機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)講座

1、1機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)主講人：李國平機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電課程組11月第1頁2課程說明 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程是一門專業(yè)方向課。 本課程在先修課程基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)工程觀點(diǎn)出發(fā)，研究機(jī)電一體化產(chǎn)品各組成要素之間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功效目標(biāo)。 先修課程：機(jī)械設(shè)計(jì)，電子技術(shù)，電工技術(shù)，機(jī)電傳動(dòng)與控制，微機(jī)原理與應(yīng)用等。第2頁3課程說明學(xué)習(xí)本課程目標(biāo)和意義 掌握機(jī)電一體化相關(guān)技術(shù)及其相互之間聯(lián)絡(luò)； 掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本方法； 認(rèn)識(shí)到先修課程是機(jī)電一體化系統(tǒng)基本要素； 培養(yǎng)利用基礎(chǔ)理論處理實(shí)際問題綜合能力； 培養(yǎng)含有設(shè)計(jì)機(jī)電一體化產(chǎn)品能力； 培養(yǎng)含有使用，維修機(jī)電產(chǎn)品能力。第3頁4課程說明參考教材：1.機(jī)電一體化

2、系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姜培剛，蓋玉先，機(jī)工出版社2.機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用 黃筱調(diào)，機(jī)工出版社3.機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 趙松年，機(jī)工出版社4.機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 鄭堤，唐可宏，機(jī)工出版社考評(píng)方法：考試方式:閉卷。成績?cè)u(píng)定：出勤、作業(yè)和課堂表現(xiàn)占總成績20%，期末考試成績占總成績80%。第4頁5課程說明第一章 緒論第二章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)第三章 傳感器檢測(cè)及其接口電路第四章 控制電機(jī)及其選擇計(jì)算第五章 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及其接口技術(shù)第六章 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例第5頁6第6頁7第7頁8第1章 緒論 1.1 機(jī)電一體化定義1.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)功效要素 1.3 機(jī)電一體化系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)1.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)

3、計(jì)目標(biāo)與方法1.5 本課程目標(biāo)和要求第8頁91.1 機(jī)電一體化定義 一 、機(jī)電一體化定義 1971年起源于日本。 機(jī)械學(xué)（Mechanics）+ 電子學(xué)（Electronics） = 機(jī)電一體化 或 機(jī)械電子工程（Mechatronics）機(jī)電一體化技術(shù)機(jī)械技術(shù)（機(jī)械學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)）微電子技術(shù)（半導(dǎo)體、IC、LSI）第9頁101.1 機(jī)電一體化定義 一、 機(jī)電一體化定義 定義：機(jī)電一體化技術(shù)是從系統(tǒng)工程觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)用機(jī)械、電子、信息等相關(guān)技術(shù)，對(duì)它們進(jìn)行有機(jī)組織和綜合，實(shí)現(xiàn)了整體最正確化。 它不是機(jī)械與電子簡(jiǎn)單疊加，而是在信息論（利用傳感技術(shù)）、控制論（利用控制理論）和系統(tǒng)論（“系統(tǒng)”整體策劃，機(jī)

4、械和電子分別只是“步驟”）基礎(chǔ)上建立起來應(yīng)用技術(shù)。 第10頁111.2 機(jī)電一體化基本功效要素 第11頁121.2 機(jī)電一體化基本功效要素 第12頁131.2 機(jī)電一體化基本功效要素一、機(jī)械本體 主要功效是使結(jié)構(gòu)系統(tǒng)各子系統(tǒng)、零部件按照一定空間和時(shí)間關(guān)系安置在一定位置上，并保持特定關(guān)系。包含機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置和傳動(dòng)裝置。二、動(dòng)力單元 按照機(jī)電一體化系統(tǒng)控制要求，為系統(tǒng)提供動(dòng)力和能量以確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。用最小動(dòng)力輸入取得盡可能大功效輸出。第13頁141.2 機(jī)電一體化基本功效要素三、傳感檢測(cè)單元 主要功效是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過程中所需要本身和外界環(huán)境各種參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并轉(zhuǎn)換成可識(shí)別信號(hào)，傳輸?shù)娇刂菩畔⑻?/p>

