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1、 機 電 一 體 化 系 統(tǒng) 設 計 課 程 設 計 輔 導 材 料主 要 內 容 ：一 、 課 程 設 計 的 任 務 及 其 性 能 指 標二 、 系 統(tǒng) 總 體 設 計三 、 機 械 系 統(tǒng) 設 計 步 驟 及 要 點四 、 檢 測 系 統(tǒng) 設 計 及 其 要 點五 、 控 制 器 及 其 信 息 接 口 設 計六 、 課 程 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 參 考 書 目 ： 機 電 一 體 化 設 計 基 礎 、 機 電 一 體 化 系 統(tǒng) 設 計 課 程 設 計 指 導 書 尹 志 強 等編 著 ， 機 工 出 版 社 、 單 片 微 機 測 控 系 統(tǒng) 設 計 大 全 王 福

2、 瑞 等 編 著 ， 北 京航 空 航 天 大 學 出 版 社 、 機 械 設 計 手 冊 、 機 電 一 體 化 系 統(tǒng) 設 計 手 冊 電 動 機 （ 步 進 電 機 、 直 流 伺 服 電 機 等 ） 產 品 技 術 手 冊傳 感 器 （ 光 電 編 碼 盤 、 接 近 開 關 等 ） 產 品 技 術 手 冊 一 、 課 程 設 計 的 任 務 及 其 性 能 指 標1、 設 計 任 務 介 紹課 程 設 計 的 題 目 ： X-Y數 控 進 給 工 作 臺 設 計 數 控 進 給 工 作 臺 是 數 控 機 床 的 主 要 部 件 之 一 ， 是 典 型 的 位置 伺 服 系 統(tǒng) ，

3、有 三 種 形 式 ： 開 環(huán) 系 統(tǒng)半 閉 環(huán) 系 統(tǒng)閉 環(huán) 系 統(tǒng) 課 程 設 計 的 任 務v根 據 技 術 要 求 設 計 一 XY數 控 工 作 臺 ，包 括 機 械 系 統(tǒng) 和 控 制 系 統(tǒng) 。v設 計 工 作 可 分 成 兩 部 分 ： 一 是 書 面 設 計 ，包 括 機 械 部 分 總 裝 配 圖 紙 、 控 制 器 的 原理 圖 和 部 分 程 序 設 計 。 二 是 實 驗 調 試 工作 ， 即 實 現 對 實 際 工 作 臺 進 行 運 動 控 制 。 工 作 臺 圖 形 數 控 工 作 臺 主 要 性 能 指 標 ： （ 參 數 要 求 ）X方 向 工 作 行 程

4、： 300mmY方 向 工 作 行 程 ： 200mm工 作 臺 面 參 考 尺 寸 ： 500X300（ mm2）平 均 切 削 力 ： 1500N平 均 切 削 進 給 速 度 ： 600mm/分最 高 運 動 速 度 ： 6m/分定 位 精 度 ： 0.01mm工 作 壽 命 ： 每 天 8小 時 ， 工 作 8年 二 、 總 體 方 案 設 計v 設 計 任 務 分 析v 主 要 參 數 及 技 術 指 標 的 確 定v 方 案 制 定v 在 具 體 設 計 之 前 ， 本 著 簡 單 、 實 用 、 經 濟 、 安 全 、 美 觀 的 基 本 原 則 所 進 行 的 綜 合 性 的

5、設 計 。產 生 的 技 術 文 件 ：v 1.設 計 任 務 書 （ 技 術 任 務 書 ）v 2.機 構 運 動 簡 圖 （ 系 統(tǒng) 簡 圖 ）v 3 關 鍵 元 器 件 確 定v 4.總 裝 配 圖 v 5.部 件 裝 配 圖v 6.電 氣 、 光 學 、 氣 動 、 液 壓 原 理 圖v 7.總 體 設 計 報 告設 計 內 容 ： 1、 確 定 控 制 方 式定 位 精 度 中 等 ， 負 載 不 大 ， 適 合 采 用 開 環(huán) 控 制 方 式 或 采用 半 閉 環(huán) 控 制 方 式2、 確 定 機 械 傳 動 方 案根 據 機 電 一 體 化 系 統(tǒng) 對 傳 動 系 統(tǒng) 的 要 求

