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第1章绪论
1.概述
进入80年代以来，关于机电一体化技术的研究和应用已成为全球性的课题，可以说，从军事到经济、从生产到生活、从简单的日用消费品生产到复杂的社会生产和管理系统.机电一体化技术几乎达到无所不在、无孔不入的地步。
然而，“什么是机电一体化?
”，‘呼机电一体化技术都包括那些特征?
”，“机电一体化技术在各应用领域中的发展状况如何?
”等问题却很难令人回答，这一方面是因为机电一体化技术的研究不断向深度持续发展，所采用的技术手段越来越先进，无法通过定义来界定其发展潜力;
另一方面是因为机电一体化技术的应用领域不断向户度持续发展，也无法通过定义来界定其应用范围。
2.我国发展“机电一体化”面临的形势和任务
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机电一体化工作主要包括两个层次:
一是用微电子技术改造传统产业，其目的是节能、节材，提高工效，提高产品质量，把传统工业的技术进步提高一步;
二是开发自动化、数字化、智能化机电产品，促进产品的更新换代。
（一）我国“机电一体化”工作面临的形势
1.我国用微电子技术改造传统工业的工作量大而广，有难度
2.我国用机电一体化技术加速产品更新换代，提高市场占有率的呼声高，有压力。
3.我国用机电一体化产品取代技术含量和附加值低，耗能、耗水、耗材高，污染、扰民产品的责任重，有意义。
在我国工业系统中，能耗、耗水大户，对环境污染严重的企业还占相当大的比重。
近年来我国的工业结构、产品结构虽然几经调整，但由于多种原因，成效一直不够明显。
这里面固然有上级领导部门的政出多门问题，有企业的“故土难离”“死守故业”问题，但不可否认也有优化不出理想的产业，优选不出中意的产品问题。
上佳的答案早就摆在了这些企业的面前，这就是发展机电一体化，开发和生产有关的机电一体化产品。
机电一体化产品功能强、性能好、质量高、成本低，且具有柔性，可根据市场需要和用户反映时产品结构和生产过程做必要的调整、改革，而无须改换设备。
这是解决机电产品多品种、少批量生产的重要出路。
同时，可为
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传统的机械工业注入新鲜血液，带来新的活力，把机械生产从繁重的体力劳动中解脱出来，实现文明生产。
另外，从市场需求的角度看，由于我国研制、开发机电一体化产品的历史不长，差距较大，许多产品的品种、数量、档次、质量都不能满足需求，每年进口量都比较大，因此亟需发展。
（二）我国“机电一体化”工作的任务
我国在机电一体化方面的任务可以概括为两句话:
一句话是广泛深入地用机电一体化技术改造传统产业;
另一句话是大张旗鼓地开发机电一体化产品，促进机电产品的更新换代。
总的目的是促进机电一体产业的形成、为我国产业结构和产品结构调整作贡献。
总之，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，又是开启我国机电行业产品结构、产业结构调整大门的钥匙。
3关键技术问题的解决
该电动执行机构采用了最新的变频调速技术，电机驱动功率小于5（5kW。
用户可根据需要设定力矩特性，根据控制的阀设定速度，速度分多转式、直行程、角
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行程3种方式。
控制系统由阀位给定和阀位反馈信号构成的闭环系统，控制特性视运行方式、速度而定，并具有自动过流保护、过载保护、超压、欠压、过热、缺相、堵转等保护功能。
该执行机构解决的关键性技术问题主要有:
1）阀门柔性开关柔性开关主要是为了当阀关闭或全开时，保证阀门不卡死与损伤。
执行机构内部的微处理器根据测得的变频器输出电压和电流，通过精确计算，得出其输出力矩。
一旦输出力矩达到或大于设定的力矩，自动降低速度，以避免阀门内部过度的撞击，从而达到最优关闭，实现过力矩保护。
2）阀位的极限位置判断阀位的极限位置是指全开和全关位置。
在传统执行机构中，该位置的检测是通过机械式限位开关获得的。
机械式限位开关精度低，在运行中易松动，可靠性差。
在文中，电动执行机构极限位置通过检测位置信号的增量获得。
其原理是，单片机将本次检测的位置信号与上次检测的信号相比较，如果未发生变化或变化较小，即认为己达到极限位置，立即切断异步电机的供电电源，保证阀门的安
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全关闭或全开。
省去了机械式限位开关，无需在调试时对其进行复杂的调整。
3）电机保护的实现为了防止电机因过热而烧毁，单片机通过温度传感器连续检测电机的实际运行温度，如果温度传感器检测到电机温度过高，自动切断供电电源。
温度传感器内置于电机内部。
4）准确定位传统的电动执行机构在异步电机通电后会很快达到其额定动作速度，当接近停止位置时，电机断电后，由于机械惯性，其阀门不可能立即停下来，会出现不同程度的超程，这一超程通常采用控制电机反向转动来校正。
机电一体化的大流量电动执行机构根据当前位置与给定位置的差值以及运行速度的大小超前确定减速点的位置及减速段变化速率ki，使阀门在较低的速度下实现精确的微调和定位，从而将超程降到最低。
5）模拟信号的隔离。
对于变频器的直流电压以及输出的三相电压，它们之间的地址不一致，存在着较高的共模电压，为了保证
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系统的安全性，必须将它们彼此相互隔离。
采用LM358和4N25组成了隔离线性放大电路。
如图4-1所示，采用?
