机电一体化系统设计 第一章

机电一体化系统设计,张建民编著高等教育出版社讲授：彭治国机电工程学院,信息技术引领现代化,第一章总论,第1.1节概述1.1.1机电一体化的内涵机电一体化一般包含机电一体化技术和机电一体化产品(系统)两层含义。1.机电一体化技术：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、传感器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。2.机电一体化产品：新型机械与微电子器件，特别是微处理器、微型机相结合而开发出来的新一代电子代机械产品。,信息技术引领现代化,机械学（Mechanics）+电子学（Electronics）=机电一体化或机械电子工程（Mechatronics）,信息技术引领现代化,起源：日本，20世纪70年代；合成词：Mechatronics。它取英语Mechanics(机械学)的前半部和Electronics（电子学）的后半部分拼成一个新词；(ASME美国机构工程师协会)由计算机信息网络协调与控制的用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统。,权威定义：,1.1.2理解与总结,信息技术引领现代化,机电一体化不是机械与电子简单的叠加，而是在信息论、控制论和系统论的基础上建立起来的应用技术。图1.1机电一体化的涵义总结性定义：在机械的主功能、动力功能、信息功能、控制功能基础上引入微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机地结合所构成系统的总称。机电一体化的主要目的：增加机械系统或装置的附加值和自动化程度。,信息技术引领现代化,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、CADCAM系统等。,典型的机电一体化产品,信息技术引领现代化,数控铣床,信息技术引领现代化,焊接机器人,信息技术引领现代化,汽车防抱死系统(ABS),机电一体化技术主要研究方向,机电一体化产品或系统的原创性研究与设计原创性设计。机电一体化产品或系统的机械系统（或部件）与微电子系统（或部件）相互转换或有机结合研究与设计变异性设计。机电一体化技术研究的主要内容主要研究“省能源、省资源、智能化”三大基本要素，形成交叉学科的基础理论知识，解决机电一体化（技术）设计中的核心技术问题接口技术。,信息技术引领现代化,1.1.3机电一体化技术的发展历史,（1）基础设计理论、研究方法的形成（二次世界大战前）（2）电子技术的时代（二次世界大战以来）（3）微电子技术时代（工业自动化的大量应用）（4）机电一体化技术理论体系的初步形成（智能化产品或装置的出现）（5）计算机技术与工业控制软件的应用（智能化省能源省资源）（6）工业自动化和产品自动化（智能化自动化增加附加值）（7）未来发展方向（高度智能化和自动化）,第1.2节机电一体化系统的构成要素与功能构成,1.2.1机电一体化系统的构成要素与功能特征五大功能构成要素：机械系统、电子信息处理系统、动力系统、传感系统、执行控制系统（元件）组成及其定义与作用。,1、机械本体（骨络、框架）,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、美观考虑：静动态刚度、热变形、新型复合材料、新型结构、新型制造工艺、新型工艺装配。,3、检测传感装置（眼、耳、舌等感官）,检测产品内部状态和外部环境，实现计测功能。物理量转换成电量；转换成电量后的放大、补偿、标度换算。物理量/化学量电信号要求：体积小、精度高、抗干扰,2、能源(动力系统)（脏器系统）,提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能。要求：效率高、可靠性好,5、执行机构（手、脚等驱体）,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。,4、控制及信息处理单元（大脑、神经系统）,信息的变换、存取、运算、判断、决策，实现最优控制功能。如：计算机、PLC、A/D、D/A、光耦等。要求：高可靠性、柔性、智能化,如：液压伺服系统、电气伺服系统。,系统总体技术（容貌、仪表、匀称、气质、本质、家族、学历、知识、文化、潮流）机电一体化系统是一个技术综合体，利用系统总体技术将各种有关技术协调配合、综合运用达到整体系统的最佳化。,典型闭环控制系统,系统的三大目的功能：,变换功能（加工处理）；传递功能（移动、输送）；储存功能（保持、积蓄、记录）。系统的控制方式：线性控制方式；非线性控制方式；智能控制方式。,1.2.2机电一体化系统具有的主要功能要素,主功能、信息功能、控制功能、动力功能、构造功能。以及各子系统的匹配技术（核心）接口技术。,机电系统五种内部功能构成CNC机床内部功能构成,接口主要有：电气接口、机械接口、人机接口接口技术的作用：实现机械、电子、信息等各异技术在机电一体化系统中的物质、能源、信息的传递与转换，达到系统所需的目的功能。接口技术的功能：系统输入/输出接口信息的匹配。系统信息的转换、调整，能源信息匹配。（变换、放大、传递）,第1.3节机电一体化系统构成要素相互联系问题接口技术,接口技术的分类：,按变换调整功能分类：零接口，无源接口，有源接口，智能接口。