机电系统设计

机电系统设计（精选十篇）

机电系统设计 篇1

关键词：机电一体化,传感器,发展趋势

0 引言

现代科学技术的不断发展,极大地推动了不同学科的交叉与渗透,导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域,由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化,使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化,使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。

1 机电一体化认识

日本在1971年提出一个新的英文集成名词“Mechatronics”词首Mecha取自Mechanics(机械学),词尾tronics取自Electronics(电子学)。我国经常译为机电一体化或机械电子学。在1981年德国工程师协会,德国电气工程技术人员协会共同组成的精密工程技术专家组提出的“关于大学精密工程技术专业的建议书”中,把精密工程技术定义为光-机-电一体化的综合技术。它包括机械(含液压,气动及微机械),电工与电子,光学等技术及其组合,其核心为精密工程技术。在当前“信息爆炸”的形式下,相对于专门型人才来说,市场对复合型人才的需求更加迫切。在中国,我们认为机械发展新阶段是机电一体化阶段。机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术,将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科,随着科学技术的不但发展,还将被赋予新的内容,基本特征可概括为:机电一体化是从系统的观点出发,综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术,根据系统功能目标和优化组织目标,合理配置与布局各功能单元,在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值,并使整个系统最优化的系统工程技术。因此,“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。只是,机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术,而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。机械工程技术有纯技术发展到机械电气化,仍属传统机械,其主要功能依然是代替和放大的体力。但是发展到机电一体化后,其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外,还能赋予许多新的功能,如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等。即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸,还是人的感官与头脑的眼神,具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。

2 机电一体化的设计过程

机电一体化的机械动力部分由一般电动机演变为控制电动机,里程碑式地引入了电子和计算机等先进技术,代替人完成机器的检测与控制等工作。在知识经济中体现了制造业高科技化,促进了高科技产业和知识经济的发展。它是一种用于机电产品最优设计的方法学。它包括4个基本学科:电气、机械、计算机科学和信息技术。如图1所示。

机电一体化系统和多学科系统之间的区别不在于它们的组成要素,而在于这些组成要素设计的次序。一直以来,多学科系统设计使用一种按学科顺序设计的方法。比如,机电系统的设计一般通过以机械设计开始的三个步骤完成。当机械设计完成后,设计电源和微电子系统,接着是控制算法的设计及其实施。按学科顺序设计的方法的最大缺点是对整个过程中各个点的固定设计导致新的限制,这种限制源于对这些点的设计,而且会传递到下一个学科点的设计。使用并行方法进行预先设计可以使产品更具协同性。它补充了信息系统以指导设计,这种指导贯穿于设计的各个阶段,而不只是预先设计阶段,从而使之更加综合。在将机械,电气及计算机系统和信息系统进行集成以设计制造产品和过程时,需要进行协同。最终产品的功能应大于其各部分功能之和。如果没有协同组合的话,机电一体化产品具有的性能特征是很难实现的,机电一体化的关键要素如图2。

机电一体化系统是在物理系统中使用信息系统的结果。物理系统包括机械系统,计算机系统,执行器,传感器和实时接口。机电一体化系统不只是机电系统,而且还是一个控制系统。传感器和执行器用来把能量从动力大的一边(通常是机械的一边),转换到动力小的一边(通常是电气和计算机的一边)。上图中的机械系统不仅包括机械零部件,还可能包括流体,气动,热,声,化学及其它学科。传感技术已经出现了新的发展以适应对特殊监测应用解决方案不断增长的需要。

2.1 机电一体化中的集成设计问题

由于机电一体化方法内在的并行性,或同时性工程,所以样机试制阶段的建模与仿真很重要。因为模型来自于各学科的综合应用。所以应用一种可视化的编程软件是很重要的。这样就涉及到了框图,流程图,状态转换图和波特图。机电一体化是一种设计哲学,其产品或设备有一个重要的特点就是它们内部的智能,这是将执行器,传感器,控制系统和计算机组合设计实现的。系统的集成是通过硬件(部件)和软件(信息处理)的联合实现的。硬件集成是将机电一体化系统看成一个整体系统来设计的,将传感器,执行器和微处理器融入到机械系统中,软件集成主要基于高级控制功能在设计时应首先分析客户要求以及系统集成的技术环境。在制作时应考虑了解客户,市场分析,优化性能,生命周期性能,质量,可靠性和销售。

2.2 机电一体化关键要素

(1)信息系统:信息系统包括信息传输的所有方面,从信号处理到控制系统到分析技术。信息系统结合了以下四种学科:通讯系统,信号处理,控制系统和数值计算方法。在机电一体化应用中,我们最关心的是建模,仿真,自动控制和用于优化的数字方法。(2)自动控制:控制系统工程学是在19世纪晚期产生的学科,认为在低阶系统(三阶或三阶以下)系统的稳定性依赖于特征方程的根和劳思(Routh)判据,这是一个很好的判断系统稳定性的分析工具。(3)最优化:就是先确认最优轨迹,最优轨迹是根据系统的要求即约束条件确定的,然后设计控制系统,在设计控制系统的时候应使系统的各参数最终满足控制要求,使误差最小化,或者说使目标函数的扰动最小化,可用最优化过程反复迭代公式(Pk+1=Pk+τ·S k)这里k是迭代次数,S k是P空间内的探索方向,τ是该方向上的探索步长空间内的探索步长,当P值不能再改进时这个过程结束,此时为最优化。(4)机械系统:机械系统考虑力作用下物体的特性。这样的系统按其性质可分为刚性的,可变形的和可流动的。大多数机电一体化系统应用的刚体系统,都依赖于物理学中的基本定律。(5)电气系统:电气系统由两个分支组成:电源系统和通讯系统。通讯系统以低能量的电信号形式在各点之间传输信息。诸如信息存储,处理和交换是通信系统的常见组成部分。电气工程的这个领域也称电子学。另一方面,电源系统用来在各点之间有效的传递大量的电能,而不是信息,例如:发电机是把机械能转化为电能,而电动机是把电能转化为机械能。

3 传感器和变换器

仪器仪表在现代科技领域中起着关键的作用。传感器是与仪器仪表紧密相关的机电一体化系统中一个非常重要的组件,其作用是为特定工业过程提供收集不同信息的机制。传感器广泛应用于过程检测以及工况评价方面,为用计算机系统对制造作业作较高级的监控提供便利,可应用于过程前,过程中及过程后。有时,传感器可以将一种物理现象转化为决策分析的可用信号。智能系统用传感器来监测由环境变化影响的特定场合,然后通过校正动作对其控制。

实际上在所有的应用中,传感器是将各种现实世界的数据转化为电信号,因此可定义为:传感器是一种把被测物理量转换成输出信号的装置。因此传感器也可以称为变换器,应用范围广泛,甚至可以用于分辨那些人类感官无法觉察到的环境变化。它们作为一次元件,连续的将变化着的信息转变成另一种形式,也就是说,传感装置检测被测量,并将其转换成系统可接受形式的信号,通常为电信号。整个系统的最大准确度由传感器的灵敏度和其内部噪声干扰所决定。在测控系统中,任何参数的变化,不论是在被测量中还是在信号修整中,都会直接影响系统的准确度。传感器和变换器是现代控制系统(电,光,机械或流体系统)的两个重要组成部分,传感器和变换器选用的程度取决于控制系统的自动化水平和复杂程度。要构成一个复杂控制系统,测量装置必须能够满足快速,灵敏和精确的要求。随着使用要求的不断提高,传感器的体积也不断的小型化,并通常将多个传感器和数据处理系统组合固定在一起。传感器的分类:根据传感器的输出信号形式,电源,工作模式以及被测变量可将传感器分为以下两大类。模拟传感器:模拟是指连续的,不中断的一系列事件。典型的模拟传感器的输出与被测变量是成正比例的,输出信号以连续方式变化,根据其幅值取得信息,通常其输出要经过A/D转换后输到计算机。数字传感器:数字是指一系列离散的事件,各个事件前后分开,如果传感器的逻辑电平输出是数字的,则称其为数字传感器。数字传感器有着准确度和精密度高的特点,与计算机监控系统相连时不需要任何转换器。

