机电一体化系统设计实验报告范文

机电一体化系统设计实验报告范文（9篇）

1.机电一体化系统设计实验报告范文 篇一

浅谈高校机电一体化实验教学

来源：http://[ 12-05-13 09:18:00 ]作者：孙锡军编辑：studa090420

当前，机电一体化综合实验方法已经在各个领域得到了广泛的应用并产生了深远的影响，综合实验技术有了新的希望和活力。自然地，机电一体化实验设备在研制和实验内容、方法的研究方面均须围绕这些要素开展。依据机电一体化技术的综合性和面向实践应用的特点，根据多年实验教学的经验，对机电一体化实验教学方法和实验内容分析和总结下面浅谈几点看法：

一、实验环节的安排要围绕机电一体化各知识点，由单一到综合，由易到难实训项目要根据实训室的具体条件进行设置，实践教学计划与大纲要明确各阶段学生做什么、怎样做、完成什么、达到什么标准等，据此制定具体量化的内容。安排若干与专业课程相对应的、典型的专题实验项目，使学生对知识要领在机电一体化系统中的应用产生感性的认识，为系统综合性设计和实验奠定基础。实训项目按基本技能、专业技能、综合应用模块分类，其中综合应用项目可独立设置为实训课程。

二、淘汰过时实验内容，以适应新形势现今开设的实验中有许多已不适应技术的发展。对于机械专业的学生来讲，电类基础课应该以应用为主，现在其他高校早已淘汰了此种方式，采用的是将汇编语言直接输入计算机，由计算机直接翻译成机器码自动运行。计算机在翻译的过程中如出现错误，会相应地提示用户，用户只需对汇编程序修改即可。这样可大大提高实验效率。学生可通过选做多个实验来巩固所学的知识，而不用在改错的环节上浪费大量的时间。

三、实验方法由教师演示过渡到学生自我设计实验方法采用析因实验、对照实验、模拟实验相结合，由教师的演示过渡到学生自我设计实现。学生从理论学习到实际实验设计，是从知识接受到知识应用的质的飞跃，采用“任务驱动”的方法，此方法为建立在建构主义理论基础上的教学方法。“任务驱动”主张在“用中学”。这与当前教育“重视现场教学和案例教学”的要求是相一致的。实践中，学生对机电一体化系统中各学科知识的相关联性达到真正的理解，提高了解决实际问题的能力，达到实验教学的目的。这种实验模式在培养学生的自学能力和独立分析问题、解决问题的能力方面有较强的优势，很好地培养了学生对机电知识的运用能力。

四、实验方式为课外和课内相结合，小组和个人相结合课内主要是利用实验平台调试和实现设计的内容；因教学时数的限制，为发挥学生的能动性，实验环节教学可利用课余时问进行。这就要求机电一体化专业成立开放性的综合实验室，学生可充分利用课外时间进行实验。因机电一体化实验所涵盖的知识、技能面广泛，多个内容的有机整合组成为综合性实验，可实行小组分工合作的模式完成具体任务。这样不仅强化了学生在科学研究过程中的团队精神，而且在模块化实验教学的环境中得到了重要的锻炼。

2.机电一体化系统设计实验报告范文 篇二

关键词：机电一体化,工程训练,实验设计

在机电一体化方向的学习中,涉及到的基础课程很多,包括PLC应用技术、触摸屏应用技术、液压气动技术、传感器与检测技术、机电传动控制技术以及网络通讯技术等。从单个课程来说,这些科目,应用性都很强。如果仅仅通过理论教学,难以达到教学目的,必须配以足够多的动手实践。而在传统的本科教学当中,学生动手不多,对理解课本上所讲述的内容会产生困难。从整个机电一体化的教学来说,其各个基础课程虽然分开学习,但必须结合应用。在实践训练中,认知阶段可以分开独立实验,关键是到了深入阶段,要把各个课程结合起来,体现出“一体化”,这样才能在机电一体化方向的学习中得到提高与突破。为了尽量贴合工业实际,我校为机电一体化方向的学生开设了的工程强化训练。该工程训练目的为全面提高机电一体化方向学生的工程实践能力,鼓励学生考取可编程序控制系统设计师。这对于本学院来说,是一种新的尝试,并希望通过对该工程训练实验设计的实践,能够探索出一种比较适合机电一体化应用型、创新型人才的培养方法。

1 实验设备

在工程强化训练中,最主要的目的是希望学生能够通过动手实践,掌握机电一体化的各个基础课程,并将各个课程从总体上得到把握,从而提高工程实践能力。其中,学生接触到的应该是最接近当今工业现场的工程训练环境。为此,工程训练所用的实验设备,应当能够涵盖机电一体化的各个训练内容,具有开放式的,贴近工业现场的操作对象。

为此,本学院机械工程学院从广东省自动化与信息技术转移中心购置了8台可编程序控制系统设计师考证设备(以下简称“考证台”)。考证台能够实现工件的姿势辨别,以及工件颜色、材质的分拣。该考证台作为可编程序控制系统设计师的考证平台,能够很好地训练到了机电一体化的各项内容。

为了配合工程训练中的基础性练习,一些具有单一功能的实验设备也参与其中。包括PLC实验台、气动实验台、小型分拣机构、小型机械手以及小型数控平台等。

2 实验课程设计

工程强化训练安排在学期末,每位学生有4周的训练时间。其中,理论知识还是有必要进行复习和整合,所以安排了一定时间的理论课。理论课与实操课的比例大概为1∶5。本文讲述的就是实操课部分的实验设计。

实操部分是采用先整体认识,然后分步练习,最后进行综合训练的方式安排实验时间。实验基本上分为3个层次进行:(1)整体认识。将考证台的完整分拣动作做出演示。此时即可向学生阐述本次工程强化训练的最终训练效果,以及要达到这个训练效果所要掌握的技能:PLC应用技术、传感技术、气动技术、电机及传动技术以及一定的电气知识。(2)分步练习。为了让学生在进行考证台上机前打好基础,对于参加工程训练的整批学生,分组按顺序地先进行基础训练。结合现有的实验设备,基础训练内容有:在PLC实验台上训练PLC基本指令以及编程技巧;在气动实验台上认识气动系统和气动回路;在小型分拣机构上训练利用传感器分拣不同颜色的工件;而通过小型机械手和小型数控平台的训练,提高了学生对一个小型项目的设计、安装、编程到调试的能力,为在考证台上机前打好基础。(3)综合训练。学生正式在考证台上机练习,在老师的指导下,完成逐个动作,最后完成整个动作。该部分占据大部分训练时间。

