機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)(2)

1、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì),主講：董春法,課程安排,1. 學(xué)時(shí)：40h(含8h實(shí)驗(yàn)) 2. 成績(jī)?cè)u(píng)定： 平時(shí)20實(shí)驗(yàn)10考試70,課程安排,3. 教材 機(jī)電一體化技術(shù) 徐洪吉等 國(guó)防工業(yè)出版社 （2005.3） 機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 鄭堤等 機(jī)械工業(yè)出版社 （1997.7） 機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 朱喜林等 科學(xué)出版社 （2005.7） 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)（第2版） 張建民等 高等教育出版社 （2001.8）,第1章緒論,1 名稱的由來(lái) Mechatronics = Mechanics + Electronics 1971年，日本，“機(jī)械設(shè)計(jì)”雜志副刊,1.1機(jī)電一體化的含義,2 機(jī)電一體化的定義 日本 1

2、）學(xué)者渡邊茂提出：“機(jī)電一體化是機(jī)械工程中采用微電子技術(shù)的體現(xiàn)。” 2）日本富士通法納克公司技術(shù)管理部長(zhǎng)小島利夫認(rèn)為：“機(jī)電一體化是機(jī)械學(xué)與電子學(xué)有機(jī)結(jié)合而提供的更為優(yōu)越的一種技術(shù)。”,1.1機(jī)電一體化的含義,3）1981年，日本機(jī)械振興協(xié)會(huì)經(jīng)濟(jì)研究所提出:“機(jī)電一體化乃是在機(jī)械的主功能、動(dòng)力功能、信息與控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱?！痹摱x被大家普遍接受。,1.1機(jī)電一體化的含義,美國(guó) 1984年，美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）為現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)做了如下的定義：“由計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)與控制的、用于完成包括機(jī)械力、運(yùn)動(dòng)和能量流等動(dòng)力學(xué)任務(wù)的機(jī)械

3、和(或)機(jī)電部件相互聯(lián)系的系統(tǒng)?！?1.1機(jī)電一體化的含義,中國(guó) 1）有人認(rèn)為機(jī)電一體化是“機(jī)電一體化技術(shù)及其產(chǎn)品的統(tǒng)稱?！?2）有人將柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)等自動(dòng)化生產(chǎn)線和自動(dòng)化生產(chǎn)工程也包括在內(nèi)，這是對(duì)機(jī)電一體化含義的延拓。,1.1機(jī)電一體化的含義,以上說(shuō)法角度不同，側(cè)重點(diǎn)不同，但都強(qiáng)調(diào)機(jī)與電有機(jī)結(jié)合的思想。 按照該思想，凡是由各種現(xiàn)代高新技術(shù)與機(jī)械和電子技術(shù)相互結(jié)合而形成的各種技術(shù)、產(chǎn)品或系統(tǒng)，都應(yīng)屬于機(jī)電一體化范疇，如機(jī)電液一體化、機(jī)電光一體化等。,1.1機(jī)電一體化的含義,3.機(jī)電一體化的內(nèi)容,（1）機(jī)電一體化技術(shù) 是指包括技術(shù)基礎(chǔ)、技術(shù)原理在內(nèi)的使機(jī)電

4、一體化產(chǎn)品得以實(shí)現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術(shù)。 （2）機(jī)電一體化產(chǎn)品（系統(tǒng)） 是指機(jī)械系統(tǒng)與微電子系統(tǒng)相互有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成的“新系統(tǒng)”，且賦予其新功能和新性能的新一代產(chǎn)品。,1.1機(jī)電一體化的含義,產(chǎn)品技術(shù)附加值與技術(shù)構(gòu)成比例的發(fā)展情況,單純機(jī)械技術(shù)的產(chǎn)品附加值含量越來(lái)越少，而微電子技術(shù)的附加值含量卻越來(lái)越多,1.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成及功能要素,一個(gè)較完善的機(jī)電一體系統(tǒng)一般包括以下五大基本要素： 機(jī)械本體 動(dòng)力單元 傳感檢測(cè)單元 執(zhí)行單元 控制及信息處理單元,1.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成及功能要素,1. 機(jī)械本體 機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的基礎(chǔ)，它是所有功能單元的機(jī)械支持結(jié)構(gòu)，包括機(jī)身、框架、

5、機(jī)械連接部件等。 追求目標(biāo)：通過(guò)采用新工藝、新材料、新結(jié)構(gòu)，達(dá)到高效、可靠、節(jié)能、小型、輕量、美觀等要求。,1.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成及功能要素,2.傳感檢測(cè)單元 在系統(tǒng)運(yùn)行中對(duì)系統(tǒng)本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并把被檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號(hào)（電壓、電流、頻率和脈沖等），傳輸?shù)娇刂菩畔⑻幚韱卧?組成：傳感器和信號(hào)檢測(cè)電路。 追求目標(biāo)：高精度、抗干擾、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、體積小、安裝維護(hù)容易。,1.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成及功能要素,3.控制與信息處理單元 將來(lái)自傳感器的信息和外部輸入命令進(jìn)行集中處理，根據(jù)處理結(jié)果，按照一定的規(guī)則發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，控制整個(gè)系統(tǒng)按要求實(shí)現(xiàn)有序

