机电一体化系统设计论文

机电一体化系统设计论文（精选8篇）

篇1：机电一体化系统设计论文

机电一体化系统设计

1、动力系统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件系统（如电动机）等五个子系统组成。

2、系统必须具有以下三大“目的功能”：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。

3的变换、调整功能，可将接口分成四种：1）零接口；2）无源接口；3）有源接口；4）智能接口。

4、机电一体化系统设计的考虑方法通常有：机电互补法、结合（融合）法和结合法。

5擦、低惯量、高强度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。

6、为达到上述要求，主要从以下几个方面采取措施：

1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，如采用滚珠丝杠副、滚动导向支承、动（静）压导向支承等。

2如用加预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动和支承刚度；采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接以减少中间传动机构；丝杠的支承设计中采用两端轴向预紧或预拉伸支承结构等。

3的等效动惯量，尽可能提高加速能力。

5如选用复合材料等来提高刚度和强度，减轻重量、缩小体积使结构紧密化，以确保系统的小型化、轻量化、高速化和高可靠性化。

篇2：机电一体化系统设计论文

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：

篇3：机电一体化系统设计

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

篇4：机电一体化教学实验系统设计探析

［关键词］机电一体化 机械本体 电气控制

［作者简介］林若森（1960- ），男，广东兴宁人，柳州职业技术学院机电工程系系主任，副教授，从事机械制造教学与研究工作；唐冬雷（1964- ），男，广西全州人，柳州职业技术学院电子电气工程系系主任，副教授，从事电力系统及自动化教学与研究工作；黄力（1969- ），男，广西巴马人，柳州职业技术学院副教授，硕士，从事计算机控制教学与研究工作。（广西 柳州 545006）

［基金项目］本文系广西教育科学“十五”规划B类重点课题“高职高专产学结合及实验实训一体化模式的研究与实践”的研究成果（课题编号：2005B084，批准文号：桂教科学［2005］1号）。

［中图分类号］G642.0［文献标识码］A［文章编号］1004-3985（2007）29-0112-02

一、机电一体化教学实验设备现状

当前社会经济的发展，不仅毕业生要有广博的知识面，而且要求他们具有较强的解决实际问题的能力。因此，在教学中，我们不仅要注重知识的积累，而且要加强对学生思维能力、实践能力、开拓创新能力的培养。落实到实验教学上，如何把学生推到实验主体的位置上，充分挖掘和发挥学生的主动性、创造性，引导他们向自己的未知领域迈进是至关重要的。在实验平台的设计上，既要体现实验的系统性、综合性、实践性，又要体现分层次、可扩展的特点，以利于学生创新思维的培养。

从机电一体化专业实验教学的实际情况来看，机械类课程无论在基础实验和应用实验上都比较完善，而电类、机电结合的实验相对薄弱，缺乏具有机电一体化特色的实验教学平台，学生对机电一体化专业知识的应用缺乏感性认识，难以掌握解决实际问题的能力。针对上述问题，我们通过多年摸索，设计了模块化的机电一体化实验系统。

二、机电一体化教学实验系统设计的发展方向

（一）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非常重要的事。例如，研制集减速、智能调速、电机于一体的动力单元，具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元，以及各种能完成典型操作的机械装置时，我们可利用标准单元迅速开发出新产品、扩大生产规模。而这就需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。无论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来说，模块化都将给它们带来美好的前程。

（二）网络化

20世纪90年代，网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育等日常生活都带来了巨大的变革。各种网络将全球经济、生产连成一片，企业间的竞争也将实现全球化。机电一体化新产品一旦研制出来，只要其功能独到，质量可靠，很快就会畅销全球。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，利用现场总线和局域网技术使家用电器网络化已成大势，家庭网络（home net）就是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），它使人们在家里就可以享受高科技带来的便利与快乐。因此，机电一体化产品无疑要朝着网络化方向发展。

三、机电一体化教学实验系统的一般构成

典型的机电一体化系统主要由以下几部分构成，如图1所示。

（一）机械本体

机电一体化产品中一定有运动机械，包括传动机构和运动机械本体。采用电子技术运动机械可实现柔性化和智能化，实现在重载条件下的微小运动和复杂运动，这是机电一体化追求的目标。

（二）驱动元件

驱动运动机械动作，有气动、电动和液压等不同驱动方式。

（三）检测元件

它主要负责检测运动机构或其他需要监测的物理量，并将信息送回信息处理与控制部分，是发送控制信息的依据。

（四）信息处理与控制部分

它是进行信息处理与控制的核心。其中软件和硬件的功能对系统的功能具有重要影响。因为在机电一体化系统中计算机进行信息处理与控制的目标是运动机械，所以，国外也称其为运动控制计算机。

