机电一体化系统设计课程设计

机 电 一 体 化 系 统 设 计 课 程 设 计 辅 导 材 料主 要 内 容 ：一 、 课 程 设 计 的 任 务 及 其 性 能 指 标二 、 系 统 总 体 设 计三 、 机 械 系 统 设 计 步 骤 及 要 点四 、 检 测 系 统 设 计 及 其 要 点五 、 控 制 器 及 其 信 息 接 口 设 计六 、 课 程 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 参 考 书 目 ： 机 电 一 体 化 设 计 基 础 、 机 电 一 体 化 系 统 设 计 课 程 设 计 指 导 书 尹 志 强 等编 著 ， 机 工 出 版 社 、 单 片 微 机 测 控 系 统 设 计 大 全 王 福 瑞 等 编 著 ， 北 京航 空 航 天 大 学 出 版 社 、 机 械 设 计 手 册 、 机 电 一 体 化 系 统 设 计 手 册 电 动 机 （ 步 进 电 机 、 直 流 伺 服 电 机 等 ） 产 品 技 术 手 册传 感 器 （ 光 电 编 码 盘 、 接 近 开 关 等 ） 产 品 技 术 手 册 一 、 课 程 设 计 的 任 务 及 其 性 能 指 标1、 设 计 任 务 介 绍课 程 设 计 的 题 目 ： X-Y数 控 进 给 工 作 台 设 计 数 控 进 給 工 作 台 是 数 控 机 床 的 主 要 部 件 之 一 ， 是 典 型 的 位置 伺 服 系 统 ， 有 三 种 形 式 ： 开 环 系 统半 闭 环 系 统闭 环 系 统 课 程 设 计 的 任 务v根 据 技 术 要 求 设 计 一 XY数 控 工 作 台 ，包 括 机 械 系 统 和 控 制 系 统 。v设 计 工 作 可 分 成 两 部 分 ： 一 是 书 面 设 计 ，包 括 机 械 部 分 总 装 配 图 纸 、 控 制 器 的 原理 图 和 部 分 程 序 设 计 。 二 是 实 验 调 试 工作 ， 即 实 现 对 实 际 工 作 台 进 行 运 动 控 制 。 工 作 台 图 形 数 控 工 作 台 主 要 性 能 指 标 ： （ 参 数 要 求 ）X方 向 工 作 行 程 ： 300mmY方 向 工 作 行 程 ： 200mm工 作 台 面 参 考 尺 寸 ： 500X300（ mm2）平 均 切 削 力 ： 1500N平 均 切 削 进 给 速 度 ： 600mm/分最 高 运 动 速 度 ： 6m/分定 位 精 度 ： 0.01mm工 作 寿 命 ： 每 天 8小 时 ， 工 作 8年 二 、 总 体 方 案 设 计v 设 计 任 务 分 析v 主 要 参 数 及 技 术 指 标 的 确 定v 方 案 制 定v 在 具 体 设 计 之 前 ， 本 着 简 单 、 实 用 、 经 济 、 安 全 、 美 观 的 基 本 原 则 所 进 行 的 综 合 性 的 设 计 。产 生 的 技 术 文 件 ：v 1.设 计 任 务 书 （ 技 术 任 务 书 ）v 2.机 构 运 动 简 图 （ 系 统 简 图 ）v 3 关 键 元 器 件 确 定v 4.总 装 配 图 v 5.部 件 装 配 图v 6.电 气 、 光 学 、 气 动 、 液 压 原 理 图v 7.总 体 设 计 报 告设 计 内 容 ： 1、 确 定 控 制 方 式定 位 精 度 中 等 ， 负 载 不 大 ， 适 合 采 用 开 环 控 制 方 式 或 采用 半 闭 环 控 制 方 式2、 确 定 机 械 传 动 方 案根 据 机 电 一 体 化 系 统 对 传 动 系 统 的 要 求 ： 采 用 低 摩 擦 系 数的 传 动 器 件 ： 滚 珠 丝 杠 、 滚 动 导 轨 ； 无 间 隙 联 轴 器 ； 消 除 反 向 传 动 间 隙 等 。3、 确 定 检 测 方 案半 闭 环 系 统 采 用 增 量 式 光 电 编 码 盘 检 测 电 机 或 丝 杠 转 角 、转 速 、 零 位 。二 、 总 体 方 案 设 计 （ 续 1） 二 、 总 体 方 案 设 计 （ 续 2）全 闭 环 系 统 采 用 直 线 光 栅 测 量 工 作 台 位 移 、 增 量 式 光 电 编码 盘 检 测 电 机 或 丝 杠 转 速 。