机电一体化实验室实验台的设计与开发毕业作品.docx
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机电一体化实验室实验台的设计与开发毕业作品
任务书
设计题目：
机电一体化实验室实验台的设计与开发
1．设计的主要任务及目标
本课题是对我系机电一体化实验室实验台进行模块化设计与开发，通过PLC、单片机、继电器等控制模块，控制驱动模块电动机，驱动机械传动机构使其能够完成相关机电一体化实验。
主要任务如下：
（1）、仔细研读《机电一体化系统设计》教材并广泛查阅相关资料；
（2）、拟定实验台设计开发的方案；
（3）、设计机械传动机构并建模进行动画仿真；
（4）、将设计开发后的实验台模块合理重组，设计出新的机电一体化实验。
2．设计的基本要求和内容
（1）掌握机电一体化系统设计的理论知识；
（2）熟练掌握机械设计、机械原理理论知识及PRO/E建模装配和仿真；
（3）掌握单片机、PLC、继电器的运用及其对电机的速度和方向的控制；
（4）重组实验台模块，设计出新的机电一体化实验；
（5）毕业设计说明书及答辩用资料一份。
3．进度安排
设计各阶段名称
起止日期
1
查阅资料，完成开题报告
2014年3月12日前
2
精读《机电一体化系统设计》教材，广泛查阅相关资料，拟定设计方案
2014年3月12日-2012年4月10日
3
掌握机械原理完成机械结构设计
2014年4月11日-2012年5月1日
4
完成实验台的设计开发并设计新实验
2014年5月2日-2012年5月30日
5
定稿装订，毕业答辩
2014年6月1日-2012年6月20日
机电一体化实验室实验台的设计与开发
摘要
本文为了解决太原工业学院机械工程系机电一体化实验室缺乏机械模块，控制模块不足等功能不完善的问题，在现有实验模块的基础上，针对实验台提出进一步改进、设计与开发。
从而更好地满足机电一体化实验教学的需求。
先根据机械设计理论设计基本传动机构；再采用机电一体化系统设计理论，选用单片机，PLC以及继电器等控制模块，控制直流电机、三相异步电机和步进电机等模块，从而驱动传动机构实现机电一体化控制运动。
通过设计开发具有功能可重组、模块化的机电一体化实验台,学生可以灵活重组不同功能模块,通过多种不同的实验完成对四杆机构的综合控制。
而且,实验台还保留了原功能模块的实验功能。
关键词：
机电一体化，实验台，模块化,重组
ThedesignanddevelopmentofMechatronicslaboratoryexperimenttable
Abstract:
ThepaperaimedatsolvetheproblemthatthemechatronicslaboratoryofMechanicalEngineeringDepartmentofTaiyuanIndustrialcollegelackmechanicalmodule,contrlmoduleandthefunctionisnotperfact.Therefore,basedontheexistingexperimentalmodule,weputforwardfurtherimprovement,designanddevelopmentaimedatthemechatronicslaboratorytest-bed.Soastobettermeettheneedsofourschool`smechatronicsexperimentteaching.Firstly,wehavedesignedthebasictransmissionmechanismaccordingtomechanicaldesigntheory,thenapplyingthedesigntheoryofmechatronicsystem,choosingcontrollermodule,suchasSCM,PLCandrelaycontrolmodule,ThroughtheSCMprogram,PLCprogramandconvertertocontroltheDCmotor,three-phaseasynchronousmotorandsteppermotormodule,soastodrivethetransmissionmechanismtorealizemechatronicscontrolmovement.Designinganddevelopingmechatronicsintegratedexperimentalplatformswiththefunctionsofreconfigurationandmodularization.Basedonitstudentscanreconfiguredifferentfunctionmodulestoaccomplishthecomprehensivecontrolofthefourbarmechanismwith9differentexperiments;Moreover,thepreviousexperimentalitemsofthefunctionmodulesarealsoreserved.