6、： 采 用 低 摩 擦 系 數的 傳 動 器 件 ： 滾 珠 絲 杠 、 滾 動 導 軌 ； 無 間 隙 聯 軸 器 ； 消 除 反 向 傳 動 間 隙 等 。3、 確 定 檢 測 方 案半 閉 環(huán) 系 統(tǒng) 采 用 增 量 式 光 電 編 碼 盤 檢 測 電 機 或 絲 杠 轉 角 、轉 速 、 零 位 。二 、 總 體 方 案 設 計 （ 續(xù) 1） 二 、 總 體 方 案 設 計 （ 續(xù) 2）全 閉 環(huán) 系 統(tǒng) 采 用 直 線 光 柵 測 量 工 作 臺 位 移 、 增 量 式 光 電 編碼 盤 檢 測 電 機 或 絲 杠 轉 速 。4、 執(zhí) 行 元 件 確 定開 環(huán) 系 統(tǒng) 選 用 步 進

7、 電 機 ， 半 閉 環(huán) 和 全 閉 環(huán) 系 統(tǒng) 選 擇 直 流 伺服 電 機 或 交 流 伺 服 電 機 。5、 控 制 器 計 算 機 系 統(tǒng) 選 擇單 片 機 、 可 編 程 控 制 器 、 工 業(yè) 控 制 計 算 機 是 機 電 一 體 化 系統(tǒng) 控 制 器 采 用 的 三 種 基 本 計 算 機 。 總 體 方 案 示 意 圖 （ 開 環(huán) ） 總 體 方 案 示 意 圖 (半 閉 環(huán) ） 總 體 方 案 示 意 圖 (全 閉 環(huán) ） 三 、 機 械 系 統(tǒng) 設 計 步 驟 及 要 點1、 機 械 系 統(tǒng) 初 步 設 計 （ 草 圖 ）需 要 考 慮 的 幾 個 問 題 ： 絲 杠 的

8、 支 承 方 式 反 向 間 隙 消 除 、 聯 軸 器 選 擇 2、 結 構 尺 寸傳 動 比 、 脈 沖 當 量幾 何 尺 寸 -滾 珠 絲 杠 工 作 長 度 、 其 它 幾 何 尺 寸 等計 算 選 擇 滾 珠 絲 杠計 算 選 擇 滾 動 導 軌初 選 電 動 機 、 電 機 支 承初 選 傳 感 器 、 安 裝 （ 什 么 位 置 ？ 如 何 安 裝 ？ ） 3、 設 計 原 則A、 滿 足 精 度 的 設 計 原 則 1 結 構 最 簡 單 原 則 2. 阿 貝 原 則 （ 同 線 原 理 ）3 變 形 最 小 原 則 4 基 面 統(tǒng) 一 原 則 5. 粗 精 分 離 和 精 度

9、 匹 配 原 則 6 運 動 學 原 理 和 彈 性 平 均 原 理 7 平 均 效 應 原 理 和 誤 差 補 償 原 理 （ 彈 性平 均 原 理 和 多 次 重 復 測 量 ） 阿 貝 原 則 （ 同 線 原 理 ）如 ： 直 線 光 柵 的 安 裝 結 構 變 形 最 小 原 則 如 ： 工 作 臺 滑 座 的 支 承 距 離 確 定 基 面 統(tǒng) 一 原 則 粗 精 分 離 和 精 度 匹 配 原 則v軸 徑 （ 需 要 和 不 需 安 裝 軸 承 的 ）v支 承 件 平 面 （ 有 無 安 裝 件 ？ 安 裝 精 度 如何 ？ ）v是 否 需 要 定 位 和 調 整 ？ 運 動 學