4、 执 行 元 件 确 定开 环 系 统 选 用 步 进 电 机 ， 半 闭 环 和 全 闭 环 系 统 选 择 直 流 伺服 电 机 或 交 流 伺 服 电 机 。5、 控 制 器 计 算 机 系 统 选 择单 片 机 、 可 编 程 控 制 器 、 工 业 控 制 计 算 机 是 机 电 一 体 化 系统 控 制 器 采 用 的 三 种 基 本 计 算 机 。 总 体 方 案 示 意 图 （ 开 环 ） 总 体 方 案 示 意 图 (半 闭 环 ） 总 体 方 案 示 意 图 (全 闭 环 ） 三 、 机 械 系 统 设 计 步 骤 及 要 点1、 机 械 系 统 初 步 设 计 （ 草 图 ）需 要 考 虑 的 几 个 问 题 ： 丝 杠 的 支 承 方 式 反 向 间 隙 消 除 、 联 轴 器 选 择 2、 结 构 尺 寸传 动 比 、 脉 冲 当 量几 何 尺 寸 -滚 珠 丝 杠 工 作 长 度 、 其 它 几 何 尺 寸 等计 算 选 择 滚 珠 丝 杠计 算 选 择 滚 动 导 轨初 选 电 动 机 、 电 机 支 承初 选 传 感 器 、 安 装 （ 什 么 位 置 ？ 如 何 安 装 ？ ） 3、 设 计 原 则A、 满 足 精 度 的 设 计 原 则 1 结 构 最 简 单 原 则 2. 阿 贝 原 则 （ 同 线 原 理 ）3 变 形 最 小 原 则 4 基 面 统 一 原 则 5. 粗 精 分 离 和 精 度 匹 配 原 则 6 运 动 学 原 理 和 弹 性 平 均 原 理 7 平 均 效 应 原 理 和 误 差 补 偿 原 理 （ 弹 性平 均 原 理 和 多 次 重 复 测 量 ） 阿 贝 原 则 （ 同 线 原 理 ）如 ： 直 线 光 栅 的 安 装 结 构 变 形 最 小 原 则 如 ： 工 作 台 滑 座 的 支 承 距 离 确 定 基 面 统 一 原 则 粗 精 分 离 和 精 度 匹 配 原 则v轴 径 （ 需 要 和 不 需 安 装 轴 承 的 ）v支 承 件 平 面 （ 有 无 安 装 件 ？ 安 装 精 度 如何 ？ ）v是 否 需 要 定 位 和 调 整 ？ 运 动 学 原 理 和 弹 性 平 均 原 理 B、 满 足 强 度 的 设 计 原 则v1 等 强 度 原 则 v2 力 自 平 衡 原 则 v3 力 自 加 强 原 则 v4 力 作 用 路 径 最 短 原 则 v5 力 自 保 护 原 则 摩 擦 离 合 器 超 越 离 合 器 对 于 同 一 个 零 件 而 言 ， 各 处 应 力 相 等 ，寿 命 相 同 等 强 度 原 理 力 自 平 衡 原 则v采 取 相 应 的 措 施 消 除 或 减 轻 机 电 系 统 中的 无 用 的 力 （ 如 离 心 力 、 变 速 惯 性 力 ） 力 自 加 强 原 则 力 作 用 路 径 最 短 原 则减 少 变 形 和 材 料 的 使 用 C、 符 合 人 机 工 程 原 则v外 形 应 直 挺 光 滑 ， 变 化 有 致 ， 结 构 配 置匀 称 ， 大 方 稳 重 （ 分 割 原 则 ）v色 彩 新 颖 和 谐 ， 与 环 境 相 协 调 ， 以 利 于操 作 者 心 情 舒 畅 ， 减 少 心 理 错 觉 ， 提 高工 作 效 率 。 （ 色 彩 原 则 ）v操 作 路 径 短 、 舒 适 。 （ 人 体 结 构 ） D、 价 值 系 数 最 优 原 则v根 据 价 值 工 程 原 理 ， 产 品 的 价 值 V常用 产 品 的 总 功 能 F与 成 本 C的 比 值 ，即 V=F/C来 表 示 。 v要 提 高 产 品 的 价 值 系 数 ， 在 很 大 程 度上 决 定 于 设 计 。 4、 总 装 配 图 3、 总 装 配 图 （ 续 ） 四 、 检 测 系 统 设 计 及 其 要 点半 闭 环 系 统 的 检 测 任 务 ： 位 置 检 测 、 速 度 检 测 ， 通 常 采 用光 电 编 码 盘 可 同 时 用 于 以 上 两 个 参 数 的 检 测 。