（五）能源部分

它主要为系统提供能量和动力，如电源、气源和液力源等。

四、机电一体化教学实验系统功能的确定

机电一体化教学实验系统研制的基本出发点，是为机械制造及其自动化、机电一体化、机械电子工程等专业的本科生、专科生以及研究生学习机电类专业课程开设各种实验。根据人才培养的多层次性和机电一体化技术本身的综合性，本系统应该既能完成某个电工电子类或机械类实验，也能完成较复杂的综合性机电一体化实验。

按照《机电传动控制》《可编程控制器原理与应用》《机床电气控制》《机电一体化控制技术与系统》《机械加工自动化》《数控技术与机床》等专业课程的教学要求，本系统可开设下列几类实验：继电器接触器有关实验；三相交流异步电动机控制有关实验；步进电机控制有关实验；伺服电机控制有关实验；PLC控制有关实验；PLC与PC通信和两级系统类实验；液压控制类实验；数控机床的一般组成认识类实验；加工中心加工过程类实验等。

此外，本系统可为机电类本科生、专科生的课程设计及毕业设计提供条件，可为教师和相关科技人员从事机电产品开发提供实验平台，还可为企业培养机电一体化技术和系统的应用与设计的工程技术人才以及机电设备的维护管理人员。

五、实验系统机械本体和电气控制部分的确定

在机电一体化教学实验系统的设计中，必须考虑机电一体化人才的知识结构和主干课程如何将机械和电子“化”为一体。典型机电一体化系统包括机械本体和电气控制两大部分，这是机电系统的设计主体。

电气控制包括信号检测、信号处理和伺服控制部分。信号检测部分包括传感器和信号处理电路，属于非电量检测和模拟电子技术的内容。典型的信息处理部分可以是一个PLC，也可以是一个微机控制器，这是微型计算机的内容，其基础是数字电路和一些接口电路。伺服驱动部分将电能变换成机械能，用指令控制机械运动，这部分属于电磁机构及电力电子技术的内容。上述几部分是机电一体化人才必备的最基本的电工电子知识结构。实验系统必须能够反映这些知识点。

PLC的面世，改变了机电一体化产品的电器控制设计方法，它的电路设计简单，系统组成灵活，可靠性高。PLC几乎能实现所有的控制功能，而且简便易行。光电传感器、接近传感器和旋转编码器已广泛应用于机电一体化产品中。随着PLC技术的不断发展，标准模块已成为发展方向。常见的有开关量I/O单元、模拟量I/O单元、温度传感器单元、温度控制单元、PID控制单元、模糊逻辑单元、运动控制单元、凸轮定位器单元、语音单元、通信单元和显示单元等。

从当前情况看，如何构造出体现机电一体化技术特点的机械装置是实验设备研究中较为棘手的问题。目前的机械教具都着重展示机械原理及构造，独立性强，缺乏用于构造特定功能结构的系统性和整体性，即具有“积木特性”。只有具有这种特性各种传动零件、机构与动力元件，才能使实验具有灵活性和创造性，从而使学生充分领会机电一体化产品设计的精髓。

六、机电一体化教学实验系统的总体结构

为了实现上述实验功能，机电一体化教学实验系统主要由PC机、PLC电气控制系统、机电一体化（四轴）工作台、主轴、刀库和换刀（液压）机械手等模块组成，整体上相当于微型化教学及演示加工中心（MC），系统原理如图2所示。该实验系统采用与工业生产中实际机电系统相一致的结构模式和元器件，即系统采用PC机和PLC两级控制模式，硬件由PC机、控制柜和微型加工中心组成；电气元件包括：继电器、接触器、断路器、直流电源、伺服电机、步进电机、变频器等常用器件；机械部件包括：滚珠丝杠、直线导轨、行程开关以及齿轮泵、液压缸、电磁阀等常用部件。

总的说来，机电一体化教学实验系统具有如下特点：第一，综合性。系统按照机电类专业课程的教学要求而设计，实验内容覆盖面广，可开设十几个典型机电专业课程实验。第二，开放性。系统采用模块化设计，通过多个模块，灵活组成各种实验系统，各模块既可单独完成某个实验，也可互相配合完成较复杂的综合性实验。在每个实验中，学生可自己动手接线、编程、联机调试。第三，创新性。学生可根据自己的构思设计新的实验内容和实验方法。第四，实战性。实验过程接近实际机电产品的组装和调试过程，系统各功能部件敞开性好，有利于加深学生的感性认识。

