第一篇：机电一体化智能大流量电动执行机构设计
摘 要
提出一种新型电动执行机构的设计方案，详细介绍了该执行机构各功能元件的选型与设计、阀位及速度控制原理以及各种关键问题的解决方法。该执行机构将阀门、伺服电机、控制器合为一体，采用8031单片机、变频技术实现了阀门的动作速度和位置控制，解决了阀门的精确定位、阀门柔性开关、极限位置判断、电机保护及模拟信号隔离等技术问题。现场运行情况表明，该电动执行机构具有动作快、保护完善以及便于和计算机通讯等优点。关键词： 执行机构 电动阀门 机电一体化
I
Abstract Proposed that one kind of new electric operator's design proposal, introduced this implementing agency various functional element's shaping and the design, the valve position and the speed control principle as well as each key question solution in detail.This implementing agency the valve, the servo electrical machinery, the controller bed in one, uses 8031 monolithic integrated circuits, the frequency conversion technologies to realize valve's movement speed and the position control, has solved valve's pinpointing, the valve flexible switch, technical questions and so on limiting position judgment, electrical machinery protection and simulated signal isolation.The scene operational aspect indicated that this electric operator has the movement to be quickly, the protection consummates as well as is advantageous with merits and so on computer communication.Key words:
Implementing agency
Electrically operated valve
Integration of machinery
II
目录
摘 要..............................................................I Abstract...........................................................II 引 言..............................................................1 第一章 电动执行机构的硬件设计及工作原理............................2
1．1系统工作原理................................................2 1．2控制系统各功能元件的选型与设计..............................2 第二章 阀位及速度控制原理..........................................5 第三章 机电一体化关键技术问题的解决................................5 第四章 结 论......................................................8 参考文献............................................................9 致 谢.............................................................10
III
引
言
在现代化生产过程控制中，执行机构起着十分重要的作用，它是自动控制系统中不可缺少的组成部分。现有的国产大流量电动执行机构存在着控制手段落后、机械传动机构多、结构复杂、定位精度低、可靠性差等问题。而且执行机构的全程运行速度取决于其电机的输出轴转速和其内部减速齿轮的减速比，一旦出厂，这一速度固定不可调整，其通用性较弱。整个机构缺乏完善的保护和故障诊断措施以及必要的通信手段，系统的安全性较差，不便与计算机联网。鉴于以上原因，采用传统的大流量电动执行机构的控制系统，可靠性和稳定性较差。随着计算机网络、现场总线等技术在工业过程中的应用，这种执行机构已远远不能满足工业生产的要求。笔者设计的大流量电动执行机构，采用机电一体化技术，将阀门、伺服电机、控制器合为一体，利用异步电动机直接驱动阀门的开与关。通过内置变频器，采用模糊神经网络，实现阀门的动作速度、精确定位、柔性开关以及电机转矩等控制。该电动执行机构省去了用于控制电机正、反转的接触器和可控硅换向开关模件、机械传动装置和复杂、昂贵的控制柜和配电柜，具有动作快、保护较完善、便于和计算机联网等优点。实际运行表明，该执行机构工作稳定，性能可靠。
第一章 电动执行机构的硬件设计及工作原理
电动执行机构控制系统原理框图。NC数控送料机从结构上主要分为控制部分和执行机械结构部分。控制部分主要由单片机、PWM波发生器、IPM逆变器、A/D、D/A转换模块、整流模块、输入输出通道、故障检测和报警电路等组成。执行驱动部分主要包括三相伺报电机和位置传感器。1．1系统工作原理
霍尔电流、电压传感器及位置传感器检测到的逆变模块三相输出电流、电压及阀门的位置信号，经A/D转换后送入单片机。单片机通过8255控制PWM波发生器，产生的PWM波经光电耦合作用于逆变模块IPM，实现电机的变频调速以及阀位控制。逆变模块工作时所需要的直流电压信号由整流电路对380V电源进行全桥整流得到。
1．2控制系统各功能元件的选型与设计
（1)单片机选用INTEL公司生产的8031单片机，它主要通过并行8255口担负控制系统的信号处理：接收系统对转矩、阀门开启、关闭及阀门开度等设定信号，并提供三相PWM波发生器所需要的控制信号；处理IPM发出的故障信号和报警信号；处理通过模拟输入口接收的电流、电压、位置等检测信号；提供显示电动执行机构的工作状态信号；执行控制系统来的控制信号，向控制系统反馈信号。
（2)三相PWM波发生器PWM波的产生通常有模拟和数字两种方法。模拟法电路复杂，有温漂现象，精度低，限制了系统的性能；数字法是按照不同的数字模型用计算机算出各切换点，并存入内存，然后通过查表及必要的计算产生PWM波，这种方法占用的内存较大，不能保证系统的精度。为了满足智能功率模块所需要的PWM波控制信号，保证微处理器有足够的时间进行整个系统的检测、保护、控制等功能，文中选用MITEL公司生产的SA8282作为三相PWM发生器。SA8282是专用大规模集成电路，具有独立的标准微处理器接口，芯片内部包含了波形、频率、幅值等控制信息。
（3)智能逆变模块IPM为了满足执行机构体积小，可靠性高的要求，电机电 源采用智能功率模块IPM。该执行机构主要适用功率小于5．5kW的三相异步电机，其额定电压为380V，功率因数为0．75。经计算可知，选用日本产的智能功率模块PM50RSA120可以满足系统要求。该功率模块集功率开关和驱动电路、制动电路于一体，并内置过电流、短路、欠电压和过热保护以及报警输出，是一种高性能的功率开关器件。
