机电一体化系统设计01-绪论

马鞍山职业技术学院电气工程系机电一体化系统设计，何美桂，主要教学内容1。导言2。机械控制模块3。测量模块4。驱动模块5。控制模块6。机电一体化系统实例，第1章引言，1.1机电一体化的定义1.2机电系统的结构和模块1.3机电一体化的相关技术1.4机电一体化系统的设计基础和思路1.5机电系统的发展趋势，1.1基本概念：美国技术评论认为有十项新兴技术将在不久的将来产生重大影响：机电一体化技术排名第一。由于机电一体化技术对现代工业和技术的发展具有巨大的推动作用，世界各国都把它作为工业技术发展的重要战略之一。机电一体化技术在制造业中的应用已经从通用数控机床、加工中心和机械手发展到智能机器人、柔性制造系统(FMS)、无人化生产车间和集成设计、制造、销售和管理的计算机集成制造系统(CIMS)。1.1、机电一体化技术的基本概念：从系统的角度来看，将机械技术、微电子技术、信息和控制技术等有机结合起来是一门新的科学技术。以系统工程为基础，优化整个系统。机电一体化不是机械和电子的简单叠加，而是基于信息论、控制论和系统论的综合应用技术。1.1基本概念和发展概述：1。第一阶段是在20世纪60年代之前，“胚胎阶段”实际上可以追溯到20世纪20年代之前。工程师有意识或无意识地将机械产品与电子技术相结合，以提高机械产品的性能。然而，由于电子技术发展相对落后，机械与电子的结合还没有得到广泛应用。2.70至80年代是第二阶段，“蓬勃发展阶段”。计算机技术、控制技术和通信技术在理论研究阶段的发展为机电一体化的发展奠定了技术基础。这一时期的特点是：机电一体化一词最早在日本被广泛接受，并于20世纪80年代末在世界范围内被广泛认可；机电一体化技术和产品有了很大发展；(3)各国高度重视和支持机电一体化技术和产品。第三阶段是20世纪90年代末，“智能阶段”光学和通信技术进入机电一体化，微加工技术也出现在机电一体化中，出现了光机电一体化和微机电一体化等新的分支。(2)深入研究了机电一体化系统、学科体系和发展趋势的建模设计、分析和集成方法。(3)人工智能技术、神经网络技术和光纤技术等领域取得了巨大进步，为机电一体化技术的发展开辟了广阔的空间。这些研究将推动机电一体化进一步建立完整的基础，逐步形成完整的科学体系。1.1基本概念，1.1基本概念，4。当前形势下，机电一体化主导是制造业发展的必然趋势，制造业是整个科技和国民经济发展的基础产业。因此，机电一体化在当前激烈的国际政治、军事和经济竞争中扮演着重要的角色，受到了各个工业国家的高度重视。和日本列出了智能传感器、计算机芯片制造技术、具有视频、触摸和人机对话功能的人工智能工业机器人、灵活的制造系统等。作为高技术领域的主要研究课题。“尤里卡计划”是在为西欧制定的一项高科技发展计划，提出了五个关键技术领域，包括开发欧洲第三代安全的民用机器人，这些机器人可以自由移动、做出决策并易于人机对话，在研究计算机辅助设计、制造、生产和管理的灵活系统方面进行广泛合作，以及实现这些技术在CIMS研究方面，中国在清华大学建立了国家CIMS工程研究中心(ERC)，在一些著名大学和研究机构建立了7个CIMS单位技术实验室和8个CIMS培训中心，70多家企业在国内设立了实施CIMS的项目。1994年，清华大学获得美国制造工程师协会颁发的CIMS研究“大学领导奖”。1995年，北京第一机床厂被中小企业授予“行业领先奖”。上述成果为我国制造业机电一体化的研究和应用积累了一定的经验。这必将推动机电一体化技术向更高层次和更深层次发展。1.1基本概念，5。总体发展趋势性能化，向高精度、高效率、智能化的方向发展，以数控机床为例，控制精度达到0.1um，进给速度达到100米/分钟以上，联动轴数超过15轴，接口、通讯等相当发展；在功能上，向小型化、轻量化和多功能方向发展。(3)在层次上，正朝着系统化、复合化方向发展。部分数据归纳为六类：(1)智能化(2)模块化(3)网络化(4)小型化(5)绿化(6)人性化，6个权威定义：起源：日本，1970年代；复合词：机甲电子。英语力学的前半部分和电子学的后半部分组成了一个新单词。由计算机信息网络协调和控制的系统，用于机械和/或机电部件的互连，以完成动态任务，包括机械力、运动、能量流等。