3 实验内容设计

3.1 PLC实验

所使用的实验台为传统的实验设备控制对象用彩色LED灯模拟显示。对于初始阶段的PLC学习,该种实验台可以满足训练要求。该部分的实验,实验内容有彩灯交替显示、数字显示等比较经典的内容。其实验重点不在结果,在于过程。对于同一个显示功能,如何用多种编程方法来完成,这是练习的重点。通过反复地练习这种PLC基础实验,能够让基础不扎实的学生得到巩固,同时也可以锻炼PLC的编程技巧,以及提高对编程软件的熟练程度。

3.2 气动实训

在气动实验台上完成几个基本气动回路实验:双作用气缸的换向回路、双气缸并联同步回路、双气缸串联同步回路、应用接近开关的顺序控制回路。经过这几个气动回路的搭建,熟悉气动系统的组成,熟悉电磁阀的使用。

3.3 小型分拣机构

分拣机构在考证台上是比较重要的一部分。利用光电传感器,能够将工件的颜色特征加以区分,再通过程序,准确地将符合条件的工件,由气缸推出。通过这样一种小型分拣机构,就能够在进行综合训练之前,将“分拣”的几个核心内容都预先进行练习了。那么,在综合训练的时候,“分拣”这部分就会变得相当熟悉了。

3.4 考证台系统综合设计与调试

在考证台上,一开始就安排了动作演示。并且,给出了各个需要掌握的知识点。当学生上机时,在老师指导下,循序渐进地进行练习。在编程方面,大部分学生使用状态转移的方法会比较容易入手。可是,很多细节问题要在练习当中不断改进。

在PLC方面,编程是重点。然而,由于传统的PLC实验的控制对象是模拟的,导致在面对实实在在具有机械结构的控制对象时,学生可能会一时不能上手。并且,必须引导学生,要动手调试硬件,使硬件配合所编写的程序,最后整个系统才能无阻地运行起来。可能会出现这种情况,同一段程序,在机器一上能够运行,在机器二上却不可以,这就是因为硬件要做出调试,才能够适应程序。对于部分接受能力强的学生,可以先介绍PLC的接线,将整台设备的电气接线都理清一遍,这对于学生以后完成工程有很大好处。

在机电传动方面,主要的是变频器的使用。这一部分,要引导学生自己查阅变频器使用手册。参数的设置、故障的排除等等。掌握了这一技能,学生在以后的工作当中,即使遇到不同型号的变频器,只要有一本使用说明书,就可以自己解决问题了。

传感技术方面,电容传感器、电感传感器、光电传感器、磁性开关等,在考证台上都有应用,最起码要辨别传感器的类型,并清楚该种传感器的使用场合。在使用当中,由于传感器的检测距离问题,要适当调整其位置,以及灵敏度,这就是之前所说的硬件调试的一部分。

气动部分,要求学生自己使用电磁阀的开关做出气路的通断,从而方便进行其他的工作,如查找PLC的I/O、改变系统机构的位置等。

从学生接触设备到完全能够独立练习,需要一个过程,最主要是心理过程。很多学生就是不敢独立去动手操作,连程序也要有个参考才做下去,这样只会阻碍学习的进度。应该鼓励学生走出第一步,编写程序,然后调试,只要第一步做出来了,以后按步骤地练习,到完成整个动作,这个过程也不需要太久。当练习到一定程度,就可以给出几个完整的项目,让学生进行独立练习了。

4 实验管理组织

4.1 分组

我校机电方向08级有200人,分两个班每个班各100人,分别有4周的强化训练时间。为便于上课管理,每班分为4个小组,每组25人。实验分组与实验设备、实验内容有关,同时考虑到每位学生在实操现场能够自主完成的内容。

学生的分组,应该是既能使每位学生都有独立完成实验的机会,同时也能锻炼学生分工合作的团队精神。而且,分组之后,实验设备应能够在使用合理的情况下,尽可能多地使用。

4.2 联系与交流

每个小组设立2名小组长,方便平时实验的管理与组织。设立了专属的QQ群。可以随时进行师生交流。一些消息能够及时做出公布。平时练习的资料,可供参考的资料,可以实现共享。

5 成绩考核

最后成绩,由上机实操考核得出。由于参加实训的学生人数多,只好采用多人合作完成上机任务的方式来进行考核。最后确定3人一组,在2个小时内,完成一个项目,该项目根据可编程序控制系统设计师(四级)考核来制订,难度还稍稍降低一点。从考试结果来看,至少60%的同学已经接受了该种实训方式,能够达到预期的强化训练的效果。

6 结语

3.机电一体化系统设计实验报告范文 篇三

关键词： 机电一体化 系统设计 综合实验 改革实践路径

机电一体化课程设置的基础是让学生掌握机械系统的具体设计方法和设置步骤，并在此锻炼学生的数控编程能力，但是受到新的发展形式的影响，该课程的很多弊端逐步暴露出来。如，设备只有一台，学生多次拆装后，设备中的很多元器件已经被损坏，或者丝杠和导管出现不同程度的磨损，不能验证编制程序，这将对培养学生动手能力起到阻碍作用，故此该教学环节需进行改革与优化。

一、机电一体化综合实践设备改革的前提条件

（一）配备高素养的师资队伍

由于机电一体化需要涉及机械、电工、电子等相关专业，在专业化基础建设的过程中，每一个部分都要设置相关的教师开展专业化的指导，这是实现机电一体化的前提条件。同时要求机电一体化教研时和实验室需经多方切磋做好专业教学评定，并追踪确立专业指导教师，这些教师中有专业任课教师、专业实验教师，兼顾设备设计中的各个专项领域，为学生的实验教学活动保驾护航。

（二）专业化教材编写

机械一体化教材的编写需要从头开始，这是促进学生专业发展的关键要素。由于教材是学生获取知识的“阵地”，好的教材能够给学生提供更好的指导作用，学生根据教材的章节设置要求，能够制订教学计划，并结合教材开展实验教学活动，教学内容涉及基本信息评定、实验目的、实验任务等相关的流程。

