《机电一体化系统设计》第1章+绪论.ppt

1、机电一体化系统设计,主讲人：郑海明 E-mail: QQ：870736608 华北电力大学机械系 2020年9月21日,国际机电一体化项目资源 国际机电一体化课程资源 / 国际机器人网站 中国机电一体化网 ,一些网络资源,机电一体化系统设计课程是多学科的交叉和综合，涉及的相关专业知识较多，讲授的主要内容包括： 机电一体化系统基本知识； 机电一体化系统总体设计； 机电一体化系统机械设计技术； 机电一体化控制系统设计技术； 机电一体化伺服系统设计技术。 机电一体化检测技术； 机电一体化技术的应用。 ,第1章 绪论,1.1 机电一体化概念,机电一体

2、化是在新技术浪潮中，电子技术、信息技术向机械工业渗透并与机械技术相互融合的产物。 机电一体化技术综合应用了机械技术、微电子技术、信息处理技术、自动控制技术、检测技术、电力电子技术、接口技术及系统总体技术等群体技术。 从系统的观点出发,根据系统功能目标和优化组织结构目标,以智能、动力、结构、运动和感知等组成要素为基础,对各组成要素及相互之间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究,使得整个系统有机结合与综合集成,并在系统程序和微电子电路的有序信息流控制下,形成物质和能量的有规则运动,在高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值的系统工程技术。,

3、机电一体化机电一体化的外文名词是 Mechatronics ，来源于日本（70年代）。取英语Mechanics（机械学）的前半部和Electronics（电子学）的后半部拼合而成。我国通常称为机电一体化或机械电子学； 涉及到许多相关的学科,1.1 机电一体化基本概念,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、信息技术、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 系统论等的基础上建立起 来的应用技术 。,是使系统(产品)高附加价值化，即多功能化、高效率化、高可靠化、省材料省能源

4、化，并使产品结构向轻、薄、短、小巧化方向发展，不断满足人们生活的多样化需求和生产的省力化、自动化需求。,机电一体化的“目的”,机电一体化相关学科关系,从控制的角度来讲, 机电一体化系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。 开环控制的机电一体化系统是没有反馈的控制系统,这种系统的输入直接送给控制器,并通过控制器对受控对象产生控制作用。一些家用电器、简易NC机床和精度要求不高的机电一体化产品都采用开环控制方式。 开环控制机电一体化系统的优点是结构简单, 成本低, 维修方便; 缺点是精度较低,对输出和干扰没有诊断能力。,机电一体化系统的分类,数 控 铣 床,数控车床,焊接机器人,汽车防抱死系统(ABS

5、),一个典型的机电一体化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、传感测试部分、控制及信息处理部分。我们将这些部分归纳为： 结构组成要素、 动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、智能组成要素； 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图1-1至1-3所示：,1.2 机电一体化系统的基本组成要素,构成机电一体化系统的要素很多，其中五大要素是必须的，可以从构成人体的五大要素得到启发。 图1.1所示为人体的五大要素 图1.3所示为机电一体化的五大要素,图 1.1,图 1.2 机

6、电一体化系统的功能,图 1.3,1.机械本体 机电一体化系统的机械本体包括机身、框架、连接等。是机电一体化技术的基础，对系统的结构、重量、体积刚性、耐用性等有重要影响。 强调精密机械设计技术的运用，即利用高、新技术手段，实现结构上、材料上、性能上的变更，满足： 减轻重量，减小体积； 提高刚度； 实现标准化、通用化、系列化； 提高系统整体的可靠性。,2.动力与驱动 (能源) 动力部分的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。 驱动部分的功能是在控制信息作用下提供动力,驱动各执行机构完成各种动作和功能

7、。,要求：效率高、可靠性好,3. 传感测试部分 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。 4. 执行机构 执行机构的功能是根据控制信息和指令,完成要求的动作,实现主功能。执行机构是运动部件,一般采用机械、电磁、电液等机构。,要求：体积小、精度高、抗干扰,5. 控制及信息单元 控制及信息单元的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,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

8、行。,要求：高可靠性、柔性、智能化,1. 3 机电一体化系统的功能构成,机电一体化系统是由若干具有特定功能的机械与微电子要素组成的有机整体，具有满足人们使用要求的功能(目的功能)。根据不同的使用目的，要求系统能对输入的物质、能量和信息(即工业三大要素)进行某一处理，输出所需要的物质、能量和信息。,因此系统须具有以下三大“目的功能”：变换(加工、处理)功能、传递(移动、输送)功能和储存(保持、积累、记录)功能。,系统目的功能,不管那类系统（或产品），其系统内部必须具备如所示的五种内部功能，即主功能、动力功能、检测功能、控制功能、构造功能。,系统的五种内部功能,CNC机床内部功能构成实例,机电一体

