機電一體化系統(tǒng)設(shè)計講座

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

2、系統(tǒng)設(shè)計 姜培剛，蓋玉先，機工出版社2.機電一體化技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用 黃筱調(diào)，機工出版社3.機電一體化機械系統(tǒng)設(shè)計 趙松年，機工出版社4.機電一體化設(shè)計基礎(chǔ) 鄭堤，唐可宏，機工出版社考評方法：考試方式:閉卷。成績評定：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 機械系統(tǒng)設(shè)計第三章 傳感器檢測及其接口電路第四章 控制電機及其選擇計算第五章 工業(yè)控制計算機及其接口技術(shù)第六章 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用舉例第5頁6第6頁7第7頁8第1章 緒論 1.1 機電一體化定義1.2 機電一體化系統(tǒng)功效要素 1.3 機電一體化系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)1.4 機電一體化系統(tǒng)設(shè)

3、計目標與方法1.5 本課程目標和要求第8頁91.1 機電一體化定義 一 、機電一體化定義 1971年起源于日本。 機械學(xué)（Mechanics）+ 電子學(xué)（Electronics） = 機電一體化 或 機械電子工程（Mechatronics）機電一體化技術(shù)機械技術(shù)（機械學(xué)、機構(gòu)學(xué)）微電子技術(shù)（半導(dǎo)體、IC、LSI）第9頁101.1 機電一體化定義 一、 機電一體化定義 定義：機電一體化技術(shù)是從系統(tǒng)工程觀點出發(fā)，應(yīng)用機械、電子、信息等相關(guān)技術(shù)，對它們進行有機組織和綜合，實現(xiàn)了整體最正確化。 它不是機械與電子簡單疊加，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

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 機電一體化基本功效要素 第11頁121.2 機電一體化基本功效要素 第12頁131.2 機電一體化基本功效要素一、機械本體 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間關(guān)系安置在一定位置上，并保持特定關(guān)系。包含機械結(jié)構(gòu)裝置和傳動裝置。二、動力單元 按照機電一體化系統(tǒng)控制要求，為系統(tǒng)提供動力和能量以確保系統(tǒng)正常運行。用最小動力輸入取得盡可能大功效輸出。第13頁141.2 機電一體化基本功效要素三、傳感檢測單元 主要功效是對系統(tǒng)運行過程中所需要本身和外界環(huán)境各種參數(shù)及狀態(tài)進行檢測，并轉(zhuǎn)換成可識別信號，傳輸?shù)娇刂菩畔⑻?/p>

5、理單元，經(jīng)過分析、處理產(chǎn)生對應(yīng)控制信息。由傳感器和儀器儀表組成。第14頁151.2 機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作。執(zhí)行單元是運動部件，依據(jù)機電一體化系統(tǒng)匹配要求，需要改進執(zhí)行機構(gòu)工作性能，如提升剛性，減輕重量，實現(xiàn)組件化、標準化和系列化，以提升系統(tǒng)整體工作可靠性等。第15頁161.2 機電一體化基本功效要素五、驅(qū)動單元 在控制信息作用下，驅(qū)動各執(zhí)行機構(gòu)完成各種動作和功效。機電一體化系統(tǒng)方面要求驅(qū)動單元含有高效率和快速響應(yīng)性等，同時又要求其對外部環(huán)境適應(yīng)性和可靠性，還因為幾何上，動作范圍狹窄等限制，還需考慮維修方便和實施標準化等。第16頁171.2 機電一

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電一體化系統(tǒng)關(guān)鍵單元。未來自各傳感器檢測信息和外部輸入指令進行集中、存放、分析、加工。依據(jù)信息處理結(jié)果，按照一定程序發(fā)出對應(yīng)控制信號，經(jīng)過輸出接口送往執(zhí)行機構(gòu)，控制整個系統(tǒng)有目標地運行，并到達預(yù)期性能。普通由計算機，可編程序控制器，數(shù)控裝置等組成。第17頁181.2 機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)連接成為一個有機整體，使各個功效步驟有目標地協(xié)調(diào)一致運動，從而完成機電一體化系統(tǒng)工程。各個單元要完成物質(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，這個部件就可稱為接口?；竟πв?/p>

