机电一体化系统设计上课

1、机电一体化系统设计第1页课程说明 机电一体化系统设计课程是一门专业方向课。本课程从系统观点出发，利用机械技术和电子技术，经过机电有机结合结构最正确机电系统。 （并不是简单叠加，综合应用了各种技术） 先修课程：机械设计，电子技术，电工技术，机电传动与控制，微机原理与应用等。第2页位置,速度检测单元电机机械部件位置,速度反馈CNC数控机床伺服系统组成第3页教学基本要求包含： 1学习机电一体化基本概念，了解机电一体化系统中各结构要素在系统中作用和相互关系，初步建立机电产品系统化设计思想。 2机电一体化系统功效设计 主要包含：设计过程中技术系统选取，功效设计方法、评价决议，以洗衣机为例进行了详细介绍；

2、快速成型技术介绍；当代物流系统分析 3.机电一体化系统结构设计（整体布局、运动设计、结构设计） 4.机电一体化系统控制系统设计 以数控机床和自动化立体仓库为例。 5.机电一体化信息系统设计（比如人机界面） 6.机电一体化系统可重构设计第4页第5页什么是机电一体化? 机电一体化又称为机械电子学,其英文名称为Mechatronics,由机械学(Mechanics)前二分之一和电子学(Electronics)后二分之一组成. 由英文名称亦可知,机械电子学早期是由机械学和电子学衍生出来子学科(1971年日本杂志机械设计副刊首次使用).1.1 基本概念 机电一体化定义（内涵） 机电一体化概念内涵当前国内

3、外尚没有完全统一表述。普通认为：机电一体化是以机械学、电子学和信息科学为主多门学科在机电产品发展过程中相互交叉、相互渗透而形成一门新兴边缘性技术学科。第6页1 机电一体化已经发展为一门独立学科 它融合了机械学、电子学、信息科学等学科知识与发展结果，但其本身又含有本身特点及研究任务。机电一体化3重含义机电一体化信息科学机械学电子学第7页2 机电一体化是一个不停发展中概念早期： 主要强调机械与电子结合，即将电子技术“溶入”到机械技术中而形成新技术与产品。当代：（P3） 以计算机技术、通信技术和控制技术为特征信息技术取得了长足发展，信息技术不停“渗透”到机械技术中，丰富了机电一体化含义。现在，机电一

4、体化已不再局限于机械、电子与信息技术结合，还包含光机电一体化（融入光学技术发展结果）、机电气一体化、机电液一体化、机电仪一体化等。机电一体化3重含义第8页3 机电一体化表达了技术之间相互融合思想 强调各种技术在机电产品中相互协调，以到达系统总体最优。其主要发展特点是“取人所长，为己所用”。机电一体化3重含义第9页 机电一体化包含机电一体化技术和机电一体化产品(系统) 两个方面。 机电一体化概念外延第10页 机电一体化技术是从系统工程观点出发（其建立在信息论、控制论和系统论基础上），将机械、电子和信息等相关技术有机结合起来，以实现系统或产品整体最优综合性技术。 机电一体化技术主要包含技术原理和使

5、机电一体化产品（或系统）得以实现、使用和发展技术。 机电一体化技术是一个技术群（族）总称，包含检测传感技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、机械技术及系统总体技术等。 机电一体化技术第11页 机电一体化产品有时也称为机电一体化系统，它们是两个相近概念，通常机电一体化产品指独立存在机电结合产品，而机电一体化系统主要指依附于主产品部件系统，这么系统实际上也是机电一体化产品。 机电一体化产品是由机械系统（或部件）与电子系统（或部件）及信息处理单元（硬件和软件）有机结合、而赋予了新功效和新性能高科技产品。 机电一体化产品（系统）第12页 经典机电一体化产品(系统)有：数控机床、机器人、汽车电