10、原 理 和 彈 性 平 均 原 理 B、 滿 足 強 度 的 設 計 原 則v1 等 強 度 原 則 v2 力 自 平 衡 原 則 v3 力 自 加 強 原 則 v4 力 作 用 路 徑 最 短 原 則 v5 力 自 保 護 原 則 摩 擦 離 合 器 超 越 離 合 器 對 于 同 一 個 零 件 而 言 ， 各 處 應 力 相 等 ，壽 命 相 同 等 強 度 原 理 力 自 平 衡 原 則v采 取 相 應 的 措 施 消 除 或 減 輕 機 電 系 統(tǒng) 中的 無 用 的 力 （ 如 離 心 力 、 變 速 慣 性 力 ） 力 自 加 強 原 則 力 作 用 路 徑 最 短 原 則減 少

11、變 形 和 材 料 的 使 用 C、 符 合 人 機 工 程 原 則v外 形 應 直 挺 光 滑 ， 變 化 有 致 ， 結 構 配 置勻 稱 ， 大 方 穩(wěn) 重 （ 分 割 原 則 ）v色 彩 新 穎 和 諧 ， 與 環(huán) 境 相 協 調 ， 以 利 于操 作 者 心 情 舒 暢 ， 減 少 心 理 錯 覺 ， 提 高工 作 效 率 。 （ 色 彩 原 則 ）v操 作 路 徑 短 、 舒 適 。 （ 人 體 結 構 ） D、 價 值 系 數 最 優(yōu) 原 則v根 據 價 值 工 程 原 理 ， 產 品 的 價 值 V常用 產 品 的 總 功 能 F與 成 本 C的 比 值 ，即 V=F/C來 表

12、 示 。 v要 提 高 產 品 的 價 值 系 數 ， 在 很 大 程 度上 決 定 于 設 計 。 4、 總 裝 配 圖 3、 總 裝 配 圖 （ 續(xù) ） 四 、 檢 測 系 統(tǒng) 設 計 及 其 要 點半 閉 環(huán) 系 統(tǒng) 的 檢 測 任 務 ： 位 置 檢 測 、 速 度 檢 測 ， 通 常 采 用光 電 編 碼 盤 可 同 時 用 于 以 上 兩 個 參 數 的 檢 測 。1、 轉 角 測 量 傳 感 器 -光 電 編 碼 盤 參 數 選 擇 ： 脈 沖 分 辨 率 測 量 方 法 ： 計 數 值 *脈 沖 分 辨 率2、 零 位 檢 測傳 感 器 -行 程 開 關 +光 電 編 碼 盤

13、四 、 檢 測 系 統(tǒng) 設 計 及 其 要 點 （ 續(xù) ）檢 測 方 法 ：3、 位 移 檢 測傳 感 器 直 線 光 柵監(jiān) 測 方 法 ： 五 、 控 制 器 及 其 信 息 接 口 設 計設 計 數 控 工 作 臺 的 功 能 ：工 作 方 式 ： 點 動 工 作 、 步 進 工 作 、 自 動 工 作工 作 速 度 ： 快 速 進 給 、 工 作 進 給工 作 方 向 ： 正 向 運 動 、 反 向 運 動回 零 位超 限 報 警進 給 坐 標 顯 示 五 、 控 制 器 及 其 信 息 接 口 設 計 （ 續(xù) 2）2、 選 擇 計 算 機3、 操 作 面 板 （ 決 定 人 機 接 口

14、 ） 五 、 控 制 器 及 其 信 息 接 口 設 計 （ 續(xù) 2） 4、 人 機 接 口 設 計（ 1） 分 析 信 號 形 式 、 統(tǒng) 計 數 量（ 2） 設 計 接 口 3、 人 機 接 口 設 計 (續(xù) 1） 3、 人 機 接 口 設 計 (續(xù) 2） 3、 人 機 接 口 設 計 (續(xù) 3） 4、 機 電 接 口 設 計（ 1） 信 息 輸 入 接 口 光 電 編 碼 盤 、 直 線 光 柵 、 接 近開 關 等 半 閉 環(huán) 系 統(tǒng)細 分 -辨 向 -計 數 （ 1） 信 息 輸 入 接 口 光 電 編 碼 盤 （ 續(xù) ） （ 1） 信 息 輸 入 接 口 （ 續(xù) ） （ 2） 控

