机电一体化绪论 PPT课件

机电一体化技术 天津工业大学机电系主讲教师 耿冬寒2013年9月 1 参考书目 机电一体化系统设计 高等教育出版社张建民等 机电一体化技术与系统 机械工业出版社梁景凯等 机电一体化控制技术与系统 西安电子科技大学出版社计时鸣 机电一体化技术 科学出版社 李建勇 2 第一章绪论 1 1机电一体化系统的基本概念1 2机电一体化系统的基本构成1 3机电一体化共性关键技术1 4机电一体化系统设计方法1 5机电一体化技术发展 3 1 1机电一体化系统的基本概念 1 概念的提出 日本在20世纪70年代提出 是机械与电子的集成技术 用Mechatronics表示 4 从系统的观点出发 机电一体化技术是将机械技术 微电子技术 信息技术 控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合 以实现整个系统最佳化的一门新科学技术 在机械主功能 动力功能 信息功能和控制功能上引入微电子技术 并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称是机械工程 电子学和智能控制算法在产品设计和制造中的协同整合 2 定义 5 是使系统 产品 高附加价值化 即多功能化 高效率化 高可靠化 省材料省能源化 并使产品结构向轻 薄 短 小巧化方向发展 不断满足人们生活的多样化需求和生产的省力化 自动化需求 机电一体化的 目的 6 机电一体化一般包含机电一体化产品 系统 和机电一体化技术两方面内容 典型的机电一体化产品 系统 有 数控机床 机器人 汽车电子化产品 智能化仪器仪表 电子排版印刷系统 CAD CAM系统等 机电一体化技术 机电一体化不是机械与电子简单的叠加从系统的观点出发 将机械技术 微电子技术 信息技术 控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合 以实现整个系统最佳化的一门新科学技术 7 1 2系统的基本组成 机电一体化系统 控制与信息处理 动力与驱动装置 传感与检测部分 机械本体 执行机构 8 1 机械本体 机身 框架 机械联接等产品支持机构 实现构造功能 要求 可靠 小型 美观 2 动力驱动 提供能量 转换成需要的形式 实现动力和驱动功能 要求 效率高 可靠性好 9 3 检测传感装置 检测产品内部状态和外部环境 实现计测功能 要求 体积小 精度高 抗干扰 4 控制与信息处理 处理 运算 决策 实现控制功能 要求 高可靠性 柔性 智能化 10 5 执行机构 包括机械传动与操作机构 接收控制信息 完成要求的动作 实现主功能 要求 高性能 高精度 高效率 11 机电一体化系统的五种内部功能 12 构成机电一体化系统与人体的对应部分及相应功能的关系 13 14 15 精密机械技术 信息处理技术 自动控制技术 检测传感技术 伺服驱动技术 系统总体技术 1 与传统的机械产品的区别 机械结构更简单 机械功能更强 性能更优越 现代机械要求具有更新颖的结构 更小的体积 更轻的重量 还要求精度更高 刚度更大 动态性能更好 1 3共性关键技术 16 2 信息处理技术包括信息的交换 存取 运算 判断和决策 实现信息处理的工具是计算机 因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的 计算机技术包括计算机的软件技术和硬件技术 网络与通信技术 数据技术等 3 自动控制技术范围很广 机电系统设计在基本控制理论指导下 对具体控制装置或控制系统进行设计 对设计后的系统进行仿真和现场调试 最后使研制的系统可靠地投入运行 控制系统是指由被控对象和控制装置所构成的 能够对被控对象的工作状态进行调节 使之具有一定的状态和性能的系统 17 4 传感与检测装置是系统的感受器官 它与信息系统的输入端相连并将检测到的信息输送到信息处理部分 传感与检测是实现自动控制 自动调节的关键环节 它的功能越强 系统的自动化程度就越高 传感与检测的关键元件是传感器 5 伺服驱动包括电动 气动 液压等各种类型的驱动装置 由微型计算机通过接口与这些传动装置相连接 控制它们的运动 带动工作机械作回转 直线以及其他各种复杂的运动 驱动装置主要指各种电动机的驱动电源电路 18 6 系统总体技术是一种从整体目标出发 用系统的观点和全局角度 把功能和技术方案组成方案组进行分析 评价和优选的综合应用技术 系统总体技术解决的是系统的性能优化问题和组成要素之间的有机联系问题 即使各个组成要素的性能和可靠性很好 但如果整个系统不能很好协调 系统也很难正常运行 19 机电一体化技术与传统机电技术的区别 传统机电技术的操作控制主要通过具有电磁特性的各种电器来实现 如继电器 接触器等 在设计中不考虑或很少考虑彼此间的内在联系 机械本体和电气驱动界限分明 整个装置是刚性的 不涉及软件和计算机控制 机电一体化技术以计算机为控制中心 在设计过程中强调机械部件和电器部件间的相互作用和影响 整个装置在计算机控制下具有一定的智能性 机电一体化技术与并行工程的区别 机电一体化技术将机械技术 微电子技术 计算机技术 控制技术和检测技术在设计和制造阶段就有机地结合在一起 十分注意机械和其他部件之间的相互作用 而并行工程将上述各种技术尽量在各自范围内齐头并进 只在不同技术内部进行设计制造 最后通过简单叠加完成整体装置 20 所谓的系统设计 就是用系统思维综合运用各有关学科的知识 技术和经验 在系统分析的基础上 通过总体研究和详细设计 实现满足设计目标的产品研发过程 系统设计的基本原则是使设计工作获得最优化效果 在保证目的功能要求与适当使用寿命的前提下不断降低成本 系统设计的过程就是 目标 功能 结构 效果 的多次分析与综合的过程 综合可理解为各种解决问题要素的拼合的模型化过程 这是一种高度的创造行为 分析是综合的反行为 也是提高综合水平的必要手段 1 4机电一体化系统的设计方法 21 1 机电互补法2 结合 融合 法3 组合法 一 机电一体化系统 产品 设计的考虑方法 22 机电互补法又称取代法 该方法的特点是利用通用或专用电子部件取代传统机械产品 系统 中的复杂机械功能部件或功能子系统 以弥补其不足 1 机电互补法 23 它是将各组成要素有机结合为一体构成专用或通用的功能部件 子系统 其要素之间机电参数的有机匹配比较充分 2 结合 融合 法 24 它是将结合法制成的功能部件 子系统 功能模块 像积木那样组合成各种机电一体化系统 品 故称组合法 3 组合法 25 二 机电一体化系统的设计类型 它是没有参照产品的设计 仅仅是根据抽象的设计原理和要求 