（4)位置检测电路位置检测电路是执行机构的重要组成部分，它的功能是提供准确的位置信号。关键问题是位置传感器的选型。在传统的电动执行机构中多采用绕线电位器、差动变压器、导电塑料电位器等。绕线电位器寿命短被淘汰。差动变压器由于线性区太短和温度特性不理想而受到限制。导电塑料电位器目前较为流行，但它是有触点的，寿命也不可能很长，精度也不高。笔者采用的位置传感器为脉冲数字式传感器，这种传感器是无触点的，且具有精度高、无线性区限制、稳定性高、无温度限制等特点。
（5)电压、电流及检测检测电压、电流主要是为了计算电机的力矩，以及变频器输出回路短路、断相保护和逆变模块故障诊断。由于变频器输出的电流和电压的频率范围为0～50Hz，采用常规的电流、电压互感器无法满足要求。为了快速反映出电流的大小，采用霍尔型电流互感器检测IPM输出的三相电流，对于IPM输出电压的检测采用分压电路。如图1-1所示。
图1-1IPM输出电流、电压检测
（6)通讯接口为了实现计算机联网和远程控制，选用MAX232作为系统的串行通讯接口，MAX232内部有两个完全相同的电平转换电路，可以把8031串行口输出的TTL电平转换为RS－232标准电平，把其它微机送来的RS－232标准电平3 转换成TTL电平给8031，实现单片机与其它微机间的通讯。
（7)时钟电路时钟电路主要用来提供采样与控制周期、速度计算时所需要的时间以及日历。文中选用时钟电路DS12887。DS12887内部有114字节的用户非易失性RAM，可用来存入需长期保
（8)液晶显示单元为了实现人机对话功能，选用MGLS12832液晶显示模块组成显示电路。采用组态显示方式。通过菜单选择，可分别对阀门、力矩、限位、电机、通讯和参数等信号进行设置或调试。并采用文字和图形相结合的方式，显示直观、清晰。存的数据。
（9)程序出格自恢复电路为了保证在强干扰下程序出格时系统能够自动地恢复正常，选用MAX705组成程序出格自恢复电路，监视程序运行。该电路由MAX705、与非门及微分电路组成。
工作原理为：一旦程序出格，WDO由高变低，由于微分电路的作用，由“与非”门输入引脚2变为高电平，引脚2电平的这种变化使“与非”门输出一个正脉冲，使单片机产生一次复位，复位结束后，又由程序通过P1．0口向MAX705的WDI引脚发正脉冲，使WDO引脚回到高电平，程序出格自恢复电路继续监视程序运行。第二章 阀位及速度控制原理
采用双环控制方案，其中内环为速度环，外环为位置环。速度环主要将当前速度与速度给定发生器送来的设定速度相比较，通过速度调节器改变PWM波发生器载波频率，实现电机的转速调节。速度调节器采用模糊神经网络控制算法。
外环主要根据当前位置速度的设定，通过速度给定发生器向内环提供速度的设定值。由于大流量阀执行机构在运行过程中存在加速、匀速、减速等阶段。各阶段的时间长短、加速度的大小、在何位置开始匀速或减速均与给定位置、当前位置以及运行速度有关。速度给定发生器的工作原理为：通过比较实际阀位与给定阀位，当二者不相等时，以恒定加速度加速，减速点根据当前速度、阀位值、阀位给定值的大小计算得来。
执行机构各阶段运行速度的计算原理，为执行机构的典型运行速度图，它由若干段变化速率不同的折线组成。将曲线上速率开始发生改变的那一点称为起始段点，相应的时间称为段起始时间，如图2-1中的t(i)(i＝0，1，2，„„)，相应的速度称为段起始速度，如图2-1所示v(i)(i＝0，1，2，„)。设第i段速度的变化速率为ki，则有：式中：Δv为两段点之间的速度变化值，Δv＝vi＋1－vi；Δt为两段之间的时间，Δt＝ti＋1－ti。显然，当ki＝0时为恒速段，ki＞0时为升速段，ki＜0时为减速段。任意时刻的速度给定值为：Ts为采样周期。变化速率ki的取值由给定位置、当前位置以及运行速度的大小确定。
图2-1 执行机构的典型运行速度图
第三章 机电一体化关键技术问题的解决
该电动执行机构采用了最新的变频调速技术，电机驱动功率小于5．5kW。用户可根据需要设定力矩特性，根据控制的阀设定速度，速度分多转式、直行程、角行程3种方式。控制系统由阀位给定和阀位反馈信号构成的闭环系统，控制特性视运行方式、速度而定，并具有自动过流保护、过载保护、超压、欠压、过热、缺相、堵转等保护功能。
（1)阀门柔性开关柔性开关主要是为了当阀关闭或全开时，保证阀门不卡死与损伤。执行机构内部的微处理器根据测得的变频器输出电压和电流，通过精确计算，得出其输出力矩。一旦输出力矩达到或大于设定的力矩，自动降低速度，以避免阀门内部过度的撞击，从而达到最优关闭，实现过力矩保护。
（2)阀位的极限位置判断阀位的极限位置是指全开和全关位置。在传统执行机构中，该位置的检测是通过机械式限位开关获得的。机械式限位开关精度低，在运行中易松动，可靠性差。在文中，电动执行机构极限位置通过检测位置信号的增量获得。其原理是，单片机将本次检测的位置信号与上次检测的信号相比较，如果未发生变化或变化较小，即认为己达到极限位置，立即切断异步电机的供电电源，保证阀门的安全关闭或全开。省去了机械式限位开关，无需在调试时对其进行复杂的调整。
（3)电机保护的实现为了防止电机因过热而烧毁，单片机通过温度传感器连续检测电机的实际运行温度，如果温度传感器检测到电机温度过高，自动切断供电电源。温度传感器内置于电机内部。
（4)准确定位传统的电动执行机构在异步电机通电后会很快达到其额定动作速度，当接近停止位置时，电机断电后，由于机械惯性，其阀门不可能立即停下来，会出现不同程度的超程，这一超程通常采用控制电机反向转动来校正。机电一体化的大流量电动执行机构根据当前位置与给定位置的差值以及运行速度的大小超前确定减速点的位置及减速段变化速率ki，使阀门在较低的速度下实现精确的微调和定位，从而将超程降到最低。
对于变频器的直流电压以及输出的三相电压，它们之间的地址不一致，存在着较高的共模电压，为了保证系统的安全性，必须将它们彼此相互隔离。采用 6 LM358和4N25组成了隔离线性放大电路。如图3-1所示，采用±15V和±12V两组独立的正负电源。若运放A的反相端电位由于扰动而正向偏离虚地，则运放A输出端的电位将降低，因而光电耦合器的发光强度将增强，则使其集射极电压减小，最后使运放A反相端的电位降低，回到正常状态。若A的反相端电位负向偏离虚地，也可以重回到正常状态。从而增强了系统的抗干扰性。
图3-1 多路输入和高压隔离线形光耦放大电路
第四章 结 论
该执行机构集微机技术和执行器技术于一体，是一种新型的终端控制单元，其电机是通过内部集成的一体化变频器来控制，因此，同一台智能执行机构可以在一定范围内具有不同的运行速度和关断力矩。该智能执行机构采用了液晶显示技术，它利用内置的液晶显示板，不仅可以显示阀门的开、关状态和正常运行时阀门的开度，还可以通过菜单选择运行参数设定，当系统出现故障时，能显示出故障信息。总之，该执行机构集测量、决断、执行3种功能于一体，顺应了电动执行机构的发展趋势，它的研制成功给电动执行机构的研究开发提供了新的思路。
参考文献
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［8］姜艳华．
基于LonWorks现场总线的智能电动执行机构的研究 [D]．辽宁工程技术大学，2006年．
［9］赵松年，李恩光． 现代电动执行机构分析与设计[M] ．北京：机械工业出版社，2000．
［10］李玲．控制系统功能元件的选型技术-信息社会的基石[J]． 了望周刊，2003．
致 谢
本课题在选题及研究过程中得到李老师的悉心指导。李老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。李老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!谢谢你们!
