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机电系统设计范文1
【关键词】机电一体化；控制技术；设计；应用方法
中图分类号：C35文献标识码： A
工业一直以来都是国民经济的主导产业，其不仅关系着国家经济的发展进程，也影响了整个社会科技的发展水平。新经济体制下，我国工业科技取得了新的研究成果，改变了过去单一的技术应用方案。机电一体化控制系统是工业经济中的先进模式，由于多种技术融入而提高技术的实用性，这些都能为企业发展创造有利的条件。
一、机电一体化系统的构成
从构成要素上来看，机电一体化系统由机械系统(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(如电机)等五个子系统组成。机电一体化系统的基本特征是给”机械”增添了头脑(计算机信息处理与控制)，因此是要求传感器技术、控制用接口元件、机械结构、控制软件水平较高的系统。
从所要实现功能上来看，因为机电一体化系统(或产品)是由若干具有特定功能的机械与微电子要素组成的有机整体，要有满足人们使用要求的功能(目的功能)，所以根据不同的使用目的，要求系统能对输入的物质、能量和信息(即工业三大要素)进行某种处理，输出所需要的物质、能量和信息。因此，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,不管是实现哪类“目的”功能的系统(或产品)，其系统内部必须具备如下图所示的五种内部功能，即主功能、动力能功能、检测功能、控制功能、构造功能。其中“主功能”是实现系统“目的功能”直接必需的功能，主要是对物质、能量、信息或其相互结合进行变换、传递和存储。“动力功能”是向系统提供动力、让系统得以运转的功能。“检测功能和控制功能”的作用是根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转，实施“目的功能”。而“构造功能”则是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。从系统的输入／输出来看，除有主功能的输入／输出之外，还需要有动力输入和控制信息的输入／输出。此外，还有因外部环境引起的干扰输入以及非目的性输出(如废弃物等)。
既然机电一体化系统(产品)可以分解成一系列要素或子系统构成，那么怎样使各要素或子系统之间顺利地进行物质、能量和信息的传递与交换呢?这就涉及到了接口的概念。所谓接口就是各要素或各子系统之间的联系条件。从系统外部看，机电一体化系统的输入／输出是与人、自然及其他系统之间的接口；从系统内部看，机电一体化系统是由许多接口将系统构成要素的输入／输出联系为一体的系统。从这一观点出发，系统的性能在很大程度上取决于接口的性能，各要素或各子系统之间的接口性能就成为综合系统性能好坏的决定性因素。机电一体化系统是机械、电子和信息等功能各异的技术融为一体的综合系统，其构成要素或子系统之间的接口极为重要，在某种意义上讲，机电一体化系统设计归根结底就是“接口设计”。广义的接口功能有两种，一种是输入／输出的功能；另一种是变换、调整的功能。
二、机电一体化控制系统的设计要点
随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，机电一体化技术获得前所未有的发展。现在的机电一体化技术，是机械和微电子技术紧密集合的一门技术，它的发展使冷冰冰的机器有了人性化、智能化。从企业角度分析，开辟新工业生产模式是行业科技的创新要求，也是实现经济收益最大化的必要条件。笔者认为，机电一体化控制系统设计应注重几大模块的控制：
（1）结构模块。机械本体是系统的所有功能要素的机械支持结构，一般包括有机身、框架、支撑、联接等，这是机电系统控制的主要对象。设计一体化系统要考虑设备本身的结构设置，使机电、机械等设备发挥出预期的功效，这样才可以加快控制系统的功能发挥。
（2）动力模块。动力驱动部分依据系统控制要求，为系统提供能量和动力以使系统正常运行。无论是哪一种类型的机械设备，都要借助动力系统才能正常地运转，这是机电一体化设计的主要内容。动力模块设计可选用变频调节技术，根据主电机传输能量的大小，由变频器自动控制电传动速率，进而对设备动力供应系统进行调节，这样能够方便机电系统的自动化运转。
（3）感知模块。测试传感部分对系统的运行所需要的本身和外部环境的各种参数和状态进行检测，并变成可识别的信号，传输给信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。传感器是信息传递的主要设备，用其作为信号感应与自处理装置，对机电设备调度具有指导作用。无线传感技术的普及应用，能够帮助控制系统快速地分析数据信息，避免其他信号传递造成的干扰。
