第一篇：機電一體化教學平臺設計正文

機電一體化實驗教學平臺設計

第一章 緒論

現如今，隨著教學方法的進步，以及科技的發展，實驗教學平臺已經進入校園。PLC教學用的試驗箱，單片機教學用的開發板等等，都是實驗教學平臺。而機電一體化教學平臺相對來學涉及的學科范圍廣，難度大，成本高，所以其普及率也相對較低，但是其對對機電一體化的教學卻有著非常重要的意義。該平臺采用了高度的教學開放式布局設計, 可以根據實驗教學的要求進行不同的組合, 能夠完成多項綜合性實驗。對平臺總體方案以及微機數控車床機械系統的設計予以介紹, 重點是進給系統和自動回轉刀架。單片機控制系統采用功能型模塊化設計方案, 配置靈活, 適應面廣。

該平臺采用創新型的設計方法,軟硬件系統從底層高度開放, 可完成多個綜合性實驗教學項目;有效地改善我國機電專業的實驗教學條件, 顯著提高教學效果, 得到國內許多高校的肯定。平臺外觀布局如圖1.1所示。

圖1.1平臺

機電一體化實驗教學平臺設計

機電一體化實驗教學平臺采用開放式平臺結構，可以完成本科教學多門課程的綜合性、設計性和創新性實驗，也可支撐專業課程設計或畢業設計。

實驗平臺的控制系統基于MCS-51系列的8位單片機，可控兩個移動軸；伺服進給系統由步進電機驅動電源、二相混合式步進電機、無間隙減速齒輪箱、精密滾珠絲杠副和移動導軌副構成，最終控制臥式車床或X-Y平面工作臺的運動；步進電機的尾部裝有圓光柵編碼器，系統采用半閉環控制。

1.硬件的模塊化組合：硬件電路根據功能設計，采用模塊化結構，使用者可以自由選擇，組合連接，以實現不同的功能要求。

2.軟件的高度開放性：使用者選擇的硬件連接后，可以根據實驗的要求，自己編制源程序代碼，嵌入到系統程序中，完成指定的任務；既可采用單片機仿真插頭，連接PC機在線調試，也可固化程序脫機運行；平臺系統的底層匯編程序，包括相關的子程序，全部對外開放，可以選擇使用。

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第二章 系統總體方案設計

根據機電一體化系統設計、數控技術、單片機原理及其應用主干課程的實驗教學要求,平臺確定采用模塊化設計, 具有很強的針對性和通用性。各模塊既可單獨完成某門課程的實驗, 也可互相配合完成復雜的機電一體化綜合性創新實驗。

平臺在總體方案設計時充分考慮教學的開放性要求, 在硬件和軟件系統從最底層開放, 供學生自主實驗。系統主要特色如下:

(1)由于教學功能要求, 所以總體布局與普通工業產品有很大不同, 最大特點是控制系統不能封閉, 而是以面板形式充分展開, 其外形總體尺寸大小應考慮一個實驗小組的人數, 一般在5-7人。

(2)電氣系統的模板配置應該考慮到強弱電的分開, 避免干擾的發生;此外強電模板要盡量減少裸露接頭, 提高安全性。

(3)機械系統部件的選擇;應能充分代表當前機電產品的典型應用, 教學難度適中;由于教學需要充分且詳細的圖紙資料討論, 所以應該是作者科研開發的產品, 有自主知識產權。

平臺由機械系統、控制系統、PC機等部分組成。機械系統包括數控車床、X-Y 工作臺、自動回轉刀架等。PC機通過仿真器和控制系統相連接, 學生可以在PC機上編制相應的源程序, 通過仿真器完成在線連機調試。平臺總體構成見圖2.1。

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圖2.1 系統框圖 微機數控車床機械系統設計

微機數控機床是典型的機電一體化產品, 在幾門主干課程中都是重要的教學對象。作者二十多年來一直在從事這方面產品的研究開發工作。積累了大量的經驗和技術資料, 這為平臺的研制提供了保障。主要設計工作是將縱向和橫向進給系統改成用微機控制的、能獨立運動的進給伺服系統;將手動刀架換成自動回轉刀架。

總體設計方案的確定

總體設計方案應考慮車床數控系統的運動方式、進給伺服系統的類型、數控系統CPU 的選擇, 以及進給傳動方式和執行機構的選擇等。主要如下:(1)普通車床數控化改造后, 數控系統應設計成連續控制型。車床經數控化改造后屬于經濟型數控機床, 應簡化結構, 降低成本。因此, 進給伺服系統采用步進電動機的開環控制系統。

(2)根據數控系統的經濟性要求, 結合本科教學課目, 決定選用MCS-51系列的8位單片機作為數控系統的CPU。根據系統的功能要求, 需要進行存儲器擴展、鍵盤與顯示、I/O 接口電路等設計;還要選擇步進電動機的驅動電源以及主軸電動機的交流變頻器 4

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等。

(3)縱、橫向的進給傳動應選用摩擦力小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副;為了消除傳動間隙提高傳動剛度, 滾珠絲杠的螺母應有預緊機構。由于采用步進電動機, 為了圓整脈沖當量, 往往需要減速機構, 并且應有消間隙措施。

(4)選擇四工位的立式自動回轉刀架, 采用單片機進行控制。

機械系統主要的改造設計

(1)主傳動系統的改造設計對普通車床進行數控化改造時, 需要在加工中自動變換主運動轉速, 可用2~ 4擋的多速電動機代替原有的單速主電動機;當多速電動機不能滿足要求時,可用交流變頻器實現無級變速。系統中, 當采用有級變速時, 可選用YD系列715kW變級多速三相異步電動機, 實現2~ 4擋變速;當采用無級變速時, 應加裝交流變頻器, 型號為: F1000-G0075T3B, 適配715kW電動機, 生產廠家為煙臺惠豐電子有限公司。

(2)安裝電動卡盤

為了提高加工效率, 工件的夾緊與松開采用電動卡盤, 選用呼和浩特機床附件總廠生產的KD11250型電動三爪自定心卡盤?？ūP的夾緊與松開由數控系統發信控制。(3)換裝自動回轉刀架

為了提高加工精度, 實現一次裝夾完成多道工序, 將車床原有的手動刀架換成自動回轉刀架;實現自動換刀需要配置相應的電路, 由數控系統完成。(4)螺紋編碼器的安裝方案

數控車床加工螺紋時, 需要配置主軸脈沖發生器, 作為車床主軸位置信號的反饋元件, 它與車床主軸同步轉動。這里, 改造后的車床能夠加工的最大螺紋導程是24mm, Z 向的進給脈沖當量是0101mm /脈沖, 選擇螺紋編碼器的型號為ZLF-1200Z-05V0-15-CT, 生產廠家為長春光機數顯技術有限公司。

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第三章 系統詳細設計

3.1 機械系統的設計

3.1.1 X-Y工作臺的設計

X-Y數控工作臺是許多機電一體化設備的基本部件，如數控車床的縱-橫向進刀機構、數控銑床和數控鉆床的X-Y工作臺、激光加工設備的工作臺、電子元件表面貼裝設備等。因此，選擇X-Y數控工作臺作為機電綜合課程設計的內容，對于機電一體化專業的教學具有普遍意義。

模塊化的X-Y數控工作臺，通常由導軌座、移動滑塊、工作平臺、滾珠絲杠螺母副以及伺服電動機等部件構成。其外觀形式如圖2.2所示。其中，伺服電動機作為執行元件用來驅動滾珠絲杠，滾珠絲杠的螺母帶動滑塊和工作平臺在導軌上運動，完成工作臺在X、Y方向的直線移動。導軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均已標準化，由專門廠家生產，設計時只需根據工作載荷選取即可。控制系統根據需要，可以選用標準的工業控制計算機，也可以設計專用的微機控制系統。

圖2.2 X-Y數控工作臺外形

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1．機械傳動部件的選擇

（1）導軌副的選用 要設計的X-Y工作臺是用來配套輕型的立式數控銑床，需要承受的載荷不大，但脈沖當量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動導軌副。它具有摩擦系數小、不易爬行、傳動效率高、結構緊湊、安裝預緊方便等優點。

（2）絲杠螺母副的選用 伺服電動機的旋轉運動需要通過絲杠螺母副轉換成直線運動，要滿足0.005mm的脈沖當量和 ±0.01mm的定位精度，滑動絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲杠副才能達到。滾珠絲杠副的傳動精度高、動態響應快、運轉平穩、壽命長、效率高，預緊后可消除反向間隙。

（3）減速裝置的選用 選擇了步進電動機和滾珠絲杠副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉矩，降低運動部件折算到電動機轉軸上的轉動慣量，可能需要減速裝置，且應有消間隙機構。為此本例決定采用無間隙齒輪傳動減速箱

（4）伺服電動機的選用 任務書規定的脈沖當量尚未達到0.001mm，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有3000mm/min。因此，本設計不必采用高檔次的伺服電動機，如交流伺服電動機或直流伺服電動機等，可以選用性能好一些的步進電動機，如混合式步進電動機，以降低成本，提高性/價比。

（5）檢測裝置的選用 選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環控制也可選閉環控制。任務書所給的精度對于步進電動機來說還是偏高的，為了確保電動機在運轉過程中不受切削負載和電網的影響而失步，決定采用半閉環控制，擬在電動機的尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器，用以檢測電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨率應與步進電動機的步距角相匹配。

考慮到X、Y兩個方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設計工作量，X、Y兩個坐標的導軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機以及檢測裝置擬采用相同的型號與規格。2．控制系統的設計

（1）設計的X-Y工作臺準備用在數控銑床上，其控制系統應該具有單坐標定位、兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統應該設計成連續控制型。

（2）對于步進電動機的半閉環控制，選用MCS-51系列的8位單片機AT89C52作為控制 7

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系統的CPU，應該能夠滿足任務書給定的相關指標。

（3）要設計一臺完整的控制系統，在選擇CPU之后，還需要擴展程序存儲器、數據存儲器、鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉換電路、串行接口電路等。（4）選擇合適的驅動電源，與步進電動機配套使用。

3.1.2 自動回轉刀架的設計

數控車床為了能在工件的一次裝夾中完成多工序加工, 縮短輔助時間, 必須帶有自動回轉刀架。自動回轉刀架是一個非常有代表性的機電一體化部件, 在機械結構上有蝸桿蝸輪副、螺桿螺母副、端齒盤等典型部件。為了保證可靠工作, 還要選擇恰當的刀位檢測和合理的定位結構。刀架的換刀是由計算機控制系統檢測和控制的, 然后驅動繼電器電路來實現。其工作過程是典型的計算機弱電、繼電器強電、機械系統的控制過程。(1)總體結構設計

