機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計(共64張課件)

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計參考書目：?機(jī)電一體化設(shè)計根底?、?機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書?尹志強(qiáng)等編著，機(jī)工出版社、?單片微機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計大全?王福瑞等編著，北京航空航天大學(xué)出版社、?機(jī)械設(shè)計手冊?、?機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計手冊?電動機(jī)〔步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)等〕產(chǎn)品技術(shù)手冊傳感器〔光電編碼盤、接近開關(guān)等〕產(chǎn)品技術(shù)手冊一、課程設(shè)計的任務(wù)及其性能指標(biāo)

1、設(shè)計任務(wù)介紹課程設(shè)計的題目：X-Y數(shù)控進(jìn)給工作臺設(shè)計

數(shù)控進(jìn)給工作臺是數(shù)控機(jī)床的主要部件之一，是典型的位置伺服系統(tǒng)，有三種形式：

開環(huán)系統(tǒng)半閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)課程設(shè)計的任務(wù)根據(jù)技術(shù)要求設(shè)計一X—Y數(shù)控工作臺，包括機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。設(shè)計工作可分成兩局部：一是書面設(shè)計，包括機(jī)械局部總裝配圖紙、控制器的原理圖和局部程序設(shè)計。二是實驗調(diào)試工作，即實現(xiàn)對實際工作臺進(jìn)行運(yùn)動控制。工作臺圖形數(shù)控工作臺主要性能指標(biāo)：〔參數(shù)要求〕X方向工作行程：300mmY方向工作行程：200mm工作臺面參考尺寸：500X300〔mm2〕平均切削力：1500N平均切削進(jìn)給速度：600mm/分最高運(yùn)動速度：6m/分定位精度：±0.01mm工作壽命：每天8小時，工作8年二、總體方案設(shè)計設(shè)計任務(wù)分析主要參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)確實定方案制定在具體設(shè)計之前，本著簡單、實用、經(jīng)濟(jì)、平安、美觀的根本原那么所進(jìn)行的綜合性的設(shè)計。產(chǎn)生的技術(shù)文件：1.設(shè)計任務(wù)書〔技術(shù)任務(wù)書〕2.機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖〔系統(tǒng)簡圖〕3關(guān)鍵元器件確定4.總裝配圖5.部件裝配圖6.電氣、光學(xué)、氣動、液壓原理圖7.總體設(shè)計報告設(shè)計內(nèi)容：1、確定控制方式定位精度—中等，負(fù)載不大，適合采用開環(huán)控制方式或采用半閉環(huán)控制方式2、確定機(jī)械傳動方案根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)對傳動系統(tǒng)的要求：采用低摩擦系數(shù)的傳動器件：滾珠絲杠、滾動導(dǎo)軌；無間隙聯(lián)軸器；消除反向傳動間隙等。3、確定檢測方案半閉環(huán)系統(tǒng)采用增量式光電編碼盤檢測電機(jī)或絲杠轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、零位。二、總體方案設(shè)計〔續(xù)1〕二、總體方案設(shè)計〔續(xù)2〕全閉環(huán)系統(tǒng)采用直線光柵測量工作臺位移、增量式光電編碼盤檢測電機(jī)或絲杠轉(zhuǎn)速。4、執(zhí)行元件確定開環(huán)系統(tǒng)選用步進(jìn)電機(jī)，半閉環(huán)和全閉環(huán)系統(tǒng)選擇直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)。5、控制器計算機(jī)系統(tǒng)選擇單片機(jī)、可編程控制器、工業(yè)控制計算機(jī)是機(jī)電一體化系統(tǒng)控制器采用的三種根本計算機(jī)?？傮w方案示意圖〔開環(huán)〕總體方案示意圖(半閉環(huán)〕總體方案示意圖(全閉環(huán)〕三、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計步驟及要點

1、機(jī)械系統(tǒng)初步設(shè)計〔草圖〕需要考慮的幾個問題：絲杠的支承方式反向間隙消除、聯(lián)軸器選擇2、結(jié)構(gòu)尺寸傳動比、脈沖當(dāng)量幾何尺寸-滾珠絲杠工作長度、其它幾何尺寸等計算選擇滾珠絲杠計算選擇滾動導(dǎo)軌初選電動機(jī)、電機(jī)支承初選傳感器、安裝〔什么位置？如何安裝？〕3、設(shè)計原那么A、滿足精度的設(shè)計原那么1．結(jié)構(gòu)最簡單原那么2.阿貝原那么〔同線原理〕3．變形最小原那么4．基面統(tǒng)一原那么5.粗精別離和精度匹配原那么6．運(yùn)動學(xué)原理和彈性平均原理7．平均效應(yīng)原理和誤差補(bǔ)償原理〔彈性平均原理和屢次重復(fù)測量〕阿貝原那么〔同線原理〕如：直線光柵的安裝結(jié)構(gòu)變形最小原那么

