机电一体化系统设计概述课件

1、概述,要点：,(1) 机电一体化的发展历史与趋势,(2) 机电一体化的含义,(3) 机电一体化系统的组成,(4) 机电一体化系统的设计步骤,1.1 机电一体化的发展历史与趋势,(1) 机电一体化发展史,1946年，第一台用真空管制作的计算机ENIAC在美国问世。,1948年，控制论创立。,1952年，第一台数控机床在美国研制成功。,1962年，第一台工业机器人在美国研制成功。,1969年，世界上公认的第一台PLC在美国数字设备公司（DEC）研制成功。,20世纪70年代，微处理器出现。,20世纪70年代，Mechatronics在日本出现，并出版以此命名的学术刊物。,日本将机电一体化技术的发展作

2、为国家产业政策以法律的形式确定下来。日本的机电一体化技术是世界上最先进的。(机器人、机床、电气设备),20世纪80年代，美国出现FMS、CIMS、FA等先进的现代机械系统。,(2) 机电一体化发展趋势,光机电一体化,柔性化,智能化,微型化,网络化,仿生物系统化,1.2 机电一体化的含义,机电一体化是一种用于机电产品最优化设计的方法学。,1 什么是机电一体化？,机电一体化由多个组成要素组成，不同要素的设计次序导致不同的设计效果。,1+12 ？,1+1=2 ？,1+12 ？,2 如何理解方法学？,机电一体化的设计方法,先设计机械系统，然后用控制系统来改进和完善机械系统的性能。机械系统确定后，所有的

3、问题都由电气系统来完成。 顺序设计、各自为政。,用系统工程的方法论，在产品总体设计时，将机械系统、电气系统和控制系统综合起来考虑，优势互补。 合理分工、协同作战。,(1) 机电一体化是在机构的主功能、动力功能、信息与控制功能上引进了电子技术，并将机械装置与电子设备以及软件等有机结合而成系统的总称。(日本机械振兴协会经济研究所),(2) 由计算机网络协调与控制的、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。(ASME),(3) 机电一体化是光、机、电一体化的综合技术，它包括机械、电工电子、光学及其不同技术的组合。其核心是精密机械工程技术。(德国工程师协会),

4、(4) 在工业产品和工程的设计和制造中，机械工程与电子和智能 计算机控制的协同集成。(IEEE/ASME),1.3 机电一体化的构成,机械系统,电气系统,计算机系统,信息系统,1 机电一体化的组成要素,从某种意义上讲，机电一体化技术就是解决接口的技术。不同系统之间要进行信息流、能量流和物质流的交换，需要互相匹配。,接口包括广义接口和狭义接口。根据接口的输入输出功能，接口分：,机械接口 物理接口 环境接口,信息接口 人机接口,2 机电一体化系统的子系统,信息系统包括信息传输的所有方面，从信号处理到控制系统和分析技术。,建模与仿真,(1) 信息系统,自动控制,系统优化,建模 ：用数学方程或逻辑的集

5、合来描述真实系统行为的过程。建立机电一体化系统模型，需要用不同的定律，如机械系统建模主要基于牛顿力学定律。,仿真 ：建立了系统模型后，需要求解输入输出的关系，即得到模型的解。系统模型一般都是微分方程，比较难获得解析解。只能用计算机求取模型的数值解。这个过程就叫仿真。仿真过程包括初始化、迭代和终止。,机械式调速系统的发明，引导科学家去研究该速度控制系统的稳定性。年，Maxwell在其论文“关于调速系统的研究”中，证明了速度控制系统稳定性的必要条件，也论证了充分条件。,Maxwell的学友Edward John Routh也证明了速度控制系统稳定性的充分条件。从而解决了控制系统的不稳定性问题。瑞士