本文设计的机电一体化教学实验系统，可以培养学生的实践能力和对先进技术的应用能力以及创新设计能力，使学生更好地掌握机电控制和机电一体化技术。根据《机电传动控制》《可编程控制器原理与应用》《机电一体化控制技术与系统》《机械加工自动化》《数控技术与机床》等课程的教学要求，本系统采用模块化设计，使各模块之间的连接具有很大的灵活性、开放性、针对性和目的性。各模块既可单独完成某个电子类或机械类实验，也可互相配合完成复杂的机电一体化综合实验。本系统具有实验内容覆盖面广、实验过程接近实际机电产品的组装调试过程、学生可根据自己的构思设计新的实验等特点。通过多个模块，灵活组成各种实验系统，各功能部件敞开性好，有利于加深学生的感性认识，满足学生亲自动手的要求。

实践教学改革和实验室建设关系到人才培养的重大问题。因此，深入实验室建设与改革应以培养人才为宗旨，以提高学生能力为目标，努力创造一个与科技时代要求相适应的实验平台。

［参考文献］

［1］潘柏全.机电一体化技术现状与发展趋势浅析［J］.装备制造技术，2006（3）：116-118.

［2］李建勇.机电一体化技术［M］.北京：科学出版社，2004．

篇5：机电一体化系统设计习题汇总

2008-4-10 17:33:37

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第一章： 概论

1.关于机电一体化的涵义，虽然有多种解释，但都有一个共同点。这个共同点是什么? 2.机电一体化突出的特点是什么?重要的实质是什么？

3.为什么说微电子技术不能单独在机械领域内获得更大的经济效益? 4.机电—体化对我国机械工业的发展有何重要意义? 5.试列举20种常见的机电一体化产品。

6.试分析CNC机床和工业机器人的基本结构要素，并与人体五大要素进行对比，指出各自的特点。

7.机电一体化产品各基本结构要素及所涉及的技术的发展方向。

8.机电一体化设计与传统设计的主要区别是什么?

9.试举例说明常见的、分别属于开发性设计、适应性设计和变异性设计的情况。

10.为什么产品功能越多，操作性越差?为何产品应向“傻瓜化”方向发展?

11.试结合产品的一般性设计原则，分析和理解按“有限寿命”设计产品的目的和意义。

第二章： 机械系统设计

1.机电一体化产品对机械系统的要求有哪些?

2.机电一体化机械系统由哪几部分机构组成，对各部分的要求是什么? 3.常用的传动机构有哪些，各有何特点？

4.齿轮传动机构为何要消除齿侧间隙?

5.滚珠丝杠副轴向间隙对传动有何影响?采用什么方法消除它？

6.滚珠丝杠副的支承对传动有何影响?支承形式有哪些类型?各有何特点?

7.试设计某数控机床工作台进给用滚珠丝杠副。己知平均工作载荷F＝4000N，丝杠工作长度l＝2m，平均转速＝120r／min，每天开机6h，每年300个工作日，要求工作8年以上，丝杠材料为CrwMn钢，滚道硬度为58—62HRC，丝杠传动精度为±0.04mm。

8.导向机构的作用是什么?滑动导轨、滚动导轨各有何特点?

9.请根据以下条件选择汉江机床厂的HJG—D系列滚动直线导轨。作用在滑座上的载荷F＝18000N，滑座数M=4，单向行程长度L＝0.8m，每分钟往返次数为3，工作温度不超过120℃，工作速度为40m／min,工作时间要求10000h以上,滚道表面硬度取60HRC。

10.滚动直线导轨的形式有哪些?各有何特点?

11.塑料导轨的特点是什么?常用的塑料导轨有哪些？如何使用? 第三章： 接口设计

1.试述机电—体化接口设计的重要性。

2.试述机电一体化产品接口的分类方法。

3.试述人机接口的作用和特点。

4.人机接口中，常用的输入设备有哪几种？常用的输出设备有哪几种？

5.设计键盘输入程序时应考虑哪几项功能？

6.七段发光二极管显示器的动态工作方式和静态工作方式各具有什么优缺点？

7.在进行PP40打印机接口设计时，可否直接将STB连到WR上？为什么？

8.试述机电接口的作用和特点。

9.在机电接口的控制输出接口中，常用的电力电子器件有哪些？

10.在机电接口中，光电耦合器的作用是什么？ 11.在机电接口中，常用的固态继电器的特点及应用特性如何？

12.在一机电一体化产品中，803l通过P1口扩展了一个4×4键盘，画出接口逻辑电路，井编写键处理子程序。

13.在一机电一体化产品中，采用8031做控制微机，要求通过其串行口扩展74LSl64，控制6位LED显示器，试画出接口逻辑，并编写相应程序，将片内RAM 30H一35H内容送显示。

第四章：检测系统设计

1.基本转换电路的功用是什么?

