第2講機電一體化系統(tǒng)設計 ppt課件

1、本講主要內(nèi)容本講主要內(nèi)容1.2 機電一體化系統(tǒng)功能構(gòu)成機電一體化系統(tǒng)功能構(gòu)成1.3 機電一體化共性關鍵技術機電一體化共性關鍵技術 1.2 機電一體化系統(tǒng)功能構(gòu)成機電一體化系統(tǒng)功能構(gòu)成1.2.1 目的功能描述目的功能描述 根據(jù)不同的使用目的，要求機電一體化系統(tǒng)能對根據(jù)不同的使用目的，要求機電一體化系統(tǒng)能對輸入的物質(zhì)、能量和信息輸入的物質(zhì)、能量和信息(即工業(yè)三大要素即工業(yè)三大要素)進行某進行某種處理，輸出所需要的物質(zhì)、能量和信息。種處理，輸出所需要的物質(zhì)、能量和信息。系統(tǒng)目的功能示意圖系統(tǒng)目的功能示意圖變換加工、處置）變換加工、處置）傳送挪動、保送）傳送挪動、保送）儲存堅持、積存、記錄）儲存堅持、

2、積存、記錄） 以物料搬運、加工為主，輸入物質(zhì)原料、毛以物料搬運、加工為主，輸入物質(zhì)原料、毛坯等）、能量電能、液能、氣能等和信息操坯等）、能量電能、液能、氣能等和信息操作、控制指令等），經(jīng)過加工處理，主要輸出改變作、控制指令等），經(jīng)過加工處理，主要輸出改變了位置與形態(tài)的物質(zhì)，將這種系統(tǒng)或產(chǎn)品稱工了位置與形態(tài)的物質(zhì)，將這種系統(tǒng)或產(chǎn)品稱工作機，例如各種機床、交通運輸機械、食品加工機作機，例如各種機床、交通運輸機械、食品加工機械、起重機械、紡織機械、印刷機械、輕工機械。械、起重機械、紡織機械、印刷機械、輕工機械。圖圖1 1 數(shù)控車床數(shù)控車床圖圖2 3D2 3D打印機打印機 以能量轉(zhuǎn)換為主，輸入能量和信

3、息，輸出不同以能量轉(zhuǎn)換為主，輸入能量和信息，輸出不同能量的系統(tǒng)或產(chǎn)品），稱為動力機，其中輸出機能量的系統(tǒng)或產(chǎn)品），稱為動力機，其中輸出機械能的為原動機，如電動機。械能的為原動機，如電動機。 圖圖1 1 直流伺服電機直流伺服電機圖圖3 3 步進電機步進電機圖圖2 2交交流流伺伺服服電電機機 以信息處理為主，輸入信息和能量，主要輸出以信息處理為主，輸入信息和能量，主要輸出某種信息如數(shù)據(jù)、圖像、文字及聲音等的系統(tǒng)某種信息如數(shù)據(jù)、圖像、文字及聲音等的系統(tǒng)或產(chǎn)品），稱信息機，如打印機、繪圖機、復印或產(chǎn)品），稱信息機，如打印機、繪圖機、復印機等。機等。 1.2.2 系統(tǒng)內(nèi)部功能描述 1.2.2 系統(tǒng)內(nèi)部功

4、能描述全閉環(huán)系統(tǒng)：通過傳感器直接檢測目標運動并進行反饋控制的系統(tǒng)。全閉環(huán)系統(tǒng)：通過傳感器直接檢測目標運動并進行反饋控制的系統(tǒng)。 1.2.2 系統(tǒng)內(nèi)部功能描述 1.2.2 系統(tǒng)內(nèi)部功能描述半閉環(huán)系統(tǒng)：通過傳感器檢測某一部位半閉環(huán)系統(tǒng)：通過傳感器檢測某一部位(如伺服電機等如伺服電機等)運動位移并運動位移并進進 行反饋、間接控制目標運動的系統(tǒng)。行反饋、間接控制目標運動的系統(tǒng)。 1.2.2 系統(tǒng)內(nèi)部功能描述開環(huán)系統(tǒng)：直接控制步進電機的運動通過傳動鏈確定目標運動的系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)：直接控制步進電機的運動通過傳動鏈確定目標運動的系統(tǒng)。 1.2.2 系統(tǒng)內(nèi)部功能描述系統(tǒng)的五種內(nèi)部功能系統(tǒng)的五種內(nèi)部功能主功能主