第二篇：机电一体化系统设计
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。
第三篇：机电一体化转台设计
机电一体化
一维转台设计说明书
目 录
课程设计的目的1 《机电一体化》设计任务及设计参数1
一、系统总体改造方案的确定2
二、工作台旋转机械部分的改进2
三、工作台升降机械部分改进6
四、最佳方案8
五、其他机械部分改进8
六、控制部分方案设计11 小
结14 参考文献14
设计过程
课程设计的目的
1）学习机电一体化系统总体设计方案拟定、分析与比较的方法。
2）通过对机械系统的设计掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算方法与选用原则。齿轮同步带减速装置、蜗杆副、滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨副等。
3）通过对进给伺服系统的设计，掌握常用伺服电动机的工作原理、计算选择方法与控制驱动方式，学会选用典型的位移速度传感器；如交流、步进伺服进给系统，增量式旋转编码器，直线光栅等。
4）通过对控制系统的设计，掌握一些典型硬件电路的设计方法和控制软件的设计思路；如控制系统选用原则、CPU选择、存储器扩展、I/O接口扩展、A/D与D/A配置、键盘与显示电路设计等，以及控制系统的管理软件、伺服电机的控制软件等。
5）培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并初步树立“系统设计”的思路。6）锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料以及撰写科技论文的能力。
设计参数
设计名称
转台的机电一体化设计。
设计任务 机械部分
说明该机构的工作原理、传动支撑方式、导向方式、预紧方式等；若有必要，可在提供的CAD图中按自己认为合理的方式进行修改。设计限位装置（如接近开关的安装支座）控制部分
该装置由两台异步电动机驱动，其中一台电机控制工作台在90度范围内往复旋转，另一台电机控制工作台上的托辊转动，完成工件输入、停止和输出的动作。要求用继电器接触器控制系统、或PLC、或单片机完成上述动作的控制。
提交的设计文件 设计说明书（A4）。相关电气参数 3.1电机
Y系列(IP44)小型三相异步电动机技术数据(380V、50Hz).型号:
Y801-2
额定功率/kW:
0.75
铁心长度/mm:
气隙长度/mm:
0.3
定子外径/mm:
120
定子内径/mm:
定子线规nc-dc:
1-0.63
每槽线数:
并联支路数:
绕组型式:
单层交叉
节距:
1～9/2～10/18～11
槽数Z1/Z2:
18/16
转动惯量/(kg·m^2):
0.00075
质量/kg:
PLC(参考)FX2N-32MR-001 电源电压220V AC 输出电压 220V AC
一、系统总体改造方案的确定
我这次课程设计主要针对旋转工作台机械部分的改造。将原方案中的由原来的通过电机带动涡轮蜗杆转动是工作台旋转，由液压缸伸缩控制工作台升降；改成由液压缸升降工作台使与工作台固定的轴在特制的套筒按一定的轨迹移动，已达到旋转特定角度且上升到指定高度的目的；工作台上升高度可以通过手动控制液压缸的电磁阀控制。这样不仅简化了转台整体结构，降低加工制造成本，而且提高了旋转角度的定位精度。
工作台传送工件由电机通过减速器和联轴器带动限力式辊轴的转动，辊轴间通过链条连接，已达到传送工件的目的，而工件的位置则由挡板控制。
二、工作台旋转机械部分的改进
1、原方案（图一）
图一
该方案的工作过程：电动机正转经联轴器带动蜗杆涡轮使工作转台旋转，当转到后，电动机停转，电动机反转时，工作转台回到原来的位置。分析不合理处：
A、该方案中采用三相异步电动机不合理。在工作中电机需频繁启动，很容易使电机损坏。
B、电动机与蜗杆直接用联轴器连接不合理。首先，三相异步电机转速都较快，而转台只需转半圈，则需要较大传动比的涡轮蜗杆，结构过大，明显不适合用在此处。其次，若工作过程中发生卡死故障，由于电动机与蜗杆直接用联轴器连接，很可能导致烧坏电机并且有可能引发安全事故。
C、轴承端没有挡油环，不利于润滑 改进方案
（1）针对A处改进方案 槽轮机构
该方案与方案一的类似，不同之处为联轴器后面加上了一个槽轮机构（图三），由槽轮带动涡轮蜗杆转动，从而转动工作台。其工作原理为拨销盘以不变的转速旋转，拨销转过2时，槽轮转过相邻两槽间的夹角为2，在拨销转过其余的部分时，即2（），槽轮静止不动，直到拨销进入下一个槽内，又重复以上循环，这样就将拨销盘的连续运动变为槽轮的间歇运动。
图二
图三 槽轮传动机构分析：
采用槽轮机构具有结构简单，转速迅速，从动件能在较短的时间内转过的较大的角度，传动效率高，槽轮单位时间内与静止时间比值相等，由于槽轮的角速度不是常数，转速的开始和结束有一定大小的速度，从而产生了冲击，采用锁紧弧和定位弧定位，其定位精度不是很高，与方案一相比，避免了电机的频繁启动，直选首先设置好时间节拍即可，保护了电机的及电路，降低了事故发生的频率。将三相异步电机换成液压马达，因为液压马达时将液压转换成机械能，不会因频繁启动而烧坏。
在电机与联轴器间增加一个离合器，当工作台达到指定位置时，松开离合器。而电机可以连续工作。
蜗形凸轮传动机构
蜗形凸轮传动机构
（
1、转盘
2、滚子
3、蜗形凸轮）
图四、针对B处改进方案
①对于速度较快问题，可以在电机和联轴器之间加上减速器，降低输入轴速度。
②而为防止卡死时电机损坏，我们可以将刚性销连接改成安全销连接，其结构如下图。原理当输出轴扭矩过大时，安全销会自动切断，已达到保护电机的效果。还可以在电动机后加一个带传动机构，当发生卡死时，带轮会出现打滑。
原方案
改进后
对比分析：
与前两种方案相比，只是在联轴器的后面加上一个蜗形凸轮传动机构，就能得到如下特点：（1）能得到任意转位时间和静止时间之比，其工作时间系数K比槽轮机构小；（2）能实现转盘所要求的各种运动规律;(3)与槽轮机构相比，能够用于工作位数较多的设备上，而且不需要加入其它的传动机构；（4）在一般情况下，凸轮棱边的定位精度已满足要求，而不需要其它定位装置；（5）有足够的刚度和韧性、装拆方便；而不足之处为成本较高，与前两种方案相比，造价是最昂贵的，其效果也是最好的，避免了电机的频繁启停，保护了电路和电机，更加安全可靠。
三、工作台升降机械部分改进
1、原方案（图七）
图七
工作原理：
液压缸工作使工作台上升，直至超过挡板后，电动机的启动带动涡轮蜗杆，使工作台旋转，该方案用液压缸与驱动工作台上升，太复杂且液压缸精度要求高，造价昂贵，工作效率不高，耗能大，转动部分采用电动机带动涡轮蜗杆，从而使工作台旋转，较复杂且涡轮蜗杆造价高，不经济。
2、改进方案一的设计（图八）
图八
本方案的工作原理：
液压缸工作使杆支撑工作太上升，到曲槽刚好到达工作台高于挡板，杆沿曲槽上升旋转到曲槽顶时，刚好旋转。与原方案相比：
都用了液压缸，但缺少了电动机带动涡轮蜗杆使工作台旋转，用曲槽代替，结构简单，节约成本，相比第一种方案好。
改进方案二设计（图九）
此方案的工作原理：丝杆轴的旋转可使其在水平方向的移动，使支撑杆伸张和收缩，从而使工作台的上下移动。
图九
方案比较：
与前两种方案相比较，用丝杆代替液压缸，结构简单，节约成本，操作方便。综合考虑：
第三种方案最经济，前两种方案都用了液压缸，第二种方案比第一种方案好，液压缸精度高，但效率很低，成本不经济。第三种方案升降部分用丝杆轴的旋转，旋转部分用电机带动涡轮蜗杆，从而地使工作台旋转，没方案二的旋转部分经济，但整体考虑，方案三比方案二更好。
