机电一体化机械设计范文

关键词：机械电子教学方式教学环节

中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1673-9795（2014）03（b）-0133-02

机械电子工程简称机电一体化，表示机械学和电子学两门学科的综合。机械电子工程以机电设备为研究对象，从系统的角度出发，应用机械技术、电子技术、控制技术和计算机技术等先进技术，实现设备功能最佳化[1]。高校机械电子工程专业若要培养优秀的机电一体化应用型人才并且能持续生存和发展，就必须积极探索和实践机械电子工程专业应用型人才的培养模式，培养适应时展需要的从事生产一线的机电一体化的高级应用型人才[2]。

1机械电子工程专业应用型本科人才培养的目标

高等院校在学生的培养过程中侧重于理论课程体系的改革和部分实践教学的强化，没能以系统化的角度去注重学生实践能力的培养，致使毕业生在人才市场上没有竞争优势[3]。结果造成这个新兴专业失去应有的特色，达不到培养的预期目标[4]。

机械电子工程本科专业人才的教育，在培养规格方面，以培养具有一定创新和实践能力的、具有工程师基本技术素质的应用型人才为目标；在培养模式方面，以社会需求为目标，以培养工程技术应用能力为主线，优化能够体高学生知识、能力、素质的培养方案，以“工程应用”为特征和主旨构建课程体系，重视学生的理论知识和工程技术应用能力的培养。

2机械电子工程专业应用型本科人才培养的课程构建

机械电子工程专业应用型人才培养课程构建应围绕两个点、四个方向。两个点是专业基础课和专业技术课，四个方向是数控、工业机器人、流控和测控。课程包括机、电、液（气）、控、算等方向的相关课程。机械电子工程专业课程构建定位在机械工程领域，突出各学科方向的有机融合，主要对机械设计、自动控制、设备故障诊断及状态检测等方面开展研究和设计。

2.1机械电子工程专业教学体系

机械电子工程专业中，机为基础。机指机械专业的基础知识，包括机械制图、工程力学、金属工艺学、工程材料及热处理、互换性与测量技术、机械制造工艺、机械原理、机械设计等课程以及与课程相关的实践。学生在学习机械类课程的同时加强计算机技术、自动化技术、接口技术等课程。合理调整机和电的关系，采用机电并重的培养原则，对原有覆盖较广的课程精简、优化，建立学生能够学好并掌握的课程体系，重点是将机械、控制、电子以及计算机等相关领域的技术应用于机电系统和产品制造过程。

2.2机械电子工程专业整体课程设置

课程设置是一项系统工程，课程设置不仅要考虑到学科、专业之间的相互交叉、相互渗透，还要考虑行业对知识、能力的要求。在课程设置上，主要分为机械设计、机械制造、电工电子、流体控制、机械控制和计算机控制六大部分。

机械设计包括机械制图及CAD、工程力学、机械原理、机械设计等专业基础课程。这些课程为学生掌握机械设计的基础知识，并为机械制造系列课程的学习打下基础。

机械制造包括金属工艺学、工程材料及热处理、互换性与测量技术基础、机械制造工艺学等。这些课程为学生打下机械制造的基础知识，并通过金工实习和课程设计使学生受到良好的实践训练，从而能进行机械零部件的结构设计和工艺设计。

电工电子包括电工、模拟电路、数字电路、微机原理与接口技术、电力拖动等课程，强调电工电子技术和计算机在机械设备中的应用，为学生进行机电一体化设备设计打下基础。

流体控制包括流体力学、液压（启动）原理、液压控制系统等课程。

机械控制包括机械工程导论、机械振动学、机械控制工程基础、机械测试技术等课程。

计算机控制包括VB、C语言、VC++等课程。

在培养应用型人才的工程能力、技术能力和创造能力的课程组中，强调课程设置的系统性和整体性，以使单项技术或综合能力的培养不断得到强化，减少课程内容上的重复，在有限的时间内获得良好的教学效果。

2.3加强专业基础课程教学

专业基础课的教学在高校培养人才中占的比重较大，教学重点在于理论，这些理论是专业知识体系的根本，内容已经经过实践验证和沉淀，是学好其它专业技术课必需掌握的知识。机械电子工程专业应用型人才的工程实践能力、创新能力也是建立在必备的专业基础课之上的。因此，在设置专业基础课时，要充分了解人才市场要求的专业知识并考虑学生今后的专业拓展能力。

2.4加强培养创新能力的实践教学

机械电子工程培养方案加大了实践教学在整个教学环节中的比重，实践教学必修学分约占该专业毕业最低学分要求的35%。根据学生的专业知识结构与水平，对实践教学体系进行分类别、分层次、分模块的创新性设计。在人才培养活动中，创新能力的培养应占有较大的比重。如产品生产过程机电一化设备设计、数控加工、系统故障分析与排除等。“以学生为中心”、“以问题和课题为核心”，进行以启发性和创新性实验的研究性学习，逐步使学生树立创新意识，激发学生的创新个性，培养创新思维，不断提高创新能力。创新能力的培养以课程设计、工艺实习、工程教育实习、生产实习、毕业实习、毕业设计等实践环节作为载体，并尽量选择实际课题，以强化创新能力训练的力度，同时在这一系列的实践环节中培养学生良好的职业习惯和职业精神。

3加强实践教学平台建设

加强实验室建设，整合共享实验资源，避免重复建设。在原有硬件设施基础上，分层次、分模块地逐步改善实验教学条件。引进实验室管理系统，完善实验室开放管理制度；建立与完善校内实训中心和校外实训基地，使其成为学生理论联系实际、获取实践经验、形成应用能力的基地。紧密依托行业、企业，加强校企之间、校与校之间、学校与科研单位之间的联合，从校外实习基地聘请兼职教授、高工，定期举办学术报告、讲座以及指导学生实习、指导毕业设计等工作，积极开展合作培养，构建稳定的实习基地建设和发展的长效机制。

4结论

我国正在由制造大国转向制造强国发展，只有培养出熟悉机电一体化设备的设计、制造、维护，并且熟悉控制技术、检测及监测技术、编程技术的专业技术人员才能在企业生产过程中发挥更大的作用。高等院校机械电子工程专业应用型人才培养应转变观念，不断探索适合于应用型机械电子工程专业人才的培养模式，以适应时展的需要。

参考文献

[1]黄筱调，吴玉国.机械电子工程专业课程结构的探索[J].中国冶金教育，1997（4）：31-33.

[2]王亚静，周佑喜，何兆太.机械电子工程专业学生实践能力系统化培养模式探讨[J].武汉生物工程学院学报，2010，6（2）：139-141.

机电一体化机械设计范文篇2

关键词：机械制造自动化发展趋势

1机械自动化的定义

对于现代机械的定义，由于研究的角度不同，进而给出不同的定义。例如美国机械工程师协会，在1984年将其定义为：“现代机械就是通过计算机信息网络协调与控制的机械和（或）机电部件相互联系的系统，该系统可以完成机械力、运动和能量流等动力学任务”。而国际机器与机构理论联合会将现代机械定义为：机电一体化是精密机械工程、电子控制和系统思想在产品设计和制造过程中的协同结合。

2机械设计制造及自动化的设计原则

2.1满足机器的功能要求机械自动化系统通过处理进入系统的物质、能量和信息等，进而在一定程度上输出所需特性的物质、能量与信息。

2.2利用先进技术进行创新基于物料搬运、加工、能量转换、信息处理等功能构成原理，便于对各种机械自动化的产品进行设计或分析。

3机械自动化系统的应用

3.1锅炉汽包水位控制

3.1.1单冲量控制系统

汽包水位控制是通过对给水控制来实现的，单冲量控制系统如图1所示：

3.1.2双冲量控制系统

引入蒸汽流量信号，购入双冲量控制系统，如图2所示：

3.1.3三冲量控制系统

在实施方案方面，三冲量控制系统比较多，典型控制方案如图3所示：

三冲量控制系统的方框图，如图4所示：

加法器可以接在控制器之前或者之后，如图5（a）、（b）所示：

3.2冷却器控制方案的研究

3.2.1冷却剂流量的控制

如图6所示：

物料出口温度与液位的串级控制方案，如图7所示，对液位的上限进行限制。或者采用选择性控制方案，如图8所示：

3.2.2控制气氨排量

4机械自动化的优势

4.1提高工作质量根据设计的要求，机械的执行机构完成预定的动作，自动化控制系统提供了精确地保证，工作质量和产品合格率得到有效地保证。

4.2安全和可靠性高机械自动化产品在工作过程中，由于使用电子元器件，可动构件和磨损部件在机械产品中明显减少，在一定程度上确保了灵敏度和可靠性。

4.3调整和维修方便借助被控对象的数学模型和外界参数的变化，高级机械自动化产品在一定程度上寻找最佳的工作程序，进而对自动化操作进行最优化。

4.4复合功能自动化控制，以及自动补偿、校验、调节、保护等，以及智能化是机械自动化产品必须具备的基本功能，通常情况下都能满足用户的需要。

4.5改善劳动条件机械自动化产品自动化程度高，工厂、办公、农业、交通等的自动化，以及家庭的自动化等，在一定程度上都可以实现。

4.6节约能源对于机械自动化产品来说，通过降低驱动机构的能耗，通过调节控制，在一定程度上提高了能源的利用率，实现节能效果。

5机械设计制造自动化的发展方向

5.1机电一体化机械工业发展的唯一出路就是向着机电一体化的方向发展和延伸。

5.2智能化机械自动化产品具有低级智能或人的部分智能。

5.3模块化电气产品的模块化在一定程度上为机械自动化企业指明方向。

5.4网络化以计算机为中心，将各种家用电器利用家庭网络进行连接，构成计算机集成家电系统，让人民享受高科技带来的便利和快乐。

5.5微型化微机械自动化具有不可比拟的优势。

5.6绿色化通常情况下，机械自动化产品的绿色化是指使用时不对环境构成污染，报废后能回收利用。

5.7人性化一方面人是机械自动化产品的最终使用者，另一方面结合生物机理、研制机械自动化产品。

6结论

综上所述，我们可知，机电一体化的发展从本质上就是机械自动化的发展，为此，广大设计人员需要对机械设计制造提高认识，因为只有机械自动化设计制造才是未来的发展方向。

参考文献：

[1]刘武发，刘德平.机电一体化设计基础[M].北京化学工业出版社，2007.5.

机电一体化机械设计范文篇3

关键词：机械电子行业；科技；创新

1机械电子的简述以及目前存在的问题

机械电子在市场上称为机电一体化，是组成装备制造业的重要部分，在带动始创经济的发展中发挥着重要的作用。机械电子结合了机械设计、制造技术和计算机技术，各类机电产品的研发，设计以及制造方面的应用都离不开机械电子。机械电子产业包括电子信息产业，先进制造业机电一体化的发展，环保产业的开发和专用设备行业与其他行业，是综合性行业的结合体，就目前的发展的发展趋势来看，机械电子产品和与之相关的产品已与我们的日常生活息息相关，相互深入了。但是研究分析来看，机械电子行业发展至今，在某些领域虽然取得了一些可贺的绩效，但中国机械工业的机械和电子开发的发展正面临着一些实际问题，具体实际问题谈论如下，希望及时能够得到调整适应社会发展的需要。第一点，机械电子工业在生产过程中自动化水平相对较低。目前，中国的机电产品仍是传统的机电产品，自动化和智能化水平仍需大成都的改进，自动化和智能化水平已严重阻碍了机械电子行业的快速发展，生产成套设备较少，这个局面提醒我们要快速提高机械电子行业的生产水平，勇于创新。第二点，新技术的发展一直缓慢。我国电子产品的研发水平远远缓慢于世界先进水平，差距的存在主要由于借些电子行业的科技创新不到位，缺少科技创新型人才，科学技术和高附加值产品的市场占有率少之又少，市场覆盖率大的品牌严重缺乏科技创新。同时，机械电子行业技术整体水平不高，这样看来，培养机械电子行业的创新型人才，快速提高其行业的创新能力势在必行。也只有这样才能从根本上解决机械电子行业缺乏科技创新的问题，提高机械技术行业的自动化、智能化水平。

2机械电子行业人员应具备的专业技术能力

第一点，用图纸，机电转换器信号采集与检测，机电系统及PLC微电脑控制，文献检索等基本技能。第二点，数控机床操作一个强大的系统，通过调试，维修，保养这个实用技能来进行。第三点，利用现代技术来测试电气和机械参数，并具有使用机械和电气设备的能力。第四点，发展到能够熟练使用机电产品的能力。职业特点有：注重能力，突出机械和机电控制能力，专注于机械和电气控制及数控维护。主线要求，突出机电控制在此职业中的的专业核心能力，数控培训设计，能够进行较强的数控机床操作，能够做的调试机器，维修机器，保养机器及技术工程师和职业教育教师队伍等实用技能。机械设计前提是要有掌握的力学，让机械操作手段的深刻理解。在第一次课上，老师让同学们观看了一个有关宝马汽车制造业的短片，从中我学到了很多的钢部件的作用以及钢部件的功能。在机械设计方面，我的第一感觉是，设计机械的工程师，他们可以把任务分到大小几部分，并经过了长时间的辩论与思考。我觉得我深刻了解到了机械设计人员的汗水与付出。最近这些天我见过最发达的设计一般都停留在一般机械设计的新产品，并不乏一些高科技成分的，我觉得这是我们产品的未来发展必须考虑的。

