机电系统设计范文
时间：2023-03-13 20:11:30
导语：如何才能写好一篇机电系统设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
对于机电系统设计这门课程而言，其教学的问题大致可以分为教学内容的问题以及教学方式的问题，本文从这两个方面对其中的主要问题进行分析。
1.1教学内容的问题
在现有的机电系统设计课程当中，其内容存在着一定的混乱性以及单一性，首先对于机电系统设计课程的教材而言，有着不同的版本，并且每一版本当中的内容分布都不相同，甚至有些内容本身都不同，并且对于机电系统设计知识的讲解深度也有着一定的差别，这就意味着，如果在教师水平相当的情况下，不同教材内容下培养出来的学生能力也会有着一定的差距，这对于学生未来的发展极为不利，因为机电系统设计课程学习越来越深入之后，学生的差距就会越来越大，到后来的实际运用过程当中，学生的实践能力也会由于理论支撑的差距而产生差距，一部分学生会面临淘汰的威胁。另外一点就是课程杂乱无章，比如其课程当中包含着微机控制、数控技术、计算机技术、机电系统设计是机电学当中的主要课程，在机电系统设计课程的教学当中，一直将机电系统设计作为一门主干课程进行教学。机电系统设计是一门综合性与实践性比较强的课程，其对于学生的实践能力要求比较高，而在传统的教学方式下学生并不能通过课本当中的基础看到本质，机电系统设计课程的教学改革已经势在必行，本文从目前机电系统设计课程当中所存在的问题出发，分析其具体的教学改革的方式。
1.2教学方法的问题
首先教学方式的问题可以分为传统教学方式的问题与现代教学方式的问题，在传统的教学方式当中，教师往往采取教师讲，学生听的方式，这种方式学生仅仅是被动的吸取知识，并且对于理论知识的理解程度并不代表着实践运用能力的程度。而机电系统设计是一门实践性要求比较高的课程，所以在教学的过程当中，其教学方法一定要围绕学生的实践性出发，这种传统的教学方式不仅不能培养学生的实践能力，还会因为枯燥的理论学习使得学生失去学习兴趣。另外一方面在现代教学方法的普及下，在教学领域当中的科技成分越来越高，大量多媒体教学工具、实践机械教学工具、投影仪等教学工具的使用使得教学效率提高，原本需要三个课时的教学内容教师在PPT的讲解方式下只需要一个课时，虽然提高教学进度，但是忽视了学生的接收能力与对知识的理解能力，从根本上来说并没有提高教学效果。
2机电系统设计课程教学改革策略
根据上文当中所提出的问题进行分析，探究在面对以上教学问题的情况下如何进行机电系统设计教学改革。
2.1优化教学内容
首先针对教学体系而言，需要对机电系统设计这门课程的教材内容进行整合设计，整体而言可以将教材的内容分布进行三个阶段的设置，首先是理论基础知识阶段，让学生认识机电系统设计这一项目的原理。第二个阶段就是将理论与实际相结合，也就是结合实际的案例，让学生进一步的认识机电系统设计这门课程的原理。最后一部分就是组织实践活动，让学生根据所学习的知识进行具体的实践，用实践来充分论证自己所学习的理论知识。另外一方面就是将教材内容进行合理的分配，也就是说要按照具体的机电系统设计程序来安排教学程序，并且注重知识点之间的连续性，将电子技术、计算机技术、检测技术、数控技术、液压技术进行结合，比如数控技术与计算机技术、电子技术可以运用在机械自动化操作上而检测技术、液压技术与电子技术则可以运用在监控系统上，并且对制动技术进行结合教学。按照时间将知识进行分类教学，增强课程知识点的连续性。
2.2教学方法的改善
教学方法的改善要从课堂教学与实践教学两个方面着手，首先对于课堂教学而言，需要注重学生的知识接收递进性，循序渐进的接触新知识，另外要充分利用现代技术，将多媒体技术与课堂教学相结合，但是要在保证学生理解知识的情况下提高教学效率。并且在对学生进行教学的过程当中，最终要的是培养学生的学习思维，特别是对于机电系统设计这门课程的教学，首先运用丰富的网络教学资源，结合实际教学案例，对其进行教学，让学生通过了解、思考、判断、提出问题、分析问题、解决问题的方式，进行学习，增强学生的思维能力。在实践教学当中，教师要脱离课堂将学生带到具体的机械车床前进行教学，对于机电系统的构造以及运作原理进行教学，并且在教学过后让学生自己动手实践，教师在一旁充当引导者的角色，提高学生的实践动手能力。
3结语
在机电系统设计这门课程的教学当中，首先要根据教学内容与教学方式进行着手，分析其中的问题，并且在教学内容当中，从教学内容的配置与教学内容整体性出发，解决其问题，而教学方式则通过实践教学与理论教学两个方面分析其解决策略，促进机电系统设计课程教学改革。
作者:黄安 曾军华 单位:江西应用工程职业学院
参考文献
[1]陈晓东.机电系统设计课程教学改革研究[J].价值工程,2012,31(17):281-282.
[2]王昊,王化更,谢飞等.以项目教学驱动机电系统设计课程教学改革[J].教育教学论坛,2015(01):87-88.
篇2
关键词：自动回转刀架；刀架控制原理；刀架电气控制系统仿真
1 数控机床刀架的介绍
自动换刀系统是数控机床的重要组成部分。机床的加工性能受刀具夹持原件的结构特性及它与机床主轴的连接方式的直接影响。而机床的换刀效率受到刀库结构形式及刀具交换装置工作方式的影响，而整机的成本造价又受自动换刀系统本身及相关结构的复杂程度的直接影响。
2 数控刀架的工作原理及电气设计
电气是机械的控制中心，也就是说电气原理的设计可以实现机械动作的复杂操作控制。下面我们通过数控刀架的电气知识霍尔效应、刀架的接线原理图和具体的经济型刀架换刀过程等，对电气原理的运用做进一步的了解。
2.1 数控车床四工位刀架换刀工作原理
电机会在接到换刀键或者换刀的指令后正转，蜗杆、涡轮、轴、轴套由于花键的定位作用，同联轴器一同转动。轴套外圆上有两处凸起，能够限位轴套，使轴套在套筒内孔中的螺旋槽内作滑动，因刀架与上端齿盘同套筒相连，此时会因套筒的滑动被举起，使上下齿盘分开，刀架抬起，当套筒继续转动时，刀架会被带动旋转90°（如不到刀位，刀架还可以继续转180°、270°、360°），而且此时控制装置能够收到由微动开关发出的检测信号，直到刀架转到指定位置，控制装置会根据微动开关提供的刀架已经到达指定位置的信号，使电动机反转，此时定位销会使刀架定位不再回转，刀架则向下移动，上下端齿盘重新压合。当蜗杆继续转动，产生轴向位移，压缩弹簧，曲面压缩开关使电机停止旋转，从而完成一次转位。微机系统的控制目的就是指四工位自动回转刀架上的四把刀具中的任意一把转到指定的工作位置。
2.2 数控刀架电气控制系统设计
2.2.1 霍尔原理在刀架中运用的简单概述 一台数控机床能够进行生产加工的衡量标准即是它的精度，如果精度不能满足需求，它就不能进行生产，而霍尔元件检测的精确性却在很大程度上保障着数控机床的精度。在数控机床上，常用霍尔接近开关来检测刀位。首先，在换刀开关接通时会发出换刀信号，随后放大器在电机的驱动下正转，刀架被抬起，电机则继续正转，霍尔元件会在刀架每转过一个工位时进行检测，判断是否为所需刀位。若不是所需刀位，电机继续正转，直到所需刀架转到工位。
那么从电路的角度来看，当整个电路被接通时，正转线圈自锁，换刀开关处于自动档的位置控制开关进行自动换刀。而霍尔元件会在刀架转到所需刀位时自动断开，停止电机。此时翻转电路接通，延迟反转，刀架下降并压紧。所以从这个过程中我们可以看出来霍尔元件在数控机床中不但起到了检测与反馈作用，也是数控机床精度的可靠性保障。
2.2.2 四工位刀架PLC接线原理图 机床PLC控制着数控机床刀架，而普通的四工位刀架用于普通机床，所以控制比较简单。我们要分析数控机床的控制原理，其实就是分析车床刀架的换刀过程，而换刀过程其实就是PLC对控制刀架所有I/O信号进行逻辑处理与计算。另外换刀过程也需要设置一些相对应的系统参数来保证正常进行。在我们分析之前，还得先了解关于刀架控制的电气部分。刀架控制电气部分如下图所示。图中a是控制刀架的正反转，是强电部分；图b控制的是两个交流接触器导通和关闭，实现图a中强电部分的控制，是弱电部分；图c部分是直接控制刀架的部分电路，控制继电器回路及PLC的输入及输出回路。
图中各器件的作用如下：
①M――刀架电动机；
②QF1――刀架电动机带过载保护的电源空开；
③Km1，Km2――刀架电动机正、反转控制交流接触器；
④KA1，KA2――刀架电动机正、反转控制中间继电器；
⑤S1～S4――刀位检测霍尔开关；
⑥SB1――启动按钮；
⑦SB2――停止按钮；
⑧C――电容给刀架单项电机不项。
篇3
［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.