4 A/D,D/A转换

在计算机控制系统中,主机输入数据或向外部发布命令,都是通过接口及输入输出通道进行的,完成信息传递和交换的装置称为过程输入输出通道。这些通道是联系主机与被控对象的纽带和桥梁。生产对象的各种模拟信号,不能直接输入计算机,而要经过模/数转换,转换成数字信号,才能输入计算机进行加工处理。同样,经过计算机加工处理得到的数字信号,也不可能直接作用与被控对象。而要经过数/模转变成模拟信号,才能输出到被控对象。

数据采集系统的基本任务是将模拟量即连续量转换为数字量以便于计算机进行存储,计算和处理。由于绝大多数物理量都是模拟量。因而数据采集系统不但本身就是一种独立系统,而且是计算机控制系统的极重要的组成部分。

一个典型的计算机控制系统如图3所示。其工作原理是作为系统输入的物理量(压力,温度,湿度,位置等),首先由传感器变成点信号,然后送到放大器和滤波器。传感器的输出信号一般比较微弱,放大器的作用是将传感器输出的电信号放大到适当的大小。以利于进一步处理。滤波器的作用是消除干扰信号。然后,信号送到模拟多路开关,它在计算机的控制作用下对各个模拟通道进行分时处理,将各通道信号接到后面的采样保持电路和A/D转换器。采样保持电路在规定的时刻对送来的模拟信号进行采样并在A/D转换期间保持被采样的电压不发生变化。A/D转换器在保持时间内完成模/数转换后将数字量送到计算机。采样保持电路及A/D转换的定时和控制信号均由计算机产生。计算机对A/D转换器送来的各路数字量进行各种处理计算,然后用分时方法将处理结果送到各路D/A转换器变成模拟信号去完成各种模拟控制。有时为了提高速度和精度,数据采集系统不用模拟多路转换开关,而是每条通道用一个A/D转换器。

4.1 传感器的作用

传感器是工业控制计算机系统的重要环节。如没有传感器对生产过程的原始参数进行精确可靠的测量,那么无论是信号转换,信息处理,或数据的显示与控制,都将成为一句空话。可以说,没有精确可靠的传感器就没有精确可靠的测量系统。

4.2 A/D转换器的原理

经过多路转换开关和采样/保持的模拟量必须被变成数字量才能送入计算机。完成这一转换任务的器件叫做模拟/数字转换器,简称A/D转换器。如图4是逐次逼近型A/D转换器原理图。由图4可以看出,由N位寄存器,N位D/A转换器、比较器以及控制逻辑四部分组成。其工作原理:当启动信号作用后,时钟信号在控制逻辑作用下,首先使寄存器的DN-1=1,N位寄存器的数字量一方面作为输出用,另一方面,经D/A转换器转换成模拟量Vx后,送到比较器,在比较器中与被转换的模拟量Vx进行比较,控制逻辑根据比较器的输出进行判断。若Vx≥Vc,则保留这一位;若Vx<Vc,则DN-1=0。DN-1位比较完毕后,再对下一位DN-2进行比较,使DN-2=1,与上一位DN-1一道进入D/A转换器,转换后再进入比较器,与Vx进行比较,……,如此一位一位地继续下去,直到最后一位D0比较完毕为止。此时,N位寄存器中的数字量即为Vx所对应的数字量。一个N位的A/D转换器只需比较N次,即可得到结果,而计数式A/D转换器,则需要比较2N-1次。因此逐次逼近型A/D转换器速度比较快,因而得到广泛应用。

4.3 D/A转换器的原理

D/A转换器的作用是将数字量转换为模拟量。它实际上是一种由二进制译码控制的电流叠加电路。通常包括四个组成部分:精密的电压基准;模拟二进制数字电压(或电流)开关;产生二进制权电流或权电压的精密电阻网络;提供电压或电流输出相加的运算放大器。其原理如图5为倒T型电阻D/A转换器。其输出电压表达式很容易用基准电流和响应的倍数表示出来。与权电流型的D/A转换器相比,倒T型电阻D/A转换器具有电路简单、转换速度快的优点,但其转换误差较大。在实际的D/A转换器中,开关S是电子式的模拟开关。为了减小转换误差,开关必须具有导通电阻小,截止电阻大的特点。

5 机电一体化综述

机电一体化系统开发过程的第一步就是分析客房需求以及系统集成的技术环境。解决问题的复杂技术系统往往是一个具有数字或模拟形式并由复杂软件支持其硬件的机械、电子、液压和热动力部件的结合体。典型机电一体化系统使用传感器从技术环境中收集数据和信息。接下来的一步就是使用建模和描述方法的完善形式,以一种集成的方式来涵盖这个系统的所有子任务。这包括在初始阶段对子系统间必要接口的有效描述。数据经过处理和解释转化为执行器的动作。机电一体化系统能够缩短开发周期,降低成本,提高质量。在机电一体化产品的设计中,有必要在不同的专家组之间协调知识和需要的信息。并行工程是产品的设计和制造以特殊方式融合的一种设计方法。传统设计和制造间的障碍得以排除。

6 机电一体化的发展趋势

机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合,它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此,机电一体化的主要发展方向如下:

6.1 智能化

智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视,机器人与数控机床的智能化就是重要应用。诚然,使机电一体化产品具有与人完全相同的智能,是不可能的,也是不必要的。但是,高性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或人的部分智能,则是完全可能而又必要的。

6.2 模块化

模块化是一项重要而艰巨的工程。由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多,研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定,无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业,规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。

6.3 网络化

20世纪90年代,计算机技术等的突出成就是网络技术。由于网络的普及,基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾,而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。现场总线和局域网技术是家用电器网络化已成大势,利用家庭网络(home net)将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统(computer integrated appliance system,CIAS),使人们在家里分享各种高技术带来的便利与快乐。因此,机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。

6.4 微型化

微型化兴起于20世纪80年代末,指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统(MEMS),泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品,并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活,在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。

6.5 绿色化

工业的发达给人们生活带来了巨大变化。一方面,物质丰富,生活舒适;另一方面,资源减少,生态环境受到严重污染。于是,人们呼吁保护环境资源,回归自然。绿色产品概念在这种呼声下应运而生,绿色化是时代的趋势。设计绿色的机电一体化产品,具有远大的发展前途。机电一体化产品的绿色化主要是指,使用时不污染生态环境,报废后能回收利用。

6.6 系统化

系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态,进行任意剪裁和组合,同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现之二是通信功能的大大加强,一般除RS232外,还有RS485、DCS人格化。未来的机电一体化更加注重产品与人的关系,机电一体化的人格化有两层含义。一层是,机电一体化产品的最终使用对象是人,如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越重要,特别是对家用机器人,其高层境界就是人机一体化。另一层是模仿生物机理,研制各种机电一体花产品。事实上,许多机电一体化产品都是受动物的启发研制出来的。

7 结束语

机电一体化系统设计基础 篇2

1．在机电一体化系统驱动装置中，反馈通道上环节的误差与输入通道上环节的误差对系统输出精度的影响是相同的。（＋）

2．通常，采用STD总线的工业控制机与外部设备的电气接口均为TTL电平接口。

（－）

（二）选择题

1．在机电一体化系统中，机械传动要满足伺服控制的三个主要要求是（A）。

A．传动精度、稳定性、快速响应性

B．传动精度、稳定性、低噪声C．传动精度、高可靠性、小型轻量化D．传动精度、高可靠性、低冲击振动

2．在机电一体化系统中，通过（B、C、E）可有效提高系统的稳定性。

A．提高驱动元件的驱动力

B．增大执行装置的固有频率 C．提高系统的阻尼能力

D．减小机构的传动误差 E．消除传动系统的回程误差

（三）简答题

例：试述机电一体化产品的定义和分类方法。

解答：机电一体化产品是新型机械与微电子器件，特别是与微处理器、微型计算机相接合而开发的新一代电子化机械产品。

按用途可分为信息机电一体化产品、产业机电一体化产品和家庭用机电一体化产品。

（四）分析题

例：已知数控机床控制系统如图所示，试说明图中的各个部分属于机电一体化系统中的哪个基本要素？

解：（1）依题意有两种测量方案 a.高速端测量方案：

传感器安装在电机的尾部，通过测量电机的转角实现工作台位移的间接测量。可选用光电编码器式传感器或者磁电式编码器。

b.低速端测量方案： 传感器安装在工作台上，直接测量工作台的位移。可选用光栅式位移传感器、感应同步器或者电位计式位移传感器。

(2)控制计算机和控制方案的选择

可以使用工业PC机及或者单片机完成系统的控制。具体可有以下三种方案： a．工业PC机集中控制方案：用一台工业PC机对三个自由度实现集中控制，包括任务管理和三个自由度的伺服控制系统原理图如下：