3科技创新在机械电子行业的重要性

通过深入了解有关机械电子工业部的方方面面，我们深知科技含量在机械电子行业的重要性。真正的机械电子的有关设备以及生产的水平的提高与科技创新的含金量息息相关，就分析研究来看，科技创新是机械电子能够持续发展的闪光点，故培养机械性创新人才显得尤为重要，换句话说，科技创新是机械电子行业发展的生命线，如果不能完成科技创新的目标，机械电子行业的发展将危在旦夕。

3.1国内机械行业的技术，在近几年有了很大的进步，但总体上还是在技术上远远低于早先就已经发展的美国机械电子工业和其他一些发达国家。当前中国的机械行业总体上仍停留在只能对其他国家来的半成品进行加工这一进程缺乏对设计进度，是我国的机械电子发展滞后。其实归根结底的原因在于，我们的科技不够新颖，设备不都先进，生产过程中鹊山科技创新，所以要赶超一些发达国家的机械电子水平，我们必须具备优质的科技创新水平，由于机械电子行业在我国产业发展上和经济发展中占据重要地位，也是快速带动相关部门发展的重要产业，只有真正的具有了科技创新的能力，我们如才能有先进的技术与发达国家的长期进行国际市场竞争，从而提高综合国力。

3.2多项研究发展可以看出，如果没有科技创新，在机械电子行业领域中，所生产出来的产品是古板的，不具备新颖性，更别说在市场经济上能够长久的发展下去了。机械电子行业的发展趋势可以归结为“四个”方面：柔性，敏捷，智能，信息，几乎每一种产品的生产都需要有一定的科技创新，以适应市场的需求。

3.3在全球化，网络化，虚拟化，智能化和环保绿色制造的市场下机械电子行业越来越走近人们的日常生活，它将不仅摆脱了繁琐的计算和分析，减轻了一定的体力劳动，使人们精神得到解放，也促进生产的智能化，它使生产系统具有更好的判断和适应能力。当然，这一切都需要我们进一步的完善，完善的最重要前提就是在借些电子行业领域寻找一片更广阔的天地进行创新能力的培养，也就是说，创新精神是机械电子行业的灵魂所在。

4总结

机械电子行业需要我们以不败的意识时刻保持着对机械电子的热情，把自己真正投身设计这个领域，同时在实践中注重培养机械电子人员的创新精神，全力使科技创新与机械电子行业融入到一起。在产品中始终保持着科技的创新，我相信我们国家在机械电子行业领域会突飞猛进，赶超其他发达国家。

参考文献

[1]王萌.浅谈机械电子行业的创新与发展[J].科技信息,2011,31:136+173.

[2]龚明远.机械电子行业的科技创新研究[J].电子制作,2014,07:258-259.

机电一体化机械设计范文篇4

关键词：火电施工企业机械设备集约化计划管理

1、引言

随着火电工程施工机械化程度的提高，施工机械设备在工程中的地位和作用已无可替代。高参数、大容量机组越来越多，设备单件重量及体积越来越大，结构更趋复杂，所有这些都要求必须配备大量不同类型的施工机械；而施工机械准确、及时、全面调度的好坏将直接对工程项目的工期、质量、进度、安全、效益产生重大影响，进而影响到火电施工企业在市场中的竞争力，这使得火电施工机械计划实施集约化管理显得更加重要。

2、火电施工单位机械特点

火电施工安装是一个复杂的系统工程，涉及多个专业的不同设备。其特点为：

（1）种类多、机型多、大型机械为主、中小型机械居多、数量大。以甘肃火电工程公司为例，拥有包括630吨、250吨履带式、125吨附臂式、100米升降机、送变电线路铺设、调试、锅炉酸洗等大型起重运输机械、设备320余台。（2）流动性大，机械转移、调动频繁；机械使用不均衡，忙闲不均，施工高峰时拼机械，低峰时，长时间闲置，疏于管理。对于火电施工单位来说，机械调度管理最大的特点就是变化。根据工程项目、现场环境、现有机械情况、机械性能等因素，机械集约化调度管理是实现机械资源在各项目之间合理流动，充分利用，科学地计划、组织、控制与协调，发挥机械最大效能的有力手段。

3、火电施工单位现行机械调度管理模式

现行机械计划调度管理主要有两种模式：一是以施工、管理为一体的机具站模式；二是以机械管理与使用分开的机械租赁模式。

机具站模式是由机具站行使机械管理和使用职能，既抓施工生产、负责机械操作；又负责机械技术管理、维护修理。这种管理模式在大型机械不多且施工机械仅集中于一个现场的情况下是可行的；但对于多点施工，特别是跨省多点施工时，就管理而言形同虚设。再加上机具站又多以施工生产为主，重生产而轻管理，不可能对机械进行统一的、有计划的调度管理，导致了机械只用不修，甚至拼机械的情况，使得机械故障频繁，可靠性很低，容易延误施工进度。

随着机组容量的增大，大兵团作战已不能适应企业发展的需要，而应当以提高经济效益为前提来进行施工。大量技术含量高、价值昂贵的机械进入施工现场，企业可同时承担几个大中型工程，机械计划调度管理由机具站式变为了机械管理与使用分开的机管科或机械化分公司式，但机管科或机械化分公司管理模式在执行中往往存在如何处理集中与分散的关系，如何确保机械管理部门对机械进行综合管理问题。

为了解决这些缺点，对机械设备进行科学合理布置与调度，降低企业成本，争取市场赢得利润，进行集约化调度管理势在必行。

4、火电施工单位机械设备集约化调度管理

集约化管理是现代企业提高效率与效益的基本取向。火电施工单位机械设备进行集约化调度管理，应注重实行“五化”与“三性”。

（1）机械设备调度信息网络化：各部门内部强调纵向信息传递，相关管理人员与部门之间简单问题要多横向沟通，涉及面广与难处理问题要由单位总调度室或生产主管部门协调解决；尤其要注意加强各生产部门之间及生产部门与辅助部门之间的横向联系，适当减少生产主管部门对各部门之间的协调。（2）机械设备调度组织均衡化：要求机械设备调度计划人员注意确保生产计划与人力、机器设备、能源、原材料与各生产工序的协调与均衡，保持生产计划在不同时间的均衡性，切忌大起大落，避免进入简单的拼设备、夺高产的误区。即使在以维修为主体的部门，也应尽可能做到持续的均衡作业。（3）机械设备调度运作管理严格化：对机械设备调度作业进度、质量应进行严格管理。严格管理要求对管理内容细化，对管理制度硬化，对管理手段强化。调度运作的纪律应严明，应建立并严格执行调度作业纪律，定期检查监督运行情况并及时整改、稳步提高，形成一种良好的、持久的工作习惯与传统。（4）机械设备调度过程测控自动化：现代生产管理者应摒弃传统观念，稳步提高企业测控水平，建立机械设备调度值班台微机集约化控制系统，利用电子化系统优化机械设备调度管理。（5）机械设备调度作业标准化：机械设备调度作业体系不仅要建立健全管理系统，使调度有序、职责明晰、工作到位，还要不断修订或完善调度技术标准、改进调度技术体系，持续改进和不断深入解决调度作业问题；调度作业的标准化应注重“严、细、实、恒”的原则，制定与实施尤其要讲究实效，不能搞花架子和形式主义。（6）机械设备调度问题处理及时性：强调设备调度要深入现场、临场指挥，这对于提高响应速度，稳、准（必要时还要狠）地处理问题是极其必要的；设备调度对反映的各种生产或作业问题应及时答复、处理和反馈，形成有效的生产管理闭环系统，对深层次的管理问题还应及时制定纠正措施并予以标准化或制度化。（7）机械设备调度协调组织有序性：确保设备调度信息畅通、职责明确、作业到位、严细实恒管理，杜绝管理失控、无序生产的作业状态，使设备调度作业步入良性循环的轨道。（8）机械设备调度作业实施的经济性：作为设备调度计划人员不仅要树立成本管理思想和落实其对策，还应切实理解稳产才能高产，优质才能低耗的辫证关系，并履行各自的职责。

5、结语

火电施工单位机械设备计划调度是一门管理艺术，当前我国电力建设正处在高峰期，各大火电施工单位竞争异常激烈，只有提升机械设备集约化计划调度管理水平，不断降低因机械调度给客户单位造成的损失，使有限的机械在合适的地点、合适的时间发挥最大功效，才能为火电施工单位取得更大的经济效益。

参考文献

[1]刘立民.浅析火电建设大型起重机的应用和选型[J].建设机械技术与管理，2008，（11）：115-119.

[2]杨薛亮.火电厂大型施工机械动态调度管理探索[J].电力建设，2007，（2）：65-69.

机电一体化机械设计范文1篇5

关键词：机电一体化组成要素发展状况技术应用

一、机电一体化的内容

1.机械技术。机械技术是机电一体化的基础，机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应，在机电一体化系统制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。

2.计算机与信息技术。其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、技术均属于计算机信息处理技术。

3.系统技术，即以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，接口技术是系统技术中一个重要方面，它是实现系统各部分有机连接的保证。

4.自动控制技术。其范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。

二、机电一体化的组成及发展状况

1.机电一体化的组成

机电一体化的组成部分包括：机械本体、检测传感部分、电子控制单元、执行器、动力源。机械本体是系统的所有功能要素的机械支持结构；测试传感部分对系统的运行需要的本身和外部环境的各种参数和状态进行检测，并变成可识别的信号，传输给信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息；电子控制单元用来测试传感部分的信息及外部直接输入的指令进行集中、存储、分析、加工处理后，按照信息处理结果和规定的程序与节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的的运行；执行器根据控制及信息处理部分发出的指令，完成规定的动作和功能；动力驱动源依据系统控制要求，为系统提供能量和动力以使系统正常运行。

2.机电一体化的发展状况。

机电一体化的发展大体可以分为3个阶段。20世纪60年代以前为第一阶段，这一阶段称为初级阶段。在这一时期，人们自觉不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。20世纪70～80年代为第二阶段，可称为蓬勃发展阶段。这一时期，计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。20世纪90年代后期，开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段，机电一体化进入深入发展时期。一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。同时，由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。

三、机电一体化的技术应用

现代机电一体化是一门综合的技术，是机械与微电子技术、信息技术相互渗透融合的产物，是机电工业发展的必然趋势。这意味着，机电一体化的应用在未来的工业发展中将更为广泛。

机电一体化的主要应用领域：

1.数控机床。数控机床及相应的数控技术经过40年的发展，在结构、功能、操作和控制上都有迅速的提高，总线式、紧凑型的结构、开放式的设计以及数控编程技术和技术化，这些发展最大限度的提高的用户的效益。

2.计算机集成制造系统。它打破原有部门之间的界限，以制造为基础来控制物流和信息流，实现从经营决策、产品开发、生产准备、生产试验到生产经营管理的有机结合。

3.柔性制造系统。即计算机化的系统，主要由计算机、数控机床、机器人、料盘、自动搬运小车和自动化仓库等组成。该系统的应用会使冗余度增加，有较好的柔性，能够应付突发事件。

4.机电一体化技术在钢铁企业中应用。在钢铁企业中，机电一体化系统是以微处理机为核心，把微机、工控机、数据通讯、显示装置、仪表等技术有机的结合起来，采用组装合并方式，为实现工程大系统的综合一体化创造有力条件，增强系统控制精度、质量和可靠性。机电一体化技术在钢铁企业中主要应用于以下几个方面：智能化控制技术（IC）、分布式控制系统（DCS）、开放式控制系统（OCS）、计算机集成制造系统（CIMS）、现场总线技术（FBT）、交流传动技术。

5.工业机器人。目前，被广泛应用的为第3代机器人即智能机器人，具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维、判断和决策，在作业环境中独立行动，与第5代计算机关系密切。

四、机电一体化技术的智能化发展。

智能化即要求机电产品有一定的智能，使它具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。

1.数字化。微控制器和接口技术的发展奠定了机电产品数字化的基础，如不断发展的数控机床和机器人；而计算机网络的迅速崛起，为数字化设计与制造铺平了道路，如虚拟设计、计算机集成制造等。数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、通用性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机界面。数字化的实现将便于远程控制操作、诊断和修复。

