机电一体化系统设计.ppt

机电一体化系统设计,机械工程及自动化专业,1概述,机电一体化技术机电一体化促进制造业的现代化机械化机械力人力机械自动化（电气自动化）机电一体化（机械+微电子+软件）电脑人脑（繁琐、重复性、无创造性的）,药厂自动生产线柔性自动装配线,数控铣床加工中心柔性制造系统,一、机电一体化技术,1、机电一体化技术涵义2、机电一体化相关技术3、机电一体化系统构成,1.机电一体化技术涵义,机电一体化Mechatronics(mechanislectronics),机电一体化三要素：机械系统（机构）是基础微电子（微处理器CPU）是核心软件是系统控制中心机电一体化的特征：有机械机构、有CPU、有软件（有微机、单片机、PLC等）,系统的五个子系统及其功能,1计算机（微机）控制功能2执行元件操作功能3机构构造功能4传感器检测功能5动力源动力功能,2、机电一体化相关技术,机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术、传感器技术、驱动技术、计算机技术、软件技术等多种学科的技术融合在一起，紧密结合在一起。,3、机电一体化系统构成,机械系统微电子处理系统传感检测系统执行元件系统动力源,二、机电一体化促进制造业的现代化,柔性制造系统计算机集成制造系统(SIMS)平行工程虚拟设计、制造敏捷制造网络合作设计制造,在制造业向全球化、网络化、集成化和智能化,加工中心刀具库、夹具库机器人自动小车立体仓库（原料库、成品库）,软性制造系统：,又称计算机综合制造系统，在这个系统中，集成化的全局效应更为明显。在产品生命周期中，各项作业都已有了其相应的计算机辅助系统，如：（1）计算机辅助设计(CAD)（2）计算机辅助制造(CAM)（3）计算机辅助工艺规划(CAPP)（4）计算机辅助测试(CAT)（5）计算机辅助质量控制(CAQ)计算机集成制造系统就是将技术上的各个单项信息处理和制造企业管理信息系统(如MRP-等)集成在一起，将产品生命周期中所有的有关功能，包括设计、制造、管理、市场等的信息处理全部予以集成。其关键是建立统一的全局产品数据模型和数据管理及共享的机制，以保证正确的信息在正确的时刻以正确的方式传到所需的地方。,计算机集成制造系统(ComputerIntegratedMakingSystem，简称CIMS),1、先进制造技术先进制造技术（AMTAdvancedManufacturingTechnology）先进制造技术是传统制造技术不断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，并取得理想技术经济效果的制造技术的总称。2、敏捷制造（AMAgileManufacturing）敏捷制造是以竞争力和信誉度为基础，选择合作者组成虚拟公司，分工合作，为同一目标共同努力来增强整体竞争能力，对用户需求作出快速反应，以满足用户的需要。3、虚拟制造（VMVirtualManufacturing）虚拟制造利用信息技术、仿真技术、计算机技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，以发现制造中可能出现的问题，在产品实际生产前就采取预防措施，从而达到产品一次性制造成功，来达到降低成本、缩短产品开发周期，增强产品竞争力的目的。4、并行工程（CEConcurrentEngineering）并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）的系统方法。它要求产品开发人员在一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求，并行工程的发展为虚拟制造技术的诞生创造了条件，虚拟制造技术将是以并行工程为基础的，并行工程的进一步发展就是虚拟制造技术。,平行工程,计划开发设计制造包装销售,设计,工艺,制造,销售,服务,开发产品指令,产品,计算机集成制造系统的进一步发展方向是支持“并行工程”，即力图使那些为产品生命周期各阶段服务的专家尽早地并行工作，从而使全局优化并缩短产品开发周期。