9、化系统要素与人体要素的比较,为实现各子系统或要素之间物质、能量或信息交换而进行的连接就是接口。实际上，机电一体化技术研究的核心问题就是接口技术问题。 接口技术的作用： 为实现机械、电子、信息等各异技术在机电一体化系统中的物质、能源、信息的传递与转换，达到系统所需的目的功能。 接口技术的功能： 系统输入/输出接口信息的匹配。 系统信息的转换、调整，能源信息匹配。,1.4 机电一体化构成要素之间的连接(接口技术),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

10、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。,接口技术的分类：,按功能分，接口有两种：变换、调整接口和输入/输出接口。 具有变换调整功能的接口（4种）： 1、零接口：不进行任何变换和调整，本子系统的输出即为另一子系统的输入，这种接口只起到连接的作用。如插头、座，输送管线，传

11、动轴等。 2、无源接口：只用无源要素进行变换、调整的接口。如变速箱、变压器、可变电阻、透镜等。 3、有源接口：含有有源要素，可以主动进行匹配的接口。如电磁离合器、放大器、光电耦合器等 4、智能接口：带有微处理器，可以进行程序编制或可适应性地改变接口条件。如自动变速装置、通用输入/输出集成电路，STD总线等 。,根据输入/输出功能有如下接口形式(4种)： 1、机械接口：由输入/输出部位的形状、尺寸、精度、配合、规格等进行机械联接的接口。如联轴器、管接头、法兰盘等。 2、物理接口：受通过接口的物质、能量、信息的具体形态和物理条件约束的接口。如受电流、电压、电容、扭矩、频率、气压等约束的接口。 3、

12、信息接口：受规格、标准、法律、语言、符号等逻辑、软件约束的接口。如RS232，GB，ISO，ASCII，FORTRAN，C+等 。 4、环境接口：对周围环境条件（温度、湿度、磁场、振动、水、气、灰、火、放射）有保护作用的接口。如防尘接头，防水开关等。,机电一体化系统内部与外部接口,机电一体化系统（产品）各构成要素之间的相互联系,1.5 机电一体化系统的评价系统的内部功能与系统的价值,机电一体化系统的评价内容,1.6 机电一体化系统的相关技术 1. 机械技术 机械技术是机电一体化的基础。 2. 计算机与信息处理技术 包括信息的输入、变换、运算、存储及输出。 信息处理的工具是计算机，因此信息处理技

13、术是和计算机技术紧密相关，包括硬件、软件、网络与通讯、数据库技术等； 机电系统中采用工业控制计算机进行信息处理，其硬件包括输入/输出设备、显示器、外部存储器、主机、可编程控制器、数控装置等。,3.自动控制技术 机电系统自动控制包括位置控制、速度控制、力或力矩控制、自校正补偿等，自动控制的基础是自动控制原理，分为经典控制理论和现代控制理论,研究单输入-单输出 线性定常系统（以传 传递函数为基础）,研究多输入-多输出 非线性、高精度多变 量系统（以状态方程 为基础）,4. 伺服传动技术 所谓“伺服”（Servo）即“伺候服侍”的意思。 电信号 机械动作 在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械运动

14、部件按照指令的要求进行运动，并具有良好的动态性能。 伺服传动系统采用的驱动技术与使用的执行元件有关。按照执行元件的不同分为电气伺服、液压伺服、气压伺服,速度快、控制灵活、 可靠性高、应用较 广，但低速输出力 矩较小,低速输出力矩大，功率 密度大，在大型机床、 工程机械、航空航天航 海具有优势，但结构复杂,5. 检测传感技术 是机电一体化系统的感觉器官，即从待测对象获取信号并送到信息处理部分。 主要内容包括：一是将物理量（位移、速度、加速度、力、力矩、温度等）转换成一定的与其成比例的电量；二是对转换的电信号的加工处理如放大、补偿、标定。 检测传感装置是实现自动控制的重要环节，要求传感器及其放大处

15、理电路快速、精确地获取信息，并能够抗干扰、可靠性高。 6.系统总体技术 从整体的观点出发，组织应用各种相关技术，即从全局和系统目标角度，将系统分解成若干功能子系统，对于每个子系统的技术方案要从整个系统技术协调的观点考虑，最终使整个系统实现最优化。,1.7 机电一体化技术与其它技术的区别 1.机电一体化技术与传统机电技术的区别 传统机电技术的操作控制主要通过具有电磁特性的各种电器来实现,如继电器、接触器等,在设计中不考虑或很少考虑彼此间的内在联系； 机械本体和电气驱动界限分明,整个装置是刚性的,不涉及软件和计算机控制。 机电一体化技术以计算机为控制中心,在设计过程中强调机械部件和电器部件间的相互