普通的三相異步電動機因轉速太快, 不能直接驅動刀架進行換刀, 必須經過適當的減速。根據立式轉位刀架的結構特點, 采用蝸桿-蝸輪副減速是最佳選擇。蝸桿-蝸輪副傳動可以改變運動方向, 獲得較大的傳動比, 保證傳動精度和平穩性, 并且具有自鎖功

能, 還可以實現整個裝置的小型化。(2)上刀體鎖緊與定位機構的設計

由于刀具直接安裝在上刀體上, 所以上刀體要承受全部的切削力, 其鎖緊與定位的精度將直接影響工件的加工精度。系統的上刀體的鎖緊與定位機構選用端面齒盤, 將上刀體和下刀體的配合面加工成梯形端面齒。當刀架處于鎖緊狀態時, 上下端面齒相互嚙合, 這時上刀體不能繞刀架的中心軸轉動;換刀時電動機正轉, 抬起機構使上刀體抬起, 等上下端面齒脫開后,上刀體才可以繞刀架中心軸轉動, 完成轉位動作。(3)刀架抬起機構的設計

圖2.2 自動回轉刀架的傳動機構示意圖

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圖2.2 自動回轉刀架

要使上、下刀體的兩個端面齒脫離, 就必須設計合適的機構使上刀體抬起。這里選用螺桿螺母副, 在上刀體內部加工出內螺紋, 當電動機通過蝸桿-蝸輪帶動螺桿繞中心軸轉動時, 作為螺母的上刀體要么轉動, 要么上下移動。當刀架處于鎖緊狀態時, 上刀體與下刀體的端面齒相互嚙合, 因為這時上刀體不能與螺桿一起轉動, 所以螺桿的轉動會使上刀體向上移動。當端面齒脫離嚙合后, 上刀體就與螺桿一同轉動。設計螺桿時要求選擇適當的螺距, 以便當螺桿轉動一定角度時, 使得上刀體與下刀體的端面齒能夠完

全脫離嚙合狀態。圖3為自動回轉刀架的工作原理示意圖。在機電一體化系統課程設計時, 自動回轉刀架的設計也作為一個教學班的題目。

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3.2 控制系統的設計

控制系統按照功能劃分, 有CPU 模塊、電源模塊、步進電機驅動模塊、LCD 顯示模塊、鍵盤及LED顯示模塊、繼電器控制模塊、變頻器控制模塊、通信模塊等。學生可以針對不同實驗的要求, 自主選擇, 組合連接, 充分發揮學生的主動設計能力?？刂葡到y所有的元器件都以展板的形式布置, 學生可以直觀了解每一個元器件的結構、接口電路設計原理, 從而對機電一體化系統有感性的認識和深入的了解。CPU模塊以MCS-51系列的AT89S52八位單片機為核心, 擴展片外RAM 及ROM 存儲器;擴展并行I/O口8255經步進電機驅動模塊控制步進電機等;擴展8279控制鍵盤及LED顯示模塊;D /A和A /D轉換電路分別采用芯片DAC0832和ADC0809, 同時外接電壓表, 方便觀察模擬量的輸入、輸出。LCD顯示模塊由320 @ 240點陣式液晶板和液晶控制器SED1335組成, CPU 通過SED1335控制液晶面板的顯示。變頻器模塊和繼電器控制模塊分別控制電機的無級調速和通斷。通信模塊集成RS-232標準串行接口和USB接口, 完成與外部通信?？刂葡到y原理如圖2.3所示。

圖3.1控制系統原理圖

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根據實驗教學的要求, 設計控制系統的硬件電路時主要考慮以下功能:(1)接收鍵盤數據, 控制LED 顯示;接收操作面板的開關與按鈕信號。(2)接收車床限位開關信號;接收螺紋編碼器信號。

(3)接收電動卡盤夾緊信號與電動刀架刀位信號;控制X、Z 向步進電動機的驅動器。(4)控制主軸的正轉、反轉與停止;控制多速電動機, 實現主軸有級變速。(5)控制冷卻泵啟動/停止;控制電動卡盤的夾緊與松開。

(6)控制電動刀架的自動選刀;與PC機的串行通信。平臺中X 向步進電動機的型號為110BYG5802,Z 向步進電動機的型號為130BYG5501。兩臺電動機的驅動電源可用同一型號, 選用科林數控科技有限責任公司生產的五相混合式調頻調壓型步進驅動器, 型號為BD5A。

3.2.1 CPU模塊設計

本設計CPU模塊選擇單片機作為主控制器，單片機是一種集成的電路芯塊采用了超大規模技術把具有運算能力（如算術運算、邏輯運算、數據傳送、中斷處理）的微處理器（CPU）,隨機存取數據存儲器（RAM），只讀程序存儲器（ROM），輸入輸出電路（I/O口），可能還包括定時計數器，串行通信口（SCI），顯示驅動電路（LCD或LED驅動電路），脈寬調制電路(PWM)，模擬多路轉換及A/D轉換器等電路集成到一塊單片機上，構成一個最小然而很完善的計算機系統。這些電路能在軟件的控制下準確快速的完成程序設計者事先規定的任務?？偟亩詥纹瑱C的特點可以歸納為以下幾個方面：集成度高、存儲容量大、外部擴展能力強、控制功能強、低電壓、低功耗、性能價格比高、可靠性高這幾個方面。

單片機按內部數據通道的寬度，可分為4位、8位、16位及32位單片機。它們被應用在不同領域里，8位單片機由于功能強大，被廣泛的應用在工業控制、智能接口、儀表儀器等各個領域。8位單片機在中、小規模應用場合仍占主流地位，代表了單片機的發展方向，在單片機應用領域發揮越來越大的作用。隨著移動通訊、網絡技術、多媒體技術等高科技產品進入家庭，32位單片機應用得到了長足發展。縱觀單片機的發展過 11

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程，可以預示單片機的發展趨勢：

1、微型單片化

2、低功耗CMOS

3、與多品種共存

4、可靠性和應用水平越來越高

單片機有著微處理器所不具備的功能，它可以獨立地完成現代工業控制所要求的智能化控制功能這就是單片機的最大特點。然而單片機又不同于單板機，芯片在沒有開發前，它只是具備功能極強的超大規模集成電路，如果賦予它特定的程序，它便是一個最小的、完整的微機控制系統。它與單板機或個人電腦有著本質的區別，單片機屬于芯片級應用，需要用戶了解單片機芯片的結構和指令系統以及其它集成電路應用技術和系統設計所需要的理論和技術，用這樣特定的芯片設計應用程序，從而使芯片具備特定的智能。

（2）簡介AT89S52 AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51 產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統可編程Flash，使AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。

AT89S52具有以下標準功能： 8k字節Flash，256字節RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數據指針，三個16 位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態邏輯操作，可選擇節電模式、空閑模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。其引腳圖，如圖3.2所示

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圖3.2 AT89S52的引腳圖

它一共有40個引腳，引腳又分為四類。其中有四個電源引腳，用來接入單片機的工作電源。工作電源又分主電源、備用電源和編程電源。還有兩個時鐘引腳XTAL1、XTAL2。還有由P0口、P1口、P2口、P3口的所有引腳構成的單片機的輸入/輸出（IO）引腳。最后一種是控制引腳，控制引腳有四條，部分引腳具有復位功能。

綜上所述，單片機的引腳特點是：

1、2、單片機多功能，少引腳，使得引腳復用現象較多。

單片機具有四種總線形式：P0和P2組成的16位地址地址總線；P0分時復用為8位數據總線；ALE、PSEN、RST、EA和P3口的INT0、INT1、T0、T1、WR、RD以及P1口的T2、T2EX組成控制總線；而P3口的RXD、TXD組成串行通信總線。

89C52單片機的主要功能 ? ?與MCS-51單片機產品兼容 ?

8K字節在系統可編程Flash存儲器 ? ?1000次擦寫周期 ? ?全靜態操作：0Hz～33Hz 13

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? ?三級加密程序存儲器 ? ?32個可編程I/O口線 ? ?三個16位定時器/計數器 ? ?八個中斷源

? ?全雙工UART串行通道 ? ?低功耗空閑和掉電模式 ? ?掉電后中斷可喚醒 ? ?看門狗定時器 ? ?雙數據指針 ?掉電標識符

3.2.2 電源模塊的設計

直流穩壓電源是一種將220V工頻交流電轉換成穩壓輸出的直流電壓的裝置，它需要變壓、整流、濾波、穩壓四個環節才能完成。直流穩壓電源方框圖

圖3.3 直流穩壓電源的方框圖

其中：

（1）電源變壓器：是降壓變壓器，它將電網220V交流電壓變換成符合需要的交流電壓，并送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。

（2）整流電路：利用單向導電元件，把50Hz的正弦交流電變換成脈動的直流電

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（3）濾波電路：可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電壓。

（4）穩壓電路：穩壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩定，不隨交流電網電壓和負載的變化而變化?？偟脑O計原理圖如圖3.4所示

圖3.4 穩壓電路原理圖

3.2.3 步進電機模塊設計 1.步進電機的工作原理

步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。

雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業知識。

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該步進電機為一四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉動。圖1是該四相反應式步進電機工作原理示意圖。

圖3.5 四相步進電機步進示意圖

開始時，開關SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉子0、3號齒對齊，同時，轉子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產生錯齒。

當開關SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉子轉動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉子會沿著A、B、C、D方向轉動。

四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉動力矩又可以提高控制精度。

單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖2.a、b、c所示：

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51單片機驅動步進電機的方法

通常高壓斬波恒流驅動電路如圖3.6 示。這種電路與單電壓限流型及高低壓驅動相比,步進電機繞阻電流波形的前后沿陡,無頂部下凹的現象,并且在高頻大負載時仍具有較寬的平頂(不下凹),繞阻負載電流也較為恒定,起動和運行的頻率特性都有明顯的提高。繞阻單相通電的電流波形如圖2a 所示。但是,在實際驅動電路的測試中,采用多相通電(步進電機帶載運動)時,由于步進電機繞阻電流頂部的鋸齒波形波動頻率較低(效率一般為幾kHz 到十幾kHz ,與步進電機型號、驅動電壓、驅動電流有關),故電磁噪聲較大。同時,由于運行中步進電機各相繞阻的電感不可避免會發生瞬時變化,以及它們的互感作用,各相繞阻電流會產生局部過沖現象。對于三相步進電機按三相六拍驅動時,其繞阻電流波形如圖2b 所示,出現2～3 個過沖現象。對于大功率步進電機,這種過沖電流是極其有害的,它使步進電機繞阻異常發熱,驅動力矩不夠,系統極有可能發生振蕩。