篇4
[关键词]机电一体化；教学；工程实践；改革
中图分类号：TH-39；G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）06-0298-01
1 课程改革的紧迫性
《机电一体化系统设计》课程是我校“机械设计制造及自动化”专业的一门专业主干课程。目的是培养学生对机电一体化系统的应用和设计能力。本课程的基本任务，是使学生掌握对机电一体化系统的设计原理及分析应用的基本方法，是一门集理论性、实践性、综合性于一体的专业主干课程。
然而，当前的教学仍然沿用传统单一的教学模式。只注重理论知识的教学， 整个教学活动是在课堂中完成的，学生接触不到实物，看不到实训仪器仪表和设备，在学习过程中会感到文字叙述抽象、枯燥乏味，调动不起来学习的兴趣。特别是学生动手操作的机会甚少，故理论与实践教学的差距较大。
2 教学改革
教学改革从两个方面进行。
首先，课程内容需要进行改革。《机电一体化系统设计》课程涉及的知识非常广泛，前期已经对一些主要内容进行了多学时的专门课程讲授，如微机原理、机械原理、机械设计、控制系统设计等，如果是对这些内容的重复和回顾，那么，势必造成同学们普遍对该课程提不起兴趣， 教学效果很不理想。 因此， 课程内容的设置上必须要有所突破。
教学内容的改革主要抓住“机械设计制造及自动化”专业的特色，突出机械设计、制造和自动化相关能力的培养，理论教学上以机械为本体、机电一体化结合进行讲解，偏重实例教学和工程实践学习。因此，减少理论教学课时，同时，理论教学部分内容分配较多的课时讲授诸如数控机床、工业机械手、机器人、快速成型设备等典型的机电一体化产品实例，采用针对性、实用性、适当性的教学手段，如CAI教学、专业仿真教学等。增加实践教学，更新实践教学内容。我院近年十分重视实验室建设，拥有浙江省重点实验室，购置了多种机电一体化实验设备，能够满足实践教学内容的调整。
其次，教学方法上需要进行改革。采用多种教学手段， 引入课堂讨论题目和设计实例，有利于学生对所述内容的深入思考和掌握运用。组织和鼓励学生参加科研活动，增强学生对本专业发展的了解和对所学知识重要性的认识， 激发学生的学习兴趣。教学方法从如下几点进行改革：1）开展头脑风暴活动，重新定位课程体系，建立基于工程实践的课程体系；2）进行广泛的兴趣调研，确立典型工作任务，以典型工作任务为载体，让学生在完成具体任务的过程中来学习，实现学习与工程实践的一体化； 3）邀请不同学科的优秀教师参与课程开发，对课程相关内容进行更加深入和明确的讲解；4）采用项目导向、任务驱动等行动导向教学方法，实现理论与工程实践一体化教学。
教学方法实施的一个具体实例如下：按照基于工程实践的机电一体化系统设计的教学设计方案，执教教师从每一小组任选一名学生，把自己课外时间所预习的本堂课内容利用PowerPoint讲述给全班同学和老师听，每名学生大约讲述10分钟，讲完之后其他学生有2分钟左右的提问时间。执教教师在第一节下课前布置第二节所要进行探讨的主题。在第2节课， 学生们分组讨论主题。执教教师和协调员巡视各组， 检查并参与各组的讨论。讨论期间各组成员可以面对面进行问题分析探讨，然后由各小组推选一名代表总结本小组的讨论结果，如果小组成员觉得意犹未尽，课下也可继续探究，得出结论。最后，由执教教师提出问题及修改建议，并给出相应资源。
通过改变原教学计划，建立基于工程实际的教学计划，本课程改革得出的模式要素及其之间的关系与原先的计划基本相同，但是某些要素需要增加或改进。例如：针对实验实践教学，将科研使用的设备与元器件搬入课堂，直观形象化教学，其关键在于学习内容是通过形象的实际设备和元器件，再现工业应用情景等形式得以显现，学生积极参与其中，便于学生学习，但是还需要添加更为具体实用的工具和机构，能够让学生轻而易举的动手实现；针对理论知识学习，执教教师认为采用仅仅通过讲解PowerPoint讲稿的形式效果不好，不利于学生的理论知识学习，拟采用学生提前准备教师将要讲的知识点相关知识，在课堂上进行探讨式教学，提高教学效果。
篇5
【关键词】信息处理 控制子系统 设计
一、信息处理和控制子系统设计过程
信息处理与控制子系统的设计是围绕着执行子系统的功能需求而进行的，信息处理与控制子系统设计的主要内容有：
1.确定控制子系统的整体方案。构思控制子系统的整体方案必须深入了解被控对象的控制要求。关键问题有：（1）控制方式及其与计算机的匹配条件。对于一个机电一体化系统，要实现某些功能可采用多种控制方案、多种控制方法。计算机系统的主要作用是实现一定的控制策略和完成一定的信息处理。当控制系统的功能和主要性能指标确定后，对计算机的基本要求也就随之确定了。由于工业控制计算机有多种类型，每种类型又包含多种产品，往往有多种方案可以实现同一控制目标。（2）应考虑驱动部件的类型和执行部件（机构）的类型。（3）应考虑对可靠性、精度和快速性有什么要求。（4）应考虑微机在整个控制系统中的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理。微机应承担哪些任务，为完成这些任务，微机应具备哪些功能，需要哪些输入/输出通道，配备哪些外围设备。（5）画出控制子系统组成的初步框图，作为下一步设计的依据。
2.确定控制算法。应对控制子系统建立数学模型，确定其控制算法。控制算法决定了控制系统的优劣。应根据不同的控制对象、不同的控制指标要求选择不同的控制算法。对于复杂的控制系统，其算法也较复杂，使控制较难实现。为此需进行某些合理简化，忽略某些次要影响因素，使控制算法简化，以获得较好的控制效果。
3.控制子系统总体设计。控制子系统要综合考虑硬件和软件措施，解决微型机、被控对象和操作者三者信息交换的通路和分时控制的时序安排问题，保证系统能正常地运行。通过总体设计，画出系统的具体构成框图。
4.软件设计。微机控制系统的软件主要分为系统软件和应用软件，软件设计主要指应用软件的设计。控制子系统对应用软件的要求是具有实时性、针对性、灵活性和通用性。系统的硬件和软件需合理结合。在机电一体化系统中，哪些功能用硬件实现、哪些功能用软件实现等都是设计时应考虑的重要问题。对于运算与判断、处理等功能适宜用软件来实现，而其余不少的功能既可用硬件来实现，又可用软件来实现。为了合理组成控制系统的硬件和软件，通常根据系统的经济性和可靠性综合最优来确定。
二、信息处理与控制系统硬件设计
1.电子部件设计
电子系统的标准部件设计与机械部件设计过程大为不同。对于简单部件，如电容器、电阻器、电位计和变压器等，可以像机械设计那样，将部件设计理解为确定其所有基本性质的过程。部件完全被单个元件的（机械）结构所定义，每个元件又由其形状、尺寸、材料、表面质量所描述。当然，电磁性质对于材料的选择是非常重要的。对于像半导体和集成电路这样的复杂功能部件，对基本设计性质的确定并不能充分地解释所有可直接处理的设计性质。随着超大规模集成电路部件上晶体管数量的惊人增长，电子部件设计只能在计算机辅助下，采用层次化、面向系统的方法来进行。电子部件主要由专业化公司设计，在许多方面都实现了高度标准化，如部件值及公差、功能说明、机械封装（如双列直插式封装、表面贴装技术封装）、温度范围等。只有在一些特殊情况下，机电设计者才需要自行设计电子部件。