2.模块化。是一项重要而艰巨的工程。由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元模块是一项复杂而有前途的工作。这样，在产品开发设计时，可以利用这些标准模块化单元迅速开发出新的产品。从而避免利益的冲突，并能使之标准化、系列化。

3.网络化。网络技术的兴起和飞速发展给社会各个领域带来了巨大变革。由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾。而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品，现场总线和局域网技术使家用电器网络化成为可能，利用家庭网络把各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家用电器系统，使人们在家里可充分享受各种高技术带来的好处，因此，机电一体化产品无疑应朝网络化方向发展。

机电一体化机械设计范文篇6

关键词：机械制造；自动化；发展方向；制造企业；机械制造技术；电子信息技术

1机械制造及自动化的概念及特点

1.1机械制造及其自动化的概念

机械制造这一概念早在20世纪80年代，美国著名工程协会就给出了定义，机械制造又被称为现代机械，是以计算信息系统为主导，对机械制造的整个系统加以控制和协调，用于完成包括机械力、运动和能量流动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统，此定义在当时对机械制造的形容是最符合的，是对机械制造初步形成的最有效的意义。机械制造自动化就是以机械制造技术与电子信息技术为主导控制，结合多种科学技术有机结合并相互渗透的产物。机械自动化是多种技术的结合，但不是错乱、胡乱的组合，而是经过长期的科学实验，将各科学技术相互协调地组合在一起，它是一门正在不断兴起，向各个制造业延伸的边缘科学技术。机械制造自动化使传统的工业技术构造、产业结构、技术运用功能都得到了很大的改变和完善。我国机械制造业正在由“机械电器化时代”向“机械自动化时代”转变。

1.2机械制造及其自动化的特点

1.2.1机械制造及其自动化的智能化表现突出。与传统的电器时代的机械制造相比较，机械制造及其自动化是融合了多种技术科技，并实施了有效的组装与整合，才能使其在性能、功能和机构上有别于传统机械制造，而且机械制造及其自动化具有灵活性，智能化的特征表现最为直观和明显，除此之外，机械制造及其自动化还能满足不同机器的各种内在需求。在不同的生产环境和不同工业领域中，对机械制造的要求不同，这对机械设备而言，在机械使用技术上的存在一定的局限性和限制性。然而，机械制造及其自动化具有灵活的调控性，不是一成不变的，它能根据实际需要进行系统的调控，具有高度的智能性和可选择性，打破了传统机械制造的局限。机械制造及其自动化能根据各个产业对机械的要求进行合理的整装或者系统的编程来满足产品的性质和功能需求，使得机械制造及其自动化的性能更富有人性化特征。

1.2.2机械制造及其自动化的技术水平要求高。机械制造及其自动化都是以先进的科学技术为前提，在进行自动化系统的设计过程中，要充分考虑机械的功效、功能的要求。产品在开始生产时，应根据产品需要如包装设计、产品规格、产品性质等都需要运用先进技术实现输入端，在此基础上才能产生所需要的输出端。在机械制造自动化的整个过程中，都需要精密的技术原理进行审核和校准，才能将其最终投入到机械制造的运作中。实现机械制造及其自动化后，还应有后期的技术保障，如易出现的故障、性能低、运作效益不高的情况都需注入后期的修正、调控技术，以此保障机械制造及其自动化的正常运行。

1.2.3机械制造及其自动化具有专业制造原理。现代机械制造及其自动化系统将传统的人机合作模式向机电一体化模式转变，无论从产品的设计、制造上，还是产品的包装与产出上都将机电一体化与计算机信息系统有机地整合，不仅降低了企业生产成本，而且给产品创造了优良的品质。机械自动化系统是由专业的设计原理和先进的技术理论作支撑。首先，机械制造及其自动化在满足大众对产品各方面需求的同时，还能将系统信息和能量相互转换，形成人们的需求，这一核心原理使得产品和技术融为一体，形成了相对更先进的自动化运作模式；其次，在信息与能量相互转换的基础上，不断引进了先进技术，努力创新，加大了科技投入，提高机械设备的各方面性能；最后，改进和完善机械自动化的整体系统，不仅提高了机械制造及其自动化的工作效率和工作质量，还使其安全性和可靠性得到了保障。除此之外，便捷性也是机械制造及其自动的专业制造原理，机械自动化中具有强大的转换和完善能力，它能根据产品生产的不同需求输入相应的需求程序，执行自动化的生产过程，达到能满足不同生产需求的目的。

2机械制造及其自动化的发展方向

2.1向机电一体化方向发展

机电一体化是现代机械自动化发展的主要内在要求，更是对传统机械自动化的改变。实现机电一体化是机械制造及其自动化占据广阔发展市场的基础，彻底有别于传统机械制造的重要表现形式。机电一体化是以机械技术与电气技术为主体，结合人工智能信息系统，使设计出的自动化机械更有稳定性、合理性。以海科公司为例，海科公司为突破国外先进技术的垄断，不断探索，设计出完整的机电一体化系统和控制软件，首次创造出地震模拟设备，开辟了一条研制地质结构变化对地震波影响之路。海科公司还研制出了更先进的可视机电一体化系统，能将这种可视监测技术运用于企业的车间生产环节，能有效监测防爆生产环节的实际情况，大大提高了现代防爆新技术，达到防患于未然的效果。因此，机械制造及其自动化向机电一体化方向发展是切实可行的，还需加大该项技术的科技投入，发挥其最大的优势，促进机械制造工业稳健发展。

2.2向智能化方向发展

智能化是现代机械或电器的主要发展方向，其发展领域广泛，机械制造及其自动化产品有广阔的消费市场。虽然我国机械制造及其自动化大体形式是趋向智能化发展，但与国际智能化水平相比，我国的机械自动化的智能化水平还处于初级阶段。机械自动化中的智能化技术不仅具有人工智能的作用，还需将计算机编程系统、心理学、运筹学等学科综合地运用起来，才能够在满足人为需求的同时进行一些科学的计算做出判断，拥有逻辑思维能力。智能化的自动化机械能在相当危险或者恶劣的环境下作业，在很大程度上能代替人类从事一些危险性的工作，减少了安全事故的发生。智能化技术不仅在机械制造中有重要可行性，在其他行业领域如通信设备、家用电器、网络教育、网上授课等都有着智能化的发展趋势。所以，机械制造及其自动化向智能化方向的前景是可观的。

2.3向网络化方向发展

计算机网络技术是机械制造及自动化的主要组成元素，网络通讯技术使机械制造及其自动化发展具有天翻地覆的改变，不管是产品的设计、产品的材料来源，还是产品的生产、产品的销售都能通过网络信息技术完成。以汽车行业为例，汽车在整个制造过程中都需要掌握和了解来自各个国家的原材料、汽车零部件生产企业以及先进技术。除此之外，汽车在出售过程中，销往全世界，则需要网络信息跟踪调查市场导向，做好市场考察活动，这是必不可少的工作内容，对此，网络通讯则需要发挥很大的作用，它不仅能很好地掌握市场环境的发展状况，还能提前引进先进机械制造技术，对市场发展有先见性和预见性，提高企业的生产效益。网络化除了具有洞察市场的能力，还有远程操控的能力，然而对自动化的机械制造来说也应具有这种能力。应制造出能远程控制的机械自动化设备，将机械自动化设备融入网络技术，使其能获取更大的网络信息。机械设备具有了远程操控能力，就能更好地提高资源利用率，使人类能感受高科技的力量，更好地为生活服务。

2.4向模块化方向发展

机械制造及其自动化的生产企业多而且分散，生产的产品种类和规格大不相同，在机械制造过程中因各零部件的差别导致了生产难度加大，特别是机械产品的接口相当繁杂。因此，应将其机械制造的设计趋向简化，使机械制造及其自动化向模块化发展。如机械的标准机接口、环境接口和电气接口等各个接口都需要细化，对此可以利用标准的单元式开发出更先进的新型机械设备装置，大量开发，规模生产。规模化发展既能减少因生产繁琐带来的不便，又能更好地适合机械制造的需要，所以，规模化发展方向给机械制造及其自动化带来的良好发展前景是不可估量的。

2.5向绿色环保方向发展

绿色环保产品受到广大消费者的青睐，绿色环保化是现代经济发展的迫切要求，更是人们追求健康生活的美好憧憬。工业的发展带来的生态破坏是不容置疑的，在传统机械制造方面，在机械制造的过程中会产生大量的废气、废水、噪声及工业废渣，造成环境生态破坏。在传统的制造技术方面，由于技术的尖端性缺乏，机械的制造需要大量的金属原料，并且制造过程复杂，会造成极大的可用资源浪费和制造机械质量不过关的现象。现阶段人们对环保的意识愈来愈强，则对工业生产和机械制造都要求走绿色环保的道路。机械制造及其自动化本身就是一项复杂的工业制造，将绿色环保元素加入其中不仅符合时展要求，还使其具有了灵性，更能体现人性化的特征。

2.6向微型化方向发展

现代的机械制造及其自动化就是要改变传统的机械大、重、笨的形象。随着科学技术的日益更新和先进科技的不断引进，机械制造及其自动化向微型化发展的趋势相当明显。微型化机械的主要特点就是机械个体小、耗能低而且运用相当灵活。虽然微型化机械受到广泛关注，但对许多高精尖的领域没有深入涉及其中：一是对微型机械的需求小；二是对微型企业的认识不足，没有正确地认识其作用。主要原因在于微型机械在设计或者使用性能上还存在许多不足之处。

3结语

随着现代科技的不断发展，机械制造及其自动化的发展方向也在不断转变，对机械制造的规模化生产提出了新的特殊要求，彻底颠覆了传统的机械制造模式。机械制造应满足绝大多数的科学技术的生产要求，机械自动化拒绝繁杂多变的机械设计。机械制造应具有较高的技术水平和为大众广泛接受的设计理念，不仅提高了机械制造设备在操作过程中的简便性，还惠及到了其他发展领域，为我国机械制造及其自动化的发展开辟了新的发展天地。

作者:全坤李佳伟单位:长江师范学院

参考文献:

[1]易德君．机械制造与设计及其自动化发展趋势[J]．大科技，2012，10（12）．

[2]农应斌．机械设计制造及其自动化发展方向的研究[J]．科技传播，2013，1（2）．

机电一体化机械设计范文

［关键词］机电一体化系统设计；案例教学；学习兴趣；创新能力

当前我国正在实施《中国制造2025》规划，这对我国工程教育特别是机械工程教育提出了更高的要求，机械装备制造企业迫切需要具备机、电、控制、信息处理等多学科融合的机电装备设计制造复合型人才。机电一体化系统设计是机械设计制造及其自动化专业的一门重要专业课，它涉及机械技术、电工电子技术、自动控制技术、检测技术、计算机信息处理技术等相关技术，是该专业所有专业课中工程性、实践性、综合性最强的一门课程，该课程后续的教学环节为毕业设计。机电一体化系统设计课程的任务是在先修课程的基础上，从系统工程观点出发，综合运用各种专业知识，分析机电一体化产品的各组成要素之间的关系，实现机电系统要求的功能。因此，该课程对于学生全面了解和掌握所修其他课程的联系，建立机电一体化的系统思维体系，培养综合运用专业知识的能力，具有重要的作用。机电一体化系统设计的教学内容包括机械系统设计、传感器测试、电机与驱动、微机原理与接口、微型计算机控制等内容。各部分内容之间相对独立，课程自身的理论体系不突出，缺乏整体感。另外这些教学内容中的有些内容在先修课程机械原理、机械设计、数控技术与数控机床、机械工程测试技术、微机原理与接口、单片机原理与接口、微型控制技术等课程中均有所涉及，极易造成教学内容的重复，给学生一种重复教学的感觉，从而降低学生对本门课程的兴趣。针对上述问题，我校在实施机电一体化系统设计教学中，以实现机械、电子、控制、信息等各异技术融合为目标，以实现闭环运动控制系统的伺服性能为出发点，以系统接口设计为主线，以案例教学为教学手段将以上教学内容有机结合，实施案例教学改革。[1][2][3]