6、地運(yùn)行。 它是機(jī)電一體化系統(tǒng)的核心單元，由硬件和軟件組成。 追求目標(biāo)：高可靠性、高度集成、高智能化和高柔性。,1.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成及功能要素,4. 動(dòng)力單元 在控制系統(tǒng)的控制下，為系統(tǒng)提供能量和動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成各種動(dòng)作和功能。 組成：動(dòng)力源、執(zhí)行元件、驅(qū)動(dòng)裝置等 根據(jù)動(dòng)力源的不同，執(zhí)行元件可分為液壓式、氣壓式、電氣式等類型。 追求目標(biāo)：高效率、快速響應(yīng)特性、高適應(yīng)性和可靠性。,1.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成及功能要素,5.執(zhí)行單元 根據(jù)控制系統(tǒng)的控制信息和指令，完成要求的動(dòng)作。 組成：包括傳動(dòng)與操作機(jī)構(gòu)。 發(fā)展目標(biāo)：改善執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作性能（如提高剛性，減輕重量，實(shí)現(xiàn)組件化、

7、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化），以提高系統(tǒng)整體工作可靠性。,1.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成及功能要素,總之，機(jī)電一體化產(chǎn)品的五個(gè)基本組成要素之間并非彼此無(wú)關(guān)或簡(jiǎn)單拼湊、疊加在一起，工作中它們各司其職，互相補(bǔ)充、互相協(xié)調(diào)，共同完成所規(guī)定的功能。 在結(jié)構(gòu)上，各組成要素通過(guò)各種接口及相關(guān)軟件有機(jī)地結(jié)合在一起，構(gòu)成一個(gè)內(nèi)部合理匹配、外部效能最佳的完整產(chǎn)品。,1.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成及功能要素,人體五大要素與機(jī)電一體化產(chǎn)品五大要素的對(duì)應(yīng)關(guān)系,(內(nèi)臟),(手足),(骨骼),(感官),(大腦),機(jī)電一體化系統(tǒng)五大要素實(shí)例,1.3 機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù),機(jī)電一體化是多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程，主要

8、相關(guān)技術(shù)可以歸納為六個(gè)方面： 精密機(jī)械技術(shù) 傳感檢測(cè)技術(shù) 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù) 信息處理技術(shù) 自動(dòng)控制技術(shù) 系統(tǒng)總體技術(shù),1.3 機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù),1. 精密機(jī)械技術(shù) 精密機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)。 研究對(duì)象：執(zhí)行單元和機(jī)械本體 為發(fā)揮機(jī)電產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)，對(duì)機(jī)械技術(shù)提出了更高的要求，以滿足機(jī)電產(chǎn)品減少重量、縮小體積、提高精度和剛度，改善性能的要求。,1.3 機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù),2傳感檢測(cè)技術(shù) 研究對(duì)象：傳感檢測(cè)單元 在一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，首先要由傳感器檢測(cè)到信號(hào)，才能進(jìn)行自動(dòng)控制。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其功能越強(qiáng)，機(jī)電系統(tǒng)的功能越強(qiáng)。 研究?jī)?nèi)容包括兩方面：一是研究如何將各種被測(cè)量轉(zhuǎn)

9、換為與之成比例的電量；二是研究如何將轉(zhuǎn)換的電信號(hào)進(jìn)行加工處理。,1.3 機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù),3伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù) 研究對(duì)象：動(dòng)力單元 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)是在控制指令的指揮下，控制驅(qū)動(dòng)元件，使機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件按照控制指令要求運(yùn)動(dòng)，并具有良好的動(dòng)態(tài)性能。 常用的伺服驅(qū)動(dòng)有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)等。 近年，該技術(shù)發(fā)展較快，力矩電機(jī)、直線電機(jī)、超聲波電機(jī)等新型執(zhí)行元件不斷涌現(xiàn)，另外氣動(dòng)伺服技術(shù)、電液比例伺服技術(shù)及新型液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)都取得了很快發(fā)展。,1.3 機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù),4信息處理技術(shù) 研究對(duì)象：控制與信息處理單元 信息處理技術(shù)包括信息的交換、存取、運(yùn)算等。實(shí)現(xiàn)信息處理的主要工具是計(jì)算機(jī)。在機(jī)電產(chǎn)品中，

10、計(jì)算機(jī)與信息處理裝置指揮整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，信息處理是否正確、及時(shí)，直接影響系統(tǒng)工作質(zhì)量和效率。 機(jī)電一體化系統(tǒng)中主要采用：可編程控制器，單、多回路調(diào)節(jié)器，單片機(jī)，總線式工業(yè)控制機(jī)，分布式計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)等進(jìn)行信息處理。,1.3 機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù),5自動(dòng)控制技術(shù) 研究對(duì)象：控制系統(tǒng) 目的：實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)的目標(biāo)最佳化 理論基礎(chǔ)是自動(dòng)控制原理（經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論）。自動(dòng)控制技術(shù)就是在此理論指導(dǎo)下對(duì)具體控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行系統(tǒng)仿真及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，使系統(tǒng)可靠地投入運(yùn)行。 由于控制對(duì)象種類繁多，所以控制技術(shù)的內(nèi)容極其豐富，如速度控制、位置控制、溫度控制、壓力控制和姿態(tài)控制等。目前

