机电一体化系统设计-第一章总论课件

机电一体化系统设计,主讲：聂宇第一章概论,第1.1节概述1.1.1机电一体化的内涵机械学（Mechanics）+电子学（Electronics）=机电一体化或机械电子工程（Mechatronics）1.1.2机电一体化的定义和主要目的定义：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的系统总称。主要目的：增加机械系统或装置的附加值和自动化程度。图1.1机电一体化的涵义,机电一体化技术的重要性1.增强产品的功能，提高精度，提高可靠性2.提高产品生产率、降低成本、缩短产品开发周期；3.缩小产品体积、简化结构、减轻重量、节约能源；,典型机电一体化产品,典型机电一体化产品：工业机器人,典型机电一体化产品,典型机电一体化产品：剥线机,典型机电一体化产品,典型机电一体化产品：点钞机,数控铣床,焊接机器人,汽车防抱死系统(ABS),美国技术评论认为，有十种新兴技术在不远的将来会产生巨大影响：无线传感器网络；可注入组织工程；纳米太阳能电池；机电一体化技术；分子成像；纳米印刷刻蚀；软件保证；糖原组学；量子密码术。,课程目的：,本课程从系统的观点出发，讲述了机械系统和微机控制系统的元部件原理、特点、设计选用方法，对其静动态特性进行了简明分析，并从机电有机结合的角度对稳态设计和动态设计的分析方法做了较详细论述。旨在培养学生以机为主，以电为辅，机电有机结合的分析与设计能力,要求：,通过学习本课程，使学生对机电一体化系统有一个概括的认识；懂得机电一体化系统的各元、部件的选用原则；学会对典型的机电一体化系统-数控机床进行改造设计；为了使机电有机结合，建议自学Protel软件。,本章教学目标及要求1、重点掌握机电一体化系统设计的内涵、作用、目标以及研究的主要核心技术问题；2、掌握机电一体化系统（产品）的构成要素和功能要素，以及它们之间的相互联系；3、掌握机电一体化系统（产品）的一般设计工作流程；,课前讨论,根据日常生活的接触，谈谈你对机电一体化的认识。,1.1概述,一、机电一体化（Mechatronics)的概念机械学（Mechanics）+电子学（Electronics）=机电一体化或机械电子工程（Mechatronics）,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,机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成的系统的总称。,这个概念包括两方面的含义：,具有“技术”与“产品”两方面的内容。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。,其基础技术包括：,精密机械技术计算机和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等,1、精密机械技术,机械技术是机电一体化的基础。机电一体化产品中的主功能和构造功能，往往是以机械技术为主实现的。特别是关键部件，如导轨、滚珠丝杠、轴承、传动部件等的材料、精度对机电一体化产品的性能、控制精度等多方向的要求。实现机电一体化产品的主功能和构造功能，影响系统的结构、重量、体积、刚性、可靠性等。着眼点：如何与机电一体化技术相适应。P5,2、计算机与信息处理技术,信息处理技术包括信息的输入、识别、变换、运算、存储及输出技术，它们大都是依靠计算机来进行的，因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策等，实现信息处理的主要工具是计算机。计算机技术包括计算机硬件技术和软件技术、网络与通信技术、数据库技术等。其主要工具是计算机。,3、自动控制技术,自动控制技术就是通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。自动控制技术范围很广，包括自动控制理论、控制系统设计、系统仿真、现场调试、可靠运行等从理论到实践的整个过程。由于被控对象种类繁多，所以控制技术的内容极其丰富，包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、示教再现、检索等控制技术。