,1、以“数字化”为发展核心信息精确，信息安全，信息容量大。包含了三大部分：以设计为中心的数字制造，以控制为中心的数字制造和以管理为中心的数字制造。2、以“精密化”将成为发展的关键所谓“精密化”，一方面是指对产品、零件的精度要求越来越高。精密加工，细微加工，纳米加工等等。3、突出“极端条件”，是发展的焦点“极”就是极端条件在高温、高压、高湿、强磁场、强腐蚀等等条件下工作的，或有高硬度、大弹性等等要求的，或形体上极大、极小、极厚、极薄、奇形怪状的。4、以“自动化”技术为发展前提“自动化”从自动控制、自动调节、自动补偿、自动辨识等发展到自学习、自组织、自维护、自修复等更高的自动化水平。5、以“成化集”为发展的方法“集成化”，一是技术的集成，二是管理的集成，三是技术与管理的集成。6、以“网络化”为发展道路利用网络，进行产品设计、制造与生产管理等活动。7、“智能化”是CIMS未来发展的美好前景一种高度柔性与集成的方式，借助计算机模拟的人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动。8、“绿色”是CIMS未来发展的必然趋势“绿色”是从环境保护领域中引用来的。制造业的产品从构思开始，到设计、制造、销售、使用与维修，直到回收、再制造等各阶段，都必须符合环境保护要求。9、CIMS的标准化在制造业向全球化、网络化、集成化和智能化发展过程中，标准化技术已迫在眉睫。,数控技术,1数控机床要解决的问题2数控机床NC、CNC专用数控箱的数控机床微机平台的数控机床六轴数控加工中心（铣削中心、车削中心）,1、两轴联动-加工平面曲线2、三轴联动-加工空间曲线3、六轴以上联动-加工任意曲面,数控设备,除了制造业的数控设备外：1焊接设备2激光切割机（刻字机）3数控雕刻机4数控绕线机5数控鞋楦机,焊接机器人,焊接机器人,焊接机器人,机电一体化系统设计方法,计算机辅助设计并行工程虚拟设计快速响应绿色设计反求设计网络合作设计,机电一体化系统设计步骤：,1明确任务2调研3方案拟定（设计）4机械部件设计5电气控制硬件设计6控制软件设计7组织生产、调试8改进设计9整理资料,机电一体化机械系统（特点）要求,1低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件。2缩短传动链，提高传动与支承刚度。3最佳传动比，减少系统等效转动惯量，提高加速性能。4缩小反向死区。5高刚度的支承和架体，系统小型化、高速、高可靠性。,2第二章机械系统部件设计,传动部件及其功能要求丝杠传动部件滚珠丝杠传动部件齿轮传动部件柔性传动部件,2.1传动部件选择与设计,传动机构的作用传递动力（扭矩）传递运动（动作）传递速度（转速）,1按摩擦类型分滑动摩擦机构和滚动摩擦机构,滑动丝杠螺母机构结构简单、加工方便、制造成本低、具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大、传动效率低(3040)。滚珠丝杠螺母机构结构复杂、制造成本高，但其最大优点是摩擦阻力矩小、传动效率高(9298)，因此在机电一体化系统中得到广泛应用。,2.1.2丝杠螺母机构传动机构形式作用：主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。,212丝杠螺母机构基本传动形式,1)螺母固定、丝杆转动并移动该传动形式因螺母本身起着支承作用，消除了丝杆轴承可能产生的附加轴向窜动，结构较简单，可获得较高的传动精度。但其轴向尺寸不易太长，刚性较差。因此只适用于行程较小的场2)丝杆转动、螺母移动该传动形式需要限制螺母的转动，故需导向装置。其特点是结构紧凑、丝杆刚性较好。适用于工作行程较大的场合。3)螺母转动、丝杆移动该传动形式需要限制螺母移动和丝杆的转动，由于结构较复杂且占用轴向空间较大，故应用较少。