四、最佳方案
将工作台的旋转和升降设计成由一个系统控制如图，工作原理：当液压缸上升时，工作台带动轴上升，而轴由于被限制在套筒中，只能按照套筒上所开的槽的轨迹移动。套筒上的槽形轨道是螺旋上升且只旋转90度。这样不仅简化了系统结构，减少成本；而且满足旋转精度。
五、其他机械部分改进
1、润滑密封
原方案中轴的轴承部分（图十）
图十
分析：
该方案轴承的下端没有挡油环，故润滑脂很容易漏出来，且会有杂质进入润滑脂中影响软化效果。
改进后的方案（图十一）
图十一
对比分析：
改进后，下端面加挡油环，润滑时将润滑油滴入轴承，影响轴承的运转和寿命，左端增加了一个隙缝密封，在密封隙里加入润滑脂，在提高密封效果的同时防止了杂质进入轴承，以免损坏轴承。
2、导轨部分（图十二）
图十二
分析：
该方案沟槽内部不方便能润滑，且旋转是摩擦较大。加工业不经济，所以得改进。改进后的方案（图十三）
图十三
分析对比：
与原方案相比，导轨槽位V型槽，可储存润滑剂，加工方便，结构简单，加工成本低，降低了摩擦阻力，方向精度高，对温度变化不敏感，工艺性好。升降导轨的设计
考虑到工作台是竖直方向移动，所以，选用闭式矩形导轨或燕尾槽式导轨，由于这里对导向精度没有较高要求，我这里选择闭式矩形导轨如图
闭式矩形导轨
传送部分机械改进
原方案
有三相异步电动机通过减速机构再带动辊筒转动，使工件达到指定位置，有挡板定位。如图
这个方案中有挡板定位不够精确，并且会对挡板产生较大冲击力，当工件到达挡板后电机还会转动，使辊筒与工件之间则会产生较大摩擦力。改进方案
将辊筒用限力式辊筒，当工件到达挡板后，电机转动但辊筒外表面不会转动。
六、控制部分方案设计 工件传送控制
工件传送只需控制电机正反转即可，采用接触器联锁的正反转控制。控制原理：
当按下正转启动按钮SB1后，电源相通过热继电器FR的动断接点、停止按钮SB3的动断接点、正转启动按钮SB1的动合接点、反转交流接触器KM2的常闭辅助触头、正转交流接触器线圈KM1，使正转接触器KM1带电而动作，其主触头闭合使电动机正向转动运行，并通过接触器KM1的常开辅助触头自保持运行。反转启动过程与上面相似，只是接触器KM2动作后，调换了两根电源线U、W相（即改变电源相序），从而达到反转目的。
互锁原理 ：
接触器KM1和KM2的主触头决不允许同时闭合，否则造成两相电源短路事故。为了保证一个接触器得电动作时，另一个接触器不能得电动作，以避免电源的相间短路，就在正转控制电路中串接了反转接触器KM2的常闭辅助触头，而在反转控制电路中串接了正转接触器KM1的常闭辅助触头。当接触器KM1得电动作时，串在反转控制电路中的KM1的常闭触头分断，切断了反转控制电路，保证了KM1主触头闭合时，KM2的主触头不能闭合。同样，当接触器KM2得电动作时，KM2的常闭触头分断，切断了正转控制电路，可靠地避免了两相电源短路事故的发生。这种在一个接触器得电动作时，通过其常闭辅助触头使另一个接触器不能得电动作的作用叫联锁（或互锁）。实现联锁作用的常闭触头称为联锁触头（或互锁触头）。工作台升降和旋转控制
工作台升降和旋转采用三位四通电磁阀控制液压回路，如图
工作原理：
当有压力油进入时，回油路的单向阀被打开，压力油进入工作液压缸。但当三位四通电磁换向阀（Y型）处于中位或液压泵停止供油时，两个液控单向阀把工作液压缸内的油液密封在里面，使液压缸停止在该位置上被锁住。（如果工作液压缸和液控单向阀都具有良好的密封性能，即使在外力作用下，回路也能使执行元件保持长期锁紧状态）。
在图示位置时，由于Y型三位四通电磁换向阀处于中位，A、B、T口连通，P口不向工作液压缸供油，保持压力，缸两腔连通。此时，液压泵输出油液经溢流阀流回油箱，因无控制油液作用，液控单向阀A，B关闭，液压缸两腔均不能进排油，于是，活塞被双向锁紧。要使活塞向上运动，则需使换向阀1DT通电，左位接入系统，压力油经液控单向阀A进入液压缸，同时也进入液控单向阀B的控制油口K，打开阀B，使液压缸右腔回油经阀B及换向阀流回油箱，同时工作液压缸活塞向右运动。当换向阀右位接通，液控单向阀B开启，压力油打开阀A的控制口K，工作液压缸向下行，回油经阀A和换向阀T口流回油箱。
当工件在工作台上定位后，液压缸上升带动工作台旋转上升，当转到90度后，可以通过液压缸控制工作台高度。工件加工完后，液压缸回油带动工作台下降且旋转。
全自动控制方案
在按加工需要工作台首尾两端各安装一个传感器脉冲开关SB1、SB2和导轨上下各安装一个传感器脉冲开关SB3、SB4，且每个开关均有手动控制装置。用PLC控制，其接线图如图
图中接触器KM1控制电机正转；接触器KM2控制电机反转；接触器KM3控制三位四通电磁阀左位得电，即液压缸上升；接触器KM4控制三位四通电磁阀右位得电，即液压缸下降。
工作原理：
按下启动按钮SB1，线圈KM1得电，KM1主触头闭合，电机正转；当工件接触到工作台尾端传感器，SB2闭合，延时1秒，线圈KM2得电，KM2主触头闭合，电磁阀左位得电，液压缸上升；当导轨滑块接触导轨上端传感器，SB3闭合，延时50秒，等待工件加工后，线圈KM3得电，KM3主触头闭合，电磁阀右位得电，液压缸下降；当导轨滑块接触导轨下端传感器，SB4闭合，延时一秒，线圈KM4得电，KM4主触头闭合，电机反转；当工件接触到工作台首端传感器，SB5闭合，延时5秒，返回前面操作。其梯形图如图
小 结
在设计的过程中，我深刻地体会到机电一体化系统的设计，是多学科的交叉与综合，涉及了大学课程里的大部分知识，是对过去所学知识的一次复习、巩固和实际的操作，强化训练了我们的学科融合的思维能力，进一步加强了我们对机电一体化系统设计技术总体思想，初步了解到了设计一个机电一体化系统的方法，培养了一个机电工程师应具备的思维能力。在设计中我学到了很多从书本上无法体会的东西。学习实践技能得到明显的提高，使自己的综合能力得到进一步的提高，从而为自己毕业后更快地适应社会工作打下良好的基础。但我们还需要在实践中不断的学习，提高，掌握新概念、新技术、将来才能成为机电一体化的复合人才。参考文献
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第四篇：机电一体化系统设计讲稿
项目一 数控车床主传动系统设计与部件选择
1.1无级变速传动链
1.1.1机床主传动系统设计满足的基本要求
机床主传动系统因机床的类型、性能、规格尺寸等因素的不同，应满足的要求一也不一样。在设计机床主传动系统时最基本的原则就是以最经济、合理的方式满足既定的要求。在设计时应结合具体机床进行分析，一般应满足下述基本要求:(1)满足机床使用性能要求。
首先应满足机床的运动特性，如机床的主轴有足够的转速范围和转速级数(对于主传动为直线运动的机床，则有足够的每分钟双行程数范围及变速级数);传动系统设计合理，操作方便灵活、迅速、安全可靠等。(2)满足机床传递动力要求。
主电动机和传动机构能提供和传递足够的功率和转矩，具有较高的传动效率。
1.1.2数控机床主传动系统分类
机床主传动系统可按以下不同的特征来分类:(1)按驱动主传动的电动机类型可分为交流电动机驱动和直流电动机驱动。交流电动机驱动中又可分为单速交流电动机驱动或调速交流电动机驱动两种。调速交流电动机驱动又有多速交流电动机驱动和无级调速交流电动机驱动。无级调速交流电动机通常采用变频调速的原理。(2)按传动装置类型可分为机械传动装置、液压传动装置、电气传动装置及其组合。(3)按变速的连续性可分为分级变速传动和无级变速传动(此部分在下面详细介绍)。数控机床的主传动要求有较大的调速范围，以保证在加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。大多数数控机床采用无级变速系统，数控机床主传动系统主要有以下四种配置方式:(1)主轴电动机直接驱动。
