机电一体化系统设计基础(001)

1、机电一体化系统设计基础,主讲：邓春霞,课程安排,1. 学时：40h(含8h实验) 2. 成绩评定： 平时20实验10考试70,课程安排,3. 教材 机电一体化技术 徐洪吉等 国防工业出版社 （2005.3） 机电一体化设计基础 郑堤等 机械工业出版社 （1997.7） 机电一体化设计基础 朱喜林等 科学出版社 （2005.7） 机电一体化系统设计（第2版） 张建民等 高等教育出版社 （2001.8）,第1章绪论,1 名称的由来 Mechatronics = Mechanics + Electronics 1971年，日本，“机械设计”杂志副刊,1.1机电一体化的含义,2 机电一体化的定义 日本

2、 1）学者渡边茂提出：“机电一体化是机械工程中采用微电子技术的体现。” 2）日本富士通法纳克公司技术管理部长小岛利夫认为：“机电一体化是机械学与电子学有机结合而提供的更为优越的一种技术。”,1.1机电一体化的含义,3）1981年，日本机械振兴协会经济研究所提出:“机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息与控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。”该定义被大家普遍接受。,1.1机电一体化的含义,美国 1984年，美国机械工程师协会（ASME）为现代机械系统做了如下的定义：“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

3、机械和(或)机电部件相互联系的系统。”,1.1机电一体化的含义,中国 1）有人认为机电一体化是“机电一体化技术及其产品的统称。” 2）有人将柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统(CIMS)等自动化生产线和自动化生产工程也包括在内，这是对机电一体化含义的延拓。,1.1机电一体化的含义,以上说法角度不同，侧重点不同，但都强调机与电有机结合的思想。 按照该思想，凡是由各种现代高新技术与机械和电子技术相互结合而形成的各种技术、产品或系统，都应属于机电一体化范畴，如机电液一体化、机电光一体化等。,1.1机电一体化的含义,3.机电一体化的内容,（1）机电一体化技术 是指包括技术基础、技术原理在内的使

4、机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术。 （2）机电一体化产品（系统） 是指机械系统与微电子系统相互有机结合而构成的“新系统”，且赋予其新功能和新性能的新一代产品。,1.1机电一体化的含义,产品技术附加值与技术构成比例的发展情况,单纯机械技术的产品附加值含量越来越少，而微电子技术的附加值含量却越来越多,1.2 机电一体化系统的基本组成及功能要素,一个较完善的机电一体系统一般包括以下五大基本要素： 机械本体 动力单元 传感检测单元 执行单元 控制及信息处理单元,1.2 机电一体化系统的基本组成及功能要素,1. 机械本体 机电一体化系统（产品）的基础，它是所有功能单元的机械支持结构，包括机身、框

5、架、机械连接部件等。 追求目标：通过采用新工艺、新材料、新结构，达到高效、可靠、节能、小型、轻量、美观等要求。,1.2 机电一体化系统的基本组成及功能要素,2.传感检测单元 在系统运行中对系统本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，并把被检测信号转换成可用的输出信号（电压、电流、频率和脉冲等），传输到控制信息处理单元。 组成：传感器和信号检测电路。 追求目标：高精度、抗干扰、环境适应性强、体积小、安装维护容易。,1.2 机电一体化系统的基本组成及功能要素,3.控制与信息处理单元 将来自传感器的信息和外部输入命令进行集中处理，根据处理结果，按照一定的规则发出相应的控制信号，控制整个系统按要求实现

6、有序地运行。 它是机电一体化系统的核心单元，由硬件和软件组成。 追求目标：高可靠性、高度集成、高智能化和高柔性。,1.2 机电一体化系统的基本组成及功能要素,4. 动力单元 在控制系统的控制下，为系统提供能量和动力，驱动执行机构完成各种动作和功能。 组成：动力源、执行元件、驱动装置等 根据动力源的不同，执行元件可分为液压式、气压式、电气式等类型。 追求目标：高效率、快速响应特性、高适应性和可靠性。,1.2 机电一体化系统的基本组成及功能要素,5.执行单元 根据控制系统的控制信息和指令，完成要求的动作。 组成：包括传动与操作机构。 发展目标：改善执行机构的工作性能（如提高刚性，减轻重量，实现组件

7、化、标准化和系列化），以提高系统整体工作可靠性。,1.2 机电一体化系统的基本组成及功能要素,总之，机电一体化产品的五个基本组成要素之间并非彼此无关或简单拼凑、叠加在一起，工作中它们各司其职，互相补充、互相协调，共同完成所规定的功能。 在结构上，各组成要素通过各种接口及相关软件有机地结合在一起，构成一个内部合理匹配、外部效能最佳的完整产品。,1.2 机电一体化系统的基本组成及功能要素,人体五大要素与机电一体化产品五大要素的对应关系,(内脏),(手足),(骨骼),(感官),(大脑),机电一体化系统五大要素实例,1.3 机电一体化的相关技术,机电一体化是多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程，