5、理單元，經(jīng)過分析、處理產(chǎn)生對(duì)應(yīng)控制信息。由傳感器和儀器儀表組成。第14頁151.2 機(jī)電一體化基本功效要素四、執(zhí)行單元 依據(jù)控制信息和指令完成所要求動(dòng)作。執(zhí)行單元是運(yùn)動(dòng)部件，依據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)匹配要求，需要改進(jìn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作性能，如提升剛性，減輕重量，實(shí)現(xiàn)組件化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，以提升系統(tǒng)整體工作可靠性等。第15頁161.2 機(jī)電一體化基本功效要素五、驅(qū)動(dòng)單元 在控制信息作用下，驅(qū)動(dòng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成各種動(dòng)作和功效。機(jī)電一體化系統(tǒng)方面要求驅(qū)動(dòng)單元含有高效率和快速響應(yīng)性等，同時(shí)又要求其對(duì)外部環(huán)境適應(yīng)性和可靠性，還因?yàn)閹缀紊?，?dòng)作范圍狹窄等限制，還需考慮維修方便和實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化等。第16頁171.2 機(jī)電一

6、體化基本功效要素六、控制與信息處理單元 控制與信息處理單元是機(jī)電一體化系統(tǒng)關(guān)鍵單元。未來自各傳感器檢測(cè)信息和外部輸入指令進(jìn)行集中、存放、分析、加工。依據(jù)信息處理結(jié)果，按照一定程序發(fā)出對(duì)應(yīng)控制信號(hào)，經(jīng)過輸出接口送往執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制整個(gè)系統(tǒng)有目標(biāo)地運(yùn)行，并到達(dá)預(yù)期性能。普通由計(jì)算機(jī)，可編程序控制器，數(shù)控裝置等組成。第17頁181.2 機(jī)電一體化基本功效要素七、接口單元 接口作用是將各要素或子系統(tǒng)連接成為一個(gè)有機(jī)整體，使各個(gè)功效步驟有目標(biāo)地協(xié)調(diào)一致運(yùn)動(dòng)，從而完成機(jī)電一體化系統(tǒng)工程。各個(gè)單元要完成物質(zhì)，信息和能量傳遞和交換，為此，各要素和子系統(tǒng)相接處必須具備一定連接部件，這個(gè)部件就可稱為接口?；竟πв?/p>

7、三個(gè)：變換，放大，傳遞。第18頁191.3 機(jī)電一體化相關(guān)技術(shù)第19頁201.3 機(jī)電一體化相關(guān)技術(shù)一、機(jī)械技術(shù) 機(jī)電一體化機(jī)械產(chǎn)品與傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品區(qū)分在于：機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、機(jī)械功效更強(qiáng)、性能更優(yōu)越。當(dāng)代機(jī)械要求含有更新奇結(jié)構(gòu)、更小體積、更輕重量，還要求精度更高、剛度更大、動(dòng)態(tài)性能更加好。 在設(shè)計(jì)和制造機(jī)械系統(tǒng)時(shí)除了考慮靜態(tài)、動(dòng)態(tài)剛度及熱變形等問題外，還應(yīng)考慮采取新型復(fù)合材料和新型結(jié)構(gòu)以及新型制造工藝和工藝裝置。第20頁211.3 機(jī)電一體化相關(guān)技術(shù)二、傳感檢測(cè)技術(shù) 傳感器檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和自動(dòng)調(diào)整關(guān)鍵步驟。傳感檢測(cè)技術(shù)內(nèi)容包含兩方面，一是研究怎樣將各種被測(cè)量（包含物理量、化學(xué)量和生物量等）轉(zhuǎn)

8、換為與之成百分比電量；二是研究對(duì)轉(zhuǎn)換電信號(hào)加工處理，如放大、賠償、標(biāo)度變換等。 機(jī)電一體化系統(tǒng)要求傳感檢測(cè)裝置能快速、準(zhǔn)確、可靠獲取信息。 第21頁221.3 機(jī)電一體化相關(guān)技術(shù)三、信息處理技術(shù) 計(jì)算機(jī)技術(shù)包含計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)和數(shù)據(jù)技術(shù)。機(jī)電一體化系統(tǒng)中主要采取工業(yè)控制機(jī)（包含可編程控制器，單、多回路調(diào)整器，單片微控制器，總線式工業(yè)控制機(jī)，分布式計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)）進(jìn)行信息處理。信息處理發(fā)展方向是提升信息處理速度、可靠性和智能化程度。人工智能技術(shù)、教授系統(tǒng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等都屬于計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)范圍。第22頁231.3 機(jī)電一體化相關(guān)技術(shù)四、自動(dòng)控制技術(shù) 自動(dòng)控制所依據(jù)

