机电一体化97169

1、安徽工业大学 课 程： 机电一体化系统设计 学 号： 1320190064 姓 名： 谭玉良 专 业 ： 机械工程 老 师： 张良安 机电一体化系统设计一、机电系统基本概念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、信息与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。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综合应用技术。图12、发展概况：1）20世纪60年代前为第一阶段，“萌芽阶段” 事实上要追溯到20年代以前，工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结合，以提高机械产品的性能。但是由于电子技术

2、的发展相对落后，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。2）70年代到80年代为第二阶段，“蓬勃发展阶段”，理论研究阶段 计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础这个时期的特点是：mechatronics一词首先在日本被普遍接受，大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；机电一体化技术和产品得到了极大发展；各国均对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。3）90年代后期为第三阶段，“智能化阶段”光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；对机电一体化系统的建模设计、分析和集成

3、方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究；由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。 4）现状机电一体化占据主导地位是制造产业发展的必然趋势，而制造产业是整个科学技术和国家经济发展的基础工业，因而机电一体化在当前激烈的国际政治、军事、经济竞争中起着举足轻重的作用，受到各工业国家的极大重视。日本将智能传感器，计算机芯片制造技术，具有视频、触觉和人机对话能力的人工智能工业机器人，柔性制造系统等，列为高技术领域的重大研究课题。西欧高技术发展规划“尤里卡”计划,

4、提出五大关键技术领域,其中包括研制可自由行动、决策并易于人机对话的欧洲第三代安全民用机器人，广泛合作研究计算机辅助设计、制造、生产、管理的柔性系统，实现工厂全面自动化等机电一体化研究方向。我国已研制成功了用于喷漆、焊接、搬运以及能前后行走的、能爬墙、能上下台阶、能在水下作业的多种类型机器人。CIMS研究方面，我国已在清华大学建成国家CIMS工程研究中心（ERC），在一些著名大学和研究单位建立了7个CIMS单元技术实验室和8个CIMS培训中心，在国家立项实施CIMS的企业已达70余家。1994年清华大学荣获美国制造工程师协会（SME）颁发的CIMS研究“大学领先奖”。1995年北京第一机床厂荣获

5、SME颁发的“工业领先奖”。上述成果的取得使我国在制造业机电一体化的研究和应用方面积累了一定的经验，它必将推动机电一体化技术向更高层次纵深发展。3、总的发展趋势： 性能上，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0.1um，进给速度100m/min以上，联动轴数15轴以上，界面、通讯等长足发展； 功能上，向小型化、轻型化、多功能化方向发展； 层次上，向系统化，复合集成化方向发展。总结为六化：（1）智能化、（2）模块化、（3）网络化、（4）微型化、（5）绿色化、（6）人性化。4、权威定义：起源：日本，20世纪70年代；合成词：Mechatronics。它取英语Mechanic

6、s(机械学)的前半部和Electronics（电子学）的后半部分拼成一个新词；(ASME)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。二、机电系统的构成一个典型的机电系统应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感检测部分、控制及信息处理部分。这些组成要素内部及其之间,形成通过接口耦合来实现运动传递、信息控制、能量转换等有机融合的一个完整系统。机电一体化系统的组成要素及功能如下图2所示。图21、机械本体机身、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。2、能源提供能量，转换成需要的形式

7、，实现动力功能。动力功能是按照系统控制要求，为系统提供能量和动力，使系统正常运行。用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出，是机电一体化产品的显著特征之一。电能、热能、气动、液压、等等。要求：效率高、可靠性好3、传感检测装置传感测试部分的功能是对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，生成相应的可识别信号，传输到信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。这一功能一般由专门的传感器及转换电路完成。物理量、化学量、电信号。要求：体积小、精度高、抗干扰。4、 控制及信息处理单元功能是将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工、处理、运算、决策，根据信

8、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。计算机、PLC、单片机、FPGA、GAL器件等逻辑器件。要求：高可靠性、柔性、智能化5、 驱动执行机构执行机构包括机械传动与操作机构，其功能是根据控制信息和指令，完成要求的动作。执行机构是运动部件，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。6、 接口耦合与能量转换（1） 变换： 两个需要进行信息交换和传输的环节之间，由于信息的模式不同（数字量与模拟量、串行码与并行码、连续脉冲与序列脉冲等等），无法直接实现信息或能量的交流，需要通过接口完成信息或能量的统一。（2） 放大：在两个信号强度相差悬殊的环

9、节间，经接口放大，达到能量的匹配。（3） 耦合：变换和放大后的信号在各环节间能可靠、快速、准确地交换，必须遵循一致的时序、信号格式和逻辑规范。接口具有保证信息的逻辑控制功能，使信息按规定模式进行传递。（4） 能量转换：其执行元件包含了执行器和驱动器。该转换涉及到不同类型能量间的最优转换方法与原理。如匹配。3、 PLC控制系统设计1、PLC由来和发展简介 可编程控制器是60年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController），目的是用来取代继电器。以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。提出PLC概念的是美国通用汽车公司。PLC的基本设

10、计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内,使控制器和被控对象连接方便。70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已不再是仅有逻辑(Logic)判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。国际电工委员会(IEC)颁布的可编程控制器标准草案中对可编程控制器作了如下的定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设

11、计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的设计。可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。 可靠性高，抗干扰能力强；编程直观、简单；适应性好；功能完善，接口功能强。2、 PLC工作原理 通过一个电路实例来说明PLC的工作过程。分检和

12、分配线的控制。如图3所示：图3控制要求：要求将大小不同的部件通过传送带封装到不同的收集箱中。控制指令：如下表10LDX201LDX252ANDY73ORB4LDX255ANDX66ORB7LDX258ANDX209ORB10ANDX011OUTY012LDFX015RSTM2018LDY019OUTY1020LDX2421OUTY122OUTY223MPS24ANIM1025OUTY526MPP27OUTY428LDY529OUTY1130LDIY531OUTY1232LDPX135ANDPX238ANDPX341SETM042LDIX143ANDPX246ANDPX349SETM150LDIX151