四工位立式回转刀架机电系统设计 篇3

关键词：自动回转刀架；刀架控制原理；刀架电气控制系统仿真

1 数控机床刀架的介绍

自动换刀系统是数控机床的重要组成部分。机床的加工性能受刀具夹持原件的结构特性及它与機床主轴的连接方式的直接影响。而机床的换刀效率受到刀库结构形式及刀具交换装置工作方式的影响，而整机的成本造价又受自动换刀系统本身及相关结构的复杂程度的直接影响。

2 数控刀架的工作原理及电气设计

电气是机械的控制中心，也就是说电气原理的设计可以实现机械动作的复杂操作控制。下面我们通过数控刀架的电气知识霍尔效应、刀架的接线原理图和具体的经济型刀架换刀过程等，对电气原理的运用做进一步的了解。

2.1 数控车床四工位刀架换刀工作原理

电机会在接到换刀键或者换刀的指令后正转，蜗杆、涡轮、轴、轴套由于花键的定位作用，同联轴器一同转动。轴套外圆上有两处凸起，能够限位轴套，使轴套在套筒内孔中的螺旋槽内作滑动，因刀架与上端齿盘同套筒相连，此时会因套筒的滑动被举起，使上下齿盘分开，刀架抬起，当套筒继续转动时，刀架会被带动旋转90°（如不到刀位，刀架还可以继续转180°、270°、360°），而且此时控制装置能够收到由微动开关发出的检测信号，直到刀架转到指定位置，控制装置会根据微动开关提供的刀架已经到达指定位置的信号，使电动机反转，此时定位销会使刀架定位不再回转，刀架则向下移动，上下端齿盘重新压合。当蜗杆继续转动，产生轴向位移，压缩弹簧，曲面压缩开关使电机停止旋转，从而完成一次转位。微机系统的控制目的就是指四工位自动回转刀架上的四把刀具中的任意一把转到指定的工作位置。

2.2 数控刀架电气控制系统设计

2.2.1 霍尔原理在刀架中运用的简单概述 一台数控机床能够进行生产加工的衡量标准即是它的精度，如果精度不能满足需求，它就不能进行生产，而霍尔元件检测的精确性却在很大程度上保障着数控机床的精度。在数控机床上，常用霍尔接近开关来检测刀位。首先，在换刀开关接通时会发出换刀信号，随后放大器在电机的驱动下正转，刀架被抬起，电机则继续正转，霍尔元件会在刀架每转过一个工位时进行检测，判断是否为所需刀位。若不是所需刀位，电机继续正转，直到所需刀架转到工位。

那么从电路的角度来看，当整个电路被接通时，正转线圈自锁，换刀开关处于自动档的位置控制开关进行自动换刀。而霍尔元件会在刀架转到所需刀位时自动断开，停止电机。此时翻转电路接通，延迟反转，刀架下降并压紧。所以从这个过程中我们可以看出来霍尔元件在数控机床中不但起到了检测与反馈作用，也是数控机床精度的可靠性保障。

2.2.2 四工位刀架PLC接线原理图 机床PLC控制着数控机床刀架，而普通的四工位刀架用于普通机床，所以控制比较简单。我们要分析数控机床的控制原理，其实就是分析车床刀架的换刀过程，而换刀过程其实就是PLC对控制刀架所有I/O信号进行逻辑处理与计算。另外换刀过程也需要设置一些相对应的系统参数来保证正常进行。在我们分析之前，还得先了解关于刀架控制的电气部分。刀架控制电气部分如下图所示。图中a是控制刀架的正反转，是强电部分；图b控制的是两个交流接触器导通和关闭，实现图a中强电部分的控制，是弱电部分；图c部分是直接控制刀架的部分电路，控制继电器回路及PLC的输入及输出回路。

图中各器件的作用如下：

①M——刀架电动机；

②QF1——刀架电动机带过载保护的电源空开；

③Km1，Km2——刀架电动机正、反转控制交流接触器；

④KA1，KA2——刀架电动机正、反转控制中间继电器；

⑤S1～S4——刀位检测霍尔开关；

⑥SB1——启动按钮；

⑦SB2——停止按钮；

⑧C——电容给刀架单项电机不项。

接线图回路图简析：假设，当1号刀在PLC输入/输出电路中输入时，同时选择手动刀。KAI线圈就会因为SB1的闭合而进行翻转，当KA1触点断开后，便能实现互锁。而KA1触点的导通（KA1始终处于闭合状态）会使的KM2线圈得电反转，便能够实现双重互锁。此时刀架正转接触器回路导通，强电回路中的KM2触点闭合后会使刀架进行正转。霍尔元件会准确的检测到1号刀架是否到达信号位，如果到达，刀架定位锁紧，电机停转，直到结束。其他3把刀换刀方式依次类推。

煤矿机电安全监测系统设计方案探究 篇4

1 监测系统设计方案要切合实际

煤矿机电安全监测系统是为了保证煤矿机电设备安全而设立的, 旨在监控煤矿机电设备安全的一套监测系统。其基本的作用在于监控和预防事故的发生。因此, 在进行系统设计时应注意方案应切合煤矿的实际, 不能闭门造车。

1.1 监测系统关键点要切合煤矿实际

煤矿机电安全监测系统的着力点在于煤矿的关键部位, 也就是煤矿机电设备易出现问题的部位, 这些部位关系到煤矿机电设备的正常运转以及良性安全运转。因此, 监测系统的关键点在设计时应根据煤矿的实际情况进行必要的调查和研究, 进而制定科学合理的点位布置, 减少漏洞, 增强系统的监控作用。关键点位的布置要注意机电设备的设计以及布置位置与整个煤矿的关系, 注意其内在的联系, 把握煤矿机电设备自身的运行特点与运行规律, 保证监测点处于机电设备的关键点位上, 避免出现形式上的监控。

1.2 监测系统设备选定应结合煤矿实际

煤矿具有自身的特点, 不同的煤矿其内部构造以及岩层结构和煤层构成也各有不同, 核定煤矿的一些特定特点, 减少煤矿监测系统布置的盲目性, 使其设计具有较强的针对性和目标性, 进而提升监控系统的作用。一般而言, 煤矿生产需要具备一定的条件, 这些条件是制约监测系统的关键。首先, 要注意煤矿内部气体的构成, 注意监测系统的自我保护;其次, 要注意煤炭岩层结构的特点, 在进行监测系统设计时应注意实际情况下煤矿监测系统运行存在的问题。

1.3 监测系统数据传输应结合煤矿实际

由于煤矿内部环境复杂, 各种影响因素较多, 因此, 保护监测系统的数据传输准确性, 减少数据失真的可能性是煤矿机电监测系统应注意的一个重要问题。首先, 煤矿机电设备多处于煤矿的复杂部位, 因此, 在进行煤矿机电安全监测额系统设计时应注意煤矿监测系统与煤矿的岩层以及机电设备所处环境的关系, 合理布局传输路径和传输线路选择, 减少失真, 增强其数据传输的准确性和可靠性。这就需要设计人员不断的进行基于煤矿机电设备的调查和研究, 认真分析其中存在的问题, 找出合理的解决方案。

2 监测系统设计应注意预算情况

2000年~2003年国有煤矿安全资金投入总计124.14亿元, 主要用于以“一通三防”为重点的安全技术改造.企业在进行煤矿机电安全监测系统设计时应充分注意设计预算问题, 在有限的预算范围内进行必要的合理化设计, 进而提升资金的使用率减少资金浪费。