16、作用和影响,整个装置在计算机控制下具有一定的智能性。,2.机电一体化技术与并行工程的区别 机电一体化技术将机械技术、微电子技术、计算机技术、控制技术和检测技术在设计和制造阶段就有机地结合在一起,十分注意机械和其他部件之间的相互作用。 而并行工程将上述各种技术尽量在各自范围内齐头并进,只在不同技术内部进行设计制造,最后通过简单叠加完成整体装置。 3.机电一体化技术与自动控制技术的区别 自动控制技术的侧重点是讨论控制原理、控制规律、分析方法和自动系统的构造等。 机电一体化技术将自动控制原理及方法作为重要支撑技术,将自控部件作为重要控制部件应用自控原理和方法,对机电一体化装置进行系统分析和性能测算。

17、,4.机电一体化技术与计算机应用技术的区别 机电一体化技术只是将计算机作为核心部件应用,目的是提高和改善系统性能。计算机在机电一体化系统中的应用仅仅是计算机应用技术中的一部分,它还可以在办公、管理及图像处理等方面得到广泛应用。机电一体化技术研究的是机电一体化系统,而不是计算机应用本身。,1.8 机电一体化系统的设计方法与类型,1.8.1 机电一体化系统设计的一般原则 原则：从规范性、通用性、耐环境性、可靠性、经济性等多方面综合分析，结合现代设计方法和手段，达到机电一体化系统设计的三大目的省能源、省资源、智能化，提高机电产品的附加值和自动化程度。 常用的设计方法：机电互补法 机电结合（融合）法

18、机电组合法 常见的设计类型：开发性设计 适应性设计 变异性设计,机电互补法：又称取代法。该方法特点是利用通用或专用电子部件取代传统机械产品（系统)中的复杂机械功能部件或功能子系统，以弥补其不足。 结合(融合)法：它是将各组成要素有机结合为一体构成专用或通用的功能部件(子系统)，其要素之间机电参数的有机匹配比较充分。 组合法：它是将结合法制成的功能部件(子系统)、功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统（品），故称组合法。,常用的设计方法：,机电一体化系统 的设计类型 开发性设计：它是没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理和要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品或系统。 适应性

19、设计：它是在总的方案原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品的性能和质量增加某些附加价值。 变异性设计：它是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有所变更的要求。,1.8.2 机电一体化系统设计流程,(1) 根据目的功能确定产品规格、性能指标。 (2) 系统功能部件、功能要素的划分 (3) 接口的设计 (4) 综合评价(或整体评价) (5) 可靠性复查 (6) 试制与调试,机电一体化系统(产品) 的设计流程,1.9 机电一体化系统的开发工程,重点研究： 系统

20、模块化设计； 功能组件的外购外协配套与标准化； 专用功能部件（子系统）开发和研制； 专业化生产方式的优势和特点； 设计能达到高效、高质量、高可靠性的设计制造效果；,1.10 机电一体化系统设计与现代设计方法,现代设计方法：以计算机为辅助手段进行系统（产品）设计方法 的总称。 机电一体化设计方法与现代设计方法的融合是优质、高效、快速实现机电一体化系统（产品）设计的有效方法和基本条件。 计算机辅助设计与制造（CAD/CAN） 并行工程设计全寿命周期设计 虚拟产品设计与实现 快速响应设计 绿色环保产品设计 反求设计 网络协同合作设计,1.11 机电一体化的发展趋势,1. 20世纪60年代前为第一阶段

21、，“萌芽阶段” 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” 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； 各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。,3.90年代后期开始为第三阶段，“智能化阶段” 光学、通信技术等进入了机电一体化

22、，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。,1. 数控机床的问世，写下了“机电一体化”历史的第一页。2. 微电子技术为“机电一体化”带来勃勃生机。 3. 可编程序控制器、电力电子等的发展为机电一体化提供了坚强基础。4. 激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使”机电一体化“跃上新台阶。 因此，

23、机电一体化的主要发展方向如下： （1）智能化 （2）模块化 （3）网络化 （4）微型化 （5）绿色化 （6）人性化,1.11 机电一体化的发展趋势,1 智能化: 智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。这里所说的“智能化”是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、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，以求得到更高的控制目标。 机电一体化的智能化趋势包括以下几个方面： （1）诊断过程的智能化。

24、诊断功能强弱是评价系统性能的重要智能指标之一。 （2）人机接口的智能化。智能化的人机接口,可以大大简化操作过程,这里包含多媒体技术在人机接口智能化中的有效应用。 （3）自动编程的智能化。操作者只需输入加工工件素材的形状和需加工形状的数据,加工程序就可全部自动生成,这里包含： 素材形状和加工形状的图形显示； 自动工序的确定； 使用刀具、切削条件的自动确定； 刀具使用顺序的变更； 任意路径的编辑； 加工过程干涉校验等。 （4）加工过程的智能化。,2 模块化: 由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重

25、要的事。这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。由于利益冲突，近期很难制定国际或国内这方面的标准，但可以通过组建一些大企业逐渐形成。显然，从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业，规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。 3 网络化: 20世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网络技术。机电一体化新产品一旦研制出来，只要其功能独到，质量可靠，很快就会畅销全球。由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。,4 微型化 微型化兴起于20世纪80年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统（MEMS），泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电