1.1、基本概念、数控铣床、数控车床、焊接机器人、防抱死制动系统(ABS)、1.2机电系统的组成，典型的机电系统应包括以下基本要素：机械本体、动力和驱动部分、执行器、传感和检测部分、控制和信息处理部分。在这些部件内部和之间，形成一个完整的系统，实现运动传输、信息控制、能量转换等的有机结合。通过接口耦合。机电系统的部件和功能如下图所示。1.2机电系统的组成，1.2机电系统的组成，1、机械本体、机体、机架、机械连接和其他产品支撑机构，实现结构功能。要求：可靠、小巧、美观、2、节能、提供能量、转换成所需形式、实现动力功能。功率功能是根据系统的控制要求为系统提供能量和功率，使系统能够正常运行。以尽可能小的功率输入获得尽可能大的功能输出是机电产品的突出特征之一。电能/热能/气动/液压等要求：效率高，可靠性好，1.2机电系统组成，3。传感测试装置，传感测试部分的功能是检测系统运行所需的自身和外部环境的各种参数和状态，产生相应的可识别信号，并传送给信息处理单元，经分析处理后产生相应的控制信息。该功能通常由特殊的传感器和转换电路完成。物理量/化学量电信号要求：体积小，精度高，抗干扰，1.2机电系统结构，4。控制和信息处理单元，其功能是对来自各种传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、存储、分析、处理、处理、计算和决策，并根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地运行。逻辑器件如计算机、可编程序控制器、单片机、现场可编程门阵列、GAL器件等。要求：高可靠性、灵活性、智能性，1.2机电系统组成，5。驱动执行机构，包括机械传动和操作机构，其功能是根据控制信息和指令完成所需动作。执行器是一个运动部件，一般采用机械、电磁、电液等机构。要求：高性能、高精度、高效率电机，(1)改造。两者之间在信号强度不同的两条链路之间，能量通过接口放大进行匹配。(3)耦合。经过转换和放大的信号可以在每个链路之间可靠、快速和准确地交换，并且必须遵循一致的时序、信号格式和逻辑规范。该接口具有逻辑控制功能，以确保信息按照指定的模式传输。(4)能源转换。致动器包括致动器和驱动器。转换涉及不同类型能量之间的最佳转换方法和原理。比如匹配。，1.2机电系统组成，1.3机电系统通用关键技术，(1)机械技术，(2)检测与传感技术，(3)计算机与信息处理技术，(4)控制技术，(5)伺服驱动技术，(6)总体系统技术，1.3机电系统通用关键技术，1。机械技术和机械工艺是机电一体化的基础。机电产品的主要功能和结构功能通常主要通过机械技术来实现。特别是关键部件的材料和精度，如导轨、滚珠丝杠、轴承、传动部件等。对机电一体化产品的性能和控制精度有多方面的要求。实现机电产品的主要功能和结构功能，影响系统的结构、重量、体积、刚度和可靠性。聚焦：如何适应机电一体化技术。计算机辅助工艺设计是指利用计算机软硬件技术和支持环境，利用计算机数值计算、逻辑判断和推理功能来开发零件加工过程。借助CAPP系统，可以解决手工工艺设计效率低、一致性差、质量不稳定、难以优化的问题。它还使用计算机技术来帮助技术人员完成从毛坯到成品的零件设计和制造过程。1.3机电系统的常见关键技术，2。检测和传感技术的研究对象：传感器及其信号检测和传输设备(即发射器)。检测传感技术是机电一体化的关键技术。它将各种测量参数如位移、位置、速度、加速度、力、温度、酸度和其他形式的信号转换成统一规格的电信号，并输入信息处理系统，产生相应的控制信号，以确定致动器的运动形式和运动幅度。传感器检测的准确性、灵敏度和可靠性将直接影响机电一体化的性能。要求：在相应的应用环境中，能够快速准确地获取信息，可靠性高。1.3、机电系统共同的关键技术3、计算机和信息处理技术信息处理技术包括信息输入、识别、转换、操作、存储和传递技术，它们大多依赖于计算机，所以计算机技术和信息处理技术密切相关。信息处理技术包括信息交换、存取、计算、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、网络和通信技术、数据库技术等。