二、综合实验开展的特色化表现

（一）机电一体化产品

MPS即模块化生产加工系统，是德国的FESTO公司在结合现代化工业特色的前提下研发出的模拟自动化生产流程，主要工作过程过程包括供料工作站、检测工作站、加工工作站等几部分，控制时主要通过I/O数据通讯方式控制整个工作站的具体状况。由于该教学培训系统主要蕴含的内容包括：机械设计、传感器设计、气动技术等。故此，该技术是在工业自动化领域内建立的完整的教学系统。

（二）面向实际的培训设备

从工厂的角度出发，可以获悉面向实际的培训是趋向于理想的培训，工厂在进行实地的培训会让生产系统产生故障，并由此引发生产的风险，甚至在整个生产过程中出现破坏的状况，这一理想通常是不可行的。但是若使用FESTO则能较好地解决这一问题，由于该系统能够模拟整个实际生产的全部过程，因此在实验室运行过程中要求技术人员对设备进行安装、调试和编程等环境的支持，并在此期间维护和确定排除系统故障的工作。

三、综合实践成果总结

（一）独立完成机械图纸设计

由于该设备使用时没有提供相关的机械图纸，学生在实践过程中需根据装备初期的状况做好装配结构的分析与组成要素，并进行测绘，学生可以在短时间内绘制出每一站的机械系统CAD装配图纸，并将各个零部件标注清晰。

（二）独立完成PLC程序设计

该设备最初配置的PLC是西门子公司的可编程控制器，设备供应商在设备供给时只能提供PLC的程序。但是在课程讲解中需要运用欧姆龙公司生产的PLC程序设计，所以学生在使用时更偏重于欧姆龙公司生产的PLC编程模式。设备采购过程中应明确说明安装欧姆龙公司生产的PLC，取代西门子公司的PLC程序，但是很多设备提供商还不能提供欧姆龙的PLC程序。学生在学习时就要根据光盘提供的每站动作录像做动作分解，并画出动作的流程图或者梯形图等，编制正确的PLC程序，学生在完成时需要结合以往学习过的知识做新知识的延伸，且由于每个学生对程序有不同的理解，因此学生都能独立完成学习任务，这将大大提高学生的自主学习能力，并能在此基础上完善学生的知识体系。

（三）独立完成电气原理图和气动回路原理图

在拆装电气或者气路部分的管线装置，学生能够了解I/O口线的地址，并连接所有的控制元器件，弄明白气动电磁阀、气缸或者电机等元器件的具体工作原理和控制要素，学生通过实际手动操作，对位置有初步了解，绘制电气原理图的时候对各个元器件的位置有深刻印象，也能独立完成电气原理图和气动回路图，学生在原课本中的知识就能充分运用到实验过程中，对知识的理解将进一步升华，并对知识的具体使用有新的认识。

（四）答辩夯实毕业设计基础

答辩时要求小组代表先花费十分钟的时间整合整个设计过程，并在综合实践组织的过程中做好任务的分配和实验的全过程跟进，然后指导教师结合实验情况有针对性地对小组成员提出问题，并根据情况做好记录和评分，这样才能客观体现出学生的真实实验成绩。

机电一体化系统设计的综合实验主要是运用闭环式的教学模式，其中涉及的内容包括学生四年时间内学习到的机械制图、机械原理、接卸设计等相关内容。学生在学习期间通过亲自动手拆装和测绘，并在编制和调试的过程中，对知识有新的认识，并且提高动手能力，用以培养创新思维能力。

参考文献：

[1]鞠勇.面向实际工程应用的PLC实验室建设[J].实验室研究与探索，2002，（01）.

[2]林志坚，沈萌红.基于仿真技术的PLC模拟实验系统[J].实验室研究与探索，2006，（02）.

[3]鲁晓阳.中等职业学校网络型PLC实验室建设和课程开发[D].浙江工业大学，2007.

[4]秦法富.机电一体化技术的发展趋势[J].河南科技，2011，（02）.

4.机电一体化系统设计实验报告范文 篇四

可行性报告

该教学实验设备集激光技术、机械、电子、计算机技术、数控技术于一体，既能满足高校、高职高专相关专业教学实验、课程设计、毕业设计及课外创新设计等需要，又能用于对外激光雕刻加工。其加工对象可为：有机玻璃、塑料、橡胶、木质、双色板、牛角等非金属材料。基本实验项目

· 位置控制板的学习和应用实验

· 激光雕刻软件的学习和应用实验 · 数控代码的学习和应用实验 · 激光工作台单轴定位控制实验 · 激光工作台两轴联动控制实验

· 激光工作台单轴限位控制和回原位控制实验

· 步进电机开环、半闭环、闭环三种控制系统的比较实验 · 激光焦点位置的调节实验 · 激光文字雕刻实验

· 激光图案雕刻实验 · 数控程序编制及控制实验

· 光机电一体化设备基本组成及功能部件的认识实验

特

点

· 实验内容涉及机械、电气、激光加工、计算机技术、数控技术等方面，覆盖面广，综合性强

· 各功能部件敞开性好，有利于加深学生的感性认识 · 通过多个模块，灵活组成各种系统

· 实验过程接近实际机电产品的组装调试过程，实战性强

· 学生可根据自己的构思进行创新设计 面向课程

《机电传动控制》，《机床电器控制》，《 机床概论》，《机械加工自动化》，《机械制造系统》，《先进制造技术》，《激光加工技术》，《数控技术》，《数控机床》，《机电一体化控制技术与系统》等。

其它用途

· 为本科生、专科生、研究生提供教学实验场所

5.机电一体化系统设计习题汇总 篇五

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？

6.机电一体化系统的现代设计方法 篇六

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

7.机电一体化系统设计实验报告范文 篇七

一、现代机械的机电一体化目标

1.提高精度

机电一体化技术使机械传动部件减少,因而使由机械磨损、配合间隙及变形而引起的误差大为减小。同时,由于机电一体化技术采用电子技术实现自动检测和自动控制,校正和补偿由各种干扰因素造成的动态误差,从而达到单纯机械装备所不能实现的工作精度。