,4、检测传感技术,研究对象：传感器及其信号检测传输装置（即变送器）。检测传感技术是机电一体化的关键技术，它将所测得的各种参量如位移、位置、速度、加速度、力、温度、酸度和其他形式的信号等转换为统一规格的电信号输入到信息处理系统中，并由此产生出相应的控制信号以决定执行机构的运动形式和动作幅度。传感器检测的精度、灵敏度和可靠性将直接影响到机电一体化的性能。要求：能快速、精确地获得信息并在相应的应用环境中具有高可靠性。,5、伺服驱动技术,研究对象：执行元件及其驱动装置执行元件种类：电动、液压、气压驱动装置指各种电动机的驱动电源电路，目前多采用电力电子器件及集成化的功能电路构成。,6、系统总体技术,系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统工程的观点和方法，将系统总体分解成相互有机联系的若干功能单元，并以功能单元为子系统继续分解，直至找到可实现的技术方案，然后再将系统各个功能模块有机的结合起来，以实现整体最优。其重要内容为接口技术。接口包括电气接口、机械接口、人机接口,2.机电一体化产品：主要是指机械系统和微电子系统有机结合，从而赋予新的功能和性能的新一代产品。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。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。,典型机电一体化产品,典型机电一体化产品：工业机器人,典型机电一体化产品,典型机电一体化产品：剥线机,典型机电一体化产品,典型机电一体化产品：点钞机,数控铣床,焊接机器人,汽车防抱死系统(ABS),机电一体化产品的分类,1.生产用：数控机床、机器人、FMC、FMS、CIMS2.运输包装用：电梯、数控包装机械、数控运输机械3.销售及银行用：自动称量机、自动售货机、自动取款机4.家庭用：录音机、CD/VCD/DVD、全自动洗衣机、微波炉、儿童玩具5.办公用：打印机、复印机、传真机、磁盘驱动器6.医疗用：X-射线机,机电一体化产品的分类,此外，还有航空、航天、国防、天文等及其他民用机电一体化产品，如雷达跟踪系统、射电望远镜.机电一体化产品的分类并没有统一的标准，一件产品是否属于机电一体化产品应根据前述机电一体化定义来判断。尽管机电一体化产品（系统）中引入了微电子（计算机）技术，但其中的机械本体仍然是主体，产品（系统）的主要功能必须由机械来完成，否则就不能称其为机电一体化产品。如电子计算器，非指针式电子表等，其主要功能是由电子器件和电路等完成，机械退居次要地位，这类产品应归属于电子产品，而不是机电一体化产品。,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。,二、机电一体化的目的,1.2机电一体化系统（产品）的构成要素及功能构成,一、机电一体化系统（产品）的基本构成,机电一体化系统的这五大要素是与其五大功能相对应的。从仿生学的角度来看，类似于人的构造和功能，但不一定是拟人形，如工业机器人和数控机械。,旧课复习,请划分图示系统的组成要素。,1.2机电一体化系统的构成,1.2机电一体化系统的构成,机电一体化系统的基本特征是给“机械”增添了头脑（计算机信息处理与控制），因此要求传感器技术、控制用接口元件、机械结构、控制软件水平较高的系统。,1、机械系统,包括机身、框架、机械传动和联接等机械部分，实现构造功能。除对机械系统的一般要求外，其技术开发重点是模块化、标准化和系列化，便于机械系统的快速组合和更换要求：可靠、小型、美观,2、动力系统,为机电一体化产品提供能量和动力功能，去驱动执行机构工作以完成要求实现动力功能。要求：效率高、可靠性好,3、传感与检测系统,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、信息处理及控制系统,信息处理速度快，输出可靠，系统的抗干扰能力强，实现控制功能。要求：高可靠性、柔性、智能化,5、执行机构,为机电一体化产品中最重要的组成部分，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。