機(jī)電一體化設(shè)計(jì)1緒論09課件

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一章緒論1.1機(jī)電一體化定義1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成1.3機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù)1.4機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和方法1.5機(jī)電一體化發(fā)展趨勢(shì)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展概況1.20世紀(jì)60年代前為第一階段，“萌芽階段”工程師們自覺或者不自覺地把機(jī)械產(chǎn)品和電子技術(shù)相結(jié)合，以提高機(jī)械產(chǎn)品的性能。但是由于電子技術(shù)的發(fā)展相對(duì)落后，使得機(jī)械與電子的結(jié)合還沒有得到廣泛的應(yīng)用。2.70年代到80年代為第二階段，“蓬勃發(fā)展階”

計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)這個(gè)時(shí)期的特點(diǎn)是：①mechatronics一詞首先在日本被普遍接受，大約到20世紀(jì)80年代末期在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認(rèn)；②機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展；③各國均開始對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品給以很大的關(guān)注和支持。

數(shù)控機(jī)床的問世，寫下了“機(jī)電一體化”歷史的第一頁。微電子技術(shù)為“機(jī)電一體化”帶來勃勃生機(jī)?？删幊绦蚩刂破?、”電力電子“等的發(fā)展為“機(jī)電一體”化提供了堅(jiān)強(qiáng)基礎(chǔ)。激光技術(shù)、模糊技術(shù)、信息技術(shù)等新技術(shù)使”“機(jī)電一體化”躍上新臺(tái)階。

機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展概況1.1機(jī)電一體化定義

機(jī)電一體化不是機(jī)械與電子簡單的疊加，而是在信息論、控制論和系統(tǒng)論的基礎(chǔ)上建立起來的應(yīng)用技術(shù)機(jī)電一體化信息科學(xué)機(jī)械學(xué)電子學(xué)機(jī)電一體化：Mechatronics(機(jī)電一體化,機(jī)械電子學(xué),機(jī)電學(xué))機(jī)電一體化：從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，將機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)等在系統(tǒng)工程基礎(chǔ)上有機(jī)地加以綜合，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)最佳化的一門新科學(xué)技術(shù)。

典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))有：數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、汽車電子化產(chǎn)品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統(tǒng)、CAD／CAM系統(tǒng)等。1.1機(jī)電一體化定義機(jī)電一體化技術(shù)：綜合運(yùn)用了機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感測(cè)試技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)及軟件編程技術(shù)等焊接機(jī)器人焊接機(jī)器人典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品汽車防抱死系統(tǒng)(ABS)典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成

位置,速度檢測(cè)單元電機(jī)機(jī)械部件位置,速度反饋CNC數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)組成輸入設(shè)備顯示設(shè)備1、機(jī)械本體

機(jī)身、框架、機(jī)械聯(lián)接等產(chǎn)品支持機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)造功能。要求：高效、多功能、節(jié)能、可靠、小型、美觀2、動(dòng)力單元提供能量，轉(zhuǎn)換成需要的形式，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力功能。要求：效率高、可靠性好1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成3、檢測(cè)傳感單元檢測(cè)產(chǎn)品內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境，實(shí)現(xiàn)計(jì)測(cè)功能。要求：體積小、精度高、抗干擾4、電子控制單元存儲(chǔ)、分析、運(yùn)算、決策，實(shí)現(xiàn)控制功能。要求：高可靠性、柔性、智能化1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成5、執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括機(jī)械傳動(dòng)與操作機(jī)構(gòu)，接收控制信息，完成要求的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)主功能。要求：高性能、高精度、高效率1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成

實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的主功能和構(gòu)造功能，影響系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、重量、體積、剛性、可靠性等。1、機(jī)械技術(shù)機(jī)電一體化產(chǎn)品要求：機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡單、機(jī)械功能更強(qiáng)、體積更小、重量更輕、精度更高、剛度更大、動(dòng)態(tài)性能更好。1.3機(jī)電一體化的相關(guān)術(shù)2、檢測(cè)傳感技術(shù)作用：感受器官、反饋環(huán)節(jié)。研究對(duì)象：傳感器及其信號(hào)檢測(cè)裝置（即變送器）要求：能快速、精確地獲得信息并在相應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境中具有高可靠性。1.3機(jī)電一體化的相關(guān)術(shù)3、信息處理技術(shù)主要完成信息的交換、存取、運(yùn)算、判斷和決策等.其主要工具是計(jì)算機(jī)。4、控制技術(shù)