7、三個：變換，放大，傳遞。第18頁191.3 機電一體化相關(guān)技術(shù)第19頁201.3 機電一體化相關(guān)技術(shù)一、機械技術(shù) 機電一體化機械產(chǎn)品與傳統(tǒng)機械產(chǎn)品區(qū)分在于：機械結(jié)構(gòu)更簡單、機械功效更強、性能更優(yōu)越。當(dāng)代機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、動態(tài)性能更加好。 在設(shè)計和制造機械系統(tǒng)時除了考慮靜態(tài)、動態(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 機電一體化相關(guān)技術(shù)二、傳感檢測技術(shù) 傳感器檢測是實現(xiàn)自動控制和自動調(diào)整關(guān)鍵步驟。傳感檢測技術(shù)內(nèi)容包含兩方面，一是研究怎樣將各種被測量（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；二是研究對轉(zhuǎn)換電信號加工處理，如放大、賠償、標度變換等。 機電一體化系統(tǒng)要求傳感檢測裝置能快速、準確、可靠獲取信息。 第21頁221.3 機電一體化相關(guān)技術(shù)三、信息處理技術(shù) 計算機技術(shù)包含計算機軟件技術(shù)、硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)和數(shù)據(jù)技術(shù)。機電一體化系統(tǒng)中主要采取工業(yè)控制機（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，分布式計算機測控系統(tǒng)）進行信息處理。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)等都屬于計算機信息處理技術(shù)范圍。第22頁231.3 機電一體化相關(guān)技術(shù)四、自動控制技術(shù) 自動控制所依據(jù)

9、理論是自動控制原理（包含經(jīng)典控制理論和當(dāng)代控制理論），自動控制技術(shù)就是在此理論指導(dǎo)下對詳細控制裝置或控制系統(tǒng)進行設(shè)計；設(shè)計后進行系統(tǒng)仿真，現(xiàn)場調(diào)試；最終使研制系統(tǒng)可靠地投入運行。 機電一體化系統(tǒng)中自動控制技術(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 機電一體化相關(guān)技術(shù)五、伺服傳動技術(shù) 伺服驅(qū)動技術(shù)就是在控制指令指揮下，控制驅(qū)動元件，使機械運動部件按照指令要求運動，并含有良好動態(tài)性能。伺服傳動包含電動、氣動、液壓等各種類型傳動裝置。伺服驅(qū)動技術(shù)是直接執(zhí)行操作技術(shù)，伺服系統(tǒng)是實現(xiàn)電信號到機械動作轉(zhuǎn)換裝置和部件，對機電一體化系統(tǒng)性能起決定性作

10、用。常見伺服驅(qū)動系統(tǒng)主要有電氣伺服（如步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機等）,液壓伺服（如液壓馬達、脈沖油缸等）和氣壓伺服三類。第24頁251.3 機電一體化相關(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)目標出發(fā)，將系統(tǒng)分解為若干個子系統(tǒng)，從實現(xiàn)整個系統(tǒng)技術(shù)協(xié)調(diào)觀點來考慮每個子系統(tǒng)技術(shù)方案。 機電一體化系統(tǒng)是一個技術(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、綜合利用而到達整體系統(tǒng)最正確化。 第25頁261.4 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計目標和方法一、機電一體化產(chǎn)品和系統(tǒng)分類 用途分類：產(chǎn)業(yè)機械，信息機械，民用機械； 機械和電子含量分類：機械為主體機

