要求？1.较高的定位精度。
2.良好的动态响应特性－响应快，稳定性好，收敛时间合理。
3。
无间隙，低摩擦，低惯量，大刚度。
4。
高的消振频率，合理的阻尼比。
9. 简述滚珠丝杠传动装置的组成，结构和应用特点。
滚珠丝杠传动装置的组成由带螺旋槽的丝杆，螺母，滚动元件，回珠装置组成。
结构：丝杆轻动时，带动滚珠螺纹滚道滚动，为阻止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端没有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠滚动的闭合通路。
机电一体化系统设计ppt课件
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
3、有源接口：含有有源要素，可以主动进 行匹配的接口。如电磁离合器、放大器、 光电耦合器等
4、智能接口：带有微处理器，可以进行程 序编制或可适应性地改变接口条件。如自 动变速装置、通用输入/输出集成电路， STD总线等
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
1.2.2 机电一体化系统的功能构成
构成功能的目的：处理工业三大要素 信息、能量、物质 功能构成
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
2.2机电一体化系统设计与现代设计方法
设计程序 ①明确设计思想 ②分析综合要求 ③划分功能模块 ④决定性能参数 ⑤调研类似产品 ⑥拟定总体方案 ⑦方案对比定型 ⑧编写总体设计论证书
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
3、信息接口：受规格、标准、法律、语言、 符号等逻辑、软件约束的接口。如RS232， GB，ISO，ASCII，FORTRAN，C++等
4、环境接口：对周围环境条件（温度、湿 度、磁场、振动、水、气、灰、火、放射） 有保护作用的接口。如防尘接头，防水开 关等
浅谈机电一体化系统设计的目标和方法
ＯＣＣＵＰＡＴＩＯＮ121 2010 7机电一体化，是在微型计算机为代表的微电子技术、信息技术迅速发展并向机械工业领域迅猛渗透，以及与机械电子技术深度结合的现代工业的基础上，综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术和软件编程技术等群体技术，即实现多种技术功能复合的最佳功能价值系统工程技术。
一、现代机械的机电一体化目标1.提高精度机电一体化技术使机械传动部件减少，因而使由机械磨损、配合间隙及变形而引起的误差大为减小。
同时，由于机电一体化技术采用电子技术实现自动检测和自动控制，校正和补偿由各种干扰因素造成的动态误差，从而达到单纯机械装备所不能实现的工作精度。
2.增强功能现代高新技术的引入，使机械产品具有多种复合功能，成为机电一体化产品和系统的一个显著特点。
3.提高生产效率机电一体化系统可以有效地减少生产准备时间和辅助时间，缩短新产品的开发周期，提高产品的合格率，减少操作人员，从而提高生产效率，降低生产成本。
4.节约能源，降低能耗通过采用低能耗的驱动机构、最佳调节控制和提高能源利用率等措施，机电一体化产品和系统可以取得良好的节能效果。
5.提高安全性、可靠性机电一体化系统通常具有自动检测、监控子系统，因而可以对各种故障和危险自动采取保护措施并及时修正参数，提高系统的安全可靠性。
6.改善操作性和实用性机电一体化系统的各相关子系统的动作顺序和功能协调关系由控制系统决定。
随着计算机技术和自动控制技术的发展，可以通过简便的人机界面操作，实现复杂的功能控制和良好的使用效果。
7.减轻劳动强度，改善劳动条件减轻劳动强度包括繁重的体力劳动和复杂的脑力劳动。
机电一体化系统能够由计算机完成设计制造和生产过程中极为复杂的人的智力活动和资料记忆查找工作，同时又能通过过程控制自动运行，从而替代人的紧张和单调重复操作以及在危险环境下的工作。
8.简化结构，减轻重量机电一体化系统采用先进的电力电子器件和传动技术，替代老式笨重的电气控制和机械变速结构，由微处理器和集成电路等微电子元件和程序逻辑软件，完成过去靠机械传动链来实现的关联运动，从而使机电一体化产品和系统的体积小，结构简化，重量减轻。
第五章 机电一体化控制系统及其模块电路设计
图5-1 专用微机控制系统的组成
第二节 机电一体化控制系统微控制器的选择
一、微型计算机的系统构成： 人们经常提到“微机”这个术语，该术语是三个概念的 统称，即微处理器、微型计算机与微型计算机系统。 微处理器简称μP或MPU或CPU，它是一个独立的芯片，内 部含有数据通道、多个寄存器、控制逻辑部件、运算逻辑部 件以及时钟电路等。 微型计算机简称μC或MC，它是以微处理器为核心，加上 ROM、RAM、I/O接口电路、系统总线以及其他支持逻辑电 路所组成的计算机。如果以上各部分均集成在一个芯片，那 么这个芯片就叫微控制器，简称MCU，也就是人们常说的 单片机。 微型计算机系统简称MCS，一般将配有系统软件、外围设 备、系统总线接口的微型计算机称为微型计算机系统。 本节主要针对机电一体化设备专用微机控制系统，来讨 论微处理器与微控制器的选择。
集成稳压器的功能是将非稳定的直流电压变换成稳 定的直流电压。集成稳压器按工作方式可分为串联型 稳压器、并联型稳压器和开关型稳压器三种。其中开 关型稳压器的效率最高，可达70%以上，但其输出电 压的纹波较大；并联型稳压器输出电流小，但是电压 的稳定度高，主要用来作电压基准；串联型稳压器的 效率虽较低，但其输出电流范围较宽，主要用于低电 压、小电流的场合，比如，给控制系统的主机电路供 电等。
1）三端固定正电压稳压器 常用型号为7800系列。图5-2是7800稳压器的 外观图和元件符号，图a为金属封装，输出 电流较大；图b为塑料封装，输出电流较小； 图c是7800稳压器的电路符号。7800系列正 稳压器常见的标称输出电压有+5V、+6V、 +8V、+9V、+12V、+15V、+18V、+20V、 +24V等。