2.电路设计
在电子系统中，可以进行电路的功能设计而几乎独立于其物理实现，其结果就是电路设计（二维）与电子封装设计（三维）的分离。电路基本上是由具有传导联系的功能部件所构成的二维结构。很少从头开始设计一个电路。对于典型的功能需求，在技术资料中存在着大量的概念原理解，如放大器、振荡器、滤波器、模/数转换器、微处理器电路等。电路设计是利用已有元器件创造出新的结构。在设计时，可将设计任务由顶向下地细分为子问题，直至其对应于已知方案解或已知集成部件。电路设计主要基于分析和尺寸确定方法。一旦确定电路图结构，就可详细地计算其性能并进行仿真。因而通常的做法是快速提出一个方案解用于电路分析，然后修改该方案直至满足设计要求。由于一些因素的存在，使得电路功能难以完全独立于电路图的物理实现（即封装），例如：导体尺度限制了能量传输和转换率；电路中的热功耗完全依赖于机械结构；电磁屏蔽对于微处理器的正常运行极其关键；过小的尺寸会引起信号载体间的反馈和串扰；制造公差使得一些规定功能产生了偏差。需要注意的是，以上多数问题都与信号中的能量因素有关，它们实际上是电路设计师和封装、机械设计师的“接口”问题。与机械设计相比，电子系统的功能设计和物理实现相互之间更加独立。在描述电子变换功能、部件结构的图形建模方面，都有相应理论和方法存在，但设计综合理论非常少。在一定程度上，机械设计理论可以应用于电子部件设计和电子封装设计。
三、信息处理与控制系统软件设计
在软件系统方案设计中，主要问题是生成必需的变换和数据的整体结构。对于一个给定的系统，这个结构通常是唯一的，而其中的程序模块（如算法）则往往能够再次应用于其它设计。但是目前，能够明确软件模块的功能和输入输出的标准化方法还不存在，这就意味着难于进行功能的分类，软件模块的重用也极其有限。所以，软件设计中的问题通常是“新”的，需要寻求未知解。软件工程中的设计建模是个薄弱环节。软件设计非常抽象，只有进入编程阶段，设计者才能使用文字和图表来表达设计的结构和功能。即使在编程阶段，设计工作也只能通过程序清单和输入/输出数据来进行追溯和记录。这样就不可避免地在软件设计者和外行之间产生了隔阂，因为只有在设计即将完成、程序即将嵌入硬件中时，才能够对系统的功能进行测试——而这时再想做出任何重大的修改往往就为时已晚了。为了解决这类问题，已经出现了一些方法，例如快速原型设计，即对早期、粗略的程序思想进行功能建模，以期尽快得到用户反馈、及早发现错误，做出修改。但即使应用快速原型设计方法，设计者也有必要大量使用图形，以便与外行就它的程序功能进行交流。
参考文献
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关键词：项目教学；机电系统设计；教学改革；本科教学
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）01-0087-02
机电系统设计是机械和电子的完美结合的学科，是机械学、信息学、控制理论、执行元件、传感技术和总体设计等诸多方面，在机械专业中占有比较重要的地位。学生在学习工程中，由于实际经验欠缺，加之课程牵涉面广，学习难度比较大，故而在学习过程中不可避免会存在各种各样的问题。因此，要求在教学过程中，教师要想法设法、千方百计地通过不同的教学方式，调动学生的积极性，引导学生充分认识机电系统设计这门课的重要性，从而提高学生的动手能力和实践能力，以及总体素质，从而使学生求职时增加在机电系统设计行业内的选择机会。
项目教学法目前在我国的职业教学实践方面已经有所涉及。但是在本科教学中还很少使用，为了让机械专业的学生通过项目教学直接深入到机电工程领域的实际工程应用，本文提出应用项目教学对机电系统设计课程进行的本科教学改革的崭新思路。
一、项目教学法的本质
关于项目教学法的起源，众说纷纭。我们国家著名教育家陶行知先生所提倡的“在学中做，在做中学”的教育理念与此相似。这种教学模式，将项目教学法贯彻到某课程的教学过程中，通过组织学生真实地参加项目选题、方案设计，管理项目的全过程，在项目实施的过程中完成教学任务、实现教学目的，从而培养学生的实践能力、分析能力及其他关键能力。
项目教学法摈弃了传统的教学以教师讲授为主，学习以课本为主的模式，强调理论联系实际、创新开拓精神和团队合作精神，是一种很新教育模式。该方法可以充分应用课堂理论知识解决生活中、工程中的实际存在的问题，并且通过解决项目加深对理论知识的理解，从而起到了培养学生综合能力的目的。因此，项目教学法完全体现了现代教育“素质教育”的本色。
二、项目教学法的实施步骤
项目教学法主要特点理论与实践相结合，在学习理论知识的基础上，加强学生实践能力的培养。这种方法有利于培养学生的多种能力，如：展示学生的创造性，培养了学生解决实际问题的能力，以及对项目的管理能力。项目教学法的整个教学过程，分为以下几个阶段：
1.项目教学动员阶段。项目教学法开始之前，积极组织学生参加动员大会，由学院相关领导、学科主任、专职教师、实验室教学教师及相关人员参加。会上要注意强调项目教学法此项教学改革的重要性，以及将对学生起到的重要作用，特别是机电系统设计项目教学法将强化学生以前动手能力比较弱的薄弱环节，是学生接触工程和生活中的实际项目的大好机会，也是提前将学生的理论知识和将来的工作相联系的重要环节。并对学生提出希望，希望学生切实发挥自己的主观能动性和创造性。学院和教研室将对学生提供各种指导条件和实验条件，并且帮助指导学生如何保护自己的具有知识产权的作品。
2.题目拟定阶段。学生自主分组或教师给学生分组，要求学生要充分发挥主观能动性，通过广泛查阅资料、主动思考，开拓思维，乃至市场调研拟定本小组的题目。教师在这个过程必须要干预，要求学生选定的题目适合小组各组员的特长和兴趣，并且要求项目既要体现一定的创新性、实用性，并且具备一定的挑战性，而且要成本适中、切实可行、不可好高骛远。对于项目中所用到的新知识新理论，指导教师也要能否准确把握。项目经过教师的指导和学生们的努力在有限的时间内可以顺利完成。
3.可行性论证阶段。此阶段对于项目是否能够真正实施非常重要。项目组必须在广泛的调查研究的基础上撰写项目可行性论证报告、并详细确定项目进程计划。在安排研究进度的时候，最好能够基本上与课堂教学进度并行，即：首先是机械机构、执行机构、然后是计算机、控制系统和传感器系统以及系统综合设计[4]。
教师必须认真检查并核实项目组的可行性分析及方案设计。若项目不可行或者不具备研究基础，教师应该引导学生及时更换题目，重新进行可行性评估和方案设计，这样虽然暂时会影响到项目进程，但是可以保证将来不影响后续工作进一步展开。