Keywords:
mechanicalandelectricalintegration,experimentalplatform,modularization，reconbination
1前言
随着社会的发展和科术的进步，由机械工程技术、微电子技术、传感器技术、PLC技术、计算机及网络通讯技术等等多种技术融合而成的机电一体化技术，在当今社会中得到极为广泛的应用，已经成为当今工业自动化重要组成部分，于是机电一体化实验在实验教学、科研实验及工业生产中也占有着越来越重要的地位。
机电一体化综合实验是高校机电工程专业本科生必修的实践课。
然而,随着微电子技术的迅猛发展,原有的机电一体化实验台与当代工业企业需求有较大差距,这些实验台已经不能充分满足科学发展对学生在机电一体化专业领域的需求。
因此,加强机电一体化综合实验台的设计与开发具有积极而现实的意义。
为满足实验教学的需求,建设提升我机系机电一体化实验室功能,提出多功能机电一体化实验台的模块化可重组建设。
该实验教学改革项目的建设在资金投入少的情况下,能够达到实验平台具有先进性,综合性,创新性,实验内容丰富,构思巧妙,方法灵活,综合性强的诸多优点。
从而提高本校机械工程专业学生实践能力、创新设计能力和综合应用能力,有效培养机电一体化专业学生的创新素质。
我校也有机电一体化实验室，但是现有的实验室实验台功能并不完善:
控制系统模块欠缺，机械结构严重缺乏，实验室整体功能不够完善，只能满足部分机电一体化实验;实验台及实验项目综合性不强，不能满足创新性实验的要求，存在较大的局限性，已不能很好的满足当今实验教学及实验创新的需求。
因此有针对的开展机电一体实验室实验台的设计与开发具有重要的现实意义。
在我系机电一体化实验室现有实验台模块的基础上，本课题设计开发具备机械结构、驱动元件、控制系统等各种模块的模块化可重组实验台，而且通过各个实验模块的有机组合，可以完成不同的机电一体化实验。
大大完善我系机电一体化实验室实验台的实验模块，改善实验教学与科研实验效果，提高学生实践操作能力。
2机电一体化系统设计理论
2.1机电一体化时代与机电一体化技术革命
2.1.1概述：
“机电一体化”的基本思想是机械技术、电子技术和信息技术等相关技术有机结合的一种新形式，是电子技术向机械技术领域渗透过程中逐渐形成的一个新概念。
其构成要素包括:
机械本体部分、动力部分、控制部分、执行机构、检测传感部分、信息处理单元及接口等。
机电一体化的目的是提高系统的附加价值，即多功能、高效率、高可靠性、省材料省能源，并使产品结构向短、小、轻、薄化方向发展，从而不断满足人们生活的多样化和生产的省力化、自动化需求。
因此，机电一体化的研究方法应该改变过去那种拼拼凑凑的“混合”设计法，应该从系统整体角度出发，采用现代设计分析的方法，充分发挥相关学科的技术优势。
2.1.2含义解析：
“机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，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”
机电一体化是机械技术、微电子技术相互交叉、融合（有机结合）的产物。
机电一体化并不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑，而是有机地相互结合或融合，是一门新兴学科，有其特定地技术基础、设计理论和研究方法。
主要包含两方面的内容：
机电一体化技术与机电一体化产品。
2.1.3共性关键技术：
检测传感技术
信息处理技术
伺服驱动技术
自动控制技术
精密机械技术
系统总体技术等。
2.1.4机电一体化的目的：
使系统（产品）高附加价值化，即多功能化、高效率化、高可靠化、省材料省能源化。
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。
2.1.5研究方法：
改变过去的拼拼凑凑的“混合”设计法。
应该从系统的角度出发，采用现代设计分析方法，充分发挥边缘学科技术的优势。
2.1.6意义及地位：
以机械为主的产品，如机床、汽车、缝纫机、打字机、照相机等，由于应用了微型计算机等微电子技术，使它们都提高了性能并增添了头脑。
1g铀＝1x106g（1吨）石油——能源技术的革命
计算机运行速度及体积的革命性变化——计算机技术的革命