（4）指令模块。控制及信息处理部分将来之测试传感部分的信息及外部直接输入的指令进行集中、存储、分析、加工处理后，按照信息处理结果和规定的程序与节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的的运行。机电一体化控制系统设计应考虑指令的控制，尤其是自然语言与计算机语言之间的转换，更应该朝着一体化方向转变，这是保证机电信号稳定传输的重点条件。
三、机电一体化系统的相关关键技术
（1）机械技术：机电一体化的机械产品与传统的机械产品的区别在于：机械结构更简单、机械功能更强、性能更优越。在设计和制造机械系统时除了考虑静态、动态刚度及热变形等问题外，还应考虑采用新型复合材料和新型结构及新型的制造工艺和工艺装置。
（2）传感检测技术：传感检测技术的内容，一是研究如何将各种被测量转换为与之成比例的电量；二是研究对转换的电信号的加工处理。机电一体化系统要求传感检测装置能快速、准确、可靠地获取信息。
（3）信息处理技术：信息处理的发展方向是提高信息处理的速度、可靠性和智能化程度。人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等都属于计算机信息处理技术的范畴。
（4）自动控制技术：机电一体化系统中的自动控制技术主要包括位置控制、速度控制、最优控制、自适应控制以及模糊控制、神经网络控制等。
（5）伺服传动技术：伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，常见的伺服驱动系统主要有电气伺服和液压伺服。
（6）系统总体技术：机电一体化系统是一个技术综合体，它利用系统总体技术将各有关技术协调配合、综合运用而达到整体系统的最佳化。
四、机电一体化控制系统是工业生产调度的主要趋势，也是基于信息科技的自动化控制平台，用其作为工业生产控制模块，有助于加强生产设施的工作性能，带动了生产效率的全面提升。同时，借助控制及信息处理部分发出的指令，可快速完成规定的动作和功能。除此之外，新型机电控制系统应用还表现在其它方面：
（1）人机智能化。从未来科学技术的发展角度考虑，我国机电一体化控制系统也将朝着智能方向改进，这种智能性特点是在原控制模式上的升级，应用了多功能控制技术作为辅助方案。随着计算机应用技术的不断推广，机电一体化作业模式的智能系数更高，大部分人工操作均可通过计算机控制平台处理，这些改变了传统工业生产模式的不足。
（2）数字一体化。数字一体化是对机电一体化控制的延伸，其选用高科技数字系统作为支撑，对机电设备动作指令进行合理地调度，帮助工业系统解决实际生产中的问题。数字一体化以微型计算机为控制平台，这种小型计算机具备了常规计算机的数据处理功能，因其外形轻巧而适合安装于机电设备。利用数字传感器对控制系统实时感应，发现异常信号后及时调整指令，加快了数字系统的自处理效率。
参考文献
[1]丁子华.新时期多功能通信网络的设计与应用[J].工业科技研究.2009，20（12）：19～21
机电系统设计范文2
【关键词】PLC；光机电；一体化；实训系统；设计
1概述
1.1PLC
PLC全称为可编程逻辑控制器，它是一款可用于编程的存储器，它主要是用于完成逻辑运算的执行、顺序的控制、定时、计数等用户的指令，除此之外，它还可以运用数字化或者模拟式输出及输入对机械生产进行控制。可编程逻辑控制器具有许多特点，首先，可编程逻辑控制器使用起来十分方便，而且编程简单，其主要采用的是简单的梯形图、逻辑图或者简单的程序语句来表达，所以对于用户来说，他们不用掌握十分完备的计算机知识，就可以很好地进行操作。其次，可编程逻辑控制器的功能强大，价格还十分经济，故而其性能价格比是相对较高的。还有一点，就是可编程逻辑控制器的硬件配套往往十分齐全，用户在使用时很方便，适应能力强，很可靠，在抗干扰方面，其采用大量集中的继电器，在减少接触不良方面，可编程逻辑控制器在很大程度上具有优势，从而减少接触不良带来的许多故障。关于可编程逻辑控制器的维护和修理方面，其在设计、安装和调试上的工作量少，从其维护工作来看，工作量也是相对较少的，而且操作起来方便，故障问题能够很快地解决。
1.2光机电一体化
光机电一体化又叫做机械电子工程，这是机械工程与自动化领域中的一个研究方向。随着社会经济的不断发展和科学技术不断取得重大突破，光机电一体化的技术也在迅猛发展，光机电一体化在许多领域都有了应用。从综合层面来讲，光机电一体化实际上是将许多技术进行有机结合后的产物，其中就包括机械技术、电子工程技术、信息技术等等，在结合后将光机电一体化技术应用到实际生产当中去，从而可以使得机械发展更加智能化和人性化。
2基于PLC的光机电一体化实训系统设计
2.1组成要素