如图2一1(a)所示，电动机轴与主轴用联轴器连接，这种方式大大简化了主轴箱和主轴结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电动机发热对主轴影响较大。目前，多采用交流伺服电动机，它的功率很大，但输出功率与实际消耗的功率保持同步，效率很高。(2)电动机经同步齿形带带动主轴。
如图1一1(b)所示，电动机将其运动经同步齿形带以定比传动传递给主轴。由于输出扭矩较小，这种传动方式主要用于小型数控机床低扭矩特性要求的主轴，可以减小传动中的振动和噪声。
(3)电动机经齿轮变速传动主轴。
如图1一1(c)所示，主轴电动机经二级齿轮传动变速，使主轴获得低速和高速两种转速，从而使之实现分段无级变速，这种方式在大、中型数控机床中采用较多。经过齿轮传动降速后，电动机输出转矩可以扩大，以满足主轴低速运转时输出扭矩大的特性要求。一部分小型数控机床一也采用这种传动方式，以获得强力切削时所需要的扭矩。(4)电主轴。
如图1一1(d)所示，将调速电动机与主轴合成一体(电动机转子轴即机床主轴)，其优点是主轴部件结构紧凑、刚度高、质量轻、惯量小，且可提高调速电动机启动、停止的响应特性;其缺点是电动机发热易引起热变形。1.1.3无级变速传动链的设计 无级变速传动链可以在一定的变速范围内连续改变转速，以得到最有利的切削速度;能在运转中变速，便于实现变速自动化;能在负载下变速，便于车削大端面时保持恒定的切削速度，以提高生产效率和加工质量。无级变速传动可由机械摩擦无级变速器、液压无级变速器和电气无级变速器来实现。机械摩擦无级变速器结构简单、使用可靠，常用于中、小型车床、铣床等主传动系统中。液压无级变速器传动平稳、运动换向冲击小，易于实现直线运动，常用于主运动为直线运动的机床，如磨床、拉床、刨床等机床的主传动系统中。电气无级变速器有由直流电动机或交流调速电动机驱动的两种，由于它可以大大简化机械结构，便于实现自动变速、连续变速和负载下变速，故其应用越来越)’一泛，尤其在数控机床上目前几乎全都采用电气无级变速器。
数控机床的主运动广泛采用无级变速传动，这不仅能使其在一定的调速范围内选择到合理的切削速度，而且还能在运转中自动变速。无级变速系统有机械、液压和电气等多种形式，数控机床一般采用由直流或交流调速电动机作为驱动源的电气无级变速。由于数控机床主运动的调速范围较宽，一般情况下单靠调速电动机无法满足;另一方面调速电动机的功率和转矩特性一也难以直接与机床的功率和转矩要求安全匹配。因此，需要在无级调速电动机之后串联机械分级变速传动，以满足调速范围和功率、转矩特性的要求。(1)无级变速装置的分类。
机床主传动中常用的无级变速装置有三类:变速电动机、机械无级变速装置和液压无级变速装置。
1)变速电动机。
机床上常用的变速电动机有直流电动机和交流电动机，它们在额定转速以上为恒功率变速，通常变速范围仅为2 ~3;额定转速以下为恒定转矩变速，调整范围很大，变速范围可达30甚至更大。上述功率和转矩特性一般不能满足机床的使用要求。为了扩大恒功率变速范围，可在变速电动机和主轴之间串连一个分级变速箱。变速电动机I’一泛用于数控机床和大型机床中。
2)机械无级变速装置。
机械无级变速装置有柯普(Koop)型、行星锥轮型、分离锥轮钢环型和宽带型等多种结构，它们都是利用摩擦力来传递转矩的，通过连续地改变摩擦传动副工作半径来实现无级变速。由于它的变速范围小，多数是恒转矩传动，通常较少单独使用，而是与分级变速机构串联使用，以扩大变速范围。机械无级变速器应用于要求功率和变速范围较小的中、小型车型、铣床等机床的主传动中，更多的是用于进给变速传动中。
3)液压无级变速装置。
液压无级变速装置通过改变单位时间内输入液压缸或液动机中液体的油量来实现无级变速。它的特点是变速范围较大，变速方便，传动平稳，在运动换向时冲击小;易于实现直线运动和自动化。液压无级变速装置常用在主运动为直线运动的机床中，如刨床、拉床等。(2)无级变速装置与机械分级变速机构的串联。在无级变速系统装置单独使用时，其调速范围都较小，远远不能满足现代通用机床变速范围的要求。因此，常常将无级变速装置与机械分级变速机构串联，以扩大其变速范围。(3)采用直流或交流电动机无级调速。
机床上常用的无级变速机构为直流或交流调速电动机。直流电动机是采用调压和调磁方式来得到主轴所需转速的。直流电动机从额定转速向上至最高转速是用调节磁场电流(简称调磁)的办法来调速的，属于恒功率调速;从额定转速向下至最低转速是用调节电枢电压(简称调压)的办法来调速的，属恒转矩调速。通常，直流电动机的恒功率变速范围较小，仅为2~4，而恒转矩变速范围很大，可达几十，甚至超过100。交流调速电动机靠调节供电频率的方式来调速，所以其常被称为调频主轴电动机。通常额定转速向上至最高转速气max为恒定功率，变速范围为3~5;额定转速至最低转速气为恒转矩，变速范围为几十，甚至超100。直流和交流电动机的功率转矩特性如图1-2所示。
交流调速电动机由于体积小、转动惯性小、动态响应快、没有电刷且能达到的最高转速比同功率的直流电动机高，故磨损和故障也少。现在在中、小功率领域，交流调速电动机已占优势，应用一也更加广泛。伺服电动机和脉冲步进电动机都是恒转矩的，而且功率不大，所 以只能用于直线进给运动和辅助运动。基于上述分析可知，如果直流或交流调速电动机用于拖动直线运动执行器，例如龙门刨床工作台(主运动)或立式车床刀架(进给运动)，可直接利用调速电动机的恒转矩变速范围，用电动机直接带动或通过定比减速齿轮拖动执行机构。
1.2主传动系统分析
数控车床用于加工回转体零件。它集中了卧式车床、转塔车床、多刀车床、仿形车床、自动和半自动车床的功能，是数控机床中应用较广泛的品种之一。下面以一个典型数控车床C K3263 B为例说明如何分析数控机床主传动系统，图1一4所示为C K3263 B主传动系统。主电动机经带轮副和四速变速机构驱动主轴，其传动路线表达式是
拟定转速图如图2-5所示，从图中可知，主轴共得到四段转速:
1.3 车床数控化改装主传动系统方案设计
将06140卧式车床改造成用MCS-51系列单片机控制的经济型数控车床，采用步进电动机开环控制，纵向和横向均具有直线和圆弧插补功能。将原来的主传动系统改装为主变速系统。一般的卧式车床在改装为经济型数控车床时，主传动系统和变速操纵机构是不动的，可利用暂停指令进行手动变速换挡，然后再继续加工。如果要提高机床的自动化程度或者所加工工件的直径相差较大，在加工过程中需要自动变速时，可考虑设置加工过程中的自动变速装置，本任务即后一种情况。
将机械主传动系统改装为自动变速装置的几种方案说明见下文介绍。1.采用多速电动机改装
目前采用多速电动机对主传动系统进行改装，一般是将主电动机更换为双速或四速电动机，由微机系统信号自动控制切换电动机的转速。这样做的好处是机床性能良好，主传动链改装量较少，但多速电动机的功率是随着转速的变化而变化的，所以电动机功率要选的大一些，同时电动机的尺寸一也大，因此还要增加一套电动机变速系统。2.主变速系统改装
对主轴箱内变速系统进行改装，一般是将滑移齿轮变速改为电磁离合变速。这种变速机构仍为有级变速，一般变速级数不超过四级。3.采用直流主轴电动机或交流主轴电动机改装
改装后，机床主轴由直流主轴电动机(或交流主轴电动机)通过皮带直接带动，并通过电气系统实现无级变速。
采用直流主轴电动机或交流主轴电动机改装，其改装成本高，但效果好，能获得满意的速度，而且由于传动链中没有齿轮，故噪声很小。另外在改装中要注意，主轴电动机的选择要与进给系统电动机配套，以利于使用CNC系统。图1-5所示为本任务改装后的主传动系统示意。拆下原操纵手柄，装上齿轮2;以一个180 W的交流小电动机8通过蜗轮副7和齿轮3, 2将运动传给手柄轴1，带动主轴箱内的拨叉和滑块进行变速。另外将手柄轴接长，在接长轴4上安装带单个压块6的圆盘，并在附加的机壳上固定一个装有6个微动开关的圆盘5, 6个微动开关的位置与6级变速挡位对应。当手柄轴带动圆盘转动时，压块6依次压下6个微动开关，发出6个不同信号，数控系统通过对电路信号的识别来控制变速。