4.具体实施阶段。此阶段至关重要，要求学生必须按照计划实施并按照要求做好阶段总结，并及时发现问题。本阶段，学生将碰到很多新的知识，可能没有接触过。教师就要按照需求指导学生进行自学和讲解，以培养学生的学习能力和解决实际问题的能力、从而进一步提高学生的创造性思维。需要学生学习的内容，指导教师要合理把握，只要能够基本达到项目的研究需要就可以了。项目的实施过程中，学生将有大部分工作需要在实验室中完成，一定要强调学生要注意安全。对于需要设计加工的项目，指导教师要着重指导学生按照机电系统设计设计手册进行合理设计，从而可以顺利完成设计和加工的任务。
在此过程中，由于学生面对的是解决项目所需要面对的各种各样的问题，最能增强学生综合素质。教师在项目教学法的实施过程中，要非常注意培养学生自己发现问题、自己分析问题和自己解决问题的能力，引导学生自己去解决问题，充分推动学生的主动研究、主动思考的水平和能力。
5.成果汇报阶段。成果汇报的形式可以多种多样，希望每一组的同学能以研究总结报告、学术论文或者其他形式的文本呈现本小组的研究成果。写作的过程中要求学生按照正式的项目报告和学术论文形式进行撰写。另外，要求学生在写作时需要体现项目完成过程中的管理过程。报告或学术论文中要体现项目的先进性以及所存在的不足。
6.成绩考评阶段。以每个项目小组为单位，根据学生递交的成果，教师应认真考核学生完成项目的情况。针对机电系统设计项目的各系统的设计、实现方式、功能、软硬件设计以及最终的项目报告等分别进行考评，并且最终给出小组的综合考评成绩。然后，在此基础上根据项目中的分工合作情况，给出单个学生的考评成绩。考评中要特别注意学生在完成项目的过程中出现或提出的问题，以及如何分析和解决这些问题的。
7.项目拓展阶段。对于考评成绩优秀的小组可以组织学生以学术论文的形式向会议或者期刊投稿、申报专利、参加竞赛的形式进一步进行项目拓展。对于确实优秀、具备创新性并且具有一定市场的优秀项目可以由学校出面进行项目推介，让项目走向市场。
三、项目教学法需要注意的问题
1.关键在于教师素质。在机电系统设计课程的本科教学中实施项目教学法对指导教师提出了非常高的要求。要求教师非常熟悉机电系统设计产品的设计管理流程，具备机电系统设计的产品设计经验，对设计过程中各个步骤、环节以及有可能会碰到的问题做到心中有数。要求教师善于调动学生的积极性和创造性，并且本身同样具备敏锐的思维方式，善于发现问题、分析问题和解决问题。
2.需要实验室软硬件支持。项目的实施过程中，学生们需要在实验室中完成大部分工作，因此，需要现有的实验室在软硬件配备方面还要适当加强，使得实验室的条件足以支撑各个项目的完成。
3.需要经费支持。项目在实施过程中，硬件的采购，电路设计与加工、机械部件设计与加工、系统的调试等环节均需要一定的经费支持。
四、结论
本文提出应用项目教学法对机电系统设计课程本科教学进行教学改革的方案，该法将理论与实践相结合，激发学生学习兴趣和热情，培养学生开拓性思维，使学生能够以项目的形式深入机电系统设计产品设计及项目管理，着重培养学生在机电系统设计产品设计中的自己发现问题、自己分析问题和自己解决问题的能力。学生在项目教学法中所得到的成果，有可能成为机电行业的敲门砖。项目教学法将在提高学生素质、拓宽知识面和就业广度等方面有所建树。
参考文献：
[1]张建民.机电系统设计系统设计[M].北京理工大学出版社，2006.
[2]刘志忠，张丽梅，孟凡茂.将科研项目引入机电系统设计课程教学的实践和探讨[J].高教论坛，2009，（5）.
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Abstract "The Design of Mechatronics System" is a practical and comprehensive curriculum， but there are disadvantages like outdated content， insufficient practicality monotonous teaching methods in the present teaching.In order to improve the the effect and quality of teaching，and to strengthen the students' practical ability， a series of reform measures on the teaching goal， teaching content， teaching methods， teaching practice and exam method are proposed.
Key words The design of mechatronic system； teaching system； higher vocational education； reform measures
高等职业教育近几年来在中国得到了飞速发展，高等职业教育的培养目标是具备某一特定职业或职业群所需综合职业能力的，为生产和管理第一线服务的应用型、技术型人才。而传统的课程教学体系已远远不能适应技术技能型人才培养的目标，改革课程的教学体系，加强学生动手和应用能力培养是实现高等职业教育办学特色的根本途径。
高等职业教育机电类毕业生主要面向现代制造业等高新技术企业从事机电一体化产品、现代制造设备、IT产品、生物医药产品等智能化生产线的设计、安装调试、运行维护、生产管理和经营销售等技术工作。“机电一体化系统设计”是高职机电类专业的一门重要的专业核心课程，对培养学生机电产品设计、控制及调试能力具有重要作用。这门课程涉及了PLC、单片机、传感与检测、机电传动控制等多门课程的知识，综合性、系统性和应用性强，仅仅通过课堂教学是远远无法达到这门课程的教学目标的。本文结合“机电一体化系统设计”课程教学中存在的问题，为高等职业教育教学体系的改革做一些有益的探讨。
1 存在的问题
（1）内容多。对机械类专业本科生而言，“机电一体化系统设计”的教学内容包括机电一体化相关概念、机械系统、机电接口技术、气动执行机构、伺服系统、微机控制与编程、检测传感装置、典型机电一体化系统实例等诸多内容。许多学生反映知识点多而繁杂，难以记住。
（2）难度高。“机电一体化系统设计”的教学内容中的步进电机和交流伺服电机的控制，涉及复杂的参数设置和接线，接口技术中涉及不同I/O模块的校准、转换与编程，这些知识抽象，理解起来比较困难，很多同学在学习时都是一脸茫然，叫苦不迭。
（3）不会用。“机电一体化系统设计”课程中涉及许多机电一体化元器件，上课时老师很卖力地讲，学生凝神地听，但是实际中使用这些元器件时，往往不会选择型号，选择了型号又不知道如何接线。
（4）教学方法单一。这是高职“机电一体化系统设计”课程的主要问题。受传统教育观念的影响，课堂形成了“讲台上老师滔滔不绝，讲台下学生昏昏欲睡”的状况，结果是“老师怒其不争，学生却哀其不幸”。这种教学局面形成造成了学生根本无法真正理解机电一体化课程的基础知识，很多学生学了一学期却还不知道如如何控制机电一体化设备，这样的教学无法达到课程的教学目标。