,无论何种系统，系统内部必须具备以下五种内部功能：（以数控系统为例）,主功能动力功能检测功能控制功能构造功能,1、主功能,实现系统“目的功能“直接必须的功能，主要是对物质、能量、信息或其相互结合进行变换、传递和储存。2、动力功能向系统提供动力,3、检测功能和控制功能,根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转。4、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须的功能。,二、机电一体化系统的功能构成,二、机电一体化系统的功能构成,系统必须具备三大“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,以物料搬运、加工为主，输入物质（原料、毛坯等）、能量（电能、液能、气能等）和信息（操作及控制指令等），经过加工处理，主要输出改变了位置和形态的物质的系统（或产品），称为加工机，如各种机床、交通运输机械、食品加工机械、起重机械、纺织机械、印刷机械、轻工机械等。,以能量转换为主，输入能量（或物质）和信息，输出不同能量（或物质）的系统（或产品），称为动力机，其中输出机械能的为原动机，如电动机、水轮机、内燃机等。,以信息处理为主，输入信息和能量，主要输出某种信息（如数据、图像、文字、声音等）的系统（或产品），称为信息机，如各种仪器、仪表、计算机、传真机以及各种办公机械等。,1.3机电一体化系统（产品）构成要素的相互联接,各要素和各子系统相连接处必须具备一定的联系条件，这些联系条件被称为接口。,从系统外部看，机电一体化系统的I/O是人、自然及其系统之间的接口；从系统内部看，机电一体化系统是由许多接口将系统构成要素I/O联系为一体的系统。机电一体化系统设计就是接口设计。,广义的接口功能分为：,1、变换调整功能1）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，如输送管、传动轴、导线等；2）无源接口只用无源要素进行变换、调整，如齿轮减速器、进给丝杠、可变电阻等；,3）有源接口,含有有源要素，主动进行匹配，如电磁离合器、放大器、光电耦合器、D/A和A/D转换器等；4）智能接口含有微处理器，可进行程序编制或可适应性的改变接口条件，如自动变速装置、通用I/O、GP-IB总线、STD总线等,2、输入/输出功能,1）机械接口根据输入/输出部位的形状、尺寸精度、配合、规格等进行机械连接，如联轴器等、法兰盘和管接头等；2）物理接口受通过接口部位的物理、能量与信息的具体形态和物理条件的约束，如受电压、频率、电流、传递扭矩的大小、气体成分（压力或流量）约束的接口；,3）信息接口,受规格、标准、法律、语言、符号等逻辑、软件的约束，如GB、ISO、ASCII码、RS232C、FORTRAN、VC等；4）环境接口对周围环境条件（温度、湿度、磁场、火、振动、放射能、水、气、灰尘）有保护作用和隔绝作用，如防尘过滤器、防水联接器、防爆开关等；,机电一体化的特点及发展,1.机电一体化的特点（1）简化机械结构，提高精度以调速电机来驱动机械系统，缩短甚至取消了传动链（2）易于实现多功能和柔性自动化计算机硬件和软件相结合能实现柔性自动化。（3）产品开发周期缩短、竞争能力增强机电一体化产品通过将专业化生产的、高质量的机电部件综合集成形成，可靠性高，维护性好，开发周期短，增强产品的市场竞争能力。,（4）生产方式向高柔性、综合自动化发展由机电一体化设备形成的FMS或CIMS，使加工、检测、物流、信息流高度融合，可在同一生产线上分时生产批量、型号或品种多变产品。（5）促进经营管理体制发生根本性的变化,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）,机电一体化的发展趋势,科技的发展和社会经济的进步，对机电一体化也提出了许多新的和更高的要求。数控系统，FMS，CIMS及机器人等典型的机电一体化技术、产品及系统的发展趋势是：（1）高性能：一般包含高速化、高精度、高效率和高可靠性。如激光打印机的平面反射镜和录像机磁头的平面度要求0.04um，粗糙度0.02um。（2）智能化：包括诊断过程的智能化、人机接口的智能化、自动编程的智能化和加工过程的智能化。