第一章-机电一体化概-论1

机电一体化技术学习时间：27周学习内容：考试内容：考试方式：刘志iuzhizhong,闭卷,第一章,机电一体化时代与机电一体化技术革命优先发展机电一体化的领域及其共性关键技术机电一体化系统构成要素及功能构成机电一体化系统构成要素之间的连接机电一体化系统的评价机电一体化系统设计的考虑方法及设计类型机电一体化系统的设计流程机电一体化工程与系统工程机电一体化系统的设计程序、准则与规律机电一体化系统的开发工程与现代设计方法,概论,第一章,第一节机电一体化时代与机电一体化技术革命,概论,“机电一体化”是机械技术、电子技术和信息技术等各相关技术有机结合的一种新形式，是电子技术向机械技术领域渗透过程中逐渐形成的一个新概念。,Mechatronics：机电一体化、机械电子学,MechanicsE1ectronics,人们较为接受的含义：“机电一体化是在机械的主功能、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”,第一章,概论,任何事物都存在自身的局限性，机械也不例外。机械发展到今天，单纯从机械角度对它们进行改进已是难之又难！1.表达复杂逻辑、运算关系的机构难以实现；2.复杂机械机构的动态性能较差；3.信息交流和处理能力有限；4.功能拓展性差；5.成本过高。,第一节机电一体化时代与机电一体化技术革命,第一章,概论,水运仪象台,转动机构,擒纵机构,手摇计算机,第一章,概论,传统意义上的机电一体化，即机械电气化，主要指机械与电工电子及电气控制这两方面的一体化，并且明显偏重于机械方面。当前机电一体化技术是利用电子技术、信息技术(主要包括传感器技术、控制技术、计算机技术等)使机械实现柔性化和智能化的技术。机械技术可以承受较大载荷，但不易实现微小和复杂运动的控制；而电子技术则相反，不能承受较大载荷，却容易实现微小运动和复杂运动的控制，使机械实现柔性化和智能化。机电一体化的目标是将机械技术与电子技术实现完美结合，充分发挥各自长处，实现互补。,第一章,概论,典型机电一体化产品,第一章,概论,MIT猎豹机器人,第一章,概论,MIT猎豹机器人,“机电一体化时代”,以微型计算机为代表的微电子技术逐步向机械领域渗透，并与机械技术有机地结合，为机械增添了“头脑”，增加了新的功能和性能，从而进入以机电有机结合为特征的“机电一体化时代”。,“机电一体化技术革命”,“将微型计算机等微电子技术用于机械并给机械以智能的技术革新潮流”,第一章,第一节机电一体化时代与机电一体化技术革命,概论,是使系统(产品)高附加价值，即多功能、高效率、高可靠、省材料省能源，并使产品结构向轻、薄、短、小巧方向发展，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”,第一章,第一节机电一体化时代与机电一体化技术革命,概论,第一章,第二节优先发展机电一体化的领域及其共性关键技术,概论,机电一体化技术内部联系与外部影响,发展机电一体化技术与产品的支持系统,第一章,第二节优先发展机电一体化的领域及其共性关键技术,概论,优先发展的机电一体化领域必须同时具备下述几个条件：短期或中期普遍需要；具有显著的经济效益；具备或经过短期努力能具备必需的物质技术基础；社会效益十分显著的领域。,第一章,第二节优先发展机电一体化的领域及其共性关键技术,概论,优先发展的系统(或产品）领域实现机电一体化,必须解决这些系统采用微电子技术所面临的共性关键技术，这些共性关键技术有：检测传感技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、精密机械技术系统总体技术等。,第一章,第二节优先发展机电一体化的领域及其共性关键技术,概论,检测传感技术：是机电一体化系统的感官系统，即从待测对象获取信号并送到信息处理部分。主要内容包括：一是将物理量（位移、速度、加速度、力、力矩、温度等）转换成一定的与其成比例的电量；二是对转换的电信号的加工处理如放大、补偿、标定。检测传感装置是实现自动控制的重要环节，要求传感器及其放大处理电路快速、精确地获取信息，并能够抗干扰、可靠性高。,第一章,第二节优先发展机电一体化的领域及其共性关键技术,概论,信息处理技术包括信息的输入、变换、运算、存储及输出。信息处理的工具是计算机，因此信息处理技术是和计算机技术紧密相关，包括硬件、软件、网络与通讯、数据库技术等；机电系统中采用工业控制计算机进行信息处理，其硬件包括输入/输出设备、显示器、外部存储器、主机、可编程控制器、数控装置等。,第一章,第二节优先发展机电一体化的领域及其共性关键技术,概论,伺服驱动技术所谓“伺服”（Servo）即“伺候服侍”的意思。电信号机械动作在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械运动部件按照指令的要求进行运动，并具有良好的动态性能。伺服传动系统采用的驱动技术与使用的执行元件有关。按照执行元件的不同分为电气伺服、液压伺服、气压伺服,第一章,第二节优先发展机电一体化的领域及其共性关键技术,概论,速度快、控制灵活、可靠性高、应用较广，但低速输出力矩较小。,低速输出力矩大，功率密度大，在大型机床、工程机械、航空航天航海具有优势，但结构复杂。,自动控制技术机电系统自动控制包括位置控制、速度控制、力或力矩控制、自校正补偿等，自动控制的基础是自动控制原理，分为经典控制理论和现代控制理论,第一章,第二节优先发展机电一体化的领域及其共性关键技术,概论,精密机械技术机电一体化产品对精密机械技术的要求：减轻重量、缩小体积、提高精度、提高刚度、改善动态性能等。