2.增强功能

现代高新技术的引入,使机械产品具有多种复合功能,成为机电一体化产品和系统的一个显著特点。

3.提高生产效率

机电一体化系统可以有效地减少生产准备时间和辅助时间,缩短新产品的开发周期,提高产品的合格率,减少操作人员,从而提高生产效率,降低生产成本。

4.节约能源,降低能耗

通过采用低能耗的驱动机构、最佳调节控制和提高能源利用率等措施,机电一体化产品和系统可以取得良好的节能效果。

5.提高安全性、可靠性

机电一体化系统通常具有自动检测、监控子系统,因而可以对各种故障和危险自动采取保护措施并及时修正参数,提高系统的安全可靠性。

6.改善操作性和实用性

机电一体化系统的各相关子系统的动作顺序和功能协调关系由控制系统决定。随着计算机技术和自动控制技术的发展,可以通过简便的人机界面操作,实现复杂的功能控制和良好的使用效果。

7.减轻劳动强度,改善劳动条件

减轻劳动强度包括繁重的体力劳动和复杂的脑力劳动。机电一体化系统能够由计算机完成设计制造和生产过程中极为复杂的人的智力活动和资料记忆查找工作,同时又能通过过程控制自动运行,从而替代人的紧张和单调重复操作以及在危险环境下的工作。

8.简化结构,减轻重量

机电一体化系统采用先进的电力电子器件和传动技术,替代老式笨重的电气控制和机械变速结构,由微处理器和集成电路等微电子元件和程序逻辑软件,完成过去靠机械传动链来实现的关联运动,从而使机电一体化产品和系统的体积小,结构简化,重量减轻。

9.降低价格

由于机械结构简化,材料消耗减少,制造成本降低,而且电子器件的价格下降迅速,因此机电一体化产品和系统的价格日趋低廉,而使用性能、维修性能日趋完善,使用寿命不断延长。

10.增强柔性应用功能

为了满足市场多样性的要求,机电一体化系统可以通过编制用户程序来实现机电产品工作方式的改变,适应各种用户对象及现场参数变化的需要。

二、机电一体化系统开发的设计思想

机电一体化的优势,在于它吸收了各相关学科之长并加以综合运用而取得整体优化效果。因此,在机电一体化系统开发的过程中,要特别强调技术融合、学科交叉的作用。机电一体化系统开发是一项多级别、多单元组成的系统工程。把系统的各单元有机地结合成系统后,各单元的功能不仅相互叠加,而且相互辅助、相互促进、相互提高,使整体的功能大于各单元功能的简单的和,即“整体大于部分的和”。

三、机电一体化系统设计方法

1.取代法

这种方法是用电气控制取代原传统中机械控制机构。这种方法是改造传统机械产品和开发新型产品常用的方法。例如,用电气调速控制系统取代机械式变速机构,用可编程序控制器或微型计算机来取代机械凸轮控制机构、插销板、步进开关、继电器等,以弥补机械技术的不足。这种方法不但能大大简化机械结构,而且可以提高系统的性能和质量。

2.整体设计法

这种方法主要用于全新产品和系统的开发。在设计时,完全从系统的整体目标考虑各子系统的设计,所以接口简单,甚至可能互融一体。在大规模集成电路和微机不断普及的今天,随着精密机械技术的发展,完全能够设计出将执行元件、运动机构、检测传感器、控制与机体等要素有机地融为一体的机电一体化新产品。

3.组合法

这种方法就是选用各种标准模块,像积木那样组合成各种机电一体化系统。例如,设计数控机床时,可以从系统整体的角度选择工业系列产品,诸如数控单元、伺服驱动单元、位置传感检测单元、主轴调速单元以及各种机械标准件或单元等,然后进行接口设计,将各单元有机的结合起来融为一体。在开发机电一体化系统时,利用此方法可以缩短设计与研制周期、节约工装设备费用,有利于生产管理、使用和维修。

8.机电一体化系统设计实验报告范文 篇八

试卷总分：100

测试时间：--

试卷得分：100

一、单选题（共10道试题，共30分。）得分：30 1.系统的输出量和目标值之差叫做（）。A.系统误差 B.系统差率 C.稳态误差 D.动态误差

答案:C 满分：3分得分：3 2.8086/8088的内部运算器，寄存器及内部数据总线为（）位。A.4 B.8 C.16 D.32

答案:C 满分：3分得分：3 3.在数控系统中，复杂连续轨迹通常采用（）方法实现。A.插补 B.切割 C.画线 D.自动

答案:A 满分：3分得分：3 4.机械系统平移有三种阻止运动的力：惯性力、弹簧力和（）。A.摩擦力 B.阻尼力 C.重力 D.离心力

答案:B 满分：3分得分：3 5.将连续时间信号变为脉冲或者数字信号的过程称为（）。A.分析 B.调频 C.采样 D.转换

答案:C 满分：3分得分：3 6.积分调节器的特点是（）。A.能消除误差，且响应快 B.能消除误差，响应慢 C.不能消除误差，响应快 D.不能消除误差，响应慢

答案:B 满分：3分得分：3 7.下列接地措施的没有抗干扰作用的措施是（）。A.单点接地 B.并联接地 C.串联接地 D.光电隔离

答案:C 满分：3分得分：3 8.由机械传动装置的的弹性形变而产生的振动称为（）。A.自振 B.共振 C.谐振 D.误差

答案:C 满分：3分得分：3 9.（）能说明机器人的控制能力。A.编程与存储容量 B.定位精度 C.自由度 D.运动速度

答案:A 满分：3分得分：3 10.串接式接口电路中负载功率PL与直流电源短路功率PKE0成（）比。A.正 B.反 C.平方 D.立方

答案:A 满分：3分得分：3

二、多选题（共10道试题，共40分。）得分：40 1.消除结构谐振的措施有（）。A.提高传动刚度 B.提高机械阻尼 C.采用校正网络 D.应用综合速度反馈减小谐振