4)丝杆固定、螺母转动并移动该传动方式结构简单、紧凑，但在多数情况下，使用极不方便，故很少应用,差动传动方式,2.1.3滚珠丝杠传动部件,1滚珠丝杠副的结构丝杆、螺母、滚珠和反向器(滚珠循环反向装置)特点：摩擦阻力小、传动效率高、轴向刚度高、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长等优点。不能自锁，具有传动的可逆性，在用作升降传动机构时，需要采取制动措施,2滚珠丝杠副的典型结构类型(1)螺纹滚道截面(法向)的形状(2)滚珠的循环方式内循环和外循环内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杆表面保持接触。,内循环方式的优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。其不足是反向器加工困难、装配调整也不方便,外循环有以下三种形式：1)螺旋槽式2)插管式3)端盖式,螺旋槽插管式端盖式,1)螺旋槽式,这种结构的特点是工艺简单、径向尺寸小、易于制造。但是挡珠器刚性差、易磨损。,2)插管式,插管式结构简单、容易制造。但是径向尺寸较大，弯管端部用作挡珠器比较容易磨损。,3)端盖式,这种方式结构简单、工艺性好，但滚道吻接和弯曲处圆角不易准确制作而影响其性能，故应用较少。,3滚珠丝杠副的主要尺寸参数,公称直径d0基本导程l0行程l丝杆螺纹全长ls滚珠的工作圈(或列)数和工作滚珠的数量N,4滚珠丝杠副的精度等级及标注方法,精度等级根据JBT316221982标准，对滚珠丝杠副的精度分成C、D、E、F、G、H六个等级，最高精度为C级，最低精度为H级JBT316221991为1、2、3、4、5、7、10共七个等级，最高级为1级，最低级为10级。,滚珠丝杠副精度等级的导程误差(JBT316221982),导程精度选择检验项目,2)标注方法,5滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧,(1)双螺母螺纹预紧调整式,(2)双螺母齿差预紧调整式,(3)双螺母垫片调整预紧式,(4)弹簧式自动调整预紧式,(5)单螺母变位导程自顶紧式和单螺母滚珠过盈预紧式,6滚珠丝杠副支承方式,1)单推一单推式2)双推一双推式3)双推一简支式4)双推一自由式,1)单推一单推式,止推轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧力。其特点是轴向刚度较高，预拉伸安装时，预紧力较大，但轴承寿命比双推一双推式低。,2)双推一双推式,两端分别安装止推轴承与深沟球轴承的组合，并施加预紧力，其轴向刚度最高。该方式适合于高刚度、高转速、高精度的精密丝杠传动系统。但随温度的升高会使丝杠的预紧力增大，易造成两端支承的预紧力不对称。,3)双推一简支式,一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端仅安装深沟球轴承，其轴向刚度较低，使用时应注意减少丝杠热变形的影响。双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速、传动精度较高的长丝杠传动系统。,4)双推一自由式,一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端悬空呈自由状态，故轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装的丝杠传动系统。,各支承方式特性比较,轴承的组合安装支承制动装置,超越离合器,7滚珠丝杠副的密封与润滑,防尘密封圈或防护套密封作用：防止灰尘及杂物进入丝杠形式：接触式非接触式润滑作用：提高耐磨性、传动效率、维持传动精度、延长使用。方式：脂润滑油润滑,8滚珠丝杠副的选择方法,(1)结构选择润滑防尘间隙预紧(2)结构尺寸公称直径与强度刚度有关基本导程大承载能力强、移动速度大；小传动精度高螺纹长度长/径比1,（过阻尼）系统稳定,2=1,（临界阻尼）临界状态,311（过阻尼）系统稳定2=1（临界阻尼）临界状态301（欠阻尼）衰减阻尼,系统稳定,有超调。