2.模拟式和数字式传感器信号检测系统的组成如何?

3.减小放大器噪声及提高放大器工作稳定性的一般措施有哪些?

4.在检测系统中，为何常对传感器信号进行调制?常用的调制方法有哪些? 5.什么是调制信号?什么是载波信号?什么是已调制信号?

6.什么是低通、高通、带通、带阻滤波器?各自的通频带如何?带宽如何确定? 7.提高滤波器的阶次会带来什么好处和问题? 8.什么是增量码信号?什么是细分？什么是辨向？

9.试设计一个可实现12细分的并联电阻链移相细分电路，计算各电阻值，画出电路图，并说明各细分脉冲出现的顺序。

10.试将两片74LS393互连起来，构成分频数为2、4、8、16、32、64、128、256的分频器。

11.模拟多路开关和采样保持电路的作用是什么?

12.何谓采样？怎样才能保证在采样过程中不丢失原信号中所包含的信息? 13.与模拟滤波器相比，数字滤波器的优点是什么?

第五章：伺服系统设计

1.试举出几个具有伺服系统的机电一体化产品实例，分析其伺服系统的基本结构，指出其属于何种类型的伺服系统。

2.结合伺服系统对执行元件的基本要求，分析为何机电一体化伺服系统趋向于采用电气式执行元件。

3.某五相步进电动机，通电方式为AB—ABC—BC—BCD—CD—„，试计算其步距角。

4.试根据机械特性曲线，分析当负载转矩不变时，直流伺服电动机的调压调速过程。

5.采用单片机8031控制三相步进电动机，通电方式分别为双三拍和三相六拍，试设计相应的硬件和软件脉冲分配器，并指出各自的特点及适用场合。

6.伺服系统中为何要进行惯量匹配计算?怎样实现惯量匹配？

7.试从结构、成本、稳定性和精度等方面，分析开环、闭环和半闭环控制的伺服系统的特点及适用场合。设计相应的系统时，都应注意哪些问题?

8.闭环伺服系统在什么样的条件下可简化成低阶系统？这样简化将带来什么样的误差？简化的目的是什么?如采用计算机进行仿真分析，是否还有必要进行简化？

9.校正环节是否伺服系统本身所固有的?校正环节的作用是什么？

第六章：控制系统设计

1.机电一体化控制系统设计与常规控制系统设计的主要区别是什么? 2.控制系统有哪些分类方法及类型?各类控制系统的特点是什么?

3.建立被控对象数学模型的方法有哪些?各种方法的特点及适用场合如何? 4.微型机控制系统的组成和特点是什么？

5.为什么说大多数自动控制系统都是机电一体化系统?

6.7.8.设计快速无波纹系统必须具备的条件是什么?

9.串级控制系统与单回路反馈控制系统相比有哪些主要特点?在设计串级控制系统时应注意哪些问题？

10.在选择控制装置中的微型机时，应主要考虑哪些因素?

11.在采用STD总线工控机构成控制装置时，各功能模板及插件应如何选择？

12.专用控制装置设计的主要内容有哪些?其软件设计的一般步骤和方法如何？

13.冗余结构有哪几种？各自原理如何？

14.常见的干扰及抗干扰措施有哪些?

15.为何印制电路板上的地线和电源线都做得很粗？

篇6：机电一体化系统的现代设计方法

摘要：机电一体化系统的现代设计方法主要有可靠性设计、优化设计、反求设计、绿色设计、虚拟设计等。本论文主要介绍了可靠性设计方法和优化设计方法。可靠性设计包括了很广的内容，可以说在满足产品功能，成本等要求的前提下一切使产品可靠运行的设计都称之为可靠性设计。优化设计是指将优化技术应用于设计过程，最终获得比较合理的设计参数，优化设计的方法目前已比较成熟，各种计算机程序能解决不同特点的工程问题。

关键词：机电一体化；现代设计方法；可靠性设计；优化设计。

一、引言

随着社会的发展和科学技术的进步，使人们对设计的要求发展到了一个新的阶段，具体表现为设计对象由单机走向系统、设计要求由单目标走向多目标、设计所涉及的领域由单一领域走向多个领域、承担设计的工作人员从单人走向小组甚至大的群体、产品设计由自由发展走向有计划的开展。

与人们对设计的要求相比现阶段的设计确实是落后的，主要表现为：对客观设计的研究不够，尚未很好的掌握设计中的客观规律；当前设计的优劣主要取决于设计者的经验；设计生产率较低；设计进度与质量不能很好控制；实际手段与设计方法有待改进；尚未形成能被大家接受，能有效指导设计实践的系统设计理论。