基于PLC的光机电一体化实训系统设计，其设计过程中首先需要注意的是光机电一体化系统中的组成要素，主要有五大要素，分别是结构组成要素、动力组成要素、感知组成要素、运动组成要素和职能组成要素。结构组成要素是整个光机电一体化实训系统组建的基础，它为整个系统提供了结构的支持，也就是说，只有按照系统的要求，组建好结构组成要素，才能实现系统能量的正常供应和动力系统的运行。动力组成要素在整个系统的建设中起到了提供动力的作用，只有保证了动力的充足，才能实现整个系统的正常、稳定的工作。而感知组成要素在光机电一体化实训系统中主要是对系统自身的运行状态和工作环境的一个感知，从各种参数和状态进行收集、分析和处理，并且以可被识别的信号输出，从而产生相应的调控信息，使得整个系统的运行状态得以监测。在运动组成要素常常与动力组成要素相互搭配起作用，都是为系统运行所需要的动力提供基础保障。职能组成要素在控制和处理信息部分发挥着巨大的作用，由于感知组成要素是作用于收集系统运行状态和参数，在收集到大量数据之后，就需要对呈现的数据进行分析、存储和加工，从而能够使得整个系统按照获得的指令进行运作。总结来讲，光机电一体化实训系统的设计不可忽略这五大组成要素的基本功能和作用。
2.2设计原则
光机电一体化实训系统在设计的过程中，不仅需要考虑各个组成要素的作用，还需要遵循设计的原则，这些原则主要分为四部分，分别是接口耦合、运动传递、信息控制和能量转换四项基本原则。首先是接口耦合原则，也就是说两个需要进行信息传递的接口或者需要进行传递的环节之间，如果其信息模式不一致就会造成信息无法传递的严重后果，因此，在这里就需要遵循接口耦合的原则，利用接口耦合使得信息得以传递。在信号相对较弱的两个环节之间，也需要通过接口耦合来实现扩大信号的效果，从而能够匹配，使得信号的变换更加清晰、可靠，而且更加快速、精准。第二项原则，能量转换原则，两个需要进行传输和转换的环节之间，常常会出现由于信息模式的不同而无法进行直接的信息传递，所以在这里不仅需要接口耦合，还需要能量的转换，只有能量进行转换，才能使得执行器、驱动器等不同能量实现最优的工作效率。第三，信息控制，在光电一体化实训系统的设计中，在数据的收集、传输、存储、分析等都是进行信息处理的过程，而达到最优的信息控制，是提高光电一体化实训系统运行质量和效率最关键的一步。随着社会经济的不断发展，科学技术的日益更新，机械智能化已经成为现代科技的标志，所以，在光电一体化实训系统中，遵循信息控制原则，实际上可以推进整个系统的智能化水平。第四，运动传递原则，在光机电一体化系统的各个组成要素之间，运动传递能够实现各个要素的信息传输和运动控制的目的。
2.3具体设计
光机电一体化实训系统的设计最关键的就是要保证系统设计的完整性，下面就以水池补水系统为例，对基于PLC的光机电一体化实训系统设计进行分析。首先是动力部分，水池补水系统选择电力作为动力部分，动力部分的设计需要满足系统的动力需求，以保证整个系统的动力源泉不会枯竭；就目前来讲，常见的动力源有电能、风能、水能、人力、畜力等，而水池补水系统的动力系统选择电能即可。其次，是水池补水系统的结构部分，在进行光机电一体化实训系统设计的时候，需要考虑实现的效果，从而有针对性地选取相适应的结构，在搭配其他部件，最终实现机械自动化控制，这里以水池补水系统作为例子，这里的结构本质上是需要动力部分来带动的，因此，它也是整个系统最后发挥作用的部分，也可以算是系统的核心；执行器部分是控制系统的关键部分之一，在实际操作中，常常是需要通过信号路线与PLC连接，从而实现信号的联通和传递，在该水池补水系统的执行器的选择上，选取电动截止阀和开关共同作为执行器的部分，当PLC产生信号并传输到执行器部分，执行器就可以根据指令完成其任务；在水池补水系统的计算机部分在很大程度上需要PLC的支持，从而对信息进行收集、加工和存储操作，计算机部分对于整个水池补水系统来说起到了一个总控的作用，就如同大脑之于身体，显而易见其重要性；水池补水系统的传感器部分，需要利用PLC来对系统自身和工作环境进行数据收集，并且将传感器收集到的信息传输给计算机部分，根据计算机程序的执行，最终输出结果，实现水池补水系统的随环境调试，从而更好地完成其任务。
3结语
随着社会经济的不断发展和科学技术的日渐取得重大突破，光机电一体化作为光学和机械电机工程相互综合的产物，这项技术也在迅猛发展，并且在许多领域，光机电一体化都有了应用。而为了推进光机电一体化技术的进一步发展，将PLC技术应用在光机电一体化实训系统的设计当中，起到了关键作用。本文基于PLC的光机电一体化实训系统设计进行了探讨，虽然文章在内容和结构安排上还存在不足，但是希望通过文章能够引起大众对于PLC和光机电一体化的重视，并且在未来的研究中作出更多的创新。
参考文献
[1]李利军.基于PLC的光机电一体化实训系统设计[D].郑州大学,2013.
[2]徐双君.基于PLC的光机电一体化实训系统设计与实践[J].通讯世界,2016,(02):166.