圖3.6 高壓斬波恒流驅動原理

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圖3.7 繞組電流波形圖

要消除這種電磁噪聲及步進電機繞阻電流局部過沖現象,一般可采用MOSFET 場控晶體管,允許將斬波頻率提高到超聲波段,并采用FWM 技術使各相斬波頻率相同來消除差拍噪聲。在設計應用中,斬波頻率一般應比由環形分配器或單片機輸出的步進驅動脈沖頻率高10 倍以上。在后級功率驅動中,如果采用大功率晶體管開關管來設計,由于它們的工作頻率較低,一般最高的頻率僅有106 Hz ,且它們所要求的驅動功率也較大,驅動線路也較復雜。在晶體管的安全工作區如果選擇裕量較小,通常要發生二次擊穿。MOSFET 是一種單極控制器件,其開關頻率遠比達林頓功率管和大功率三極管高,最高可達109Hz。并且,MOSFET 的輸入阻抗很高,具有自關斷能力,電流放大倍數大,無二次擊穿問題,這使MOS2FET 安全工作區寬,可設計較大的功率。在后級功率放大電路中,采用MOSFET 設計大功率步進電機驅動電源是一個理想的選擇。設計MOSFET 的驅動線路,通常采用MOSFET 專用驅動器件,其原理簡圖如圖3 所示。前極采用高速光電隔離,后極采用NPN 和PNP 三極管互補輸出,提高了MOSFET 驅動電路的快速性。

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圖3.8 MOSFET 專用器件的原理簡圖

MOSFET 的開關頻率由時鐘信號CP 觸發PWM 控制器來實現,各相開關頻率受同一時鐘信號控制,從而達到了各相的同頻斬波。(PWM + MOSFET),步進電機驅動電路原理如圖4 所示:由環形分配器或單片機輸出的步進電機步進脈沖信號進入PWM 控制器,經PWM 控制器處理后分成兩路:一路送入上開關管T1 ,使T1 導通;一路送入下開關管T2 ,使T2 導通。R4 為電流檢測電阻。當步進電機繞阻達到額定值時,其電流值通過電流/ 電壓轉換,輸出一控制電壓進入PWM 控制器。PWM 控制器輸出一調寬脈沖改變上開關管的開通時間,從而達到繞阻恒流的目的。另外,PWM 控制器可對步進電機繞阻電流上升速率作檢測,從而防止繞阻電流過沖現象。在圖4 中,由R1、D2、C1 組成的阻容濾波網絡保護T1 管,由R2、D3、C2 組成的阻容濾波網絡保護T2 管,放電回路中D1、D4 必須選用快恢復續流二極管,適當選擇R3 可使步進電機繞阻電流下降沿變陡。這種電路在實際測試中,波形非常好,其波形如圖2c 所示。在實際使用中,PWM 控制器還有半電流控制端CY,使步進電機在靜止時以半電流鎖定,以減少發熱,降低功耗。19

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圖3.9步進電機驅動電路原理圖

上述驅動電源在對C650 及落地車床的經濟型數控改造中,應用一年多情況良好。Z 向步 進電機選用LB180(靜力矩40 N·m),相電流調至23A ,X 向步進電機選用LB150(靜力矩20 N·m),相電流調至18A ,在X 向未采用滾珠絲桿情況下(無該規格的滾珠絲桿),空載運行實測能保持0101 mm 的步距精度。在加工鑄鋼件時,吃刀深度18 mm 時也不丟步。在三班制工作時,性能也保持相當穩定?？梢?(PWM + MOSFET)是一種優良的大功率步進電機驅動電源。

3.2.4 LCD顯示模塊設計

液晶（Liquid Crystal）是一種高分子材料，因為其特殊的物理、化學、光學特性，20世紀中葉開始廣泛應用在輕薄型顯示器上。液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）的主要原理是以電流刺激液晶分子產生點、線、面并配合背部燈管構成畫面。本次設計采用的是DMF50840液晶顯示器，日本OPTREX 公司生產的 DMF50840液晶是一款性能不錯的液晶顯示模塊。它的分辨率是320*240；顯示效果為藍底白字；背光為 20

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CCFL背光，且為雙電壓的模塊。原裝的DMF50840價格較高，維修困難，國內公司相繼開發出兼容屏。其中廣泛被國內廠家選用的替代屏是杭州清達光電技術有限公司生產的HG320240系列屏，大大降低了中華企業對日本顯示器件的依賴性。

圖3.3 DMF時序圖

表1：DMF引腳說明

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3.2.5 變頻器控制模塊的設計

工作原理

主電路是給異步電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。它由三部分構成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。整流器

最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉。平波回路

在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路構成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。逆變器

同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使6個開關器件導通、關斷就可以得到3相交流輸出。以電壓型pwm逆變器為例示出開關時間和電壓波形?？刂齐娐肥墙o異步電動機供電（電壓、頻率可調）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”組成。

（1）運算電路：將外部的速度、轉矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。

（2）電壓、電流檢測電路：與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。

（3）驅動電路：驅動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導通、22

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關斷。

（4）速度檢測電路:以裝在異步電動機軸機上的速度檢測器(tg、plg等)的信號為速度信號，送入運算回路，根據指令和運算可使電動機按指令速度運轉。

（5）保護電路：檢測主電路的電壓、電流等，當發生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。變頻器的選擇

由于本設計中變頻器的作用是驅動三相異步電動機，其中轉速與頻率的關系為：n=60f/p，根據轉動慣量、負載轉矩，電機的效率等參數選擇變頻器的型號為XHF100-185G/200P-4，它是國內西普公司生產的變頻器，驅動功率為185kw--200kw。

圖3.10 變頻器接線圖

3.2.6 通信接口模塊設計

USB(u niversalse rialb us)是近年發展起來的一種快速、靈活的總線接口。它最大的特點是易于使用、可熱插拔、接口連接靈活，并且能夠提供外設電源川，在嵌人式系統及智能儀表中得到廣泛的應用。而51系列單片機以其優越的性能、成熟的技術、高性價比被廣泛應用于測控儀器等自動化領域。因此用51系列單片機實現USB主機接口，進而實現對USB外設的控制，對提高整個系統的數據存儲、數據傳輸、設備控制等性能都有很大的作用。因此本次設計與PC機的通訊采用USB接口。

51.8 11 H S是Cypress公司推出的具有主/從兩種工作模式的USB控制器[4]，遵循USB1.1 規范，可自動檢測總線速率，支持全速12M bps和低速1.5 M bps設備;具有8位 23

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雙向的數據總線，易與單片機連接;片內256字節的SRAM(其中16字節用于工作寄存器)，用于數據傳輸;可自動產生SOF和CRC5/16，簡化軟件工作量;片內具有根Hub,US B口可以直接外接集線器;支持掛起/喚醒工作模式，減少功耗;支持地址自動加1功能，在連續讀寫過程中，只需設置一次地址，其內部寄存器地址自動增加，這在大容量數據的通信中是非常必要的。

1.2 單片機與SL811H S接口設計

圖 1所 示 是AT89C 51與SL811H S的硬件連接電路111。在本設計中，由于所選用的單片機AT89C51及其外圍元件的工作電壓為5V，而SL811H S的工作電壓為3.3 V，所以系統應提供5V電壓同時要進行電壓轉換。雖然SL811H S可以使用12M Hz晶振，但在實際使用過程中，如果晶振質量不太好，電路穩定性就會比較差，因此，設計時推薦使用48 MHz有源晶振。SL811H S的中斷請求輸出的是高電平，因此需要用反向器把它變換成低電平以滿足AT89C51中斷輸人要求。此外，應注意SL811H S是低電平復位。為了便于調試，系統擴展了液晶顯示器。硬件完成后要進行測試，先向SL811HS 寄存器中寫人數據，之后讀出數據并在液晶顯示器上顯示，如果和寫人的數據相同，說明SL811H S與單片機連接正確。再用示波器觀察有源晶振是否起振，一切正常后便進入軟件調試。

圖3.11 USB硬件接線圖

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第四章 總結

通過這次的課程設計，我對學習了機電一體化系統設計方案的擬定有了一定的認識，涉及的內容廣，包括機電一體化技術單片機原理及應用、機械設計、電機拖動技術、變頻器技術，以及相關的電子技術。本設計是以機電一體化技術為依托，綜合多門學科，實現機電一體化教學平臺的設計?？刂撇糠植捎脝纹瑱C技術，即CPU采用的是Atmel公司的AT89S52單片機，可實現在應用編程和在系統編程，單片機的外圍電路有電源電路、復位電路、晶振電路、鍵盤電路、顯示電路、步進電機驅動電路、USB接口電路、變頻器控制電路等。主軸動力由三相交流異步電機提供，三相交流異步電機采用變頻技術進行變頻調速，變頻調速是一種無極變速技術。顯示部分采用LCD液晶顯示器，顯示的分辨率為320*240。由于X-Y平臺的負載較大，其驅動的步進電機必須采用大功率步進電機，所以其驅動步進電機的電路必須能夠承受高電流。

通過此次課程設計，使我更加扎實的掌握了有關機電一體化技術方面的知識，在設計過程中雖然遇到了一些問題，但經過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經驗不足。實踐出真知，通過親自動手操作，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。

過而能改，善莫大焉。在課程設計過程中，我們不斷發現錯誤，不斷改正，不斷領悟，不斷獲取。最終的檢測調試環節，本身就是在踐行“過而能改，善莫大焉”的知行觀。這次課程設計終于順利完成了，在設計中遇到了很多問題，最后在老師的指導下，終于游逆而解。在今后社會的發展和學習實踐過程中，一定要不懈努力，不能遇到問題就想到要退縮，一定要不厭其煩的發現問題所在，然后一一進行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊斬棘，而不是知難而退，那樣永遠不可能收獲成功，收獲喜悅，也永遠不可能得到社會及他人對你的認可！

課程設計誠然是一門專業課，給我很多專業知識以及專業技能上的提升，同時又是一門講道課，一門辯思課，給了我許多道，給了我很多思，給了我莫大的空間。同時，設計讓我感觸很深。