机电一体化名词解释
闭式导轨:借助导轨副本身的封闭式结构，在变化的空间位置和受力状况下，使运动导轨和支承导轨的工作面都可能可靠接触，从而保证运动导轨的规定运动。
闭式导轨一般受温度的变化的影响较小。
支承件静刚度：静刚度等于支承件产生的静变形与承受的静载荷之比、开式导轨：借助于运动件的自重和外载荷，在一定的空间位置和受力状况下，使运动导轨和支承导轨的工作面可靠接触，从而保证运动导轨的规定运动。
开式导轨一般受温度变化的影响较小。
直线运动导轨副：支承导轨约束了运动导轨的五个自由度，仅保留沿给定轴线的移动自由度。
旋转运动导轨副：支承导轨约束了运动导轨的五个自由度，仅保留沿给定轴线的旋转运动自由度。
轴系的热特性：轴系的热特性主要参数是热源强度、温升及工作部位的热位移。
其他动压支承：是利用空气作用润滑剂的一种轴承，通过空气的弹性起支承作用，可避免固体面之间的直接接触，在轴颈和轴瓦之间形成气锲滚动导轨：滚动导轨的配对导轨面间由滚动体隔开，导轨不直接接触，运动时与滚动体产生滚动摩擦。
1＞机电一体化：其含义是机械与电子的集成技术。
定义为“在设计产品或制造系统时所考虑的精密机械工程、电子控制以及系统的最佳协同组合。
“2、系统：从广义上讲，系统可以定义为两个或者两个以上的事物组成的相互作用、相互依存，共同完成某种特定功能或形成某种事物现象的一个统一整体的总称。
3、机电一体化系统：是按照系统和机电一体化的定义，所有机电一体化产品以及这些产品的集成体。
如：数控机床、传真打印机等4、系统的数学模型：描述决定系统输入与输出之间关系的数学方程式静态系统：实时输出只与当时的输入有关。
动态系统：实时输出不仅与当时的输入有关，而且与过去的输入和输出有关。
微分方程组线性系统：输入和输出满足线性叠加原理的系统。
非线性系统：输入和输出不满足线性叠加原理的系统。
定常系统：数学模型中的所有系数都是与时间无关的常量的系统。
时变系统：数学模型中含有与时间有关的系数的系统。
《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课程设计【范本模板】
机电一体化系统设计课程设计说明书（小幅面平板式二维绘图仪画笔驱动系统）目录目录................................................................................................................... - 2 - 中文摘要................................................................................................................... - 4 -一、课程设计的目的............................................................................................... - 5 -二、设计任务........................................................................................................... - 5 -三、总体方案的确定............................................................................................... - 5 -四、机械传动部件的设计与选型........................................................................... - 6 -1．滚珠丝杆副的选型与计算........................................................................... - 6 - 2．电机的选型与计算....................................................................................... - 8 -3、轴承的选择与验算..................................................................................... - 11 -4．联轴器的选用............................................................................................. - 12 - 5．滚动直线导轨选择,计算和验算................................................................ - 12 - 6．密封和润滑................................................................................................. - 13 -五、机械控制系统原理及电路设计..................................................................... - 13 -1、设计要求..................................................................................................... - 13 -2、方案分析..................................................................................................... - 