机电系统设计范文3
随着机械工业的蓬勃发展，世界各国对机械类专业的高等教育越来越注重实践性、应用性及前沿性。德国机电一体化专业课程体系建设是通过校企合作和工学结合的形式，以学习者专业能力、方法应用能力和适应社会能力等综合职业能力培养为本位，以市场需求为目标，以就业为导向，将学习和工作要素相结合，并通过分析与综合，把工作过程的各个部分按一定的顺序，导入课程体系中以构成一个有机的整体。美国宾夕法尼亚大学机械工程与应用力学系提出“机电一体化”课程改革思路，在学期项目中预定实验方案，根据实验方案决定课程内容。南京航空航天大学在机电一体化课程教学改革中，将科研成果引入课程的理论和实验教学中，自主研发教学实验系统平台，简化项目研究内容，研究一体化的系统教学法，培养学生的创新意识，提高学生综合素质。国内高校关于机电一体化专业人才的教育改革各有特色，但与国外教学水平相比，仍处于初级阶段，还没有形成系统的改革方案。建立适应机电一体化系统设计课程本身特点的教学模式任重而道远。
二、机电一体化系统设计教学改革研究
从机电一体化系统设计课程实践性、综合性特点出发，对其进行教学改革，是高校培养应用型机械类人才的关键。机电一体化技术课程教学改革主要包括教学内容改革、教学方法改革、实验内容改革及考核方式改革四个方面。
1.教学内容改革
以系统设计思想为主线，机电一体化的研究方法不能只是简单拼凑，应该从系统设计方案开始到各元部件选择到系统最终成形的全过程都要贯彻系统设计的思想。首先是从整体角度及可行性方面对系统进行多种整体方案设计；然后对其机械机构、执行元件、微机控制系统、检测传感装置等组成部分及相关接口进行细节设计；最后对系统性价比进行衡量，得出优化设计方案。选择原则是在保证目的功能要求与适当寿命的前提下不断降低成本。在讲授每一部分内容时都结合该案例，并将系统设计方法融于其中，既利于学生对知识的掌握，又能起到举一反三的作用，便于学生分析和设计其他的机电一体化产品。
2.教学方法改革
充分运用现代化教学手段，不断提高教学效果，由于机电一体化技术普遍应用于自动化设备（如数控机床、加工中心、机器人等）和自动化生产线（如柔性制造系统等），而学生基本未见过上述自动化设备和生产线，无法了解自动化设备和生产线是如何利用机电一体化技术进行工作的。另外，机电一体化技术是集控制技术、伺服传动技术、传感检测技术、计算机信息技术等于一体的新兴综合性学科，具有涉及面广、综合性强的特点。
3.实验内容改革
在实验教学环节开设的多为演示性、验证性实验，学生动手操作调试的机会少，学习积极性不高。机电一体化教学团队探索构建以学生为主体，以项目驱动为主线，通过项目任务引导理论教学和理论教学指导项目实践的互推互动的教学新模式。在剖析某几个典型机电一体化系统（项目）的结构组成、工作原理、设计过程中，串联讲解知识点并在实验环节进行知识点在项目中的具体应用实现，进而将项目实施和理论讲授有机融合，使学生所学知识得到利用，也提高学生对本课程的学习兴趣，将加强学生的工程实践能力、创新能力和工程意识培养与训练切实落实到每个教学环节中去。
4.考核方式改革
机电系统设计范文4
点焊机作为一种重要的工业用具,在当今工业生产中占着举足轻重的位置。点焊是一种重要的焊接工艺,具有生产效率高、成本低、节省材料和易于实现自动化等特点。如今,传统的点焊机控制方式已经不能满足系统的需求,本文对四工位点焊机电气控制系统进行设计。为了保证四工位点焊机高效节能又能安全可靠的运作,可采用可编程控制器PLC来实现对四工位点焊机系统的控制,来完成四工位点焊机在高地项目柔性自动化生产流水线的物料装配的控制。
关键字:点焊机、PLC控制 、控制系统、自动化
1 文献综述
随着科技的发展,为了减少劳动力再生产线上的机械劳动,寻找创新的道路开发利用,节约不必要的人力支出和人员劳动,开发了自动化生产流水线。自动化生产线是产品生产过程所经过的路线,即从原料进入生产现场开始,经过加工、运送、装配、检验等一系列生产生产线活动所构成的路线[1]。然而这些自动化的操作大量的节约了成本。
在工业生产和其他领域内,由于工作的需要,人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害,增加了工人的劳动强度,甚至于危及生命。自从点焊机问世以来,相应的各种难题迎刃而解[2]。点焊机可在不用人力的情况下焊接物体,动作灵活多样,适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产,广泛应用于柔性自动线[3]。本设计是为了实现点焊机的手动和自动化的转化,改变以往点焊机的单纯手动送料,减少了劳动力,提高了生产效率,实现了自动化生产!而且四工位点焊机的设计是由于工作环境恶劣,不允许人员长时间在旁边工作的情况下孕育而成的[4]。不仅可以提高产品的质量与产量,而且对保障人身安全,改善劳动环境,减轻劳动强度,提高劳动生产率,节约原材料消耗以及降低生产成本,有着十分重要的意义。
