機電一體化系統(tǒng)設(shè)(2)

1、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計,主講：董春法,課程安排,1. 學時：40h(含8h實驗) 2. 成績評定： 平時20實驗10考試70,課程安排,3. 教材 機電一體化技術(shù) 徐洪吉等 國防工業(yè)出版社 （2005.3） 機電一體化設(shè)計基礎(chǔ) 鄭堤等 機械工業(yè)出版社 （1997.7） 機電一體化設(shè)計基礎(chǔ) 朱喜林等 科學出版社 （2005.7） 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計（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 Mechatronics = Mechanics + Electronics 1971年，日本，“機械設(shè)計”雜志副刊,1.1機電一體化的含義,2 機電一體化的定義 日本 1

2、）學者渡邊茂提出：“機電一體化是機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)管理部長小島利夫認為：“機電一體化是機械學與電子學有機結(jié)合而提供的更為優(yōu)越的一種技術(shù)?！?1.1機電一體化的含義,3）1981年，日本機械振興協(xié)會經(jīng)濟研究所提出:“機電一體化乃是在機械的主功能、動力功能、信息與控制功能上引進微電子技術(shù)，并將機械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。”該定義被大家普遍接受。,1.1機電一體化的含義,美國 1984年，美國機械工程師協(xié)會（ASME）為現(xiàn)代機械系統(tǒng)做了如下的定義：“由計算機信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)與控制的、用于完成包括機械力、運動和能量流等動力學任務(wù)的機械

3、和(或)機電部件相互聯(lián)系的系統(tǒng)?！?1.1機電一體化的含義,中國 1）有人認為機電一體化是“機電一體化技術(shù)及其產(chǎn)品的統(tǒng)稱?！?2）有人將柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)等自動化生產(chǎn)線和自動化生產(chǎn)工程也包括在內(nèi)，這是對機電一體化含義的延拓。,1.1機電一體化的含義,以上說法角度不同，側(cè)重點不同，但都強調(diào)機與電有機結(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)屬于機電一體化范疇，如機電液一體化、機電光一體化等。,1.1機電一體化的含義,3.機電一體化的內(nèi)容,（1）機電一體化技術(shù) 是指包括技術(shù)基礎(chǔ)、技術(shù)原理在內(nèi)的使機電

4、一體化產(chǎn)品得以實現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術(shù)。 （2）機電一體化產(chǎn)品（系統(tǒng)） 是指機械系統(tǒng)與微電子系統(tǒng)相互有機結(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,單純機械技術(shù)的產(chǎn)品附加值含量越來越少，而微電子技術(shù)的附加值含量卻越來越多,1.2 機電一體化系統(tǒng)的基本組成及功能要素,一個較完善的機電一體系統(tǒng)一般包括以下五大基本要素： 機械本體 動力單元 傳感檢測單元 執(zhí)行單元 控制及信息處理單元,1.2 機電一體化系統(tǒng)的基本組成及功能要素,1. 機械本體 機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的基礎(chǔ)，它是所有功能單元的機械支持結(jié)構(gòu)，包括機身、框架、

5、機械連接部件等。 追求目標：通過采用新工藝、新材料、新結(jié)構(gòu)，達到高效、可靠、節(jié)能、小型、輕量、美觀等要求。,1.2 機電一體化系統(tǒng)的基本組成及功能要素,2.傳感檢測單元 在系統(tǒng)運行中對系統(tǒng)本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進行檢測，并把被檢測信號轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號（電壓、電流、頻率和脈沖等），傳輸?shù)娇刂菩畔⑻幚韱卧?組成：傳感器和信號檢測電路。 追求目標：高精度、抗干擾、環(huán)境適應(yīng)性強、體積小、安裝維護容易。,1.2 機電一體化系統(tǒng)的基本組成及功能要素,3.控制與信息處理單元 將來自傳感器的信息和外部輸入命令進行集中處理，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，控制整個系統(tǒng)按要求實現(xiàn)有序

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

7、標準化和系列化），以提高系統(tǒng)整體工作可靠性。,1.2 機電一體化系統(tǒng)的基本組成及功能要素,總之，機電一體化產(chǎn)品的五個基本組成要素之間并非彼此無關(guān)或簡單拼湊、疊加在一起，工作中它們各司其職，互相補充、互相協(xié)調(diào)，共同完成所規(guī)定的功能。 在結(jié)構(gòu)上，各組成要素通過各種接口及相關(guān)軟件有機地結(jié)合在一起，構(gòu)成一個內(nèi)部合理匹配、外部效能最佳的完整產(chǎn)品。,1.2 機電一體化系統(tǒng)的基本組成及功能要素,人體五大要素與機電一體化產(chǎn)品五大要素的對應(yīng)關(guān)系,(內(nèi)臟),(手足),(骨骼),(感官),(大腦),機電一體化系統(tǒng)五大要素實例,1.3 機電一體化的相關(guān)技術(shù),機電一體化是多學科技術(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)可以歸納為六個方面： 精密機械技術(shù) 傳感檢測技術(shù) 伺服驅(qū)動技術(shù) 信息處理技術(shù) 自動控制技術(shù) 系統(tǒng)總體技術(shù),1.3 機電一體化的相關(guān)技術(shù),1. 精密機械技術(shù) 精密機械技術(shù)是機電一體化的基礎(chǔ)。 研究對象：執(zhí)行單元和機械本體 為發(fā)揮機電產(chǎn)品的優(yōu)勢，對機械技術(shù)提出了更高的要求，以滿足機電產(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 機電一體化的相關(guān)技術(shù),2傳感檢測技術(shù) 研究對象：傳感檢測單元 在一個自動控制系統(tǒng)中，首先要由傳感器檢測到信號，才能進行自動控制。它是實現(xiàn)自動控制、自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其功能越強，機電系統(tǒng)的功能越強。 研究內(nèi)容包括兩方面：一是研究如何將各種被測量轉(zhuǎn)