面对这种形势，唯一的解决方法就是设计必须科学化。这就意味着要科学的阐述客观设计过程及本质，分析与设计有关的领域及其地位，在此基础上科学的安排设计进程，使用科学的方法和手段进行设计工作，同时也要求设计人员不仅有丰富的专业知识，而且要掌握先进的设计理论、设计方法及设计手段，科学地进行设计工作，这样才能及时得到符合要求的产品。

二、机电一体化系统的现代设计方法概述

机电一体化系统的现代设计方法是以设计产品为目标的一个总的知识群体的总称。它运用了系统工程，实行人、机、环境系统一体化设计，使设计思想、设计进程、设计组织更合理化、现代化，大力采用许多动态分析方法，使问题分析动态化，实际进程、设计方案和数据的选择更为优化，计算、绘图等计算机化。所以人们常用动态化、优化、计算机化概括其核心内容。

机电一体化系统的现代设计方法包括可靠性设计方法，优化设计方法，反求设计方法，绿色设计方法，虚拟设计方法等。这里只介绍可靠性设计和优化设计两种方法。

三、可靠性设计

1．可靠性设计的主要内容

可靠性作为产品质量的主要指标之一，随产品所使用时间的延续在不断变化。可靠性设计的任务就是确定产品质量指标的变化规律，并在其基础上确定如何以最少的费用来保证应有的工作寿命和可靠度，建立最优的设计方案，实现产品的设计要求。因此可靠性设计的内容主要包括：故障机理和故障模型研究；可靠性实验技术研究；可靠性水平的确定等。2．可靠性设计的常用指标

表示可靠性水平高低的指标体系如下图，主要包括五个方面：可靠性、维修性、有效性、耐久性和安全性。3．可靠性设计常用方法（1）冗余技术：

冗余技术又称为储存技术。它是利用系统的并联模型来提高系统可靠性的一种手段。冗余有工作冗余

和后备冗余两类。

工作冗余：又称为工作储备和掩蔽储备，是一种两个或两个以上单元并行工作的并联模型。平时，由各个单元平均分担工作压力，因此工作能力有冗余。只有当所有单元都失效时系统才失效，如果还有任何一个单元未失效，系统就能可靠地工作，不过这个单元要负担额定的全部工作应力。

后备冗余：又称为非工作储备或待机储备。平时只需一个单元工作，另一个单元是冗余的，用于待机备用。这种系统必须设置失效检测装置和转换装置并保证绝对可靠，则后备冗余的可靠度比工作冗余法高。如果不绝对可靠，就宁肯采用工作冗余法，因工作冗余系统还有一个优点，就是由于冗余单元分担了工作应力，各单元的工作应力都低于额定值，因此其可靠度比预定值高。选择冗余法必须考虑产品性能上的要求，如果由多个单元同时完成同一工作显著影响系统的工作特性时，就不能采用工作冗余法。产品设计必须考虑环境条件和工作条件的影响，例如，如果多个工作单元同时工作，因每个单元的温升而产生系统所不能容许的温升时，最好采用后备冗余法。又如系统的电源有限，不足以使冗余单元同时工作，也以采用后备冗余法为好。

决定是否采用冗余技术时，要分析引起失效的可靠原因。当失效真正是随机失效时，冗余技术就能大大提高可靠度，但如果是由于过应力所引起的，冗余技术就没有用。如果某一环境条件是使并联各单元失效的共同因素，则冗余单元也并不可靠。（2）诊断技术

从本质上来看，诊断技术是一种检测技术，用来取得有关产品中产生的失效（故障）类型和失效位置信息。它的任务有两个：一是出现故障时，迅速确定故障的种类和位置，以便及时修复；二是在故障尚未发生时，确定产品中有关元器件距离极限状态的程度，查明产品工作能力下降的原因，以便采取维护措施或进行自动调整，防止发生故障。诊断的过程是：首先对诊断对象进行特定的测试，取得诊断信号（输出参数）。再从诊断信号中分离出能表征故障种类和位置的异常性信号，即征兆；最后将征兆与标准数据相比较，确定故障的种类和故障的位置。

测试：通常有两种测试，一是在故障出现之后，为了迅速确定故障的种类和故障的位置，对诊断对象进行试验性测试，这时诊断对象处于非工作状态，这种情况称为诊断测试；二是在故障发生前，诊断对象处于工作状态，为了预测故障或及时发现故障而进行的在线测试，这种情况称为故障监测。