,（3）系统化：一方面表现在系统体系结构进一步采用开放式和模块化的总线结构，可以任意组合模块构成新的系统，另一方面表现在利用网络平台实现资源共享。（4）轻量微型化：实现了将机构及其驱动器、传感器、控制器及电源集成一个硅片上微型电子机械系统。（5）绿色化：使用时不污染环境，报废后能回收利用。（6）人格化：使产品具有人的智能、情感、人性；模仿生物机理,1.4机电一体化系统（产品）设计的考虑方法及设计类型思想,一、机电一体化系统（产品）设计的考虑方法机电一体化系统的主要特征是自动化操作。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，使系统充分发挥机电一体化的三大效果。,机电一体化设计突出体现在两个方面。一方面，当产品的某一功能单靠某一种技术无法实现时，必须进行机械与电子及其它多种技术有机结合的一体化设计；另一方面，当产品的功能实现可以有多种可行的技术方案时，必须应用机电一体化技术对各种技术方案进行分析和评价，在充分考虑同其它功能单元的联接与匹配的条件下，选择最优的技术方案。由于不同的技术方案往往具有不同的参量，评价时需选择具有相同量纲的性能指标（如成本、可靠性、精度等），或引入新的参量（如时间等），将不同的参量联系起来，保证各种技术方案之间具有可比性。,设计的目的是综合运用机械技术和微电子技术各自的特长，设计最佳的机电一体化系统。机电一体化设计是按机电一体化的思想、原理和方法进行的设计过程，它是一项复杂的系统工程，需要综合应用各项关键技术才能完成。进行机电一体化系统设计时，应尽量以计算机为工具，充分利用计算机辅助设计、虚拟产品设计、反求设计、仿真分析、优化设计、动态分析设计、可靠性设计等现代设计方法；同时，也要遵循一般性的设计原则，即在保证目的功能要求与适当寿命的前提下不断降低成本。,设计思想(设计方法)有：,1、机电互补法利用通用或专用的电子部件取代传统的机械产品中复杂机械功能部件或功能子系统，以弥补其不足。,一、机电一体化设计思想、类型、准则,2、结合（融合）法,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，其要素之间机电参数的有机匹配比较充分。,3、组合法,将结合法制成的功能部件、功能模块，象积木一样组合成各种机电一体化系统（产品）。,二、机电一体化系统（产品）的设计类型,1、开发性设计无参照产品，仅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,在总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，使产品的性能和质量增加某些附加价值。,3、变异性设计,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。,1.4机电一体化系统（产品）的设计流程,1.了解产品用途、部分性能指标及设计类型。2.优化组合、选定功能子系统3.选择元部件、细化功能子系统4.系统仿真、调整参数5.样机研制、技术评审6.试生产、收集反馈信息7.产品定型、正常生产,1.了解产品用途、部分性能指标及设计类型,产品用途及性能指标既可来自企业自身的市场调研结果，也可能是由用户直接提出。设计类型通常由以下三种：开发性设计、适应性设计和变异性设计。后两种更具有代表意义。性能指标包括：运动参数、动力参数、品质参数在满足基本性能指标的前提下，考虑：工艺性指标、“人-机工程学”指标、美学指标、标准化指标,2.优化组合、选定功能子系统,通常我们遇到的设计多属于后两种。这时，我们可以选择市面上具有代表意义的同类产品，进行解剖分析，以了解产品的设计思想，软硬件组织结构，关键技术，新技术，从而启发自己的新思路，为自己的设计工作提供捷径。进行过程中往往要利用各种方法，索取对方的资料，直接拆卸零部件，反向推理，工业CT等，并整理成相关资料。综合利用分析的结果，对自己设计产品进行功能部件或功能子系统的划分，根据各子系统的输入/输出确定系统之间的接口关系。当然，各功能部件可能有多种选择，为此，可建立功能技术矩阵来提供可行技术方案。如数控车床可建立表1-1所示的功能矩阵。,表1-1数控车床的功能技术矩阵,单是组合，上表就有33233=162种，最终该选定哪一种？