2.1 设计费用预算

设计费用一般而言, 煤矿都会在进行设计时给予一个合理的约束额度, 这一额度的大小取决于煤矿对于这方面的投入量。监测系统在进行设计时应首先对设计费用进行必要的预算, 进而减少设计费用方面的浪费, 节约成本, 使有限的预算费用达到最大的设计效果。

2.2 材料设计预算

材料设计预算指的是在进行煤矿机电安全监测系统设计时应注意材料的市场价格以及与煤矿实际结合下所需要的煤矿材料选定, 以及在此选定方案下的预算支出这一支出的预算应使其在一个合理的范围内, 减少因材料造成的不可预知性支付。材料选择应本着合适的原则, 不盲目选择价格高的材料;以保证安全生产为目标, 不盲目选择抵挡材料;以实现有效监控为目标不选择质量低劣材料。

3 注意现代信息技术的应用

现代信息技术对于监测系统的设计具有重要的促进和提升作用, 利用现代信息技术手段进行必要的及时改造和技术革新是对于煤矿机电安全监测系统的一次革命。

3.1 远程监控技术

利用远程监控技术实现煤矿机电安全监测系统的矿外监控是近年来煤矿机电安全监测的一个重要发展方向。利用此技术可以减少煤矿机电安全监测的时间性限制以及地区性限制, 进而实现煤矿机电安全的总体监测和监督, 实现事故的早发现以及早处理, 可以有效预防重大事故的发生和发展。利用远程监控技术对煤矿机电安全进行全天候监控, 是科技应用于煤矿生产的重大举措。

3.2 信息传导技术

信息传导技术指的是应用现代信息传导手段以及材料进行基于煤矿机电安全监测的数据传输, 实现其超强的抗干扰能力。信息传导技术有软件技术以及硬件技术之分, 软件技术主要指的是信息传导软件实现传导过程的优化, 硬件技术指的是采用现代技术研制的信息传导材料实现信息传导的真实性, 减少外界因素对其的影响和干扰。由于煤矿环境复杂, 再加之煤矿机电设备的影响较大, 因此传输材料的优劣关系到煤矿监测数据传输的准确性, 利用现代技术进行必要改进有利于这一问题的解决。

3.3 系统综合分析技术

利用现代计算机软件的综合分析能力及技术进行基于煤矿监测数据的有效分析, 进而推导出煤矿机电设备安全性能的结论, 对于有效实现煤矿机电安全监测具有重要的意义。同时, 也有利于提升整体监测系统的性能和作用。

4 结语

煤矿安全生产时我国煤矿生产的重要任务之一, 解决这一问题需要不断采用先进技术进行必要的技术革新, 进而提升其内在结构的合理性和科学性。在进行方案设计时引入新的设计理念和技术是改进其运行机理与运行效率的重要方面。实现煤矿机电安全监测系统方案设计的准确有效必须借助于现代工具, 进行调查研究, 进而提升设计方案的有效性和准确性, 促进煤炭生产安全。

摘要：我国是煤炭生产大国, 但是由于各种因素导致的煤炭生产安全事故不断发生, 给人民的生产生活以及煤炭企业的发展带来了不小的阻力。加强煤矿机电安全监测系统的建设, 建立安全的煤炭生产环境是我国煤炭生产需要解决的直接问题。本文简要分析介绍了煤矿机电安全监测系统设计方案设计的注意问题及解决对策。

关键词：煤矿机电,安全监测系统,设计方案

参考文献

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复习要点-机电一体化系统设计 篇5

★第1章绪论

 机电一体化的定义；   

第2章机电一体化系统的设计与评价  制定机电一体化系统总体方案的一般步

骤

★第3章 机电一体化系统中的机械传动与液压气动执行装置

 机械传动系统数学模型的建立；

 机电一体化传动系统的特性（如：等效

转动惯量、间隙，等）；



常用传动装置的工作特点及设计方法（如：同步带传动、齿轮传动、谐波传动、丝杠传动，等）； 液压与气压执行装置

机电一体化的基本结构要素； 机电一体化的相关的关键技术； 机电一体化的技术发展趋势

★第5章机电一体化中的伺服传动技术  机电一体化系统中的伺服传动系统的组

成与特点；

交、直流伺服系统，步进伺服系统的组成、工作原理及特点。

★第6章机电一体化中的计算机技术

 工业控制机、可编程控制器(PLC)、单片

机系统的组成及特点；

 可编程控制器原理及其应用。

★第7章机电一体化系统控制方法

 机电一体化控制系统数学模型建立的方

法；

 PID控制的组成、作用； 

★第8章典型机电一体化系统设计分析与综合

工业机器人的构成及发展阶段； 数控机床控制系统。

神经网络的组成、特点和发展。



★第4章传感技术及应用

 传感器的组成、分类和性能指标； 

各种传感器的基本原理及应用特点。

******************************************************************************* 

题目类型；填空、判断、选择、简答、综合分析及计算等。

机电系统设计 篇6

关键词：机电一体化系统设计；教学改革；教学效果

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）11-0029-02

“机电一体化”是微电子技术向机械工业渗透过程中逐渐形成的，涉及机械学、电子学和信息科学的新兴交叉学科[1]。作为机械类专业的一门重要课程，《机电一体化系统设计》对培养学生的创新能力和机电产品设计能力具有重要作用[2]。由于综合了多门学科，该课程所涉及的知识点量多面广，而且有些内容学生在相关的课程中接触过，如果在教学过程中不加注意，容易使本门课程变成“炒剩饭”，影响学生的学习兴趣和教学效果。本文针对课程学习中存在的问题，结合作者多年的教学经验，从教学内容、教学方式两个方面提出了改革措施。

一、课程存在问题

《机电一体化系统设计》的教学内容各部分内容差别很大，连续性差，教师在讲授过程中，必须将各个章节的内容有机联系起来；此外，各部分内容又相对独立，若讲授时一视同仁，不分主次，往往给学生造成是在重温旧知识的感觉，甚至搞不懂学习这门课程的真正目的是什么[3]。《机电一体化系统设计》的主要任务是使学生树立正确的系统设计思想，培养理论联系实际、调查研究、刻意创新的能力，使学生掌握机电有机结合的理论、机电一体化系统设计的基本规律及基本方法，具备机电一体化产品的设计能力。仅靠传统的课堂授课是无法实现这个任务目标的，必须从教学内容和教学方式上作出改革。

二、教学内容改革

1.以系统设计思想为主线。机电一体化的目的是提高产品或系统的附加价值，即多功能、高效率、高可靠性、省材料、省能源，并使产品结构向轻、薄、短、小化方向发展，从而不断满足人们生活的多样化和生产的省力化、自动化需求。因此，机电一体化的研究方法不能只是简单拼凑，应该从系统设计方案开始到各元部件选择到系统最终成形的全过程都要贯彻系统设计的思想。首先是从整体角度及可行性方面对系统进行多种整体方案设计；然后对其机械机构、执行元件、微机控制系统、检测传感装置等组成部分及相关接口进行细节设计；最后对系统性价比进行衡量，得出优化设计方案，选择原则是在保证目的功能要求与适当寿命的前提下不断降低成本。以上三个环节相互影响，一般在绪论里讲第一个环节，在此环节让学生了解一个典型的机电一体化系统或产品整体上的五大功能构成和五大功能要素，在进行系统整体方案设计时可能有多种选择，需要结合系统的功能要求、技术指标和成本控制多方面因素进行综合评价，优化出最佳的方案。以设计精密数控机床为例，从总体上对其五大功能和功能要素进行分解，分解的结果可以用功能矩阵来表示[4]，最终设计方案的选择取决于能否提高产品或系统的附加价值。第二个环节分别讲述构成机电一体化的功能要素，尽管每一功能要素在内容上相对独立，但它们作为机电一体化系统或产品组成部分，通过广义接口联系在一起，彼此相互影响，学生只有认识了这一点，才能从总体上把握机电一体化的系统设计思想。还以设计精密数控机床为例，为了达到高精度，可以选用精密机械，但这势必造成系统成本的增加，而且，成本有可能随着精度要求的提高成几何倍数增加。另一个可行的方法是采用软件补偿来提高精度，但这会对微机控制系统和传感检测系统提出新的要求。第三个环节是对系统性能的综合评价，评价的结果不符合要求时还有可能需要对整体方案或各个功能要素重新选择，直至满足要求为止。在课程讲述过程中，仅仅介绍系统设计思想，既抽象又枯燥，若能结合实际案例，学生就会在潜移默化中逐渐领略机电一体化系统设计方法的精髓。一般教材在后面的章节中都会给出很多的案例，建议这些案例不要都放在最后讲，找出一个或几个典型案例，在讲授每一部分内容时都结合该案例，并将系统设计方法融于其中，既利于学生对知识的掌握，又能起到举一反三的作用，便于学生分析和设计其他的机电一体化产品。

