机电一体化实验室模块设计.docx

1、机电一体化实验室模块设计与维护摘要：机电一体化实验室的建立能够增强学生对于机电一体化课程的认知和实践能力，同时能够配合其他专业课程完成不同的实验；而机电一体化实验室是由不同功能的模块组合而成的，因此模块的研究和设计对实验室的发展有重要的意义。本设计主要介绍了机电一体化实验室已有模块的功能原理和内部结构；同时对实验室故障模块出现问题的原因进行分析并列出修复方法。在此基础上，结合课程需要和实验室实际情况进行了新模块简化牛头刨床模块的设计。新模块的设计具有通用性，能够进行多种实验，能通过不同的电动机控制速度进给和方向。关键字：机电一体化，模块设计，维护Module design and mainte

2、nance of Mechanical and Electrical Integration LaboratoryAbstract:The establish mechatronics laboratory for mechatronics course can be enhance students cognitive andpractical ability,meanwhile cooperate with otherprofessional courses indifferent experiments. mechatronicslaboratory is composed of dif

3、ferent functions module, so it is important to research and design the module development laboratory.The paper introduces the design of function principle and internal structure of mechatronics laboratory module, while the cause of the problem is a faulty module laboratory for analysis and repair me

4、thods listed.On this basis, design of a simplified version of shaper module combined with the actual situation of curriculum and Laboratory. The new design of the module is universality can perform a variety of experiments and control the speed and feed direction through different motor. Keywords: M

5、echanical and electrical integration, Module design, Maintain目 录1前言12实验室现有模块研究42.1电源模块42.1.1功能原理42.1.2交流电源模块52.1.3直流电源模块62.2继电器模块72.2.1继电器功能原理72.2.2时间/热继电器模块92.3液压泵控制模块102.4步进电机驱动模块122.5交流变频模块132.6可编程控制器模块142.7交流接触器模块153实验室模块维护173.1机电模块损坏183.1.1模块主要部件损坏183.1.2模块零部件缺失193.1.3 模块接线断开213.2液压模块损坏233.3 模块

6、维护成果244新模块的设计264.1模块设计思想264.2模块设计过程284.3 模块功能验证32结论38参考文献39致谢41IV1前言机电一体化就是“利用电子信息控制计算机等”技术，是机械柔性化和智能化的技术。它是机械学、计算机控制、电子技术等学科形成的一门新兴的边缘学科，知识涵盖面较广。机电一体化技术并非简单的机械和电子技术的组合体，是以数字信息处理为基础，集机械制造、微电子、计算机、现代控制、传感检测、液压气动等技术为一体的复合技术专业1。机电一体化实验能使学生加深对机电一体化概念的理解。实验更接近工程实际，学生在动手操作的过程中能够增长解决实际问题的能力。因此机电一体化实验在机电一体化

7、课程学习中有重要的意义。机电一体化产品和技术可分为机械、电子和软件三大部分。这三者的特征明显不同，但模块化技术是他们的一种共同的技术。模块化技术可以减少产品的开发和生产成本，提高不同产品间的零部件通用化程度、提高产品的可装配性、可维修性和可扩展性2。模块化的思想由来已久，在机械领域如机床学领域的“模块化构造”这一术语，是1967年曼彻斯特大学的柯尼希贝格教授提出的。1930年德国人首先提出了模块化构造的设计方法，并通过适当组合经标准化和系列化的通用部件制造出了各种机床6。模块化是岁科学技术发张而出现的一种新的标准化形式，是一种研究系统分解、组合规律的标准化形式；是解决复杂系统问题的有效手段11

8、。模块应具备下属特点：具有相对独立的、不受干扰的特定功能，可以单独考核、预制、储备；是一个标准单元；其结构具有典型性、通用性，能够成为系列，可作为商品流通于市场；具有能传递功能，能组成系统的接口12。理想的模块应该标准化、系列化、通用化、集成化、层次化、灵便化和经济化，并具有互换性、相容性和相关性。机电系统是个大模块，由一些子模块构成，这些子模块是组成产品的各种功能部件。不同用途的产品可以通过内部层次结构和功能需要由相应的子模块通过接口集合而成4。自动化操作是机电一体化系统产品的主要特征。因此，设计时应该从其通用性、耐环境性、可靠性、经济性的观点进行综合分析。应该选择与控制系统的电气参数相匹配

9、的机械系统的参数，同时要求设计控制系统时，应根据机械系统固有的结构参数来选择和确定电气参数，综合应用机械技术和微电子技术，使二者紧密结合、相互协调、互相补充。充分体现机电一体化的优越性7。本次设计采用多种设计方法。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中的复杂机械功能部件或功能子系统，以弥补其不足。不但能大大简化机械结构，而且还可提高系统产品的性能和质量8。这种方法是改造传统机械产品和开发新型产品常用得方法。融合法是将各组要素有机组合成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14。这是执行元件与运动机构结合的一例。在大规