關(guān)于軟件方面的技術(shù)，主要以控制理論為指導(dǎo)，對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、可靠運(yùn)行等。傳感器A/D計(jì)算機(jī)執(zhí)行裝置D/A1.3機(jī)電一體化的相關(guān)術(shù)1.4機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的與方法1.4.1機(jī)電一體化產(chǎn)品系統(tǒng)分類1.4.2現(xiàn)代機(jī)械的機(jī)電一體化目標(biāo)1.4.3機(jī)電一體化技術(shù)方向1.4.4機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法1.4.5機(jī)電一體化的系統(tǒng)1生產(chǎn)用機(jī)電一體化產(chǎn)品

1.4.1機(jī)電一體化產(chǎn)品系統(tǒng)分類數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備；柔性生產(chǎn)單元、自動(dòng)組合生產(chǎn)單元；FMS、無人化工廠、CIMS2運(yùn)輸、包裝及工程用機(jī)電一體化產(chǎn)品

微機(jī)控制汽車、機(jī)車等交通運(yùn)輸工具；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)備等3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；自動(dòng)倉庫；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)備等。1.4.1機(jī)電一體化產(chǎn)品系統(tǒng)分類4社會(huì)服務(wù)性機(jī)電一體化產(chǎn)品動(dòng)力、醫(yī)療、環(huán)保及公共服務(wù)自動(dòng)化設(shè)備；文教、體育、娛樂5家庭用機(jī)電一體化產(chǎn)品家用機(jī)電一體化產(chǎn)品；微機(jī)或數(shù)控型耐用消費(fèi)品；炊事自動(dòng)化機(jī)械；家庭用信息、服務(wù)設(shè)備。6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；信息處理系統(tǒng)。7農(nóng)、林、牧、漁及其它民用機(jī)電一體化產(chǎn)品8航空、航天、國防用武器裝備等機(jī)電一體化產(chǎn)品1.4.3機(jī)電一體化技術(shù)方向1.機(jī)械的電子化（1）在原有機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用微型計(jì)算機(jī)控制裝置，使系統(tǒng)的性能提高，功能增強(qiáng)。例如，模糊控制洗衣機(jī)能根據(jù)衣物的潔凈度自動(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)洗衣粉的功能；機(jī)床的數(shù)控化是另一個(gè)典型的例子。（2）用電子裝置局部替代機(jī)械傳動(dòng)裝置和機(jī)械控制裝置，簡化結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)控制靈活性。例如，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)采用伺服系統(tǒng)，簡化了傳動(dòng)鏈，提高了進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；將傳統(tǒng)電機(jī)的電刷用電子裝置替代形成的無刷電機(jī)，具有性能可靠、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸減小等優(yōu)點(diǎn)。

1.4.3機(jī)電一體化技術(shù)方向（3）用電子裝置完全替代原來執(zhí)行信息處理功能的機(jī)構(gòu)，既減化了結(jié)構(gòu)，又極大地豐富了信息傳輸?shù)膬?nèi)容，提高了速度。例如，石英電子鐘表、電子秤、按鍵式電話等。