按输入输出功能分类：机械接口、物理接口、信息接口、环境接口。实际上，机电一体化技术研究的核心问题就是接口技术问题。,第1.4节机电一体化系统的设计流程,1、设计内容：（1）确定产品规格、性能指标运动参数、动力参数、品质参数。（2）系统功能部件要素的划分功能部件选择、设计和与系统主功能的匹配。（3）接口设计机械接口、物理接口、信息接口、环境接口,（4）综合评价或系统评价,系统性能、结构质量的各种定量指标和参数，系统的附加价值，为满足设计或用户需求的功能性产品或系统为前提。评价方法依据产品要求有所不同。（5）可靠性复查（6）试制与调试样机制造与调试、试验。（7）最终产品结果评价是否达到设计或用户要求,2、设计的类型：开发性设计（全新设计）;适应性设计（原理方案不变，仅对功能及结构进行重新设计）;变参数设计（仅改变部分结构尺寸而形成系列产品）,机电一体化产品设计应鼓励创新，充分发挥创造力和聪明才智来构思、创造新的方案。,市场调查与预测是产品开发成败的关键性的第一步。市场调查就是运用科学方法，系统地、全面地收集有关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。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作出预计、测算和判断，为企业提供决策依据。,3市场调查与预测,对多种构思和多种方案进行筛选，选择比较好的可行方案进行组合和概略评价，从中再选几个方案，按照机电一体化水平系统评价原则和评价方法，进行深入的综合分析评价，最后确定设计和实施方案。,4方案评价,根据综合评价后确定的基本方案，从技术上将其细节逐层全部展开，直至完成试制产品样机所需全部技术图纸及文件的过程。,5详细设计,6详细设计方法,第1.5节机电一体化系统的评价体系,依据提高机电一体化产品或系统附加价值的各项综合指标作为评价体系的制定标准，即五大内部功能要素指标。,系统设计的评价分析内容：技术经济性分析、可靠性分析；,系统内部功能的发展方向及评价内容,机电一体化系统的附加价值,高性能化低价格化高可靠性化智能化省能化短小轻薄化,第1.6节机电一体化系统的设计考虑方法与类型,一、系统（产品）设计的考虑方法机电一体化系统(产品)的主要特征是自动化操作。因此。设计人员应从其通用性、耐环境性、可靠性、经济性的观点进行综合分析，使系统(或产品)充分发挥机电一体化的三大效果。,工业三大要素与机电一体化的三大效果,工业三大要素：物质、能量、信息机电一体化对三大要素的三大效果：省能源、省资源、智能化,为充分发挥机电一体化的三大效果,使系统（或产品）得到最佳性能，一方面要求设计机械系统时应选择与控制系统的电气参数相匹配的机械系统参数，同时也要求设计控制系统时，应根据机械系统的固有结构参数来选择和确定电气参数，综合应用机械技术和微电子技术，使二者密切结合、相互协调、相互补充,充分体现机电一体化的优越性。,机电一体化系统设计的一般原则原则：从规范性、通用性、耐环境性、可靠性、经济性等多方面综合分析，结合现代设计方法和手段，达到机电一体化系统设计的三大目的省能源、省资源、智能化，提高机电产品的附加值和自动化程度。常用的设计方法：机电互补法机电结合（融合）法机电组合法常见的设计类型：开发性设计适应性设计变异性设计,机电一体化系统（产品）设计方法,1)机电互补法,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。,2）结合(融合)法,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。,3）组合法,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。,机电一体化系统的设计类型,1）开发性设计,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。,2)适应性设计,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。,3)变异性设计,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。,第1.7节机电一体化系统的设计流程,第1.8节机电一体化工程与系统工程,机电一体化工程,机电一体化工程是系统工程在机电一体化工程中的具体应用。机电一体化技术是从系统工程观点出发，机械与电子有机结合，实现系统或产品整体最优的综合性技术。,给定机电一体化系统(产品)“目的功能”与“规格”后，机电一体化技术人员利用机电一体化技术进行设计、制造的整个过程为机电一体化工程。,系统工程,系统工程是系统科学的一个工作领域，而系统科学本身是一门关于“针对目的要求而进行合理的方法学处理”的边缘科学，系统工程的概念不仅包括“系统”，即具有特定功能的、相互之间具有有机联系的许多要素所构成的一个整体，也包括“工程”，即产生一定效能的方法。1978年，钱学森就曾指出：“系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方法”。系统工程是以大系统为对象、以数学方法和大型计算机等为工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目标，以便充分发挥人力、物力和财力，通过各种组织管理技术，使局部与整体之间协调配合，实现系统的综合最优化。