机电一体化系统设计讲座

1、1机电一体化系统设计主讲人：李国平机械工程学院机电课程组11月第1页2课程说明 机电一体化系统设计课程是一门专业方向课。 本课程在先修课程基础上，从系统工程观点出发，研究机电一体化产品各组成要素之间关系，实现系统功效目标。 先修课程：机械设计，电子技术，电工技术，机电传动与控制，微机原理与应用等。第2页3课程说明学习本课程目标和意义 掌握机电一体化相关技术及其相互之间联络； 掌握机电一体化系统设计基本方法； 认识到先修课程是机电一体化系统基本要素； 培养利用基础理论处理实际问题综合能力； 培养含有设计机电一体化产品能力； 培养含有使用，维修机电产品能力。第3页4课程说明参考教材：1.机电一体化

2、系统设计 姜培刚，盖玉先，机工出版社2.机电一体化技术基础及应用 黄筱调，机工出版社3.机电一体化机械系统设计 赵松年，机工出版社4.机电一体化设计基础 郑堤，唐可宏，机工出版社考评方法：考试方式:闭卷。成绩评定：出勤、作业和课堂表现占总成绩20%，期末考试成绩占总成绩80%。第4页5课程说明第一章 绪论第二章 机械系统设计第三章 传感器检测及其接口电路第四章 控制电机及其选择计算第五章 工业控制计算机及其接口技术第六章 机电一体化系统设计及应用举例第5页6第6页7第7页8第1章 绪论 1.1 机电一体化定义1.2 机电一体化系统功效要素 1.3 机电一体化系统相关技术1.4 机电一体化系统设

3、计目标与方法1.5 本课程目标和要求第8页91.1 机电一体化定义 一 、机电一体化定义 1971年起源于日本。 机械学（Mechanics）+ 电子学（Electronics） = 机电一体化 或 机械电子工程（Mechatronics）机电一体化技术机械技术（机械学、机构学）微电子技术（半导体、IC、LSI）第9页101.1 机电一体化定义 一、 机电一体化定义 定义：机电一体化技术是从系统工程观点出发，应用机械、电子、信息等相关技术，对它们进行有机组织和综合，实现了整体最正确化。 它不是机械与电子简单叠加，而是在信息论（利用传感技术）、控制论（利用控制理论）和系统论（“系统”整体策划，机

4、械和电子分别只是“步骤”）基础上建立起来应用技术。 第10页111.2 机电一体化基本功效要素 第11页121.2 机电一体化基本功效要素 第12页131.2 机电一体化基本功效要素一、机械本体 主要功效是使结构系统各子系统、零部件按照一定空间和时间关系安置在一定位置上，并保持特定关系。包含机械结构装置和传动装置。二、动力单元 按照机电一体化系统控制要求，为系统提供动力和能量以确保系统正常运行。用最小动力输入取得尽可能大功效输出。第13页141.2 机电一体化基本功效要素三、传感检测单元 主要功效是对系统运行过程中所需要本身和外界环境各种参数及状态进行检测，并转换成可识别信号，传输到控制信息处

5、理单元，经过分析、处理产生对应控制信息。由传感器和仪器仪表组成。第14页151.2 机电一体化基本功效要素四、执行单元 依据控制信息和指令完成所要求动作。执行单元是运动部件，依据机电一体化系统匹配要求，需要改进执行机构工作性能，如提升刚性，减轻重量，实现组件化、标准化和系列化，以提升系统整体工作可靠性等。第15页161.2 机电一体化基本功效要素五、驱动单元 在控制信息作用下，驱动各执行机构完成各种动作和功效。机电一体化系统方面要求驱动单元含有高效率和快速响应性等，同时又要求其对外部环境适应性和可靠性，还因为几何上，动作范围狭窄等限制，还需考虑维修方便和实施标准化等。第16页171.2 机电一