小响应速度快，但超调量大，系统的稳定性和响应的平稳性差。4=0（无阻尼）系统处于稳定与不稳定的临界状态，单位阶跃函数的响应为等幅振动，共振频率为n。一般超调量1.525%取0.40.85,传递函数分子多项式的根称为零点；Zi(I=1,2,m)传递函数分母多项式的根称为极点；Pi(I=1,2,n)则传递函数写为：分母多项式=0称为系统的特征方程，其根称为特征根，与上述极点是一致的，反映了系统的共振点。注：为简化系统，一般将高阶系统简化成二阶系统，来近似讨论或估计系统的性能。,6.4机电一体化系统的可靠性设计和安全性设计,1.可靠性设计的基本概念在规定条件下、规定时间内完成规定功能的能力。任何材料、载荷都是随机变量，都有可能失效。用概率理论定量分析产品在工作中的可靠程度。2.常用指标失效率可靠度平均寿命,3提高可靠性措施（1）元、器件严格筛选（2）抗干扰措施（3）自诊断和自纠错技术（4）容错和冗余技术（5）软件可靠性技术,二安全性设计,（1）元、器件严格筛选,（2）抗干扰措施,（3）自诊断和自纠错技术,（4）容错和冗余技术,（5）软件可靠性技术,7.数字控制方法,数字PID模糊控制神经网络控制,7.1.数字PID控制算法,PID控制算法的优越性：,c.算法简单，易于掌握；,a.P、I、D三个参数的优化配置，兼顾了动态过程的现在、过去与将来的信息，使动态过程快速、平稳和准确；,b.适应性好，鲁棒性强；,理想PID控制算法,连续形式,离散等效：以求和替代积分，向后差分替代微分,位置算式,理想PID的递推算式,向后差分法离散化,理想PID的增量差分形式,其中,实际微分PID控制算法,实际微分PID的一种连续形式,理想微分PID的不足：,（1）干扰作用下机构动作频繁,（2）微分输出常越限,不能充分发挥作用,增量式PID控制算法,实际微分的离散化,差分形式,理想微分PID与实际微分PID阶跃响应对比,实际微分PID与理想微分PID对比,（1）理想微分PID算法的微分作用仅局限于一个采样周期有一个大幅度的输出，在实际使用这会产生两方面的问题。一是控制输出可能超过执行机构或D/A转换的上下限，二是执行机构的响应速度可能跟不上，无法在短时间内跟踪这种较大的微分输出。这样在大的干扰作用情况下，一方面会使算法中的微分不能充分发挥作用，另一方面也会对执行机构产生一个大的冲击作用。相反地，实际微分PID算法由于惯性滤波的存在，使微分作用可持续多个采样周期，有效地避免了上述问题的产生，因而具有更好的控制性能。,（2）由于微分对高频信号具有放大作用，采用理想微分容易在系统中引入高频的干扰，引起执行机构的频繁动作，降低机构的使用寿命。而实际微分PID算法中包含有一阶惯性环节，具有低通滤波的能力，抗干扰能力较强。,其它形式的实际微分PID,手动/自动跟踪与无扰动切换,（1）自动到手动,主要由手动操作器的硬件实现,手动操作器：自动状态下-跟随器,切换过程中-保持器,手动状态下-操作器,（2）手动到自动,起主要作用的是计算机PID算法的软件,需硬件支持，采样手动器或执行机构输出的所谓阀位值，即获得,手动/自动跟踪与无扰动切换（续）,（2）手动到自动,目的：使,手动状态下：使算法中,等历史状态清零,切换过程中：目的使,1）SP跟踪PV：完全无扰，缺点SP须重新设定,2）SP不跟踪PV：无须重设SP,切自动时偏差不能过大，以利减小切换扰动,7.1数字PID算法的改进,常用改进算法：积分分离算法抗积分饱和算法微分项改进带死区的算法,积分分离算法,现象：一般PID,当有较大的扰动或大幅度改变设定值时，由于短时间内出现大的偏差，加上系统本身具有的惯性和滞后，在积分的作用下，将引起系统过量的超调和长时间的波动。