征兆：征兆是有利于判断故障种类和故障位置的异常性诊断信号，可分为直接征兆和间接征兆两类。直接征兆是在检测产品整机的输出参数或可能出现故障的元部件输出参数时，取得的异常性诊断信号。例如，产品的主要性能参数异常或有关机械零件的磨损量、变形量等参数变化的信号。间接征兆是从那些与产品有关工作能力存在函数关系的间接参数中取得的异常性诊断信号。例如，产品的音响信号、温度变化、润滑油中磨损产物、系统动态参数（幅频特性），都可作为取得间接征兆的信号。采用间接征兆进行诊断的主要优点是，可以在产品处于工作状态及不作任何拆卸的情况下，评价产品的工作能力。其缺点是，间接征兆与产品输出信号之间往往存在某种随即关系，此外，一些干扰因素也会影响间接征兆的有效性。尽管如此，间接征兆在诊断技术中还是得到了广泛的应用。

诊断：诊断就是将测试取得的诊断信号与设定的标准数据相比较，或利用事先确定的征兆与故障之间的对应关系，来确定故障的种类与部位。标准数据是根据产品或元部件输出参数的极限值来设定的。征兆与故障之间的对应关系，可根据理论分析或模拟仿真试验来建立，这种关系用列表形式来表示时，称为故障诊断表。

四、优化设计

1． 优化设计的内容和目的

机电一体化系统优化设计就是要把优化设计应用到机电一体化系统的设计中去，通过对零件、机构、元器件和电路、部件、子系统乃至机电一体化系统进行优化设计，确定出最佳设计参数和系统结构，提高机电产品及技术装备的设计水平，从而增强其市场竞争力和生命力。2． 机电一体化优化设计的条件

机电一体化设计比单一门类的设计有更多的可选择性和设计灵活性，因为某些功能既可以采用机械方案来实现，也可以采用电子硬件或软件方案来实现，如机械计时器可由电子计时器代替，汽车上的机械式点火机构可由微机控制的电子点火系统替代，步进电机的硬件环形分配器可由软件环形分配替代等。实际上，这些可以互相替代的机械、电子硬件或软件方案必然在某个层次上可实现相同的功能，因而称这些方案在实现某种功能上具有等效性，这种等效性是可以进行机电一体化设计的充分条件之一。

另外，从一般的控制系统方框图中可以看出，各个组成环节的特性是相互关联的，而且共同影响系统的性能。控制系统的机电一体化设计不是只改变控制装置的性能，而是把包括控制对象在内的大部分组成环节都作为可改变的设计内容，使设计工作比只改变控制装置有更大的灵活性，可以优化出更合理的结构组织形式，获得更理想的产品性能。这种机电环节互相关联、相辅相成的互补特性，是机电一体化设计的另一充分条件。

如果在所设计产品中具备等效性环节或互补性环节，那么该产品的设计就应该采用机电一体化设计方法，否则只需采用常规设计方法。3．优化设计的方法

（1）实验法：由实验直接找到目标函数的最优解及相应的最优点，求出最优设计方案。

（2）图解法：根据目标函数和约束函数，画出其图形，找出最优解，虽然此方法只适应于求解极简单的优化问题，但对于理解优化问题中的基本概念，目标函数与约束函数之间的关系，掌握最优解的存在规律及求解范围都有很大的帮助。

（3）数学规划法：优化问题的求解主要是用数学规划法，因此数学规划法是整个优化设计方法的核心，该方法是根据所建立的数学模型，从求解函数极值问题的数学原理出发，运用优化设计中一系列数学分析及计算方法，求出最优解。数学规划法又有许多类型：

①根据目标函数的个数分为单目标优化问题和多目标优化问题。

②根据目标函数及约束函数的线性性质分为线性规划问题和非线性规划问题，线性规划问题求解主要用单纯行优化法。

③非线性规划问题又分为单变量和多变量问题。单变量问题主要用于唯一变量法。多变量问题则分为无约束优化和有约束优化。无约束优化又分为导数优化法和模式优化法，有约束优化法则分为直接优化法和间接法。

4．优化设计的步骤：（1）设计对象分析（2）设计变量和设计约束条件的确定（3）目标函数的建立（4）合适的优化计算方法选择（5）优化结果分析。

结语：机电一体化的设计方法要遵循产品的一般性设计原则，即在保证产品目的、功能、性能和使用寿命前提下尽量降低成本，机电一体化的现代设计方法并不是盲目追求“高、精、尖”，而是在充分满足用户要求的基础上努力以最新的技术手段，最廉价材料或元器件，最简单的结构，最低的消耗向用户提供最满意的产品。

参考文献

[1] 李建勇.机电一体化技术[M].北京：科学出版社，2004

[2] 刘杰,宋伟刚,李允公.机电一体化技术导论[M].北京：科学出版社，2006 [3] 邱士安.机电一体化技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2005

