第2讲机电一体化系统设计ppt课件

1、本讲主要内容本讲主要内容1.2 机电一体化系统功能构成机电一体化系统功能构成1.3 机电一体化共性关键技术机电一体化共性关键技术 1.2 机电一体化系统功能构成机电一体化系统功能构成1.2.1 目的功能描述目的功能描述 根据不同的使用目的，要求机电一体化系统能对根据不同的使用目的，要求机电一体化系统能对输入的物质、能量和信息输入的物质、能量和信息(即工业三大要素即工业三大要素)进行某进行某种处理，输出所需要的物质、能量和信息。种处理，输出所需要的物质、能量和信息。系统目的功能示意图系统目的功能示意图变换加工、处置）变换加工、处置）传送挪动、保送）传送挪动、保送）储存坚持、积存、记录）储存坚持、

2、积存、记录） 以物料搬运、加工为主，输入物质原料、毛以物料搬运、加工为主，输入物质原料、毛坯等）、能量电能、液能、气能等和信息操坯等）、能量电能、液能、气能等和信息操作、控制指令等），经过加工处理，主要输出改变作、控制指令等），经过加工处理，主要输出改变了位置与形态的物质，将这种系统或产品称工了位置与形态的物质，将这种系统或产品称工作机，例如各种机床、交通运输机械、食品加工机作机，例如各种机床、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。械、起重机械、纺织机械、印刷机械、轻工机械。图图1 1 数控车床数控车床图图2 3D2 3D打印机打印机 以能量转换为主，输入能量和信

3、息，输出不同以能量转换为主，输入能量和信息，输出不同能量的系统或产品），称为动力机，其中输出机能量的系统或产品），称为动力机，其中输出机械能的为原动机，如电动机。械能的为原动机，如电动机。 图图1 1 直流伺服电机直流伺服电机图图3 3 步进电机步进电机图图2 2交交流流伺伺服服电电机机 以信息处理为主，输入信息和能量，主要输出以信息处理为主，输入信息和能量，主要输出某种信息如数据、图像、文字及声音等的系统某种信息如数据、图像、文字及声音等的系统或产品），称信息机，如打印机、绘图机、复印或产品），称信息机，如打印机、绘图机、复印机等。机等。 1.2.2 系统内部功能描述 1.2.2 系统内部功

4、能描述全闭环系统：通过传感器直接检测目标运动并进行反馈控制的系统。全闭环系统：通过传感器直接检测目标运动并进行反馈控制的系统。 1.2.2 系统内部功能描述 1.2.2 系统内部功能描述半闭环系统：通过传感器检测某一部位半闭环系统：通过传感器检测某一部位(如伺服电机等如伺服电机等)运动位移并运动位移并进进 行反馈、间接控制目标运动的系统。行反馈、间接控制目标运动的系统。 1.2.2 系统内部功能描述开环系统：直接控制步进电机的运动通过传动链确定目标运动的系统。开环系统：直接控制步进电机的运动通过传动链确定目标运动的系统。 1.2.2 系统内部功能描述系统的五种内部功能系统的五种内部功能主功能主

5、功能动力功能动力功能计测功能计测功能控制功能控制功能构造功能构造功能 1.2.2 系统内部功能描述CNC机床的内部功能构成机床的内部功能构成 1.2.2 系统内部功能描述 主功能主功能-实现系统实现系统“目的功能直接必需的功能，主要是对目的功能直接必需的功能，主要是对物质、能量、信息及其相互结合进行变换、传递和存储。物质、能量、信息及其相互结合进行变换、传递和存储。 动力功能动力功能-向系统提供动力、让系统得以运转的功能。向系统提供动力、让系统得以运转的功能。 计测功能和控制功能计测功能和控制功能-根据系统内部信息和外部信息对整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，实施

6、个系统进行控制，使系统正常运转，实施“目的功能目的功能”。 构造功能构造功能-使构成系统的子系统及元、部件维持所定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。的时间和空间上的相互关系所必需的功能。 1.2.2 系统内部功能描述机电一体化系统的五大要素及其相应的五大功能机电一体化系统的五大要素及其相应的五大功能 1.2.2 系统内部功能描述机电一体化系统构成要素与人体构成要素的相对应关系机电一体化系统构成要素与人体构成要素的相对应关系 1.3 机电一体化共性关键技术 要站在信息论、控制论及系统论的高度理解共性关键技术；要站在信息论、控制论及系统论的高度理解共性关键技