一、绪论教学案例设计

绪论部分是机电一体化系统设计课程的关键部分，该部分对于学生理解本门的课程的特点和体系结构具有重要的作用，该部分主要突出机电一体化系统的特点、组成、设计方法以及接口等。在教学过程中，我们首先对数控车床与非数控车床两个案例在结构、功能、优缺点上进行对比，机电设备与非机电设备的区别在于增加了大脑“控制器”和神经“传感检测单元”，从而提高了设备的自动化程度、精度和效率等。通过数控机床、机器人、AGV小车、数控雕刻机等案例介绍机电一体化系统的组成部分及各组成部分的功能，强调控制器和传感检测单元在机电一体化系统中的作用。另外在讲解这部分内容时，突出机电一体化系统各组成部分之间的接口连接，通过机械接口（联轴器、传动机构等）、电子电气接口（A/D、D/A、放大器、光电耦合器）、通信接口（232串行口、USB、以太网接口等）、软件协议接口（TCP/IP协议、USB协议等）等案例，讲解接口在机电一体化系统中运动、能量、信息传输变换中的作用，强调机电一体化系统通过接口将各异技术集成在一起，形成特定的功能。在机电一体化技术方向方面，主要强调当前“机械功能电子化，电子功能软件化”的发展趋势，通过伺服电机变速代替变速箱，无刷直流电机代替传统电刷直流电机，电子表代替机械表，电子秤代替机械秤，高能束加工代替刀具切削加工等案例讲解机械功能电子化的发展趋势及带来的优势。通过软件PID控制算法代替硬件PID控制器，可编程控制器PLC代替逻辑继电器电路，可编程逻辑阵列FPGA代替专用芯片等案例讲解硬件功能软件化的趋势及优势。通过以上案例，让学生深刻认识机电一体化技术的发展方向及带来的优点。在绪论部分实施案例教学，可以避免相关知识点的填鸭式和说教式教学，使学生对机电一体化系统设计这门课程有一个系统的认识，强化了学生对机电一体化系统组成、功能、设计方法等知识点的认识。

二、机械系统教学案例设计

由于教学对象是机械专业的大四学生，多数学生一看到“机械系统设计”这个标题就感觉这部分没有新的内容，认为该部分内容是机械设计课程内容的重复，甚至认为这部分内容非常简单，没有必要在课堂上讲。恰恰相反，机械系统设计是机电一体系统设计中最为关键的一部分。因此，在开始讲解这部分内容前，应该首先点明机电一体机械系统设计与普通机械设计的区别，提高学生对该部分内容的兴趣。在课堂教学中，该部分首先通过如图1所示的机械一体化系统中典型的闭环控制系统，说明机电一体化产品中的机械系统与非机电一体化产品中的机械系统最大的区别在于：机电一体化产品中的机械系统是微型计算机控制的闭环系统的组成部分，因此在进行机械系统设计时必须要考虑机械系统的结构参数（惯性、刚度、摩擦、阻尼、传动间隙、固有频率）对闭环系统伺服性能（快速性、稳定性、准确性）的影响。基于这一区别，展开讲解机械系统的结构参数对闭环系统伺服性能的影响，以及如何从机械系统设计的角度提高整个闭环系统的性能。机械系统设计部分的另外一个重要内容是传动机构设计，通过齿轮传动案例中的间隙、刚度等对伺服性能的影响，说明在机电一体化系统中应该尽可能缩短传动链，提高闭环伺服系统的性能，并以伺服电机变速代替传动机构变速、直线电机、力矩电机、电主轴等作为缩短传动链的案例；只有当电机与负载不能匹配的时候才考虑使用传动链进行力矩、速度、转动惯量的转换。齿轮传动链设计部分包括最佳传动比的选择、传动级数的选择、传动比的分配等，这三部分内容的讲解都围绕提高伺服性能为根本目标，重点讲解最小转动惯量原则、输出轴转角误差最小原则分配传动比。为了区别机械设计，本部分除重点讲解齿轮传动链设计外，还通过数控机床旋转进给工作台、A/C轴双摆角铣头、机器人关节减速器等案例讲解了双导程蜗杆蜗轮传动结构、谐波减速器、RV减速器的各自原理以及在机电一体化系统中的应用。

三、计算机测控系统教学案例设计

计算机测量控制系统是机电一体化系统的核心，它负责采集机械部件的运动信息，并与给定值比较，生成运动控制指令。该部分的教学内容在机械工程测试技术、数控技术与数控机床、单片机原理与接口、微机控制技术等课程中均有涉及，因此，在本课程教学中将传感器、伺服电机、工业控制机结合起来，以工业控制机为中心，以接口为桥梁，将相关内容通过案例整合在一起。首先简单介绍增量式旋转编码器、光栅、感应同步器等位移测量传感器的位移测量和辨向原理，由于上述传感器直接输出相位相差90度的正弦信号，因此随后重点讲解传感器的接口电路如何对正弦信号处理获得相位相差90度方波信号，以及如何完成变相细分等功能。在控制电机部分，重点介绍了步进、直流、交流电机的功率驱动电路，如斩波恒流功放电路、PWM原理、SP－WM原理等，比较了三种电机在扭矩和功率输出特性上的不同点。最后以8051单片机为处理器，使用Proteus软件设计了教学案例[4][5]，涉及位移传感器测量接口电路和D/A转换接口电路，PID数字控制等知识点。

四、机电一体化系统教学案例设计

机电一体化系统是一个机械、电子、控制、信息等各异技术相融合的系统，在机电一体化系统设计课程的最后一章，以电脑刺绣机为设计实例，通过对这一典型机电一体化系统的设计过程，使学生能够根据设计需求综合应用机械系统设计、传感器测试、电机与驱动、微机原理与接口、微型计算机控制等各方面知识来设计一个机电一体化的系统。如图2所示，刺绣工艺的动作包括绣框在x、y两个方向的直线往复运动和绣针在z方向的连续上下往复直线运动，通过这两类运动的配合和刺料机构的作用形成线迹，绣框在x、y两个方向的移动距离决定了线迹的长度和方向，绣品由线迹的集合构成。绣针在织物上方时，绣框沿x、y两个方向移动到指定的位置，当绣针自上而下落到织物表面时，绣框停止移动，在刺料机构的作用下即完成一针线迹的动作。根据机电一体化系统的几个功能要素，电脑刺绣机由微机控制系统（控制与信息处理单元）、移框步进电动机及主轴电动机（驱动与执行单元）、x、y、z三个方向的传动机构及刺料机构（机械传动单元）、针杆位置传感器（传感检测单元）、220V单相交流电源（动力单元）、机架（机械结构单元）以及各部分之间的接口组成。由刺绣打版机输出的刺绣花样数据保存在电脑刺绣机的EPROM或磁盘中，电脑刺绣机的工作过程如下：控制微机启动主轴运转，由刺料机构带动旋梭和针杆运动，微机从刺绣花样数据文件中顺序读取每一针的x、y相对位移坐标，根据坐标数据通过两个电机的协调运转驱动绣框在平面内进行移动，微机通过读取针杆位置检测器的信号使绣框的平面移动与刺料机构的运动相互配合。电脑刺绣机设计参数的计算主要包括x、y、z三个方向运动件的运动参数和动力参数的计算、结构参数计算以及品质参数、环境参数和界面参数的确定。运动参数计算主要包括主轴转速范围的确定、绣框位移计算、绣框位移与主轴转动的运动配合、绣框运动速度计算、主轴转速计算、x、y步进电动机工作频率及传动比计算、移框加速度计算等；动力参数计算主要包括刺料机构驱动功率计算、移框步进电动机驱动力矩计算等；结构参数计算主要指刺绣机工作台面的长、宽、高三个方向尺寸的计算及机头头距的计算；品质参数主要包括系统可靠性、传动精度等；环境参数包括工作电压、环境温度、环境湿度等；界面参数则用于表征机器的人—机对话方式和功能。系统各部分之间通过接口进行连接，主要的接口包括微机系统前向通道与各传感器模块的接口以及微机系统后向通道与各功率驱动模块的接口，各接口通过采用光电隔离技术防止外部模块对微机系统的回馈干扰以及防止强电信号对微机电源的干扰。尽管电脑刺绣机由微机对刺绣工艺实行全面控制，但刺绣过程会出现断线、断针等随机因素。为保证刺绣工艺的准确进行，系统必须对针杆位置、绣线通断状况、绣框极限位置进行实时检测，因此，系统必须包含绣针布上布下位置检测、针杆最高位置检测、断线检测、绣框越界检测等传感检测模块。各传感器模块与微机系统前向通道之间需要进行接口设计，另外，微机系统后向通道与电机驱动模块之间也需要进行接口设计。微机控制系统是电脑刺绣机系统的核心，根据用户要求和工艺分析，控制微机除完成用户的基本要求外，还应具备花样存储与选择功能、记忆功能、工作状态显示功能、各种进退针功能等功能。微机控制系统设计除满足上述设计要求外，还应对控制微机的软硬组成方案进行初步设计。

五、结束语

针对机电一体化系统设计课程工程性、实践性、综合性最强的特点，围绕机械一体化闭环伺服系统的各组成要素，实施案例教学，通过典型案例实现理论教学和实践教学相结合的教学方法，不但加深了学生对机电一体化系统的理解，而且提高了学生学习兴趣、自学能力和创新能力，取得了良好的教学效果。

［参考文献］

［1］杨普国，孙佘一，陈俊.项目式案例教学方法的研究与实践［J］.昆明冶金高等专科学校学报，2011（5）：83-86.

［2］赵丽梅，李焜.机电一体化技术课程中案例化教学改革与实践［J］.大学教育，2016（3）：106-107.

［3］覃金昌，陈志.基于Simulink和GUI的机电一体化课程案例仿真教学研究［J］.机械工程师，2016（5）：22-24.

［4］李琦，王基，刘永葆.《机电一体化系统设计》课程教学改革与实践［J］.高等教育研究学报，2010（1）：100-101.

机电一体化机械设计范文篇8

关键词：机械设计制造及自动化，设计原则，优势，发展方向。

中图分类号：TH122文献标识码：A文章编号：

一、机械设计制造及自动化的符合设计原则

1满足对机器的功能要求

机械自动化系统的设计和制造必须要满足人们的需要，至少要具备一个核心功能，将信息和能量进行必要的转换之后变成人们所需要的信息和能量。机械自动化系统将产品和技术融为一体，从设计、制造到功能，形成完整的机械自动化系统。

2利用先进技术

各种先进技术是机械设计制造及自动化的基础和重要保证，无论是产品还是系统，其所具备的功能依然要以技术为主，这样才能充分展现现代机械的智能化和人性化。

1）各种加工设备

通过加工和处理过程改变有的形态，增加输出物质或产品的功能，如机床、各种加工设备等现代机械。

2）能量转换机械

动力机主要是以能量的转换为主，如电动机、水轮机、内燃机等各种能量转换机械。

3）信息处理机械

将输入信息经过处理后输出所需信息，常见的信息处理机械主要有计算机、传真机等各种办公用设备。以信息处理为主的机械称为信息机，用来传递人们所需的直观信息，如图像、文字等。

4）其他功能的机械

只有充分了解机械自动化的主要功能，才能设计出不同的产品，培养创新思维。不同用途的机械具备不同的运动方式，这充分说明了机械自动化的发展空间很大，根据人们的创新和设计，未来的机械自动化内容会更加丰满完善。而这一切依然需要强大的技术做支撑，并做出合理的设计和科学的规划。

二、机械自动化系统的优势

机械自动化技术具备强大的功能和广阔的发展空间，颠覆了传统机电产品的地位，这种优势还将继续保持下去，为企业和社会带来巨大的经济效益。

1提高工作效率和工作质量

机械自动化产品的优势在于其所具备的各种先进技术可以进一步提高功能，强大的信息处理能力和自动控制能力，充分体现了智能化的特点，精确地保证机械按部就班的执行操作，可以代替工作人员完成工作，既节省了人力也可以提高工作效率，还提高了工作质量。

除此之外，机械自动化产品的自动性可以提高生产力，如数控机床的生产效率比普通机床要高出许多，既节省了机床的数量和人员的安排，还可以提高生产效率。

2提高机械安全性和可靠性

机械自动化产品在工作中如果遇到故障，能够自动处理事故，并及时采取保护措施，提高了安全性和可靠性。机械自动化产品的智能化和人性化得到了充分的验证，通过其自身一系列的自动监视、诊断、处理、保护过程，免去了人员操作环节，减少了事故的发生。同时，机械自动化产品具备较高的灵敏度，因此其可靠性和安全性得到了进一步保障。

3方便操作

机械自动化产品中的控制系统具备完善强大的功能，如果要改变工作方式，无需改变产品中的部件，只需输入控制程序即可。输入不同的控制程序或执行程序，就会自动进行不同的工作方式。机械自动化产品具备自动监控的功能，发现故障时可以自动诊断并采取措施，自动保护。利用程序控制机械自动化产品，可以减少操作的流程，这就是机械自动化产品易操作的优势。通过各种程序的控制，达到优化操作，实现真正意义的自动化。

4适用范围广

机械自动化产品是多种技术交叉、有机结合的结晶，因此具备强大的复合功能。通过自动化控制、自动补偿、自动调节、自动保护等多种复合功能，进一步提高产品的可靠性和安全性，使其充分满足用户的需求，对不同的用户也可以轻松处理问题，而不再受到功能单一的限制。

5节省能源

能源问题是目前各界人士十分关注的话题，能够节省能源、减少消耗的产品则会受到市场的欢迎。机械自动化产品采用低能耗驱动机构，可以进一步减少能源消耗，起到很好的节能作用。而自动化产品的发展趋势是“微、轻”，因此在设计和制作材料过程中亦会节省很多材料。机械自动化产品有助于提高经济效益，在世界各地均受到了热烈的推崇和发展。