柔性生产线是把多台可以调整的机床(多为专用机床)联结起来,配以自动运送装置组成的生产线。按照输送系列产品大体可以分为:皮带流水线、板链线、倍数链线、插件线、网带线、悬挂线及滚筒流水线这七类流水线。一般包括牵引件、承载构件、驱动装置、张紧装置、改向装置和支承件等。流水线输送能力大,运距长,还可在输送过程中同时完成若干工艺操作,所以应用十分广泛。在当今世界自动化生产流水线相对比较普遍,当然还有少部分落后国家还在运用人力的流水线生产物料。运用柔性自动化的生产流水线是我国目前乃至全世界的发展目标也是现在普遍的工业生产技术。点焊机一般由控制器来控制时间、电流等参数,运用点焊机并开发出更多工位的点焊机在今后的工业生产中。
2 选题的背景及意义
随着社会和科学技术的发展,工业生产的操作方式也发生着革命性的变化,从手工作坊式的劳动,逐渐演变成自动化、智能化的生产方式,人类也逐渐无法完成某些生产过程,所以为了适应生产的需要出现了特殊的生产工具——点焊机。与此同时也出现了一些新的生产活动,在这些生产活动中,有些是属于高危险的,对人体伤害较大,有些领域不适宜人类工作长时间的工作,点焊机则正好适应这类工作。防止了一些化学物品对人类的伤害[5]。
在当今大规模制造业中,企业为提高生产效率,保障产品质量,普遍重视生产过程的自动化程度,工业机器作为自动化生产线上的重要成员,逐渐被企业所认同并采用。工业机器的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平,目前,工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运等重复性并且劳动强度极大的工作,工作方式一般采取示教再现的方式。
点焊机是按照给定程序、轨迹和要求实现自动移动、焊接的操作的自动机械装置[6]。实现了自动化的工作并减少了很多不必要的人工劳动。本文对多工位点焊机利用PLC的控制进行了详细的研究。
点焊机的工作原理是利用正负两极在瞬间短路时产生的高温电弧来熔化电焊条上的焊料和被焊材料,来达到使它们结合的目的[7]。点焊机是由焊头、点焊枪等组成。点焊枪是四工位点焊机电气控制系统的核心。利用电磁阀控制点焊枪的伸缩及温度。
3 研究内容
3.1四工位点焊机的基本工作原理
点焊机系采用双面双点过流焊接的原理,工作时两个电极加压工件使两层金属在两电极的压力下形成一定的接触电阻,而焊接电流从一电极流经另一电极时在两接触电阻点形成瞬间的热熔接,且焊接电流瞬间从另一电极沿两工件流至此电极形成回路,不伤及被焊工件的内部结构。
四工位点焊机的四个工作台不动,由一个点焊机控制。由两个步进电机控制X轴Y轴的运行。
3.2 系统方案
此次研究的课题是来源于电气工程及其自动化专业高地建设项目中柔性自动化生产流水线的物料装配,所设计的是四工位点焊机电气控制系统。利用PLC来控制,用步进电机来驱动点焊机,来实现点焊机的运行。
由于这次方案中涉及到不同方向的运动轨迹,需要通过设置脉宽来控制步进电动机的运行速度,可以把运行速度定位单位速度,通过控制步进电机运行时间来控制电机在X轴Y轴的位移。
3.3点焊机PLC控制系统的结构框图
点焊机的工作原理十分简单,采用S7—200对步进电机进行控制,从而达到点焊机多点运动焊接的目的。通过S7—200PLC对步进电机的正反转的控制,可使点焊机的焊接触头运动到不同的工位。驱动步进电机使运动方向沿 X轴Y轴的方向来进行工作的。点焊机的控制系统中由PLC、传感器、步进电机、驱动器、电磁阀、点焊枪等元器件组成。
点焊机启动—停止按钮负责整个系统的停止和启动。传感器主要负责检测点焊机的位置。对于主要的输出设备有以下几方面:主要是点焊枪PLC控制点焊枪的位置及开关状态。对于点焊枪的位置控制由两台步进电机来控制。由于步进电机需驱动器。故PLC得输出信号是直接输入到驱动器。对于点焊枪的开关状态需要电磁阀来间接控制,所以PLC的另一部分输出信号需要传送给电磁阀。使电磁阀通电,来促使点焊枪工作。点焊机信号控制系统框图如图1所示:
图1 点焊机信号控制系统框图
3.4点焊机PLC控制系统的工作流程
根据点焊机的控制要求,四工位点焊机的工作流程图如图2所示:
