1、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。
2、关键词：机电一体化，实验台，模块化,重组The design and development of Mechatronics laboratory experiment tableAbstract: The paper aimed at solve the problem that the mechatronics laboratory of Mechanical Engineering Department of Taiyuan Industrial college lack mechanical module, contrl module and the function is not p
3、erfact. Therefore, based on the existing experimental module, we put forward further improvement, design and development aimed at the mechatronics laboratory test-bed. So as to better meet the needs of our schools mechatronics experiment teaching. Firstly, we have designed the basic transmission mec
4、hanism according to mechanical design theory, then applying the design theory of mechatronic system, choosing controller module, such as SCM, PLC and relay control module,Through the SCM program,PLC program and converter to control the DC motor ,three-phase asynchronous motor and stepper motor modul
5、e ,so as to drive the transmission mechanism to realize mechatronics control movement.Designing and developing mechatronics integrated experimental platforms with the functions of reconfiguration and modularization. Based on it students can reconfigure different function modules to accomplish the co
6、mprehensive control of the four bar mechanism with 9 different experiments; Moreover, the previous experimental items of the function modules are also reserved.Keywords: mechanical and electrical integration, experimental platform, modularization，reconbination第I页 共I页目 录第I页 共I页1 前言12 机电一体化系统设计理论22.1机
7、电一体化时代与机电一体化技术革命22.2优先发展机电一体化领域及共性关键技术42.3机电一体化系统构成要素及功能构成42.4机电一体化构成要素之间的相互连接92.5机电一体化系统设计的考虑方法及设计类型113 机电一体化实验室实验台的设计133.1实验台的整体结构设计133.2 机械模块的设计133.3其他模块的选择164 开发后的实验台能够完成的实验184.1PLC控制三相异步电动机的实验 184.1.1 PLC控制三相异步电动机正反转的实验184.1.2 PLC控制三相异步电动机变频调速的实验214.2单片机控制三相异步电动机的实验264.3继电器控制三相异步电动机的实验274.4直流电机
8、的继电器控制实验294.5直流电机的PLC控制实验324.6直流电机的单片机控制实验344.7步进电机的PLC控制实验38结论.43参考文献44致谢4561 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
9、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
10、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：“
11、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
12、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
13、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
14、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)图 2.1 机电一体化系统的基本构成要素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
15、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