,第一章,第二节优先发展机电一体化的领域及其共性关键技术,概论,系统总体技术从整体的观点出发，组织应用各种相关技术，即从全局和系统目标角度，将系统分解成若干功能子系统，对于每个子系统的技术方案要从整个系统技术协调的观点考虑，最终使整个系统实现最优化。,第一章,第二节优先发展机电一体化的领域及其共性关键技术,概论,构成要素机电一体化系统（产品）由五个子系统组成：1.机械系统(机构)、2.电子信息处理系统(计算机)、3.动力系统(动力源)、4.传感检测系统(传感器)、5.执行元件系统(如电动机),第一章,第三节机电一体化系统构成要素及功能构成,概论,第一章,第三节机电一体化系统构成要素及功能构成,概论,功能构成,根据不同的使用目的，要求系统能对输入的物质、能量和信息(即工业三大要素)进行某一处理，输出所需要的物质、能量和信息。“目的功能”:（1）变换(加工、处理)功能；（2）传递(移动、输送)功能；（3）储存(保持、积蓄、记录)功能。,第一章,第三节机电一体化系统构成要素及功能构成,概论,三类系统、产品,根据目的功能侧重点的不同，存在三类系统或产品：（1）工作机；（2）动力机；（3）信息机。,第一章,第三节机电一体化系统构成要素及功能构成,概论,主功能：实现系统“目的功能”直接必需的功能。动力功能：向系统提供动力、让系统得以运转的功能。计测功能：对系统内部信息和外部信息进行检测与计算处理的功能。控制功能：对整个系统进行控制，使系统正常运转以实施“目的功能”。构造功能：使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必需的功能。,系统的五种内部功能,第一章,第三节机电一体化系统构成要素及功能构成,概论,第一章,第三节机电一体化系统构成要素及功能构成,概论,CNC机床,第一章,第三节机电一体化系统构成要素及功能构成,概论,第一章,第三节机电一体化系统构成要素及功能构成,概论,第一章,第四节机电一体化系统构成要素的相互连接,概论,机电一体化系统由许多要素或子系统构成，各要素或子系统之间必须能顺利进行物质、能量和信息的传递与交换。为此，各要素或各子系统相接处必须具备一定的联系条件，这些联系条件就可称为接口（interface）。,构成要素之相互联系,第一章,第四节机电一体化系统构成要素的相互连接,概论,（一）变换、调整功能（二）输入输出功能,广义的接口功能有两种,第一章,第四节机电一体化系统构成要素的相互连接,概论,根据接口的变换、调整功能，接口分以下四种：零接口。不进行任何变换和调整、输出即为输入等，仅起连接作用的接口，称为零接口。例如输送管、接插头、接插座、接线柱、传动轴、导线、电缆等。无源接口。只用无源要素进行变换、调整的接口，称为无源接口。例如齿轮减速器、进给丝杠、变压器、可变电阻器以及透镜等。有源接口。含有有源要素、主动进行匹配的接口，称为有源接口。例如电磁离合器、放大器、光电耦合器、D/A转换器、A/D转换器以及力矩变换器等。智能接口。含有微处理器，可进行程序编制或可适应性地改变接口条件的接口，称为智能接口。例如自动变速装置，通用输入输出LSI(8255等通用I/O)、GP-IB总线、STD总线等。,第一章,第四节机电一体化系统构成要素的相互连接,概论,第一章,第四节机电一体化系统构成要素的相互连接,概论,根据输入/输出功能有如下接口形式(4种)：机械接口：由输入/输出部位的形状、尺寸、精度、配合、规格等进行机械联接的接口。如联轴器、管接头、法兰盘等。物理接口：受通过接口的物质、能量、信息的具体形态和物理条件约束的接口。如受电流、电压、电容、扭矩、频率、气压等约束的接口。信息接口：受规格、标准、法律、语言、符号等逻辑、软件约束的接口。如RS232，GB，ISO，ASCII，FORTRAN，C+等。环境接口：对周围环境条件（温度、湿度、磁场、振动、水、气、灰、火、放射）有保护作用的接口。如防尘接头，防水开关等。,高附加价值的含义：高性能化低价格化高可靠性化智能化省能化短小轻薄化,第一章,第五节机电一体化系统的功能评价,概论,机电一体化系统的内部功能与系统价值,第一章,第五节机电一体化系统的功能评价,概论,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。,第一章,第六节机电一体化系统设计的考虑方法及设计类型,概论,节能、降耗、智能化,机械系统设计和控制系统设计：相互匹配、相互协调、综合考虑,1)机电互补法2)结合(融合)法3)组合法,机电一体化系统（产品）设计的考虑方法,第一章,第六节机电一体化系统设计的考虑方法及设计类型,概论,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,第一章,第六节机电一体化系统设计的考虑方法及设计类型,概论,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,第一章,第六节机电一体化系统设计的考虑方法及设计类型,概论,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,第一章,第六节机电一体化系统设计的考虑方法及设计类型,概论,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,第一章,第六节机电一体化系统设计的考虑方法及设计类型,概论,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,第一章,第六节机电一体化系统设计的考虑方法及设计类型,概论,它是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有