答案:ABCD 满分：4分得分：4 2.步进电机的主要特性包括精度和（）。A.矩角特性 B.启动频率特性 C.运行频率特性 D.矩频特性

答案:ABCD 满分：4分得分：4 3.机电一体化系统的设计方法有（）。A.纵向分层法 B.横向分块法 C.替代法 D.融合法

答案:AB 满分：4分得分：4 4.机电一体化系统设计时采用的设计方法有（）。A.机电互补法 B.结合法 C.组合法 D.原创法

答案:ABC 满分：4分得分：4 5.机电一体化系统设计原则包括机电互补原则、（）。A.功能优化原则 B.自动化省力化原则 C.效益最大原则 D.开放性原则

答案:ABCD 满分：4分得分：4 6.控制用电机选用的基本要求有（）。A.性能密度大 B.快速性好

C.位置控制精度高

D.适应启停频繁要求，寿命长、可靠性高

答案:ABCD 满分：4分得分：4 7.智能化机电一体化系统的特征主要体现在（）。A.可视性 B.复杂性 C.交叉性 D.拟人性

答案:BCD 满分：4分得分：4 8.下列选项对采样周期有影响的是（）。A.控制回路数的影响 B.闭环系统的频带范围 C.系统稳定性影响 D.执行机构的特性

答案:ABCD 满分：4分得分：4 9.光电隔离电路的作用主要有（）。

A.可将输入输出两端电路的地线分开，各自使用一套电源供电 B.可以进行电平转换 C.提高驱动能力

D.阻止发光二极管导通

答案:ABC 满分：4分得分：4 10.机电一体化系统的组成部分主要分为（）。A.机械本体和动力部分 B.测试传感部分 C.执行机构

D.控制性处理单元及接口

答案:ABCD 满分：4分得分：4

三、判断题（共10道试题，共30分。）得分：30 1.目前采用的滑动轴承有液体滑动轴承和气体滑动轴承。A.错误 B.正确

答案:B 满分：3分得分：3 2.机电系统中常用的线性结构有齿轮传动、同步带传动。A.错误 B.正确

答案:B 满分：3分得分：3 3.步进电机的运行频率小于启动频率。A.错误 B.正确

答案:A 满分：3分得分：3 4.谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似。A.错误 B.正确

答案:B 满分：3分得分：3 5.机电一体化是以机械学、电子学和信息科学为主的多门技术学科在机电产品发展过程中相互交叉、相互渗透而形成的一门新兴边缘性技术学科。A.错误 B.正确

答案:B 满分：3分得分：3 6.步进电机角位移与输入脉冲成正比，旋转速度与输入脉冲的频率成反比。A.错误 B.正确

答案:A 满分：3分得分：3 7.支持部件通常称为导轨副。A.错误 B.正确

答案:B 满分：3分得分：3 8.无条件I/O方式常用于中断控制中。A.错误 B.正确

答案:A 满分：3分得分：3 9.物质、能量、信息是工业的三大要素。A.错误 B.正确

答案:B 满分：3分得分：3 10.在低摩擦中，谐振的消除可以用测速发电机电压正比于电动机电流的综合电压来实现。A.错误 B.正确

9.机电一体化系统设计实验报告范文 篇九

较为人们所接受的含义： “机电一体化是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引用微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称” 机电一体化的目的是提高系统(产品)高附加价值化，即多功能化、高效率化、高可靠性化、省材料省能源化，并使产品结构向轻、薄、短、小巧化方向发展，不断满足人们生活的多样化需求和生产的省力化、自动化需求。

优先发展的机电一体化领域必须同时具备下述几个条件：①短期或中期普遍需要；②具有显著的经济效益 ；③具备或经过短期努力能具备必需的物质技术基础；④社会效益十分显著的领域。

6大共性关键技术：1.检测传感技术，检测传感器属于机电一体化系统（或产品）的检测传感元件。2.信息（信息处理）技术，信息技术包括信息的输入、变换、运算、存储和输出技术。3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、自适应控制、自诊断、校正、补偿、再现、检索等技术。4.伺服驱动技术，伺服驱动技术，伺服驱动技术主要是执行元件中的一些技术问题。5.精密机械技术，机电一体化产品对精密机械提出的新要求有：减轻重量、缩小体积、提高精密、提高刚度、改善动态性能等。6.系统总体技术，系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统的观点和方法，将总体分解成若干功能单元，找出能完成各个功能的技术方案，再把功能与技术方案组合成方案进行分析、评价和优选的综合应用技术。

机电一体化系统（产品）由

机械系统(机构)、电子信息处理系统(计算机)、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)，五个子系统组成。

系统的五种内部功能：1.主功能： 实现系统“目的功能”直接必需的功能。2.动力功能： 向系统提供动力、让系统得以运转的功能。3.计测功能： 对系统内部信息和外部信息进行检测与计算处理的功能。4.控制功能： 对整个系统进行控制，使系统正常运转以实施 “目的功能”。5.构造功能 ：使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必需的功能。

广义接口功能有两种：1.变换调整功能、调整2.输入/输出。

根据接口的变换、调整功能，可将接口分成以下四种： 1)零接口。不进行任何变换和调整、输出即为输入等，仅起连接作用的接口，称为零接口。例如输送管、接插头、接插座、接线柱、传动轴、导线、电缆等。2）无源接口。只用无源要素进行变换、调整的接口，称为无源接口。例如齿轮减速器、进给丝杠、变压器、可变电阻器以及透镜等。3)有源接口。含有有源要素、主动进行匹配的接口，称为有源接口。例如电磁离合器、放大器、光电耦合器、D/A转换器、A/D转换器以及力矩变换器等。4)智能接口。含有微处理器，可进行程序编制或可适应性地改变接口条件的接口，称为智能接口。例如自动变速装置，通用输入／输出LSI(8255等通用I/O)、GP-IB总线、STD总线等。

根据输入／输出功能可分成以下四种广义接口：1）机械接口2）物理接口 3）信息接口

4）环境接口。

工业三大要素 物质、能量和信息

机电一体化对三大要素的三大效果省能源，省资源，智能化

机电一体化系统（产品）设计的考虑方法：1)机电互补法又称取代法。该方法的特点是利用通用或专用电子部件取代传统机械产品（系统)中的复杂机械功能部件或功能子系统，以弥补其不足。2）结合(融合)法，它是将各组成要素有机结合为一体构成专用或通用的功能部件(子系统)，其要素之间机电参数的有机匹配比较充分。3）组合法，它是将结合法制成的功能部件(子系统)、功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统（品），故称组合法。

机电一体化系统的设计类型：1）开发性设计，它是没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理和要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品或系统。2)适应性设计，它是在总的方案原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品的性能和质量增加某些附加价值。3)变异性设计，它是在设计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使之适应于量的方面有所变更的要求。

B设计主要从以下几方面采取措施：1)采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件；2)缩短传动链，提高传动与支承刚度； 3)选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力；4)缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支承变形的措施； 5)改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声。