6、子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CADCAM系统等。 因为在机械本体中“溶入”了电子技术和信息技术，与纯粹机械产品相比，机电一体化产品性能得到了根本提升，含有满足人们使用要求最正确功效。机电一体化产品（系统）第13页数控铣床第14页数控车床第15页焊接机器人第16页汽车防抱死系统(ABS)第17页机电一体化系统层次机电一体化系统是一个技术系统，按其功效复杂程度可分为三个层次：1）单机系统：比如各种数控机床、机器人2）由单机和运输等设备组成加工、装配、储存等制造系统，比如：FMS、FMC3) 由制造系统和规划管理系统组成集成系统，比如：CIMS第18页1.3 机电一体化系统组成位置,

7、速度检测单元电机机械部件位置,速度反馈CNC数控机床伺服系统组成第19页1.3 机电一体化系统组成执行器控制信息电子控制单元动力源检测传感部分机械本体参数变化信息驱动力能 量检测参数第20页1、机械本体 机械本体包含机架、机械连接、机械传动等。全部机电一体化系统都含有机械部分，它是机电一体化系统基础，起着支撑系统中其它功效单元，传递运动和动力作用。 要求： 高效、多功效、可靠、节能、小型、轻量、美观等。 1.3 机电一体化系统组成第21页2、动力源 动力源是机电一体化产品能量供给部分，其作用就是按照系统控制要求向机器系统提供能量和动力使系统正常运行。提供能量方式包含电能、气能和液压能，以电能为

8、主。 要求：效率高、可靠性好1.3 机电一体化系统组成第22页3、检测传感装置 检测传感部分包含各种传感器及其信号检测电路，其作用就是监测机电一体化系统工作过程中本身和外界环境相关参量改变，并将信息传递给电子控制单元，电子控制单元依据检测到信息向执行器发出对应控制指令。 要求： 传感器精度、灵敏度、响应速度和信噪比高；漂移小、稳定性高；可靠性好，抗干扰性好等。 1.3 机电一体化系统组成第23页4、电子控制单元 ECU是机电一体化系统关键，负责未来自各传感器检测信号和外部输入命令进行集中、存放、计算、分析，依据信息处理结果，按照一定程序和节奏发出对应指令，控制整个系统有目标地运行。 ECU由硬

9、件和软件组成，系统硬件普通由计算机、可编程控制器(PLC)、数控装置以及逻辑电路、AD与DA转换、I0 接口和计算机外部设备等组成；系统软件为固化在计算机存放器内信息处理和控制程序，依据系统正常工作要求编写。 要求：高速、可靠、抗干扰、系统自诊疗功效、信息处理智能化和小型、轻量、标准化 1.3 机电一体化系统组成第24页 执行器作用是依据电子控制单元指令驱动机械部件运动。执行器是运动部件，通常采取电力驱动、气压驱动和液压驱动几个方式。 1.3 机电一体化系统组成5、执行器要求： 执行器效率高、响应速度快，对水、油、温度、尘埃等外部环境适应性好，可靠性高、标准化。 第25页1.3 机电一体化系统

10、组成第26页1.4 共性关键技术1 检测传感技术2 信息处理技术3 自动控制技术4 伺服驱动技术5 机械技术6 系统总体技术第27页1、检测传感技术作用：感受器官、反馈步骤。研究对象：传感器及其信号检测装置（即变送器）要求：能快速、准确地取得信息并在对应应用环境中含有高可靠性。1.4 共性关键技术第28页2、信息处理技术 主要完成信息交换、存取、运算、判断和决议等.其主要工具是计算机。传感器A/D计算机D/A执行装置3、控制技术 关于软件及控制算法方面技术，主要以控制理论为指导，对控制系统设计、仿真、现场调试、可靠运行等。1.4 共性关键技术第29页4、伺服驱动技术 执行元件种类：电动、液压、