图2 点焊机的工作流程图
程序启动后选择所要求的工作方式,此四工位点焊机的工作方式有三种,四个工位以圆周均匀分布,用步进电机进行控制工作。以顺时针方向进行编号,每个工位点焊时间2、3、6秒不等。
第一种工作方式是点焊枪开始运行,x轴反转y轴正转同时运行一个单位时间到工位一工作2秒钟后;y轴停止不动,x轴向右正转运行2个单位时间到达工位二工作6秒后;x轴停止不动,y轴反转2个单位时间到达工位三工作2秒钟后;y轴停止不动,x轴反转2个单位时间到达工位四工作3秒后x轴y轴都是正转1个单位时间,回到初始位置。第二、三种的工作方式与一类似。
3.5 硬件系统设计
四工位点焊机控制系统的输入信号由各种开关、按钮、传感器、位置信号等组成,实时反映点焊机的当前工作状态。输出信号主要由各种电磁气阀、步进电机、驱动器及各种状态指示灯等组成。根据控制要求列出输入输出信号。下面简单介绍各元器件在点焊机中的作用。
3.5.1 传感器在点焊机中的作用
随着机械制造行业的发展,传感器行业也得到了大提速,随着物联网概念的日渐普及,传感器市场再次迎来快速发展机遇。在机械制造测试系统中,被作为一次仪表 定位,其主要特征是能准确传递和检测出某一形态的信息,并将其转换成另一形态的信息。在于机床的运行中,传感器也起到重要的作用,传感器在机械制造中是不 可或缺的物件。在机械制造中,传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节。
在各类传感器中压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定可靠、成本低、便于集成化的优点,可广泛用于压力、高度、加速度、液体的流量、流速、液位、 压强的测量与控制。除此以外,还广泛应用于水利、地质、气象、化工、医疗卫生等方面。由于该技术是平面工艺与立体加工相结合,又便于集成化,所以可用来制 成血压计、风速计、水速计、压力表、电子称以及自动报警装置等。压力传感器已成为各类传感器中技术最成熟、性能最稳定、性价比最高的一类传感器
3.5.2 步进电机在点焊机的工作原理
步进电机又称脉冲电机,它是将输入的脉冲信号转换成相应的角位移和线性位移的控制电机,它可以看作为低速运行的同步电机,它由专用的驱动电路来产生脉冲,每输入一个脉冲信号步进电机就转动一步。它是步进式运动的,因此称之为步进电机。
步进电机是受脉冲信号控制的,因此它适合作为数字控制的伺服系统,它的直线位移或者角位移与脉冲量成正比,所以步进电机的速度或转速也与脉冲的频率成正比,通过改变脉冲的频率就可以调节步进电机的速度。步进电机常规的控制方式一般采用开环控制方式,其控制方式由控制器产生脉冲给驱动电路来控制步进电机的速度和位置。
对于步进电机的开环控制系统来说,其控制方式简单、控制成本低、便于实现等优点;但是要实现高精度的位置控制是相当困难的,一般采用加大传动比的方法来实 现,如轴向传动比设置为100:1,若按本设计系统的采用的步进电机的0.1度,那么经过减速以后步进电机的步距角度分辨率为0.0001度,但是步进电 机本身速度不高,若增大步进电机的速度又会导致步进电机的输出转距变小,不能带动负载;这对于贴标机的贴标速度效率是不可取的,另外在负载较大或者连续加 减速的情况下,步进电机容易发生失步或过冲现象,对于开环系统来说,这种现象造成的位置误差是无法弥补的。
机电系统设计范文5
目前国内由于提升机的各组成设备及控制装置大多由不同厂家提供，提升机电控成套厂商生产的提升机电控系统主要实现对提升工艺进行控制和监视保护，而与之相关的定量装载控制(主井配套设备)、井底和井口操车控制(副井配套设备)、提升信号控制、液压制动控制、辅机控制等系统相对独立，只进行简单的闭锁控制和监视。随着PLC在上述各控制系统中的应用，特别是网络通信技术的发展，通过网络通信将上述控制系统连成一体，形成包括所有提升机组成设备控制子系统的提升机电控系统。目前提升机电控系统中广泛使用西门子S7系列PLC，具有Profibus－DP外部现场总线接口，因此选用Profibus－DP网络作为通信方式。Profibus是一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产厂商的现场总线标准，适用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制，能够实现现场级到车间级监控的分布式数字控制和现场通信网络。