随着机电一体化技术的发展，要求传动机构不断适应新的技术要求。具体讲有三个方面：1)精密化，—对某种特定的机电一体化系统（或产品）来说，应根据其性能的需要提出适当的精密度要求。虽然不是越精密越好，但由于要适应产品的高定位精度等性能的要求，对机械传动机构的精密度要求也越来越高。2)高速化，—产品工作效率的高低，直接与机械传动部件的运动速度相关。因此，机械传动机构应能适应高速运动的要求。3)小型化、轻量化，—随着机电一体化系统(或产品)精密化、高速化的发展，必然要求其传动机构的小型、轻量化，以提高运动灵敏度(快速响应性)、减小冲击、降低能耗。为与微电子部件的微型化相适应，也要尽可能做到使机械传动部件短小轻薄化。

丝杆和螺母相对运动的组合情况，有一下类型：1.螺母固定，丝杆转动并移动；2丝杆转动、螺母移动；3.螺母转动、丝杆移动；4丝杆固定、螺母转动并移动。

丝杠螺母机构的传动形式及选择方法是：(1)螺母固定、丝杠转动并移动如图2—2a所示，该传动形式因螺母本身起着支承作用，消除了丝杠轴承可能产生的附加轴向窜动，结构较简单，可获得较高的传动精度。但其轴向尺寸不宜太长，否则刚性较差。因此只适用于行程较小的场合。(2)丝杠转动、螺母移动如图2-2b所示，该传动形式需要限制螺母的转动，故需导向装置。其特点是结构紧凑，丝杠刚性较好。适用于工作行程较大的场合。(3)螺母转动、丝杠移动如图2_2c所示，该传动形式需要限制螺母移动和丝杠的转动，由于结构较复杂且占用轴向空间较大，故应用较少。(4)丝杠固定、螺母转动并移动如图2—2d所示，该传动方式结构简单、紧凑，但在多数情况下使用极不方便，故很少应用。此外，还有差动传动方式，其传动原理如图2_3所示。该方式的丝杠上有基本导程(或螺距)不同的(如L01、L02)两段螺纹，其旋向相同。当丝杠2转动时，可动螺母1的移动距离s=n(L01-L02)(n为丝杠转速)，如果两基本导程的大小相差较少，则可获得较小的位移s。因此，这种传动方式多用于各种微动机构中。

滚珠丝杠副的结构类型可以从螺纹滚道的截面形状、滚珠的循环方式和消除轴向间隙的调整方法进行区别。

滚珠的循环方式有：滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环两种。外循环---外循环方式中的滚珠在循环返向时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外作循环运动。从结构上看，外循环有以下三种形式：1）螺旋槽式2）插管式3)端盖式 精度等级：根据GB/T17587.3-1998（与ISO 3408-3：1992同）标准，将滚珠丝杠副的精度分成为1、2、3、4、5、7、10共七个等级，最高级为1级，最低级为10级。

推荐采用的精度等级：数控机床、精密机床和精密仪器等用于开环和半闭环进给系统，根据定位精度和重复定位精度的要求可选用1、2、3级，一般动力传动可选4、5级，全闭环系统可选2、3、4级。

滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧：(1)双螺母螺纹预紧调整式，(2)双螺母齿差预紧调整式，(3)双螺母垫片调整预紧式，（4）弹簧式自动调整预紧式，（5）单螺母变位导程自预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式。

滚珠丝杆副支承方式的选择：1之承方式：1)单推-单推式，2)双推-双推式，3)双推-简支式4)双推-自由式。2制动装置。

各级传动比的最佳分配原则：1.重量最轻原则。2.输出轴转角误差最小原则3.等效转动惯量最小原则.综合上述，在设计中应根据上述的原则并结合实际情况的可行性和经济性对转动惯量、结构尺寸和传动精度提出适当要求。具体来讲有一下几点：1，对于要求体积小、重量轻的齿轮传动系统可用重量最轻原则。2.对于要求运动平稳、起停频繁和动态性能好的伺服系统的减速齿轮系，可按最小等效转动惯量和总转角误差最小的原则来处理。对于变负载的传动齿轮系统的各级传动比最好采用不可约的比数，避免同期齿合以降低噪声和振动。3.对于提高传动精度和减小回程误差为主的传动齿轮系，可按总转角误差最小原则。对于增速传动，由于增速时容易破环传动齿轮系工作的平稳性，应在开始几级就增速，并且要求每级增速比最好大于1：3，以利于增加轮系刚度、减小传动误差。4.对较大传动比传动的齿轮系，往往需要将定轴轮系和行星轮系巧妙结合为混合轮系。对于相当大的传动比，并且要求传动精度与传动效率高、传动平稳、体积小、重量轻时，可选用新型的谐波齿轮传动。

齿轮传动间隙的调整方法：1，圆柱齿轮传动：偏心套（轴）调整法，轴向垫片调整法，双片薄齿轮错齿调整法。

圆形导轨：此类导轨制造方便，外圆采用磨削，内孔经过珩磨，可达到精密配合，但磨损后很难调整和补偿间隙。圆柱形导轨有两个自由度，适用于同时作直线运动和转动的地方。若要限制转动。可在圆柱表面开键槽或加工出平面，但不能承受大的扭矩，亦可采用双圆柱导轨。圆柱导轨用于承受轴向载荷的场合。

2-19.设有一谐波齿轮减速器，其减速比为100，柔轮齿数为100 答：根据公式:iHr=Zr/(zr-zg)可知: 当iHr=100时,Zg=99,（但一般刚轮齿数比柔轮齿数多，所以舍去）当iHr=-100时,Zg=101;故该谐波减速器的刚轮齿数为101,（柔轮）输出轴方向与（波发生器）输入轴转向相反。(提示：一般来说，刚轮仅比柔轮多几个齿；刚轮固定时，柔轮与输出轴固联；柔轮固定时，刚轮与输出轴固联，两种情况下，波发生器均与输入轴固联)C．执行元件的种类及特点：1.电气式执行元件，包括控制用电动机(步进电动机、DC和AC伺服电动机)、静电电动机、磁致伸缩器件、压电元件、超声波电动机以及电磁铁等。其中，利用电磁力的电动机和电磁铁，因其实用、易得而成为常用的执行元件。对控制用电动机的性能除了要求稳速运转性能之外，还要求具有良好的加速、减速性能和伺服性能等动态性能以及频繁使用时的适应性和便于维修性能。2.液压式执行元件，主要包括往复运动的油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸占绝大多数。目前，世界上已开发了各种数字式液压式执行元件，例如电-液伺服马达和电-液步进马达，这些电-液式马达的最大优点是比电动机的转矩大，可以直接驱动运行机构，转矩/惯量比大，过载能力强，适合于重载的高加减速驱动。3.气压式执行元件，气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执行元件无什么区别。具有代表性的气压执行元件有气缸、气压马达等。气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度较高的场合使用。