（5）教材内容不适应高职教育的新要求。目前可以将学校中使用的“机电一体化系统设计”教材归为两类，一类是常规类，另一类是项目驱动类。常规类教材按照机电一体化的概念、机械系统、伺服系统、接口技术、控制系统等内容划分各个独立章节。这类教材具有完整的体系、模块化的结构、层次分明的内容，但其重理论轻实践，实理脱节，对职业院校学生的工程应用能力培养不足。如果任课教师按照教材的顺序进行教学，学生就难以搞清楚如何设计并控制某一种机电一体化产品，不利于培养学生的机电设计能力和编程控制思维。项目驱动式类教材能从职业岗位需求出发，以项目和任务引出知识点。该类教材编写形式直观生动，增强了可操作性和可读性。但是，该类教材的系统在面向职业岗位的系统性方面稍显不足。当学生很努力地学会了书本知识，信心满满地去设计一个新项目时，却仍然感觉无从下手。
2 改革措施
2.1 教学目标
教学的目标不仅要使学生必须掌握典型机电一体化元器件与典型机电一体化设备的基本原理，形成机电一体化技术的思维理念，更重要的是根据实际情况会合理选用机电一体化元器件型号，能够根据元器件说明书接线，将若干元器件组合成机电一体化系统完成一定的控制功能。
2.2 教学内容
机电一体化技术是发展非常迅速的一种技术，市场上新技术、新产品不断出现，但现有的“机电一体化系统设计”教材内容比较陈旧，与实际生产脱节；偏重理论讲解，应用实例少，实用性差；实物插图少，内容抽象；机电一体化实例不够典型，不能与前面章节形成有效融合。
根据目前教材中存在的问题，笔者结合多年教学经验，认为“机电一体化系统设计”教材编写应遵循以下要求：理论要本着“够用”和“实用”的原则，依托本地区目前及今后机电领域发展情况，在全面调研的基础上合理选择机电类企业的典型产品所用到的知识和技术作为教材内容。特别是考虑到近十几年非标准自动化设备产业的飞速发展，教材各章节中应包含以下内容：机械技术章节中应包含滚珠丝杆与直线导轨；微机控制章节应包含PLC的常用控制功能及变频器控制；接口技术章节应包含PLC的各种控制模块，尤其是I/O转换模块与温度模块，还应该包含触摸屏技术；检测与传感装置章节中应包含各种接近开关、色标传感器、光电编码器和光纤传感器；伺服系统章节应包含PLC如何控制步进电机和交流伺服电机；气动技术中应包含带磁环的直线气缸与旋转气缸选型与控制；机电一体化产品实例可以选择数控机床、工业自动化生产流水线、电梯、工业机械手等几种典型产品。
教材内容的选择除了要考虑与生产密切结合的实用性外，还应具有理论联系实践可操作性。教材中应增加所讲元器件的实物图片和生产该元器件的知名企业信息，并增加该元器件的典型说明书一份，这样既使学生对该元器件有了全方位认识，又能够学会实际使用时应该如何选择型号。这部分内容可与企业工程师联合共同完成。
2.3 教学方法
“机电一体化系统设计”课程具有知识点繁多、内容不易理解、应用性强等特点。因此，采用形式多样的教学方法，有助于激发学生的学习兴趣，提升课堂教学质量。在授课过程中，每个章节的内容用典型自动化设备引入，先观看视频，再提出问题，通过学习最后解决问题。讲基本元器件的原理时，课前充分发挥学生自主学习能力，让学生广泛查找搜集相关资料，课堂上由学生进行讲解，老师提出一些问题，大家一起讨论。老师做详细讲解时应配合元器件实物，增强学生感性认识。讲基本元器件在实际生产中如何选择时，可以通过企业产品实例，提出使用条件，结合元器件型号和使用场合，选择出适合该产品实例的元器件型号。拿出该课程部分课时，聘请企业的一线工程师结合经验来讲，使学生能够获得来自生产一线的信息，更加深刻地理解所学内容的重要性与实用性。
此外，建立课程的学习网站，将课程的相关内容与资料放入网络中，实现开放性教学，引导学生自主学习和拓宽知识广度，以解决授课学时不足的问题。
2.4 实践环节
实践教学内容应密切与理论结合，每完成一章的内容，应及时安排实验。机电一体化综合实训台可以帮助学生学会使用元器件，完成一定的控制功能，但是由于实训台各部分结构已模块化，这样不利于学生掌握元器件接线方法。为此，综合实践环节的任务安排不应该局限于在综合实训台上完成，而应配备足够的散件，提出控制要求，让学生自己选择器件，完成接线与参数设置，并根据要求编程实现控制功能。对于能力较强的同学，可以安排到自动化企业去完成综合实践，配合企业的实际产品完成某部分控制功能，在实践中积累经验。
2.5 构建机电教学企业
“教学企业”是它集生产功能和教学实训功能于一体，并按市场机制运营，兼顾经济效益、社会效益和教学效益的校企合作实体。它是职业院校谋求自身发展、实现与市场接轨、大力提高育人质量、有针对性地为企业培养一线实用型技术人才的重要举措。我院教学企业的具体的做法是由学院提供场地，与某自动化企业合作，将企业生产设备、技术人员等资源引入学校实训基地与学校设备，按企业化要求组织生产和科研，结合企业自动化生产线订单并结合课程需要开展理论和实践教学。企业的工程技术人员参与“机电一体化系统设计”课程培养方案的制订，教学标准的制定、教学组织的实施、教材内容的编写、一起学生成绩的考核等工作，而且企业技术人员作为兼职教师在“教学企业”中承担的教学工作量不少于30%。在“教学企业”中，通过规范化的运作，将教学实训活动融合在企业的生产过程之中，实现经济利益和教学效益的双赢。由于课程依托教学企业，能够以自动化生产线的设计、制造、调试、检测等真实任务作为教学载体，学生直接参与企业生产经营过程，实现“教、学、做”的一体化，有效提高学生的专业技能和综合素质。
2.6 考核方式
教学方案的改革要求考核方式也要多样化。针对基本概念、理论和计算仍采取闭卷考核。但是试卷内容应更加综合化与实用化。笔者在实践教学中，已将传统试卷的填空、选择、判断、问答、分析等题型综合在一起，安排7～8个大题，所有大题都根据实际产品来编写，每个题目里包含选择、填空、连线、问答等题目，这样的考试内容既能够避免学生为应付考试死记硬背，培养和锻炼学生的综合分析能力，在一定程度上也考查了学生解决实际问题的能力。
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关键词：切割机；PLC；控制系统；设计
中图分类号： S611 文献标识码： A
随着社会经济的发展和科学技术水平的提高，切割机在工业生产应用中也有着很大的发展，目前切割机有着火焰切割机、等离子切割机、激光切割机、水切割等，其有着不同的功能和用途。
一、PLC电气控制系统的设计原则
PLC最适合的控制对象是：工业环境较差、对安全性和可靠性要求较高、系统工艺复杂，输入/输出以开关量为主的工业自动控制系统或装置。PLC可取代工业控制计算机，作为主控制器来完成复杂的工业自动控制任务。
PLC电气控制系统设计时，要遵循以下的原则：
（一）应满足控制对象的工艺要求，保证能够按照工艺流程准确并可靠的工作。
（二）系统构成应力求简单、实用，系统易操作、调整、检修方便。
（三）设计合理、经济，能有充分发挥PLC控制的优点。
