发布时间 : 星期四 文章第7章典型（机器人）机电一体化系统实例分析 - 图文更新完毕开始阅读d6c762601ed9ad51f01df2fd
第7章 典型机电一体化系统设计及应用举例
本章教学重点：机电一体化系统设计要点，数控机床及典型机器人系统设计方法。 本章教学难点：数控机床及典型机器人系统设计方法。 本章教学方式：多媒体教学、动画演示。
7.1 机电一体化系统设计要点
7.1.1 基本开发思路
机电一体化系统设计是根据系统论的观点，运用现代设计的方法构造产品结构、赋予产品性能并进行产品设计的过程。图7-1所示为机电一体化产品设计的典型流程图。机电一体化产品设计过程可划分为四个阶段： （一）准备阶段
在这个阶段中首先对设计对象进行机理分析，确定产品的规格、性能参数；然后进行技术分析，拟定系统总体方案，划分组成系统的各功能要素和功能模块，最后对各种方案进行可行性研究对比，确定最佳总体方案。 （二）理论设计阶段
在这个阶段中首先根据设计目标、功能要素和功能模块，画出机器工作时序图和机器传动原理图；计算各功能模块之间接口的输入输出参数，确定接口设计的任务归属。然后以功能模块为单元，根据接口参数的要求对信号检测与转换、机械传动及工作机构、控制微机、功率驱动及执行元件等进行功能模块的选型、组配、设计；最后对所进行的设计进行整体技术经济评价、设计目标考核和系统优化，挑选出综合性能指标最优的设计。 （三）产品的设计实施阶段
在这一阶段中首先根据机械、电气图纸，制造和装配各功能模块；然后进行模块的调试；最后进行系统整体的安装调试，复核系统的可靠性及抗干扰性。 （四）设计定型阶段
该阶段的主要任务是对调试成功的系统进行工艺定型，整理出设计图纸、软件清单、零部件清单、元器件清单及调试纪录等；编写设计说明书，为产品投产时的工艺设计、材料采购和销售提供详细的技术档案资料。
纵观系统的设计流程，设计过程的各阶段均贯穿着围绕产品设计的目标所进行的。
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开始 需求抽象：确定产品规格、性能参数
“基本原理—总体布局—细部结构”三次循环设计，每一阶段均构成一个循环体，即以
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准备阶段拟定总体方案、划分功能模块 方案论证、确定模块设计目标和人员组织 接口和功能模块细部设计 理论设计阶段理论设计总体评价 满意否 功能模块制作与调试 设计实施阶段满意否 系统整体安装调试与可靠性、抗干扰性复核 满意否 定型阶段工艺定型 编写技术文档资料 结束 图7.1 机电一体化产品设计流程图
产品的规划和讨论为中心的可行性设计循环；以产品的最佳方案为中心的概念性设计循环；以产品性能和结构优化为中心的技术性设计循环。循环设计使产品设计在可行性规划和论证的基础上求得概念上的最佳方案，再在最佳方案的基础上求得技术上的优化，是系统设计的效率和质量大大地提高。
CNC机床（或加工中心）加工时应考虑的问题
7.1.2用户要求的抽象
用户的需求虽然是设计所要达到的最终目标，但它并不全是设计的技术参数，因为用户对产品提出的要求往往面向产品的使用目的。因此，需要对用户的要求进行抽象，要在分析对象工作原理的基础上，澄清用户需求的目的、原因和具体内容，经过理论分析和逻辑推理，提炼出问题的本质和解决问题的途径，并用工程语言描述设计要求，最终形成产品的规格和性能参数。对于加工机械而言，它包括如下几个方面：
1．运动参数 表征机器工作部件的运动轨迹和形成、速度和加速度。
2．动力参数 3．品质参数 4．环境参数 5．结构参数
表征机器为完成加工动作应输出的力（或力矩）和功率。
表征机器工作的运动精度、动力精度、稳定性、灵敏度和可靠性。 表征机器工作的环境，如温度、湿度、输入电源。 表征机器空间几何尺寸、结构、外观造型。