,积分的主要作用：在控制的后期消除稳态偏差,普通分离算法：大偏差时不积分,当时，采用PID控制当时，采用PD控制,积分分离值的确定原则,图9-3不同积分分离值下的系统响应曲线,变速积分,0,B,A+B,-B,-A-B,e(k),t,PID,变速积分,变速积分,PD,PD,抗积分饱和措施,现象：由于控制输出与被控量不是一一对应的，控制输出可能达到限幅值，持续的积分作用可能使输出进一步超限，此时系统处于开环状态，当需要控制量返回正常值时，无法及时“回头”，使控制品质变差。,抗积分饱和算法：输出限幅，输出超限时不积分,当时，采用PD控制当时，采用PD控制其他情况，正常的PID控制,串级系统抗积分饱和,副调节器输出达到限幅值时，主调节器输出可能处于正常状态，此时仍存在积分饱和现象。,串级抗积分饱和：主调节器抗饱和根据副调节器输出是否越限。,抗积分饱和与积分分离的对比,相同：某种状态下，切除积分作用。,不同：抗积分饱和根据最后的控制输出越限状态；积分分离根据偏差是否超出预设的分离值。,微分项的改进,实质：通过低通滤波，克服微分对高频干扰敏感的不足。,措施：1.实际微分算法；2.对微分输入项进行低通滤波；如均值滤波、去极值滤波、限幅滤波等3.微分先行算法：只对被控量进行微分不适用于副调节器,带死区的算法,注意：死区是一个非线性环节，不能象线性环节一样随便移到PID控制器的后面,具有回差的控制系统可能出现的过程响应曲线,7.2数字PID参数的整定7,理论整定方法：依赖于被控对象的数学模型；仿真寻优方法工程整定方法：近似的经验方法，不依赖模型。扩充临界比例带法(下表)扩充响应曲线法,扩充临界比例带法,扩充临界比例带法是模拟调节器中使用的临界比例带法（也称稳定边界法）的扩充，是一种闭环整定的实验经验方法。按该方法整定PID参数的步骤如下：（1）选择一个足够短的采样周期。所谓足够短，具体地说就是采样周期选择为对的纯滞后时间的1/10以下。（2）将数字PID控制器设定为纯比例控制，并逐步减小比例带（），使闭环系统产生临界振荡。此时的比例带和振荡周期称为临界比例带和临界振荡周期。,（3）选定控制度。所谓控制度，就是以模拟调节器为基准，将DDC的控制效果与模拟调节器的控制效果相比较。控制效果的评价函数通常采用（最小的误差平方积分）表示。控制度（22）实际应用中并不需要计算出两个误差的平方积分，控制度仅表示控制效果的物理概念。例如，当控制度为1.05时，就是指DDC控制与模拟控制效果基本相同；控制度为2.0时，是指DDC控制比模拟控制效果差。（4）根据选定的控制度查表1，求得的值。（5）按求得的整定参数投入运行，在投运中观察控制效果，再适当调整参数，直到获得满意的控制效果。,7.3模糊控制技术基础,（1）把精确量(一般是系统的误差及误差变化率)转化成模糊量；（2）按总结的语言规则（如图9-13的规则库中）进行模糊推理；（3）将推理的结果从模糊量转化成可以用于实际控制的精确量。,7.3.1模糊控制器的输入输出变量,1.模糊控制器的输入、输出变量：,模糊控制器的输入变量通常取误差E、误差的变化EC，构成二维模糊控制器,2.描述输入和输出变量的词集,负大，负中，负小，零，正小，正中，正大,NB，NM，NS，O，PS，PM，PB,特别地误差变量的词集,负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中，正大,NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB,7.3.1模糊控制器的输入输出变量(续）,3.变量的模糊化,基本论域：某个变量变化的实际范围,误差的基本论域为，,误差变化的基本论域为，,输出变量的基本论域为，,变量的模糊子集论域,基本论域到模糊子集论域的转换公式,7.3.1模糊控制器的输入输出变量(续）,3.变量的模糊化,E和EC的论域：-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6,控制量U的论域：-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7,4.隶属度,隶属度：描述某个确定量隶属于某个模糊语言变量的程度,模糊控制中变量的隶属度度常采用正态型,模