二、设计前的准备工作
（一）工艺分析。必须要对生产的工艺特点、工艺流程、主要功能等进行分析总结，提出对PLC电气控制系统设计的工艺要求。
（二）机型选择。机型的选型必须要满足工艺的要求，要基于简单、实用、易操作的原则。
（三）外部电路及电路元件的选择。根据工艺要求设计出外部电路，并要选取电路元件，例如电机、刀开关、熔断器、接触器、热继电器等。
三、控制电路的设计
（一）PLC控制系统的控制要求
1、系统设有手动、单周期、单步、连续、回原点、五种工作方式，台面在最前面，刀架在最上面，为系统的原点状态。
2、台面机构前/后运动时，电机必须已启动，而电机停止时，台面机构前/后运动应立即停止。
3、磨刀必须在刀片旋转时才能工作。
4、五种工作状态下，按下总停止按钮后，除带锯、磨刀装置外，刀架、台面的动作应立即停止。
5、电源接通后控制台面刹车的接触器KM7立即通电。
（二）电气元件的配置
1、刀开关QS1：刀开关QS1串接控制主电路的单相电源，选用规格HD11-100/28型单投双极刀开关1只。主要技术参数： 额定交流电压220V，额定交流电流100A。通断能力100A，1S短时耐受电流6kA，动态稳定电流峰值15kA。
2、熔断器FU4：选用RT18K-25型，主要技术参数：壳架等级额定电流25A，额定电流2A，额定电压AC 220V，额定断路分断能力：220V/50kA。
3、按钮SB1、SB2、SB5、SB15：选用NP4-20BN/2型，颜色为绿色，按钮SB3、SB10、SB11、SB12、SB13、SB14：选用NP4-20BN/4型，颜色为红色，按钮SB4、SB6、SB7、SB8、SB9：选用NP4-20BN/6型，颜色为蓝色。NP4系列按钮其主要技术参数如下：额定绝缘电380V，额定交流工作电压AC 220V，约定发热电流10A，额定交流工作电流4.5A。额定直流工作电压24V,额定直流工作电流2.5A。
4、行程开关SQ1～SQ4：选用YBLX-K3/20HS/Z型，其主要技术参数：额定交流电压AC 380V，额定直流电压DC 220V，额定控制容量交流200VA直流50W,含1对常开和1对常闭触点，动作最大行程3mm，最大差程1.2mm，最大操动力30N，最小回复力5N,最大全行6.0mm。
5、信号指示灯：选用ND16-22B/4型，其主要技术参数： 额定交流电压220V，额定电流≤20mA，指示灯选红色。
6、接触器：选用NCH 8-20型，其主要计数参数：额定绝缘电压500V，额定工作电压AC 230V，约定发热电流20A，额定工作电流20A，控制功率4Kw。
7、接近开关：选用E2E-X20DM8，其主要技术参数：检测距离20mm±10%，设定距离*1：0～16mm，应差距离：检测距离的10%以下，标准检测物体：铁54×54×1mm，应答频率*2：0.1kHz，电源电压（使用电压范围）：DC12～24V 脉动(p-p)10％以下 （DC10～30V）。
8、拨盘开关：选用A7CN型，其主要技术参数：开关负载容量（阻性负载）：1mA～0.1A、DC5～30V，连续通电电流：1A，接触电阻，200mΩ以下，操作力：4.41N以下。
9、转换开关：选用LW5D16F/5型，其主要技术参数：绝缘电压500V，发热电流16A。
三、PLC的选择
（一）可编程序控制器物理结构的选择
根据物理结构，可以将可编程序控制器分为整体式和模块式，整体式每一I／O点的平均价格比模块式的便宜，控制系统般使用整体式可编程序控制器。
（二）可编程序控制器指令功能的选择
现代的可编程序控制器的指令功能越来越强，内部编程元件(如辅助继电器、定时器和计数器)的个数越来越多，任何一种可编程序控制器都可以满足开关量控制系统的要求。如果系统要求完成模拟量与数字量的转换、PID闭环控制、运动控制等工作，可编程序控制器应有算术运算、数据传送等功能，有时甚至要求有开平方、对数运算和浮点数运算等功能。
（三）可编程序控制器I／0点数的确定
确定I／O点数时，应准确地统计出被控设备对可编程序控制器输入／输出点数的总需求，在此基础上，应留有10％～20％的裕量，以备今后对系统改进和扩充时使用。整体式可编程序控制器的基本单元、扩展单元的输入点数和输出点数的比例是固定的，如与系统要求的输入／输出点数的比例相差较大，可以选用只有输入点或只有输山点的扩展单元或扩展模块。
（四）存储器容量的选择
在初步估算时，对于仅需开关量控制的系统，将I／O点数乘以8，就是所需存储器的字数，这一要求一般都能满足。
在选择可编程序控制器的型号时不应盲目追求过高的性能指标，在I／O点数和存储器容量方面应留有定的裕量。
四、系统的软件设计
为了满足生产需要，很多工业设备要求设置多种工作方式，如手动和自动（包括连续、单周期、单步等、自动返回初始状态）工作方式。手动程序比较简单，一般采用经验法设计，复杂的自动程序一般根据系统的顺序功能图用顺序控制法设计。具有多种工作方式的控制系统的梯形图总体结构如图2所示。选择手动工作方式时手动开关X1为ON，将跳过自动程序，执行公用程序和手动程序。选择自动工作方式时X1为OFF，将跳过手动程序，执行公用程序和自动程序。
图2
（一）公用程序。用于自动程序和手动程序互相切换处理，当系统处于手动工作方式时，必须将除初始步以外的各步对应的辅助继电器复位，同时将表示连续工作状态的继电器复位，否则当系统从自动工作方式切换到手动工作方式，然后又返回自动工作方式时，可能会出现同时有两个活动步的异常情况，引起错误动作。
（二）手动程序。手动操作时用对应的6个按钮控制切割机的抬刀、落刀、台面向前、台面向后、刀架停止、台面停止。为了保证系统的安全运行，在手动程序中设置了一些必要的联锁，例如抬刀与落刀之间，台面向前与台面向后之间的互锁，以防止功能相反的两个输出继电器同时为ON。根据控制要求，台面机构前/后运动时，电机必须已起动，而电机停止时，台面机构前/后运动应立即停止。所以Y0线圈与控制台面向前/后的Y3和Y4线圈串联。当按下总停按钮，常闭触点断开，不执行指令，刀架、台面的动作立即停止。磨刀必须在刀片旋转时才能工作，所以在控制磨刀的Y1线圈串联Y0的常开触点。
（三）自动程序。在自动程序的过程中是切割机自动的对泡沫材料进行切割，自动判断切片的厚度，切割刀片的切割深度，切片的深度是由测速齿轮和计数器共同完成，在刀架下移的过程中测速齿轮也在跟随转动，每转动一圈向计数器发送5个脉冲并判断切割的厚度。在自动程序中首先是要对切割厚度进行设置，厚度是由拨盘开关设定的，在落刀时，当材料的完成的落刀量达到设定值刀架停止移动，继而台面前移，对材料进行切割。
五、结语
PLC控制系统切割机，在设计时必须要满足工业生产环境、生产工艺等要求，尽量做到实用、经济合理、易操作、方便维修等特点，我们还需要不断的改进和创新，来满足越来越复杂的需求，力求为工业的生产提供有力的保障。
参考文献：
[1]王振超,刘广瑞,毕竞锴,黄真.基于PLC的切割机运动轨迹控制系统的设计 [J]. 机床与液压,2012,(2).