6．界面参数 表征机器的人—机对话方式和功能。
7.1.3功能要素和功能模块
机电一体化系统的功能要素是通过具体的技术物理效应实现的，一个功能要素可能是一个功能模块，也可能由若干个功能模块组合而成，或者就是一个机电一体化子系统。功能模块则是实现某一特定功能的具有标准化、通用化或系列化的技术物理效应。功能模块在形式上，对于硬件表示为具体的设备、装置或电路板，对于软件则表示为具体的应用子程序或软件包。
进行机电一体化系统的设计时，将功能模块视为构成系统的基本单元，根据系统构成的原理和方法，研究它们的输入输出关系，并以一定的逻辑关系连接起来，实现系统的总功能。因此可以说机电一体化系统的设计过程是一个从模块到系统的设计过程。
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7.1.4 接口设计要点
接口设计的总任务是解决功能模块间的信号匹配问题，根据划分出来功能模块，在分析研究功能模块输入输出关系的基础上，计算制定出各功能模块相互连接时所必须共同遵守的电气和机械的规格和参数约定，使其在具体实现时能够“直接”相连。
应当说明的是，系统设计过程中的接口设计是对接口输入输出参数或机械结构参数的设计，而功能模块设计中的接口设计则是遵照系统设计制定的接口参数进行细部设计，实现接口的技术物理效应，两者在设计内容和设计分工上是不同的。不同类型的接口，其设计要求有所不同。这里仅从系统设计的角度讨论接口设计的要求。
传感接口要求传感器与被测机械量信号源具有直接关系，要使标度转换及数学建模精确、可行，传感器与机械本体的连接简单、稳固，能克服机械谐波干扰，正确反映对象的被测参数。
变送接口应满足传感器模块的输出信号与微机前向通道电气参数的匹配及远距离信号传输的要求，接口的信号传输要准确、可靠，抗干扰能力强，具有较低的噪声容限；接口的输入阻抗应与传感器的输出阻抗相匹配；接口的输出电平应与微机的电平相一致；接口的输入信号与输出信号关系应是线性关系，以便于微机进行信号处理。
驱动接口应满足接口的输入端与微机系统的后向通道在电平上一致，接口的输出端与功率驱动模块的输入端之间不仅电平要匹配还应在阻抗上匹配。另外接口必须采取有效的抗干扰措施，防止功率驱动设备的强电回路反窜入微机系统。
传动接口是一个机械接口，要求它的联接结构紧凑、轻巧，具有较高的传动精度和定位精度，安装、维修、调整简单方便，传动效率高，刚度高，响应块。
7.1.5系统整体方案拟定和评价
拟定系统整体方案一般分为两个步骤，首先根据系统的主功能要求和构成系统的功能要素进行主功能分解，划分出各功能模块，确定它们之间的逻辑关系；然后对各功能模块输入输出关系进行分析，确定功能模块的技术参数和控制策略，系统的外观造型和机械总体结构；最后以技术文件的形式交付设计组讨论、审定。系统总体方案文件的内容应包括：
（1）系统的主要功能、技术指标、原理图及文字说明； （2）控制策略及方案；
（3）各功能模块的性能要求，模块实现的初步方案及输出输入逻辑关系的参数指标； （4）方案比较和选择的初步印象；
（5）为保证系统性能指标所采取的技术措施； （6）抗干扰及可靠性设计策略； （7）外观造型方案及机械主体方案； （8）人员组织要求；
（9）经费和进度计划的安排。
系统功能分解应综合运用机械技术和电子技术各自的优势，力求系统构成简单化、模块化。常用的设计策略如下：
1．减少机械传动部件，时机械结构简化，体积减小，提高系统动态响应性能和运动精度。
2．注意选用标准、通用的功能模块，避免功能模块在低水平上的重复设计，提高系统在模块级上的可靠性，加快设计开发的速度。
3．充分运用硬件功能软件化原则，使硬件的组成最简单，使系统智能化。
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