8、主要相关技术可以归纳为六个方面： 精密机械技术 传感检测技术 伺服驱动技术 信息处理技术 自动控制技术 系统总体技术,1.3 机电一体化的相关技术,1. 精密机械技术 精密机械技术是机电一体化的基础。 研究对象：执行单元和机械本体 为发挥机电产品的优势，对机械技术提出了更高的要求，以满足机电产品减少重量、缩小体积、提高精度和刚度，改善性能的要求。,1.3 机电一体化的相关技术,2传感检测技术 研究对象：传感检测单元 在一个自动控制系统中，首先要由传感器检测到信号，才能进行自动控制。它是实现自动控制、自动调节的关键环节，其功能越强，机电系统的功能越强。 研究内容包括两方面：一是研究如何将各种被测

9、量转换为与之成比例的电量；二是研究如何将转换的电信号进行加工处理。,1.3 机电一体化的相关技术,3伺服驱动技术 研究对象：动力单元 伺服驱动技术是在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械运动部件按照控制指令要求运动，并具有良好的动态性能。 常用的伺服驱动有液压驱动、气压驱动、电气驱动等。 近年，该技术发展较快，力矩电机、直线电机、超声波电机等新型执行元件不断涌现，另外气动伺服技术、电液比例伺服技术及新型液压驱动技术都取得了很快发展。,1.3 机电一体化的相关技术,4信息处理技术 研究对象：控制与信息处理单元 信息处理技术包括信息的交换、存取、运算等。实现信息处理的主要工具是计算机。在机电产品

10、中，计算机与信息处理装置指挥整个系统的运行，信息处理是否正确、及时，直接影响系统工作质量和效率。 机电一体化系统中主要采用：可编程控制器，单、多回路调节器，单片机，总线式工业控制机，分布式计算机测控系统等进行信息处理。,1.3 机电一体化的相关技术,5自动控制技术 研究对象：控制系统 目的：实现机电一体化系统的目标最佳化 理论基础是自动控制原理（经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论）。自动控制技术就是在此理论指导下对具体控制系统进行设计，并进行系统仿真及现场调试，使系统可靠地投入运行。 由于控制对象种类繁多，所以控制技术的内容极其丰富，如速度控制、位置控制、温度控制、压力控制和姿态控制等。

11、目前自动控制技术的难点在于：模型识别和控制理论的工程化。,1.3 机电一体化的相关技术,6系统总体技术 研究对象：整个机电一体化系统 机电一体化技术并非以上单元技术的简单叠加，而要互相协调，互相融合。系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统论的观点和方法，通过任务分解-单元方案-方案综合-分析评价的反复过程，确定高性价比、高可靠性、高可维性的技术方案。 系统总体技术还包括很多内容，例如接口技术、软件开发等。,1.3 机电一体化的相关技术,接口技术 接口：在子系统之间及子系统内部，信息、物质、能量交换与传递的渠道。 按接口所连接外设的形式和功能的不同，通常可分为用户交互接口，内务操作接口，传感接

12、口和控制接口四种。,1.3 机电一体化的相关技术,接口基本功能 1）变换 2 ）放大 3）传递 在设计接口时要从系统原理的角度和系统工程出发，设计的接口要利于整个系统实现，使各要素或子系统连接成为一个有机整体，使各个功能环节有目的地协调一致运动，从而形成机电一体化的系统工程。,1.4 机电一体化系统设计的方法,一、机电一体化系统设计的方法,1取代法（改造法、机电互补法） 该方法的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。这种方法是改造传统机械产品和开发新型产品常用的方法。,2整体设计法（创新法、融合法、结合法） 该方法的特点是在设计时要

13、从系统的整体目标考虑各子系统的设计，接口简单，系统互融一体。这种方法主要用于全新产品的开发。 3组合法（积木法） 该方法的特点是将用结合法制成的功能部件、功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统（产品）。在开发机电一体化系统时，应用这种方法可以缩短设计与研制周期、节约工装设备费用，且有利于生产管理、使用和维修。,1.4 机电一体化系统设计的方法,1.4 机电一体化系统设计的方法,二、机电一体化产品的设计类型,1开发性设计 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。最初的录像机、摄像机的设计。,2适应性设计 是在总的方案原理基本保持

14、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，以便产品的性能和质量增加某些附加价值。 例如电子式照相机采用电子快门、自动曝光代替手动调整；汽车的电子式汽油喷射装置代替原来的机械控制汽油喷射装置。,1.4 机电一体化系统设计的方法,3变异性设计 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。 例如由于传递扭矩或速比发生变换而重新设计传动系统和结构尺寸的设计。,1.4 机电一体化系统设计的方法,本课程的目的是研究怎样利用系统工程和接口的观点，将执行电动机、传感器、机械系统、微机控制系统、接口及控制软件等机电一体化要素组成性能优良的、可靠的机电一体化产品或系统。 本书学习的具体要求： 1.掌握机电一体化技术的基本概念、基本原理和基本知识。 2.掌握机电一体化技术中常用的机械传动装置、检测传感器、控制电动机和计算机软硬件原理、结构、性能和