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【关键词】机电控制，系统，设计
中图分类号： TU85文献标识码：A 文章编号：
一、前言
机电控制系统设计是指按照一定的设计规划，根据机电控制技术进行设计机电控制系统的过程。目前，随着我国经济和科学技术的发展，机电控制系统的应用也越来越广泛。
二、控制系统的基本概念
“量”控制与“逻辑”控制，一般来说，“控制”的内容可分为两类，即以速度、位移、温度、压力等数量大小为控制对象和以物体的“有”、“无”、“动”、“停”等逻辑状态为控制对象。以数量大小为对象的控制可根据表示数量大小的信号种类分为模拟控制和数字控制。
1.模拟控制
是指将速度、位移、温度或压力等变换成大小与其对应的电压或电流等模拟量进行信号处理的控制。其信号处理方法称为模拟信号处理，采用模拟信号处理的控制称为模拟控制。
2.数字控制
是指把要处理的“量”变成数字量进行信号处理的控制。其信号处理方法称为数字信号处理，采用数字信号处理的控制，称为数字控制。模拟控制精度不高，不适合于复杂的信号处理。数字控制可用于要求高精度和信号运算比较复杂的场合。用计算机作主控制器的系统中，虽然在最后控制位置、力、速度等部分中模拟控制仍然是主流，但在这之前的各种信号处理中，多数用数字控制。以上信号均是连续变化量。以“逻辑状态”为对象的控制称为逻辑控制，通常处理开关的“通”、“断”，灯的“亮”、“灭”，电动机的“运转”、“停止”之类的“1”与“0”二值逻辑信号。逻辑控制又称顺序控制。称为逻辑控制是强调信号处理的方式；称为顺序控制是强调对被控对象的作用。
三、自动控制技术
自动控制技术是通过控制器使被控对象或过程自动按预定的规律运行。因被控对象种类繁多，控制技术的内容非常丰富，有高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、示教再现、检索等技术。自动控制技术可协调机械、电器各部分来有效完成动作过程，在机电控制系统中起重要作用。
自动控制的理论基础是自动控制原理，它分为经典控制理论和现代控制理论。前者研究对象是单变量的线性时不变系统，它使用的数学工具是拉普拉斯变换，用传递函数方法在频率域进行系统分析。它的控制原理是负反馈闭环系统，以自动调节器作为反馈控制系统的中心环节，所以，经典控制理论也叫自动调节原理。后者是以多变量、非线性、时变系统为研究对象，它运用的数学工具有线性代数、矩阵论和集合论等。
它是用状态空间法在时间域内进行系统分析，用状态方程描述系统过程。根据状态及条件，分析下一步的状态。现代控制理论研究的主要内容是最优控制、随机控制、自适应控制和鲁棒控制等。经典控制理论和现代控制理论，被人们统称为传统控制理论。它们的共性是基于被控对象的精确数学模型，就是控制对象和干扰均应以严格的数学方程和函数表示。控制的任务和目标通常比较直接明确。
而在现实世界中，许多系统，诸如智能机器人系统、计算机集成制造系统、航空航天控制系统等用传统的控制理论却难以解决，从20世纪70年代以后，特别是21世纪以来，智能控制开始兴起，已经形成了一门新兴学科。智能控制系统具有学习功能、自适应功能和自行组织与协调功能。它主要采用的数学工具是符号推理与数值计算的结合以及神经元网络和模糊理论等。智能控制是一门新兴的多个领域交叉学科，它的理论尚未成熟，而实际的需要有力地推动了智能控制理论和技术的迅速发展，具有广阔的发展前景。在机电控制系统中会逐渐发挥其重要作用。
四、机电控制系统的分类
机电控制系统分类的原则性非常强，根据不同的原则可以划分出不同的机电控制系统。下面我们将主要从输出量、控制信号的变量形式、系统输入信号三个方面进行分类。
1.输出量
机电控制系统根据输出量的反馈可以分为开环式和闭环式两种。开环式机电控制系统是利用电机的转角和脉冲的连续保证精准度，所以精度比较低；闭环式机电控制系统相对于开环式而言，构造更为复杂，精度也较高。对于系统的控制被外界造成的误差而言，闭环式机电控制系统具有修正能力，而开环式机电控制系统却不具备。
2.控制信号的变量形式
机电控制系统按照控制信号变量形式的不同可以分成模拟式和数字式两种机电控制系统。模拟式机电控制系统构造简单，实时性能好，但不能实现较复杂的控制监督工作；数字式机电控制系统的精度也比较高，而且其相对于模拟式的机电控制系统而言灵活性更强，监督系统异常状态的处理功能也更强。
3.系统输入信号
机电控制系统根据系统输入信号的变化规律可以分为自动调节系统、随动系统和程序控制系统三种。自动调节系统即为定值控制系统，它主要控制系统内的基本任务；随动控制系统主要特点就是可以精确地复现系统的输入信号；程序控制系统主要是在有两个或两个以上同时执行任务的系统机构工作时，它可以执行指挥每一个环节的控制信号，从而使其依次有序的工作。
五、机电系统的设计流程
机电系统设计应根据机电控制系统设计规律，运用现代设计的方法构造产品结构、赋予产品性能并进行产品设计。为了提高设计的质量，必须有一个科学的设计规划。
1.任务的确定
在进行系统设计之前，必须对控制对象的工作过程进行深人调查、分析，熟悉其工艺过程，了解系统是否有特殊要求，确定系统所要完成的任务。
2.选择系统的主机机型。
在控制任务确定后，应对系统所需要的硬件做出初步的估计和选择，这是计算机控制系统设计的一个特点，主机是整个控制系统的核心，它的选择将对整个系统产生决定性的影响。在具体选择系统的主机机型时，可以选择工业PC、PLC、智能仪表等设备，设计者只需根据控制任务选择相应的硬件配置，再配以软件设计，即可完成控制任务的设计。
3.确定控制算法。
工业生产过程中计算机控制系统控制效果的优劣主要是由算法决定。算法建立在控制对象的数学模型上，即描述各控制量与各输出量之间的数学关系，因此，应建立系统的数学模型，并确定系统的控制算法。控制算法直接影响控制系统的调节，是决定整个系统性能指标的关键。由于控制系统种类繁多，控制算法也各不相同，每个控制系统都有一个特定的控制规律，并且有相应的控制算法。
4.系统总体方案设计。
在选定主机机型和确定测控任务及确定控制算法后，就可以确定系统总体方案。
5.软件设计。
软件设计的主要任务是进行应用程序设计。采用的语言有汇编语言，针对的是某一单片微处理器或微控制器的c语言及VC、VB等高级语言。在进行应用程序的设计时，应采用模块化结构，注重可维护性及可移植性。另外还要合理选择数据库的结构。
6.应用程序的设计。
六、传感器、变送器和执行器的选取
传感器可以将非电物理量，如温度、压力、流量、位移、液位、气体成分等被测参数变成电信号，如电压、电流或电阻信号，再通过变送器变成可以远传的统一标准信号，然后送往AI模板进行数据采集。
执行器是过程控制系统中不可缺少的组成部分，它的作用是接收计算机发出的控制信号，并把它转换成机械动作，对生产过程实施控制。执行器可以分为气动、电动、液压3种类型。
七、结语
随着各种技术的发展以及深入，机电控制系统不仅具有程序化、高智能化、信息化等特点，而且体积小、操作维护方便、保护齐全、性能比较可靠，因此，机电控制系统的应用也越来越广泛。所以，在机电控制系统的设计中，我们要严格按照设计流程进行设计。
参考文献
[1]王清平 机电控制系统的设计[J] 煤炭技术 2011(07)