15、制 輸 出 接 口A、 步 進 電 機 接 口B、 直 流 伺 服 電 機 接 口（ 3） 電 氣 原 理 圖 5、 程 序 設 計設 計 程 序 流 程 圖 程 序 編 制 （ 不 作 硬性 要 求 ） 六 、 設 計 說 明 書按 以 下 目 錄摘 要第 一 章 總 體 設 計1.1. 1.1.11.2第 二 章 機 械 系 統(tǒng) 設 計2.1 第 三 章 檢 測 系 統(tǒng) 設 計 第 四 章 控 制 器 設 計第 五 章 系 統(tǒng) 評 價 或 誤 差 分 析總 結參 考 文 獻 課 程 設 計 須 交 材 料1、 機 電 系 統(tǒng) 草 圖 1張2、 電 氣 原 理 圖 1張3、 程 序 框 圖

16、若 干4、 設 計 說 明 書 1份 （ 封 面 按 江 南 大 學 課 程 設計 格 式 規(guī) 定 ） 日 程 安 排v 共 三 周 時 間 （ 12月 7日 至 12月 25日 ）v 第 1天 - 準 備 （ 實 驗 室 實 踐 ， 參 考 資 料 及 設 計 手 冊 ）v 第 2、 3天 -總 體 方 案 確 定 ， 完 成 機 械 結 構 草 圖 。v 選 擇 機 械 傳 動 、 導 向 、 支 承 件v 第 4天 - 設 計 計 算 、 選 擇 執(zhí) 行 元 件 和 傳 感 器 。 。v 第 5-8天 - 完 成 電 氣 原 理 圖 。v 第 9-10天 - 完 成 程 序 框 圖 。v

17、 第 11-13天 - 完 成 設 計 說 明 書 。 v 第 14、 15天 - 答 辯 。v 考 核 方 法v考 核 成 績 由 設 計 、 答 辯 、 平 時 成 績 三部 分 組 成 分 別 占 50%、 30%、 20%。v設 計 成 績 由 設 計 的 正 確 性 、 圖 紙 質 量 、說 明 書 質 量 、 獨 創(chuàng) 性 等 幾 方 面 決 定 。v平 時 成 績 由 平 時 表 現 和 按 日 程 檢 查 的完 成 情 況 決 定 。 原 理 性 設 計v工 作 原 理 的 設 計v基 準 器 件 的 選 擇v運 動 方 式 的 選 擇v定 位 原 理 的 選 擇v總 體 結 構

18、 形 式 的 選 擇 原 理 性 設 計 的 方 法v 一 個 好 的 功 能 原 理 設 計 應 既 有 創(chuàng) 新 構 思 ， 同 時有 能 滿 足 用 戶 的 需 求 。v 例 如 ： 剪 草 機 浮 法 玻 璃 生 產 方 式v 功 能 原 理 設 計 的 任 務 ：v 針 對 某 一 確 定 的 功 能 要 求 ， 去 尋 求 一 些 物 理效 應 并 借 助 某 些 作 用 原 理 來 求 得 一 些 實 現 該 功能 的 解 法 原 理 來 ， 即 構 思 能 夠 實 現 功 能 目 標 的新 的 解 法 原 理 。 （ 提 倡 百 家 爭 鳴 ， 發(fā) 散 思 維 ）v 例 如 ：

19、中 央 電 視 臺 比 賽 機 器 人 /清 掃 機 器 人 的真 空 吸 附 和 滾 刷 刷 洗 黑 箱 法 設 計v 將 系 統(tǒng) 所 要 完 成 的 功 能 ， 抽 象 成 輸 入 量 和 輸 出 量 ， 輸 入 、輸 出 量 只 是 涉 及 到 物 料 流 、 能 量 流 和 信 號 流 。v 對 于 待 設 計 的 系 統(tǒng) 而 言 ， 在 求 解 之 前 ， 猶 如 一 個 看 不 見內 部 結 構 的 黑 箱 。v 黑 箱 法 根 據 系 統(tǒng) 的 某 種 輸 入 及 要 求 獲 得 的 某 種 輸 出 的功 能 要 求 ， 從 中 尋 找 出 某 種 物 理 效 應 或 原 理 來