如：工作臺滑座的支承距離確定基面統(tǒng)一原那么粗精別離和精度匹配原那么軸徑〔需要和不需安裝軸承的〕支承件平面〔有無安裝件？安裝精度如何？〕是否需要定位和調(diào)整？運(yùn)動學(xué)原理和彈性平均原理B、滿足強(qiáng)度的設(shè)計原那么1．等強(qiáng)度原那么2．力自平衡原那么3．力自加強(qiáng)原那么4．力作用路徑最短原那么5．力自保護(hù)原那么摩擦離合器超越離合器

對于同一個零件而言，各處應(yīng)力相等，

壽命相同－等強(qiáng)度原理

力自平衡原那么采取相應(yīng)的措施消除或減輕機(jī)電系統(tǒng)中的無用的力〔如離心力、變速慣性力〕力自加強(qiáng)原那么力作用路徑最短原那么減少變形和材料的使用C、符合人機(jī)工程原那么外形應(yīng)直挺光滑，變化有致，結(jié)構(gòu)配置勻稱，大方穩(wěn)重〔分割原那么〕色彩新穎和諧，與環(huán)境相協(xié)調(diào)，以利于操作者心情舒暢，減少心理錯覺，提高工作效率?！采试敲础巢僮髀窂蕉?、舒適?！踩梭w結(jié)構(gòu)〕D、價值系數(shù)最優(yōu)原那么根據(jù)價值工程原理，產(chǎn)品的價值V常用產(chǎn)品的總功能F與本錢C的比值，即V=F/C來表示。要提高產(chǎn)品的價值系數(shù)，在很大程度上決定于設(shè)計。4、總裝配圖3、總裝配圖〔續(xù)〕四、檢測系統(tǒng)設(shè)計及其要點半閉環(huán)系統(tǒng)的檢測任務(wù)：位置檢測、速度檢測，通常采用光電編碼盤可同時用于以上兩個參數(shù)的檢測。1、轉(zhuǎn)角測量傳感器--光電編碼盤參數(shù)選擇：脈沖分辨率

測量方法：計數(shù)值*脈沖分辨率2、零位檢測傳感器---行程開關(guān)+光電編碼盤四、檢測系統(tǒng)設(shè)計及其要點〔續(xù)〕檢測方法：3、位移檢測傳感器—直線光柵監(jiān)測方法：五、控制器及其信息接口設(shè)計設(shè)計數(shù)控工作臺的功能：工作方式：點開工作、步進(jìn)工作、自開工作工作速度：快速進(jìn)給、工作進(jìn)給工作方向：正向運(yùn)動、反向運(yùn)動回零位超限報警進(jìn)給坐標(biāo)顯示五、控制器及其信息接口設(shè)計〔續(xù)2〕2、選擇計算機(jī)3、操作面板〔決定人機(jī)接口〕五、控制器及其信息接口設(shè)計〔續(xù)2〕4、人機(jī)接口設(shè)計〔1〕分析信號形式、統(tǒng)計數(shù)量〔2〕設(shè)計接口3、人機(jī)接口設(shè)計(續(xù)1〕3、人機(jī)接口設(shè)計(續(xù)2〕3、人機(jī)接口設(shè)計(續(xù)3〕4、機(jī)電接口設(shè)計〔1〕信息輸入接口光電編碼盤、直線光柵、接近開關(guān)等半閉環(huán)系統(tǒng)細(xì)分---辨向---計數(shù)〔1〕信息輸入接口光電編碼盤〔續(xù)〕〔1〕信息輸入接口〔續(xù)〕〔2〕控制輸出接口A、步進(jìn)電機(jī)接口B、直流伺服電機(jī)接口〔3〕電氣原理圖5、程序設(shè)計

設(shè)計程序流程圖程序編制〔不作硬性要求〕六、設(shè)計說明書按以下目錄摘要第一章總體設(shè)計1.1…..1.2…第二章機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計2.1……第三章檢測系統(tǒng)設(shè)計第四章控制器設(shè)計第五章系統(tǒng)評價或誤差分析總結(jié)參考文獻(xiàn)課程設(shè)計須交材料1、機(jī)電系統(tǒng)草圖1張2、電氣原理圖1張3、程序框圖假設(shè)干4、設(shè)計說明書1份〔封面按江南大學(xué)課程設(shè)計格式規(guī)定〕日程安排

共三周時間〔12月7日至12月25日〕第1天---準(zhǔn)備〔實驗室實踐，參考資料及設(shè)計手冊〕第2、3天---總體方案確定，完成機(jī)械結(jié)構(gòu)草圖。選擇機(jī)械傳動、導(dǎo)向、支承件第4天---設(shè)計計算、選擇執(zhí)行元件和傳感器。。第5-8天---完成電氣原理圖。第9-10天---完成程序框圖。第11-13天---完成設(shè)計說明書。第14、15天---辯論。