10、模集成电路和微机不断普及的今天，随着精密机械技术的发展，完全能够设计出执行元件、运动机构、检测传感器、控制与机体等要素有机的融为一体的机电一体化新产品（系统）。组合法是将结合法制成的专用或通用功能部件（子系统）、功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统（产品），故称组合法。在新产品（系统）系列及设备的机电一体化改造中应用这种方法，可以缩短设计与研制周期、节约工装设备费用，且有利于生产管理、使用和维护13。本次设计就是利用以上三种方法配合进行的变异性设计。变异性设计是在设计方案和功能结构不变的情况，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需要。在变异性设计的基础上添加部分适应性设

11、计。适应性设计是在总的设计方案、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，以使产品在性能和质量上增加某些附有价值10。本次设计是牛头刨床的变异性设计，对牛头刨穿的原理机构进行简化已到达能在实验室进行模拟仿真的目的。同时增加了部分传感器、行程开关等便于用PLC、继电器对模块进行控制的适应性设计15。机电一体化实验室内拥有不同的模块，因此为了模块维护的正常进行首先必须对现有模块的功能原理、结构有一定的了解。此外，实验室缺少机械部分的结构模块，在现有模块基础上进行新模块的设计可以丰富实验内容，增加实验的多样性和

12、趣味性。与一般的机械系统设计要求相比，机电一体化系统的机械系统除要求其具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，就是说响应要快、稳定性要好。一个典型的机电一体化系统，通常由控制部件、接口电路、功率放大电路、执行元件、机械传动部件、导向支承部件，以及检测传感部件等部分组成。这里所说机械系统一般由减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向支承部件、旋转支承部件、轴系及机架或箱体等组成。为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，在设计中常提出低摩擦、无间隙、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求9。2实验室现有模块研究 实验室拥有多种

13、模块：交流电源模块、直流电源模块、智能流量积算仪模块、智能功率测控模块、液压泵控制模块、继电器控制模块、直流继电器模块、时间/热继电器模块、可编程控制模块、按钮控制模块、交流变频器模块、步进电机驱动模块、传感器应用模块、数据采集模块。多为控制或者辅助控制模块，通过不同的组合、连接方式进行相关实验的进行。2.1电源模块2.1.1功能原理电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器，其特点是可为专用集成电路（ASIC）、数字信号处理器(DSP)、微处理器、存储器、现场可编程门阵列 (FPGA) 及其他数字或模拟负载提供供电。功能：（1）隔图2.1 电源模块离：安全隔离：强电弱电隔离/TGBT隔

14、离驱动/浪涌隔离保护/雷电隔离保护（如人体接触的医疗电子设备）噪声隔离：模拟电路与数字电路隔离、强弱信号隔离接地环路消除：远程信号传输/分布式电源供电系统（2）保护：短路保护、过压保护、欠压保护、过流保护、其他保护（3）电压变换：升压变换/降压变换/交直流转换（AC/DC、DC/AC）/极性变换（正负极性转换、单电源与正负电源转换）（4）稳压： 交流市电供电/远程直流供电/分布式电源供电系统/电池供电（5）降噪:有源滤波2.1.2交流电源模块图 2.2 交流电源模块基本结构：（1）剩余电流动作保护器；（2）交流电压表：显示外接电网电压；（3）指示灯：提示三相电U、V、W的通断情况，灯亮表示相对

15、应的电源导通，反之则断开；如果发现某一相指示灯熄灭，请检查是否对应熔断器烧坏，或者电网供电是否正常；（4）AC380V电压输出：护套插座，连接设备专用护套插线给其他模块提供AC380V电压；（5）熔断器：对电路起过载保护作用，额定电流10A；如果红色指示灯亮，说明相对应的熔断器被烧坏，请及时更换；（6）交流电流表：显示设备总电流；（7）指示灯：提示AC220V的通断情况，灯亮表示相对应的电源是通的，反之则断开。（8）AC220V电压输出：护套插座，连接配套的护套插线给其他模块提供AC220V电压。2.1.3直流电源模块功能：该模块为其他模块和元器件提供所需要的DC5V、DC12V和DC24V电压基本结构：(1) 保险管：对电路起过载保护作用；(2) 指示灯：提示AC220V的通断情况，灯亮表示模块供电已导通，反之则断 开；(3) AC220V电压输入：护套插座，连接配套的护套插线接受DB-1模块供的 AC220V电压；(4) 电源开关：控制该模块总电路的通断；(5) DC12V电压表：显示DC12V电压输出的实际电压；(6) DC5V电压输出，大孔为护套插座，小孔为针式插线孔，相同颜色的三个 孔是导通的；连接设备专用的插线给其他模块提