设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品或系统 1 开发性设计 26 它是在总的方案原理基本保持不变的情况下 对现有产品进行局部更改 或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计 以使产品的性能和质量增加某些附加价值 2 适应性设计 27 它是在设计方案和功能结构不变的情况下 仅改变现有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有所变更的要求 3 变异性设计 28 可行性研究报告 任务书 原理方案图 结构设计图 总装图 零 部件工作图 设计技术文件 工艺文件 样机试制试验 鉴定文件 信息反馈 修改完善 规划阶段 总体阶段 详细施工阶段 调试生产阶段 销售阶段 用户对产品的需求 总体设计关键 绘制生产图纸 设计说明书 使用说明书 明细表 三机电一体化系统 产品 的设计流程 29 机电一体化系统开发工程的流程 30 一 市场调研二 总体方案设计三 详细设计四 样机试制与试验五 小批量生产六 大批量生产 31 一 市场调研 市场调研包括市场调查和市场预测 所谓市场调查就是运用科学的方法 系统地 全面地收集所设计产品市场需求和经销方面的情况和资料 分析研究产品在供需双方之间进行转移的状况和趋势 而市场预测就是在市场调查的基础上 运用科学方法和手段 根据历史资料和现状 通过定性的经验分析或定量的科学计算 对市场未来的不确定因素和条件做出预计 测算和判断 为产品的方案设计提供依据 32 二 原理方案设计 1 产品方案构思产品方案构思完成后 以方案图的形式将设计方案表达出来 方案图应尽可能简洁明了 反映机电一体化系统各组成部分的相互关系 同时应便于后面的修改 2 方案的评价对多种构思和多种方案进行筛选 选择较好的可行方案进行分析组合和评价 从中再选几个方案按照机电一体化系统设计评价原则和评价方法进行深入的综合分析评价 最后确定实施方案 33 三 详细设计 详细设计是根据综合评价后确定的系统方案 从技术上将其细节逐层全部展开 直至完成产品样机试制所需全部技术图纸及文件的过程 34 四 样机试制与试验 完成产品的详细设计后 即可进入样机试制与试验阶段 根据制造的成本和性能试验的要求 一般制造几台样机供试验使用 样机的试验分为实验室试验和实际工况试验 通过试验考核样机的各种性能指标是否满足设计要求 考核样机的可靠性 如果样机的性能指标和可靠性不满足设计要求 则要修改设计 重新制造样机 重新试验 如果样机的性能指标和可靠性满足设计要求 则进入产品的小批量生产阶段 35 五 小批量生产产品的小批量生产阶段实际上是产品的试生产试销售阶段 这一阶段的主要任务是跟踪调查产品在市场上的情况 收集用户意见 发现产品在设计和制造方面存在的问题 并反馈给设计 制造和质量控制部门 六 大批量生产经过小批量试生产和试销售的考核 排除产品设计和制造中存在的各种问题后 即可投入大批量生产 36 1 5机电一体化的发展 1 20世纪60年代前为第一阶段 萌芽阶段 工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结合 以提高机械产品的性能 但是由于电子技术的发展相对落后 使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用 2 70年代到80年代为第二阶段 蓬勃发展阶段 计算机技术 控制技术 通信技术的发展 为机电一体化的发展奠定了技术基础 这个时期的特点是 mechatronics一词首先在日本被普遍接受 大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认 机电一体化技术和产品得到了极大发展 各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持 3 90年代后期开始为第三阶段 智能化阶段 光学 通信技术等进入了机电一体化 微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚 出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支 对机电一体化系统的建模设计 分析和集成方法 机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究 1 机电一体化技术发展历程 37 2 机电一体化技术发展方向 1 智能化 4 网络化 5人格化 2 微型化 3 模块化 6 绿色化 38 智能化 智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要方向 在控制理论的基础上 吸收人工智能 运筹学 计算机科学 模糊数学 心理学 生理学和混沌动力学新思想 新方法 模拟人类智能 使它具有判断推理 逻辑思维和自主决策等能力 以求得到更高的控制目标 主要体现在诊断过程的智能化 人机接口的智能化 自动编程的智能化 加工过程的智能化 模块化 由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多 研制和开发具有标准机械接口 电气接口 动力接口 环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事 这需要制定各项标准 以便各部件 单元的匹配和接口 由于利益冲突 近期很难制定国际或国内这方面的标准 但可以通过组建一些大企业逐渐形成 显然 从电气产品的标准化 系列化带来的好处可以肯定 无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业 规模化将给机电一体化企业带来美好的前程 39 网络化 20世纪90年代 计算机技术等的突出成就是网络技术 机电一体化新产品一旦研制出来 只要其功能独到 质量可靠 很快就会畅销全球 由于网络的普及 基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾 而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品 因此 机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展 微型化 微型化兴起于20世纪80年代末 指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势 国外称其为微电子机械系统 MEMS 泛指几何尺寸不超过1cm