自动变速过程如下:当变速电动机接到S指令后，便开始转动，通过传动装置使手柄轴带动拨叉滑块使变速齿轮移位。与此同时，在速度继电器的控制下，主电动机低速点动，以便滑移齿轮顺利地进人啮合位片。当压块压下的触点信号与数控系统S指令信号相符时，小电动机制动，主运动变速完成。这种方案保留了原主轴箱的结构，改装量小，但只适合于06140型车床。
1.3.2主传动系统设计过程 1.明确已知条件，草拟转速图 拟定转速图的一般步骤如下:(i)确定变速组数及各变速组的传动副数;(2)安排变速组的传动顺序，拟定结构式(网);(3)分配传动副传动比.绘制转凉图 2.齿轮齿数的确定
齿轮的齿数取决于传动比和径向尺寸要求。在同一变速组中，若模数相同且不采用变位齿轮，则传动副的齿数和相同;若模数不同，则齿数和S与模数m,成反比，即:
对于三联滑移齿轮，当采用标准齿轮且模数相同时，最大齿轮与次大齿轮的齿数差应大于4，以避免滑移过程中的齿顶干涉。
当传动比i采用标准公比的整数次方时，齿数和S及小齿轮齿数可以从表1一1中查得。
1.4 实训准备
1.项目任务单
项日任务单见附录二。2.项目要求
学完基础知识及实例后，学生自主分析数控车床主轴箱实物，熟悉内部组成，然后分组制订设计方案，方案合格后，开始具体设计。3.仪器与设备(1)CAK4085数控车床6(2)《机床设计手册》若干。(3)扳手、钳子、直尺。4.实训步骤
(1)学生分组，并在现场分析数控车床主轴箱实物。(2)学生分组，制定任务实施方案。
(3)根据任务实施方案，学生将任务实施过程填入记录表1一2中。1.4.2项目评价
项日的整体评价如表1-3所示。
图1一1数控机床主传动的配置方式
图1-2直流和交流调速电动机的功率转矩特性
图1-4 CK3263B主传动系统
图1-5改装后主传动系统示意图
表1一1常见传动比的适用齿数
表1一2项目实施过程记录表
表1-3项目评价表
项目二数控车床导轨副设计 2.1.1导轨副设计步骤
(1)根据已知的工作条件，选择合适的导轨类型，常见导轨形式见表2-1.(2)选择导轨截面形状与组合方式。常见导轨截面形状见表2一2。1)双三角形导轨。如图2-1所示，双三角形导轨导向性和精度保持性都很高，磨损后能自动下沉补偿磨损量。两条三角形导轨副同时起支撑和导向作用，由于结构对称，两条导轨磨损均匀，故接触刚度好。但由于超定位，加工、检验、维修都较困难，而且当量摩擦系数也高，因此适于精度高的场合。例如丝杠车床、单柱坐标锁床的导轨副等。2)双矩形导轨。
如图2一2所示，双矩形导轨的刚度高，当量摩擦系数比双三角形导轨低，承载能力强，加工、检验、维修都较方便，因此被广泛使用，例如数控机床的导轨副。双矩形导轨承载面和导向面是分开的，存在侧向间隙，必须用镶条调节。
如图2一2(a)所示，用两外侧面做导向面时，间距大、热变形大、间隙大，因而导向精度低、承载能力大;如图2-2(b)所示，以内外侧面做导向面时，间距小、热变形小、间隙小，因而导向精度高、易获得较高的平行度;如图2一2(c)所示，用两内侧面做导向面时，由于导轨面对称分布在导轨中部，当传动件位于对称中心线上时，避免了由于牵引力与导向中心线不合而引起的偏转，不致在改变运动方向时引起位置误差，故导向精度高。3)三角形与矩形组合。
如图2-3(a)和图2-3(b)所示，三角形与矩形组合导轨兼有三角形导轨的良好导向性及矩形导轨的制造方便、刚性好等优点，并避免了由于热变形所引起的配合变化。其缺点是三角形导轨比矩形导轨磨损快，易造成磨损不均匀，磨损后又不能通过调节来补偿，故对位置精度有影响。
三角形与矩形组合导轨兼有导向性好、制造方便和刚度高等诸多优点，因此被广泛使用，例如车床、磨床、龙门刨床、龙门铣床、滚齿机、坐标锁床的导轨副等。4)双燕尾形导轨。
如图2一4(a)所示，它的高度较小，可以承受颠覆力矩，是闭式导轨中接触面最少的一种结构。间隙调整方便，用一根镶条就可以调节各接触面的间隙。这种导轨刚度较差，加工、检验、维修都不大方便，适用于受力小、层次多、要求间隙调整方便的场合，例如牛头刨床和插床的滑枕导轨、升降台铣床的床身导轨、车床刀架导轨副和仪表机床导轨等。5)矩形与燕尾形导轨组合。
如图2一4(b)所示，由于它兼有调整方便、能承受较大力矩的优点，故多用于横梁、立柱和摇臂的导轨副。6)双圆柱导轨组合。圆柱导轨具有制造方便、不宜积存较大切屑的优点，但间隙难以调整，磨损后一也不易补偿，因此适用于移动件只受轴向力的场合，例如攻螺纹机、机械手的导轨副等。(3)通过计算选择结构参数。
1)计算额定动载荷Ca’(单位N)。
式中: KW—负荷系数，按表2一3选取;KH----硬度系数，按表2一4选取;KT—温度系数，按表2一5选取;KC—接触系数，按表2一6选取;K—寿命系数，一般取K=50;2)依据 的原则，选择结构参数。(4)其他参数选择。1)导轨材料选择。
铸铁耐磨性好，热稳定性高，减振性好，成本低，易于加工，在滑动导轨中应用广泛。淬硬的钢导轨耐磨性好。镶装塑料导轨具有耐磨性好，动、静摩擦系数接近，化学稳定性好，抗振性好，抗撕伤能力强，工作范围广，成本低等诸多优点。在选材时，支撑导件与运动件应选不同的材料，其热处理的方式一也有所不同。2)调整装置。
导轨工作时会产生间隙，间隙过小会增加摩擦阻力，间隙过大会降低导向精度，所以应选择合适的调整装置进行调整。例如滑动导轨副采用压板和镶条两种方法调整。①镶条。
镶条用来调整矩形导轨、燕尾形导轨的侧隙，以保证导轨面能正常接触。镶条应放在导轨受力较小的一侧，常用的有平镶条和楔形镶条两种。
平镶条如图2一5所示，它是靠调整螺钉1移动镶条2的位置来调整间隙的，图2一5(c)所示为在间隙调整好后，再用螺钉3将镶条2紧固。平镶条调整方便，制造容易，图2一5(a)和图2一5(b)所示的镶条较薄，而且只在与螺钉接触的几个点上受力，容易变形，刚度较低，日前较少使用。楔形镶条如图2一6所示，镶条的两个面分别与动导轨和支撑导轨均匀接触，所以比平镶条刚度高，但加工较困难。
楔形镶条的斜度为1 : 100一1:40,镶条越长，斜度应越小，以免两端厚度相差太大。如图2一6(a)所示的调整方法是用调节螺钉1带动镶条2做纵向移动以调节间隙。镶条上的沟槽a在刮配好后加工，这种方法构造简单，但螺钉头凸肩和镶条上沟槽之间的间隙会引起镶条在运动中窜动。图2一6(b)所示为从两端用螺钉3和5调节，避免了镶条4的窜动，性能较好。图2一6(c)所示为通过螺钉6和螺母7调节，镶条8上的圆孔在刮配好后加工，这种调节方法方便，且能防止镶条8的窜动，但其纵向尺寸较长。②压板。
压板用来调整辅助导轨面的间隙和承受的颠覆力矩，如图2一7所示。
2.2.1选择导轨副
1.确定最大载荷F-max 已知作用在单滑座上的最大载荷Fmax，滑座数M=4，工作台受到进给方向的载荷(与丝杠轴线平行)Ff= 1 401 N，工作台受到横向的载荷(与丝杠轴线垂直)F-n= 337 N ,工作台受到垂直方向的载荷(与工作台面垂直)Fe=512 N，移动部件总重量G =736 N。单滑块所受的最大垂直
2.确定额定工作时间寿命孔 要求该导轨副每天开机6h，每年工作300个工作日，且工作8年以上，则额定工作时间寿命:
3.确定行程长度系数TS 要求单向行程长度LS = 0.52m，每分钟往返次数为3，则额定行程长度系数: 4.计算额定动载荷Ca’(单位为N)要求工作温度不超过120 0C，工作速度为40 m/min，滚道表面硬度取60 HRC。由前面的计算结果得额定工作时间寿命Th = 14 400 h。则:
