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模块一 机电一体化系统概论1

【学习目标】1

任务一 认知机电一体化1

【任务描述】1

【知识准备】1

1．机电一体化的发展概况及发展趋势1

2．机电一体化的关键技术2

3．机电一体化系统设计及其工程路线3

4．详细设计步骤4

【任务实施】了解CNC机床内部功能构成4

1．机电一体化产品的五种内部功能4

2．CNC机床的内部功能5

【知识拓展】机电一体化的发展趋势5

【学习小结】5

习题一5

模块二 机械系统设计7

【学习目标】7

任务一 传动机构设计7

【任务描述】7

【知识准备】7

1．传动机构性能要求7

2．传动机构类型及其原理7

3．传动机构的典型结构8

【任务实施】传动机构的典型结构设计计算11

【知识拓展】常用传动机构简介13

任务二 支撑与导向机构设计14

【任务描述】14

【知识准备】14

1．支撑与导向机构性能要求14

2．支撑与导向机构类型15

3．支撑与导向机构的典型结构18

【任务实施】支撑与导向机构的典型结构设计计算19

【知识拓展】导轨的材料22

任务三 执行机构设计22

【任务描述】22

【知识准备】22

1．执行机构性能要求22

2．执行机构类型及其原理23

【任务实施】执行机构的设计计算24

1．机械夹持器24

2．特种末端执行器27

3．灵巧手28

【知识拓展】执行机构的新型结构28

【学习小结】31

习题二31

模块三 检测系统设计32

【学习目标】32

任务一 模拟式传感器信号的检测32

【任务描述】32

【知识准备】模拟信号检测系统的构成32

【任务实施】33

1．认知基本转换电路33

2．认知信号放大电路34

3．认知滤波器37

4．认知运算电路44

【知识拓展】模拟传感器系统的抗干扰措施48

1．干扰的种类48

2．模拟传感器抗干扰的措施48

任务二 数字式传感器信号的检测50

【任务描述】50

【知识准备】数字信号检测系统的组成50

【任务实施】50

1．多路采集细分与辨向50

2．电阻链移相细分与辨向53

3．锁相倍频细分与辨向55

4．脉冲填充细分与辨向59

【知识拓展】数字传感器的驱动电路59

任务三 检测信号的采集和预处理60

【任务描述】60

【知识准备】模拟量的转换输入方式60

【任务实施】61

1．认知模拟多路开关61

2．了解信号采样与保持62

3．了解数字信号的预处理63

4．了解传感器的非线性补偿66

【知识拓展】传感器的零位误差和增益误差补偿67

【学习小结】67

习题三68

模块四 控制系统设计69

【学习目标】69

任务一 被控对象数学模型的建立69

【任务描述】69

【知识准备】69

1．数学模型的类型69

2．建立数学模型方法69

3．被控对象模型的辨识70

【任务实施】被控对象数学建模实例76

【知识拓展】典型环节的数学模型实例77

1．机械平移系统77

2．机械转动系统78

任务二 了解计算机控制技术78

【任务描述】78

【知识准备】78

1．计算机控制系统的组成及特点78

2．计算机控制算法84

3．数字控制器设计91

4．控制输出接口设计100

【任务实施】计算机控制技术应用实例110

1．自动化立体仓库概述110

2．巷道堆垛机控制系统111

3．DeviceNet网络结构及其网络配置116

【知识拓展】计算机控制技术的发展122

【学习小结】122

习题四123

模块五 伺服系统设计124

【学习目标】124

任务一 熟悉伺服系统的分类及设计要求124

【任务描述】124

【知识准备】124

1．伺服系统的概念124

2．伺服系统的分类124

3．伺服系统的构成125

4．伺服系统的基本要求125

5．伺服系统的执行元件126

【任务实施】伺服系统设计131

【知识拓展】数控机床的主轴与进给伺服系统132

1．主轴伺服系统132

2．进给伺服系统132

任务二 认知步进电机伺服系统133

【任务描述】133