对执行元件的基本要求：1.惯量小、动力大

2.体积小、重量轻，既要缩小执行元件的体积、减轻重量，同时又要增大其动力，故通常用执行元件的单位重量所能达到的输出功率或比功率，即用功率密度 或比功率密度来评价这项指标。设执行元件的重量为G，则功率密度 为 P/G。比功率密度为(T2/J)/G。3.便于维修、安装，执行元件最好不需要维修。无刷DC及AC伺服电动机就是走向无维修的一例。4.宜于微机控制，根据这个要求，用微机控制最方便的是电气式执行元件。因此机电一体化系统所用执行元件的主流是电气式，其次是液压式和气压式(在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节)。内燃机定位运动的微机控制较难，故通常仅被用于交通运输机械。

对控制用电动机的基本要求：

开环系统：步进电机。半闭环，闭环系统：伺服电动机。

D简述步进电机的工作原理：其定子有六个均匀分布的磁极，每两个相对磁极组成一相，即有A-A1、B-B1、C-C1三相，磁极上绕有励磁绕组。假定转子具有均匀分布的四个齿，当A、B、C三个磁极的绕组依次通电时，则：A、B、C三对磁极依次产生磁场吸引转子转动。

简述步进电机距角大小的计算方法：步距角的大小与通电方式和转子齿数有关，其大小可用下式计算：步距角＝360°／(z m)式中 z-转子齿数；m-运行拍数，通常等于相数或相数整数倍，即m=KN(N为电动机的相数，单拍时K＝1，双拍时K＝2)。步进电机也可以制成四相、五相、六相或更多的相数，以减小步距角并改善步进电机的性能。-说明CPU,MC,与MCS的关系：微处理机简称CPU。它是一个大规模集成电路(LSI)器件或超大规模集成电路(VLSI)器件，器件中有数据通道、多个寄存器、控制逻辑和运算逻辑部件，有的器件还含有时钟电路，为器件的工作提供定时信号。微型计算机，简称MC。它是以微处理机(CPU)为中心，加上只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、输入／输出接口电路、系统总线及其他支持逻辑电路组成的计算机。上述微处理机、微型计算机都是从硬件角度定义的，而计算机的使用离不开软件支持。一般将配有系统软件、外围设备、系统总线接口的微型计算机称为微型计算机系统，简称MCS。

微机选用要点：不同领域可选用不同品种、不同档次的微机。生产系统自动化、机床自动化、数控机床一般应用8位或16位微机系统，特别是控制系统与被控对象分离时，可使用单板机、多板机微机系统。像家用电器、商用产品，计算机一般装在产品内，故应采用单片机或微处理器。然而，这类产品处理速度不高、处理数据量不大、处理过程又不太复杂，故主要采用4位或8位微机。在要求很高的实时控制及复杂的过程控制、高速运算及大量数据处理等场合，如智能机器人、导航系统、信号处理系统应主要使用16位与32位微机。对一般的工业控制设备及机电产品、汽车机电一体化控制、智能仪表、计算机外设控制、磅秤自动化、交通与能源管理等，多采用8位机。换句话说，4位机常用于较简单、规模较小的系统(或产品)，16位与32位机及64位机主要用于较复杂的大系统，8位机则用于中等规模的系统。由于单片机的迅速发展，它的功能更强，性能更完善，逐渐满足各种应用领域的要求，应用范围不断扩大，不但用于简单小系统，而且不断被复杂大系统所采用。

说明光电耦合器的光电隔离原理：控制输出时，从上图a可知，微机输出的控制信号经74LS04非门反相后，加到光电耦合器G的发光二极管正端。当控制信号为高电平时，经反相后，加到发光二极管正端的电平为低电平，因此，发光二极管不导通，没有光发出。这时光敏晶体管截止，输出信号几乎等于加在光敏晶体管集电极上的电源电压。当控制信号为低电平时，发光二极管导通并发光，光敏晶体管接收发光二极管发出的光而导通，于是输出端的电平几乎等于零。同样的道理，可将光电耦合器用于信息的输入，如上图b所示。当然，光电耦合器还有其他连接方式，以实现不同要求的电平或极性转换

E．MC/FMC/FMS/FA/CIMS的含义是什么：MC：加工中心；FMC：柔性制造单元；FMS：柔性制造系统；FA:

CIMS：计算机集成制造系统。F．计算：

系统调节方法：1.PID调节器及其传递函数，2.调节作用分析，3.速度反馈校正

可靠性设计：所谓可靠性，是指“产品(或系统)在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力”。“完成规定功能”就是能够连续地保持产品(或系统)的工作能力，使各项技术指标符合规定值。

保证系统（产品）可靠性的方法：

自动控制：在系统(产品)设计中，利用机电一体化技术的优势，使系统(产品)具有自适应、自调整、自诊断甚至自修复的功能，可以大大提高系统(产品)的可靠性。这是因为自适应和自调整等自动化技术，能使机器具有适应工作条件经常变化的功能(对外界的作用作出反应)，以及恢复丧失了的工作能力的功能，使系统(产品)不仅具有完成规定功能的能力，而且能够长时期地保持这种能力，不必担心外界影响，也不必担心系统(产品)本身在运转过程中发生故障。（2）冗余技术。冗余技术又称储备技术。它是利用系统的并联模型来提高系统(产品)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：又称工作储备或掩蔽储备，是一种两个或两个以上单元并行工作的并联模型。平时，由各个单元平均负担工作应力，因此工作能力有冗余。只有当所有的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与转换装置，不断检测工作单元的工作状态，一旦发现失效就启动转换装置，用后备单元代替失效的工作单元。（3）诊断技术。从本质上来看，诊断技术是一种检测技术，用来取得有关系统(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，查明系统(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，即症兆；最后将症兆与标准数据相比较，确定故障的种类和故障位置。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位置，对诊断对象进行的试验性测试，这时诊断对象处于非工作状态，这种情况称为诊断测