6、国立工科大学数学教授A.Hurwitz从理论上解析了不稳定性的原因。,Hurwitz和Routh殊途同归地证明了控制系统的稳定性条件，被后人称之为RouthHurwitz稳定性判据。 年，贝尔实验室发明了电子反馈放大器，使机电结合起来。微处理器,和晶体管的出现，使机电控制系统大量应用。 机电一体化系统的核心是伺服系统。也就是负反馈控制系统。分析该系统的数学工具就是传递函数。年，Bode图作为设计工具出现。,负反馈控制系统的作用：减弱参数变化和扰动带来的影响，增强动态跟踪能力。,ch1 绪论：机电一体化的构成,传递函数,基本反馈系统BFS 外部输入变量R 控制变量E 受控变量Y,用控制器进行设计

7、,假定系统内部参数或外部干扰，导致出现偏差，则控制系统的传递函数为：,ch1 绪论：机电一体化的构成,反馈是如何消除扰动的影响,系统优化：以系统的设计参数为变量，建立目标函数。其中系统关系和资源约束作为目标函数的约束条件。通过计算机求解，寻找在约束条件下的目标函数值最小化的设计参数。 机电一体化是多系统耦合的，建立整个系统的优化是非常困难的。只能进行子系统的局部优化，然后根据各种综合因素，选择整体最优的系统设计参数。,优化设计的数学模型由设计变量、目标函数和约束条件三部分组成，可写成如下形式：,求变量,使极小化函数,满足约束条件,机械系统是机电一体化系统的基础。它提供系统所需的机构和结构支持。

8、机械系统考虑力作用下物体的特性。机械系统分为：,(2)机械系统,机电一体化主要考虑刚性系统。分析机械系统，主要依据6个原则。,电气系统包括通信系统和电源系统。通信系统主要以低能量的电信号形式在各点之间传递信息。电源系统主要是传递电能。,(3)电气系统,电气系统的分析基于3个基本量： 电流、电压和电荷。,电气系统分析工具：基尔霍夫电流和电压定律。,电流定律：流入任一节点的电流之和等于0。,电压定律：闭合回路中所有压降之和等于0。,计算机系统包括硬件和软件部分。硬件是基础，软件是灵魂。 硬件：PC、嵌入式系统、可编程控制器PLC 软件：系统软件和应用软件。系统软件主要是实时和非实时操作系统。,(4

9、)计算机系统,应用软件是针对具体应用开发的软件，编程语言为汇编语言、C语言等。也可以用组态软件、第三方插件等进行应用软件开发。,传感器用来检测机电一体化系统的内、外环境，提供反馈信息。精度和可重复性是关键因素。机电一体化的传感器主要用来测量力、位置、速度和加速度等物理量。传感器向智能化、微型化、数字化方向发展。,(5)传感器与执行器,传感器是环境信息和机电系统内部信息的检测装置，是系统实现闭环控制的关键。没有可靠的、高精度的传感器，就没有高精度的控制系统。,执行器将电气输入转化为机械输出。,执行器,电动执行器（步进、交直流、电磁铁）,流体动力执行器（液压、气动）,新型执行器（记忆合金、压电等)

10、,(6)信号变换与实时接口,. 机电一体化的设计过程,ch1 绪论：机电一体化支持技术,示例,齿轮传动的特征外啮合、内啮合直齿圆柱齿轮,齿轮传动的特征齿轮/齿条传动,齿轮传动的特征斜齿、人字齿轮传动（内啮合、外啮合及齿条）,齿轮传动的特征(直齿)圆锥齿轮或伞齿轮,齿轮传动的特征（曲齿）圆锥齿轮或伞齿轮,ch1 绪论：常见机电一体化机械装置,齿轮传动的特征螺旋齿轮；蜗杆蜗轮,两轴相互交错，小齿轮的齿数特别少，且齿绕轮面一周以上，成螺杆状。且只能是蜗杆主动。,单一齿轮与斜齿轮完全相同，但螺旋齿轮的两轴部平行而交错在任意位置,螺纹 三角形螺纹 螺纹的规格要符合ISO(国际标准化组织)标准，以保证互换