它的主要工具是计算机。1.3、机电系统共同的关键技术4、控制技术自动控制技术是通过控制器使被控对象或过程按照预定的规则自动进行。自动控制技术的范围非常广泛，包括从理论到实践的全过程，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。由于被控对象的多样性，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、教学再现、检索等控制技术。1.3机电系统的常见关键技术，5。伺服驱动技术的研究对象：执行器及其驱动装置的类型执行器：电动、液压和气动驱动装置是指各种电机的驱动电源电路，目前主要由电力电子器件和集成功能电路组成。(1.3)机电系统的通用关键技术，(6)系统的通用技术系统的通用技术是用系统工程的观点和方法将整个系统分解成几个相互有机联系的功能单元，并继续将这些功能单元分解为子系统，直到找到一个可实现的技术方案，然后将系统的各个功能模块有机地结合起来，实现整体优化。其重要内容是接口技术。接口包括电气接口、机械接口和人机接口。1.4、机电系统产品设计及工程路线，1。设计类型：开发设计(新设计)；适应性设计(原则和方案不变，只重新设计功能和结构)；可变参数设计(仅改变一些结构尺寸以形成一系列产品)，1.4机电系统产品设计和工程路线，1.2市场研究，3总体方案设计，4详细设计，5样机试制和试验，6小批量生产和大批量生产，2.2设计过程：1.4机电系统产品设计和工程路线，市场研究和预测是产品开发成败的关键第一步。市场调查是用科学的方法系统、全面地收集市场需求和分布的信息和数据，分析和研究供求双方之间的产品转移情况和趋势。市场预测是在市场调查的基础上，运用科学的方法和手段，根据历史数据和现状，通过定性的实证分析或定量的科学计算，预测、计算和判断市场未来的不确定因素和条件，从而为企业提供决策依据。(1)市场研究和预测，(1.4)机电系统产品设计和工程路线，(1)定性预测：在缺乏数据和信息的情况下，通常根据经验和综合分析能力，使用以下调查方法对未来发展进行预测和估计。(1)访问和调查材料(2)抽样调查(3)类比调查(4)专家调查，通过问卷咨询专家。1.4机电系统产品设计和工程路线；2)定量预测：利用相关系数法对影响预测结果的各种因素进行分析和筛选，根据主要影响因素与预测对象之间的定量关系建立数学模型，对市场发展进行定量预测。主要采用以下方法：时间序列回归法；因果回归方法预测目标与影响因素之间存在因果关系。产品生命周期方法产品有一个发展、生产、成长、成熟和淘汰的过程。整个过程所经历的时期称为产品生命周期，通常分为投入期、成长期、成熟期和衰退期。1.4、机电系统产品设计及工程路线，2、总体方案设计，1。产品方案构思产品方案构思完成后，设计方案将以方案图的形式表达。该计划应尽可能简洁明了，反映机电系统所有组件的相互关系，并便于以后的修订。2.方案评价选择各种思路和方案，选择较好的可行方案进行分析、组合和评价，根据机电一体化系统的设计评价原则和评价方法，从中选择若干方案进行深入的综合分析和评价，最终确定实施方案。1.4、机电系统产品设计及工程路线，3、详细设计，详细设计是根据系统方案综合评价后确定的，从所有的技术细节逐层展开，直到产品样机试制完成所需的所有技术图纸和文件。1.4、机电系统产品设计及工程路线、设计内容：(1)确定产品规格、性能指标运动参数、动态参数、质量参数。(2)系统功能组件的划分功能组件与系统主要功能的选择、设计和匹配。(3)接口设计-机械接口、物理接口、信息(5)可靠性审查(6)试生产和调试-样机制造和调试，测试(7)最终产品结果评估-是否满足设计或用户要求，1.4机电系统产品设计和工程路线，4。原型试生产和测试，在完成产品的详细设计后，可以进入原型试生产和测试阶段。根据制造成本和性能测试要求，通常制造几台样机用于测试。样机的试验分为实验室试验和实际工况试验。测试用于检查原型的各种性能指标是否满足设计要求，并检查原型的可靠性。如果样机的性能指标和可靠性不符合设计要求，应修改设计，对样机进行再制造和再试验。如果样机的性能指标和可靠性满足设计要求，将进入小批量生产阶段。1.4、机电系统产