11、气压 研究对象：执行元件及其驱动装置驱动装置：各种电动机驱动电源电路 实现机电一体化产品主功效和结构功效，影响系统结构、重量、体积、刚性、可靠性等。 5、机械技术1.4 共性关键技术第30页6、系统总体技术 系统总体技术是一个从整体目标出发，用系统工程观点和方法，将系统各个功效模块有机结合起来，以实现整体最优。其主要内容为接口技术。接口包含电气接口、机械接口、人机接口 （第五章信息流设计）1.4 共性关键技术第31页1.6 机电一体化对机械工业影响1 提升性能、扩展功效、提升效率 以数控机床为例，高速DSP处理器芯片及准确运动控制算法是实现机床多轴联动曲面异型体工件加工基础，实现了传统机床永远

12、无法实现目标，是对机床性能提升和功效扩展。数控加工中心能够实现一次装夹，多工位同时加工，提升了设备效率。另外，多轴联动数控机床在模具加工方面也有相当大优势，能够经过程序控制实现模具批量生产，模具虚拟加工与调试等。 第32页1.6 机电一体化对机械工业影响2 简化结构第33页第34页3 提高可靠性 在提高电子元件质量、可靠性前提下，机电一体化产品可以提高耐久性，降低故障率。其次由于赋予其自动监视诊断功能，并采取安全联锁控制，过载和失控保护、停电保护等对策，提高了设备安全可靠性。 1.6 机电一体化对机械工业影响第35页4 节约能源 变频调速技术广泛应用大大降低了风机、水泵、空调压缩机能源消耗。

13、1.6 机电一体化对机械工业影响第36页5 操作改进利用计算机软件提供友好人机界面，能够方便操作人员对机械装备状态监测、控制。1.6 机电一体化对机械工业影响第37页第38页1.7 机电一体化发展趋势 1 智能化 智能化是二十一世纪机电一体化技术发展一个重要发展方向。 人工智能在机电一体化建设者研究日益得到重视，机器人与数控机床智能化就是重要应用。这里所说“智能化”是对机器行为描述，是在控制理论基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、含糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高控制目标。第39页 2 标准化 因为

14、机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发含有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常主要事。这需要制订各项标准，方便各部件、单元匹配和接口。因为利益冲突，近期极难制订国际或国内这方面标准，但能够经过组建一些大企业逐步形成。显然，从电气产品标准化、系列化带来好处能够必定，不论是对生产标准机电一体化单元企业还是对生产机电一体化产品企业，规模化将给机电一体化企业带来美好前途。1.7 机电一体化发展趋势第40页 3 网络化 基于网络通信技术现场总线控制系统已经成为工业自动化系统发展趋势；各种远程故障监测、诊疗与维护系统发展提升了机电设备运行可靠性、可控性

15、和可维护性，提升了资源和设备利用率等；基于“蓝牙”技术智能家用电器将带来人们生活方式极大改变。1.7 机电一体化发展趋势第41页4 微型化 微型化兴起于20世纪80年代末，指是机电一体化向微型机器和微观领域发展趋势。国外称其为微电子机械系统（MEMS），泛指几何尺寸不超出1cm3机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。 微机电一体化产品体积小 、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面含有不可比拟优势。 微机电一体化发展瓶颈在于微机械技术，微机电一体化产品加工采取精细加工技术，即超精密技术，它包含光刻技术和蚀刻技术两类。1.7 机电一体化发展趋势第42页5 系统化 系统化表现特征之一就是系统体系结构深入采取开放式和模式化总线结构。系统能够灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现之二是通信功效大大加强，普通除RS232外，还有RS485等。（可重构系统）1.7 机电一体化发展趋势第43页机电一体化系统四视图设计传统机械主要是由机械结构完成其功效，其设计主要是结构设计，在描述和设计传统机械时，表示机械结构主要采取三视图。而当代机械系统是由计算机信息系统协调控制机电一体化系统，三视图不足以表示机电一体化系统，采取四视图设计来设计机电一体化系统，包含：功效视图、结