11、性。 两个部件之间的固定，主要用三角形螺纹，标准与否，用下列标准化尺寸来衡量： 1)螺纹外径（公称尺寸） 2)螺纹角度（60） 3)螺距 ISO标准的螺钉头上有“M”或 “.”标记预钻孔尺寸，取螺 钉公称尺寸的0.80.85倍 滚珠丝杠,机电一体化的电路知识（1） 三端稳压源 电源 计算机或接口控制电路都要用集 成电路(ICintegrate circuit)， 如晶体管晶体管逻辑电路(TTL) 或互补金属氧化物半导体(CMOS) 电路，所以需要直流5V作为电源。, 电阻,机电一体化的电路知识（1） 电阻,机电一体化的电路知识（1） 电阻 额定功率 P=I2R=V2/R=IV(W) 通常用的电

12、阻额定功率为0.1255W左右； 电阻器的额定功率电阻器的消耗功率 实际上，要取22.5倍冗余量 可变电阻 电位器命名：103 电阻阵列(集成电阻/电阻排),机电一体化的电路知识（2） 晶体管 晶体管的形状 发射极 E；集电极 C；基极 B,机电一体化的电路知识（2） 晶体管 晶体管辨别方法 A.PNP型和NPN型三极管的判别： 用测二极管的档位，仅有一管脚 能与另两个管脚导通，则该管脚 为正则=NPN；为地则=PNP;且 为基极B B.电极判别： 已知管型和基极后直接插入万用 表中,正确时,显示数字几十 C.锗、硅管的判别： 锗管偏压为0.20.3伏； 硅管则为0.60.8伏,机电一体化的电

13、路知识（2） 二极管 发光二极管 发光二极管(LED)具有正向通过10mA左右电流 时就发光的性质。测量方法与二极管相同。 也可通过外观来判断。 电容器 有极性电容器(电解电容器)铝电解、 钽电解及铌电解 无极性电容器(中小容量电容器3.3pF; 3m3=3300 F; B.色标法(同电阻器),可编程序控制器 可编程序控制器PC(Programmable Controller)又称可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller),是微机与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微机为核心用作数字控制的专

14、用计算机。 PLC的基本结构： A.CPU 接收从编程器输入的用 户程序，并存入程序存 储器中； 用扫描方式采集现场输 入状态和数据，并存入 相应的寄存器中； 执行用户程序逐条取 出，经过解释后逐条执行,可编程序控制器PLC的基本结构： B.存储器 系统程序存储器(ROM/EPROM)； 用户程序存储器(RAM)(说明书中所说的容量，且以字为单位)； 变量(数据)存储器 C.输入/输出接口(I/O接口) 输入接口： 采集现场各 种开关接点 的状态信号， 并转换成标 准逻辑电平。 如有模拟量 需输入，则 需使用A/D,可编程序控制器PLC的基本结构： C.输入/输出接口(I/O接口) 输出接口：

15、晶体管输出方式支流负载；晶闸管输出方式交流负载；继电器输出方式交、直两用,可编程序控制器 PLC的基本工作原理： 每执行一遍所需的时间称为扫描周期。 PLC的扫描周期通常为几十ms PLC的主要特点： 应用灵活、扩展性好； 操作方便； 标准化的硬件和软件设计、通用性强 完善的监视和诊断功能 控制功能强 可适应恶劣的工业应用环境 体积小、重量轻、性能/价格比高、省电,可编程序控制器 PLC的基本工作原理：,可编程序控制器 PLC内部等效继电器电路 PLC内部有很多存储器，一个 存储单元由8位触发器器组成， 一个触发器等效为一个继电器， 等效继电器的通断由软 件控制，故也可叫软继 电器。用户使用这些软 继电器，通过编程来实 现所需要的逻辑控制功 能。 表中，地址编号采用三 位8进制数表示,前两位 为存储器单元地址，第 三位为存储器的位地址,可编程序控制器PLC内部等效继电器电路 梯形图中等效继电器的表示符号有多种，没有统一规定,可编程序控制器PLC内部等效继