机电一体化技术综合课程设计指导书.docx
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机电一体化技术综合课程设计指导书
机电一体化技术
综合课程设计指导书
河南科技大学
机械电子工程教研室
2010年2月
机电一体化技术综合课程设计指导书
一、课程设计的目的：
机电一体化技术综合课程设计是大学生在完成《机电一体化系统设计》等专业课程学习后，进行综合性实践性的教学环节。
目的是在老师的指导下，使学生通过课程设计，对所学课程理论知识进行一次系统的回顾、综合和提高，并运用所学理论知识，通过分析和调研，设计一个机电控制方面的课题，受到从理论到实践应用的综合训练，培养学生独立运用所学理论解决具体问题的能力，具体有以下几点：
1.通过查阅有关手册、标准及参考资料，培养学生检索查阅资料、使用资料的方法和能力。
2.通过回顾查阅课程理论知识、运用所学的基础课、专业技术课和专业课知识，培养学生根据实际需求正确设计总体方案，分析具体问题、进行工程设计的能力。
二、课程设计的内容：
选择内容、份量比较适当的课程设计的题目，要求学生在规定的时间内完成：
1.根据设计设计要求，确定系统总体方案；
学生根据设计任务书的具体要求，通过查阅资料和分析论证，确定较为合理的系统总体方案，其主要内容包括：
（1）对任务书中的指标进行分析计算；
（2）提出几种方案，进行论证、优化，合理规划软硬件资源，使整个系统达到最优化；
（3）确定系统总体方案，画出系统电气原理图。
2.设备和器件选型
（1）根据确定的总体方案，计算各部件的电气参数，并留有一定余量；
（2）通过查阅手册和网络资源，选取性价比高的器件；
（3）画出系统的硬件电路图和接线图。
3.构建硬件系统
（1）根据硬件接线图，正确连接系统；
（2）认真检查系统接线，尤其是电源部分，防止短路或极性接反而损坏设备；
（3）设备通电，进行硬件调试。
系统通电无异常时，通过手动方式，并借助于仪器进行硬件的单一功能调试。
4.程序设计
（1）根据系统功能要求，设计系统的软件流程，画出总体流程图，并划分为几个相对独立的功能模块；
（2）画出各功能模块的流程图，编写各功能模块程序；
（3）通过仿真方式模拟调试程序。
5.系统联调
（1）脱离仿真模式，系统软硬件联合调试；
（2）对调试中的遇到的问题进行分析，找出原因并解决；
（3）针对任务书，检查各指标是否满足设计要求。
若个别指标不满足要求，应进一步完善，直到满足为止。
6.编写设计说明书
学生在完成上述全部工作内容后，应将上述全部工作依先后顺序编写成设计说明书一份，说明书要求字迹工整，语言简练、文字通顺。
说明书应以十六开纸书写，四周留有边框，并装订成册。
三、课程设计指导：
（一）机电一体化实验设备
序号
设备名称
配置说明
数量
备注
1
上料检测
单元
S7-313C-2DP
2
2
操作手单元
S7-224XP、EM277
2
3
加工单元
（改装）
S7-224XP、EM277、EM253、伺服驱动
2
1、打孔与检测装置为伺服驱动的X-Y轴的立体模拟加工装置。
2、回转工作台为伺服电机驱动。
共用三套伺服驱动系统。
4
安装搬运单元
S7-224XP、EM277
2
5
立体存储
单元
S7-224XP、EM277、步进驱动
1
两套步进电机
6
分类工作
单元
（改装）
S7-224XP、EM277、
变频交流驱动
1
1、一套交流变频驱动系统2、码盘
7
组态监控
系统
KingView6.52、
加密狗
1
8
MPS附件
模拟工件、静音气泵、通讯电缆、编程电缆等
1
9
研究版机器人本体MT-R
教学及科研平台
1
10
2自由度
云台摄像机
高精度日本原产
1
11
MT-R专用
外接电源
保障机器人24小时运行
1
12
MT-R
附件
显示器、键盘、
充电器
1
MPS囊括了机电一体化专业学习中所涉及的诸如电机驱动、气动、PLC（可编程控制器）、传感器等多种技术，给学生提供了一个典型的综合科技环境，使学生曾学过的诸多单科专业知识在这里得到全面认识、综合训练和相互提升。
上料检测单元
功能：
上料检测单元是为系统的加工过程逐一提供加工工件并检测出工件的颜色。
在盘状回转料斗中一次可存放数十个工件。
供料过程中，回转料盘将大工件输出，接着由提升装置将工件提升到检测工位，由光电传感器判断出其颜色，并将其信息发给后一站。
可以组合的形式：
上料检测单元、搬运单元
上料检测单元、操作手单元