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

12、和系統(tǒng)分類 自動稱量、分選、銷售及現(xiàn)金處理系統(tǒng)， 自動化辦公設(shè)備社會服務(wù)性產(chǎn)品 動力、醫(yī)療、環(huán)境保護及公共服務(wù)自動化設(shè)備 文教、體育、娛樂用產(chǎn)品 微機或數(shù)控型耐用消費品家庭用機電一體化產(chǎn)品 炊事機械，家庭用信息、服務(wù)設(shè)備科研及過程控制用機電一體化產(chǎn)品 測試設(shè)備，控制設(shè)備農(nóng)、林、牧、漁及其它民用機電一體化產(chǎn)品航空、航天、國防用武器裝備等機電一體化產(chǎn)品第29頁301.4 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計目標和方法二、當(dāng)代機械機電一體化目標 1、提升精度2、增強功效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 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計目標和方法二、當(dāng)代機械機電一體化目標 6、改進操作性

13、和實用性7、減輕勞動強度、改進勞動條件8、簡化結(jié)構(gòu)、減輕重量9、降低價格10、增強柔性應(yīng)用功效第31頁321.4 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計目標和方法三、機電一體化技術(shù)方向 1.機械電子化 （1）在原有機械系統(tǒng)基礎(chǔ)上采取微型計算機控制裝置，使系統(tǒng)性能提升，功效增強。比如，含糊控制洗衣機能依據(jù)衣物潔凈度自動控制洗滌過程，從而實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)時、節(jié)洗衣粉功效；機床數(shù)控化是另一個經(jīng)典例子。第32頁331.4 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計目標和方法三、機電一體化技術(shù)方向 1.機械電子化 （2）用電子裝置局部替換機械傳動裝置和機械控制裝置，簡化結(jié)構(gòu)，增強控制靈活性。比如，數(shù)控機床進給系統(tǒng)采取伺服系統(tǒng)，簡化了傳動鏈，提升

14、了進給系統(tǒng)動態(tài)性能；將傳統(tǒng)電機電刷用電子裝置替換形成無刷電機，含有性能可靠、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸減小等優(yōu)點。電子縫紉機和電子繡花機。 第33頁341.4 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計目標和方法三、機電一體化技術(shù)方向 1.機械電子化（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 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計目標和方法三、機電一體化技術(shù)方向 1.機械電子化 （4）用電子裝置替換機械主功效，形成特殊加工能力。比如，電火花加工機床、線切割加工機床、激光加工機床，電子等。第35頁361.4 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計目標

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

16、主要用于新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計。在設(shè)計時完全從系統(tǒng)整體目標出發(fā),考慮各子系統(tǒng)設(shè)計。 如一些激光打印機激光掃描鏡，其轉(zhuǎn)軸就是電動機轉(zhuǎn)子軸。第38頁391.4 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計目標和方法四、機電一體化系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計思想 與方法 3.組正當(dāng) 組正當(dāng)就是選取各種標準功效模塊組合設(shè)計成機電一體化系統(tǒng)。 第39頁401.4 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計目標和方法四、機電一體化系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計思想 與方法 3.組正當(dāng) 比如,設(shè)計一臺數(shù)控機床,能夠依據(jù)機床性能要求,經(jīng)過對不一樣廠家計算機控制單元、伺服驅(qū)動單元、位移和速度測試單元及主軸、導(dǎo)軌、刀架、傳動系統(tǒng)等產(chǎn)品評定分析,研究各單元間接口關(guān)系和各單元對整機性能影響，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計確定機床結(jié)構(gòu)組成。第40頁411.5 本課程目標和要求一、課程目 本課程目標是研究怎樣利用系統(tǒng)設(shè)計原理和綜合集成技巧，將控制電動機、傳感器、機械系統(tǒng)、微機控制系統(tǒng)、接口及控制軟件等機電一體化要素組成性能優(yōu)良、可靠機電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)。培養(yǎng)利用基礎(chǔ)理論處理實際問題綜合能力。第41頁421.5 本課程目標和要求二、課程要求 1掌握機電一體化系統(tǒng)設(shè)計基本概念、基本原