将微型计算机等微电子技术用于机械并给机械以智能的技术革新潮流——机电一体化技术革命
2.2机电一体化系统构成要素及功能构成
2.2.1机电一体化系统基本构成：
构成要素：
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）
2.2.2系统分类：
全闭环系统：
通过传感器直接检测目标运动并进行反馈控制的系统
半闭环系统：
通过传感器检测某一部位（如伺服电动机等）运动并进行反馈、间接控制目标运动的系统
2.2.3工业三要素：
物质、能量和信息
2.2.4机电一体化系统的目的功能：
机电一体化系统用于满足人们使用要求的功能——目的功能
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）进行某一处理，输出所需要的物质、能量和信息
2.2.5三大目的功能：
变换（加工、处理）功能
传递（移动、输送）功能
储存（保持、积蓄、记录）功能
图2.2三大目的功能
2.2.6三类机械：
加工机：
以物料搬运、加工为主，插人物质（原料、毛坯等）、能量（电能、液能、气能等）和信息（操作及控制指令等），经过加工处理，主要输出改变了位置和形态的物质的系统（或产品），如各种机床、交通运输机械、食品加工机械、起重机械、纺织机械、印刷机械、轻工机械等
动力机：
以能量转换为主，插入能量（或物质）和信息，输出不同能量（或物质）的系统（或产品），其中输出机械能的为原动机，如电动机、水轮机、内燃机等
信息机：
以信息处理为主，输人信息和能量，主要输出某种信息（如数据、图像、文字、声音等）的系统（或产品），如各种仪器、仪表、计算机、传真机以及各种办公机械
2.2.7系统的五种内部功能：
主功能:
实现系统“目的功能”直接必需的功能
动力功能:
向系统提供动力、让系统得以运转的功能
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
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”
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
2.2.8机电一体化系统五要素及其五大功能：
系统五要素：
控制器
检测传感器
执行元件
动力源
机构
机电一体化系统的五大要素及相应的五大功能：
机电一体化系统五大要素实例：
图2.5
2.3机电一体化系统构成要素之间的相互连接
机电一体化系统（产品）五要素——控制器、检测传感器、执行元件、动力源、机构
2.3.1接口（interface）：
机电一体化系统由许多要素或子系统构成，各要素或子系统之间必须能顺利进行物质、能量和信息的传递与交换。
各要素或各子系统相接处必须具备一定的联系条件，这些联系条件就可称为接口接口是保证机电一体化系统（产品）各要素或各子系统顺利进行物质、能量和信息的传递与交换所必须具备的联系条件
2.3.2重要意义：
机电一体化系统设计归根结底就是“接口设计”，是系统就成为综合性能好坏的决定性因素。
2.3.3接口分类：
按变换、调整功能：
零接口：
仅起连接作用而不进行任何变换和调整、输出即为输入等，如输送管、接插头、接插座、接线柱、传动轴、导线、电缆等
无源接口：
用无源要素进行变换、调整的接口，如齿轮减速器、进给丝杠、变压器、可变电阻器以及透镜等
图2.6
有源接口：
含有有源要素，主动进行匹配，如电磁离合器、放大器、光电锅合器、D／A和A／D转换器以及力矩变换器等
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，如自动变速装置、通用输人／输出LSI（8255等通用I／O）、GP—IB总线、STD总线等
按输入／输出功能：
机械接口：
根据形状、尺寸精度、配合、规格等进行机械联接，如联轴节、管接头、法兰盘、万能插口、接线柱、接插头与接插座及音频盒等
物理接口：
受通过接口部位的物质、能量与信息的具体形态和物理条件约束，如受电压、频率、电流、电容、传递扭矩的大小、气（液）体成分（压力或流量）约束的接口
信息接口：
受规格、标准、法律、语言、符号等逻辑、软件的约束，如GB、ISO、ASCII码、FORTRAN、C、C＋＋、VC、VB等。
环境接口：
对周围环境条件有保护和隔绝作用的借口，例如防尘过滤器、防水连接器、防爆开关等