系统采用3层体系结构，最低层为数据采集系统，从现场各类传感器设备中采集数据，执行控制指令;第2层为实时信息处理系统，对现场采集的数据进行分类显示，包括故障记录、实时显示、打印等;第3层将数据及其相关信息写入服务器和数据库服务器中，对数据进行统计、分析等处理，满足信息通过网络与第3层客户端相连的要求，客户计算机可通过浏览器直接使用和监测现场采集的数据。图3基于现场总线的分布式提升机控制系统架构基于Profibus现场总线的分布式提升机电控系统，可解决目前提升机电控系统中存在的分散控制导致集约控制能力差、信息传输受限、信息采集不完全且不能共享、系统可靠性低、维护量大等一系列问题，减少系统设备间大量的I/O和模拟量电气连接，在节约成本的同时降低系统故障率和维护费用，在拓展信息量的同时提高控制的有效性和稳定性。
2变频调速装置选型设计
大型矿井提升机传动调速装置是电控系统的重要组成部分，传动调速装置的性能直接关系到提升电控系统的稳定与可靠。目前矿井提升机传动调速装置主要采用直流调速和交流调速方案，直流可逆调速方案具有调速连续、机械冲击小、低速转矩大等特点，但因直流电动机受结构和制造工艺制约，以及设备多、控制复杂、维护量大等缺点，直流调速方案目前在大型矿井提升机领域的推广应用逐渐受到限制。与直流传动系统相比，交流传动具有效率高、过载能力大、结构简单等优点，且可做到大容量和高电压，因此随着变频调速控制技术日益成熟，交流变频调速尤其是同步电动机交－直－交变频调速成为大型矿井提升机传动调速的主流解决方案。笔者所设计的千米深矿井提升电控系统电动机容量大，提升速度高，为满足系统要求，选择了同步电动机交－直－交变频调速方案。由于矿井提升要求调速精度高、动态相应快，能够满足此要求的变频装置多采用二极管嵌位三电平交－直－交变频调速方式，目前能够提供此类变频装置的主要有西门子公司SM150系列产品、ABB公司ACS6000系列产品及中国矿业大学ASCS系列产品等。其中西门子公司的SM150系列及ABB公司的ACS6000系列都是采用IGCT功率器件，并使用水冷技术，而中国矿业大学的产品采用高压IGBT功率器件及风冷散热技术，在控制策略上西门子公司及中国矿业大学采用矢量控制技术，ABB公司采用DTC直接转矩控制技术，各公司产品在技术水平上各有特点。根据使用单位经费预算及现场技术人员对相关产品的熟悉程度，最终选用一套西门子公司的SINAMICSSM150中压电压源型交－直－交变频器来构成同步电动机全数字变频调速控制系统。
3结语
机电系统设计范文6
关键词：机电一体化 互动教学 实践教学 项目教学
科学技术的高速发展和不断进步使机械制造业发生了巨大的变化。以信息技术为代表的高新科技向机械行业的渗透，使得现代机电产品不再是单纯的机械构件，而是机械、电子、计算机等集成的所谓机电一体化产品[1]。社会对机械专业人才的要求越来越趋向于复合型、应用型，因此高校教师在传授专业知识的同时必须注重学生知识的拓展和综合应用。机电一体化系统设计是一门融合了机械、电子、控制等多学科的综合性课程，对培养学生的综合设计能力以及系统工程意识具有重要作用。
1课程理念及体系构建
机电一体化系统设计是机械设计制造及自动化专业的一门重要专业课程。本课程融合了机械技术、电子技术、传感检测技术、自动控制技术、信息处理技术等多种技术于一体，是对基础课、专业基础课等知识的综合应用，也是理论与工程实践相结合的课程[2]。
本课程主要介绍了机电一体化系统的基本构成、执行装置、检测元件、控制系统等内容，各章节结构图如图1所示[3]。第一、二章是机电一体化系统及设计方法的概述。第三、四章介绍各种执行装置和检测元件的构造、原理及使用方法。第五章讲解控制系统及接口的设计。第六章是前面章节知识的综合与应用。
图1 机电一体化系统设计课程章节结构图
由于在本课程开设之前，学生已经学习了机械原理、控制理论、检测技术等相关课程，因此应该着眼于学生综合设计能力和系统工程意识的培养，而不只是各部分知识的简单重复和回顾。此外，由于本课程与生产、生活实际紧密联系，可以结合案例分析、讨论与互动、实践教学等多种方式开展教学活动。
2 教学方法改革
由于受传统教育观念和教学条件的限制，机电一体化系统设计课程过去以教师讲授为主，学生只能被动地接受，学习的主动性和积极性不能有效发挥。本文依据该课程各章节教学重点的不同，采用不同的教学方法对学生进行引导，培养学生学习的兴趣，提高学生的综合能力和素质。
2.1 知识精讲