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參考文獻

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附錄：帶功能注釋的源程序

USB部分驅動程序： 讀單個寄存器: BY TE S L811R ead(B YTEa){SL 81 1H _ADDR二a;ret unr(SL811H _DATA);} 寫單個寄存器: voi dS L8 11W rite(BYTEa ,B YTEd)}S L8 11 H _ADDR=a;SL8 11 H DATA=d;} 連續讀 SL811H S寄存器: voi dS L8 11BufRead(BYTEa ddr,B YTE*s,B YTEc){B YT E c;SL8 11 H _ AD DR=addr;wh ile(c--)*s ++ = S L8 11H_DATA;} 連續寫SL811H S寄存器: voi dS L8 11BufWrite(BYTEa ddr,B YTE*s,B YTEc)}B YT E c;SL8 11 H _ AD DR=addr;wh ile(c--)SL8 11 H _D AT A=*s++;}

第二篇：機電一體化轉臺設計

機電一體化

一維轉臺設計說明書

目 錄

課程設計的目的1 《機電一體化》設計任務及設計參數1

一、系統總體改造方案的確定2

二、工作臺旋轉機械部分的改進2

三、工作臺升降機械部分改進6

四、最佳方案8

五、其他機械部分改進8

六、控制部分方案設計11 小

結14 參考文獻14

設計過程

課程設計的目的

1）學習機電一體化系統總體設計方案擬定、分析與比較的方法。

2）通過對機械系統的設計掌握幾種典型傳動元件與導向元件的工作原理、設計計算方法與選用原則。齒輪同步帶減速裝置、蝸桿副、滾珠絲杠螺母副、直線滾動導軌副等。

3）通過對進給伺服系統的設計，掌握常用伺服電動機的工作原理、計算選擇方法與控制驅動方式，學會選用典型的位移速度傳感器；如交流、步進伺服進給系統，增量式旋轉編碼器，直線光柵等。

4）通過對控制系統的設計，掌握一些典型硬件電路的設計方法和控制軟件的設計思路；如控制系統選用原則、CPU選擇、存儲器擴展、I/O接口擴展、A/D與D/A配置、鍵盤與顯示電路設計等，以及控制系統的管理軟件、伺服電機的控制軟件等。

5）培養學生獨立分析問題和解決問題的能力，學習并初步樹立“系統設計”的思路。6）鍛煉提高學生應用手冊和標準、查閱文獻資料以及撰寫科技論文的能力。

設計參數

設計名稱

轉臺的機電一體化設計。

設計任務 機械部分

說明該機構的工作原理、傳動支撐方式、導向方式、預緊方式等；若有必要，可在提供的CAD圖中按自己認為合理的方式進行修改。設計限位裝置（如接近開關的安裝支座）控制部分

該裝置由兩臺異步電動機驅動，其中一臺電機控制工作臺在90度范圍內往復旋轉，另一臺電機控制工作臺上的托輥轉動，完成工件輸入、停止和輸出的動作。要求用繼電器接觸器控制系統、或PLC、或單片機完成上述動作的控制。

提交的設計文件 設計說明書（A4）。相關電氣參數 3.1電機

Y系列(IP44)小型三相異步電動機技術數據(380V、50Hz).型號:

Y801-2

額定功率/kW:

0.75

鐵心長度/mm:

氣隙長度/mm:

0.3

定子外徑/mm:

120

定子內徑/mm:

定子線規nc-dc:

1-0.63

每槽線數:

并聯支路數:

繞組型式:

單層交叉

節距:

1～9/2～10/18～11

槽數Z1/Z2:

18/16

轉動慣量/(kg·m^2):

0.00075

質量/kg:

PLC(參考)FX2N-32MR-001 電源電壓220V AC 輸出電壓 220V AC

一、系統總體改造方案的確定

我這次課程設計主要針對旋轉工作臺機械部分的改造。將原方案中的由原來的通過電機帶動渦輪蝸桿轉動是工作臺旋轉，由液壓缸伸縮控制工作臺升降；改成由液壓缸升降工作臺使與工作臺固定的軸在特制的套筒按一定的軌跡移動，已達到旋轉特定角度且上升到指定高度的目的；工作臺上升高度可以通過手動控制液壓缸的電磁閥控制。這樣不僅簡化了轉臺整體結構，降低加工制造成本，而且提高了旋轉角度的定位精度。

工作臺傳送工件由電機通過減速器和聯軸器帶動限力式輥軸的轉動，輥軸間通過鏈條連接，已達到傳送工件的目的，而工件的位置則由擋板控制。

二、工作臺旋轉機械部分的改進

1、原方案（圖一）

圖一

該方案的工作過程：電動機正轉經聯軸器帶動蝸桿渦輪使工作轉臺旋轉，當轉到后，電動機停轉，電動機反轉時，工作轉臺回到原來的位置。分析不合理處：

A、該方案中采用三相異步電動機不合理。在工作中電機需頻繁啟動，很容易使電機損壞。

B、電動機與蝸桿直接用聯軸器連接不合理。首先，三相異步電機轉速都較快，而轉臺只需轉半圈，則需要較大傳動比的渦輪蝸桿，結構過大，明顯不適合用在此處。其次，若工作過程中發生卡死故障，由于電動機與蝸桿直接用聯軸器連接，很可能導致燒壞電機并且有可能引發安全事故。

C、軸承端沒有擋油環，不利于潤滑 改進方案

（1）針對A處改進方案 槽輪機構

該方案與方案一的類似，不同之處為聯軸器后面加上了一個槽輪機構（圖三），由槽輪帶動渦輪蝸桿轉動，從而轉動工作臺。其工作原理為撥銷盤以不變的轉速旋轉，撥銷轉過2時，槽輪轉過相鄰兩槽間的夾角為2，在撥銷轉過其余的部分時，即2（），槽輪靜止不動，直到撥銷進入下一個槽內，又重復以上循環，這樣就將撥銷盤的連續運動變為槽輪的間歇運動。

圖二

圖三 槽輪傳動機構分析：

采用槽輪機構具有結構簡單，轉速迅速，從動件能在較短的時間內轉過的較大的角度，傳動效率高，槽輪單位時間內與靜止時間比值相等，由于槽輪的角速度不是常數，轉速的開始和結束有一定大小的速度，從而產生了沖擊，采用鎖緊弧和定位弧定位，其定位精度不是很高，與方案一相比，避免了電機的頻繁啟動，直選首先設置好時間節拍即可，保護了電機的及電路，降低了事故發生的頻率。將三相異步電機換成液壓馬達，因為液壓馬達時將液壓轉換成機械能，不會因頻繁啟動而燒壞。

在電機與聯軸器間增加一個離合器，當工作臺達到指定位置時，松開離合器。而電機可以連續工作。

蝸形凸輪傳動機構

蝸形凸輪傳動機構

（

1、轉盤

2、滾子

3、蝸形凸輪）

圖四、針對B處改進方案

①對于速度較快問題，可以在電機和聯軸器之間加上減速器，降低輸入軸速度。

②而為防止卡死時電機損壞，我們可以將剛性銷連接改成安全銷連接，其結構如下圖。原理當輸出軸扭矩過大時，安全銷會自動切斷，已達到保護電機的效果。還可以在電動機后加一個帶傳動機構，當發生卡死時，帶輪會出現打滑。

原方案

改進后

對比分析：

與前兩種方案相比，只是在聯軸器的后面加上一個蝸形凸輪傳動機構，就能得到如下特點：（1）能得到任意轉位時間和靜止時間之比，其工作時間系數K比槽輪機構??；（2）能實現轉盤所要求的各種運動規律;(3)與槽輪機構相比，能夠用于工作位數較多的設備上，而且不需要加入其它的傳動機構；（4）在一般情況下，凸輪棱邊的定位精度已滿足要求，而不需要其它定位裝置；（5）有足夠的剛度和韌性、裝拆方便；而不足之處為成本較高，與前兩種方案相比，造價是最昂貴的，其效果也是最好的，避免了電機的頻繁啟停，保護了電路和電機，更加安全可靠。

三、工作臺升降機械部分改進

1、原方案（圖七）

圖七

工作原理：

液壓缸工作使工作臺上升，直至超過擋板后，電動機的啟動帶動渦輪蝸桿，使工作臺旋轉，該方案用液壓缸與驅動工作臺上升，太復雜且液壓缸精度要求高，造價昂貴，工作效率不高，耗能大，轉動部分采用電動機帶動渦輪蝸桿，從而使工作臺旋轉，較復雜且渦輪蝸桿造價高，不經濟。

2、改進方案一的設計（圖八）

圖八

本方案的工作原理：

液壓缸工作使桿支撐工作太上升，到曲槽剛好到達工作臺高于擋板，桿沿曲槽上升旋轉到曲槽頂時，剛好旋轉。與原方案相比：

都用了液壓缸，但缺少了電動機帶動渦輪蝸桿使工作臺旋轉，用曲槽代替，結構簡單，節約成本，相比第一種方案好。

改進方案二設計（圖九）

此方案的工作原理：絲桿軸的旋轉可使其在水平方向的移動，使支撐桿伸張和收縮，從而使工作臺的上下移動。

圖九

方案比較：

與前兩種方案相比較，用絲桿代替液壓缸，結構簡單，節約成本，操作方便。綜合考慮：

第三種方案最經濟，前兩種方案都用了液壓缸，第二種方案比第一種方案好，液壓缸精度高，但效率很低，成本不經濟。第三種方案升降部分用絲桿軸的旋轉，旋轉部分用電機帶動渦輪蝸桿，從而地使工作臺旋轉，沒方案二的旋轉部分經濟，但整體考慮，方案三比方案二更好。

四、最佳方案

將工作臺的旋轉和升降設計成由一個系統控制如圖，工作原理：當液壓缸上升時，工作臺帶動軸上升，而軸由于被限制在套筒中，只能按照套筒上所開的槽的軌跡移動。套筒上的槽形軌道是螺旋上升且只旋轉90度。這樣不僅簡化了系統結構，減少成本；而且滿足旋轉精度。

五、其他機械部分改進

1、潤滑密封

原方案中軸的軸承部分（圖十）

圖十

分析：

該方案軸承的下端沒有擋油環，故潤滑脂很容易漏出來，且會有雜質進入潤滑脂中影響軟化效果。

改進后的方案（圖十一）

圖十一

對比分析：

改進后，下端面加擋油環，潤滑時將潤滑油滴入軸承，影響軸承的運轉和壽命，左端增加了一個隙縫密封，在密封隙里加入潤滑脂，在提高密封效果的同時防止了雜質進入軸承，以免損壞軸承。