5、功能動力功能動力功能計測功能計測功能控制功能控制功能構(gòu)造功能構(gòu)造功能 1.2.2 系統(tǒng)內(nèi)部功能描述CNC機床的內(nèi)部功能構(gòu)成機床的內(nèi)部功能構(gòu)成 1.2.2 系統(tǒng)內(nèi)部功能描述 主功能主功能-實現(xiàn)系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)“目的功能直接必需的功能，主要是對目的功能直接必需的功能，主要是對物質(zhì)、能量、信息及其相互結(jié)合進行變換、傳遞和存儲。物質(zhì)、能量、信息及其相互結(jié)合進行變換、傳遞和存儲。 動力功能動力功能-向系統(tǒng)提供動力、讓系統(tǒng)得以運轉(zhuǎn)的功能。向系統(tǒng)提供動力、讓系統(tǒng)得以運轉(zhuǎn)的功能。 計測功能和控制功能計測功能和控制功能-根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部信息和外部信息對整根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部信息和外部信息對整個系統(tǒng)進行控制，使系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，實施

6、個系統(tǒng)進行控制，使系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，實施“目的功能目的功能”。 構(gòu)造功能構(gòu)造功能-使構(gòu)成系統(tǒng)的子系統(tǒng)及元、部件維持所定使構(gòu)成系統(tǒng)的子系統(tǒng)及元、部件維持所定的時間和空間上的相互關系所必需的功能。的時間和空間上的相互關系所必需的功能。 1.2.2 系統(tǒng)內(nèi)部功能描述機電一體化系統(tǒng)的五大要素及其相應的五大功能機電一體化系統(tǒng)的五大要素及其相應的五大功能 1.2.2 系統(tǒng)內(nèi)部功能描述機電一體化系統(tǒng)構(gòu)成要素與人體構(gòu)成要素的相對應關系機電一體化系統(tǒng)構(gòu)成要素與人體構(gòu)成要素的相對應關系 1.3 機電一體化共性關鍵技術 要站在信息論、控制論及系統(tǒng)論的高度理解共性關鍵技術；要站在信息論、控制論及系統(tǒng)論的高度理解共性關鍵技

7、術； 要從信息流、能量流及物質(zhì)流的視角去分析共性關鍵技術；要從信息流、能量流及物質(zhì)流的視角去分析共性關鍵技術； 要從伺服控制系統(tǒng)穩(wěn)、準、快的要求認識共性關鍵技術；要從伺服控制系統(tǒng)穩(wěn)、準、快的要求認識共性關鍵技術； 要從機電一體化的發(fā)展趨勢探究共性關鍵技術要從機電一體化的發(fā)展趨勢探究共性關鍵技術 1.3 機電一體化共性關鍵技術 1、精密機械技術、精密機械技術 一般情況下，機械部分由驅(qū)動元件驅(qū)動，為了實現(xiàn)控制過程一般情況下，機械部分由驅(qū)動元件驅(qū)動，為了實現(xiàn)控制過程的穩(wěn)、準、快，為了使機械與微電子技術相匹配，為了達到機電一的穩(wěn)、準、快，為了使機械與微電子技術相匹配，為了達到機電一體化系統(tǒng)的整體最優(yōu)體

8、化系統(tǒng)的整體最優(yōu)。精密機械技術應具有以下特點。精密機械技術應具有以下特點。 （1短傳動鏈、并行驅(qū)動與傳動短傳動鏈、并行驅(qū)動與傳動 傳動系統(tǒng)簡單、剛性好、精度高傳動系統(tǒng)簡單、剛性好、精度高 （2小間隙、可調(diào)間隙或無間隙傳動小間隙、可調(diào)間隙或無間隙傳動 傳動精度高、穩(wěn)定性好傳動精度高、穩(wěn)定性好 （3提高固有頻率提高固有頻率km （4低摩擦低摩擦 質(zhì)量輕、剛度大、彈性變形小、傳動誤差小質(zhì)量輕、剛度大、彈性變形小、傳動誤差小 摩擦力影響傳動系統(tǒng)的精度和運動平穩(wěn)性，靜摩擦力能使機摩擦力影響傳動系統(tǒng)的精度和運動平穩(wěn)性，靜摩擦力能使機械傳動部件發(fā)生彈性變形而造成位置誤差，反向運動時，位置誤差械傳動部件發(fā)生彈

