殷晓丹的文献综述.doc

学号： 07406403 常州大学毕业设计（论文）文献综述（ 2011 届）题 目 CZ型教学平台机构设计 学 生 殷晓丹 学 院 怀德学院 专 业 班 级 机制（怀）072 校内指导教师 孙波 专业技术职务 讲师 校外指导老师 专业技术职务 二一一年三月常州大学本科生毕业设计（论文）文献综述题目：CZ型教学平台机构设计一、前言1课题研究的意义；国内外研究现状和发展趋势课题研究的意义： 机电一体化技术是在机械工程和电子工程技术的基础上发展起来，由机械结合微电子技术、信息技术、传感器技术等而形成的一门新的学科1。机电一体化给传统的机械产业带来了根本性的变革和巨大的效益，使产业结构、生产方式和管理体制发生了深刻的变化，社会对机电一体化人才的需求要求非常大，为此许多大专院校设置了相应的专业或专业方向。就本科教学而言，要培养学生成为机电一体化应用型人才，除了设置机械设计与制造、传感器技术与应用、微电子技术、自动控制、微机原理与应用等专题知识课程以外，也设置了机电一体化系统综合性课程，用于培养学生对机电一体化产品的设计能力2。机电一体化是一种以实践即产品为基础的技术，这是它和任何其它技术不一样的地方。它从系统工程的观点出发，使产品与系统实现整体优化。机电一体化技术给传统的机械产业和制造业从产业结构、生产方式和管理体制等诸方面都带来深刻的变化，是当今机械工业技术和产品发展的主要趋势，也是我国机械工业振兴与发展的必由之路。随着机电一体化产品占有额的迅速增大，机电一体化技术的重要性将日益为人们所认识。比如机器人，只是机电一体化广阔领域的一个部分，就具有100亿美元的市场，而整个机电一体化的市场则要大10倍。所以，对机电一体化技术的需求与日俱增。机电一体化技术的应用与发展对我国经济建设起到了很好的促进作用，因此受到了国家的重视。国家科委综合局组织的我国机电一体化发展途径与对策中，根据社会需要、投资效益和现有基础等条件，提出优先发展l 5个领域中的机电一体化产品，即数控机床及其它机械制造工艺设备，电子化量具量仪、工业自动化控制仪表、中小型电机与电气传动控制装置、电子化低压电器、工业机器人、电子化家用电器、电子控制的轻工机械、电子控制的纺织机械、机电一体化的医疗器械、汽车电子化和电子控制内燃机、机电一体化的办公机械、电站电子化自动化自动控制系统、电子式照相机、采用微电子技术的印刷机械等。国内外研究现状国内研究现状 目前，国内一些研究单位，如浙江大学3、华中科技大学等单位，在机械产品概念设计及计算机辅助创新设计方面进行了研究， 但对机电一体化产品概念设计方面的问题基本没有进行研究。本课题组上海交通大学， 从1996年开始， 对机电一体化产品概念设计的理论与方法进行了较为深入的研究， 并取得了初步的研究成果。 文献4从现代机构的角度出发， 将机电一体化系统划分为广义执行机构子系统、 传感检测子系统、 信息处理及控制子系统， 称为“ 三子系统论” ， 并由此建立机电一体化系统概念设计的框架体系， 有利于机电一体化产品的创新设。文献5以实现运动功能为主功能的一大类机电 一体化产品（如电脑型多功能缝纫机等) 为研究对象， 对机电一 体化产品概念设计的核心问题-广义执行机构子系统的概念设计进行了系统研究， 提出了由总功能进行基本工艺动作过程的构思; 由基本工艺动作过程， 实现动作分解， 得到独立的执行动作; 确定各执行动作的创新机构及其机构系统的组合的框架模型， 即归纳为: P r o c e s s ( 工艺) -A c t i o n ( 动作) 一Me c h a n i s m ( 机构) 的PAM功能求解模型。该模型能将概念设计与机构及其系统设计很好地结合起来， 更具有可操作性， 更易于实现创新设计， 更利于计算机辅助概念设计的实现。国外研究现状机电一体化产品概念设计的研究主要集中在欧洲主要研究机构有: 德国Darmstadt 大学， 英国Lancaster大学工程设计中心， 荷兰Twente 大学 ,比利时 Leuven 大学 ,挪威科技大学， 丹麦技术大学和芬兰VTT研究中心等。另外, 在美国， 与机电一体化系统有关的概念设计工作人多集中在MI T大学，Carnegie Mellon 大学， Michigan大学和Standford大学。在日 本， 东京大学的Yoshikawa和 Tomiyama两位学者的研究工作涉及到了一般的机电一体化系统的概念设计。 德国Darmstadt大学的R.Isnrnann,H.J.Herpel,M.Held,M.Glesner6等人， 对机电一体化产品设计进行了 较深入的研究。他们的研究领域主要集中在机电一体化的控制系统的设计方法学上。提出了机电一体化系统的能量流和信息流模型 并将控制系统按层次划分为管理层、 监视层、 控制层和处理层四个层次。从他们的观点来看， 机电一体化的驱动器、 传感器及机械部分都是作为控制系统设计的外界环境而存在的。而控制系统设计是机电一 体化的主体。因此在他们的设计中， 较少考虑到机械部分的特性、 传感器的特性及驱动器的特性， 也没有考虑到几个部分之间的融合设计问题。