谢机电一体化课件

1、机电一体化系统设计机电一体化系统设计 老师：谢兴旺手机邮箱： sivan_教学计划n对象“机电一体化技术” 本科生专业必修课n目的n掌握机械系统部分的选择与设计(第二章)；n掌握执行元件的选择与设计（第三章）；n掌握微机系统的选择与设计（第四章）；n了解机电一体化系统的机电有机结合分析与设计（第五、六、七、八章）；n教学内容包括：n理论课的学习（32学时=30学时+2学时作业点评与学时复习考试）； 成绩=闭卷考试*0.7+平时成绩（作业，考勤，回答问题）考勤：10分（旷课每次10，迟到2，3次旷课以0分记载）课堂纪律：(提问和其他活动,表现优异奖励+510)n课程设计

2、；教学计划第一章概论本章教学重点本章教学重点：机电一体化功能要素、相关技术。本章教学难点本章教学难点：机电一体化相关技术。本章教学方式本章教学方式：多媒体教学、机电一体化功能要素举例说明。第一节第一节 机电一体化时代与机电一体化技术机电一体化时代与机电一体化技术一、机电一体化概念一、机电一体化概念 Mechatronics=Mechanics+Electronics 机械技术、电子技术和信息技术相互交叉与融合的产物，其核心是由计算机控制的，包括机械、电力、电子、液压、光学等技术的伺服系统。 机电一体化系统的机械结构主要包括执行机构、传动机构和支承件。在机械系统设计时，除考虑一般机械设计要求外，

3、还必须考虑机械结构因素与整个伺服系统的性能参数、电气参数的匹配，以获得良好的伺服性能。图1-1 机电一体化产品归类 机电一体化产品分类： 数控机床、机器人、自动生产设备生产用机电一体化产品 柔性生产单元、自动组合生产单元 FMS、无人化工厂、CIMS 数控运输机械及工程机械设备运输、包装及工程用机电一体化产品 微机控制汽车、机车等交通运输工具 数控包装机械及系统 自动化办公设备 储存、销售用机电一体化产品 动力、医疗、环保及公共服务自动化设备 文教、体育、娱乐用机电一体化产品 微机或数控型耐用消费品家庭用机电一体化产品 炊事自动化机械 家庭用信息、服务设备 农、林、牧、渔及其它民用机电一体化产

4、品航空、航天、国防用武器装备等机电一体化产品 机电一体化系统所涉及的关键技术有：传感检测技术 、信息处理技术、自动控制技术、伺服传动技术 、精密机械技术、系统总体技术等。 第二节 机电一体化系统的关键技术图1-2 机电一体化相关技术图1 .传感检测技术传感检测技术 传感检测技术的内容，一是研究如何将各种被测量（包括物理量、化学量和生物量等）转换为与之成比例的电量；二是研究对转换的电信号的加工处理，如放大、补偿、标度变换等。 机电一体化系统要求传感检测装置能快速、准确、可靠的获取信息。 2 . 信息处理技术信息处理技术 实现信息处理的主要工具是计算机，计算机技术包括计算机的软件技术、硬件技术、网

5、络与通讯技术和数据技术。机电一体化系统中主要采用工业控制机（包括可编程控制器，单、多回路调节器，单片微控制器，总线式工业控制机，分布式计算机测控系统）进行信息处理。信息处理的发展方向是提高信息处理的速度、可靠性和智能化程度。人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等都属于计算机信息处理技术的范畴。3 . 自动控制技术自动控制技术 自动控制所依据的理论是自动控制原理（包括经典控制理论和现代控制理论），自动控制技术就是在此理论的指导下对具体控制装置或控制系统进行设计；设计后进行系统仿真，现场调试；最后使研制的系统可靠地投入运行。机电一体化系统中的自动控制技术主要包括位置控制、速度控制、最优控制、自

6、适应控制以及模糊控制、神经网络控制等。 4 .伺服传动技术伺服传动技术 伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置常见的伺服驱动系统主要有电气伺服（如步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等）和液压伺服 。5.精密机械技术精密机械技术 机电一体化的机械产品与传统的机械产品的区别在于：机械结构更简单、机械功能更强、性能更优越。现代机械要求具有更新颖的结构、更小的体积、更轻的重量，还要求精度更高、刚度更大、动态性能更好。6 .系统总体技术系统总体技术 机电一体化系统是一个技术综合体，它利用系统总体技术将各有关技术协调配合、综合运用而达到整体系统的最佳化。机电系统总体技术是以整体目标出发，用系统