7、术； 要从信息流、能量流及物质流的视角去分析共性关键技术；要从信息流、能量流及物质流的视角去分析共性关键技术； 要从伺服控制系统稳、准、快的要求认识共性关键技术；要从伺服控制系统稳、准、快的要求认识共性关键技术； 要从机电一体化的发展趋势探究共性关键技术要从机电一体化的发展趋势探究共性关键技术 1.3 机电一体化共性关键技术 1、精密机械技术、精密机械技术 一般情况下，机械部分由驱动元件驱动，为了实现控制过程一般情况下，机械部分由驱动元件驱动，为了实现控制过程的稳、准、快，为了使机械与微电子技术相匹配，为了达到机电一的稳、准、快，为了使机械与微电子技术相匹配，为了达到机电一体化系统的整体最优体

8、化系统的整体最优。精密机械技术应具有以下特点。精密机械技术应具有以下特点。 （1短传动链、并行驱动与传动短传动链、并行驱动与传动 传动系统简单、刚性好、精度高传动系统简单、刚性好、精度高 （2小间隙、可调间隙或无间隙传动小间隙、可调间隙或无间隙传动 传动精度高、稳定性好传动精度高、稳定性好 （3提高固有频率提高固有频率km （4低摩擦低摩擦 质量轻、刚度大、弹性变形小、传动误差小质量轻、刚度大、弹性变形小、传动误差小 摩擦力影响传动系统的精度和运动平稳性，静摩擦力能使机摩擦力影响传动系统的精度和运动平稳性，静摩擦力能使机械传动部件发生弹性变形而造成位置误差，反向运动时，位置误差械传动部件发生弹

9、性变形而造成位置误差，反向运动时，位置误差将形成回程误差。机械传动部件的摩擦特性应为：静摩擦力尽可能将形成回程误差。机械传动部件的摩擦特性应为：静摩擦力尽可能小；动摩擦力为尽可能小的正斜率若为负斜率，易产生爬行、精小；动摩擦力为尽可能小的正斜率若为负斜率，易产生爬行、精度降低、寿命减小。）度降低、寿命减小。） （5最佳传动比及最小转动惯量加速能力强）最佳传动比及最小转动惯量加速能力强） （6高刚度高刚度 改进支撑及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪改进支撑及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声。可选用复合材料提高刚度和强度，减轻重量、缩小体积使结声。可选用复合材料提高刚度和强度

10、，减轻重量、缩小体积使结构紧凑，使系统小型化、轻型化、高速化和高可靠性构紧凑，使系统小型化、轻型化、高速化和高可靠性 （7适于机电一体化系统的新型精密机械结构适于机电一体化系统的新型精密机械结构 同步带传动同步带传动谐波传动谐波传动 2、检测传感技术、检测传感技术 从机电一体化系统稳、准、快、高可靠性角度分析传感检测从机电一体化系统稳、准、快、高可靠性角度分析传感检测技术，对传感器提出以下要求：技术，对传感器提出以下要求：（1高精度、高灵敏度及高可靠性高精度、高灵敏度及高可靠性（2适于机电一体化系统的新型传感器研制适于机电一体化系统的新型传感器研制（3传感器的集成化及智能化传感器的集成化及智能

11、化 3、信息处理技术、信息处理技术 信息处理技术包括信息的输入、变换、运算、存储及输出技信息处理技术包括信息的输入、变换、运算、存储及输出技术，主要由计算机、术，主要由计算机、PLC及数控装置等来完成。人工智能、专家系及数控装置等来完成。人工智能、专家系统及人工神经网络都属于信息处理范畴。信息处理要快速、准确、统及人工神经网络都属于信息处理范畴。信息处理要快速、准确、可靠。可靠。 4、自动控制技术、自动控制技术 数字数字PID控制、智能控制等控制、智能控制等 5、伺服驱动技术、伺服驱动技术 伺服驱动技术主要指机电一体化产品中的执行元件和驱动伺服驱动技术主要指机电一体化产品中的执行元件和驱动装置