2.以理论联系实际为导向。高等学校培养的是具有创新能力的高级应用型人才，即具有较高的综合素质，宽厚扎实的专业理论，并能将理论应用于解决实际问题，且有创新实践能力的高级专门人才。机电一体化系统设计综合性较高，知识点量多面广，并且内容抽象，学生很难在有限的课时内完全掌握；而对于从事该门课程教学的教师来讲，不能只注重理论知识的讲解，要以理论联系实际为导向。为此，课前要做大量的准备，广泛积累素材以丰富课堂教学效果，将抽象的道理通俗化、形象化，加深学生的印象。如有时教材上只介绍某些元部件的工作原理，学生即使明白其工作原理了，但对其长什么样却知之甚少，更谈不上怎么用了。可以利用网络平台下载很多产品样本，产品样本主要是推销产品用，一般会详细介绍产品的外形和应用，将教材和样本二者结合在一起讲述，无形中就将理论和实际联系在一起了。此外，还可以在授课过程中加强演示验证内容，俗话说百闻不如一见，有的知识应用性较强，理论比较抽象，很难通过讲的方式让学生掌握，但通过实验或者观看视频等，立刻就拨开云雾见晴天了。如在讲光电编码器时提到，光电编码器的输出信号可以经过2倍频或4倍频以提高检测分辨率，用语言描述时学生不容易理解，把光电编码器信号引出来，用示波器一看，一目了然。当然也可以通过《机电一体化系统设计》课程设计，让学生利用所学亲自参与机电一体化产品设计，在设计过程中通过查阅资料、技术调研、设计加工、组装调试等可进一步加强学生理论联系实际的能力。

三、教学方式改革

明确了教学内容，还要通过适当的方式将知识传授给学生。首先要培养学生的学习兴趣，学生对某一学科有兴趣，才会不知疲倦，才会有灵感，才会乐在其中，既能提高学习效果，又能成为创新的动力和源泉。如在讲述第一章绪论时，在引出机电一体化的概念和内涵后，不是把重点放在对概念的进一步解释上，而是以图片或录像的方式列举了大量机电一体化产品实例。这些实例中大部分来自生活或生产实践，学生在观看这些实例的过程中，对这些产品的神奇功能产生了浓厚的兴趣，自然就会产生探个究竟甚至亲自进行设计的愿望。其次，要重视学生的基础知识，如果说兴趣是前进的动力，那么基础知识就是成功的基石，学生要想真正掌握这门技术，必须拥有牢固的基础知识。在讲数控部分内容时，很多同学说参加过数控编程的实习活动，会用G代码编程，当问到编程的几个坐标系时，却没有几个人真正明白，但数控机床的坐标系是编程的基础，是数控加工的参照，如果连参照都不知道在哪儿，怎么能真正掌握数控技术呢？最后，对授课内容要“避轻就重”，机电一体化作为综合学科，包含的内容较多，不同专业培养目标不同，讲课的重点也不应一样，在讲述时要结合专业“避轻就重”。“避轻”就是对学生有一定基础的内容少讲，“就重”就是对学生难以理解、接触较少的内容重点讲。机械类专业的学生机械基础较好，对机构的力传递、运动传递容易掌握，对执行元件的学习基础较弱，但这部分内容在机电一体化系统中有重要的地位，因此要重点讲述。

机电一体化是一门不断发展、高技术密集的新型交叉学科，所涉及的知识量多面广，本文针对课程存在的问题，基于作者的教学实践经历，从教学内容、教学方式提出了改革措施，在教学内容上强调以系统设计方法为主线，以理论联系实际为导向，在教学方式中重视培养学生的学习兴趣和基础知识，对授课的内容不是一刀切，而是避轻就重。通过这些改革措施，取得了较为满意的教学质量和效果。

参考文献：

[1]张建民.机电一体化系统设计[M].北京：高等教育出版社，2007.

[2]赵江铭，杨杰伟，白国长.《机电一体化系统设计》教学改革探讨[J].科技信息，2011，（25）：168.

[3]文振華，尹欣，孙新.机电一体化课程教学探讨[J].管理工程师，2011，（5）.

[4]赵松年，张鹏奇，等.机电一体化机械系统设计[M].北京：机械工业出版社，1996.

浅谈机电一体化系统设计概念 篇7

70年代初日本学者率先提出机电一体化(Me chatronics)这一概念，至今已经历了38年的发展历史，其内涵随着科学技术不断丰富和进步，特别是进入科技日新月异的21世纪，人们对机电一体化产品的设计柔性、工作可靠性、工作性能提出了更高的要求，而相关技术和学科，例如计算机技术、传感技术、AI (ArtificialIntelligent)技术、网络技术、控制技术等的发展，为机电一体化系统提供了更为广阔的应用前景，尤其是微电子、信息、材料和集成技术的飞速发展，产品结构也发生了革命性的变化，传统机械产品正向智能化、网络化、模块化、微型化、柔性化概念演变。机电一体化已经成为一门新兴的交叉学科技术，它涉及到机械设计与制造技术、传感技术、信息处理技术、伺服技术、接口技术、控制技术等关键技术。21世纪，机电一体化设计成为系统(产品)设计的主流概念，已经并将继续发挥重要的作用。

作为机电一体化系统(产品)的设计师，不但要掌握先进的机电一体化技术，而且更重要的是如何在设计中充分展现现代机电一体化技术的最新成果，也就是要跟上机电一体化设计技术的发展，不断更新自己的知识结构，机电一体化系统所具有的学科交叉性、集成性、融合性、复杂性给设计师提出了更高的要求，产品设计问题已经不再是以往的单纯的机械设计问题。

2 机电一体化系统的概念设计

概念设计是系统(产品)设计的重要步骤，是实现产品创新的关键。这一步骤是产品设计最重要、最复杂、也是最富有创造性的阶段，是一个从无到有、从模糊到清晰、从抽象到具体的过程，它决定了产品设计质量的60～70%，基于优良的概念设计方案才能够得到性能优异的机电一体化系统(产品)。Pahl和Beitz从设计方法学的角度研究了产品的设计过程，并在《Engineering Design》一书中提出概念设计的思想，得到了各国学者的重视，并相继衍生多种用于概念设计阶段的设计理论，例如公理化设计理论、TRIZ设计理论、QFD理论等，这些理论极大地推动了工程领域的创新设计。但是这些理论多数集中在一般的机械工程领域，或者由多技术简单组合的工程产品设计，已经不适用于现代机电一体化设计，目前新的设计理论正在成形，特别是近几年来，随着计算机图形学、虚拟现实(仿真技术)、敏捷设计、多媒体等技术的发展和CAD/CAM应用的深入，产品概念设计的研究也有了新的进展。

在French及Pahl、Beitz研究的基础上，根据机电一体化系统及其广义执行机构的特点，给出了概念设计比较全面的定义：“概念设计是根据产品生命周期各个阶段的要求，进行产品工程创造、功能分解以及功能和子功能的结构设计;进行满足功能和结构要求的工作原理求解和实现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统化设计”。概念设计可分为功能设计、原理设计、方案设计和初步结构设计四个阶段。其中功能设计是概念设计的前期工作，即根据市场需求进行设计理念的构想，规划系统(产品)的总体框架，这一阶段需要借助于设计师的创造性思维、知识和经验的发挥。原理设计是概念设计的难点，也是体现机电一体化交叉学科性最强的阶段。概念设计的后期工作是方案设计，相对于前期工作而言，更多地属于逻辑思维，随着计算机技术、AI技术的发展，使方案设计的计算机辅助设计成为可能。