[2]刘丹 自动控制系统在市政排水系统中的应用[J] 科技资讯 2011(12)
篇10
关键词：机电一体化；机械系统；设计
中图分类号：TH-39文献标识码：A文章编号：
引言：
随着科技的发展,尤其是:电子技术、信息技术的发展,使得传统的机械系统的设计受到了极大的冲击。现在,越来越多的机电‘一体化产品在机械系统中发挥着重要的作用。面对信息时代冲击,客观要求工程技术人员改变传统的设计思维理念,在传统的机械系统设计的基础上,结合电子技术、信息技术,设计出更多更好的机电一体化产品。
1.机电一体化机械系统的设计特点
传统的机械系统和机电一体化机械系统的主要功能都是完成一系列的机械运动,但由于它们的组成不同,导致它们实现运动的方式也不同。传统机械系统一般是由动力件、传动件、执行件3部分加上电器、液压和机械控制等部分组成,而机电一体化中的机械系统应该是“由计算机信息网络协调与控制的,用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统”。其核心是由计算机控制的,包括机、电、液、光、磁等技术的伺服系统。由此可见,机电一体化中的机械系统,已经成为机电一体化伺服系统中的一个重要组成部分,它不再仅仅是转速和转矩的变换器,还需使伺服电机和负载之间的转速与转矩得到匹配,也就是在满足伺服系统高精度、高响应速度、良好稳定性的前提下,还应该具有较大的刚度、较高的可靠性和重量轻、体积小、寿命长等特点。
机电一体化机械系统设计与传统的机械系统设计一样有传动设计和结构设计部分,只是由于机电一体化的特征决定了在机械系统设计过程中有它自身的特点,下面就从传动设计和结构设计两方面进行叙述。
1.1机械传动设计的特点
机械传动设计的任务是把动力机产生的机械能传递到执行机械上去,机电一体化系统中机械传动系统的设计就是面向机电伺服系统的伺服机械传动系统设计。根据机电有机结合的原则,机电一体化系统中采用了调速范围大、可无级调速的控制电机,从而节省了大量用于进行变速和换向的齿轮、轴承和轴类零件,减少了产生误差的环节,提高了传动效率,因此使机械传动设计也得到了很大的简化,其机械传动方式也由传统的串联或串并联方式演变为并联的传动方式,即每一个机械运动都由单独的控制电机、传动机构和执行机构组成的子系统来完成,各个运动之间的传动关系则由计算机来统一协调和控制。因此机电一体化机械传动系统具有传动链短、转动惯量小、尽可能采用线性传递、无间隙传递等设计特点。
1.2机械结构设计的特点
机电一体化的机械结构仍属于传统机械技术的范畴,在满足伺服系统对其稳、准、快要求的前提下,从整体上说应逐步向精密化、高速化、小型化和轻量化的方向发展。因此在进行结构设计时就应综合考虑到各个零部件的制造、安装精度,结构刚度,稳定性以及动作的灵敏性和易控性。对具体的零部件的设计提出了更高、更严的要求,例如:采用合理的截面形状和尺寸、采用新材料和钢板焊接结构来提高支承件的静刚度;采用高传动效率和无间隙的传动装置和元件,如滚动丝杠,消除间隙的齿轮副、齿轮齿条副、蜗轮蜗杆副来提高运动的灵敏性和定位的准确性;采用低摩擦系数的导轨提高运动的平稳性。近几年在结构上也出现了并联形式,如并联机器人、并联机床等,极大地简化了机械结构,提高了产品的刚度重量比及精度。
2.机电一体化机械系统的设计思路
机电一体化的机械系统设计主要包括两个环节:静态设计和动态设计。
2.1 静态设计
静态设计是指依据系统的功能要求,通过研究制定出机械系统的初步设计方案。该方案只是一个初步的轮廓,包括系统主要零、部件的种类,各部件之间的联接方式,系统的控制方式,所需能源方式等。有了初步设计方案后,开始着手按技术要求设计系统的各组成部件的结构、运动关系及参数；零件的材料、结构、制造精度确定；执行元件(如电机)的参数、功率及过载能力的验算；相关元、部件的选择；系统的阻尼配置等。以上称为稳态设计。稳态设计保证了系统的静态特性要求。
2.2 动态设计
动态设计是研究系统在频率域的特性,是借助静态设计的系统结构,通过建立系统组成各环节的数学模型和推导出系统整体的传递函数,利用自动控制理论的方法求得该系统的频率特性(幅频特性和相频特性)。系统的频率特性体现了系统对不同频率信号的反应,决定了系统的稳定性、最大工作频率和抗干扰能力。
2.3 静态设计的优势
静态设计是忽略了系统自身运动因素和干扰因素的影响状态下进行的产品设计,对于伺服精度和响应速度要求不高的机电一体化系统,静态设计就能够满足设计要求。对于精密和高速智能化机电一体化系统,环境干扰和系统自身的结构及运动因素对系统产生的影响会很大,因此必须通过调节各个环节的相关参数,改变系统的动态特性以保证系统的功能要求。动态分析与设计过程往往会改变前期的部分设计方案,有时甚至会整个方案,要求重新进行静态设计。
3.机电一体化机械系统的设计
机电一体化机械系统的设计和传统的机械系统的设计有很大的不同之处。传统机械系统一般是由动力元件、传动元件、执行元件3个部分加上电磁、液压和机械控制部分,而机电一体化中的机械系统应该是“由计算机信息网络协调与控制的,用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和机电部件相互联系的系统。”其核心是由计算机控制的,包括机、电、液、光、磁等技术的伺服系统。由于机电一体化机械系统有别于传统的机械系统,所以在机电一体化机械系统的设计过程中要从以下两个方面加以重视。
3.1机械传动设计
机械传动设计的任务是把动力机产生的机械能传递到执行机械上去,机电一体化系统中机械传动系统的设计就是面向机电伺服系统的机械传动系统设计。根据机电有机结合的原则,机电一体化系统中采用了调速范围大、可无级调速的控制电机,从而节省了大量用于进行变速和换向的齿轮、轴承和轴类零件,减少了产生误差的环节,提高了传动效率,因此使机械传动设计也得到了很大的简化,其机械传动方式也由传统的串联或串并方式演变为并联的传动方式,即每一个机械运动都由单独的控制电机、传动机构和执行机构组成的子系统来完成,各个运动之间的传动关系则由计算机来统一协调和控制。因此机电一体化机械传动系统具有传动链短、转动惯量小、尽可能采用线性传递、无间隙传递等设计特点。
3.2机械结构设计
从结构设计来讲,应从整体上向精密化、高速化、小型化和轻量化的方向发展。因此在结构设计时应综合考虑到各个零部件的制造、安装精度,结构刚度,稳定性以及动作的灵敏性和易控性。对具体的零部件的设计提出了更高、更严的要求,如采用合理的截面形状和尺寸、采用新材料和钢板焊接结构来提高支承件的刚度;采用低摩擦系数的导轨提高运动的平稳性。除了以上两个方面以外,机电一体化机械系统设计还需工程技术人员在设计方法上大胆创新,充分利用已有的模块,,并且在设计之初,就考虑到产品在制造、使用过程中对生态环境的影响。
4.结语
机电一体化技术既是振兴传统机电工业的新鲜血液和源动力,又是开启机电行业产品结构、产业结构调整大门的钥匙。设计好机电一体化机械系统是“机电一体化”产品的前提。面对日益发展信息时代,掌握机电‘一体化机械系:统设计的思路,是开发机电一体化产品的关键所在。必须结合各自的实际,开发实事求是的机电一体化机械系统,实现效益的提升。
参考文献：
[1]汪丁丁.机电一体化机械系统设计.济南:山东出版社,2003
[2]杨光化.机电一体化与微电子技术的整合.计算机教育,2004(5)