上料检测单元、安装搬运单元
结构与组成
机械部分：
1.检测工件和颜色的光电开关
2.自动出料装置
3.工件提升装置
4.自动拦截机构
控制部件:
1.可编程序控制器（一套）
2.开关电源:
220V/24V/5A（带短路保护）
3.控制面板:
八个按钮
4.两套I/O接口板
5.一套I/O通讯接口板
6.24V齿轮减速电机
7.一组电控气阀及其执行器件
电气指标:
1.供电:
220V/1A
2.执行驱动电压：
24V/5A
3.环境温度：
0-55℃（工作）-20-70℃（保存）
4.相对湿度：
35-85%（无冷凝）
5.接地：
第三种接地
6．工作环境：
禁止有腐蚀性，可燃性气体接触，防止导电尘埃
操作手单元
功能：
操作手单元是将前一工作站上的工件抓起并输送到下一工作站。
操作手单元由不同的气动执行部件组成，通过摆动、伸缩、气动夹爪抓取等动作，将前一工作站上的工件抓起并输送到下一工作站。
加装滑道后，也可根据不同的情况而剔除不符合条件的工件。
可以组合的形式：
上料检测站、操作手单元
操作手单元、加工检测站
操作手单元、分类工作单元
操作手单元、传送带模块
结构与组成
机械部分：
1.机械手
2.横臂
3.回转台
4.电感式传感器
控制部件:
1.可编程序控制器（一套）
2.开关电源:
220V/24V/5A（带短路保护）
3.控制面板:
八个按钮
4.两套I/O接口板
5.一套I/O通讯接口板
6.三组电控气阀及其执行器件
电气指标:
1.供电:
220V/1A
2.执行驱动电压：
24V/5A
3.环境温度：
0-55℃（工作）-20-70℃（保存）
4.相对湿度：
35-85%（无冷凝）
5.接地：
第三种接地
6．工作环境：
禁止有腐蚀性，可燃性气体接触，防止导电尘埃
加工单元
功能：
工件将在旋转平台上被加工。
通过具有四个工位的加工旋转平台，进行加工模拟，进行加工质量的模拟检测。
旋转平台由直流电机驱动，光电传感器确认输入工位有无工件，电感式传感器检测旋转平台的位置，平台的启停由继电器回路完成。
可以组合的形式：
加工单元、搬运单元
操作手单元、加工单元
加工单元、安装搬运单元
结构与组成
机械部分：
1.回转工作台
2.打孔电机组件
3.缸组件
4.检测工件和转台到位传感器
控制部件:
1.可编程序控制器（一套）
2.开关电源:
220V/24V/5A（带短路保护）
3.控制面板:
八个按钮
4.两套I/O接口板
5.一套I/O通讯接口板
6.24V减速电机
7.一组电控气阀及其执行器件
电气指标:
1.供电:
220V/1A
2.执行驱动电压：
24V/5A
3.环境温度：
0-55℃（工作）-20-70℃（保存）
4.相对湿度：
35-85%（无冷凝）
5.接地：
第三种接地
6．工作环境：
禁止有腐蚀性可燃性气体接触，防止导电尘埃
注：
打孔与检测装置为伺服驱动的X-Y轴的立体模拟加工装置；回转工作台为伺服电机驱动。
共用三套伺服驱动系统。
安装搬运单元
功能：
将工件从前一站搬运至下一站，并可在本站上完成大、小工件的组装。
安装搬运站从前站抓取工件，利用直线加圆周运动平台，可将工件搬运到小工件的输入工位，等待小工件的输入。
然后再将大小工件的组合体输送到下一站的输入位置。
加装滑道后，也可根据不同的情况而剔除不符合条件的工件。
可以组合的形式：
加工单元、安装搬运单元
安装搬运单元、分类工作单元
结构与组成
机械部分：
1.平移工作台
2.回转工作塔
3.吊臂
4.机械手
控制部件:
1.可编程序控制器（一套）
2.开关电源:
220V/24V/5A（带短路保护）
3.控制面板:
八个按钮
4.两套I/O接口板
5.一套I/O通讯接口板
6.四组电控气阀及其执行器件
电气指标:
1.供电:
220V/1A
2.执行驱动电压：
24V/5A
3.环境温度：
0-55℃（工作）-20-70℃（保存）
4.相对湿度：
35-85%（无冷凝）
5.接地：
第三种接地
6．工作环境：
禁止有腐蚀性，可燃性气体接触，防止导电尘埃
立体存储单元
功能：
立体存储单元是一个立体仓库存储的模拟。
它将系统前站送来的工件或工件组合，放到不同的位置。
当工件或工件组合送来时，立体存储单元会读取工件或工件组合的信息，按照工件不同类别，进行分类立体存放。
可以组合的形式：
操作手单元、立体存储单元
安装搬运单元、立体存储单元
搬运单元、立体存储单元
结构与组成
机械部分：
1.X轴丝杆滑台
2.Y轴丝杆滑台