2、導軌部分（圖十二）

圖十二

分析：

該方案溝槽內部不方便能潤滑，且旋轉是摩擦較大。加工業不經濟，所以得改進。改進后的方案（圖十三）

圖十三

分析對比：

與原方案相比，導軌槽位V型槽，可儲存潤滑劑，加工方便，結構簡單，加工成本低，降低了摩擦阻力，方向精度高，對溫度變化不敏感，工藝性好。升降導軌的設計

考慮到工作臺是豎直方向移動，所以，選用閉式矩形導軌或燕尾槽式導軌，由于這里對導向精度沒有較高要求，我這里選擇閉式矩形導軌如圖

閉式矩形導軌

傳送部分機械改進

原方案

有三相異步電動機通過減速機構再帶動輥筒轉動，使工件達到指定位置，有擋板定位。如圖

這個方案中有擋板定位不夠精確，并且會對擋板產生較大沖擊力，當工件到達擋板后電機還會轉動，使輥筒與工件之間則會產生較大摩擦力。改進方案

將輥筒用限力式輥筒，當工件到達擋板后，電機轉動但輥筒外表面不會轉動。

六、控制部分方案設計 工件傳送控制

工件傳送只需控制電機正反轉即可，采用接觸器聯鎖的正反轉控制?？刂圃恚?/p>

當按下正轉啟動按鈕SB1后，電源相通過熱繼電器FR的動斷接點、停止按鈕SB3的動斷接點、正轉啟動按鈕SB1的動合接點、反轉交流接觸器KM2的常閉輔助觸頭、正轉交流接觸器線圈KM1，使正轉接觸器KM1帶電而動作，其主觸頭閉合使電動機正向轉動運行，并通過接觸器KM1的常開輔助觸頭自保持運行。反轉啟動過程與上面相似，只是接觸器KM2動作后，調換了兩根電源線U、W相（即改變電源相序），從而達到反轉目的。

互鎖原理 ：

接觸器KM1和KM2的主觸頭決不允許同時閉合，否則造成兩相電源短路事故。為了保證一個接觸器得電動作時，另一個接觸器不能得電動作，以避免電源的相間短路，就在正轉控制電路中串接了反轉接觸器KM2的常閉輔助觸頭，而在反轉控制電路中串接了正轉接觸器KM1的常閉輔助觸頭。當接觸器KM1得電動作時，串在反轉控制電路中的KM1的常閉觸頭分斷，切斷了反轉控制電路，保證了KM1主觸頭閉合時，KM2的主觸頭不能閉合。同樣，當接觸器KM2得電動作時，KM2的常閉觸頭分斷，切斷了正轉控制電路，可靠地避免了兩相電源短路事故的發生。這種在一個接觸器得電動作時，通過其常閉輔助觸頭使另一個接觸器不能得電動作的作用叫聯鎖（或互鎖）。實現聯鎖作用的常閉觸頭稱為聯鎖觸頭（或互鎖觸頭）。工作臺升降和旋轉控制

工作臺升降和旋轉采用三位四通電磁閥控制液壓回路，如圖

工作原理：

當有壓力油進入時，回油路的單向閥被打開，壓力油進入工作液壓缸。但當三位四通電磁換向閥（Y型）處于中位或液壓泵停止供油時，兩個液控單向閥把工作液壓缸內的油液密封在里面，使液壓缸停止在該位置上被鎖住。（如果工作液壓缸和液控單向閥都具有良好的密封性能，即使在外力作用下，回路也能使執行元件保持長期鎖緊狀態）。

在圖示位置時，由于Y型三位四通電磁換向閥處于中位，A、B、T口連通，P口不向工作液壓缸供油，保持壓力，缸兩腔連通。此時，液壓泵輸出油液經溢流閥流回油箱，因無控制油液作用，液控單向閥A，B關閉，液壓缸兩腔均不能進排油，于是，活塞被雙向鎖緊。要使活塞向上運動，則需使換向閥1DT通電，左位接入系統，壓力油經液控單向閥A進入液壓缸，同時也進入液控單向閥B的控制油口K，打開閥B，使液壓缸右腔回油經閥B及換向閥流回油箱，同時工作液壓缸活塞向右運動。當換向閥右位接通，液控單向閥B開啟，壓力油打開閥A的控制口K，工作液壓缸向下行，回油經閥A和換向閥T口流回油箱。

當工件在工作臺上定位后，液壓缸上升帶動工作臺旋轉上升，當轉到90度后，可以通過液壓缸控制工作臺高度。工件加工完后，液壓缸回油帶動工作臺下降且旋轉。

全自動控制方案

在按加工需要工作臺首尾兩端各安裝一個傳感器脈沖開關SB1、SB2和導軌上下各安裝一個傳感器脈沖開關SB3、SB4，且每個開關均有手動控制裝置。用PLC控制，其接線圖如圖

圖中接觸器KM1控制電機正轉；接觸器KM2控制電機反轉；接觸器KM3控制三位四通電磁閥左位得電，即液壓缸上升；接觸器KM4控制三位四通電磁閥右位得電，即液壓缸下降。

工作原理：

按下啟動按鈕SB1，線圈KM1得電，KM1主觸頭閉合，電機正轉；當工件接觸到工作臺尾端傳感器，SB2閉合，延時1秒，線圈KM2得電，KM2主觸頭閉合，電磁閥左位得電，液壓缸上升；當導軌滑塊接觸導軌上端傳感器，SB3閉合，延時50秒，等待工件加工后，線圈KM3得電，KM3主觸頭閉合，電磁閥右位得電，液壓缸下降；當導軌滑塊接觸導軌下端傳感器，SB4閉合，延時一秒，線圈KM4得電，KM4主觸頭閉合，電機反轉；當工件接觸到工作臺首端傳感器，SB5閉合，延時5秒，返回前面操作。其梯形圖如圖

小 結

在設計的過程中，我深刻地體會到機電一體化系統的設計，是多學科的交叉與綜合，涉及了大學課程里的大部分知識，是對過去所學知識的一次復習、鞏固和實際的操作，強化訓練了我們的學科融合的思維能力，進一步加強了我們對機電一體化系統設計技術總體思想，初步了解到了設計一個機電一體化系統的方法，培養了一個機電工程師應具備的思維能力。在設計中我學到了很多從書本上無法體會的東西。學習實踐技能得到明顯的提高，使自己的綜合能力得到進一步的提高，從而為自己畢業后更快地適應社會工作打下良好的基礎。但我們還需要在實踐中不斷的學習，提高，掌握新概念、新技術、將來才能成為機電一體化的復合人才。參考文獻

張建民等，機電一體會系統設計（第三版）高等教育出版社，2010

王信義，機電一體化技術手冊（第二版）機械工業出版社，2000

機械設計委員會，機械設計手冊，機械工業出版社2004

李建勇.機電一體化技術.科學出版社.2004

徐灝.機械設計手冊（3）.機械工業出版社,2003

張建民.機電一體化系統設計.北京理工出版社,2004

楊入清.現代機械設計—系統與結構[M].上海:上?？茖W技術文獻出版社,2000

第三篇：機電一體化系統設計

機電一體化系統設計

1、動力系統（動力源）、傳感檢測系統（傳感器）、執行元件系統（如電動機）等五個子系統組成。

2、系統必須具有以下三大“目的功能”：①變換（加工、處理）功能；②傳遞（移動、輸送）功能；③儲存（保持、積蓄、記錄）功能。

3的變換、調整功能，可將接口分成四種：1）零接口；2）無源接口；3）有源接口；4）智能接口。

4、機電一體化系統設計的考慮方法通常有：機電互補法、結合（融合）法和結合法。

5擦、低慣量、高強度、高諧振頻率、適當的阻尼比等要求。

6、為達到上述要求，主要從以下幾個方面采取措施：

1）采用低摩擦阻力的傳動部件和導向支承部件，如采用滾珠絲杠副、滾動導向支承、動（靜）壓導向支承等。

2如用加預緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動導軌副的傳動和支承剛度；采用大扭矩、寬調速的直流或交流伺服電機直接與絲杠螺母副連接以減少中間傳動機構；絲杠的支承設計中采用兩端軸向預緊或預拉伸支承結構等。

3的等效動慣量，盡可能提高加速能力。

5如選用復合材料等來提高剛度和強度，減輕重量、縮小體積使結構緊密化，以確保系統的小型化、輕量化、高速化和高可靠性化。

第四篇：機電一體化

只要你學會了機電一體化的所有課程已經很不錯了，機電一體化課程畫法幾何與機械制圖、工程力學、電工電子技術、機械設計基礎、液壓傳動、金屬材料與金屬工藝學、微機原理與接口技術、C語言程序設計、自動控制原理、機床電氣控制、機電一體化系統設計、數控系統及應用、可編程器原理及應用、計算機輔助設計與制造等，你是學習上面這些內容嗎？如果是的話，就可以找機電廠，電廠，電氣控制設備廠，或普通工廠的機電維修等工作，在工作中，就學點電氣自動化的知識，這樣深化你的機電一體化的知識。只要你認真領會了機電一體化化的實踐知識，去到那里都會很容易找到工作的。因為現在的社會都是機電自動化的社會了。現在中型的小工廠都會用得上 機電一體化，只要有控制機械的工廠都可以去實踐學習。剛開始就是不求工資的高低，只要在實踐中深化自己，有了第一次的就業經驗，第二次就也就會很容易了，因為招聘的人一般都會問你第一次在那里工作。工作的情況，經驗的，你就要好好展示你的才華了。

管理員也可以呀，專門搞畫法幾何與機械制圖、工程力學，C語言程序設計等工作，專門專業是很不錯的，將來社會所有工廠都會陸續進行改造為機電一體化控制。前景無限呀。

至今機電一體化發展已成為一門有著自身體系的新型學科,隨著科學技術的不但發展,還將被賦予新的內容。對機電一體化技術的基本與成長進行了簡要介紹,并闡述了機電一體化的發展進程及未來的發展趨勢。機電一體化是現代技術的必然結果,機電一體化技術是現代科技發展的核心技術,機電一體化專業人才也是現代社會不可或缺的核心人才?，F從機電一體化技術的發展、現狀、前景等方面談機電一體化技術以及培養適應現代社會工業發展需要機電一體化專業高職人才的必要性。機電一體化是我國制造業發展的重要基礎專業之一.但我國目前這個專業高層次人才奇缺,高精尖方向大部分都被國外控制.因此,如果想在這個方面發展,如果有碩士研究生學歷,并有實踐經驗,甚至是博士研究生,那么前途無量的.機電一體化的未來發展趨勢探析

【論文關鍵詞】：光機電一體化；技術特征；發展

【論文摘要】：介紹了光機電一體化技術特征，研究了國內外技術現狀和發展趨勢，指出了未來發展前景和一些重要技術熱點。

近些年來，光機電一體化技術得到迅猛發展，在民用工業和軍事領域得到廣泛地應用。因此，光機電一體化技術成為當今機械工業技術發展的一個主要趨勢。

1.光機電一體化技術特征

光機電一體化系統主要由動力、機構、執行器、計算機和傳感器五個部分組成，相互構成一個功能完善的柔性自動化系統。其中計算機軟硬件和傳感器是光機電一體化技術的重要組成要素。與傳統的機械產品比較，光機電一體化產品具有以下技術特征。