3 机电一体化系统的原理设计

3.1 机电一体化系统的功能构成

机电一体化系统 (产品) 是有若干相互关联、具有特定功能的机械和电子要素组成的有机整体，以满足产品使用要求的功能。从控制论的观点来看，世界是由物质、能量和信息三大类要素组成的。因此，根据不同的使用目的，要求系统对输入的物质、能量和信息进行预期的变换(加工、处理)、传递(移动、输送)和储存(保持、存储、记录)，从而输出所需的物质、能量和信息。

按照德国Drmstadt大学的Rolf Iserrmann教授提出的五块论，不管哪类系统 (产品) ，系统内部都必须具备五种内部功能，即主功能、动力功能、计测功能、控制功能和构造功能。其中“主功能”是实现系统目的所必需的功能，主要是对输入的物质、能量、信息进行交换、传递和储存。“动力功能”是向系统提供动力，使系统得以正常运行。“计测功能”和“控制功能”是采集系统内部和外部信息，经交换、运算，输出指令，对整个系统进行控制，实施“目的功能”。“构造功能”是将各要素组合起来，进行空间配置，形成一个有机的统一整体。

从系统的输入/输出来看，除有主功能的输入/输出外，还需要有动力输入和计测、控制的信息的输入/输出。此外，还有外部环境干扰输入，这种输入通常是有害的，设计系统时，要采取必要的抗干扰措施。

整个系统除了有目的输出外，还可能有无用的废弃输出，这种废弃输出有时对环境的影响很大，设计系统时应加以注意。

构造功能除了向主功能输入/输出外，还要承担外部干扰输入，废弃输出，能量输入和计测、控制信息输入/输出的连接任务。

上述五种内部功能，既可有各自独立的子系统来完成，也可有一个子系统来完成多项功能任务。

3.2 机电一体化系统的组成要素

尽管机电一体化系统(产品)主功能不同，结构繁简各异，但一般由机械本体部分、传感部分、控制与信息处理部分、驱动部分、执行部分和接口部分组成。具有智能功能的机电一体化系统(产品)的一个显著特征是，它的内部功能构成与组成要素，像一个人的功能构成和组成要素那样完美。图1为机电一体化系统与人体要素的对照示意图。

4 机电一体化的关键技术

机电一体化的关键技术包括以下五种：

传感器技术———任何机电一体化产品，都要求传感器能快速、准确地采集信息。随着测控技术的发展，对传感器的检测速度、灵敏度和精度的要求越来越高，并推动传感器技术的发展。集成化和智能化是传感器的发展方向，传感器技术是现代科技的起点。

信息处理技术———信息处理技术包括信息输入、变换、运算。信息处理技术的硬件包括有输入/输出设备编程控制器和数控装置等。信息处理是否及时，直接影响产品的质量和效率。存储、判断、决策和输出等技、显示器、磁盘、计算机、可处理结果是否正确和精确，将直接影响产品的质量和效率。

自动控制技术———自动控制技术包括高精度定位控制、速度控制、力控制、自适应控制，以及自诊断、仿真、校正、补偿、再现、检索等等。经典控制理论和现代控制理论是自动控制的理论基础，微机的发展为控制理论的应用和实施提供了条件。自动控制技术的发展，得以使机电一体化产品实现多功能和全功能控制、多微机分级控制、复杂控制系统的仿真、自适应控制、自诊断监控和容错等。

伺服驱动技术———伺服驱动技术包括电动、气动、液压等直接执行操作技术，对产品的质量产生直接的影响。在机电一体化产品中，对电动机、液压马达、气马达等执行元件的精度、可靠性要求更高，响应速度要求更快。伺服驱动技术的发展，得以使机电转换件具有高精度、高可靠性和快的响应速度，使直流伺服电机具有较高的分辨率和灵敏性等。

精密机械技术———机械技术是一门历史悠久的应用技术，是各技术领域的基础，它已经形成一套完整的理论和实践规范。近几十年来，随着新技术的发展，传统的机械工业受到了猛烈的冲击。应用力学、机械设计、制造工艺和控制技术是机械技术的四大支柱，得以使机电一体化产品重量轻、体积小、精度高、刚度大、摩擦磨损小及动态性能好。

5 机电一体化系统设计要求、类型和方法

5.1 机电一体化系统的设计要求

机电一体化系统内部功能的设计要求见表1:

5.2 机电一体化产品的设计类型

机电一体化产品设计一般分为开发性设计、适用性设计和变异性设计。

开发性设计是指在没有样品可供参考的条件下，根据对新产品预期的功能要求和性能指标所进行的开创性设计。

适用性设计是指总体方案基本不变的情况下，对某种产品进行局部改进或用微电子技术取代原有机械技术，改善产品性能和提高质量。

变异性设计是指总体方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸，以扩大产品的使用规格范围。

5.3 机电一体化产品的设计方法

机电一体化产品的设计方法分为机电互补法、结合法和组合法。

机电互补法也称取代法，这种设计方法是用适当的通用电子部件取代某些陈旧、落后产品中的复杂机械部件或功能子系统。

结合法是设计新产品常用的方法，这类产品的功能部件(或子系统)通常是专用的，各要素间的匹配已得到充分的考虑，接口也简单。

组合法是将结合法(或机电互补法)制成的功能模块组合成各种机电一体化系统。

6 系统设计的评价

机电一体化设计方案的可行性、设计水平的高低和优劣，可从以下方面作分析评价：

工效实用性：一般用系统总体的技术指标的形式提出，如产量、容量、质量、精度等。

系统可靠性：指系统在预定时间内，在给定工作条件下，能够满意工作的概率，通常用平均无故障时间、故障停机率、故障率、剩余故障数等指标衡量;

运行稳定性：是指在设计工况条件下，系统功能输出符合设计输出范围的概率;

结构工艺性：系统的结构设计应当满足便于制造、施工、加工、装配、安装、运输、维修等工艺要求;

技术经济性：具有两个作用，一是评价比较一次投资变为系统或设备时，不同设计方案的经济性，另一是评价比较保持系统或设备正常运行时，资源利用的合理性和运行费用的经济性;

成果规范性：设计成果遵从国家政治经济法规，符合国家规定的技术规范和法令，贯彻实行标准制度等。

操作宜人性、人机安全性、环境无害性：系统设计需要综合考虑人机工程学、人因工程学、人机系统适配设计等要素，所以要从人、机、环境综合角度出发，评价系统是否具备操作方便、诱发职业病、操作安全级与设备安全级、较少环境影响等方面的特征。

造型艺术性：从工业(产品)美学角度评价使用者对系统造型的美学接受度。

7 结语

机电一体化广泛地综合了机械、微电子、自动控制、信息、传感测试、电力电子、接口、信号变换和软件编程等技术，并将这些技术有机的结合成一体，它是当今世界机械工业技术和产品发展的潮流。机电一体化技术并非现代尖端技术，它是微电子技术和精密机械技术相互融合，实现系统(产品)整体最优化的产物，属于技术综合应用范畴，但是真正设计一个优秀的产品，需要综合多方面的理论、知识和经验。

参考文献

[1]孟少农主编.机械加工工艺手册[M].北京:机械工业出版社, 1998.

[2]亢金月.机电一体化系统设计理论与方法的研究[D].上海交通大学, 1996.

[3]何立民主编.MCS一51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1995.