机电一体化系统各构成要素之间的相互联系：
图2.7各组成要素之间的相互联系
2.4机电一体化系统设计的考虑方法及设计类型
2.4.1注意事项：
机械系统与控制系统的电气参数相匹配的参数
设计控制系统时，应根据机械系统的固有结构参数来选择和确定电气参数，使二者相互协调、相互补充，使系统（或产品）得到最佳性能。
2.4.2机电一体化系统设计的考虑方法：
机电互补法、融合（结合）法、组合法
机电互补法：
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
融合（结合）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
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
2.4.3机电一体化系统的设计类型：
开发性设计、适应性设计、变异性设计
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。
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。
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。
3机电一体化实验室实验台的设计
3.1实验台的整体结构设计
机电一体化实验台属于典型的机电一体化设备，是集机械、电气、检测传感及控制等技术于一体的综合性实验台，其整体结构设计基于机电一体化系统设计理论，如图3.1所示。
图3.1实验台的一体化系统结构框架
3.2机械模块设计
3.2.1总体设计思路
电一体化实验台包括机械本体模块、电机驱动模块、交流变频模块、传感检测模块、控制系统模块5个部分，由于最终的控制要体现在机械模块上，所以应首先设计机械模块，然后选定驱动模块，最后才能选定控制模块。
这里设计的机械模块是曲柄摇杆机构，其示意图如图3.2所示，
图3.2机械模块——曲柄摇杆机构
实验台工作原理是:
该曲柄摇杆机构通过电机驱动，电机正反转可控制摇杆摆角，电机改变转速可调节曲柄转速。
3.2.2解析法设计四杆机构
基于机械原理平面四杆机构设计理论知识，这里采用解析法设计四杆机构：
解析法是以机构参数来表达各构件间的函数关系，以便按给定条件求解未知数。
用解析法作平面机构的运动设计的
关键是建立机构位置矢量封闭方程式。
常用的解析法有矢量法、复数矢量法及矩阵法等。
解析法求解精度高，能解决较复杂的问题。
在用解析法设计连杆机构时，涉及到大量的数值运算，这种繁琐的计算工作可由计算机来完成。
计算机辅助连杆机构设计的基本过
程为：
由设计者制定设计任务，选定连杆机构类型，建立设计的数学模型，选择算法并编制程序；由计算机完成数值计算、
结果输出（数据与图形）和结果分析。
目前已有连杆机构计算机辅助设计商业化软件，可以直接使用。
现用解析法设计如下：
曲柄摇杆机构有急回机构特点，设计时，主要利用机构在极位时的特性（如图3.3）一般希望其最小传动角具有最大值，这时可利用图3.4来进行设计。
现在取行程速度变化系数K=1.4，摇杆摆角φ=60°,可由图3.4查得可能获得最小传动角的最大值maxγmin及β的大小，再计算各杆的相对长度：
a/d=sin（φ/2）sin（θ/2+β）/cos（φ/2－θ/2）
b/d=sin（φ/2）cos（θ/2+β）/sin（φ/2－θ/2）
（c/d）²=（a/d+b/d）²+1－2（a/d+b/d）cosβ
选定机架长度d,即可算得各杆的绝对长度。
由公式：
θ=180°（K－1）（K＋1）得
θ=30°
a/d=0.4527
b/d=0.9366
现取d=20cm,则可求得
AB=a=20cm
BC=b=18.7cm
CD=c=20cm
设计完成。
3.2.3建模及动画仿真
现对以上所设计曲柄摇杆机构用ProE建模仿真如下
图3.5曲柄摇杆机构
图3.6曲柄摇杆机构动画仿真
3.3其他模块的选择
3.3.1驱动模块的选择
由于曲柄摇杆机构中，原动件曲柄的运动为选装运动，因此可初步选择用电动机驱动。
结合我校机电一体化实验室现有设备情况，选定用现有的三种电动机分别驱动。
即直流电机（RPM：
10），三相异步电机（RPM：
1400）和步进电机（RPM：
240），这样一来，既满足了设计的要求，又节省了资源，并且有效利用原有设备，是原有资源的利用达到最大化。