1.1 體積小，重量輕，適應性強，操作更方便

光機電一體化技術使得操作人員擺脫了以往必須按規定操作程序或節后頻繁緊張地進行單調重復操作的工作方式，可以靈活方便地按需控制和改變生產操作程序，任何一臺光機電一體化裝置的動作，可由預設的程序一步一步控制實現，甚至實現操作全自動化和智能化。

1.2 功能增加，精度大幅提高

光機電一體化系統包括以激光、電腦等現代技術集成開發的自動化、智能化機構設備、儀器儀表和元器件。電子技術的采用使得包饋控制 水平提高，運算速度加快，通過電子自動控制系統可精確按預設動作，其自行診斷、校正、補償功能可減少誤差，達到靠單純機械方式所不能實現的工作精度。同時，由于機械傳動部件減少，機械磨損及配合間隙等引起的誤差也大大減小。

1.3 部分硬件實現軟件化，智能化程度提高

傳統機械設備一般不具有自維修或自診斷功能。光機電一體化技術使得電子裝置能按照人的意圖進行自動控制、自動檢測、信息采集及處理、調節、修正、補償、自診斷、自動保護直至自動記錄、顯示、打印工作結果。通過改變程序，指令等軟件內容而無需改動硬件部分就可變換產品的功能，使機械控制功能內容的確定和變化趨勢向“軟件化”和“智能化”。

1.4 產品可靠性得到提高，使用壽命增長

傳統的機械裝置的運動部分，一般都伴隨著磨損及運動部件配合間隙所引起的動作誤差，導致可動摩擦、撞擊、振動等加重，嚴格影響裝置壽命、穩定性和可靠性。而光機電一體化技術的應用，使裝置的可動部件減少，磨損也大為減少，像集成化接近開關甚至無可動部件、無機械磨損。因此，裝置的壽命提高，故障率降低，從而提高了產品的可靠性和穩定性。

1.5 融合了多種學科新技術，衍生出許多功能更強、性能更好的新產品

光機電一體化產品的研究開發涉及到許多學科和專業知識，包括數學、物理學、化學、聲學、機械工程學、電力電子學、電工學、系統工程學、光學、控制論、信息論和計算機科學等。例如人們很熟悉的靜電復印機、彩色印像機等，就是一種由機、電、光、磁、化學等多種學科和技術復合創新的新型產品。光機電一體化技術將光電子技術、傳感器技術、控制技術與機械技術各自的優勢結合起來，衍生出許多功能更強、性能更好的新一代技術裝備。

1.6 產品系統性增強，各部分系統間協調性要求提高

光機電一體化是一門學科的邊緣科學技術，多種技術的綜合及多個部分的組合，使得光機電一體化技術及產品更具有系統性、完整性和科學性。其各個組成部分在綜合成一個完整的系統中相互配合有嚴格的要求，這就要求各種技術揚長避短，提高系統協調性。

2.研究現狀和發展趨勢

2.1研究現狀

自從我國實行改革開放以來，科技領域急起直追，我國的光機電一體化技術已取得明顯的成效，數控產品有了很大的提高，尤其是經濟型靈敏數控裝置發展很快，是我國特有的經濟實用產品，不但適用國內市場的需要，部分產品還隨主機配套出口。國內的機械產品采用可編程控制器（PC）和微電子技術控制設備也越來越多，覆蓋面也日益擴大，從紡織機械、軸承加工設備、機床、注塑機到橡膠輪胎成型機、重型機械、輕工業機械都是如此，我國自行研制和生產的光機電設備，在質量上也有重大突破，為今后的推廣應用打下了良好的基礎。

2.2 發展趨勢

光機電一體化技術已經滲透到各個學科、領域，成為一種新興的學科，并逐漸成為一種產業，而這些產業作為新的經濟增長點越來越受到高度重視。

從世界科學技術的發展情況來看，光機電一體化技術的未來技術熱點主要包括：

（1）激光技術

1）高單色性，利用激光高單色性作精密測量時，可極大地提高測量精度和量程。

2）高方向性，因具有很遠距離傳輸光能和傳輸控制指令的能力，從而可以進行遠距離激光通信、激光測距、激光雷達、激光導航以及遙控。

3）高亮度性，利用激光的高亮度特性，中等亮度激光束在焦點附近可產生幾千到幾萬度的高溫，可使照射點物體熔化或汽化，對各種各樣材料和產品進行特種加工。

4）相干性，由于激光速頻率單

一、相位方向相同。適用于激光通信、全息照相、激光印刷以及光學計算機的研制，而在實際運用中也會通過一些激光技術改變激光輻射的特性，應用范圍更廣。

（2）傳感檢測技術

1）激光準直，能夠測量平直度、平面度、平行度、垂直度，也可以做三維空間的基準測量。

2）激光測距，其探測距離遠，測距精度高，抗干擾性強，體積小，重量輕，但受天然影響大。

3）光纖探測器，在目標很小，間隔受限或危險的環境中，最常選用的是光纖探測器。

其他還有激光打孔、刻槽=標記、光化學沉積等加工技術。

（3）激光快速成型技術

激光快速成型是利用計算機將復雜的三維物體轉化為二維層，將熱塑性塑料粉末或膠粘襯底片材紙張燒結，由點、線構造零件的面（層），然后逐層成型。激光快速成型技術可使新產品及早投放市場，極大地提高了汽車生產企業對市場的適應能力和產品的競爭能力。

（4）光能驅動技術

利用光致變形材料可制作光致動器和光機器人?，F已研制成功一種光致動器，其工作原理是將光照在形狀記憶合金上，反復地通、斷使材料伸縮，再利用感溫磁性體的溫度特性，將材料末端吸附在襯底上。利用材料本身的伸縮和端部的吸附特性，加上光的通斷便能實現所要求的動作。實驗驗證，該致動器能可在頂面步行。這種狀態目標處于初級階段，如果能發現具有優異光作用特性的動態物質，則可使光能驅動技術廣泛應用。

3.結語

技術上的改革和與之相配套的技術支持是創新技術的基礎。開發光機電一體化產品有不同的層次和靈活的自由度。在機械技術中恰當地引入電子技術，產品的面貌和行業的面貌就可以迅速發生巨大變化。產品一旦實現光機電一體化，便具有很高的功能水平和附加價值，將給開發生產者和用戶帶來巨大的社會經濟效益。

參考文獻

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梁進秋.微光機電系統國內外研究進展.光機電信息，2000（8）

宋云奪編譯.光機電一體化業的未來.光機電信息，2003（12）

左鐵釧、施定源、陳鎧.激光加工技術的優勢及在工業生產中的應用.激光雜志，1999（4）

王家淳.激光焊接技術的發展與展望.激光技術，2001（2）

第五篇：機電一體化

機電一體化

機電一體化又稱機械電子學，英語稱為Mechatronics，它是由英文機械學Mechanics的前半部分與電子學Electronics的后半部分組合而成。機電一體化最早出現在1971年日本雜志《機械設計》的副刊上，隨著機電一體化技術的快速發展，機電一體化的概念被我們廣泛接受和普遍應用。隨著計算機技術的迅猛發展和廣泛應用，機電一體化技術獲得前所未有的發展。現在的機電一體化技術，是機械和微電子技術緊密集合的一門技術，他的發展使冷冰冰的機器有了人性化，智能化。

具體內容

（1）機械技術

（2）計算機與信息技術

（3）系統技術

（4）自動控制技術

（5）傳感檢測技術

（6）伺服傳動技術

階段

1、模型階段

2、測試階段

3、原型階段

組成要素與四大原則

1.五大組成要素

2.四大原則 選型與設計

課程簡介

就業前景

發展方向

光機電一體化技術

具體內容

（1）機械技術

（2）計算機與信息技術

（3）系統技術

（4）自動控制技術

（5）傳感檢測技術

（6）伺服傳動技術 階段

模型階段

測試階段

原型階段

組成要素與四大原則

1.五大組成要素 2.四大原則 選型與設計 課程簡介 就業前景 發展方向

光機電一體化技術 展開

定義：機電一體化技術是將機械技術、電工電子技術、微電子技術、信息

機電一體化

技術、傳感器技術、接口技術、信號變換技術等多種技術進行有機地結合，并綜合應用到實際中去的綜合技術。是現代化的自動生產設備幾乎可以說都是機電一體化的設備。

中國機電設計邁入PLM全新階段，正挑戰著了前所未有的，不可預測的難題，一個個久戰沙場經久不衰精兵良將正褪去了昨日英雄的光環，唯有CAMEL VIEW 能夠勝任軍統三國，光復舊業的重任，此時數系科技與德國iXtronics GmbH公司攜手共同開拓機電設計領域的新篇章，CAMEL VIEW 作為機電一體化設計系統，從產品的概念設計到產品性能的測試、驗證、通過都是一體化的，流程化的、規范化的，在滿足用戶設計的前提下，數值實驗的仿真與結果的驗證無不精確化，支持復雜環境下，多工況，多耦合場設計。

編輯本段介紹

研究將電子器件的信息處理和控制功能附加或融合在機械 裝置中的一種復合化技術。俗稱機電一體化。機械電子學(mechatronics)是由機械學(mechanics)和電子學(electronics)兩個詞結合而成的新詞。其全稱為機械電子工程學，英語為mechanical and electronical engineering。機

機電一體化

械電子學主要研究目的是把機械技術與微電子技術和信息技術有機地結合為一體，實現整個系統的最優化。機械電子學可以充分發揮機械技術、微電子技術和信息技術的各自的長處和特點，促進機械產品的更新換代。機械電子學系統主要由機械主體、傳感器、信息處理和執行機構等部分組成。較高級的系統不但有硬件，而且還有相應的軟件,利用軟件技術可以實現硬件難以實現的功能,使機械系統增加柔性。典型的機械電子系統有數控機床、加工中心、工業機器人等。機械電子學技術除用于單個機器、設備或一般的生產系統的技術改造之外，還用于柔性制造系統、計算機集成制造系統、工廠自動化、辦公自動化、家庭自動化等方面。