15V和?
12V两组独立的正负电源。
若运放A的反相端电位由于扰动而正向偏离虚地，则运放A输出端的电位将降低，因而光电耦合器的发光强度将增强，则使其集射极电压减小，最后使运放A反相端的电位降低，回到正常状态。
若A的反相端电位负向偏离虚地，也可以重回到正常状态。
从而增强了系统的抗干扰性。
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4机电一体化技术发展
（1）数字化
微控制器及其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、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操作、诊断和修复。
（2）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。
例如在CNC数控机床上增加人机对话功能，设置智能I/O接口和智能工艺数据库，会给使用、操作和维护带来极大的方便。
随着模糊控制、神经网络、灰色理论、小波理论、混沌与分岔等人工智能技术的进步与发展，为机电一体化技术发展开辟了广阔天地。
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（3）模块化
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。
如研制具有集减速、变频调速电机一体的动力驱动单元;
具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的电机一体控制单元等。
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。
（.4）网络化
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。
（5）人性化
机电一体化产品的最终使用对象是人，如何给机电一体化产品赋予人的智能、情感和人性显得愈来愈重要，机电一体化产品除了完善的性能外，还要求在色彩、造型等方面与环境相协调，使用这些产品，对人来说还是一种艺术享受，如家用机器人的最高境界就是人
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机一体化。
（6）微型化
微型化是精细加工技术发展的必然，也是提高效率的需要。
微机电系统
（MicroElectronicMechanicalSystems，简称MEMS）是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。
自1986年美国斯坦福大学研制出第一个医用微探针，1988年美国加州大学Berkeley分校研制出第一个微电机以来，国内外在MEMS工艺、材料以及微观机理研究方面取得了很大进展，开发出各种MEMS器件和系统，如各种微型传感器（压力传感器、微加速度计、微触觉传感器），各种微构件（微膜、微粱、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器人等）。
（7）集成化
集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合，又包含在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。
为了实现多品种、小批量生产的自动化与高效率，应使系统具有更广泛的柔性。
首先可将系统分解为若干层次，使系统功能分散，并使各部分协调而又安全地运转，
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然后再通过软、硬件将各个层次有机地联系起来，使其性能最优、功能最强。
（8）带源化
是指机电一体化产品自身带有能源，如太阳能电池、燃料电池和大容量电池。
由于在许多场合无法使用电能，因而对于运动的机电一体化产品，自带动力源具有独特的好处。
带源化是机电一体化产品的发展方向之一
（9）绿色化
科学技术的发展给人们的生活带来巨大变化，在物质丰富的同时也带来资源减少、生态环境恶化的后果。
所以，人们呼唤保护环境，回归自然，实现可持续发展，绿色产品概念在这种呼声中应运而生。
绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生利用的产品。
在其设计、制造、使用和销毁时应符合环保和人类健康的要求，机电一体化产品的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境，产品寿命结束时，产品可分解和再生利用
5、电动机工作原理及运行
目前较常用的主要是交流电动机，它可分为两种:
1、三相
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异步电动机。
2、单相交流电动机。
第一种多用在工业上，而第二种多用在民用电器上。
下面以三相异步电动机为例介绍其基本工作原理。
起来，形成一个笼型的闭合绕组。
定子三相绕组可接成星形，也可以接成三角形。
综上分析可知，三相异步电动机转动的基本工作原理是:
（1）三相对称绕组中通人三相对称电流产生圆形旋转磁场。
（2）转子导体切割旋转磁场感应电动势和电流;
（3）转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用，从而形成电磁转距，驱使电动机转子转动。
（一）电动机启动前的准备
为了保证电动机正常安全地启动，一般启动前应作好下述准备:
（1）检查电源是否有电，电压是否正常，若电源电压过高或过低，都不宜启动。
（2）启动器是否正常，如零部件有无损坏，使用是否灵活，触头接触是否良好，接线是否正确、牢固等。
（3）熔丝规格大小是否合适，安装是否牢固，有无熔断或损伤。
（4）电动机接线板上接头有无松动或氧化。
（5）检查传动装置，如皮带轻紧是否合适，连接是否牢固，联轴器的螺丝、销子是否紧固等。