9、理論是自動(dòng)控制原理（包含經(jīng)典控制理論和當(dāng)代控制理論），自動(dòng)控制技術(shù)就是在此理論指導(dǎo)下對(duì)詳細(xì)控制裝置或控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)后進(jìn)行系統(tǒng)仿真，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試；最終使研制系統(tǒng)可靠地投入運(yùn)行。 機(jī)電一體化系統(tǒng)中自動(dòng)控制技術(shù)主要包含位置控制、速度控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制以及含糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。 第23頁241.3 機(jī)電一體化相關(guān)技術(shù)五、伺服傳動(dòng)技術(shù) 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)就是在控制指令指揮下，控制驅(qū)動(dòng)元件，使機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件按照指令要求運(yùn)動(dòng)，并含有良好動(dòng)態(tài)性能。伺服傳動(dòng)包含電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓等各種類型傳動(dòng)裝置。伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)是直接執(zhí)行操作技術(shù)，伺服系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到機(jī)械動(dòng)作轉(zhuǎn)換裝置和部件，對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)性能起決定性作

10、用。常見伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有電氣伺服（如步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)等）,液壓伺服（如液壓馬達(dá)、脈沖油缸等）和氣壓伺服三類。第24頁251.3 機(jī)電一體化相關(guān)技術(shù)六、系統(tǒng)總體技術(shù) 系統(tǒng)總體技術(shù)是以整體概念組織應(yīng)用各種相關(guān)技術(shù)技術(shù)，從全局角度和系統(tǒng)目標(biāo)出發(fā)，將系統(tǒng)分解為若干個(gè)子系統(tǒng)，從實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)技術(shù)協(xié)調(diào)觀點(diǎn)來考慮每個(gè)子系統(tǒng)技術(shù)方案。 機(jī)電一體化系統(tǒng)是一個(gè)技術(shù)綜合體，它利用系統(tǒng)總體技術(shù)將各相關(guān)技術(shù)協(xié)調(diào)配合、綜合利用而到達(dá)整體系統(tǒng)最正確化。 第25頁261.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和方法一、機(jī)電一體化產(chǎn)品和系統(tǒng)分類 用途分類：產(chǎn)業(yè)機(jī)械，信息機(jī)械，民用機(jī)械； 機(jī)械和電子含量分類：機(jī)械為主體機(jī)

11、電產(chǎn)品，電子為主體機(jī)電產(chǎn)品； 機(jī)電結(jié)合程度分類：功效附加型，功效替換型，機(jī)電融合型。 第26頁271.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和方法一、機(jī)電一體化產(chǎn)品和系統(tǒng)分類 第27頁281.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和方法一、機(jī)電一體化產(chǎn)品和系統(tǒng)分類 數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)用機(jī)電一體化產(chǎn)品 柔性生產(chǎn)單元、自動(dòng)組合生產(chǎn)單元 FMS、無人化工廠、CIMS 微機(jī)控制汽車、機(jī)車等 交通運(yùn)輸工具運(yùn)輸、包裝及工程用機(jī)電一體化產(chǎn)品 數(shù)控包裝機(jī)械及系統(tǒng) 數(shù)控運(yùn)輸機(jī)械及工程機(jī) 械設(shè)備，自動(dòng)倉庫儲(chǔ)存、銷售用機(jī)電一體化產(chǎn)品 自動(dòng)空調(diào)與制冷系統(tǒng)及設(shè)備第28頁291.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和方法一、機(jī)電一體化產(chǎn)品

12、和系統(tǒng)分類 自動(dòng)稱量、分選、銷售及現(xiàn)金處理系統(tǒng)， 自動(dòng)化辦公設(shè)備社會(huì)服務(wù)性產(chǎn)品 動(dòng)力、醫(yī)療、環(huán)境保護(hù)及公共服務(wù)自動(dòng)化設(shè)備 文教、體育、娛樂用產(chǎn)品 微機(jī)或數(shù)控型耐用消費(fèi)品家庭用機(jī)電一體化產(chǎn)品 炊事機(jī)械，家庭用信息、服務(wù)設(shè)備科研及過程控制用機(jī)電一體化產(chǎn)品 測(cè)試設(shè)備，控制設(shè)備農(nóng)、林、牧、漁及其它民用機(jī)電一體化產(chǎn)品航空、航天、國防用武器裝備等機(jī)電一體化產(chǎn)品第29頁301.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和方法二、當(dāng)代機(jī)械機(jī)電一體化目標(biāo) 1、提升精度2、增強(qiáng)功效3、提升生產(chǎn)效率4、節(jié)約能源、降低能耗5、提升安全性、可靠性第30頁311.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和方法二、當(dāng)代機(jī)械機(jī)電一體化目標(biāo) 6、改進(jìn)操作性