7、的观点和方法，把机械与电子的功能在结构上用机电一体化的技术结合。机电一体化系统的多功能、高精度、高性能要求不可避免地要使产品复杂化。所以，在设计机电系统中要求组成单元的功能、精度、性能都要好，如果整体系统不能很好协调，系统照样难以正常运行而不能发挥其应有的性能和作用。 图1-3 机电一体化系统与人体对应关系第三节第三节 机电一体化构成要素及功能构成机电一体化构成要素及功能构成一、机电一体化构成要素一、机电一体化构成要素举例1：数控系统组成图1-4 数控系统组成图举例2：机器人组成图1-5 机器人组成图举例3：钢板自动切割系统组成图1-6 钢板自动切割系统组成图第四节 机电一体化系统构成要素之间

8、的连接 机电一体化系统是机械、电子和信息等性能不同的技术有机地结合一体的集合系统，其构成单元或子系统之间的接口极其重要。从系统整体看，机电一体化系统是通过许多接口将各组成单元的输入/输出联系为一体的系统。 广义的接口功能有两种：一是变换、调整；二是输入/输出。根据接口的变换、调整功能，可将接口分为：1）零接口 不进行任何变换和调整，如电线、插座、管道。2）无源接口 用无源要素进行的匹配接口，如齿轮变速器，变压器，透镜。3) 有源接口 用有源要素进行的匹配接口，如A/D,D/A转换器，运放，光电耦合器。4）智能接口 含有微处理器、能够适应性地改变接口条件的接口，如自动变速器，8255，CAN总线

9、。根据接口的输入/输出功能可分为：1）机械接口 如法兰盘，接线据，管接头。2）物理接口 如由接口部位的物质、能量和信息的形式，物理条件约束的接口。如电压、电流、频率约束的接口。3）信息接口 受规格、标准、语言符号等逻辑和软件约束的接口，如RS232,VC+,VB.4）环境接口 对环境条件（温度，火，磁场，水）有保护和隔离作用的接口，如防水过滤器，防尘过滤器。图1-7为机电一体化系统各要素之间的相互关系。第五节 机电一体化系统的功能评价附加价值： 高性能化 低价格化 高可靠性化 智能化 省能化 短小轻薄化 机电一体化系统的内部功能与系统价值第六节 机电一体化系统设计的方法及设计类型一、系统（产品

10、）设计的考虑方法一、系统（产品）设计的考虑方法 机电一体化系统(产品)的主要特征是自动化操作。因此。设计人员应从其通用性、耐环境性、可靠性、经济性的观点进行综合分析，使系统(或产品)充分发挥机电一体化的三大效果。 工业三大要素与机电一体化的三大效果：1）工业三大要素 物质、能量和信息物质、能量和信息2）机电一体化对三大要素的三大效果省能源省资源智能化机电互补法 机电互补法又称取代法。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。2）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

11、有机匹配比较充分。机电一体化系统（产品）设计系统（产品）设计的考虑的考虑 方方 法法3）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。 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。2）适应性设计）适应性设计 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。3）变异性设计）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

12、格尺寸使之适应于量的方面有所变更的要求。第七节第七节 机电一体化系统(产品)的设计流程(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 给定机电一体化系统(产品)“目的功能”与“规格”后，机电一体化技术人员利用机电一体化技术进行设计、制造的整个过程为机电一体化工程。 系统工程是系统科学的一个工作领域，而系统科学本身是一门关于“针对目的要求而进行合理的方法学处理”的边缘科学，系统工程的概念不仅包括“系统”，即具有特定功能的、相互之间具有有机联系的

13、许多要素所构成的一个整体，也包括“工程”，即产生一定效能的方法。1978年，钱学森就曾指出：“系统工程是组织管理系统工程是组织管理系系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方法所有系统都具有普遍意义的科学方法”。系统工程是以大系统为对象、以数学方法和大型计算机等为工具，对系统的构成要素、组第八节第八节 机电一体化工程与系统工程机电一体化工程与系统工程织结构、信息交换和反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目标，以便充分发挥人力、物力和财力，通过各种

14、组织管理技术，使局部与整体之间协调配合，实现系统的综合最优化。系统工程是数学方法和工程方法的汇集。 机电一体化工程是系统工程在机电一体化工程中的具体应用。机电一体化技术是从系统工程观点出发，机械与电子有机结合，实现系统或产品整体最优的综合性技术。第九节 机电一体化系统的设计程序、准则和规律1）设计程序设计中一般采用三阶段法，即总体设计、部件（零件）的选择与设计或初步设计、技术设计与工艺设计。在试验性设计与计算机辅助设计中，多采用既分阶段又平行兼顾的设计即并行设计，以便相互协调。2）设计准则 设计准则主要考虑“人、机、材料、成本”等因素，而产品的可靠性、适用性与完善性设计最终可归结于在保证目的功