考核方法考核成績由設(shè)計、辯論、平時成績?nèi)植拷M成分別占50%、30%、20%。設(shè)計成績由設(shè)計的正確性、圖紙質(zhì)量、說明書質(zhì)量、獨創(chuàng)性等幾方面決定。平時成績由平時表現(xiàn)和按日程檢查的完成情況決定。原理性設(shè)計工作原理的設(shè)計基準(zhǔn)器件的選擇運(yùn)動方式的選擇定位原理的選擇總體結(jié)構(gòu)形式的選擇原理性設(shè)計的方法一個好的功能原理設(shè)計應(yīng)既有創(chuàng)新構(gòu)思，同時有能滿足用戶的需求。例如：剪草機(jī)浮法玻璃生產(chǎn)方式功能原理設(shè)計的任務(wù)：針對某一確定的功能要求，去尋求一些物理效應(yīng)并借助某些作用原理來求得一些實現(xiàn)該功能的解法原理來，即構(gòu)思能夠?qū)崿F(xiàn)功能目標(biāo)的新的解法原理。〔提倡百家爭鳴，發(fā)散思維〕例如：中央電視臺比賽機(jī)器人/清掃機(jī)器人的真空吸附和滾刷刷洗

黑箱法－設(shè)計將系統(tǒng)所要完成的功能，抽象成輸入量和輸出量，輸入、輸出量只是涉及到物料流、能量流和信號流。對于待設(shè)計的系統(tǒng)而言，在求解之前，猶如一個看不見內(nèi)部結(jié)構(gòu)的黑箱。黑箱法—根據(jù)系統(tǒng)的某種輸入及要求獲得的某種輸出的功能要求，從中尋找出某種物理效應(yīng)或原理來實現(xiàn)輸入－輸出之間的轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)的解決方法。優(yōu)點：擺脫了具體的設(shè)計對象，而按系統(tǒng)的功能和對三大流進(jìn)行定性描述來進(jìn)行思考，使問題簡化，以利于啟發(fā)設(shè)計人員構(gòu)思出更新、更好的功能原理方案來。總體方案示意圖(全閉環(huán)〕幾何尺寸-滾珠絲杠工作長度、其它幾何尺寸等4．力作用路徑最短原那么一、課程設(shè)計的任務(wù)及其性能指標(biāo)4．力作用路徑最短原那么考核成績由設(shè)計、辯論、平時成績?nèi)植拷M成分別占50%、30%、20%。對于同一個零件而言，各處應(yīng)力相等，

壽命相同－等強(qiáng)度原理對于同一個零件而言，各處應(yīng)力相等，

壽命相同－等強(qiáng)度原理功能元、功能結(jié)構(gòu)圖的概念總體方案示意圖〔開環(huán)〕五、控制器及其信息接口設(shè)計細(xì)分---辨向---計數(shù)支承件平面〔有無安裝件？安裝精度如何？〕?單片微機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計大全?王福瑞等編著，北京航空航天大學(xué)出版社、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計分功能的組合將形成系統(tǒng)的總功能〔功能結(jié)構(gòu)圖〕黑箱法－示意圖功能元、功能結(jié)構(gòu)圖的概念功能元：一個系統(tǒng)的總功能可以分解為一些分功能〔子系統(tǒng)功能〕，如果分功能仍然較復(fù)雜，那么進(jìn)一步分解到更低層次的分功能，直到分解到最后不能再分解的根本功能單位為止，這個根本功能單位就叫功能元。機(jī)械設(shè)計中常用的根本功能元有：物理功能元、數(shù)學(xué)功能元和邏輯功能元分功能的組合將形成系統(tǒng)的總功能〔功能結(jié)構(gòu)圖〕功能元組合的方式有：串聯(lián)結(jié)構(gòu)、并聯(lián)結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)對于某一個具體的系統(tǒng)來說，其總功能需要分解到什么程度，主要取決于在哪個層次上能找到相應(yīng)的技術(shù)效應(yīng)和結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)其功能要求。而這一步要根據(jù)設(shè)計者的知識、閱歷及所所集的資料等情況來決定。物理功能元數(shù)學(xué)功能元邏輯功能元功能結(jié)構(gòu)示意圖組合功能結(jié)構(gòu)的三種方式功能元的求解功能元求解的方法：1〕參考有關(guān)資料、?？虍a(chǎn)品2〕利用各種創(chuàng)造性方法3〕利用設(shè)計目錄目錄求解法例如〔一〕目錄求解法例如〔二〕系統(tǒng)原理方案的綜合將各種功能元的局部解合理地予以組合，就可以得到一個系統(tǒng)的多個原理解。組合的方法：形態(tài)矩陣法功能原理設(shè)計的舉例〔瓶蓋整列裝置〕一：明確設(shè)計任務(wù)〔工廠現(xiàn)場能夠提供的電源和氣源〕二：功能分析三：功能元求解四：功能元求解的組合五：評價于決策總體方案示意圖(全閉環(huán)〕四、檢測系統(tǒng)設(shè)計及其要點數(shù)控工作臺主要性能指標(biāo)：〔參數(shù)要求〕粗精別離和精度匹配原那么對于待設(shè)計的系統(tǒng)而言，在求解之前，猶如一個看不見內(nèi)部結(jié)構(gòu)的黑箱。細(xì)分---辨向---計數(shù)軸徑〔需要和不需安裝軸承