机电一体化系统设计课程涉及的知识面广、综合型强，但理论课时并不多。因此，需调整与先修课程的关系，删减重复部分，精讲内容要少而精，重点介绍机电一体化系统各组成部分的原理、作用及相互联系。理论知识讲解的同时需结合案例分析，加深学生对相关知识的理解。此外，还可以利用动画、视频等多媒体手段，帮助学生了解最新的研究成果，掌握最新的行业动态，避免教学与生产实际脱离。例如，在讲授执行装置构造及使用方法时，可以略过学生已经重点学习过的电动机工作原理及特性，对液压和气动执行装置也只做简单介绍，而重点比较三种执行装置的性能、适用范围及应用。通过对工件输送系统的分析，学生理解气动执行装置的原理以及在机电一体化设备中的作用。采用视频资料与教师讲解相结合的方式，介绍压电、静电、形状记忆合金等新型执行装置，在开阔学生视野的同时加深其对执行装置的理解。
2.2 讨论与互动式教学
教学过程是教师和学生以信息为载体的互动过程[4]。为了让学生参与到课堂教学中来，体现学生学习的主体性，而不是作为课堂的看客或被灌输的对象，可以在知识精讲的基础上融入讨论与互动式教学方法。教师通过本课程的重点、难点、疑点问题，引导和启发学生思考，激发学生听课的热情和积极性，实现师生互动[5]。例如，在介绍机电一体化系统的基本构成时，安排学生分组了解一种机电一体化设备，掌握其基本工作原理及组成要素，并在课堂上利用PPT、视频资料进行讲解。教师针对该设备的工作原理及过程进行提问，同组同学展开讨论并进行解答。讨论课气氛活跃，学生积极性较高，达到较好的教学效果。
2.3 实践教学
机电一体化系统设计是一门与生产、生活实际紧密结合的课程，因此在课堂教学之外还应当利用已有的教学和实验条件让学生接触实际的机电系统。在检测与传感器技术的授课过程中，笔者利用数控加工中心和工业机器人进行实践教学。学生通过观察两种设备所使用的光电编码器、直线光栅尺和接近开关，对传感器的工作原理有了进一步的认识。在操纵数控机床和工业机器人的过程中，学生可以掌握传感器在各自系统中的作用。此外，通过对数控机床和工业机器人所使用的交、直流电机以及液压和气动系统的介绍可以帮助学生巩固执行装置部分的知识点，起到温故而知新的作用。总之，实践教学可以加深学生对知识的理解，密切知识体系间的联系。
2.4项目教学
为了提高学生系统设计能力和工程意识，将所学知识融会贯通，在本课程的授课过程中采用了项目任务教学的方法。项目教学是以工程实践为导向，通过完成一个完整的“项目”工作而进行的实践教学活动[6]。将本课程所涉及的知识点通过一个明确的“项目任务”布置给学生，学生根据任务要求，进行资料整理―系统方案设计―子系统设计及实现―系统方案优化。
全方位移动机器人设计就是适合本课程的一个较好的“项目任务”。该项目集硬件与软件设计于一体，所涉及知识包括执行装置、传感器、控制系统及接口电路等，对于巩固知识、培养综合设计能力具有重要作用。学生选定题目后：（1）查找相关资料了解全方位移动机器人的基本技术。此过程培养了学生检索科技文献的能力，为随后的毕业设计奠定了良好的基础。（2）确定全方位移动方案，并将机器人分为移动机构、控制系统、传感器模块、通讯模块等，绘制基本的硬件结构框图和总体的软件流程图。在这部分主要培养学生的系统观念，使其能够从宏观上把握全局，制订合理且可行的方案。（3）各子系统的硬件、软件设计及实现。子系统的设计过程也是知识的掌握和应用过程，明确的学习目的能够有效提高学生的学习效率。（4）机器人各子系统的联合调试及方案优化。子系统联调过程必然会出现冲突和矛盾，如何从系统角度出发解决出现的问题并进行方案的优化，同样是对学生综合能力的培养和锻炼。
通过全方位移动机器人设计这一项目，学生明确了学习的目标和任务，积极性和主动性有较大提高。在完成项目任务过程中，学生加深了机电一体化相关知识的理解，并将各部分知识融会贯通，有效培养了学生的系统观念和工程意识。此外，以团队形式来完成任务有利于学生协作意识的培养及综合素质的提高。
3 结束语
在机电一体化系统设计课程中采用知识精讲、讨论与互动式教学、实践教学、项目教学等多种方法相结合的方式进行教学改革和探索。教学实践表明几种教学方法相结合的方式可以让学生参与到教学活动中来，提高学生学习的积极性和主动性，对于培养学生的综合设计能力和工程应用能力具有积极作用。
参考文献
[1]杨叔子，张福润.面向21世纪改革机械工程教学[J].高等教育研究，2000（4）：73-77.
[2]丁文政，王娟，汪木兰.机电一体化系统设计课程教学改革探索[J].中国现代教育装备，2012（3）：80-81.
[3]高森年. 机电一体化[M].北京：科学出版社，2001.
[4]姚蓉.谈如何搞好大学教学中的课堂互动[J].中国大学教育，2008（7）：71-74.