三、机械设计制造及其自动化发展方向

1机电一体化

机电一体化是机械自动化进一步发展，机电一体化技术是机械技术、电工电子技术、微电子技术等多种技术的交叉所形成的一门综合技术，现代化机械设备离不开机电一体化技术。

2智能化

智能化是机械自动化产品的重要标志，也是机械自动化技术发展的必然趋势。把冷冰冰的机器变得智能化，运用各种学科，如计算机科学、心理学等，使其具备类似人的智能来处理问题。

3模块化

机械自动化产品种类较多，因此在研发时的各种需求则相对比较复杂，许多新产品的开发和发展都离不开标准单元的利用，各类产品单元需要进一步模块化才能提高产品的生产效率和质量。

4网络化

网络技术给人们的生活和生产带来了日新月异的变化，如今，许多机械自动化产品利用网络技术提高自身竞争优势，因此机械自动化产品朝着网络化方向发展亦是一种必然。由于网络化的普及，基于网络的各种远程控制和监测技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机械自动化产品。现场总线和局域网技术使家用电器网络化已成大势。利用家庭网络将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统，使人们在家里充分享受各种高技术带来的便利和快乐。因此，机械自动化产品无疑将朝着网络化方向发展。

5微型化

如今，许多机械自动化产品以体积小、操作灵活等特点占据市场主要位置，这些体积小巧的产品统称微电子机械，并逐渐向微米、纳米级发展。未来的时代，就是一个微时代。

6绿色化

随着人们生活水平的提高，绿色产品概念应运而生。绿色产品是指那些对环境无污染或污染极小的产品，机械自动化产品的绿色化则主要体现在对环境无污染，并可以进行二次回收和利用。设计绿色的机械自动化产品，具有远大的发展前途。机械自动化产品的绿色化主要是指使用时不污染环境，报废后能回收利用。

7人格化

机械自动化产品的人格化主要是指赋予机械自动化产品以人的智能和情感，使其充分智能化和人性化。此外，还可以模仿各种生物机理研制出机械自动化产品。

四、结论

机械自动化技术所面临的共性关键技术是传感检测技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动化控制技术、接口技术、精密机械技术及系统总体技术等。所以说，机械自动化系统就是机电一体化系统。机电一体化的发展就是机械自动化的发展。广大设计人员应清醒地认识到机械设计制造只有向机械自动化设计制造方向发展，才是机械工业发展的唯一出路。综上所述，机械设计制造及其自动化的发展前景是十分广阔的，设计人员应通过不断的研究和学习，创造出更加卓越的新型产品，造福整个社会。

参考文献

[1]王先逵.机械制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]武永利.机械制造技术新发展及其在我国的研究和应用[J].机械制造与自动化，2003.

[3]刘武发，刘德平.机电一体化设计基础[M].北京：化学工业出版社，2007.

[4]杨世明，腾献银，赵镇宏，等.机械设计[M].北京：电子工业出版社，2007.

机电一体化机械设计范文篇9

关键词:冲压机械;设计应用;PLC

冲压机械设计是通过压力进行设计的类型，新的科学技术的应用，对冲压机械设计的科学性以及多样化的发展有着促进作用。通过对冲压机械设计中PLC的应用研究分析，可对冲压机械设计的发展提供理论支持。

1冲压机械设计中PLC的内涵及特征体现

1．1冲压机械设计中PLC的内涵

新的科学技术进一步升级，有助于我国机械制造领域的发展，应用PLC技术这一可编程控制系统方便了机械设计，在生产控制的安全层面有了很大保障。PLC系统当中的中央处理单元是可编程控制器的重要控制中心，在数字和逻辑运算方面发挥作用，对PLC运用系统发挥了协调作用［1］。我国在当前机械制造产业中，PLC系统技术的应用比较广泛，发挥的作用也愈来愈突出。

1．2冲压机械设计中PLC的特征体现

冲压机械设计中PLC的应用特征也比较突出，在不断的发展应用中，系统性能也不断完善。其中通信功能方面的作用和优化也愈来愈重要，在实际的设计过程中也愈来愈简单化，能够将这一技术系统和通信协议得到有机结合。在对PLC技术的实际应用过程中，要和总线以及现场作业进行有机结合，这样就能发挥PLC的作用。PLC技术的应用中，在抗干扰能力上也在不断加强，在软件技术的优化下，对继电器的替代能够在机械设计制造的安全稳定性层面得以保障。

2冲压机械设计中PLC的软硬件设计应用

2．1冲压机械设计中PLC应用的作用

冲压机械设计过程中对PLC技术的应用，在可编程控制器的作用下，能有助于冲压机械设计的方案优化，在提高机械设备的整体性能以及功能的充分发挥有着积极作用。PLC技术系统应用下，对冲压机械设计行业的发展也有着积极促进作用，提高了机械设备的整体工作效率，对提高生产企业的经济效益也有着积极作用［2］。在PLC技术的进一步推广下，应用的范围也在进一步扩大，解决了传统的控制系统弊端问题，从技术上有了突破。

2．2冲压机械设计中PLC软硬件设计的应用

1)冲压机械设计过程中的PLC系统应用，要注重软硬件的设计优化应用。在硬件的设计过程中，有诸多层面需要进行完善设计。其中的硬电路设计过程中，在控制电路层面主要是对信息控制电路的设计，在电路中最为突出的元件以及触点是双重设置的，以及在电路上实施重复控制，这样就能发挥互检及监控的功能。在大功率的感性负载通断方面会引起火花，这样就比较容易产生包含低频以及高频的电磁干扰，对PLC的正常运行产生影响。为了保障压力机系统的安全，在控制系统方面就要增加除PLC控制电路外的冗余控制电路［3］。2)注重对PLC的选型应用。在PLC的设计应用中，要注重其抗干扰性以及可靠性的保障，在对冲压机械设计过程中的PLC技术应用，选择型号过程中就要充分注重通用化以及系统化的选择。并要在实际选用过程中，对输入以及输出点留有裕量，尤其是对高速压力机控制系统设计方面，注重周边设备的运行状态输入接口。在的元件选型层面也要和实际需求相结合，在对电气控制箱内外布线层面加强质量的控制。3)冲压机械设计过程中的PLC应用，要注重软硬件电路的科学设计，这对保障冲压机械系统的作用发挥有着直接影响。在对PLC的应用过程中，就要能对实际运用的环境充分考虑，保证安全性的要求。一些部件的关联性比较突出，并且都有着相应制约，在进行实际设计过程中，就要能对冲压机械的电机降噪工作方面加强处理。在进行设计后，对压力机的正常稳定运行要充分重视。PLC的应用在设计单独安全控制模块方面要注意，在故障的防治措施实施上要采取科学措施加以实施［4］。要充分发挥硬件控制的功能，在冲压机械的指定位置设置开关，如此就能有助于解决压力机的检测问题，在可编程控制人机交互界面方面充分发挥触摸屏的设计功能。

3结语

冲压机械设计过程中，为能保障设计的科学性，就要充分注重PLC技术的科学应用，只有在这些基础层面得到了重视，才能保证冲压机械设计的优化和质量。通过实践发现，冲压机械设计中PLC系统技术的应用，提高了机械设计的质量，冲压机械的运行安全稳定性也得到了保障。

作者:杨晓勇单位:邵阳学院

参考文献:

［1］李东昂．机械设计制造及其自动化的特点与优势［J］．技术与市场，2016(11)．

［2］李真真，冯婧．浅谈机械设计与公差实验室建设［J］．科技资讯，2016(25)．

机电一体化机械设计范文1篇10

关键词：工程机械；机电一体化；机电液一体化

在最近二十多年的时间里，微型电子计算机、电液压控制技术得到了快速的发展，一些发达国家开始将这些技术应用到工程机械中，而且加大了对机电液一体化系统的开发力度。当前，机电液一体化系统在工程机械中得到了广泛的应用，并对设备的监控系统功能提出了多样化的需求。

一、工程机械的概述

工程机械是指在工程建设过程中所使用的施工机械。在建筑、水利、道路以及国防等机械领域中，工程机械具有广泛的应用范围，并且种类繁多。在国家装备工业中，工程机械是一个非常重要的组成部分。具体而言，在建设路面的时候，要与土石方施工工程、建筑工程等工程所需要的机械装备充分结合起来，我们将之称为工程机械。这些工程机械主要应用于国防建设、矿山以及交通运输建设等领域。

二、工程机械机电液一体化技术的发展

（一）液压技术

石油工业于19世纪兴起，在推动近代液压快速发展方面发挥了重大作用。最早实践成功的液压传动装置，应用于军事领域。该装置开始在机床领域得到广泛应用。工程机械工作装置种类繁多，作业形式多样，推动各类复杂运动得以顺利实现。液压传动具被以下几点特征：简单方便、紧凑的结构、容易实现各种运动形式的转换。液压传动不仅能够满足复杂作业的实际需求，还能够为工程机械传动装置奠定坚实的基础。对此，相关人员要不断完善液压传动技术，推动工程机械不断发展，确保产品具备多样性特征。

（二）电子技术

电子技术主要是基于电子学原理，将电子元器设计以及制造某种特定功能的电路充分结合，以便更加顺利地解决一些实际问题。电子技术具备多种功能，具体如下：其一，高效节能。在控制发动机以及传动等系统的过程中，要根据实际情况对功率进行合理的分配，让系统处于最佳运行状态；其二，智能操作。通过利用自动化、半自动的控制，更好地实现系统控制；其三，安全监控。全程监控设备运行状态，及时发现设备故障，并自动发出警报。在一些恶劣的工作环境中，可以利用该系统监控整个运行过程。在工程机械中，操纵与控制是一个非常核心的部分。但如果仅仅依靠机械以及液压技术是难以提高工程机械的质量，基于此，就有必要将电子技术、传感技术以及电液转换技术充分结合起来，推动工程机械的快速发展。

三、工程机械的发展趋势

（一）向绿色型的方向发展

近几年来，机电液一体化技术的发展速度日益加快，通过充分利用控制性能良好以及信息处理能力较强的电子技术，将输出功率与能耗充分结合起来。比如：将电子监控以及紧急制动等系统，安装在挖掘机或者深井勘探器上，这样做不仅有利于延长机器的使用寿命，而且有助于减少机械的耗油量。在研制过程中，通过应用新型材料，能够有效提高零部件装配的工艺，推动工程机械效率不断提高。

（二）向超大型以及超微型化的方向发展

随着机电液一体化的不断发展，我国工程机械产品开始向着小型化与大型化的方向发展。工程机械行业开始向着大型化的方向发展，促使工作效率得以提高。尤其是能源、核电等开采领域来推动工程机械行业的发展。除此之外，挖掘机、挖掘装载机等产品开始转向小型化。在我国工程机械市场中，小型工程机械的发展仍然处在起步阶段。通过不断完善机电液技术，能够壮大工程机械产品小型化发展的趋势。

（三）向着智能化的方向发展

在工程机械发展过程中，智能化是一个主要的发展方向，具体而言，表现在两个方面：其一，自动化。当前，我国机械企业在调整产品结构中存在着一系列问题，但是在对产品结构进行调整的过程中，要将自动化作为主要发展方向。比如：矿山隧道挖凿中会使用半自动、全自动的挖掘机设备；其二，检测故障。智能化使得工程机械的安全性以及可靠性得到了有效提高，防止发生事故危险；将工程机械设备的设计能力充分发挥出来；通过开展故障检测工作，详细分析故障，并寻找出解决这些故障的措施，为优化改造生产过程提供真实的数据以及大量科学的信息。

（四）向着高压化的方向发展

当前，超大型液压挖掘机具有非常大的工作量，该挖掘机主要的作用在于：开发各种大规模的露天矿山以及开展大型基础建设，与此同时超大型挖掘机还应用在填海造地等工程中。像美国、日本、德国等发达国家，已经拥有生产超大型挖掘机的企业，并且这些企业生产的机电液压系统，在国际市场上具有很强的竞争力。

四、机电液一体化的发展前景

机电液一体化技术指的是：将机械技术、电子技术与液压技术充分结合，以及以计算机、自动控制液压等多种学科为基础而发展起来的一种新型技术。

机电液一体化将多种学科技术充分结合的方式，推动了社会生产力的不断发展。通过将机械、电子以及液压技术相结合，能够有效改变工程机械战略性目标，进一步推动机械设计方法、设计概念的发生变化。同时，机电液压一体化技术的应用，加快了产品更新换代的速度，为机械工业发展开辟了新的发展领域。在科学技术的推动下，使得机电液一体化技术具有广阔的发展前景。