该观点不能全面反映以实现运动执行功能为主的机一 电 一 体化产品概念设计的实质。德国Heinz Nixdorf大学的Jurgen Gausemeier,Martin Flath.Stelan Mohringer7等人于2001 年构建了 机电一 体化系统开发的V型模型， 指出在概念设计的早期阶段， 需要有一种共同的功能描述语言来描述所涉及的不同学科的知识，给出了一种适用于机电一体化产品概念设计的集成方法， 即用半规则式说明语言进行功能原理建模。将该方法已成功用于汽车导航驱动系统的概念设计过程中。发展趋势机电一体化是集机械、 电子、 光学、 控制、 计算机、信息等多学科的交叉综合， 它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此， 机电一体化的主要发展方向如下8。（1） 光机电一体化。一般的机电一体化系统是由传感系统、 能源系统、 信息处理系统、 机械结构等部件组成的， 因此， 引进光学技术， 能有效地改进机电一体化系统的传感系统性能、 能源 （动力） 系统和信息处理系统性能， 光机电一体化是机电产品发展的重要趋势。（2） 全系统化智能化。今后的机电一体化产品“全息” 特征越来越明显， 智能化水平越来越高。模拟人类智能， 使它具有判断推理、 逻辑思维、 自主决策等能力， 以求得到更高的控制目标。这主要受益于模糊技术、 信息技术 （尤其是软件及芯片技术） 的发展。机器人与数控机床的智能化就是其重要应用。（3） 技术产品网络化。 世纪 年代， 计算机技术等的突出成就是网络技术。网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、 工业生产、 政治、 军事、 教育等都带来了巨大的变革。各种网络将全球经济、 生产连成一片。企业间的竞争也将全球化。机电一体化新产品一旦研制出来， 只要其功能独到， 质量可靠。很快就会畅销全球。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。因此， 机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。（4） 微型机电化微型化。泛指几何尺寸不超过1的机电一体化产品， 正向微米、 纳米级发展。目前， 利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术， 在实验室中已制造出亚微米级的机械元件， 当将这一成果用于实际产品时， 就没有必要区分机械部分和控制器了。届时机械和电子完全可以 “融合” ， 机体、 执行机构、 传感器、 CPU等可集成在一起， 体积很小， 并组成一种自律元件。这种微型机械学是机电一体化的重要发展方向。（5） 自律分配系统化柔性化。未来的机电一体化产品， 控制和执行系统有足够的 “冗余度” ， 有较强的 “柔性” ， 能较好地应付突发事件， 被设计成 “自律分配系统” 。在自律分配系统中， 各个子系统是相互独立工作的， 子系统为总系统服务， 同时具有本身的“自律性” ， 可根据不同的环境条件做出不同反应。其特点是子系统可产生本身的信息并附加所给信息，在总的前提下， 具体 “行动” 是可以改变的。这样， 既明显地增加了系统的适应能力 （柔性） ， 又不因某一子系统的故障而影响整个系统。（6） 设计产品绿色化。工业的发展给人们生活带来了巨大变化。一方面， 物质丰富， 生活舒适； 另一方面， 资源减少， 生态环境受到严重污染。于是， 人们呼吁保护环境资源， 回归自然。绿色产品概念在这种呼声下应运而生， 绿色化是时代的趋势。绿色产品在其设计、 制造、 使用和销毁的生命过程中， 符合特定的环境保护和人类健康的要求， 对生态环境无害或危害极少， 资源利用率极高。设计绿色的机电一体化产品， 具有远大的发展前途。 2课题的研究目标、内容和拟解决的关键问题课题的研究目标、内容机电一体化教学平台机构设计是一个重要的实践性教学环节，要求学生综合运用所学过的机械、电子、计算机和自动控制等方面的知识，独立进行一次机电结合的设计训练9。其主要目的：（1）由于教学功能要求，所以总体布局与普通工业产品有很大不同，最大特点是控制系统不能封闭，而是以面板形式展开。(2)学习机电一体化系统总体设计方案拟定、分析与比较的方法。(3)通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算方法与选用原则如齿轮，同步带减速装置、蜗轮蜗杆副、滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨副等。机械系统部件的选择；应能充分代表当前机电产品的典型应用，教学难度适中；教学需要充分且详细的图纸资料讨论。(4)通过对进给伺服系统的设计，掌握常用伺服电动机的工作原理、计算选择方法与控制驱动方式学会选用典型的位移，速度传感器，如交流、步进伺服进给系统、增量式旋转编码器、直线光栅等。(5)通过对控制系统的设计，掌握一些典型硬件电路的设计方法和控制软件的设计思路，如控制系统选用原则、CPU选择、存储器扩展、IO接El扩展、AD与DA配置、键盘与显示电路设计，以及控制系统的管理软件、伺服电动机的控制软件等。