3.推出部件
4.分类料仓
控制部件:
1.可编程序控制器（一套）
2.开关电源:
220V/24V/5A（带短路保护）
3.控制面板:
八个按钮
4.两套I/O接口板
5.一套I/O通讯接口板
6.一组电控气阀及其执行器件
7．两套步进驱动系统
技术指标:
1.供电:
220V/1A
2.执行驱动电压：
24V/5A
3.环境温度：
0-55℃（工作）-20-70℃（保存）
4.相对湿度：
35-85%（无冷凝）
5.接地：
第三种接地
6．工作环境：
禁止有腐蚀性，可燃性气体接触，防止导电尘埃
分类工作单元
功能：
分类工作单元可以实现对工件按照材质或颜色分拣的过程。
可将工件按材质或颜色分拣到三个滑槽中。
传送带模块由一交流变频电机通过齿轮减速器后驱动。
分拣装置由导向气缸、导向装置等组成。
可以组合的形式：
操作手单元、分类工作单元
安装搬运单元、分类工作单元
搬运单元、分类工作单元
结构与组成
机械部分：
1.传送带模块
2.分拣装置
3.交流电机加齿轮减速器
4.分类滑槽
控制部件:
1.可编程序控制器（一套）
2.开关电源:
220V/24V/5A（带短路保护）
3.控制面板:
八个按钮
4.两套I/O接口板
5.一套I/O通讯接口板
6.二组电控气阀及其执行器件
7．一套交流变频驱动系统
8．码盘
电气指标:
1.供电:
220V/1A
2.执行驱动电压：
24V/5A
3.环境温度：
0-55℃（工作）-20-70℃（保存）
4.相对湿度：
35-85%（无冷凝）
5.接地：
第三种接地
6．工作环境：
禁止有腐蚀性，可燃性气体接触，防止导电尘埃
（二）51单片机多功能实验板
1.系统简介
51多功能实验板集成有丰富的硬件资源，采用模块化设计与布局，并且为学生提供了多种接口，使学生可以灵活的构建根据设计题目设计的系统方案。
原理图如图1所示。
图151多功能实验板电路原理图
图251多功能实验板元件及模块布局图
2.电路模块功能
51多功能实验板电路及元件布局如图2所示。
模块功能如表1所示。
表151多功能实验板电路模块功能表
功能块名称
功能说明
电压基准源电路
该模块提供一个TL431电压基准源电路。
提供2.5V～5V的可调电压。
模拟输出模块
方便用于模拟量输出的检测。
串行AD模块
该模块包含有一片8位串行AD转换器TLC549，用于完成串行AD转换。
串行DA模块
该模块包含有一片串行DA转换器TLC5615，用于完成串行DA转换。
并行DA模块
该模块包含一片8位并行DA芯片DAC0832，完成DA转换操作。
并行AD模块
该模块包含有一片8位ADC0809并行AD转换器，用于完成并行AD转换。
功率驱动模块
采用ULN2003构成功率放大电路。
LCD模块
该模块留有2个液晶接口，点阵式液晶显示模块驱动芯片T6963和16×2点阵字符型LCD模块1602。
RS232通讯模块
该模块采用MAX202芯片把TTL电平转换成RS－232电平格式，可以用于单片机与微机通信，以及单片机与单片机之间的通信，并提供了一个DB9的接口，为单片机与其它具有RS232接口的通信端口。
RS485通讯模块
该模块用于RS485的电平驱动和接收。
CPU核心及I/O接口模块
该扩展模块主要功能是把单片机的各功能管脚引出来，方便用户选择使用各个I/O口或单片机总线。
蜂鸣器模块
该模块包含一个交流蜂鸣器及其驱动电路。
实时时钟模块
采用DS1302芯片构成实时时钟电路。
16×16点阵LED模块
该模块包含一个16×16点阵LED模块及其驱动电路。
8位数码管显示模块
提供8个数码管，可显示参数、各种信息等。
矩阵式键盘模块
模块提供4×4矩阵式键盘，方便用户操作。
电源模块
9V供电，提供实验板上所需5V电源电压。
温度传感器模块
该模块包含一片18B20单总线（1-Wire）的数字温度传感器。
红外收发模块
该模块包含一个红外发射管和一个带解码的红外接收器。
复位电路模块
提供系统按键复位操作。
PS/2键盘接口模块
可扩展PS/2键盘。
串行EEPROM模块
串行三线SPI操作的1k位串行EEPROM储存器93C46芯片操作电路。
串行EEPROM模块
该模块包含一片I2C接口的4K串行EEPROM芯片AT2402，可完成对芯片的读写操作。
串转并模块
该模块包含一片74LS164串转并芯片，可完成串口输入转换为并口输出的操作。
138译码模块
该模块包含一片74LS138译码芯片。
反向电路模块