机电液一体化是将其他学科相互结合，并以此为基础而发展起来的一种新型技术。该技术在机电行业的应用，能够在推动机电产业获得快速发展过程中，发挥重要的推动作用。当前，我国社会经济的发展速度日益加快，工业的发展速度也在不断提升。在新的形势下，将机电液一体化技术广泛地应用于工业领域，将推动我国工业获得更好、更快的发展，从而促使工业在推动我国国民经济快速发展的过程中，做出重大贡献。

参考文献：

[1]吕秋硕，程联社.机电液一体化技术在工程机械中的应用及发展[J].科技视界.2012（19）

机电一体化机械设计范文篇11

关键词：机电自动化；工程机械；机械制造

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.03.120

0引言

随着我国工业化的不断发展，对工程机械设备提出了更高的要求，在我国的传统的工程机械设备生产过程中，生产水平滞后，很多大型的机械设备依然需要从国外引进，制约着我国机械制造业的发展。机电自动化技术是科技发展的产物，将其应用到机械制造过程中，使我国的机械制造水平上升了一个层次。

1机电自动化技术的类型

1.1柔性自动化技术

柔性自动化技术的核心技术是数控技术，同时还融合了其他先进的技术。柔性自动化技术是一种新兴技术，在机械制造的过程中，将柔性自动化技术运用其中便可以实现机械制造过程的全自动化，自动化程度非常高。在机械制造的过程中，利用柔性自动化技术，机械制造的所有行为都可以用计算机来操作和控制，无论是材料的准备还是机械制造的过程，真正的实现了全自动化。此外，和传统的机械生产模式相比，利用柔性自动化技术，通过计算机操作，可以大大提高数据的精确性，所以机械设备在生产过程中都可以保持一致的尺寸，提高了机械生产的质量。最后，由于整个过程的自动化程度非常高，所以机械制造过程中投入的人力比较少，大大减少了人力成本，有效降低了机械制造的成本，提高了整个生产过程的秩序。

1.2集成自动化技术

集成自动化技术是建立在信息技术不断发展的基础上发展起来的，在传统技术的模式下，机械制造技术的集成化发展是不可能的，而信息技术的发展，让集成自动化得以发展，在机械制造过程中，可以对各种技术功能和生产经营进行集成化的管理。在工程机械制造过程中，集成自动化技术是最常用的一类技术。随着市场竞争愈加激烈，机械制造业为了可以在激烈的市场竞争中立足，都不得不进行技术研发和发展，充分利用各种计算机技术，将数控技术和先进的管理理念运用在企业的生产活动中，从而使机械制造业也可以符合现代时代的发展，不断提高企业的生产能力。

1.3智能自动化技术

智能自动化技术是在计算机基础上发展起来的，在传统的机械设计中，机械产品的设计和开发都是应该在市场需求的基础上进行的，并且要根据市场的需求进行反复的修改，在这个过程中，会导致产品的设计制造周期延长，并且产品较难回收，一些产品在报废之后甚至是无法回收的，不仅造成了能源的浪费，还大大提高了机械制造的成本。利用计算机智能系统模拟人类的行为去进行机械设备的生产和制造，比柔性自动化技术还更高级，大大提高了机械设备的制造能力，对生产的行为也具有一定的判断力，提升了机械设备制造的准确性，让机械制造生产过程始终处于一个较高的水平，操作人员根据自己的主观判断进行产品的制造和生产，缩短了制造周期，有效降低了制造成本[1]。

2机电自动化技术在工程机械制造中的应用

2.1机电自动化技术在设备诊断中的应用

机电自动化技术在工程机械制造中得到了广泛的应用，受到了广大消费者的喜爱和认可，这是因为机电自动化技术可以和机械的检测和识别等技术有效融合，从而实现对机械诊断的自动化。将机电自动化技术和机械诊断技术融合在一起，可以实时监控不同设备的运行状况和运行参数，仪器一旦发生故障或者运行出现问题，都可以马上检测出来，并以最快的速度分析设备故障产生的原因，预测设备后来的运行状态，从而有效控制了设备后期出现故障的问题。机械产品的计方案的确定是一项重要的工作，不仅仅要考虑机械产品的实用性，使之满足市场需求，同时还应该考虑设计方案的经济性和环保性，减少对环境的污染。在设计机械产品时，首先应该考虑的就是机械产品的成本，也就是机械产品的经济性。机械产品在制造的初期就要做出合理的设计，要充分考虑产品的回收和再利用，尤其是再利用的成本和污染物的处理等[2]。其次就是机械产品的再利用和可拆装性的设计分析。而将机电自动化技术运用到设备诊断中，就可以在不拆卸设备的基础上对设备的运行状况进行掌控，随时监测设备的运行参数，包括设备的性能、强度、承受到的外界压力以及故障发生的原因和途径，从而对设备的可靠性做出预测。当设备发生故障的时候，可以快速的评定故障发生的情况，并确定有效的修复方法。

2.2机电自动化技术在水泵机械中的应用

在水泵机械中，水泵是水体传送的一种转动设备，水泵是依靠叶轮的转动产生离心力从而输送水的，叶轮在转动的同时将输送的水甩出。水泵的输送对象为液体，包括水、乳化剂、油和金属液体。从水泵的工作原理中可以看出，水泵将原动机中的机械能传输给水泵中的液体，通过对液体加压实现液体的传输[3]。水泵的运用非常广泛，在石油工业、化工以及冶金等产业中的运用非常多。水泵的用途广泛使其的工作环境变得更加复杂，所以各种故障也时有发生，水泵处在一个比较复杂的生产环境中，常常需要面对潮湿、粉尘以及高温等恶劣条件，所以特别容易发生故障，工作效率也有所下降。将机电自动化技术运用到水泵机械中，在机电自动化的运用下可以进一步提高水泵的输送效率，同时还起到了增加压强的效果[4]。在水泵机械制造中运用自动化技术，不仅可以提高水泵的工作效率，减少不必要的环节，还可以提高水泵的实用性，降低了水泵运作的成本。

2.3机电自动化技术在自动操作中的应用

机电自动化机械控制技术是一种自动化程度很高的技术，具有先进性和科学性，是未来机械制造业发展的必然趋势。自动化技术的自动化和先进化是无可厚非的，通过自动化控制机械制造，大大减少了人力资源，解放了人们的双手，还提高了机械制造的精确性，将机械制造成本控制在一个较低的水平。将计算机和现场的网络进行有效的连接，就可以通过远程计算机对现场设备的运行情况以及

（下转第181页）

（上接第137页）

存在的安全隐患进行控制，计算机是通过对设备产生的一系列的数据的自动处理并且进行分析对机械制造进行监控，自动化程度非常高，还可以减少由于人为因素造成的疏忽以及差错而影响对机械制造的控制。此外，在机电自动化的作用下，可以实现机械制造的一体化操作，只要精确的掌握了控制理论，对其进行科学的指导便可以实现一体化制造[5]。在机械制造的一体化操作中，无论是系统设计部分还是控制技术方面都可以同手进行操作，大大增强了机械制造中的自动化控制操作。但是值得注意的是，在实现工程机械制造自动化的同时，不能忽视了机械产品的质量，只有保障了企业产品的质量才能树立一个良好的企业形象，从而为企业带来更多的效益。

3结语

机械制造行业在我国的工业发展中具有举足轻重的地位，随着时代的不断发展，机械制造行业也在不断发展，机电自动化技术在机械制造中的应用越来越广泛，大大提高了机械制造的生产质量和效率，减少了人力投入，避免了误差产生，有效的控制了机械制造成本，实现了机械制造的自动化，有效的促进了机械制造的发展。

参考文献：

[1]吴新声，丁志欣.自动化技术在新疆农业机械制造中的应用研究[J].湖南农机，2014，12（09）：23-26.

[2]郑媛.工程机械中机电一体化技术的应用研究[J].中国高新技术企业，2015，25（19）：54-55.

[3]杨永兵.自动化技术在机械制造控制中的应用研究[J].科技致富向导，2013，52（11）：76-77.

[4]邱富永.浅谈机电一体化技术在工程机械中的应用[J].科技致富向导，2014，36（56）：109-110.

机电一体化机械设计范文篇12

关键词：机械手；plc；液压伺服定位；电液系统

目录

第1章前言.............................................................1

1.1选题背景.1

1.2设计目的.1

1.3发展现状和趋势.1

第2章机械手各部件的设计.3

2.1机械手的总体设计.3

2.1.1机械手总体结构的类型.3

2.1.2具体设计方案.4

2.2机械手手爪结构的设计.4

2.2.1设计要求.4

2.2.2驱动方式.5

2.2.3典型结构.5

2.2.4具体设计方案.6

2.3机械手手腕结构的设计.7

2.3.1手腕结构的设计要求.7

2.3.2具体设计方案.7

2.4机械手手臂构的设计.8

2.4.1手臂结构的设计要求.8

2.4.2具体设计方案.8

2.5机械手腰座结构的设计.9

2.5.1腰座结构的设计要求.9

2.5.2具体设计方案.9

2.6机械手的机械传动机构的设计.10

2.6.1传动机构设计应注意的问题.10

2.6.2常用的传动机构形式.10

2.6.3具体设计方案.11

2.7机械手驱动系统的设计.12

2.7.1常用驱动系统及其特点.12

2.7.2具体设计方案.12

2.8机械手手臂的平衡机构设计.12

2.8.1平衡机构的形式.12

2.8.2具体设计方案.13

第3章理论分析和设计计算.14

3.1电机选型有关参数计算.14

3.1.1有关参数的计算.14

3.1.2电机型号的选择.16

3.2液压传动系统设计计算.18

3.2.1确定液压系统基本方案.18

3.2.2拟定液压执行元件运动控制回路.19

3.2.3液压源系统的设计.19

3.2.4绘制液压系统图.20

3.2.5确定液压系统的主要参数.21

3.2.6计算和选择液压元件.26

第4章机械手控制系统的设计.28

4.1系统硬件设计.28

4.1.1操作面板布置.28

4.1.2工艺过程与控制要求.28

4.1.3作业流程.29

4.1.4控制器的选型.30

4.1.5控制系统原理分析.31

4.1.6plc外部接线设计.31

4.1.7i/o地址分配.32

4.2系统软件设计.33

4.2.1控制主程序流程图.33

4.2.2控制程序设计.34

结论.51

致谢................................................................52

参考文献..........................................................53

第一章前言

1.1选题背景

由于工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高，对工作效率的提高迫在眉睫。单纯的手工劳作以满足不了工业自动化的要求，因此，必须利用先进设备生产自动化机械以取代人的劳动，满足工业自动化的需求。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统fms和柔性制造单元fmc中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。

1.2设计目的

目前，我国大多数工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，其劳动强度大、生产效率低，而且具有一定的危险性，已经满足不了生产自动化的发展趋势。为了提高工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代机械行业自动化生产的要求,针对具体生产工艺,结合机床的实际结构，利用机械手技术，设计用一台上下料机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。本机械手主要与数控机床组合最终形成生产线，实现加工过程的自动化和无人化。

1.3发展现状和趋势

目前，国内外各种机械手和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：

一．机械结构向模块化、可重构化发展。

二．工业机械手控制系统向基于pc机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，结构小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性，而且维修方便。

三．机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，还引进了视觉、听觉、接触觉传感器，使其向智能化方向发展。

四．关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机械手产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机械手开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；

五．焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机械手产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。

总的来说，大体是两个方向：其一是机械手的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，性价比高，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。

第二章机械手各部件的设计

2.1机械手的总体设计

2.1.1机械手总体结构的类型

工业机械手的结构形式主要有四种：直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构和关节型结构。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下：

1.直角坐标机械手结构特点

直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-1.a。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，因此，其运动位置精度高，但此种类型机械手的运动空间相对较小，如要达到较大运动空间，则要求机械手的尺寸足够大。直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体，主要用于装配作业及搬运作业。直角坐标机械手有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。

2.圆柱坐标机械手结构特点

圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1.b。其工作空间是一个圆柱状的空间。这种机械手构造比较简单，精度相对较高，常用于搬运作业。

3.球坐标机械手结构特点

球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1.c。其工作空间是一个类球形的空间。这种机械手结构简单、成本较低，但精度不很高，主要应用于搬运作业。

4.关节型机械手结构特点

关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1.d。相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大，动作灵活，结构紧凑，占地面积小。此种机械手在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业。关节型机械手又分为水平关节型和垂直关节型两种。

2.1.2具体采用方案

如图2-2所示机械手模拟工作布局图，根据实际操作的需要，该机械手在工作中需要3种运动,其中手臂的伸缩和立柱升降为直线运动,另一个为手臂的回转运动,因此其自由度数目为3，综合考虑，应选择圆柱坐标机械手结构，其结构简单，工作范围相对较大，且有较高的精度，满足设计要求。