20、實 現 輸 入 輸 出 之 間 的 轉 換 ， 得 到 相 應 的 解 決 辦 法 。v 優(yōu) 點 ： 擺 脫 了 具 體 的 設 計 對 象 ， 而 按 系 統(tǒng) 的 功 能 和 對 三大 流 進 行 定 性 描 述 來 進 行 思 考 ， 使 問 題 簡 化 ， 以 利 于 啟發(fā) 設 計 人 員 構 思 出 更 新 、 更 好 的 功 能 原 理 方 案 來 。 黑 箱 法 示 意 圖 功 能 元 、 功 能 結 構 圖 的 概 念v 功 能 元 ： 一 個 系 統(tǒng) 的 總 功 能 可 以 分 解 為 一 些 分 功 能 （ 子 系 統(tǒng) 功能 ） ， 如 果 分 功 能 仍 然 較 復 雜 ，

21、 則 進 一 步 分 解 到 更 低 層 次 的 分功 能 ， 直 到 分 解 到 最 后 不 能 再 分 解 的 基 本 功 能 單 位 為 止 ， 這 個基 本 功 能 單 位 就 叫 功 能 元 。v 機 械 設 計 中 常 用 的 基 本 功 能 元 有 ： 物 理 功 能 元 、 數 學 功 能 元 和邏 輯 功 能 元v 分 功 能 的 組 合 將 形 成 系 統(tǒng) 的 總 功 能 （ 功 能 結 構 圖 ）v 功 能 元 組 合 的 方 式 有 ： 串 聯 結 構 、 并 聯 結 構 、 循 環(huán) 結 構v 對 于 某 一 個 具 體 的 系 統(tǒng) 來 說 ， 其 總 功 能 需 要

22、分 解 到 什 么 程 度 ，主 要 取 決 于 在 哪 個 層 次 上 能 找 到 相 應 的 技 術 效 應 和 結 構 來 實 現其 功 能 要 求 。 而 這 一 步 要 根 據 設 計 者 的 知 識 、 閱 歷 及 所 所 集 的資 料 等 情 況 來 決 定 。 物 理 功 能 元 數 學 功 能 元 邏 輯 功 能 元 功 能 結 構 示 意 圖 組 合 功 能 結 構 的 三 種 方 式 功 能 元 的 求 解v功 能 元 求 解 的 方 法 ：v1） 參 考 有 關 資 料 、 專 刊 或 產 品v2） 利 用 各 種 創(chuàng) 造 性 方 法v3） 利 用 設 計 目 錄 目

23、錄 求 解 法 示 例 （ 一 ） 目 錄 求 解 法 示 例 （ 二 ） 系 統(tǒng) 原 理 方 案 的 綜 合v將 各 種 功 能 元 的 局 部 解 合 理 地 予 以組 合 ， 就 可 以 得 到 一 個 系 統(tǒng) 的 多 個原 理 解 。v組 合 的 方 法 ： 形 態(tài) 矩 陣 法 功 能 原 理 設 計 的 舉 例 （ 瓶 蓋 整 列 裝 置 ）一 ： 明 確 設 計 任 務 （ 工 廠 現 場 能 夠 提 供 的電 源 和 氣 源 ）二 ： 功 能 分 析三 ： 功 能 元 求 解四 ： 功 能 元 求 解 的 組 合五 ： 評 價 于 決 策 功 能 分 解v 黑 箱 分 析 :總 功 能 分 析 : 功 能 元 求 解 目 錄 表 結 構 總 體 設 計v 結 構 總 體 設 計 是 將 原 理 方 案 設 計 結 構 化v 結 構 設 計 時 的 若 干 注 意 事 項 ：1） 任 務 分 配 原 理 一 個 載 體 完 成 一 個 任 務 一 個 載 體 擔 任 多 個 任 務 多 個 載 體 完 成 一 個 任 務2） 系 統(tǒng) 結 構 的 穩(wěn) 定 性當 出 現 干 擾 使 系 統(tǒng) 狀 態(tài) 發(fā) 生 改 變 的 同 時 ， 會 產生 一 種 與 干 擾 作 用 相 反 ， 并 使 系 統(tǒng) 恢 復 穩(wěn) 定的 效 應 。