该模块包含一片六反相施密特触发器集成芯片74HC14，完成6路反相。
频率发生模块
采用CD4060芯片构成频率发生电路。
独立式按键模块
提供4个独立式按键。
LED指示灯模块
该模块包含8个LED指示灯。
开关输入模块
该模块允许8位开关量输入。
分模块电路原理图如下所示：
3.设计题目示例：
1．温度控制仪：
温度设定功能，温度检测功能，温度调节功能，温度数显功能。
2．流量积算仪：
选定与流量成正比的脉冲输入或压差输入完成流量积算仪的设计。
具有流量系数设定功能，流量显示功能，流量计算功能。
3．频率检测仪：
利用单片机的高精度定时功能，设计闸门时间控制信号，对外部脉冲信号进行频率检测；
4．简易计算器：
利用单片机的加、减、乘、除指令，通过软件控制键盘完成计算器功能；
Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse
5．模拟信号检测与转换：
利用单片机的A/D转换部件，完成模拟信号检测与转换功能；
6．简易信号发生器：
利用单片机的D/A转换部件，完成数字信号转换成模拟信号功能；
7．液晶显示器：
利用单片机液晶显示的部件，完成汉字或数字的液晶显示功能；
8．数字挂钟：
具有时钟校准功能，时钟显示功能，日期及星期显示功能，定时提醒功能。
9．步进电机控制器：
具有速度给定，正反转控制，电机驱动等功能。
10．直流电机控制器：
具有向直流电机驱动器传送速度信号，方向信号，显示电机速度等功能。
11．其它仪表类：
另定。
12．智能传感器类：
另定。
13．其它控制器类：
另定。
四、课程设计说明书的编写
课程设计说明书是对整个设计过程的整理与总结，是考核课程设计的主要文件之一。
1．基本要求
（1）规范
用钢笔书写或计算机打印，并装订成册和填写封面。
（2）设计原理正确的论述。
对照设计要求，制定的系统方案正确，系统原理介绍条理清晰，具体调试过程可从略，但要实现设计题目提出的功能。
（3）设计内容完整。
对各自所承担的各部分内容详细说明，完整地阐述设计内容。
（4）附有与设计有关的插图。
包括设计电路原理图、软件流程图等。
2．基本内容
（1）目录（标题及页码）
（2）设计任务书
（3）总体设计方案
（4）设计内容阐述
（5）结论
（6）参考资料目录
五、课程设计考核要求：
设计总结和答辩是课程设计的最后一个环节，通过总结和答辩，可以帮助学生进一步掌握相关知识，提高分析和解决问题的能力。
1．答辩总结准备
答辩总结主要包括设计工作小结和方案的分析。
（1）设计工作的小结。
根据设计任务书要求，对设计内容进行阐述和总结。
（2）计算方案的分析。
分析时仍以设计任务书要求为主要依据，正确评论自己的设计方案是否满足设计任务书要求，全面分析设计的优缺点。
分析中应着重分析设计方案的合理性和正确性，对不合理的方案应作进一步分析，并提出改进的设想和收获。
2．答辩
课程设计答辩是考核评估设计水平、能力、质量的基本形式。
答辩前应认真做好总结，整理所有设计资料，交送指导教师审阅。
凡完成设计工作量的学生方可参加答辩。
答辩内容以设计中应掌握的方法和要求解决的问题为主，答辩以自讲和提问方式进行。
3.成绩考核
课程设计成绩根据设计期间的工作情况，总体方案的合理程度，硬件系统的设计，软件的设计水平，图纸的质量，独立工作能力以及答辩情况综合衡量，由答辩小组讨论评定。
答辩成绩定为五级：
优秀、良好、中等、及格和不及格。
仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。
Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse.
NurfürdenpersönlichenfürStudien,Forschung,zukommerziellenZweckenverwendetwerden.
Pourl'étudeetlarechercheuniquementàdesfinspersonnelles;pasàdesfinscommerciales.
толькодлялюдей,которыеиспользуютсядляобучения,исследованийинедолжныиспользоватьсявкоммерческихцелях.
以下无正文
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