2.2机械手手爪结构设计

2.2.1设计要求

手爪是用来进行操作及作业的装置，其种类很多，根据操作及作业方式的不同，分为搬运用、加工用、测量用等。搬运用手爪是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体；加工用手爪是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机械手附加装置，用来进行相应的加工作业；测量用手爪是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。

机械手手爪设计有如下要求：

1、机械手手爪是根据机械手作业要求来设计的。既根据其应用场合设计手爪，在满足作业要求的前提下，机械手手爪还要求体积小、重量轻、结构紧凑。

2、机械手手爪的万能性与专用性是矛盾的。万能手爪在结构上很复杂，甚至很难实现，从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机械手手爪，加之以快速更换装置，以实现机械手的多种作业功能，而不主张用一个万能的手爪去完成多种作业，以考虑设计的经济效益。

3、机械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可适用于不同的机械手，这就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），使末端执行器实现标准化。

4、机械手手爪要便于安装和维修，易于实现计算机控制。

2.2.2驱动方式

一般工业机械手手爪，多为双指手爪。按手指的运动方式，可分为回转型和移动型；按夹持方式来分，有外夹式和内撑式两种。

机械手夹持器（手爪）的驱动方式主要有三种：

1.气动驱动方式

这种驱动系统是用电磁阀来控制手爪的运动方向，用气流调节阀来调节其运动速度。由于气动驱动系统价格较低，所以气动夹持器在工业中应用较为普遍。另外，由于气体的可压缩性，使气动手爪的抓取运动具有一定的柔顺性，这一点是抓取动作十分需要的。

2.电动驱动方式

电动驱动手爪应用也较为广泛。这种手爪，一般采用直流伺服电机或步进电机，并需要减速器以获得足够大的驱动力和力矩。电动驱动方式可实现手爪的力与位置控制。但是，这种驱动方式不能用于有防爆要求的条件下，因为电机有可能产生火花和发热。

3.液压驱动方式

液压驱动方式是利用液压系统进行控制，传动刚度大，可实现连续位置控制。

2.2.3典型结构

机械手手爪的典型结构有以下五种：

1.楔块杠杆式手爪

利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。

2.滑槽式手爪

当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。

3.连杆杠杆式手爪

在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。

4.齿轮齿条式手爪

通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。

5.平行杠杆式手爪

采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，且比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小得多。

2.2.4具体设计方案

结合具体的工作情况，本设计采用连杆杠杆式的手爪。驱动活塞往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工工件的直径来调定。本设计按照工件的直径为50mm来设计。手爪的具体结构形式如图2-3所示：

2.3机械手手腕结构的设计

机械手手腕是机械手操作机的最末端，与手爪相连接，它与机械手手臂配合，使手爪在空间运动，完成所需要的作业动作。

2.3.1手腕结构的设计要求

1、由于手腕安装在机械手末端，因此要求手腕设计应尽量小巧轻盈，结构紧凑。

2、根据作业需要，设计机械手手腕的自由度。一般情况下，自由度数目愈多，腕部的灵活性愈高，对对作业的适应能力也愈强。但自由度的增加，必然使腕部结构更复杂，控制更困难，成本也会相应增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。

3、为实现腕部的通用性，要求有标准的连接法兰，以便于和不同的机械手手爪进行连接。

4、为保证工作时力的传递和运动的连贯，腕部结构要有足够的强度和刚度。

5、要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。

6、手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。

2.3.2具体设计方案

通过对数控机床上下料作业的具体分析，考虑数控机床加工的具体形式及对机械手上下料作业时的具体要求，在满足系统工艺要求的前提下提高安全和可靠性，为使机械手的结构尽量简单，降低控制的难度，本设计手腕不增加自由度，实践证明这是完全能满足作业要求的，3个自由度来实现机床的上下料完全足够。具体的手腕（手臂手爪联结梁）结构见图2-4。

2.4机械手手臂结构的设计

2.4.1手臂结构的设计要求

机械手的手臂在工作时，要承受一定的载荷，且其运动本身具有一定的速度，因此，机械手手臂的设计需要遵循以下设计要求：

1、工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系，因此手臂尺寸设计应合理，一般满足其工作空间即可。

2、为了提高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。

3、应尽可能使机械手手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于机械手的控制。

4、机械手各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。

5、为提高机械手手臂运动的响应速度、减小电机负载，机械手的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡。

2.4.2具体设计方案

由于机械手手臂运动为直线运动，且考虑到搬运工件的重量较大（质量达30kg），以及机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性和较高的刚度要求，因此选择液压驱动方式。通过液压缸的直接驱动，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件，因此不用再额外设计执行件；而且液压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。

由于液压系统能提供很大的驱动力，因此驱动力和结构的强度都较容易实现，其关键在于机械手运动的稳定性和刚度的设计。因此手臂液压缸的设计原则是液压缸的直径取得大一点（在整体结构允许的情况下），再进行强度的较核。

同时，因为控制和具体工作的要求，机械手的手臂的结构不能太大，若仅仅通过增大液压缸的直径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。因此，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量增加其刚度；大臂增设了四个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。

2.5机械手腰座结构的设计

2.5.1腰座结构的设计要求

机械手的腰座，就是机械手的回转基座。它是机械手的第一个回转关节，承受了机械手的全部重量。因此在设计机械手腰座结构时，有以下设计要求：

1、由于腰座要承受机械手全部的重量和载荷，因此，机械手腰座的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力，且腰座是机械手的第一个回转关节，它对机械手末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度。

2、腰部结构要便于安装、调整。要有可靠的定位基准面和调整机构。且腰座要安装在足够大的基面，以保证机械手在工作时整体安装的稳定性。

3、腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。

4、为了减轻机械手运动部分的惯量，提高控制精度，要求回转运动部分由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。

2.5.2具体设计方案

腰座回转的驱动形式主要有两种，一是电机通过减速机构来实现，二是通过摆动液压缸或液压马达来实现。考虑到腰座是机械手的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。因为电动方式控制的精度高，结构紧凑，不用额外设计液压系统及其辅助元件。由于电机都不能直接驱动，并考虑到转速以及扭矩的具体要求，故采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。由于齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故仅采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），同时为了减小传动误差，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造。腰座具体结构如图2-5所示：

2.6机械手的机械传动机构设计

2.6.1传动机构设计应注意的问题

由于传动部件直接影响着机械手的精度、稳定性和快速响应能力，因此，在设计机械手的传动机构时要注意以下问题：

1、机械手的传动机构要力求结构紧凑，重量轻，体积小，以提高机械手的运动速度及控制精度。并在传动链及运动副中采用间隙调整机构，以减小反向空回所造成的运动误差。

2、尽量减少系统运动部件的静摩擦力，而正摩擦力为尽可能小的正斜率，以消除爬行现象，增加系统寿命。

3、尽量缩短传动链，提高传动与支承刚度。

4、选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。

5、适当的阻尼比。阻尼比越大，零件产生振动时最大振幅越小，衰减越快。但大的阻尼会使系统误差增大，精度降低。故应采取合适的阻尼比。

2.6.2常用的传动机构形式

常用的机械传动机构主要有螺旋传动、齿轮传动、链传动、同步带传动等。

1.螺旋传动

它主要是用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。有传递能量为主的，如螺旋压力机、千斤顶等；有以传递运动为主的，如机床工作台的进给丝杠。

2.齿轮传动

在机械手中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮，摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。

齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器，用于伺服系统的齿轮减速器是一个力矩变换器。齿轮传动时，齿轮传动形式及其传动比必须是最佳匹配，应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求，其输入电动机为高转速，低转矩，而输出则为低转速，高转矩，且系统要有足够的刚度。同时，为保证在同一驱动功率时，其加速度响应最大，还要求其转动惯量尽量小。为使系统稳定，不产生传动死区，要尽量采用齿侧间隙小，精度高的齿轮，并采用调整齿侧间隙的方法来消除或减小啮合间隙，从而提高传动精度和系统的稳定性，降低成本。

3.链传动

在机械手中链传动多用于腕传动上，为了减轻机械手末端的重量，一般都将腕关节驱动电机安装在小臂后端或大臂关节处。由于电机距离被传动的腕关节较远，故采用精密套筒滚子链来传动。

4.同步带传动

同步带传动是综合了普通带传动和链传动优点的一种新型传动。为保证带和带轮作无滑动的同步传动，在带的工作面及带轮外周上均制有采用承载后无弹性变形的高强力材料制成啮合齿，通过齿间啮合进行传动。其特点是传动比准确、传动效率高（可达98%）、节能效果好；能吸振、噪声低、不需要润滑；传动平稳，能高速传动（可达40m/s）、传动比可达10，结构紧凑、维护方便等优点，故在机械手中使用很多。

2.6.3具体设计方案

因为选用了液压缸作为机械手的手臂，它既是关节结构，又是动力单元，因此不需要中间传动机构，既简化了结构，又提高了精度。而其腰座的回转采用步进电动机驱动，而电动机不能作为直接驱动元件，因此为取得较大的转矩，经分析比较，选择圆柱齿轮传动。为了保证比较高的精度，尽量减小因齿轮传动造成的误差；同时大大增大扭矩，以较大的降低电机转速，使机械手的运动平稳，动态性能好。这里只采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造。

2.7机械手驱动系统设计

2.7.1常用驱动系统及其特点

工业常用驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。根据需要也可将这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的主要特点如下。

1.液压驱动系统

具有动力大、力（或力矩）与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动、精度高等特点。适合于在承载能力大，惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机械手。

2.气动驱动系统

具有速度快，系统结构简单，维修方便、价格低等特点。适用于中、小负荷的机械手中采用。但是因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械手中。

3.电动驱动系统

具有使用方便，噪声较低，控制灵活等特点。这类驱动系统不需要能量转换，但大多数电机后面需安装精密的传动机构。

2.7.2具体设计方案

在分析了具体工作要求后，综合考虑各个因素，机械手腰部的旋转运动需要一定的定位控制精度，因此采用步进电动机来实现。由于手臂采用液压缸，故用液压驱动。随着机床加工的工件的不同，手臂伸出长度不同，要求手臂具有伺服定位能力，故采用电液伺服液压缸进行驱动。而手爪的张开和夹紧通过液压柱塞缸活塞与中间齿轮和扇形齿轮配合来实现，即手爪在柱塞缸推力作用下通过活塞杆端部齿条、中间齿轮及扇形齿轮使手指张开和闭合。

2.8机械手手臂的平衡机构设计

直角坐标型、圆柱坐标型和球坐标型机械手可以通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身可能达到平衡。关节机械手手臂一般都需要平衡装置，以减小驱动器的负荷，同时缩短启动时间。

2.8.1平衡机构的形式

1.配重平衡机构

这种平衡装置结构简单，平衡效果好，易于调整，工作可靠，但增加了机械手手臂的惯量与关节轴的载荷。一般在机械手手臂的不平衡力矩比较小的情况下采用这种平衡机构。

2.弹簧平衡机构

弹簧平衡机构，机构简单、造价低、工作可靠、平衡效果好、易维修，因此应用广泛。

3.活塞推杆平衡机构

活塞式平衡系统分为两种，一是液压平衡系统，二是气动平衡系统。其中液压平衡系统平衡力大，体积小，有一定的阻尼作用；而气动平衡系统，具有很好的阻尼作用，但体积比较大。活塞式平衡需要配备有专门的液压或气动装置，系统复杂，因此造价高，设计、安装和调试都增加了难度，但是平衡效果好。用于配重平衡、弹簧平衡满足不了工作要求的场合。

2.8.2具体设计方案

因为本机械手采用圆柱坐标型的结构，而且在手臂的结构设计以及整个机械手的设计和布局中都重点考虑了机械手手臂的平衡问题，通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身尽可能达到平衡。若实际工作中平衡结果不满足，则设置弹簧平衡机构进行平衡。

第3章理论分析和设计计算

3.1电机选型有关参数计算

3.1.1有关参数的计算

1.若传动负载作直线运动（通过滚珠丝杠）则有

具体到本设计，因为步进电机是驱动腰部的回转，传递运动形式属于第二种。下面进行具体的计算。

因为腰部回转运动只存在摩擦力矩，在回转圆周方向上不存在其他的转矩，则在回转轴上有；

3.1.2电机型号的选择

根据以上计算结果，并综合考虑各方面因素，决定选择北京和利时电机技术有限公司（原北京四通电机公司）的步进电机，具体型号为：

110byg550b-sakrma-0301或110byg550b-sakrmt-0301或110byg550b-bakrmt-0301，该步进电机高转矩，低振动，综合性能很好，各项参数如表3-2。

其中110byg550b-sakrma-0301型步进电机矩频特性曲线和相关技术参数。如图3-3所示

驱动方式为升频升压，步距角为0.36°。同时因为腰部齿轮传动比为1：120，步进电机经过减速后传递到回转轴，回转轴实际的步距角将为电机实际步距角的1/120（理论上），虽然实际上存在着间隙和齿轮传动非线性误差，实际回转轴的最小步距角也仍然是很小的，故其精度相当高，完全满足机械手的定位精度要求。