編輯本段內容 具體內容

（1）機械技術

機械技術是機電一體化的基礎，機械技術的著眼點在于如何與機電一體化技

機電一體化

術相適應，利用其它高、新技術來更新概念，實現結構上、材料上、性能上的變更，滿足減小重量、縮小體積、提高精度、提高剛度及改善性能的要求。在機電一體化系統制造過程中，經典的機械理論與工藝應借助于計算機輔助技術，同時采用人工智能與專家系統等，形成新一代的機械制造技術。

（2）計算機與信息技術

其中信息交換、存取、運算、判斷與決策、人工智能技術、專家系統技術、神經網絡技術均屬于計算機信息處理技術。

（3）系統技術

系統技術即以整體的概念組織應用各種相關技術，從全局角度和系統目標出發，將總體分解成相互關聯的若干功能單元，接口技術是系統技術中一個重要方面，它是實現系統各部分有機連接的保證。

（4）自動控制技術

其范圍很廣，在控制理論指導下，進行系統設計，設計后的系統仿真，現場調試，控制技術包括如高精度定位控制、速度控制、自適應控制、自診斷校正、補償、再現、檢索等。

機電一體化

（5）傳感檢測技術

傳感檢測技術是系統的感受器官，是實現自動控制、自動調節的關鍵環節。其功能越強，系統的自動化程序就越高?，F代工程要求傳感器能快速、精確地獲取信息并能經受嚴酷環境的考驗，它是機電一體化系統達到高水平的保證。

（6）伺服傳動技術

包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置，伺服系統是實現電信號到機械動作的轉換裝置與部件、對系統的動態性能、控制質量和功能有決定性的影響。

編輯本段階段 模型階段

模型階段，所有的系統組件都能夠被最優化；

在仿真計算的幫助下，可以測試和分析這些組件的適用性；監測響應頻率；

對模型進行分析。此外，還能夠生成一個物理/拓撲系統模型，包括機械、液壓和控制導向組件。有必要有一個模型工具，這個工具支持機電一體化系統的物理模型，即當有實物和節點時，這些模型能夠以1：1來測試，并且原型設計研究階段可以在嚴酷的實時條件下進行。

測試階段

在系統運行完模型階段之后，所產生的具體的性能數據可以通過試驗臺驗證。這

機電一體化

樣就可以測試和檢驗該系統有關參數波動的魯棒性，功率儲備及連續運行的特征。這樣做的話，用戶可以進行測試或者使用CAMeL-View TestRig進行硬件在回路（的測試）。要進行硬件在回路測試，相關裝置的物理特性需要詳細確認，這些裝置必須是建立在測試平臺的基礎之上。識別經過測試平臺上測試過的組件，容許這些組件在模型中被識別，并確保整個以系統為基礎的仿真分析布局。

原型階段

成功的測試之后，就會建立一個原型。這里要特別關注的是模型特性，這些特性特指通過特別費力的仿真所決定的特性，比如組件損耗（性能）。這些數據結果，為模型基礎性分析提供服務，同時為進一步研發提供知識基礎。

編輯本段組成要素與四大原則 1.五大組成要素

一個機電一體化系統中一般由結構組成要素、動力組成要素、運動組成要素、感知組成要素、職能組成要素五大組成要素有機結合而成。機械本體（結構組成要素）是系統的所有功能要素的機械支持結構，一般包括有機身、框架、支撐、聯接等。動力驅動部分（動力組成要素）依據系統控制要求，為系統提供能量和動力以使系統正常運行。測試傳感部分（感知組成要素）對系統的運行

機電一體化

所需要的本身和外部環境的各種參數和狀態進行檢測，并變成可識別的信號，傳輸給信息處理單元，經過分析、處理后產生相應的控制信息?？刂萍靶畔⑻幚聿糠郑毮芙M成要素）將來之測試傳感部分的信息及外部直接輸入的指令進行集中、存儲、分析、加工處理后，按照信息處理結果和規定的程序與節奏發出相應的指令，控制整個系統有目的的運行。執行機構（運動組成要素）
根據控制及信息處理部分發出的指令，完成規定的動作和功能。

機電一體化系統一般由機械本體、檢測傳感部分、電子控制單元、執行器和動力源5個組成部分構成。

2.四大原則

構成機電一體化系統的五大組成要素其內部及相互之間都必須遵循結構耦合、運動傳遞、信息控制與能量轉換四大原則。接口耦合：兩個需要進行信息交換和傳遞的環節之間，由于信息模式不同（數字量與模擬量，串行碼與并行碼，連續脈沖與序列脈沖等）無法直接傳遞和交換，必須通過接口耦合來實現。而兩個信號強弱相差懸殊的環節之間，也必須通過接口耦合后，才能匹配。變換放大后的信號要在兩個環節之間可靠、快速、準確的交換、傳遞，必須遵循一致的時序、信號格式和邏輯規范才行，因此接口耦合時就必須具有保證信息的邏輯控制功能，使信息按規定的模式進行交換與傳遞。

能量轉換：

兩個需要進行傳輸和交換的環節之間，由于模式不同而無法直接進行能量的轉換和交流，必須進行能量的轉換，能量的轉換包括執行器，驅動器和他們的不同類型能量的最優轉換方法及原理。

信息控制：在系統中，所謂智能組成要素的系統控制單元，在軟、硬件的保證下，完成信息的采集、傳輸、儲存、分析、運算、判斷、決策，以達到信息控制的目的。對于智能化程度高

機電一體化 的信息控制系統還包含了知識獲得、推理機制以及自學習功能等知識驅動功能。

運動傳遞：運動傳遞使構成機電一體化系統各組成要素之間，不同類型運動的變換與傳輸以及以運動控制為目的的優化。

三、自動化技術：

所謂自動化技術，是指人類利用各種技術手段和方法來代替人去完成各種測試、分析、判斷和控制工作，以現實預期的目標、功能。一個自動化系統通常由多個環節要素組成，以完成信息的獲取、信息的傳遞、信息的轉換、信息的處理及信息的執行等功能，最后實現自動運行目標。

編輯本段選型與設計

控制系統各功能元件的選型與設計：

1．單片機選用INTEL公司生產的8031單片機

單片機，它主要通過并行8255口擔負控制系統的信號處理：接收系統對轉矩、閥門開

機電一體化

啟、關閉及閥門開度等設定信號，并提供三相PWM波發生器所需要的控制信號；處理IPM發出的故障信號和報警信號；處理通過模擬輸入口接收的電流、電壓、位置等檢測信號；提供顯示電動執行機構的工作狀態信號；執行控制系統來的控制信號，向控制系統反饋信號；

2．三相PWM波發生器 PWM波的產生通常有模擬和數字兩種方法。模擬法電路復雜，有溫漂現象，精度低，限制了系統的性能；數字法是按照不同的數字模型用計算機算出各切換點，并存入內存，然后通過查表及必要的計算產生PWM波，這種方法占用的內存較大，不能保證系統的精度。為了滿足智能功率模塊所需要的PWM波控制信號，保證微處理器有足夠的時間進行整個系統的檢測、保護、控制等功能，文中選用MITEL公司生產的SA8282作為三相PWM發生器。SA8282是專用大規模集成電路，具有獨立的標準微處理器接口，芯片內部包含了波形、頻率、幅值等控制信息。

3．智能逆變模塊IPM 為了滿足執行機構體積小，可靠性高的要求，電機電源采用智能功率模塊IPM。該執行機構主要適用功率小于5．5kW的三相異步電機，其額定電壓為380V，功率因數為0．75。經計算可知，選用日本產的智能功率模塊PM50RSA120可以滿足系統要求。該功率模塊集功率開關和驅動電路、制動電路于一體，并內置過電流、短路、欠電壓和過熱保護以及報警輸出，是一種高性能的功率開關器件。

4．位置檢測電路 位置檢測電路是執行機構的重要組成部分，它的功能是提供準確的機電一體化

位置信號。關鍵問題是位置傳感器的選型。在傳統的電動執行機構中多采用繞線電位器、差動變壓器、導電塑料電位器等。繞線電位器壽命短被淘汰。差動變壓器由于線性區太短和溫度特性不理想而受到限制。導電塑料電位器目前較為流行，但它是有觸點的，壽命也不可能很長，精度也不高。筆者采用的位置傳感器為脈沖數字式傳感器，這種傳感器是無觸點的，且具有精度高、無線性區限制、穩定性高、無溫度限制等特點。

5、電壓、電流及檢測 檢測電壓、電流主要是為了計算電機的力矩，以及變頻器輸出回路短路、斷相保護和逆變模塊故障診斷。由于變頻器輸出的電流和電壓的頻率范圍為0～50Hz，采用常規的電流、電壓互感器無法滿足要求。為了快速反映出電流的大小，采用霍爾型電流互感器檢測IPM輸出的三相電流，對于IPM輸出電壓的檢測采用分壓電路。

6)、通訊接口為了實現計算機聯網和遠程控制，選用MAX232作為系統的串行通訊接口，MAX232內部有兩個完全相同的電平轉換電路，可以把8031串行口輸出的TTL電平轉換為RS－232標準電平，把其它微機送來的RS－232標準電平轉換成TTL電平給8031，實現單片機與其它微機間的通訊。

7．時鐘電路時鐘電路主要用來提供采樣與控

制周期、速度計算時所需要的時間以及日歷。文中選用時鐘電路DS128

機電一體化

87。DS12887內部有114字節的用戶非易失性RAM，可用來存入需長期保存的數據。

8．液晶顯示單元 為了實現人機對話功能，選用MGLS12832液晶顯示模塊組成顯示電路。采用組態顯示方式。通過菜單選擇，可分別對閥門、力矩、限位、電機、通訊和參數等信號進行設置或調試。并采用文字和圖形相結合的方式，顯示直觀、清晰。

9．程序出格自恢復電路為了保證在強干擾下程序出格時系統能夠自動地恢復正常，選用MAX705組成程序出格自恢復電路，監視程序運行。如圖2-3所示，該電路由MAX705、與非門及微分電路組成。工作原理為：一旦程序出格，WDO由高變低，由于微分電路的作用，由“與非”門輸入引腳2變為高電平，引腳2電平的這種變化使“與非”門輸出一個正脈沖，使單片機產生一次復位，復位結束后，又由程序通過P1．0口向MAX705的WDI引腳發正脈沖，使WDO引腳回到高電平，程序出格自恢復電路繼續監視程序運行。

編輯本段課程簡介

核心課程

機械制圖、電氣CAD工程實踐、電工技術基礎、工程力學、機械設計基礎、機械加工工藝、數控機床編程、單片機原理與應用、電子技術基礎、檢測與傳感技術、液壓與氣動技術、機床電氣控制(電機與電氣控制)、PLC、電力電子技術、數控加工工藝與編程、數控機床與維修、機電一體化技術（機電控制技術）、自動化控制原理（PC控制與組態）、供配電技術等。