1、 转 角 测 量 传 感 器 -光 电 编 码 盘 参 数 选 择 ： 脉 冲 分 辨 率 测 量 方 法 ： 计 数 值 *脉 冲 分 辨 率2、 零 位 检 测传 感 器 -行 程 开 关 +光 电 编 码 盘 四 、 检 测 系 统 设 计 及 其 要 点 （ 续 ）检 测 方 法 ：3、 位 移 检 测传 感 器 直 线 光 栅监 测 方 法 ： 五 、 控 制 器 及 其 信 息 接 口 设 计设 计 数 控 工 作 台 的 功 能 ：工 作 方 式 ： 点 动 工 作 、 步 进 工 作 、 自 动 工 作工 作 速 度 ： 快 速 进 给 、 工 作 进 給工 作 方 向 ： 正 向 运 动 、 反 向 运 动回 零 位超 限 报 警进 給 坐 标 显 示 五 、 控 制 器 及 其 信 息 接 口 设 计 （ 续 2）2、 选 择 计 算 机3、 操 作 面 板 （ 决 定 人 机 接 口 ） 五 、 控 制 器 及 其 信 息 接 口 设 计 （ 续 2） 4、 人 机 接 口 设 计（ 1） 分 析 信 号 形 式 、 统 计 数 量（ 2） 设 计 接 口 3、 人 机 接 口 设 计 (续 1） 3、 人 机 接 口 设 计 (续 2） 3、 人 机 接 口 设 计 (续 3） 4、 机 电 接 口 设 计（ 1） 信 息 输 入 接 口 光 电 编 码 盘 、 直 线 光 栅 、 接 近开 关 等 半 闭 环 系 统细 分 -辨 向 -计 数 （ 1） 信 息 输 入 接 口 光 电 编 码 盘 （ 续 ） （ 1） 信 息 输 入 接 口 （ 续 ） （ 2） 控 制 输 出 接 口A、 步 进 电 机 接 口B、 直 流 伺 服 电 机 接 口（ 3） 电 气 原 理 图 5、 程 序 设 计设 计 程 序 流 程 图 程 序 编 制 （ 不 作 硬性 要 求 ） 六 、 设 计 说 明 书按 以 下 目 录摘 要第 一 章 总 体 设 计1.1. 1.1.11.2第 二 章 机 械 系 统 设 计2.1 第 三 章 检 测 系 统 设 计 第 四 章 控 制 器 设 计第 五 章 系 统 评 价 或 误 差 分 析总 结参 考 文 献 课 程 设 计 须 交 材 料1、 机 电 系 统 草 图 1张2、 电 气 原 理 图 1张3、 程 序 框 图 若 干4、 设 计 说 明 书 1份 （ 封 面 按 江 南 大 学 课 程 设计 格 式 规 定 ） 日 程 安 排v 共 三 周 时 间 （ 12月 7日 至 12月 25日 ）v 第 1天 - 准 备 （ 实 验 室 实 践 ， 参 考 资 料 及 设 计 手 册 ）v 第 2、 3天 -总 体 方 案 确 定 ， 完 成 机 械 结 构 草 图 。v 选 择 机 械 传 动 、 导 向 、 支 承 件v 第 4天 - 设 计 计 算 、 选 择 执 行 元 件 和 传 感 器 。 。v 第 5-8天 - 完 成 电 气 原 理 图 。v 第 9-10天 - 完 成 程 序 框 图 。v 第 11-13天 - 完 成 设 计 说 明 书 。 v 第 14、 15天 - 答 辩 。v 考 核 方 法v考 核 成 绩 由 设 计 、 答 辩 、 平 时 成 绩 三部 分 组 成 分 别 占 50%、 30%、 20%。v设 计 成 绩 由 设 计 的 正 确 性 、 图 纸 质 量 、说 明 书 质 量 、 独 创 性 等 几 方 面 决 定 。v平 时 成 绩 由 平 时 表 现 和 按 日 程 检 查 的完 成 情 况 决 定 。 原 理 性 设 计v工 作 原 理 的 设 计v基 准 器 件 的 选 择v运 动 方 式 的 选 择v定 位 原 理 的 选 择v总 体 结 构 形 式 的 选 择 原 理 性 设 计 的 方 法v 一 个 好 的 功 能 原 理 设 计 应 既 有 创 新 构 思 ， 同 时有 能 满 足 用 户 的 需 求 。v 例 如 ： 剪 草 机 浮 法 玻 璃 生 产 方 式v 功 能 原 理 设 计 的 任 务 ：v 针 对 某 一 确 定 的 功 能 要 求 ， 去 寻 求 一 些 物 理效 应 并 借 助 某 些 作 用 原 理 来 求 得 一 些 实 现 该 功能 的 解 法 原 理 来 ， 即 构 思 能 够 实 现 功 能 目 标 的新 的 解 法 原 理 。 （ 提 倡 百 家 争 鸣 ， 发 散 思 维 ）v 例 如 ： 中 央 电 视 台 比 赛 机 器 人 /清 扫 机 器 人 的真 空 吸 附 和 滚 刷 刷 洗 黑 箱 法 设 计v 将 系 统 所 要 完 成 的 功 能 ， 抽 象 成 输 入 量 和 输 出 量 ， 输 入 、输 出 量 只 是 涉 及 到 物 料 流 、 能 量 流 和 信 号 流 。v 对 于 待 设 计 的 系 统 而 言 ， 在 求 解 之 前 ， 犹 如 一 个 看 不 见内 部 结 构 的 黑 箱 。v 黑 箱 法 根 据 系 统 的 某 种 输 入 及 要 求 获 得 的 某 种 输 出 的功 能 要 求 ， 从 中 寻 找 出 某 种 物 理 效 应 或 原 理 来 实 现 输 入 输 出 之 间 的 转 换 ， 得 到 相 应 的 解 决 办 法 。v 优 点 ： 摆 脱 了 具 体 的 设 计 对 象 ， 而 按 系 统 的 功 能 和 对 三大 流 进 行 定 性 描 述 来 进 行 思 考 ， 使 问 题 简 化 ， 以 利 于 启发 设 计 人 员 构 思 出 更 新 、 更 好 的 功 能 原 理 方 案 来 。 黑 箱 法 示 意 图 功 能 元 、 功 能 结 构 图 的 概 念v 功 能 元 ： 一 个 系 统 的 总 功 能 可 以 分 解 为 一 些 分 功 能 （ 子 系 统 功能 ） ， 如 果 分 功 能 仍 然 较 复 杂 ， 则 进 一 步 分 解 到 更 低 层 次 的 分功 能 ， 直 到 分 解 到 最 后 不 能 再 分 解 的 基 本 功 能 单 位 为 止 ， 这 个基 本 功 能 单 位 就 叫 功 能 元 。v 机 械 设 计 中 常 用 的 基 本 功 能 元 有 ： 物 理 功 能 元 、 数 学 功 能 元 和逻 辑 功 能 元v 分 功 能 的 组 合 将 形 成 系 统 的 总 功 能 （ 功 能 结 构 图 ）v 功 能 元 组 合 的 方 式 有 ： 串 联 结 构 、 并 联 结 构 、 循 环 结 构v 对 于 某 一 个 具 体 的 系 统 来 说 ， 其 总 功 能 需 要 分 解 到 什 么 程 度 ，主 要 取 决 于 在 哪 个 层 次 上 能 找 到 相 应 的 技 术 效 应 和 结 构 来 实 现其 功 能 要 求 。 而 这 一 步 要 根 据 设 计 者 的 知 识 、 阅 历 及 所 所 集 的资 料 等 情 况 来 决 定 。 物 理 功 能 元 数 学 功 能 元 逻 辑 功 能 元 功 能 结 构 示 意 图 组 合 功 能 结 构 的 三 种 方 式 功 能 元 的 求 解v功 能 元 求 解 的 方 法 ：v1） 参 考 有 关 资 料 、 专 刊 或 产 品v2） 利 用 各 种 创 造 性 方 法v3） 利 用 设 计 目 录 目 录 求 解 法 示 例 （ 一 ） 目 录 求 解 法 示 例 （ 二 ） 系 统 原 理 方 案 的 综 合v将 各 种 功 能 元 的 局 部 解 合 理 地 予 以组 合 ， 就 可 以 得 到 一 个 系 统 的 多 个原 理 解 。v组 合 的 方 法 ： 形 态 矩 阵 法 功 能 原 理 设 计 的 举 例 （ 瓶 盖 整 列 装 置 ）一 ： 明 确 设 计 任 务 （ 工 厂 现 场 能 够 提 供 的电 源 和 气 源 ）二 ： 功 能 分 析三 ： 功 能 元 求 解四 ： 功 能 元 求 解 的 组 合五 ： 评 价 于 决 策 功 能 分 解v 黑 箱 分 析 :总 功 能 分 析 : 功 能 元 求 解 目 录 表 结 构 总 体 设 计v 结 构 总 体 设 计 是 将 原 理 方 案 设 计 结 构 化v 结 构 设 计 时 的 若 干 注 意 事 项 ：1） 任 务 分 配 原 理 一 个 载 体 完 成 一 个 任 务 一 个 载 体 担 任 多 个 任 务 多 个 载 体 完 成 一 个 任 务2） 系 统 结 构 的 稳 定 性当 出 现 干 扰 使 系 统 状 态 发 生 改 变 的 同 时 ， 会 产生 一 种 与 干 扰 作 用 相 反 ， 并 使 系 统 恢 复 稳 定的 效 应 。