3.2液压传动系统设计计算

3.2.1确定液压系统基本方案

液压执行元件大体分为液压缸和液压马达，液压缸实现直线运动，液压马达实现回转运动。二者的特点及适用场合见表3-1：

因为机械手设计为圆柱坐标形式，且具有3个自由度，一个为腰座的转动，两个为手臂的移动自由度。同时考虑机械手的工作环境和载荷对其布局和定位精度的要求，以及计算机的控制的因素，腰部的回转用电机驱动实现，机械手的水平手臂和垂直手臂都采用单活塞杆液压缸，来实现直线往复运动。

3.2.2拟定液压执行元件运动控制回路

液压执行元件确定后，其运动速度和运动方向的控制是液压回路的核心问题。

速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。相应的调速方式有节流调速、容积调速以及二者结合的容积节流调速；方向控制是用换向阀或是逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统，通过换向阀的有机组合来实现所要求的动作。对高压大流量的系统，多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。

本设计的速度的控制主要采用节流调速，利用用比较简单的节流阀来实现，而方向控制采用电磁换向阀来实现。

3.2.3液压源系统的设计

液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。节流调速系统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。容积调速系统多用变量泵供油，用安全阀来限定系统的最高压力。

油液的净化装置是液压源中不可缺的元件。一般泵的入口要装粗滤油器，进入系统的油液根据要求，通过精滤油器再次过滤。为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路上设置磁过滤器。根据液压设备所处的环境及对温升的要求，还要考虑加热、冷却等措施。

本设计的液压系统采用定量泵供油，由溢流阀v1来调定系统压力。为了保证液压油的洁净，避免液压油带入污染物，故在油泵的入口安装粗过滤器，而在油泵的出口安装精过滤器对循环的液压油进行净化。

3.2.4绘制液压系统图

本机械手的液压系统图如图3-2所示（详见图纸第四页），

它拥有垂直手臂的上升、下降，水平手臂的前伸、后缩，以及执行手爪的夹紧、张开三个执行机构。

其中，泵由三相交流异步电动机m拖动；系统压力由溢流阀v1调定；1dt的得失电决定了动力源的投入与摘除。

考虑到手爪的工作要求轻缓抓取、迅速松开，系统采用了节流效果不等的两个单向节流阀。当5dt得电时，工作液体经由节流阀v5进入柱塞缸，实现手爪的轻缓抓紧；当6dt失电时，工作液体进入柱塞缸中，实现手爪迅速松开。

另外，由于机械手垂直升降缸在工作时其下降方向与负荷重力作用方向一致，下降时有使运动速度加快的趋势，为使运动过程的平稳，同时尽量减小冲击、振动，保证系统的安全性，采用v2构成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背压，以平衡重力负载。

3.2.5确定液压系统的主要参数

液压系统的主要参数是压力和流量，他们是设计液压系统，选择液压元件的主要依据。压力决定于外载荷，流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。

1.计算液压缸的总机械载荷

3.液压缸主要参数的确定

考虑到机械手的特点，系统的刚度及其稳定性是很重要的。因此，先从刚度角度进行液压缸缸径的选择，以尽量优先保证机械手的结构和运动的稳定性和安全性。至于液压缸的工作压力和缸的工作速度，放在液压系统设计阶段，通过外部的液压回路、采用合适的调速回路和元件来实现。经过仔细分析，综合考虑各方面的因素，初步确定各液压缸的基本参数如下；

因为伸缩缸的作用主要是实现直线运动，在其轴向上并不承受显性的工作载荷（因为手爪夹持工件，受力方向为垂直方向），轴向主要是克服摩擦力矩，其所受的载荷主要是径向载荷，载荷性质为弯矩，使其产生弯曲变形。而且因为机械手要求具有一定的柔性，水平液压缸活塞杆要求具有比较大的工作行程。同时具有比较大的弯矩和比较长的行程，这对液压缸的稳定性和刚度有较高的要求。

因此，在水平伸缩缸的设计上，一是增大其抗弯能力，二是通过合理的结构布局设计，使其具有尽量大的刚度。为了达到这个目的，设计中采用了两个导向杆，以满足长行程活塞杆的稳定性和导向问题。另一方面，为增大结构的刚度和稳定性，将两个导向杆与活塞杆布局成等边三角形的截面形式，以增大抗弯截面模量，也大大增加了液压缸的工作刚度。

因为垂直液压缸所承受的载荷方式既有一定的轴向载荷，又存在着比较大的倾覆力矩（由加工工件的重力引起的）。作为液压执行元件，满足此处的驱动力要求是轻而易举的，要解决的关键问题仍然是它的结构设计能否有足够的刚度来抗倾覆。这里同样采用了导向杆机构，围绕垂直升降缸设置四根导杆，较好的解决了这一问题。

4.液压缸强度的较核

（1）活塞杆直径的较核

3.2.6计算和选择液压元件

1.控制元件的选择

根据系统最高工作压力和通过该阀的最大流量，在标准元件的产品样本中选取各控制元件。

2.液压泵的计算

第4章机械手控制系统的设计

4.1硬件设计

4.1.1操作面板布置

操作面板布置如图4-2所示：

机械手的操作方式分为手动操作和自动操作两种。

1.手动操作：就是用按钮作机械手的每一步运动进行单独的控制。当选择升／降按钮时，按下启动按钮，机械手上升；按下停止按钮时，机械手上升。当选择正转/逆转按钮时，按下启动按钮，机械手顺时针转动，而按下停止按钮时，机械手逆时针转动。同理，当选择夹紧/放松按钮时，按下启动按钮，机械手爪夹紧，而按下停止按钮时，手爪松开。

2.自动操作：机械手从原点开始，按下启动按钮，机械手的动作将自动的、连续的周期性循环。在工作中若按下停止按钮，机械手将继续完成一个周期动作后，回到原点位置。

4.1.2工艺过程与控制要求

机械手的动作有腰座的旋转，垂直手臂的升降，水平手臂的伸缩及手爪的夹紧与松开。手臂垂直升降和水平伸缩由液压实现驱动；手爪的夹紧与放松，通过柱塞缸与齿轮来实现；腰座旋转通过步进电动机与齿轮来实现。

其中，液压缸由相应的电磁阀控制，升降分别由双线圈的两位电磁阀控制，当下降电磁阀通电时，机械手下降；断电时，机械手下降停止；当上升电磁阀通电时，机械手上升；断电时，机械手上升停止。而水平方向的伸缩主要由电液伺服阀、伺服驱动器、感应式位移传感器构成的回路进行调节控制。

实现执行手爪夹紧与放松的柱塞缸，由单线圈的电磁阀（夹紧电磁阀）来控制，当线圈不通电时，柱塞缸不工作，当线圈通电时，柱塞缸工作冲程，手爪张开，柱塞缸工作回程，手爪闭合。

当机械手旋转到机床上方，并准备下降进行上下料工作时，为了确保安全，必须在机床停止工作并发出上下料命令时，才允许机械手下降进行作业。同时，从工件料架上抓取工件时，也要先判断料架上有无工件可取。

4.1.3作业流程

机械手工作流程如图4-1所示：

从原点开始，按下启动键，且有上下料命令，则水平液压缸开始前伸并进行伺服定位，前伸到位后，停止前伸；下降电磁阀通电，同时手爪柱塞缸电磁阀也通电，机械手下降，同时张开手爪，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止，同时手爪夹紧，抓住工件；上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；plc开始输出高速脉冲，驱动机械手逆时针转动，当转过90度到位后，plc停止输出脉冲，机械手停止转动；接着下降电磁阀通电，机械手下降，下降到位后，碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止，机械手到达卡盘中心高度；机械手开始水平定位后缩，将工件装入机床卡盘；当工件装入到位后，卡盘收紧；机械手松开手爪，准备离开；接着上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；plc启动高速脉冲驱动机械手作顺时针转动，当转过90度到位后，plc停止输出脉冲，机械手停止转动，机械手回到原点待命；机床进行加工。

当数控机床加工完一个工件时，发送下料命令给机械手，机械手接到命令后，plc马上输出脉冲驱动机械手逆时针转动，当转过90度到位后，plc停止输出脉冲，机械手停止转动；下降电磁阀通电，同时手爪柱塞缸电磁阀也通电，机械手下降且张开手爪，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止且手爪夹紧，夹紧已加工好的工件；机床卡盘松开；机械手开始前伸，将工件从机床上取出，准备运走；上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；plc输出高速脉冲，驱动机械手顺时针转动，当转过90度到位后，plc停止输出脉冲，机械手停止转动；下降电磁阀通电，机械手下降，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止；接着手爪柱塞缸电磁阀通电，手爪张开，放下工件准备离开；接着上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止同时手爪也闭合复原；接着机械手水平手臂开始后缩，准备回原点，当后缩到位时，后缩停止，机械手回到原点，一个上下料过程结束；机械手在原点等待命令，准备下一个工作循环。

机械手的每次循环都从原点位置开始动作。

4.1.4控制器的选型

机械手控制系统的硬件设计上考虑到机械手工作的稳定性、可靠性以及各种控制元件连接的灵活性和方便性，控制器应选择有极高可靠性、专门面向恶劣的工业环境设计开发的工业控制器---plc，故选择在国内应用较多的西门子s7-200型plc。具体型号为simatics7-200cpu224。如图4－3所示：

该plc集成14，输入/10，输出共24个数字量i/o点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量i/o点或35路模拟量i/o点，具有16k字节程序和数据存储空间。6个独立的30khz高速计数器，2路独立的20khz高速脉冲输出，具有pid控制器。1个rs485通讯/编程口，具有ppi通讯协议、mpi通讯协议和自由方式通讯能力。i/o端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。

4.1.5控制系统原理分析

由于机械手作业时，取、放工件和装、卸工件都有较高的定位精度要求，所以在机械手控制中，除了要对垂直手臂、执行手爪液压缸和腰部步进驱动进行开环控制外，还要对水平手臂进行闭环伺服控制。

为了减少plc的i/o点数，以伺服放大器作为闭环的比较点。伺服放大器具有传感器反馈输入端，给定的输入信号和反馈信号进行比较后形成的控制信号经过pid调节和功率放大后，驱动电液伺服阀对液压缸进行伺服定位。plc将上位机输入的给定信号转换为电压信号，输出至伺服放大器，由伺服放大器作为闭环比较点，组成模拟控制系统，如图4-4所示：

这种方案使得plc控制量少（尤其是模拟量），节省了系统资源，而且编程简单，不必过多考虑控制算法等优点，也是完全能满足工作要求的。

4.1.6plc外部接线设计

为实现水平手臂液压缸伺服定位的控制要求，利用西门子simatics7-200（cpu224）plc，考虑到位移传感器和伺服放大器工作采用的都为模拟量，因此增加一个模拟量输出模块em232。鉴于伺服放大器和位移传感器对输入的要求，plc的模拟量采用-10v~+10v输入输出，各输入输出点及其接线如图4-5所示。

plc的具体硬件接线图如下图所示（详细的硬件设计见图纸）

4.1.7i/o地址分配

详细参见表4-1、4-2：

4.2软件设计

4.2.1控制主程序流程图

机械手控制主程序流程图如图4-6所示：

结论

本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年所学知识进行整合，完成一个特定功能、满足特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平、实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，实现了理论和实践的有机结合。

机械手采用可编程序控制器控制,可以实行手动调整、手动及自动控制。系统结构紧凑、工作可靠，设计周期短且造价较低。plc有较高的灵活性，当机械手工艺流程改变时，只要对i/o点的接线稍作修改，或对i/o重新分配，在控制程序中作简单修改，补充扩展即可。经过重新编制相应的控制程序，就能够比较容易的推广到其他类似的加工情况。

综上，经过资料的收集、方案的选择比较和论证，到分析计算，再到工程图纸的绘制以及毕业设计论文的撰写等各个环节，我对大学四本科阶段的知识有了一个整体的深层次的理解，同时对工程的理解更加深刻和准确。因此，通过毕业设计实现了预期目标。

致谢

经过一段时间的努力，本次毕业设计终于完成。在这段时间里，我运用大学所学知识，通过对本设计的论证、计算以及图纸的绘制，对大学所学知识进行了一次系统的整合，使自己的理论和实际动手能力有了很大提高。

此次毕业设计能够顺利完成，我得到了很多老师和同学的帮助和支持，在此向他们表示感谢。在此毕业设计过程中，尤其要感谢我的指导老师，他给我很多专业方面的帮助，让我少走很多弯路。还有在大学里所有的任课老师和图书馆的管理老师，也谢谢你们，是你们给我知识，谢谢！

此外，由于个人知识能力水平有限，论文中难免有纰漏错误指出，恳请各位老师批评指正，谢谢！

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