9、性變形而造成位置誤差，反向運動時，位置誤差將形成回程誤差。機械傳動部件的摩擦特性應為：靜摩擦力盡可能將形成回程誤差。機械傳動部件的摩擦特性應為：靜摩擦力盡可能??；動摩擦力為盡可能小的正斜率若為負斜率，易產(chǎn)生爬行、精??；動摩擦力為盡可能小的正斜率若為負斜率，易產(chǎn)生爬行、精度降低、壽命減小。）度降低、壽命減小。） （5最佳傳動比及最小轉(zhuǎn)動慣量加速能力強）最佳傳動比及最小轉(zhuǎn)動慣量加速能力強） （6高剛度高剛度 改進支撐及架體的結(jié)構(gòu)設計以提高剛性、減少振動、降低噪改進支撐及架體的結(jié)構(gòu)設計以提高剛性、減少振動、降低噪聲?？蛇x用復合材料提高剛度和強度，減輕重量、縮小體積使結(jié)聲。可選用復合材料提高剛度和強度

10、，減輕重量、縮小體積使結(jié)構(gòu)緊湊，使系統(tǒng)小型化、輕型化、高速化和高可靠性構(gòu)緊湊，使系統(tǒng)小型化、輕型化、高速化和高可靠性 （7適于機電一體化系統(tǒng)的新型精密機械結(jié)構(gòu)適于機電一體化系統(tǒng)的新型精密機械結(jié)構(gòu) 同步帶傳動同步帶傳動諧波傳動諧波傳動 2、檢測傳感技術、檢測傳感技術 從機電一體化系統(tǒng)穩(wěn)、準、快、高可靠性角度分析傳感檢測從機電一體化系統(tǒng)穩(wěn)、準、快、高可靠性角度分析傳感檢測技術，對傳感器提出以下要求：技術，對傳感器提出以下要求：（1高精度、高靈敏度及高可靠性高精度、高靈敏度及高可靠性（2適于機電一體化系統(tǒng)的新型傳感器研制適于機電一體化系統(tǒng)的新型傳感器研制（3傳感器的集成化及智能化傳感器的集成化及智能

11、化 3、信息處理技術、信息處理技術 信息處理技術包括信息的輸入、變換、運算、存儲及輸出技信息處理技術包括信息的輸入、變換、運算、存儲及輸出技術，主要由計算機、術，主要由計算機、PLC及數(shù)控裝置等來完成。人工智能、專家系及數(shù)控裝置等來完成。人工智能、專家系統(tǒng)及人工神經(jīng)網(wǎng)絡都屬于信息處理范疇。信息處理要快速、準確、統(tǒng)及人工神經(jīng)網(wǎng)絡都屬于信息處理范疇。信息處理要快速、準確、可靠?？煽俊?4、自動控制技術、自動控制技術 數(shù)字數(shù)字PID控制、智能控制等控制、智能控制等 5、伺服驅(qū)動技術、伺服驅(qū)動技術 伺服驅(qū)動技術主要指機電一體化產(chǎn)品中的執(zhí)行元件和驅(qū)動伺服驅(qū)動技術主要指機電一體化產(chǎn)品中的執(zhí)行元件和驅(qū)動裝置

12、設計中的技術問題，執(zhí)行元件主要有電動、氣動及液壓等類裝置設計中的技術問題，執(zhí)行元件主要有電動、氣動及液壓等類型，以電動執(zhí)行元件為主；驅(qū)動裝置主要是各種電機的驅(qū)動電源型，以電動執(zhí)行元件為主；驅(qū)動裝置主要是各種電機的驅(qū)動電源電路。電路。 穩(wěn)、準、快穩(wěn)、準、快 構(gòu)成機電一體化系統(tǒng)的要素或子系統(tǒng)之間必須能順利地構(gòu)成機電一體化系統(tǒng)的要素或子系統(tǒng)之間必須能順利地進行物質(zhì)、能量和信息的傳遞與交換。為此，各要素或各子系進行物質(zhì)、能量和信息的傳遞與交換。為此，各要素或各子系統(tǒng)連接處必須具備一定的統(tǒng)連接處必須具備一定的“聯(lián)系條件聯(lián)系條件”，這些聯(lián)系條件稱為接口。，這些聯(lián)系條件稱為接口。系統(tǒng)內(nèi)部與外部接口系統(tǒng)內(nèi)部與