（6）传动电动机转子和负载机械的转轴，看其转动是否灵
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活。
（7）检查电动机及启动电器外壳是否接地，接地线有无断路，接地螺丝是否松动、脱落等。
（8）搬开电动机周围的杂物并清除机座表面灰尘、油垢等。
（9）检查负载机械是否妥善地作好了启动准备。
（10）对正常运行中的绕线式电动机，应经常观察电动机滑环有无偏心摆动现象;
观察滑环的火花是否发生异常现象。
滑环上碳刷是否要更换。
（二）启动时应注意的问题
（1）接通电源后，如果电动机不转，应立即切断电源，绝不能迟疑等待，更不能带电检查电动机发故障，否则将会烧毁电动机和发生危险。
（2）启动时应注意观察电动机、传动装置、负载机械的工作情况，以及线路上的电流表和电压表的指示，若有异常现象，应立即断电检查，待故障排除后，载行启动。
（3）利用手动补偿器或手动星三角启动器启动电动机时，特别要注意操作顺序。
一定要先将手柄推到启动位置，待电动机转速稳定后再拉到运转位置，防止误操作造成设备和人身事故。
（4）同一线路上的电动机不应同时启动，一般应由大到小逐台启动以免多太电动机同时启动，线路上电流太大。
电压降低过多，造成电动机启动困难引起线路故障或使开关设备跳闸。
（5）启动时，若电动机的旋转方向反了，应立即切断电源，
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将三相电源线中的任意两相互换一下位置，即可改变电动机转向。
（三）电动机运行中的监视
电动机在运行时，值班工作人员可以通过仪表和感觉器官监视其运行情况，以便及早发现问题，减少或避免故障的发生。
1（监视电动机的温度
电动机正常运行时会发热，使电动机温度升高，但不应超出允许的限度。
如果电动机负载过大，使用环境温度过高，通风不畅或运行中发生故障，就会使其温度超出允许限度，导致绕组过热烧毁，因此电动机温度的高低是反映电动机运行的主要标志，在运行中经常检查。
判断电动机是否过热，可以用以下方法:
（1）凭手的感觉:
如果以手接触外壳，没有烫手的感觉，说明电动机温度正常;
如果手放上去烫得马上缩回来，说明电动机已经过热。
（2）在电动机外壳上滴2~3滴水，如果只冒热气没有声音，则说明电动机没有过热，如果水滴急剧汽化同时伴有"
咝咝"
声，说明电动机已经过热。
（3）判别电动机是否过热的准确方法还是用温度计测量。
发现电动机过热应该立即停车检查，等查明原因，排除故障后再行使用。
2（监视电动机的电流
一般容量较大的电动机应装设电流表，随时对其电流进行监
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视。
若电流大小或三相电流不平衡超过了允许值。
应立即停车检查。
容量较小的电动机一般不装电流表，但也经常用钳形表测量。
3（监视电动机的电压
电动机的电源上最好装设一只电压表和转换开关，以便对其三相电源、压进行监视。
电动机的电源电压过高、过低或三相电压不平衡，特别是三相电源缺相，都会带来不良后果。
如发现这种情况应立即停车，待查明原因，排除故障后再使用。
4（注意电动机的振动、响声和气味
电动机正常运行时，应平稳、轻快、无异常气味和响声。
若发生剧烈振动，噪音和焦臭气味，应停车进行检查修理。
5（注意传动装置的检查
电动机运行时要随时注意查看皮带轮或联轴器有无松动，传动皮带是否有过紧、过松的现象等，如果有，应停车上紧或进行调整。
6（注意轴承的工作情况
电动机运行中应注意轴承声响和发热情况。
若轴承声音不正常或过热，应检查润滑情况是否良好和有无磨损。
7（注意交流电动机的滑环或直流电动机的换向器火花
电动机运行中，电刷与换向器或滑环之间难免出现火花。
如果所发生的火花大于某一规定限度，尤其是出现放电性的红色电弧火花时，将产生破坏作用，必须及时加以纠正。
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总结
综上所述,经过20多年的发展，机电一体化技术已经成为当今世界最热门、最重要的技术发展方向之一，并影响到几乎全部的工业行业。
我国从80年代初对机电一体化技术和产品开始予以重视，先后在国家科技攻关计划、863高科技计划和国家自然科学基金中列专项对机电一体技术加以研究，并取得了一系列重大科技成果。
致谢
大学时光，匆匆，太匆匆。
一切恍如昨日历历在目，转眼间，灰飞烟灭，各走天涯。
回首这三年，感慨万分，万千思绪在心头。
说不出，道不尽，心中多少欢乐与忧愁。
谢谢学校及各位导师三年来给予我的教导和莫大的帮助，无论是在学习上、还是在工作的过程中都教会了我许多许多。
再次感谢你们～
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燕山大学毕业设计（论文）评审意见表
指导教师评语:
成绩:
指导教师签字:
年月日
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评阅人评语:
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燕山大学毕业设计（论文）答辩委员会评语表
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答辩委员会评语:
总成绩:
答辩委员会主席签字:
20
个人简介
姓名:
李海龙此处粘贴
本人2寸性别:
男像片（或复
印像片）政治面貌:
群众
出生年月:
1993年3月6日
班级系别:
机电一体化
本人性格开朗、外向、有良好的沟通能力，对工作认真、有负责心、能承受一定的工作压力，能很快适应一个新的工作的环境并以最大热情投入工作，具有良好的职业操守和集体荣誉意识，能较快的适应环境并不断总结经验。
最基本的原则是:
踏实肯干，诚实待人～
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