13、和實(shí)用性7、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、改進(jìn)勞動(dòng)條件8、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減輕重量9、降低價(jià)格10、增強(qiáng)柔性應(yīng)用功效第31頁321.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和方法三、機(jī)電一體化技術(shù)方向 1.機(jī)械電子化 （1）在原有機(jī)械系統(tǒng)基礎(chǔ)上采取微型計(jì)算機(jī)控制裝置，使系統(tǒng)性能提升，功效增強(qiáng)。比如，含糊控制洗衣機(jī)能依據(jù)衣物潔凈度自動(dòng)控制洗滌過程，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)時(shí)、節(jié)洗衣粉功效；機(jī)床數(shù)控化是另一個(gè)經(jīng)典例子。第32頁331.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和方法三、機(jī)電一體化技術(shù)方向 1.機(jī)械電子化 （2）用電子裝置局部替換機(jī)械傳動(dòng)裝置和機(jī)械控制裝置，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)控制靈活性。比如，數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)采取伺服系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)鏈，提升

14、了進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能；將傳統(tǒng)電機(jī)電刷用電子裝置替換形成無刷電機(jī)，含有性能可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸減小等優(yōu)點(diǎn)。電子縫紉機(jī)和電子繡花機(jī)。 第33頁341.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和方法三、機(jī)電一體化技術(shù)方向 1.機(jī)械電子化（3）用電子裝置完全替換原來執(zhí)行信息處理功效機(jī)構(gòu)，既減化了結(jié)構(gòu)，又極大地豐富了信息傳輸內(nèi)容，提升了速度。比如，石英電子鐘表、電子秤、按鍵式電話等。第34頁351.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和方法三、機(jī)電一體化技術(shù)方向 1.機(jī)械電子化 （4）用電子裝置替換機(jī)械主功效，形成特殊加工能力。比如，電火花加工機(jī)床、線切割加工機(jī)床、激光加工機(jī)床，電子等。第35頁361.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

15、和方法三、機(jī)電一體化技術(shù)方向 2.機(jī)電技術(shù)完全融合形成新型機(jī)電一體化產(chǎn)品 生產(chǎn)機(jī)械中激光快速成形機(jī)；信息機(jī)械中傳真機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)；檢測(cè)機(jī)械中CT（計(jì)算機(jī)斷層掃描診療裝置）掃描診療儀、掃描隧道顯微鏡等。第36頁371.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和方法四、機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)思想 與方法 1. 取代法 取代法就是用電氣控制取代原系統(tǒng)中機(jī)械控制機(jī)構(gòu)。該方法是改造舊產(chǎn)品、開發(fā)新產(chǎn)品或?qū)υ到y(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造慣用方法,也是改造傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品慣用方法。 如用電氣調(diào)速系統(tǒng)取代機(jī)械式變速機(jī)構(gòu)等。第37頁381.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和方法四、機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)思想 與方法 2. 整體設(shè)計(jì)法 整體設(shè)計(jì)法

16、主要用于新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)時(shí)完全從系統(tǒng)整體目標(biāo)出發(fā),考慮各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 如一些激光打印機(jī)激光掃描鏡，其轉(zhuǎn)軸就是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸。第38頁391.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和方法四、機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)思想 與方法 3.組正當(dāng) 組正當(dāng)就是選取各種標(biāo)準(zhǔn)功效模塊組合設(shè)計(jì)成機(jī)電一體化系統(tǒng)。 第39頁401.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和方法四、機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)思想 與方法 3.組正當(dāng) 比如,設(shè)計(jì)一臺(tái)數(shù)控機(jī)床,能夠依據(jù)機(jī)床性能要求,經(jīng)過對(duì)不一樣廠家計(jì)算機(jī)控制單元、伺服驅(qū)動(dòng)單元、位移和速度測(cè)試單元及主軸、導(dǎo)軌、刀架、傳動(dòng)系統(tǒng)等產(chǎn)品評(píng)定分析,研究各單元間接口關(guān)系和各單元對(duì)整機(jī)性能影響，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)確定機(jī)床結(jié)構(gòu)組成。第40頁411.5 本課程目標(biāo)和要求一、課程目 本課程目標(biāo)是研究怎樣利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和綜合集成技巧，將控制電動(dòng)機(jī)、傳感器、機(jī)械系統(tǒng)、微機(jī)控制系統(tǒng)、接口及控制軟件等機(jī)電一體化要素組成性能優(yōu)良、可靠機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)。培養(yǎng)利用基礎(chǔ)理論處理實(shí)際問題綜合能力。第41頁421.5 本課程目標(biāo)和要求二、課程要求 1掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本概念、基本原