试；二是在故障发生之前，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。症兆：症兆是有助于判断故障种类和故障位置的异常性诊断信号，可分为直接症兆和间接症兆两类。直接症兆是在检测产品整机的输出参数或可能出现故障的元、部件的输出参数时，取得的异常性诊断信号。例如，系统(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。间接症兆是从那些与系统(产品)工作能力存在函数关系的间接参数中取出的异常性诊断信号。例如，系统(产品)的音响信号、温度变化、润滑油中的磨损产物、系统动态参数(幅频特性)等，都可作为取得间接症兆的信号。采用间接症兆进行诊断的主要优点是，可以在系统(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，间接症兆与系统(产品)输出信号之间往往存在某种随机关系，此外，一些干扰因素也会影响间接症兆的有效性。尽管如此，间接症兆在诊断技术中还是得到了广泛应用。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，或利用事先确定的症兆与故障之间的对应关系，来确定故障的种类与部位。标准数据是根据系统(产品)或元、部件输出参数的极限值来设定的。症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，有时称为故障字典。前面简述了保证系统(产品)可靠性的方法，其中裕度法主要是一种改进硬件的措施，自动控制法以及冗余技术和诊断技术是用硬件、软件或两者结合来保证系统(产品)可靠性的措施。

干扰和抗干扰措施：（1)干扰源。一般来说，在机电一体化系统（产品）中，用专用或通用微型计算机组成的控制器，其硬件经过筛选和老化处理，可靠性非常高，平均无故障工作时间较长，因此，引起控制器故障(失效)的原因多半不在于其本身，而在于从各种渠道进入控制器的干扰信号。下图表示干扰信号进入控制器的各种渠道。这些渠道可分为两大类型：一是传导型，通过各种线路传入控制器，包括供电干扰、强电干扰和接地干扰等；二是辐射型，通过空间感应进入控制器，包括电磁干扰和静电干扰等。供电干扰：控制器一般都配备有专用的直流稳压电源，即使如此，从交流供电网传来的干扰信号仍然可能影响电源电压的稳定性，并可能经过整流电源窜入控制器。这些干扰信号主要来源于附近大容量用电设备的负载变化和开、停时产生的电压波动。这些设备在起动时使电网电压瞬时降低，在停止时又产生过电压和冲击电流。此外，雷电感应也会产生冲击电流。供电电网对控制器的另一种干扰是断电或瞬时断电，这将引起数据丢失或程序紊乱。强电干扰：驱动电路中的强电元件如继电器、电磁铁和接触器等感性负载，在断电时会产生过电压和冲击电流。这些干扰信号不仅影响驱动电路本身，还会通过电磁感应干扰其他信号线路。这种强电干扰信号能通过外部接口通道影响控制器内部I/O接口的状态，并通过I/O接口进入控制器。接地干扰：接地干扰是由于接地不当、形成接地环路产生的。下图为接地环路的两种典型情况。图a是由于接地点远而形成的环路，因为不同位置的接地点一般不可能电位相同，因此形成图中所示的地电位差；图b是采用公用地线串联接地而形成的环路，由于各设备负载不平衡、过载或漏电等原因，可能在设备之间形成电位差；无论哪种情况形成的电位差，都会产生一个显著的电流而干扰电路的低电平。辐射干扰：如果在控制系统附近存在磁场、电磁场、静电场或电磁波辐射源，就可能通过空间感应，直接干扰系统中的各设备(控制器、驱动接口、转换接口等)和导线，使其中的电平发生变化，或产生脉冲干扰信号。系统附近或系统中的感性负载是最常见的干扰源，它的开、停会引起电磁场的急剧变化，其触点的火花放电也会产生高频辐射。人体和处于浮动状态的设备都可能带有静电，甚至可能积累很高的电压。在静电场中，导体表面的不同部位会感应出不同的电荷，或导体上原有的电荷经感应而重新分配，这些都将干扰控制系统的正常运行。

（2)抗干扰措施。用来抑制上述各种干扰信号的产生或防止干扰信号危害的抗干扰措施，既有针对各种干扰源的性质和部位而采取的措施，也有从全局出发而采取的提高产品可靠性的措施。

供电系统的抗于扰措施：针对交流供电网络这个干扰源所采取的抗干扰措施主要是稳(稳压)、滤(滤波)、隔(隔离)。

增加电子交流稳压器：在直流稳压电源的交流进线侧增加电子交流稳压器、用来稳定220V单向交流进线电压，可以进一步提高电源电压的稳定性。

增加低通滤波器，用来滤去电源进线中的高频分量或脉冲电流。

加入隔离变压器，以阻断干扰信号的传导通路，并抑制干扰信号的强度。

在可靠性要求很高的地方，可采用不间断电源(具有备用直流电源)，以解决瞬时停电或瞬时电压降所造成的危害。接口电路的抗干扰措施：在控制器与执行元件之间的驱动接口电路中，少不了由弱电转强电的电感性负载，以及用来通、断电感负载的触点，这些都是产生强电干扰的干扰源。对于这种干扰，首先是采取吸收的方法抑制其产生，然后采取隔离的方法，阻断其传导。这种强电干扰，也会通过电磁感应影响控制器与检测传感器之间的转换接口电路。对于这种干扰以及从空间感应受到的其他辐射干扰，也需采取隔离的办法，以免通过转换接口进入控制器。采用RC电路或二极管和稳压二极管吸收在电感负载断开时产生的过电压，以消除强电干扰。

采用光隔离措施以防止驱动接口中的强电干扰及其他干扰信号进入控制器。如下图a所示,GT为光电耦合器，信号在其中单向传输，其输入端与输出端之间的寄生电容很小，绝缘电阻又非常大，因此干扰信号很难从输出端反馈到输入端，从而起到隔离作用。

转换接口的隔离：为了防止各种干扰影响由检测传感器传来的较弱的模拟信号，通常采用差分式运算放大器来隔离干扰信号，其原理如下图b所示。这种放大器的输出信号决定于两个输入端的电位差，即UP-Ui，而干扰信号的相位及大小对两个输入端来说是相同的，因此干扰信号就被抵消了。

对于近距离的检测传感器发出的数字或脉冲信号，不必再经过放大，可采用下图c所示的抗干扰电路。由R1和C1组成滤波器，滤去高频干扰。由于经过RC滤波后的脉冲信号往往有脉动和抖动，为了改善脉冲前沿，故增加了一级整形电路。

接地系统的抗干扰措施：要防止从接地系统传来的干扰，主要方法是切断接地环路，通常采用以下措施。

并联接地，单点接地，光电隔离。