（4）用電子裝置替代機(jī)械的主功能，形成特殊的加工能力。例如，電火花加工機(jī)床、線切割加工機(jī)床、激光加工機(jī)床等。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)械中的激光快速成形機(jī)；信息機(jī)械中的傳真機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)；檢測(cè)機(jī)械中的CT（計(jì)算機(jī)斷層掃描診斷裝置）掃描診斷儀、掃描隧道顯微鏡等。2、總體方案設(shè)計(jì)1)．產(chǎn)品方案構(gòu)思產(chǎn)品方案構(gòu)思完成后，以方案圖的形式將設(shè)計(jì)方案表達(dá)出來。方案圖應(yīng)盡可能簡潔明了，反映機(jī)電一體化系統(tǒng)各組成部分的相互關(guān)系，同時(shí)應(yīng)便于后面的修改。2)．方案的評(píng)價(jià)對(duì)多種構(gòu)思和多種方案進(jìn)行篩選，選擇較好的可行方案進(jìn)行分析組合和評(píng)價(jià)，從中再選幾個(gè)方案按照機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)原則和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行深入的綜合分析評(píng)價(jià)，最后確定實(shí)施方案。1.4.4機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)3、詳細(xì)設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)是根據(jù)綜合評(píng)價(jià)后確定的系統(tǒng)方案，從技術(shù)上將其細(xì)節(jié)逐層全部展開，直至完成產(chǎn)品樣機(jī)試制所需全部技術(shù)圖紙及文件的過程。

1.4.4機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)4、樣機(jī)試制與試驗(yàn)

完成產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計(jì)后，即可進(jìn)入樣機(jī)試制與試驗(yàn)階段。樣機(jī)的試驗(yàn)分為實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和實(shí)際工況試驗(yàn)，通過試驗(yàn)考核樣機(jī)的各種性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求，考核樣機(jī)的可靠性。如果樣機(jī)的性能指標(biāo)和可靠性不滿足設(shè)計(jì)要求，則要修改設(shè)計(jì)，重新制造樣機(jī)，重新試驗(yàn)。如果樣機(jī)的性能指標(biāo)和可靠性滿足設(shè)計(jì)要求，則進(jìn)入產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)階段。5、小批量生產(chǎn)

產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)階段實(shí)際上是產(chǎn)品的試生產(chǎn)試銷售階段。這一階段的主要任務(wù)是跟蹤調(diào)查產(chǎn)品在市場(chǎng)上的情況，收集用戶意見，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)和制造方面存在的問題，并反饋給設(shè)計(jì)、制造和質(zhì)量控制部門。6、大批量生產(chǎn)

經(jīng)過小批量試生產(chǎn)和試銷售的考核，排除產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造中存在的各種問題后，即可投入大批量生產(chǎn)。1.4.4機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.5機(jī)電一體化產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)

1智能化

智能化是21世紀(jì)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要發(fā)展方向。人工智能在機(jī)電一體化建設(shè)者的研究日益得到重視，機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的智能化就是重要應(yīng)用。這里所說的“智能化”是對(duì)機(jī)器行為的描述，是在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動(dòng)力學(xué)等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標(biāo)。機(jī)電一體化產(chǎn)品向智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化、系統(tǒng)化發(fā)展。2模塊化

由于機(jī)電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、電氣接口、動(dòng)力接口、環(huán)境接口的機(jī)電一體化產(chǎn)品單元是一項(xiàng)十分復(fù)雜但又是非常重要的事。這需要制定各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，以便各部件、單元的匹配和接口。由于利益沖突，近期很難制定國際或國內(nèi)這方面的標(biāo)準(zhǔn)，但可以通過組建一些大企業(yè)逐漸形成。顯然，從電氣產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化帶來的好處可以肯定，無論是對(duì)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)電一體化單元的企業(yè)還是對(duì)生產(chǎn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的企業(yè)，規(guī)模化將給機(jī)電一體化企業(yè)帶來美好的前程。1.5機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì)3網(wǎng)絡(luò)化20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)等的突出成就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。機(jī)電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來，只要其功能獨(dú)到，質(zhì)量可靠，很快就會(huì)暢銷全球。由于網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾，而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本身就是機(jī)電一體化產(chǎn)品。因此，機(jī)電一體化產(chǎn)品無疑朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。1.5機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì)4微型化

微型化興起于20世紀(jì)80年代末，指的是機(jī)電一體化向微型機(jī)器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)。國外稱其為微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS），泛指幾何尺寸不超過1cm3的機(jī)電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級(jí)發(fā)展。微機(jī)電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運(yùn)動(dòng)靈活，在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比