表2一7为JSA一KL型直线滚动导轨副(宽型螺孔)尺寸参数，图2一8所示为其外形图;表28 JSA-ZL型直线滚动导轨副尺寸参数
表2-9项目实施过程记录表
表2-10项目评价表
项目三 简易机电产品设计与制作
3.1.1设计原则
一方面，在保证产品完成规定功能的前提下，通过对构成各子系统的方案进行优化组合，降低成本，使系统功能平稳、准确、快速，以满足用户的要求。机电一体化产品的主要特征是自动化操作，功能是产品的生命，只有功能可靠，产品才具有价值。另一方面，要使功能达到最佳，机械子系统、电子信息处理子系统、动力子系统、传感检测子系统和执行机构子系统5部分构成要素的匹配、相互协调和相互补充也极为重要。而通过降低成本，并且使系统功能达到稳、准、快，又增强了产品的市场竞争力。
3.1.2设计工作流程
一个全新的机电一体化产品的正向设计和开发过程大体可以分为产品规划、概念设计和详细设计三个阶段。1.产品规划阶段
产品规划包括需求分析、市场预测和技术可行性分析，最后确定设计参数及设计制约条件，提出设计要求，并将其作为设计、评价和决策的依据。(1)需求分析。
需求分析从需求识别开始，认识需求是一种创造性工作，设计人员应深人实际，细致观察，敏锐捕捉市场的需求，并及时完成产品的开发和试制工作。(2)市场预测。
市场预测是产品的前期调研工作，调研内容主要有以下三方面: 1)面向用户的产品市场调研:主要有产品销售对象的可能销售量，用户对产品的功能、性能、质量、使用维护、包装及价格等方面的要求。此外，还应了解竞争产品的种类、优缺点和市场占有率等情况。
2)面向产品设计的技术调研:主要有行业和专业技术发展动态，相关理论的研究成果和新材料、新器件的发展动态，竞争企业、竞争产品的技术特点分析等。此外，还要了解本单位的生产基础条件。
3)面向产品生命周期的社会环境调研:主要有产品生产和目标市场所在地的经济技术政策(如产业发展政策、投资动向、环境保护及安全法规等)，产品的种类、规模及分布，社会的风俗习惯，社会人员构成状况及消费水平、消费心理和购买能力等。
通过调研应确定开发产品的必要性、种类和生命周期，预测产品的技术水平、经济效益和社会效益等，确定用户对产品的功能、性能、质量、外观和价格等方面的要求，即形成产品的初步概念，然后进行技术可行性分析。(3)技术可行性分析。
技术可行性分析包括以下几个方面: 1)关键技术和技术线路:研究本产品需要的关键技术，指明产品实现的技术路线和技术标准。例如，一个新概念汽车，采用什么样的发动机、什么样的控制总线和什么样的人机接口等。所使用的关键性技术应该是比较成熟的、成本和技术风险容易控制的。如果要采用比较前沿的新技术，则需要在市场和成本方面多做考虑。
2)可选技术方案:同样的产品可能有多种技术方案可选择，设计人员必须根据一定的准则从中选择一个最合适的方案或将这些方案进行综合处理。
3)主要性能指标及技术规格的可行性:产品的性能指标及技术规格对产品的成本和市场竞争力至关重要。性能指标和技术规格越高，产品的成本就越高，价格也就越高。但市场竞争力不完全由技术性能决定，还与其价格、品牌等许多因素有关。用户往往追求性价比高的产品。因此制定产品的规格和性能指标需要综合考虑各方面的因素，突出产品的特色，力争做到高性能、低价格。在制定主要产品的规格和性能指标时还要充分参考竞争对手的产品及发展趋势，制定最合理的参数。
4)主要技术风险:综合分析产品功能、技术规格及性能指标实现的可能性，分析产品开发、生产中可能存在的各种问题和风险，以及这些问题与风险的解决和规避方法。如果不充分考虑这些问题和风险，产品开发时间则可能拖延，从而错过市场最佳时机，使产品的成本过高、质量和成品率低或者大规模地更换生产设备等。因此，必须提前对这些问题进行充分的评估，使产品开发和生产能顺利进行。
5)成本分析:根据所制定的产品技术规格和技术路线，综合分析产品成本，包括技术成本、原材料成本、制造成本和人力成本等，为产品的立项提供决策支持。
6)结论和建议:根据产品的成本分析和技术风险分析，对产品的技术规格、性能指标和市场定位等参数提出修改建议，确定产品是否立项。产品立项应给出生产设计要求表，表中所列要求分为特征指标、优化指标和寻常指标，各项要求应尽可能量化，并按重要程度分出等级。2.概念设计阶段
在概念设计阶段输人生产设计要求表，输出总体方案。该方案主要包括产品外观和结构布置方案、产品部件或子系统划分以及设计目标、各部件或子系统的接口设计等三个方面，并制订详细设计任务书、验收规范及进度计划。
3.3案例导入
(3)确定小带轮齿数Z1和小带轮节圆直径d1.应使小带轮齿数，而带轮最小许用齿数Z min可查表3一3获得。当带速和安装尺比寸允许时，Z1尽可能选用较大值，初步选取Z1=12。(4)确定大带轮齿数Z2和大带轮节圆直径d2(5)初选中心距久ao、带的节线长度Lop、带的齿数Zb。
根据表9-4选取接近标准的节线长度Lp=381mm，相应齿数Zb= 40。(6)计算实际中心距a。
设计同步带传动时，中心距a应该可以调整，以便获得适当的张紧力。(7)校验带与小带轮的啮合齿数Zm 啮合齿数:(8)计算基准额定功率P0
(9)确定实际所需的同步带宽度bs。
式中bs0—选定型号的基准宽度，由表9-5可查得bs0 = 25.4mm;Kz—小带轮啮合齿数系数，由表9-6可查得K, = 0.8。10)带的工作能力验算。
根据下式计算同步带额定功率P的精确值，若结果满足 率)，则带的工作能力合格。
带的设计功
同步带传动示意简图如图3-9所示。(11)结果整理。
同步带:选用L型同步带，订购型号为150 L100
最后，经过厂家订购与协商，确定带轮及带，零件如图3一
10、图3一11所示，同步带传动效果如图3一12所示。3.3.3锥齿轮传动设计
(1)确定齿轮材料及精度等级。
锥齿轮材料选择45 #钢调质，齿面硬度为217~225 HBS。经过计算齿轮传动的最大圆周速度为4.19 m/s，查表3一8可确定锥齿轮精度等级为7级)(2)确定模数及齿数。(3)计算相关参数。
根据以上尺寸画出小锥齿轮零件(见图3一13)和大锥齿轮零件图(见图3一14)。锥齿轮传动啮合部分三维造型如图3一15所示。3.3.4计数系统设计 在啤酒、汽水和罐头等灌装生产线上，常常需要对随传送带传送到包装处的成品瓶进行自动计数，以便统计产量或为计算机管理系统提供数据。光电计数器是通过红外线发射和接收进行计数的，有直射式和反射式两种。直射式的发射、接收分体，发生器和接收器分别置于流水线两边，中间没有阻挡时发射器的红外线反射到接收器上，接收器收到发射来的红外线，经相反处理使之没有信号输出，有工件经过时挡住光路，接收机失去红外线信号便输出一个脉冲信号到运算累加器进行计数。发射式是发射、接收同体，置流水线一边，前面没有工件往下流时，发射器发出的红外线直接射出没有反射，接收器没有接收到反射来的红外线信号则没有输出。有工件经过时，其将挡住光电路使发射器发出的红外线信号反射到接收器上，接收器接收到反射来的红外线信号便输出一个脉冲信号到运算累加器进行计数。本项目的设计日的是每推一个料，计数器显示一个数，逐次递增。整体方案是:通过传感器(光电开关或磁性开关)检测到推杆动作，将信号传到单片机，单片机输出，并令数码管显示推出工件个数)其结构如图3一16所示。
本设计是两种传感器均可，接线图如图3一17所示。
本设计中的计数器、光电开关、磁性开关均需外购，其外形如图3一18所示。
3.4.1实训准备
1.项目目的
(1)使学生具备一般机电产品方案的设计能力。(2)熟练掌握同步带设计方法。(3)学会查《机械设计手册》。2.项目要求
每组学生自行设计同步带系统和计数系统。3.仪器与设备
(1)电脑若干(二维设计软件、三维设计软件必有)。(2)《机械设计手册》若干。4.实训步骤(1)学生分组设计方案。