12、设计中的技术问题，执行元件主要有电动、气动及液压等类装置设计中的技术问题，执行元件主要有电动、气动及液压等类型，以电动执行元件为主；驱动装置主要是各种电机的驱动电源型，以电动执行元件为主；驱动装置主要是各种电机的驱动电源电路。电路。 稳、准、快稳、准、快 构成机电一体化系统的要素或子系统之间必须能顺利地构成机电一体化系统的要素或子系统之间必须能顺利地进行物质、能量和信息的传递与交换。为此，各要素或各子系进行物质、能量和信息的传递与交换。为此，各要素或各子系统连接处必须具备一定的统连接处必须具备一定的“联系条件联系条件”，这些联系条件称为接口。，这些联系条件称为接口。系统内部与外部接口系统内部与

13、外部接口从系统外部看，机电从系统外部看，机电一体化系统的输入输一体化系统的输入输出是与人、自然及其他出是与人、自然及其他系统之间的接口；系统之间的接口；从系统内部看，机电从系统内部看，机电一体化系统是由许多接一体化系统是由许多接口将系统的构成要素输口将系统的构成要素输入输出联系为一体的入输出联系为一体的系统。系统。 6、接口技术、接口技术机电一体化系统构成要素之间的相互联系机电一体化系统构成要素之间的相互联系根据接口的变换、调整功能，接口分成四种：根据接口的变换、调整功能，接口分成四种：零接口零接口: :不进行任何变换和调整、输出即为输入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

14、口；等，仅起连接作用的接口；无源接口无源接口: :只用无源要素进行变换、调整的接口；只用无源要素进行变换、调整的接口；有源接口有源接口: :含有有源要素、主动进行匹配的接口；含有有源要素、主动进行匹配的接口；智能接口智能接口: :含有微处理器，可进行程序编制或可适含有微处理器，可进行程序编制或可适 应性地改变接口条件的接口；应性地改变接口条件的接口；广义的接口功能有两种，一种是变换、调整；广义的接口功能有两种，一种是变换、调整； 另一种是输入输出。另一种是输入输出。根据接口的输入输出功能，接口分为四种：根据接口的输入输出功能，接口分为四种：机械接口机械接口 由输入输出部位的形状、尺寸精由输入输

15、出部位的形状、尺寸精 度、配合、规格等进行机械连接的接口。度、配合、规格等进行机械连接的接口。物理接口物理接口 受通过接口部位的物质、能量与信受通过接口部位的物质、能量与信息息 的具体形态和物理条件约束的接口。的具体形态和物理条件约束的接口。信息接口信息接口 受规格、规范、法律、言语、符号受规格、规范、法律、言语、符号等等 逻辑、软件约束的接口。逻辑、软件约束的接口。环境接口环境接口 对周围环境条件对周围环境条件( (温度、湿度、磁场、温度、湿度、磁场、 火、振动、放射能、水、气、灰尘火、振动、放射能、水、气、灰尘) )有保护作用有保护作用和和 隔绝作用的接口。隔绝作用的接口。 7、系统总体技

16、术、系统总体技术 系统总体技术内涵丰富，可概括为以下几个方面：系统总体技术内涵丰富，可概括为以下几个方面： 从整体目标出发，用系统的观点和方法，将机电一体化产品从整体目标出发，用系统的观点和方法，将机电一体化产品的总体功能分解为若干功能单元，找出能够完成各个功能的可能技的总体功能分解为若干功能单元，找出能够完成各个功能的可能技术方案，再把功能与技术方案组合成方案组进行分析、评价，综合术方案，再把功能与技术方案组合成方案组进行分析、评价，综合优选出适宜的功能技术方案。优选出适宜的功能技术方案。 （1各子系统的匹配及整体匹配问题各子系统的匹配及整体匹配问题 （4相互干扰与耦合问题相互干扰与耦合问题 （5系统可靠性问题系统可靠性问题 （6状态监