13、外部接口從系統(tǒng)外部看，機電從系統(tǒng)外部看，機電一體化系統(tǒng)的輸入輸一體化系統(tǒng)的輸入輸出是與人、自然及其他出是與人、自然及其他系統(tǒng)之間的接口；系統(tǒng)之間的接口；從系統(tǒng)內(nèi)部看，機電從系統(tǒng)內(nèi)部看，機電一體化系統(tǒng)是由許多接一體化系統(tǒng)是由許多接口將系統(tǒng)的構(gòu)成要素輸口將系統(tǒng)的構(gòu)成要素輸入輸出聯(lián)系為一體的入輸出聯(lián)系為一體的系統(tǒng)。系統(tǒng)。 6、接口技術、接口技術機電一體化系統(tǒng)構(gòu)成要素之間的相互聯(lián)系機電一體化系統(tǒng)構(gòu)成要素之間的相互聯(lián)系根據(jù)接口的變換、調(diào)整功能，接口分成四種：根據(jù)接口的變換、調(diào)整功能，接口分成四種：零接口零接口: :不進行任何變換和調(diào)整、輸出即為輸入不進行任何變換和調(diào)整、輸出即為輸入 等，僅起連接作用的接

14、口；等，僅起連接作用的接口；無源接口無源接口: :只用無源要素進行變換、調(diào)整的接口；只用無源要素進行變換、調(diào)整的接口；有源接口有源接口: :含有有源要素、主動進行匹配的接口；含有有源要素、主動進行匹配的接口；智能接口智能接口: :含有微處理器，可進行程序編制或可適含有微處理器，可進行程序編制或可適 應性地改變接口條件的接口；應性地改變接口條件的接口；廣義的接口功能有兩種，一種是變換、調(diào)整；廣義的接口功能有兩種，一種是變換、調(diào)整； 另一種是輸入輸出。另一種是輸入輸出。根據(jù)接口的輸入輸出功能，接口分為四種：根據(jù)接口的輸入輸出功能，接口分為四種：機械接口機械接口 由輸入輸出部位的形狀、尺寸精由輸入輸

15、出部位的形狀、尺寸精 度、配合、規(guī)格等進行機械連接的接口。度、配合、規(guī)格等進行機械連接的接口。物理接口物理接口 受通過接口部位的物質(zhì)、能量與信受通過接口部位的物質(zhì)、能量與信息息 的具體形態(tài)和物理條件約束的接口。的具體形態(tài)和物理條件約束的接口。信息接口信息接口 受規(guī)格、規(guī)范、法律、言語、符號受規(guī)格、規(guī)范、法律、言語、符號等等 邏輯、軟件約束的接口。邏輯、軟件約束的接口。環(huán)境接口環(huán)境接口 對周圍環(huán)境條件對周圍環(huán)境條件( (溫度、濕度、磁場、溫度、濕度、磁場、 火、振動、放射能、水、氣、灰塵火、振動、放射能、水、氣、灰塵) )有保護作用有保護作用和和 隔絕作用的接口。隔絕作用的接口。 7、系統(tǒng)總體技

16、術、系統(tǒng)總體技術 系統(tǒng)總體技術內(nèi)涵豐富，可概括為以下幾個方面：系統(tǒng)總體技術內(nèi)涵豐富，可概括為以下幾個方面： 從整體目標出發(fā)，用系統(tǒng)的觀點和方法，將機電一體化產(chǎn)品從整體目標出發(fā)，用系統(tǒng)的觀點和方法，將機電一體化產(chǎn)品的總體功能分解為若干功能單元，找出能夠完成各個功能的可能技的總體功能分解為若干功能單元，找出能夠完成各個功能的可能技術方案，再把功能與技術方案組合成方案組進行分析、評價，綜合術方案，再把功能與技術方案組合成方案組進行分析、評價，綜合優(yōu)選出適宜的功能技術方案。優(yōu)選出適宜的功能技術方案。 （1各子系統(tǒng)的匹配及整體匹配問題各子系統(tǒng)的匹配及整體匹配問題 （4相互干擾與耦合問題相互干擾與耦合問題 （5系統(tǒng)可靠性問題系統(tǒng)可靠性問題 （6狀態(tài)監(jiān)