3.3.2控制模块的选择
控制模块、驱动电路为控制系统的核心部分。
控制单元是整个系统最核心的部分,是系统的指挥中心。
用于协调各部分的运行，主要负责接收通信端口或输入电路送来的信息，并对其进行识别，译码，并做出相应的动作，发出控制信号用以控制步进电动机。
控制单元实质上是具有处理能力的微处理器芯片。
控制单元可以由：
单片机、DSP、PLC、继电器等等充当。
结合我系实验室现有设备及实际情况本设计拟选用PLC、单片机和继电器作为控制模块。
PLC和继电器模块实验室已经具备，而单片机模块仍需添加。
3.3.3传感检测模块的选择
本设计传感检测模块的功能主要是用来控制摇杆的转向和转速，根据实验室现有情况，在试验台架恰当位置安置行程开关即可。
该传感器实验室已经具备，可以直接选用。
3.3.4动力模块的选择
由于本设计选用的驱动模块为直流电机和交流电机，因此，动力源模块自然是选用电压可调的交流电源和直流电源模块，这两种模块实验室均具备，可以直接选用。
3.3.5辅助模块的选择
由于现有的三相异步电动机转速较高，为防止转速过高损坏机械架构，需要对电极进行调速，本设计选用简单易操作的变频调速，因此，需要用到变频器，该实验模块实验室已经具备，可以直接选用。
然后还需要控制按钮模块，和实验导线，九针孔数据线。
4开发后的实验台能够完成的实验
4.1PLC控制三相异步电动机的实验
4.1.1PLC控制三相异步电动机正反转的实验
（1）实验目的
熟悉异步电动机正反转控制的原理。
读懂电路图，进行接线及操作练习。
了解控制系统中各种保护及自锁、互锁环节的作用。
进一步学习西门子软件的应用及PLC程序的调试。
了解西门子公司S7-200系列PLC的基本指令。
（2）实验简介
传统上是用接触器直接实现这一过程的，电路原理图可参照教科书或三相异步电机正反转继电器控制实验。
本实验采用PLC控制正反转,电路简图4.1所示
图4.1异步电动机正反转控制
图4.2电机正反转控制程序
（3）实验仪器和设备
计算机一台
PLC（西门子）一套
JDY综合实验台一台
三相交流电源模块一块
继电器控制模块一块
三相交流异步电动机一台
插接线若干
（4）实验步骤及内容
在工程环境下绘制出梯形图。
或调用“……”文件中的梯形图，
根据电路图连接电路。
检查确认后，接通电源，传送PLC程序。
电动机不供电，监测PLC动作是否正确。
若不正确，应排除故障。
电动机供电，操作按钮，观察电动机的动作。
若动作不正常，应排除故障。
（5）预习要求
复习电动机正反转的工作原理，绘制出工作原理图。
复习正反转控制中使用的元器件，及其接线方法。
有兴趣的同学可以自己设计控制电路，绘制出PLC的梯形图程序及电路图。
（6）注意事项
仔细检查过后才能开启电源，接通电路。
尤其是学有余力的同学在运行自己设计的程序，自己设计的电路图时，一定要征询实验指导老师的意见，在老师同意，并检查通过后才可以进行程序传送，电路连接。
并要在断电的情况下才能进行拆、接线。
由于电动机的工作电压为380V，因此在电源，尤其是强电电源接通后不要用手接触电动机或实验台。
同学们一定要注意安全。
4.1.2PLC控制三相异步电动机变频调速实验
（1）实验目的
学习和掌握变频器的操作及控制方法；
深入了解三相异步电动机变频调速性能；
进一步学习PLC控制系统硬件电路设计和程序设计、调试。
（2）实验原理
三相交流异步电动机变频调速原理
通过改变三相异步电动机定子绕组电压的频率，可以改变转子的旋转速度，当改变频率的同时改变电压的大小，使电压与频率的比值等于常数，则可保证电动机的输出转矩不变。
变频器就是专用于三相异步电动机调频调速的控制装置。
它的输入为单相交流电压（控制750W及以下的小功率电动机）或三相交流电压（控制750W以上的大功率电动机），而输出为幅值和频率均可调的三相交流电压供给三相异步电动机。
变频器的生产厂家很多，产品也很多，但基本原理相同。
本实验中采用的是松下小型变频器VFO200W，有如下几种操作模式。
运行/停止、正转/反转的操作模式：
对于电动机的启动/停止以及正反转的控制有外部操作和面板操作两种模式，通过专用参数的设定来实现。
面板操作模式：
通过变频器自带面板上的操作键
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