15、能要求与适当寿命的前提下不断降低成本。3）设计规律 总结一般系统的设计，具有以下规律：根据设计要求首先确定离散元素间的逻辑关系，然后研究其相互间的物理关系，这样就可根据设计要求和手册确定其结构关系，最终完成全部设计工作；其中确定逻辑关系阶段是关键，如逻辑关系不合理，其设计必然不合理。 第十节第十节 机电一体化系统(产品) 设计与现代设计方法 机电一体化系统(产品)的种类不同，其设计方法也不同。现代设计方法与用经验公式、图表和手册为设计依据的传统设计方法不同，它是以计算机为辅助手段进行机电一体化系统（产品）设计的有效方法。其设计步骤通常是：技术预测：技术预测市场需求市场需求信息分析信息分析科学类

16、比科学类比系统设计系统设计创新性设计创新性设计因时制宜因时制宜的选择各种具体的现代设计方法( (相似设计法、模拟设计法、有限元设计法、可靠性设计相似设计法、模拟设计法、有限元设计法、可靠性设计法、动态分析设计法、优化设计法等法、动态分析设计法、优化设计法等) )机电一体化设计质量的综合机电一体化设计质量的综合评价等。评价等。 科学技术日新月异，技术创新发展迅猛。现代设计方法的内含在不断扩展，新概念层出不穷。例如：计算机辅助设计与并行工程、虚拟设计、快速响应设计、绿色设计、反求设计，等等。机电一体化系统开发工程的流程一）计算机辅助设计与并一）计算机辅助设计与并行工程行工程 计算机辅助设计（CAD

17、）是设计机电一体化产品(系统)的有力工具。用来设计一般机械产品的CAD的研究成果，包括计算机硬件和软件，以及图像仪和绘图仪等外围设备，都可以用于机电一体化产品（系统）的设计，需要补充的不过是有关机电一体化系统（产品）设计和制造的数据、计算方法和特殊表达的形式而已。并行工程并行工程（CE-concurrent engineeringCE-concurrent engineering） 是把产品（系统）的设计、制造及其相关过程作为一个有机整体进行综合（并行）协调的一种工作模式。这种工作模式力图使开发者们从一开始就考虑到产品全寿命周期 从概念形成到产品（系统）报废 内的所有因素。并行工程的目标是提高

18、产品（系统）的生命全过程（包括设计、工艺、制造、服务）中的全面质量，降低产品（系统）全寿命周期内（包括产品设计、制造、销售、客户应用、售后服务直至产品报废处理等）的成本，缩短系统的研法周期。并行工程与串行工程的差异就在于在产品的设计阶段就要按并行、交互、协调的工作模式进行产品（系统）设计，就是说，在设计过程中对产品（系统）寿命周期内的各个阶段的要求尽可能同时进行交互式协调。二）虚拟产品设计 虚拟产品是虚拟环境中的产品模型，是现实世界中的产品在虚拟环境中的映像。 虚拟产品设计是基于虚拟现实技术的新一代计算机辅助设计，是在基于多媒体的、交互的渗入式或侵入式的三维计算机辅助设计环境中，设计者不仅能够

19、直接在三维空间中通过三维操作、语言指令、手势等高度交互的方式进行三维实体建模和装配建模，并且最终生成精确的产品（系统）模型，以支持详细设计与变型设计，同时能在同一环境中进行一些相关分析，从而满足工程设计和应用的需要。三）快速响应设计 快速响应设计是实现快速响应工程的重要一环。快速响应工程是企业面对瞬息万变的市场环境，不断迅速开发适应市场需求的新产品（系统），以保证企业在激烈竞争环境中立于不败之地的重要工程。实现快速响应设计的关键是有效开发和利用各种产品（系统）信息资源 的高度存储、传播及加工的能力，主要采取三项基本策略，以达到对产品（系统）设计需求的快速响应。这三项策略是：利用产品信息资源进行创新设计或变异性设计；虚拟设计利用数字化技术加快设计过程；远程协同、分布设计。概括讲，这些策略就是信息的资源化、产品（系统）的数字化、设计的网络化。四）绿色设计绿色设计 绿色设计是从并行工程思想发展而出现的一个新概念。所谓绿色设计，是在新产品（系统）的开发阶段，就考虑其整个生命周期内对环境的影响，从而减少对环境的污染、资源的浪费、