篇7：机电一体化系统设计试题及答案

课程代码：02245

一、单项选择题(本大题共14小题，每小题1分，共14分)在每小题列出的四个选项中只有一个选项是符合题目要求的，请将正确选项前的字母填在题后的括号内。

1.受控变量是机械运动的一种反馈控制系统称()A.顺序控制系统 B.伺服系统 C.数控机床 D.工业机器人 2.齿轮传动的总等效惯量随传动级数()A.增加而减小 B.增加而增加 C.减小而减小 D.变化而不变 3.滚珠丝杠螺母副结构类型有两类：外循环插管式和()A.内循环插管式 B.外循环反向器式 C.内、外双循环 D.内循环反向器式

4.某光栅的条纹密度是100条/mm，光栅条纹间的夹角θ=0.001孤度，则莫尔条纹的宽度是()A.100mm B.20mm C.10mm D.0.1mm 5.直流测速发电机输出的是与转速()A.成正比的交流电压 B.成反比的交流电压 C.成正比的直流电压 D.成反比的直流电压 6.电压跟随器的输出电压()输入电压。

A.大于 B.大于等于 C.等于 D.小于

7.某4极交流感应电动机，电源频率为50Hz，当转差率为0.02时，其转速为()A.1450［r/min］ B.1470［r/min］ C.735［r/min］ D.2940［r/min］ 8.右图称()A.直流伺服电动机调节特性 B.直流伺服电动机机械特性 C.直流伺服电动机动态特性 D.直流伺服电动机调速特性

9.计算步进电动机转速的公式为()

A.B.Tsmcos C.D.180°-

10.一般说来，如果增大幅值穿越频率ωc的数值，则动态性能指标中的调整时间ts()

A.增大 B.减小 C.不变 D.不定

11.已知f(t)=a+bt，则它的拉氏变换式为()A.+b B.C.D.12.连续路径控制类中为了控制工具沿任意直线或曲线运动，必须同时控制每一个轴的()使得它们同步协调到达目标点。

A.位置和加速度 B.速度和加速度 C.位置和速度 D.位置和方向

13.图示利用继电器触点实现的逻辑函数为()A.(A+ B.A²)²(+ +B)²B +)C.(A+B)²（D.A²B+ ²

14.累计式定时器工作时有()A.1个条件 B.2个条件 C.3个条件 D.4个条件

二、名词解释题(本大题共5小题，每小题2分，共10分)

15.机电一体化 16.轴系的动特性

17.灵敏度(测量)18.永磁同步电动机 19.复合控制器

三、简答题(本大题共4小题，每小题4分，共16分)20.机电一体化系统设计指标大体上应包括哪些方面? 21.步进电动机常用的驱动电路有哪几种类型?其中哪种电路适于永磁式步进电动机? 22.步进电动机数控系统和参考脉冲伺服系统的输入信号是什么?输出轴的转速、转向、位置各自与哪些因素有关? 23.什么是PLC的扫描工作制?

四、计算题(本大题共4小题，每小题5分，共20分)24.已知双波谐波齿轮的柔轮齿数Z1=200, 刚轮齿数 Z2=202，波发生器的转速nH=600r/min。如图

试求：(1)刚轮固定时柔轮的转速n1;(2)柔轮固定时刚轮的转速n2。

25.已知某一线性电位器的测量位移原理如图所示。若电位器的总电阻R=2kΩ，电刷位移为X时的相应电阻Rx=1kΩ，电位器的工作电压Vi=12V,负载电阻为RL。

(1)已测得输出电压Vo=5.8V,求RL。(2)试计算此时的测量误差。26.某二阶系统如图所示

(1)求系统对r(t)阶跃响应的最大超调量σ%和调节时间ts。(2)求r(t)=1+t,n(t)=0.1共同作用下的稳态误差ess。27.三相变磁阻式步进电动机，转子80个齿。

(1)要求电动机转速为60r/min,单双拍制通电，输入脉冲频率为多少?

(2)要求电动机转速为100r/min，单拍制通电，输入脉冲频率为多少?

五、简单应用题(本大题共4小题，每小题6分，共24分)28.已知一阶低通有源滤波器电路如图所示。要求：(1)一阶低通滤波器现存在什么弱点?