9、換為與之成比例的電量；二是研究如何將轉(zhuǎn)換的電信號進行加工處理。,1.3 機電一體化的相關(guān)技術(shù),3伺服驅(qū)動技術(shù) 研究對象：動力單元 伺服驅(qū)動技術(shù)是在控制指令的指揮下，控制驅(qū)動元件，使機械運動部件按照控制指令要求運動，并具有良好的動態(tài)性能。 常用的伺服驅(qū)動有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動等。 近年，該技術(shù)發(fā)展較快，力矩電機、直線電機、超聲波電機等新型執(zhí)行元件不斷涌現(xiàn)，另外氣動伺服技術(shù)、電液比例伺服技術(shù)及新型液壓驅(qū)動技術(shù)都取得了很快發(fā)展。,1.3 機電一體化的相關(guān)技術(shù),4信息處理技術(shù) 研究對象：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、運算等。實現(xiàn)信息處理的主要工具是計算機。在機電產(chǎn)品中，

10、計算機與信息處理裝置指揮整個系統(tǒng)的運行，信息處理是否正確、及時，直接影響系統(tǒng)工作質(zhì)量和效率。 機電一體化系統(tǒng)中主要采用：可編程控制器，單、多回路調(diào)節(jié)器，單片機，總線式工業(yè)控制機，分布式計算機測控系統(tǒng)等進行信息處理。,1.3 機電一體化的相關(guān)技術(shù),5自動控制技術(shù) 研究對象：控制系統(tǒng) 目的：實現(xiàn)機電一體化系統(tǒng)的目標最佳化 理論基礎(chǔ)是自動控制原理（經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論）。自動控制技術(shù)就是在此理論指導下對具體控制系統(tǒng)進行設(shè)計，并進行系統(tǒng)仿真及現(xiàn)場調(diào)試，使系統(tǒng)可靠地投入運行。 由于控制對象種類繁多，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、自動控制技術(shù)的難點在于：模型識別和控制理論的工程化。,1.3 機電一體化的相關(guān)技術(shù),6系統(tǒng)總體技術(shù) 研究對象：整個機電一體化系統(tǒng) 機電一體化技術(shù)并非以上單元技術(shù)的簡單疊加，而要互相協(xié)調(diào)，互相融合。系統(tǒng)總體技術(shù)是一種從整體目標出發(fā)，用系統(tǒng)論的觀點和方法，通過任務(wù)分解-單元方案-方案綜合-分析評價的反復過程，確定高性價比、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?？煞譃橛脩艚换ソ涌冢瑑?nèi)務(wù)操作接口，傳感接口和

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

13、統(tǒng)的整體目標考慮各子系統(tǒng)的設(shè)計，接口簡單，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電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）。在開發(fā)機電一體化系統(tǒng)時，應(yīng)用這種方法可以縮短設(shè)計與研制周期、節(jié)約工裝設(shè)備費用，且有利于生產(chǎn)管理、使用和維修。,1.4 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的方法,1.4 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的方法,二、機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計類型,1開發(fā)性設(shè)計 是沒有參照產(chǎn)品的設(shè)計，僅僅是根據(jù)抽象的設(shè)計原理和要求，設(shè)計出在質(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、攝像機的設(shè)計。,2適應(yīng)性設(shè)計 是在總的方案原理基本保持不變

14、的情況下，對現(xiàn)有產(chǎn)品進行局部更改，或用微電子技術(shù)代替原有的機械結(jié)構(gòu)，或為了進行微電子控制對機械結(jié)構(gòu)進行局部適應(yīng)性設(shè)計，以便產(chǎn)品的性能和質(zhì)量增加某些附加價值。 例如電子式照相機采用電子快門、自動曝光代替手動調(diào)整；汽車的電子式汽油噴射裝置代替原來的機械控制汽油噴射裝置。,1.4 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的方法,3變異性設(shè)計 是在設(shè)計方案和功能結(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)計傳動系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計。,1.4 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的方法,本課程的目的是研究怎樣利用系統(tǒng)工程和接口的觀點，將執(zhí)行電動機、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)良的、可靠的機電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)。 本書學習的具體要求： 1.掌握機電一體化技術(shù)的基本概念、基本原理和基本知識。 2.掌握機電一體化技術(shù)中常用的機械傳動裝置、檢測傳感器、控制電動機和計算機軟硬件原理、結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)