(2)两位指导教师及各组组长审核方案。
(3)方案通过后，具体设计，学生将项目实施过程填入记录表3-9中。3.4.2项目评价
项目的整体评价见表3一10。
图3一1机电一体化系统设计流程
图3一2常用电子类组装工具
图3一4方案一草图
图3一5风能供料装置结构示意
图3一6风能供料装置主要部件示意
图3一7同步带
表3-1同步带载荷修正系数KA
表3一3带轮最小许用齿数Zmin
表3一4同步带节线长度L P
表3-5同步带在基准带宽下的许用工作拉力和线密度
表3一6小带轮啮合齿数系数
图3-9同步带传动示意简图
图3一10小带轮零件
图3一11大带轮零件
图3一12同步带传动效果
表3-10项目评价表
第五篇：机电一体化专业职业设计
大学3年规划书作者： 机电3班@@36号
大学3年规划书（机电3班 @@ 36号）
前言
我们向往着美好的明天，所以一直为着心中的那个梦而奋斗。大学生职业生涯规划，换个角度理解，就是对我们心中的那个蓝图的描绘。我们对自己的职业生涯进行规划，就是给自己的梦想插上翅膀。远大的理想总是建立在坚实的土地上的，青春短暂，从现在起，就力争主动，好好规划一下未来的路，去描绘这张生命的白纸。
一、个人资料
姓名：@@
性别：男
出生年月：1989年06月
性格：外向
学历：高职高专
专业：机电一体化
座右铭：我的路，我自己会走的二、大学毕业后的计划
美好愿望： 希望以后可以进入一个好一点的专业对口的机械类的大公司。能有一分不错的薪水
职业方向： 机电工程类的高技术性人才
三、自我盘点 ：
1、（1自信心强，肯吃苦；具有一颗善良的心，待人真诚，能得到大部分人的尊重；（2素质：兴趣广泛；适应性较强；具有一定的交际能力，语言逻辑性和表达能力较强；具有一定的工作能力：在组织能力、协调能力、创新能力、预见性和团队意识等方面均有所表现；
（3气质：自我形象较好，谈吐得体，具有一定亲和力；
（4学习能力：领悟性较强；
2、优势盘点：
从小生活条件坚苦，让我养成了不怕苦的精神。在这个漫长坚苦的过程中，它将是我唯一的，也是最宝贵的财富。
3、劣势盘点：
因为来自农村，没有经济基础，决定了我的事业起点相对言要低，而且，到目前为止，还没有任何工作经验，各类荣誉证书太少。
4、优点：
乐观，开朗，胆大，有一股不服输的屈气。
5、缺点：
做事不够细心，有时候也比较怀疑自己的能力，惰性较大。
创建时间：2008-11-17 14:01:00 第 1 页 2013-4-16
四、解决自我盘点中的劣势和缺点
当劣势和缺点成为了你前进道路上的障碍时，就应充分得用你的优点，让其把你带
出围障；虽然恒心不够，但可凭借那份积极向上的热情鞭策自己，久而久之，就会慢慢培养起来，充分利用一直关心支持我的庞大亲友团的优势，真心向同学、老师、朋友请教，及时指出自存存在的各种不同并制定出相应计划以针对改正。
五、规划书的重要性
1、无论我现在或将来从事的职业是什么，对职业要负责这一点切切不可忘记；
2、切记和谐融洽的人际关系非常重要。实际证明与同时间人事关系融洽将使工作效率倍增；
3、要优化自己的交际技能。优良的交际技能可为你谋职就业提高成功机率；
4、要善于发现变化并使用变化。不管周围环境及自己人生某一阶段出现何样的变化，你都
应该善于发现其中的各种机遇并驾驭这些机遇
5、要灵活。未来时代的工作者们可能必须要经常转换职业角色，这就是说我们要能灵活地从一个角色迅速转换到另一个角色，方能适应时代环境的变化；
6、要善于学用新技术。曾经我想当一名作家，但在当今时代作家欲获成功也必须不断学用并掌握新技术技能才行，比如作家必须同时成为一名计算机文字处理员、打字员、网上发行员才能获得成功；
7、要舍得花钱、花时间学习各种指南性知识简介。目前各大学、社会研究机构、其他组织开办了各式各样的实用性半日、一日或二日可学完的知识简介科目，这类指南性知识简介的试学可能是预探新领域“水深度”的最简便易行的方法；
8、摒弃各种错误观念。当我们考虑某新职业或新产业时，观念一定要更新，以防被错误思维误导；
9.选择就业单位时事前应多做摸底研究。
10.要不断开拓进取、不断开发新技能。一个复合的社会将不仅需求专业化知识，同时还需求通用化及灵活式技能。
六、职业生涯规划
1、学习生活规划
大学1年级：了解大学年活，了解专业知识，了解专业前景，了解大学期间应该掌握的技能以及以后就业所需要的证书。熟悉掌握专业课知识，尽最大的努力考英语4级。考一些跟自己的专业有关有用的证书。其中在学习时预习和复习是提高听课的效果，抓好重点、难点，积极运用思维，深入理解教材，形成有系统的观点和科学知识体系，培养学生自学能力的重要环节。根据数据表明，完全能够和基本上预习的占7％和20％，基本上不预习的占48％，有时预习的占25％。这样就有约70％左右的学生不预习或较少预习。课后复习和一般能够复习的共占82％，较少和不复习的占18％，复习时结合思考的占75％，只有少数学生使用反复记忆的方式，约占9％。这说明在复习方式上体现了青年时期运用命题思维的特点。在预习与复习的时间上，离上课时间近的占52％，远的占16％，不复习者占5％。有的学生是预习时间近，复习时间远，复习时喜欢较长时间连续进行的占38％，复习时间短而分散的只占5％。这说明较长时间的连续复习略占优势。课后的复习要求学生阅读的内
容较多，还要指定一些参考书，依靠自己独立研究、提出问题、思考问题和归纳总结。习题课要改变中学习惯了的死套公式的解题方法，加强了理论推导的课题，解题的难度也适当加深，注意用文字、图表、数理计算等方法的表达能力。实验是培养学生动手的技能和分析与解决实验过程提出问题的力，大学的实验要从教师指导下的演示方法逐步过渡到独立地提出实验方案和完成实验，从以验证某一定律或原理的实验过渡到形成科学的实验。在大学阶段教学的各种组织形式，都有不同于中学的变化和特点，怎样帮助大学低年级学生在学习方法上适合这种变化，掌握大学的学习规律，是提高我们学习能力的一个关键问题。
大学2年级：目标应锁定在工作申请及成功就业上，积极参加招聘活动,在实践中检验自己的积累和准备。积极利用学校提供的条件,强化求职技巧,进行模拟面试等训练,尽可能地做出充分准备。
2、求职计划
(1)学位证书、资格证书，是我们求职的敲门砖，是一个公司招聘人才的首要条件，因此，我们要在大学生期间，拿到相关的证书。
(2)公司招聘人才看的不仅是文凭和证书，更多的是注重的个人的能力与素质，所以，我们在大学期间学习的同时，还在注重的是个人素质的提高和能力的培养。
(3)对于刚毕业的大学生来说，经验的缺乏是一个很突出的问题，要想在众多应聘者中脱颖而出，就要在变方面占优势才行，所以，我们还要在大学生活中积累更多的工作经验，这一方面可以通过兼职来实现，但在其过程中，要懂得总结经验。
(4)一定要在大2之前把简历制好，留下更多的的时间来找工作。
(5)要时刻关注招聘信息，积级参加招聘活动，在公司选择我们的同时也选择一个适合自己的公司。
七、结束语
任何目标，只说不做到头来都会是一场空。然而，现实是未知多变的，定出的目标计划随时都可能遭遇问题，要求有清醒的头脑。一个人，若要获得成功，必须拿出勇气，付出努力、拼搏、奋斗。成功，不相信眼泪；未来，要靠自己去打拼！实现目标的历程需要付出艰辛的汗水和不懈的追求，不要因为挫折而畏缩不前，不要因为失败而一蹶不振；要有屡败屡战的精神，要有越挫越勇的气魄；成功最终会属于你的，每天要对自己说：“我一定能成功，我一定按照目标的规划行动，坚持直到胜利的那一天。”既然选择了认准了是正确的，就要一直走下去。在这里，这份职业生涯规划也差不多落入尾声了，然而，我的真正行动才仅仅开始。现在我要做的是，迈出艰难的一步，朝着这个规划的目标前进，要以满腔的热情去获取最后的胜利。
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