还涉及机电一体化产品的评价问题。评价的指标因产品的用途、结构、性能不同而不同。但机电一体化的最终目的是提高系统（产品）的附加价值。因此，附加价值就成了机电一体化系统（产品）的综合评价指标，当然产品的附加价值越高越好，但相应也造成产品成本的提高。要保证产品具有较强的市场竞争力，在提高其附加价值的同时，必须考虑最大限度地降低成本（设计准则）。要使产品具有较高附加价值，其各个功能要素也应具有较高的指标。机电一体化产品主要功能要素参数的评价标准及产品附加价值与各功能要素指标的关系见表1.3和图1.12(P11),3.选择元部件、细化功能子系统,假设选定了如下表所示的功能子系统后，要对其进一步细分，选择相应元部件，分配相应软硬件功能。,（1）元部件选择除微机和各种集成电路外，其他的元部件也应尽量采用高性能电子（气）化元件或结构，如用无触点开关代替行程挡铁，电磁离合器代替机械式离合器。而且尽量采用现有资源。（2）合理分配软硬件功能机电一体化系统中，哪些功能用硬件实现，哪些功能用软件（程序）实现是一个值得重视的问题，因这对系统的性能、经济成本有显著的影响。如定时功能，软件（循环）/硬件（定时器）实现各有利弊。（3）充分考虑机电互补功能机械精度要求越高，其制造成本也越高，因此，仅依靠机械本身的加工精度和结构来实现高精度的功能要求不太现实。这时可考虑采用电子技术、软件技术（精度补偿）来补充。,4.系统仿真、调整参数,反复进行2和3两步以便选择最佳功能方案，然后根据最终选定方案各元部件的特性和相关参数，可以作出系统的数学模型（控制与检测课所学）。为确定系统是否完善，还应进行相当于系统运行的仿真试验。（1）实物仿真对小型系统，可通过实物的制作、实验、测试来评价系统（实物仿真）（2）半实物仿真用实际部件或子系统代替部分数学模型（硬件在回路）（3）计算机仿真但对于大型系统，该方法行不通，这时可利用计算机仿真方法，即通过计算机仿真程序对数学模型进行分析，分析的结果可作为系统评价和系统方案最终确定的依据。,仿真工具：MATLAB/Simulink，RT-LAB，VC+OpenGL，商业软件,5.样机研制、技术评审,前四部分主要与设计有关，该部分进入制造阶段。利用仿真结果重新选择元部件类型和规格，修改技术细节。编写技术文件，绘制样机机械工程图，电子/电气原理，制板，外购元部件，并进行样机试制。（1）功能模块的试制与调试（2）系统整体安装与调试样机制好后要对其总体性能进行测试，聘请技术专家对其进行技术评审，并在此基础上进行再次修改。,6.试生产，收集反馈信息7.产品定型，正常生产,1.6机电一体化工程与系统工程,给定机电一体化系统的“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。,1.8机电一体化系统设计与现代设计方法,一、设计程序在设计中一般采用三阶段法，即总体设计、部件设计和零件设计或初步设计、技术设计与工艺设计。在实验设计与计算机辅助设计中，多采用既分阶段又平行兼顾的设计（并行设计），以便相互协调。,1、总体设计,设计时应注意以下问题：,1）以机电互补原则来进行功能划分。权衡用机械技术或微电子技术实现其功能的利弊，明确哪些功能由机械技术来实现，哪些功能由微电子技术的硬件和软件来实现，以利于简化机械结构;2）用图表说明功能要求与动作顺序要求,3）分析产品的通用性与专用性以及批量的要求4）重点明确产品的主要特征5）分析产品的自动化程度及其适用性6）分析环境条件要求7）结构尺寸及空间分布分析8）特殊功能分析（低速稳定性，抖动要求，快速响应性和定位精度等）,2、部件和零件的初步设计,3、技术设计与工艺设计,二、设计准则,设计时主要考虑“人、机、材料、成本”等因素，而产品的可靠性、适用性和完善性设计最终可归结于：在保证目的功能要求和适当寿命的前提下，不断降低成本。,三、设计规律,根据设计要求首先确定离散元素之间的逻辑关系，然后研究其相互间的物理关系，这样就可根据设计要求和手册确定其结构关系，最终完成全部设计工作。,其中确定逻辑关系阶段是关键。,分两个步骤进行：首先进行功能分解，确定逻辑关系和功能结构；然后建立其物理模型，确定其物理作用关系。功能结构的基本形式分为三种：链状结构（串联）、平行结构（并