【知识准备】133

1．步进电机的工作原理及特点133

2．步进电机的结构类型134

3．步进电机的运行特性及参数135

4．步进电机的微机开环控制138

5．步进电机的微机闭环控制141

【任务实施】步进电机伺服系统的典型计算141

1．系统的脉冲当量141

2．惯量匹配142

3．转矩的匹配142

4．速度的匹配143

【知识拓展】步进电机伺服系统设计的主要内容144

任务三 认知直流伺服系统144

【任务描述】144

【知识准备】145

1．直流伺服电机的原理、结构、控制方式及分类145

2．直流伺服电机的静态和动态特性145

3．直流伺服电机的调速147

4．直流位置伺服系统的结构及数学模型149

【任务实施】直流伺服系统设计的有关计算151

1．伺服刚度151

2．滚珠丝杆的扭转刚度及综合轴向刚度151

3．固有频率的计算152

4．失动量的计算152

【知识拓展】无刷直流伺服电机153

任务四 认知交流伺服系统155

【任务描述】155

【知识准备】155

1．交流伺服电机工作原理和特点155

2．交流伺服电动机的类型156

【任务实施】异步电动机的调速156

1．V1/f1变频调速原理156

2．转差频率控制的变频调速158

3．矢量控制技术159

【知识拓展】高性能交流伺服系统的发展159

任务五 认知直线电动机160

【任务描述】160

【知识准备】160

1．直线电动机的基本原理160

2．直线电机的分类及特点161

【任务实施】分析典型直线电动机161

1．直线直流电动机161

2．直线步进电动机162

3．压电式直线电动机162

【知识拓展】直线电机技术的发展163

【学习小结】164

习题五164

模块六 仿真在机电系统设计中的作用165

【学习目标】165

任务一 机械传动系统的仿真165

【任务描述】165

【知识准备】165

1．Simulink和SimMechanics环境下的建模仿真165

2．机械传动系统的动力学模型166

3．传动机构的仿真分析168

【任务实施】169

1．齿轮传动机构Simulink仿真分析169

2．齿轮传动机构SimMechanics仿真分析171

【知识拓展】传动机构的机械参数对系统性能的影响173

1．惯量的影响174

2．摩擦阻尼的影响174

3．刚度的影响175

4．传动链的误差175

任务二 机构动态仿真175

【任务描述】175

【知识准备】176

1．机构运动学模型及仿真176

2．机构动力学分析177

【任务实施】平面五连杆机器人动态仿真实例177

1．正向运动学模型178

2．逆向运动学模型179

3．基于数学模型的运动学仿真分析179

4．基于SimMechanics的动力学仿真分析180

【知识拓展】建模与仿真的校核、验证与确认182

任务三 伺服驱动系统的仿真182

【任务描述】182

【知识准备】183

1．基于传递函数的伺服控制系统仿真183

2．基于状态空间的伺服控制系统仿真189

【任务实施】倒立摆系统伺服控制仿真实例191

【知识拓展】模糊控制系统仿真192

1．模糊控制系统组成192

2．模糊控制的基本原理193

【学习小结】193

习题六193

模块七 机电一体化总体设计195

【学习目标】195

任务一 了解总体设计功能及性能指标的分配195

【任务描述】195

【知识准备】195

1．机电一体化系统内部功能的设计要求195

2．机电一体化系统常用性能指标195

3．常用性能指标分配原则197

【任务实施】功能及性能指标分配实例199

【知识拓展】机电一体化系统的性能评价202

任务二 熟悉总体设计的方法和步骤204

【任务描述】204

【知识准备】204

1．机电一体化产品的设计类型和总体设计方法204

2．机电一体化产品的设计与现代设计方法205

3．机电一体化系统（或产品）的设计步骤207

【任务实施】定量电子秤总体设计实例208

【知识拓展】机电一体化系统的可靠性设计方法211

【学习小结】213

习题七214

参考文献215