机电一体化系统与概念设计 篇8

1971年日本学者首次提出机电一体化 (Mechatronics) , 由机械学“mechanics”与电子学“electronics”拼缀而成, 译为机械电子学, 在我国称之为机电一体化。至今, 这一概念已经历38年的发展历程, 其内涵随科技的发展不断更新和进步。21世纪, 机电一体化系统设计在产品开发和设计过程中显得日趋重要, 俨然成为系统设计中的主流概念, 其发展水平直接体现在产品设计上。

机电一体化产品设计过程中, 最具有创新性、最复杂的阶段是概念设计阶段, 是具体化、创造的过程, 60%~70%部分的产品设计质量都是由这一阶段决定的, 是实现产品创新的关键。唯有优良的概念设计方案才能够得到性能优异的机电一体化产品, 因而, 关于机电一体化产品概念设计, 建立一套完整的理论、方法是很有必要的。据悉, 目前现有的关于产品概念设计原理, 如网络化原理、最优化原理、可靠性原理、最优化原理、柔性化理论等, 都是从运筹学的角度, 对产品的局部设计提出的一些方法和理论, 并不适用与机电一体化系统, 在原始创新时可单独运用这些理论, 却很容易到达设计极限。因此, 考虑到机电一体化技术的创新性、复杂性、集成性、学科交叉性, 必须提出符合其自身特点的、系统的、完善的概念设计原理, 从而对机电一体化产品的创新设计起到指导作用。

2、机电一体化系统的组成

机电一体化系统概念设计框架模型的建立, 源于机电一体化系统组成结构的划分。归纳文献, 目前关于对机电一体化系统的组成结构划分有三种较为典型的看法: (1) 五块论:德国Drmstadt大学的Rolf Isermann提出机电一体化系统是由控制功能、动力功能、传感检测功能、操作功能、结构功能等五大功能模块组成。 (2) 三环论:丹麦理工大学的Jacob Baur等人提出机械、电子、软件三大功能模块, 以此表示机电一体化系统的组成和相互关联。 (3) 两个系统:挪威科技大学的Bassam A Hussein提出将机电一体化系统划分为物理系统与控制系统两大子系统。物理系统包括各种驱动装置、执行机构、传感器等;控制系统包括软、硬件。以上三种只是从电或控制的角度对机电一体化系统组成结构进行划分, 未能突出机械设计的主体地位, 同时反映出机电一体化概念设计的模糊性、复杂性和多面性, 因此, 造成产品概念设计上的困难。

3、机电一体化系统概念设计的基本特征

1984年Pahl和Beitz在《Engineering Design》一书中, 从设计方法学的角度研究产品设计, 这一思想引起了各国学者的重视。至今, 人们对概念设计进行了二十多年的研究, 形成了多种用于概念设计阶段的设计方法。近些年来, 随着多媒体、仿真技术、图形学及CAD技术的不断发展, 在对产品概念设计方面的研究取得了新的进展。产品的概念设计是在满足各种经济和技术指标前提下, 找到可行性方案并最终确定最优方案, 是一个求解实现功能的, 体现发散思维和创新设计的过程。

作为概念设计的组成部分, 机电一体化系统的概念设计也服从概念设计的总体思想。但是机电一体化系统概念设计不同于传统机械的概念设计, 它集机电一体化技术、检测技术及控制理论于一身, 主要具有下述特点:

(1) 独创性:概念设计的核心是创新。市场竞争日趋激烈, 只有创新才能赢得核心竞争力。概念设计过程中的创新体现在多层次、多角度、多方面, 如低层次的创新如修改和替换结构, 高层次的创新如替换或更换功能、修改工作理论, 这些创新活动都属于概念设计的范畴。由不同路径实现的设计成果, 总有一组新的方案是可行的, 是具有独创性的。

(2) 多方案性:产品设计过程受各种因素的制约和要求, 比如科技、经济、社会发展水平, 及客户的指定条件和要求, 使得设计过程受到这些条件和限制的约束, 只有满足这组边界条件, 才能得到可行性方案。

(3) 多解性:概念设计之所以具有多样性, 是由于不同的设计路径和设计结果的多样化导致的。不同的设计思路和方法体现于对功能的不同定义和分解过程中, 由此, 会产生完全不同的可行性方案, 不同的路径导致不同的方案。

4、机电一体化系统概念设计理论与方法的发展方向

纵观我国机电一体化技术的发展历史, 我国的机电一体化技术将朝着智能化、精密化、微型化、网络化发展, 更高的可靠性, 更快的执行速度, 更少的人工投入, 更多的产出。针对机电一体化系统实际需要的复杂性和多学科性, 概念设计的初期是由不同学科背景的学者共同组建起来的, 他们追求同一个目标, 但从不同的角度进行研究, 殊途同归, 将不同知识领域的研究成果汇集起来构建成机电一体化系统概念设计理论, 使其可操作性和实用性更强, 为机电一体化产品的创新搭建更加完善的平台。

5、结论

概念设计阶段是机电一体化产品设计过程中决定其创新性最关键的一环, 它体现着企业核心竞争力, 影响着产品市场占有率, 并且代表着一个时代的技术水平和创新能力。机电一体化技术水平以及实际的市场需要为概念设计提出了更高的要求, 这就需要概念设计的理论体系是一个不同学科、不同领域的研究成果的集合, 将这样的一个理论体系完美的建立起来, 才是概念设计的发展方向。

摘要：随着产品概念设计的研究不断成熟, 机电一体化系统的概念设计逐渐成为众学者研究的重点。本文旨在阐述机电一体化系统的概念设计理念的基础上, 分析机电一体化系统概念设计的基本特征, 从概念设计的实际需要出发, 指出了机电一体化系统概念设计理论与方法的发展方向。

机电一体化系统设计课程建设 篇9

关键词：机电一体化,系统设计,建设

一课程的性质

“机电一体化系统设计”课程是机械工程及自动化专业、机械电子工程专业、材料成型与控制工程专业和工业工程专业的必修课程, 属技术基础课, 在教学计划中占有重要的地位。它是对所学的基础课及一些技术基础课的综合与运用。例如, 在一个机电一体化系统中, 传动系统就是机械原理及机械设计中常见的机构, 如齿轮机构、丝杠螺母传动机构等;动力系统主要为电力拖动课程中的步进电机、交流伺服电机和直流伺服电机;测试技术中的各种传感器、信号调理电路作为机电一体化系统中的传感与检测装置;伺服控制系统与自动控制理论、模拟数字电路、微机原理等课程的内容密切相关;用PLC可以实现系统的顺序控制;为了进行系统的动态特性分析, 系统数学模型的建立又是以数学和自动控制理论等课程的内容为理论基础。所以, 机电一体化课程诠释了基础课及一些技术基础课和专业课的应用。

二机电一体化系统的技术组成

1.机械技术

机械技术是机电一体化的基础。

2.计算机与信息处理技术

信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策, 实现信息处理的工具是计算机, 因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。计算机技术包括计算机的软件技术和硬件技术, 网络与通信技术, 数据技术等。

3.自动控制技术

自动控制技术范围很广, 机电一体化的系统设计在基本控制理论指导下, 对具体控制装置或控制系统进行设计;对设计后的系统进行仿真和现场调试;最后使研制的系统可靠地投入运行。

4.传感与检测技术

传感与检测装置是系统的感受器官, 它与信息系统的输入端相连并将检测到的信息输送到信息处理部分。传感与检测是实现自动控制、自动调节的关键环节, 它的功能越强, 系统的自动化程度就越高。传感与检测的关键元件是传感器。

5.伺服传动技术

伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的驱动装置, 由微型计算机通过接口与这些传动装置相连接, 控制它们的运动, 带动工作机械作回转、直线以及其他各种复杂的运动。

6.系统总体技术

系统总体技术是一种从整体目标出发, 用系统的观点和全局角度, 将总体分解成相互有机联系的若干单元, 找出能完成各个功能的技术方案, 再把功能和技术方案组成方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。

三课程建设策略

1.能力本位的课程开发模式

课程建设服务于专业岗位群需要, 能力本位的CBE/DACUM课程开发模式可使教学内容保证学生职业技能培养和职业素养养成。课程改革和建设可依托机电一体化技术专业的CBE/DACUM专家委员会。专家委员会应覆盖专业岗位群的行业企业, 在专家组指导下的课程改革能够强化以就业为导向的岗位意识, 突出职业能力培养, 促进工学交替、任务驱动、项目导向、顶岗实习等教学模式的科学应用, 使实践性教学环节具有实践性、开放性和职业性特点。

2.教学内容的适应性

教学内容的选取适应企业的要求, 在和企业研讨课程内容中, 反复强调企业用人不仅关注学生的职业技能, 是否具有较扎实的专业基础知识和熟练的专业技能, 更注重学生职业素养如何。因此从课程的整体设计一直到课程的实施, 紧紧围绕培养学生职业素养进行展开。培养学生职业技能的同时, 更注重职业道德、职业意识、职业行为习惯和职业精神的培养。