(6)培养学生独立分析问题和解决问题的能力学习并初步树立“系统设计”的思想。（7)锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料以及撰写科技论文的能力。拟解决的关键问题 国外如美国、澳大利亚等大学都已经开设了机电一体化教学实验，国内高校机电一体化课程的开设比较普遍，但相关实验的开设不令人满意。各高校教师意识到了机电一体化教学实验对该课程教学的重要性，也开展了一系列的研究，但真正应用的不是很多。主要有二个方面的原因，一方面高校教师偏重于机电一体化实验教学的理论研究，真正着手实验教学平台开发的不多；另一方面教学仪器生产企业把一些机电一体化产品小型化而成为机电一体化实验平台，其平台可以作为实验设备，但往往缺乏系统的实验方法和实验指导，同时设计性实验的设置也不够合理10。 二、设计方案的确定1 方案的原理、特点与选择依据 方案的原理教学平台机构的基本工作原理：X,Y向均采用伺服电机，通过齿轮减速和丝杠传动后，带动工作台做X-Y向的运动。当工作台往复移动时，工作台在两端滚动体上的压力发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹，影响导轨的精度。方案的特点为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。由于工作台的运动载荷不大，因此采用直线滚珠导轨。采用滚珠导轨可以减少两个相对运动面的动，静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，较少震动。考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率和结构简单的要求，尽可能使传动比为1.采用一级齿轮减速器，带动丝杆传动，通过螺母的直线移动带动工作台运动。根据工作台的脉冲当量、步进电机步距角、丝杠的基本导程来确定齿轮的传动比，根据负载转矩大小来核实齿轮传动和丝杠传动的强度和刚度。此外，还需要设计其他辅助机械零部件，如导轨、轴承等。方案的选择依据教学平台机构只要是对滚珠丝杠，滚珠导轨，步进电机的选择，使其满足教学平台机构传动系统高速度，高效率，高精度的要求。教学平台机构中X,Y方向的移动，可以采用螺旋机械或齿轮齿条传动机构，这两种均可把旋转运动变成直线运动。因为此机构以传递运动为主，要求有较高的传动精密，又要求结构紧凑，所以选用螺旋机构。但常用的螺旋机构中丝杠和螺母之间的相对运动是滑动，磨损较严重，影响传动精度，寿命短，效率低，不能满足高速度，高效率和高精度等传动要求。为了使运动灵敏又能满足精度要求，选用滚珠螺旋机构。滚珠螺旋传动是在螺杆和螺母之间放入适当数量的滚珠，使螺杆和螺母之间的摩擦由滑动摩擦变为滚珠摩擦的一种传动装置。2设计步骤a. 机械系统设计1.1工作台外形尺寸及其重量估算（1） X向拖板尺寸及其重量估算（2） Y向拖板尺寸及其重量估算（3）导轨座的重量计算（4）夹具及其工件重量（5）工作台运动部件的总重量1.2铣削力的计算1.3滚动导轨的参数确定（1）导轨形式：圆形截面滚珠导轨（2）导轨长度（3）直线滚动轴承的选择（4）滚动导轨刚度及预紧方法1.4滚珠丝杠的设计计算（1)最大动负载的计算（2）滚珠丝杠螺母副几何参数设计（3）传动效率计算（4）刚度验算（5）稳定性验算1.5步进电机的选用（1）步进电机的步距角（2）步进电机启动力矩的计算（3）步进电机的最高启动频率及运行频率计算（4）确定步进电机的型号1.6确定齿轮传动比1.7确定齿轮模数及其相关尺寸1.8步进电机惯性负载的计算三、阶段性设计计划、设计目标与应用价值阶段性设计计划周 次工 作 内 容检 查 方 式12文献检索，写出文献综述交文献综述3英文阅读，翻译2万字符交翻译45方案构思、比较、分析汇报所定方案67调研交调研报告89设计、计算汇报计算过程1012绘图CAD检查图纸1314撰写设计计算说明书汇报说明书撰写思路、内容1518设计资料整理、装订、准备答辩毕业答辩设计目标 CZ型教学平台是某校机电教研室自行研究制造的教学平台，它用于满足在校本科生多门课程的实验教学要求。机械系统是平台的重要部分。该生本次设计主要任务是： 1.查阅国内外资料，培养学生科技文献检索能力； 2.对CZ型教学平台机械系统中的主要零部件滚珠丝杠、滚动导轨的设计计算方法进 行深入研究，能够合理选择所需部件的型号，培养机械系统设计能力；3.使用CAD软件完成两维XY数控工作台装配图，零件图的设计。培养学生学习和使用机械设计软件的能力； 4.用WORD文档撰写毕业论文，完成毕业设计，准备答辩。应用价值 机电一体化教学平台机构设计这一课题通过对X-Y工作台的机电一体化系统设计，将机械系统与微机控制系统有机的结合在一起，阐述了机电一体化产品的设计步骤和要点，为指导学生进行机电一体化系统课程设计及开发新型机电一体化教学设备打下基础。四、参考文献1 David M A. What is mechatronics