系统工程是数学方法和工程方法的汇集。,系统工程的基本思想：,从整体目标出发，将总体功能分解成若干功能单元，找出能完成各个功能的技术方案，再把功能与技术方案合成、组成、分析、评价和优选，进而实现在给定环境条件下的整体优化。,系统的基本设计和工程路线：,第1.9节机电一体化系统的设计程序、准则与规律,一、设计程序总体设计部件设计与选择技术设计与工艺设计。（1）总体设计明确设计思想和概念分析系统（产品）的综合性能指标要求类似产品调研和市场调研划分部件或子系统的功能模块决定系统和部件、子系统的性能参数拟定总体可行性方案（采用不同的设计方法和手段达到设计目的的多种方案）方案评价与对比、方案定型编写总体方案的可行性论证书专家评定鉴定确定最终总体设计方案。,（2）部件（或关键零件）选择与设计,部件主要性能指标确定部件选择与设计明确技术手段。（3）技术设计与工艺性设计技术设计应充分考虑实现系统（产品）功能要素的工艺特性、制造手段与能力工艺基础；反之，工艺性设计要以满足实现系统（产品）各功能要素为前提或目的保证性能、质量、增加附件价值。,二、机电一体化系统（产品）设计准则以节省能源、节省资源、智能化，提高系统的附加值，实现系统目的功能为设计准则，使系统具有高的可靠性、适应性、完善性为设计目标。,三、机电一体化系统设计的一般规律（1）确定零部件之间的逻辑和物理关系功能划分确定逻辑关系确定功能结构建立数学或者物理模型实现系统方案设计和技术设计（2）确定实现系统各功能结构的手段和方法链状结构（串联）；平行结构（并联）；反馈闭环结构。,第1.10节机电一体化系统的开发工程与现代设计方法,机电一体化系统(产品)的种类不同，其设计方法也不同。现代设计方法与用经验公式、图表和手册为设计依据的传统设计方法不同，它是以计算机为辅助手段进行机电一体化系统（产品）设计的有效方法。其设计步骤通常是：技术预测市场需求信息分析科学类比系统设计创新性设计因时制宜的选择各种具体的现代设计方法(相似设计法、模拟设计法、有限元设计法、可靠性设计法、动态分析设计法、优化设计法等)机电一体化设计质量的综合评价等。,机电一体化系统开发工程的流程,现代设计方法：以计算机为辅助手段进行系统（产品）设计方法的总称。机电一体化设计方法与现代设计方法的融合是优质、高效、快速实现机电一体化系统（产品）设计的有效方法和基本条件。,计算机辅助设计与制造（CAD/CAN）并行工程设计全寿命周期设计虚拟产品设计与实现快速响应设计绿色环保产品设计反求设计网络协同合作设计,常见的几种现代设计方法：,计算机辅助设计与并行工程计算机辅助设计（CAD）是设计机电一体化产品(系统)的有力工具。用来设计一般机械产品的CAD的研究成果，包括计算机硬件和软件，以及图像仪和绘图仪等外围设备，都可以用于机电一体化产品（系统）的设计，需要补充的不过是有关机电一体化系统（产品）设计和制造的数据、计算方法和特殊表达的形式而已。,是把产品（系统）的设计、制造及其相关过程作为一个有机整体进行综合（并行）协调的一种工作模式。这种工作模式力图使开发者们从一开始就考虑到产品全寿命周期从概念形成到产品（系统）报废内的所有因素。并行工程的目标是提高产品（系统）的生命全过程（包括设计、工艺、制造、服务）中的全面质量，降低产品（系统）全寿命周期内（包括产品设计、制造、销售、客户应用、售后服务直至产品报废处理等）的成本，缩短系统的研法周期。并行工程与串行工程的差异就在于在产品的设计阶段就要按并行、交互、协调的工作模式进行产品（系统）设计，就是说，在设计过程中对产品（系统）寿命周期内的各个阶段的要求尽可能同时进行交互式协调。,并行工程（CE-concurrentengineering）,虚拟产品是虚拟环境中的产品模型，是现实世界中的产品在虚拟环境中的映像。虚拟产品设计是基于虚拟现实技术的新一代计算机辅助设计，是在基于多媒体的、交互的渗入式或侵入式的三维计算机辅助设计环境中，设计者不仅能够直接在三维空间中通过三维操作、语言指令、手势等高度交互的方式进行三维实体建模和装配建模，并且最终生成精确的产品（系统）模型，以支持详细设计与变型设计，同时能在同一环境中进行一些相关分析，从而满足工程设计和应用的需要。,虚拟产品设计,快速响应设计是实现快速响应工程的重要一环。快速响应工程是企业面对瞬息万变的市场环境，不断迅速开发适应市场需求的新产品（系统），以保证企业在激烈竞争环境中立于不败之地的重要工程。实现快速响应设计的关键是有效开发和利用各种产品（系统）信息资源的高度存储、传播及加工的能力，主要采取三项基本策略，以达到对产品（系统）设计需求的快速响应。这三项策略是：利用产品信息资源进行创新设计或变异性设计；虚拟设计利用数字化技术加快设计过程；远程协同、分布设计。概括讲，这些策略就是信息的资源化、产品（系统）的数字化、设计的网络化。,快速响应设计,绿色设计是从并行工程思想发展而出现的一个新概念。所谓绿色设计，是在新产品（系统）的开发阶段，就考虑其整个生命周期内对环境的影响，从而减少对环境的污染、资源的浪费、使用安全和人类健康等所产生的负作用。绿色产品设计将产品（系统）寿命周期内各个阶段（设计、制造、使用、回收处理等）看成一个有机整体，在保证产品良好性能、质量及成本等要求的情况下，还充分考虑到产品（系统）的维护资源及能源的回收利用以及对环境的影响等问题。,绿色设