13 -3、单片机系统与步进电动机驱动器之间的接口方法................................. - 14 -4、步进电动机驱动电源的选用..................................................................... - 15 -六、设计结论......................................................................................................... - 18 -七、个人总结......................................................................................................... - 21 -八、参考文献......................................................................................................... - 22 -中文摘要模块化的小幅面平板式单坐标画笔驱动系统，通常由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠副，以及伺服电动机等部件组成。
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4.2.3直流无刷伺服电机
➢直流无刷伺服电机的结构和特点
体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小， 电机免维护，效率高，运行温度低，电磁辐射很小，长 寿命，可用于各种环境，但是控制复杂。
➢直流无刷伺服电机的工作原理
4.2.4直流伺服电机的驱动电路
4.2.5 直流伺服电机的选择
直流电机的选用步骤 ➢确定负载的转速、转矩曲线模型 ➢计算等效负载转动惯量 ➢计算等效负载转矩 ➢计算负载的计算转矩 ➢初选电机 ➢电机校核
机电一体化系统驱动模块 的设计
教学目标
➢了解三种控制电动机的分类，特点和应用领域 ➢掌握步进电机选用的设计计算过程和步骤 ➢掌握直流伺服电机选用的设计计算过程和步骤 ➢掌握交流伺服电动机选用的设计计算过程和步
骤了解三种控制电机与相应驱动器的匹配 ➢了解三种控制电机的标注、产品规格和型号
4.1 步进电机
4.2.6直流伺服电机的标注
130SZ05F/H1
4.3交流伺服电机
4.3.1交流伺服电机的特点、分类和结构
优点：运行平稳、脉动小、低速无振动，调 速范围宽，可短时过载，力矩特性好，控制 精度高，控制方法复杂，价格贵 。
4.3.2交流伺服电动机的主要技术参数
➢额定功率 ➢额定电压 ➢额定电流 ➢额定转速 ➢额定扭矩 ➢最大扭矩
4.1.1 步进电机的分类及其特点
➢反应式步进电机 ➢永磁式步进电动机 ➢混合式步进电动机
4.1.2 步进电动机的主要参数及选择
➢ 步距角 ➢ 步进电机的转速 ➢ 最大静转矩 ➢ 定位转矩 ➢ 启动转矩 ➢ 启动频率、运
图4.2 步进电动机的矩频特性
4.1.3 步进电机的型号标注
4.3.3异步型交流伺服电动机
⒈ 工作原理
n 60 f (1 s) p
s n1 n n1
⒉ 等效电路和机械特性
4.3.4同步型交流伺服电动机
1. 电动机的结构
⒊ 同步型交流伺服电动机的永磁材料
➢有铁氧体 ➢稀土钴 ➢钕铁硼永磁材料
4.3.5 交流伺服电动机的控制形式
➢转矩控制/电流控制 ➢速度控制 ➢位置控制
4.3.6 交流伺服系统与步进伺服系统比较
➢控制精度 ➢低频特性 ➢矩频特性 ➢过载能力 ➢运行性能
总之，交流伺服系统在性能上明显优于步进伺服系统 ，但价格高、结构复杂，维修成本较高；步进伺服系 统价格低、性价比高、结构简单、维修成本较低。
4.3.7 交流伺服电动机及其驱动器的选用
⒈ 交流伺服电动机
➢初选步进电机
Tj max (2.5～4)Teq
JL / Jm 4
➢步进电机的校核
工作机最高转速时电机输出转矩的校核 启动频率、启动转矩和启动时间的校核
4.1.5 步进电机的驱动与控制
➢环形脉冲分配器 ➢步进电机驱动器
4.1.6 步进电机的升降频方式
➢升降频的重要性 ➢升降频方式
➢降频的软件实现 （图4.19）
前段一般2～3位，表示步进电机的基座号（电机外径或外轮 廓尺寸，单位是mm）；中段2～3位，表示步进电机的类型： BY为永磁式步进电机，BYG为混合式步进电机，BF或BC为 反应式步进电机；后段３～６位，表示步进电机励磁绕组的 相数、转子的齿数或其它代号。
4.1.4步进电机的选用
➢ 步进电机选用的步骤
ua
tg 0 Ra
Tb Ke Kt
0
ua Ke
➢动态特性
ua
TEema
Raia (t) La
(t) Ke(t)
Ktia (t)
dia (t) dt
Ea
(t)
Tem
J
d(t)
dt
B(t)
Td
(t)
(s) U a (s)
La Js2
(La B
Kt Ra J )s
Ra B
KeKt
➢驱动电路
⒉ 交流伺服驱动器
➢等效负载转动惯量的计算
Jeq
1
4 2
p i1
mj
( vj nm
)2
q i1
Ji
(
ni nm
)2
➢绘制步进电机速度线图
➢步进电机等效负载转矩的计算
1 p
q
Teq 2
Fj v j / nm Ti ni / nm
j 1
i 1
快速空载起动
加速转矩的计算
折算到电机轴上的摩擦力矩
最大工作负载
4.2直流伺服电机
4.2.1直流伺服电机的分类和特点
激磁方式
电磁式直流伺服电动机 永磁式直流伺服电动机
结构型式
有刷直流伺服电机 无刷直流伺服电机
4.2.2 有刷直流伺服电机
➢工作原理
ua
Raia
La
dia dt
Ea
ua Ke
Ra KeKt
Tem
➢静态特性
ua Ke
Ra KeKt
Tem
Tb
Kt Ra