實訓課程

電工技術基礎實訓、金工實習、電子技術基礎實訓、單片機原理與應用實訓、液壓傳動實訓、電力拖動控制線路實訓、PLC編程實訓、數控機床維修實訓、畢業實訓、職業生涯規劃、大學生涯規劃、職業環境認知、成功素養拓展、工作能力提升、激情自主創業、求職過程勝出、初涉職場轉型等。

專業軟件

設計制圖：AUTO CAD、UG、solidworks、3ds max等

編程仿真：PLC編程setp7（西門子PLC組態編程調試軟件）、；51單片機編程keil（AT89系列、8051內核）仿真Proteus（很多單片機支持C++，包括凌陽十六位單片機）；數控編程仿真斯沃數控、宇龍數控仿真系統；維修仿真數控機床維修仿真軟件。

PC組態軟件：wincc(西門子)、組態王、昆侖組態等。

電子仿真：NI Multisim、Proteus 等

液壓與氣動仿真：AMEsim、MSC等

培養目標與就業方向

1、培養學生具有機、電、液一定的理論知識和較強的實踐技能。

2．具有機械加工設備的初步操作技能和數控加工、數控編程的能力。

3．具備從事機電技術必需的理論知識和綜合職業能力的機電設備、自動化設備和生產線的運行與維護人員，并具有設備改造能力的高等技術綜合性應用型人才。

4．能在機電設備制造企業、從事機電產品設計與開發、企業與車間生產技術管理等工作，以及機電一體化設備的安裝、調試、維修、銷售及管理；普通機床的數控化改裝等。

編輯本段就業前景

機電一體化是指在機構得主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術,將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來所構成的系統的總稱.目前實操性人才缺乏,各企業高薪聘請機電一體化專業人才,在深圳地區例如:富士康、三星、華為、等一線企業擁有大量高薪職位就業前景十分廣闊.以下由工控行業網為您進行的機電一體專業就業前景的方向分析。

機電一體專業就業方向

1、從事機電一體化液體灌裝生產線及商品包裝自動化機械運行、維護、管理、技術改造等工作的機電一體化高等技術應用性專門人才.可在大型啤酒、飲料、食品及商品包裝生產企業從事現代化自動機與生產線的維護和管理工作,也可在相關的自動機與生產線的生產廠家或設計部門、營銷單位從事技術工作.2、機電一體化專業(計算機輔助設計與制造方向)

從事機電產品的計算機輔助設計(CAD)與計算機輔助制造(CAM),并熟練使用和維修數控加工設備的機電一體化高等技術應用性專門人才.可在模具設計也制造、機械加工、塑料、五金、電子產品、計算機生產等企業從事數控機床的加工工藝設計編程,數控機床的調試、維護及加工操作,從事生產和技術管理工作,也可以從事國內外數控設備的營銷工作.3、機電一體化專業(模具CAD/CAM方向)

從事利用計算機技術和數控加工技術對模具進行設計和制造等工作的機電一體化高等技術應用性專門人才.可在模具、機械、五金、塑料、家電等生產企業從事模具計算機輔助設計與制造等方面的技術工作,也可在企事業單位從事與本專業有關的經營、管理工作.4、機電一體化專業(機電CAD技術方向)

在機電一體化產品、設備的設計、制造、維修、管理、技術改造與服務過程中專門從事用電腦繪圖設計、信息處理和資料管理的高等技術應用性專門人才.可在機械設計、制造與裝備行業、模具制造業,輕工、家用電器、電子制造業從事設計、制造、技術改造、產品營銷、設備管理與維護等工作.機電一體專業就業前景

有關研究報告顯示機電一體化“一詞最早是日本提出的,在上世紀80年代初,日本名古屋大學最早設置了機電一體化專業.如今已改稱為”機械電子工程“專業;在高職高專則仍延用機電一體化專業名稱.機電一體化專業是精密機械--電子技術(含電力電子)--計算機技術等多門學科交叉融合的產物,屬高新技術,也是當前發展最快的技術之一,它是先進制造技術的主要組成部分.它的發展推動了當前制造技術的迅速更新換代,是產品向高、精、快迅速邁進,使勞動生產率迅速提高.由于我國逐漸成為世界制造業基地加上傳統企業面臨大規模的技術改造與設備更新,國內急需大量先進制造技術專業人才.因此該專業畢業生就業前景很好,而且待遇也高.畢業生主要在各行政、企業、事業單位從事機械、電氣工程、常用電器的維修、安裝與調試以及技術管理等工作.機電一體化專業就業前景到底怎樣呢?市場調研發現機電一體化專業是一個寬口徑專業,適應范圍很廣,學生在校期間除學習各種機械、電工電子、計算機技術、控制技術、檢測傳感等理論知識外,還將參加各種技能培訓和國家職業資格證書考試,充分體現重視技能培養的特點.學生畢業后主要面向珠江三角洲各企業、公司,從事加工制造業,家電生產和售后服務,數控加工機床設備使用維護,物業自動化管理系統,機電產品設計、生產、改造、技術支持,以及機電設備的安裝、調試、維護、銷售、經營管理等等。[1] 編輯本段發展方向

機電一體化向智能化方向邁進.20世紀90年代后期，各主要發達國家開始了機電一體化技術向智能化方向邁進的新階段。一方面，光學、通信技術等進入了機電一體化，微細加工技術也在機電一體化中嶄露頭腳，出現了光機電一體化和微機電一體化等新分支；另一方面，對機電一體化系統的建模設計、分析和集成方法，機電一體化的學科體系和發展趨勢都進行了深入研究。同時，由于人工智能技術、神經網絡技術及光纖技術等領域取得的巨大進步，為機電一體化技術開辟了發展的廣闊天地，也為產業化發展提供了堅實的基礎。

關注六個發展方向：

機電一體化是集機械、電子、光學、控制、計算機、信息等多學科的交叉綜合，它的發展和進步依賴并促進相關技術的發展和進步。未來機電一體化的主要發展方向有：

1．智能化。智能化是21世紀機電一體化技術發展的一個重要發展方向。人工智能在機電一體化建設者的研究中日益得到重視，機器人與數控機床的智能化就是重要應用。這里所說的“智能化”是對機器行為的描述，是在控制理論的基礎上，吸收人工智能、運籌學、計算機科學、模糊數學、心理學、生理學和混沌動力學等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標。誠然，使機電一體化產品具有與人完全相同的智能，是不可能的，也是不必要的。但是，高性能、高速的微處理器使機電一體化產品賦有低級智能或人的部分智能，則是完全可能而必要的。

2．模塊化。模塊化是一項重要而艱巨的工程。由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多，研制和開發具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、環境接口的機電一體化產品單元是一項十分復雜但又是非常重要的事。如研制集減速、智能調速、電機于一體的動力單元，具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的控制單元，以及各種能完成典型操作的機械裝置。這樣，可利用標準單元迅速開發出新產品，同時也可以擴大生產規模。這需要制定各項標準，以便各部件、單元的匹配和接口。由于利益沖突，近期很難制定國際或國內這方面的標準，但可以通過組建一些大企業逐漸形成。顯然，從電氣產品的標準化、系列化帶來的好處可以肯定，無論是對生產標準機電一體化單元的企業還是對生產機電一體化產品的企業，規?；瘜⒔o機電一體化企業帶來美好的前程。

3．網絡化。20世紀90年代，計算機技術等的突出成就是網絡技術。網絡技術的興起和飛速發展給科學技術、工業生產、政治、軍事、教育及人們的日常生活都帶來了巨大的變革。各種網絡將全球經濟、生產連成一片，企業間的競爭也將全球化。機電一體化新產品一旦研制出來，只要其功能獨到，質量可靠，很快就會暢銷全球。由于網絡的普及，基于網絡的各種遠程控制和監視技術方興未艾，而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品?，F場總線和局域網技術是家用電器網絡化已成大勢，利用家庭網絡(home net)將各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家電系統(computer integrated appliance system，CIAS)，使人們在家里分享各種高技術帶來的便利與快樂。因此，機電一體化產品無疑將朝著網絡化方向發展。

4．微型化。微型化興起于20世紀80年代末，指的是機電一體化向微型機器和微觀領域發展的趨勢。國外稱其為微電子機械系統(MEMS)，泛指幾何尺寸不超過1立方厘米的機電一體化產品，并向微米、納米級發展。微機電一體化產品體積小、耗能少、運動靈活，在生物醫療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優勢。微機電一體化發展的瓶頸在于微機械技術，微機電一體化產品的加工采用精細加工技術，即超精密技術，它包括光刻技術和蝕刻技術兩類。

5．綠色化。工業的發達給人們生活帶來了巨大變化。一方面，物質豐富，生活舒適；另一方面，資源減少，生態環境受到嚴重污染。于是，人們呼吁保護環境資源，回歸自然。綠色產品概念在這種呼聲下應運而生，綠色化是時代的趨勢。綠色產品在其設計、制造、使用和銷毀的生命過程中，符合特定的環境保護和人類健康的要求，對生態環境無害或危害極少，資源利用率極高。設計綠色的機電一體化產品，具有遠大的發展前途。機電一體化產品的綠色化主要是指，使用時不污染生態環境，報廢后能回收利用。

6．系統化。系統化的表現特征之一就是系統體系結構進一步采用開放式和模式化的總線結構。系統可以靈活組態，進行任意剪裁和組合，同時尋求實現多子系統協調控制和綜合管理。表現之二是通信功能的大大加強，特別是“人格化”發展引人注目，即未來的機電一體化更加注重產品與人的關系。機電一體化的人格化有兩層含義。一是機電一體化產品的最終使用對象是人，如何賦予機電一體化產品人的智能、情感、人性顯得越來越重要，特別是對家用機器人，其高層境界就是人機一體化。另一層含義是模仿生物機理，研制各種機電一體化產品。

編輯本段光機電一體化技術

光機電一體化技術是微電子技術、計算機技術、控制技術、光學技術與機械技術的相互交叉與融合，是諸多高新技術產業和高新技術裝備的基礎。它包括產品和技術兩方面：光機電一體化產品是集光學、機械、微電子、自動控制和通信技術于一體的高科技產品，具有很高功能和附加值；光機電一體化技術是指其技術原理和使光機電一體化產品得以實現，使用和發展的技術。

光機電一體化技術是由光學，光電子學，電子信息和機械制造及其他相關技術交叉與融合構成的綜合性高新技術是諸多高新技術產業和高新技術裝備的基礎。它豐富和拓寬了光機電一體化技術的內涵和外延。