11、自動(dòng)控制技術(shù)的難點(diǎn)在于：模型識(shí)別和控制理論的工程化。,1.3 機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù),6系統(tǒng)總體技術(shù) 研究對(duì)象：整個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng) 機(jī)電一體化技術(shù)并非以上單元技術(shù)的簡(jiǎn)單疊加，而要互相協(xié)調(diào)，互相融合。系統(tǒng)總體技術(shù)是一種從整體目標(biāo)出發(fā)，用系統(tǒng)論的觀點(diǎn)和方法，通過(guò)任務(wù)分解-單元方案-方案綜合-分析評(píng)價(jià)的反復(fù)過(guò)程，確定高性價(jià)比、高可靠性、高可維性的技術(shù)方案。 系統(tǒng)總體技術(shù)還包括很多內(nèi)容，例如接口技術(shù)、軟件開發(fā)等。,1.3 機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù),接口技術(shù) 接口：在子系統(tǒng)之間及子系統(tǒng)內(nèi)部，信息、物質(zhì)、能量交換與傳遞的渠道。 按接口所連接外設(shè)的形式和功能的不同，通?？煞譃橛脩艚换ソ涌?，內(nèi)務(wù)操作接口，傳感接口和

12、控制接口四種。,1.3 機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù),接口基本功能 1）變換 2 ）放大 3）傳遞 在設(shè)計(jì)接口時(shí)要從系統(tǒng)原理的角度和系統(tǒng)工程出發(fā)，設(shè)計(jì)的接口要利于整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，使各要素或子系統(tǒng)連接成為一個(gè)有機(jī)整體，使各個(gè)功能環(huán)節(jié)有目的地協(xié)調(diào)一致運(yùn)動(dòng)，從而形成機(jī)電一體化的系統(tǒng)工程。,1.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法,一、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法,1取代法（改造法、機(jī)電互補(bǔ)法） 該方法的特點(diǎn)是利用通用或?qū)Ｓ秒娮硬考〈鷤鹘y(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品（系統(tǒng)）中的復(fù)雜機(jī)械功能部件或功能子系統(tǒng)，以彌補(bǔ)其不足。這種方法是改造傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品和開發(fā)新型產(chǎn)品常用的方法。,2整體設(shè)計(jì)法（創(chuàng)新法、融合法、結(jié)合法） 該方法的特點(diǎn)是在設(shè)計(jì)時(shí)要從系

13、統(tǒng)的整體目標(biāo)考慮各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，接口簡(jiǎn)單，系統(tǒng)互融一體。這種方法主要用于全新產(chǎn)品的開發(fā)。 3組合法（積木法） 該方法的特點(diǎn)是將用結(jié)合法制成的功能部件、功能模塊，像積木那樣組合成各種機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）。在開發(fā)機(jī)電一體化系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)用這種方法可以縮短設(shè)計(jì)與研制周期、節(jié)約工裝設(shè)備費(fèi)用，且有利于生產(chǎn)管理、使用和維修。,1.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法,1.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法,二、機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)類型,1開發(fā)性設(shè)計(jì) 是沒有參照產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，僅僅是根據(jù)抽象的設(shè)計(jì)原理和要求，設(shè)計(jì)出在質(zhì)量和性能方面滿足目的要求的產(chǎn)品或系統(tǒng)。最初的錄像機(jī)、攝像機(jī)的設(shè)計(jì)。,2適應(yīng)性設(shè)計(jì) 是在總的方案原理基本保持不變

14、的情況下，對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行局部更改，或用微電子技術(shù)代替原有的機(jī)械結(jié)構(gòu)，或?yàn)榱诉M(jìn)行微電子控制對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部適應(yīng)性設(shè)計(jì)，以便產(chǎn)品的性能和質(zhì)量增加某些附加價(jià)值。 例如電子式照相機(jī)采用電子快門、自動(dòng)曝光代替手動(dòng)調(diào)整；汽車的電子式汽油噴射裝置代替原來(lái)的機(jī)械控制汽油噴射裝置。,1.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法,3變異性設(shè)計(jì) 是在設(shè)計(jì)方案和功能結(jié)構(gòu)不變的情況下，僅改變現(xiàn)有產(chǎn)品的規(guī)格尺寸使之適應(yīng)于量的方面有所變更的要求。 例如由于傳遞扭矩或速比發(fā)生變換而重新設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)。,1.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法,本課程的目的是研究怎樣利用系統(tǒng)工程和接口的觀點(diǎn)，將執(zhí)行電動(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)良的、可靠的機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)。 本書學(xué)習(xí)的具體要求： 1.掌握機(jī)電一體化技術(shù)的基本概念、基本原理和基本知識(shí)。 2.掌握機(jī)電一體化技術(shù)中常用的機(jī)械傳動(dòng)裝置、檢測(cè)傳感器、控制電動(dòng)機(jī)和計(jì)算機(jī)軟硬件原理、結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)