(2)将其改进为二阶低通滤波器，画出电路图；(3)画出二阶低通的幅频特性示意图。

29.三相交流感应电动机，电源频率50Hz，空载转速为1450r/min。

(1)该电动机为几极，空载转差率是多少?(2)堵转时定子、转子绕组电势频率各为多少?(3)空载时，定子、转子绕组电势频率各为多少? 30.二阶系统结构图如图所示。设K1=0.1, K2=10,T1=0.5s(1)求系统对r(t)的阶跃响应的最大超调量σ%及调节时间ts(取△=±5%);(2)求系统增益Ks及伺服刚度KR;(3)求r(t)=1+t及n(t)=0.1共同作用下系统的稳态误差ess。

31.考虑x-y平面上的直线运动路径，源点坐标(5，-2)，终点坐标为(1，-1)。设两轴最大加速度限制：αxmax=αymax=±2。试设计三次多项式样条函数点位控制指令。

六、综合应用题(本大题2小题，每小题8分，共16分)32.某控制系统结构图如图所示，图中GC(s)=Kp(1+Tds),Gp(s)= =

(1)确定Kp和Td的值，以使系统性能同时满足：

在单位抛物线(恒加速度)函数作用下的稳态误差essa≤0.2，幅值穿越(截止)频率ωc=5

(2)计算系统在上述取值条件下的相位裕量 m。33.采用PLC设计二台电动机A、B工作的系统。

（1）按钮X1为A电动机起动，按钮X2为A电动机停止（输出Y1）；（2）按钮X3为B电动机起动，按钮X4为B电动机停止（输出Y2）；（3）只有A电动机在工作中，B电动机才能工作。

要求：画出梯形图，写出助记符指令程序。

机电一体化系统设计试题参考答案

课程代码：02245

一、单项选择题(本大题共14小题，每小题1分，共14分)1.B 2.A 3.D 4.C 5.C 6.C 7.B 8.B 9.C 10.B 11.B 12.C 13.A 14.B

二、名词解释题(本大题共5小题，每小题2分，共10分)15.机械与电子的集成技术。

16.指轴系抵抗冲击、振动、噪声的特性。

17.输出变化量与对应的输入(被测量)变化量的比值。有时称为增量增益或标度因子。18.以电子换向取代了传统直流电动机的电刷换向，又称无刷电动机。

19.在反馈控制器的基础上附加一个前馈控制器，二者的组合称为复合控制器。它的作用是使系统能以零稳定误差跟踪已知的输入信号。

三、简答题(本大题共4小题，每小题4分，共16分)20.应包括系统功能、性能指标、使用条件、经济效益。

21.主要有：单极性驱动电路、双极性驱动电路、高低压驱动电路、斩波驱动电路、细分电路。其中双极性驱动电路适于永磁式步进电动机。

22.(1)参考脉冲序列。

转速与参考脉冲频率成正比。

(2)输出轴

转向由转向电平决定。

位置由参考脉冲数决定。

23.PLC的扫描工作制，即检测输入变量、求解当前控制逻辑以及修正输出指令。重复进行。

四、计算题(本大题共4小题，每小题5分，共20分)

24.（1）刚轮固定时：

（2）柔轮固定时

n1=-

25.V0=

(1)当V01=5.8时，5.8=

5.8=

(２)空载时ＲＬ＝

设测量出5.8Ｖ输出电压时的测量误差

则

26.(1)求闭环传函及误差表达式

E(s)=R(s)-C(s)=[1-

(2)求

ts=

(3)求ess

二阶系统ai>0闭环稳定

R(s)=

Ess= 27.(1)

即

（2）单拍制

]R(s)-

C(s)=CR(s)+CN(s)=

即： f=

五、简单应用题（本大题共4小题，每小题6分，共24分）28．（1）一阶低通滤波器存在过渡区域衰减缓慢的弱点。

2）二阶低通有源滤波器电路图(3)低通滤波幅频率特性示意图。29．（1）

即该电动机为四级

空载时转差率为：S=

（2）堵转时：S＝１

定子绕组电势频率f1=50Hz,转子绕组电势频率f2=Sf1=50Hz(3)空载时：

定子绕阻电势频率f1＝50Hz,转子绕组电势频率：

f2= 30.(1)G(s)= 1型 Ｋv=

Ｋp=

(2)性能指标

ts=

(3)系统增益与伺服刚度

Ks=Kv=K1K2=1，KR=K1=0.1（4）essr= essn=-

31.所以协调运动先设计x轴，再利用下列直线方程变换成y轴控制指令

y(t)=-

x(t)=5+3(1-5)()2-2(1-5)()3=5-t2+

y(t)=-2+

六、综合应用题（本大题共２小题，每小题８分，共１６分）32.(1)开环传函

G(s)=Gc(s)Gp(s)=

(2)确定Kp和Td

由essa=

取Kp=2.5

在

1+25T

(3)相应的

33.(1)梯形图：

（２）助记符指令程序：

篇8：浅谈机电一体化系统设计概念

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.