机电一体化执行系统的设计探讨 篇10

一、执行系统的功能及基本要求

实现机电一体化系统的目的就是执行系统的主要任务, 对机电产品来说, 其主要功能有以下两个方面:

1.作用于外界、完成预定的操作过程。具体来说, 包括很多方面的操作, 比如说操持焊枪进行焊接、缝纫机的机头穿针引线、车床的主轴和刀架完成切削加工、机器人的手部完成夹放工件、打印机的打印机构完成打印操作等。

2.作用于机器内部, 完成某种控制动作。主要包括自动机中的离合器移动机构、自动秤的秤锤移动机构、照相机的自动对焦机构等。

我们可以把执行系统的功能归纳为:夹持、输送、搬运、转位、分度、检测与施力等。

一般来说, 所有的工作机的执行机构都要对外界做功, 所以, 需要实现一定的运动和传递必要的动力。尽管信息机的执行机构所传递的动力很小, 但是其对要实现运动的要求却相当高。

通常对执行机构提出如下基本要求:

(1) 实现一定的运动。执行机构的运动通常是要具备速度大小、行程长短、轨迹形状、起止点位置和运动方向等相关要素的。而且, 系统会对这些运动的起点与终点、轨迹有相关高的精度要求, 同时对运动的启动、停止和轨迹跟踪, 也是有关于灵敏度上的要求。

(2) 传递必要的动力。执行机构必须要具备一定的强度和刚度, 能够顺利的传递一定的力或力矩。

(3) 保证系统具有良好的动态品质。因为系统是在受力状态和高速运转下, 保证运动轨迹和定位精度的, 所以需要对执行机构的动刚度、静刚度、热变形和摩擦特性等方面有着较为严格的要求。一般来说, 改善动态品质的途径主要有减小转动惯量、减小质量、减小摩擦和传动间隙、提高传动刚性、提高固有振动频率等。

二、执行系统设计

执行系统的设计跟机构设计或零件设计是不同的, 因为它是属于系统设计的。这就要求设计中既要要明确本系统各个部分的作用, 和相关的设计要求, 同时还必须要了解它与其他系统的联系、协调及分工。

(一) 执行系统设计要求

执行系统设计是机电一体化设计中的核心组成部分, 其设计的优劣直接影响机电一体化产品的功能和性能, 因此, 在设计中必须要满足一定的要求, 符合一定的标准。

1. 实现预期精度的运动。

要想保住执行系统能够顺利的完成工作任务, 就必须要保证执行构件实现预期的运动。也就是说, 一方面要满足运动或动作形式的要求, 另一方面要保证其运动有一定的精度。当然, 从经济成本的角度上看, 不顾设计的实际情况, 盲目地提高精度, 将会大大的提高成本, 同时也可能会给制造和安装调试增加难度。所以在设计时, 设计人员必须要从实际出发, 定出适当的精度。

2. 有足够的强度与刚度。

作为动力型的执行系统, 要求系统中每一个零部件都需要具备足够的强度和刚度。当然, 在强度和刚度的选择上, 还是有一定的要求的, 不是无限的强度和刚度。一般要保证这样的原则, 即强度不足会导致零部件的损坏, 不会导致系统工作中断;刚度不足会产生过大的弹性变形, 不会出现系统不能正常工作的现象。同时, 在设计时也必须要明确一个问题, 即并非任何执行系统都需要强度和刚度的计算, 对那些受力较小、主要是实现动作的系统, 其零部件的尺寸往往是根据工作和结构的需要来确定的。

3. 各执行机构间的运动要协调。

在设计相互联系型的执行系统时, 为了避免系统各部分因动作不协调而造成机构的相互碰撞、干涉或工序倒置等事故, 需要保证各执行机构间各部分的运动要相互协调与配合。所以, 在设计时, 设计人员首先要需绘制工作循环图, 以此来表明各个执行机构中执行构件运动的先后次序、起止时间和工作范围等, 以确保系统的运动能够在协调与配合中运转。

4. 结构合理、造型美观、制造与安装方便。

一般来说, 在首在满足零部件强度、刚度及精度要求的情况下, 在设计中还必须要充分考虑它们的结构工艺性, 以便能够在制造和安装中实现快捷操作。这就需要设计人员在材料选择、确定制造过程和方法等方面去考虑, 以便能够用最少的成本制造出合格的、造型美观的产品。

5. 工作安全可靠、使用寿命长。

也就是需要设计人员, 在设计的过程中需要考虑, 系统在一定的使用期限内和预定环境下, 能够保持正常运转, 没有出现故障, 能够安全使用, 而且还能够便于维护和管理。毕竟, 执行系统的使用寿命与组成系统的零部件的寿命有关, 而最主要、最关键零部件的使用寿命, 是确定系统的寿命的主要因素。

当然, 除了上述的几个要求外, 设计人员在设计的过程中, 还需要根据执行系统的工作环境不同, 对防锈、防腐和耐高温等要求进行相关的设计。同时, 鉴于执行机构往往是外露的, 也就决定了其是机电系统的工作危险区, 所以在设计中, 还需要根据实际的情况, 设置必要的安全防护装置。

(二) 执行系统设计步骤及方法

1. 功能原理设计

通常来说, 执行系统的设计首先必须要依据系统预期实现的功能, 考虑选择哪种工作原理来实现系统的功能要求。也就是需要设计人员分析研究所有可能的功能原理, 通过有效的比较分析, 结合使用要求或者工艺要求, 从中众多可能性中, 选出既能满足功能要求, 其工艺动作又简单的工作原理。比如说, 洗衣机的设计中, 如果要采用揉搓原理设计, 那就需要设计模仿人手的机械手, 这无疑就增加了难大;如果依据刷擦原理设计, 那又很难把衣物各处都刷洗到, 很难完成清洗任务;如果是要选择捶打原理设计, 那可能就会损伤到衣物。根据这些分析。目前设计出的滚筒式洗衣机就很好的解决了这些问题, 其既能够满足功能要求, 又能够简化工艺动作。在这种设计原理下, 这种洗衣机对衣物的磨损率低, 而且也不会不缠绕衣物, 同时, 其洗净度高, 又能够实现加热消毒、省水等功能。所以, 滚筒洗衣机迅速占领了市场。

2. 运动规律设计

运动规律的设计主要包括两个方面的内容:工艺动作分解和运动方案选择。运动规律设计的基础是工艺动作分解。一般来说, 不同的工艺动作分解的方法, 所得到的运动规律和运动方案也不尽相同。而且, 即便是同一个工艺动作, 也很有可能分解成许多简单运动, 系统的特点、性能和复杂程度, 主要是由它们决定的。

也就是说, 设计人员在进行运动规律设计和运动方案选择时, 必须要从实际出发。综合考虑各方面的因素, 对各种可能出现的运动规律和运动方案进行全方位的分析和比较, 并从中选出最佳方案。

3. 执行机构形式设计

执行机构的主要作用是传递和变换运动, 但是实现某种运动变换可选择的机构却不是唯一的, 这就需要设计人员对各种方式进行分析、比较, 最后能够合理选择。设计时首先要想方设法地缩短运动链, 以便能够减少机构和零部件数, 进一步提高机械效率, 并且能够降低成本。这就需要设计师在设计中, 必须要充分考虑执行构件的运动或动作、受力大小、速度快慢等条件, 同时还需要结合机构的工作特点进行综合分析, 在满足运动要求的前提下实现这些要求。其次, 在设计方案的选择中, 需要优选工作可靠、结构简单、便于制造和效率高的机构。

三、结语

总之, 在执行系统的设计中, 在方案选择和机构选型时, 需要设计人员发散思维, 对各种系统方案, 对各种机构进行全面的考察, 把前人创造发明的各种系统方案和机构按照运动特性, 或者动作功能进行分类, 最后经过慎重的选择、比较和评价, 选出合适的执行系统设计方案。

参考文献

[1]左武峰.试探机电一体化技术未来的发展[J].中小企业管理与科技, 2010, (02) .

[2]林雁.机电一体化系统的抗干扰技术探析[J].民营科技, 2010, (03) .