6、体化基本功效要素六、控制与信息处理单元 控制与信息处理单元是机电一体化系统关键单元。未来自各传感器检测信息和外部输入指令进行集中、存放、分析、加工。依据信息处理结果，按照一定程序发出对应控制信号，经过输出接口送往执行机构，控制整个系统有目标地运行，并到达预期性能。普通由计算机，可编程序控制器，数控装置等组成。第17页181.2 机电一体化基本功效要素七、接口单元 接口作用是将各要素或子系统连接成为一个有机整体，使各个功效步骤有目标地协调一致运动，从而完成机电一体化系统工程。各个单元要完成物质，信息和能量传递和交换，为此，各要素和子系统相接处必须具备一定连接部件，这个部件就可称为接口。基本功效有

7、三个：变换，放大，传递。第18页191.3 机电一体化相关技术第19页201.3 机电一体化相关技术一、机械技术 机电一体化机械产品与传统机械产品区分在于：机械结构更简单、机械功效更强、性能更优越。当代机械要求含有更新奇结构、更小体积、更轻重量，还要求精度更高、刚度更大、动态性能更加好。 在设计和制造机械系统时除了考虑静态、动态刚度及热变形等问题外，还应考虑采取新型复合材料和新型结构以及新型制造工艺和工艺装置。第20页211.3 机电一体化相关技术二、传感检测技术 传感器检测是实现自动控制和自动调整关键步骤。传感检测技术内容包含两方面，一是研究怎样将各种被测量（包含物理量、化学量和生物量等）转

8、换为与之成百分比电量；二是研究对转换电信号加工处理，如放大、赔偿、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、可靠获取信息。 第21页221.3 机电一体化相关技术三、信息处理技术 计算机技术包含计算机软件技术、硬件技术、网络与通讯技术和数据技术。机电一体化系统中主要采取工业控制机（包含可编程控制器，单、多回路调整器，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。信息处理发展方向是提升信息处理速度、可靠性和智能化程度。人工智能技术、教授系统技术、神经网络技术等都属于计算机信息处理技术范围。第22页231.3 机电一体化相关技术四、自动控制技术 自动控制所依据

9、理论是自动控制原理（包含经典控制理论和当代控制理论），自动控制技术就是在此理论指导下对详细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；最终使研制系统可靠地投入运行。 机电一体化系统中自动控制技术主要包含位置控制、速度控制、最优控制、自适应控制以及含糊控制、神经网络控制等。 第23页241.3 机电一体化相关技术五、伺服传动技术 伺服驱动技术就是在控制指令指挥下，控制驱动元件，使机械运动部件按照指令要求运动，并含有良好动态性能。伺服传动包含电动、气动、液压等各种类型传动装置。伺服驱动技术是直接执行操作技术，伺服系统是实现电信号到机械动作转换装置和部件，对机电一体化系统性能起决定性作

10、用。常见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）,液压伺服（如液压马达、脉冲油缸等）和气压伺服三类。第24页251.3 机电一体化相关技术六、系统总体技术 系统总体技术是以整体概念组织应用各种相关技术技术，从全局角度和系统目标出发，将系统分解为若干个子系统，从实现整个系统技术协调观点来考虑每个子系统技术方案。 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相关技术协调配合、综合利用而到达整体系统最正确化。 第25页261.4 机电一体化系统设计目标和方法一、机电一体化产品和系统分类 用途分类：产业机械，信息机械，民用机械； 机械和电子含量分类：机械为主体机

11、电产品，电子为主体机电产品； 机电结合程度分类：功效附加型，功效替换型，机电融合型。 第26页271.4 机电一体化系统设计目标和方法一、机电一体化产品和系统分类 第27页281.4 机电一体化系统设计目标和方法一、机电一体化产品和系统分类 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 微机控制汽车、机车等 交通运输工具运输、包装及工程用机电一体化产品 数控包装机械及系统 数控运输机械及工程机 械设备，自动仓库储存、销售用机电一体化产品 自动空调与制冷系统及设备第28页291.4 机电一体化系统设计目标和方法一、机电一体化产品

12、和系统分类 自动称量、分选、销售及现金处理系统， 自动化办公设备社会服务性产品 动力、医疗、环境保护及公共服务自动化设备 文教、体育、娱乐用产品 微机或数控型耐用消费品家庭用机电一体化产品 炊事机械，家庭用信息、服务设备科研及过程控制用机电一体化产品 测试设备，控制设备农、林、牧、渔及其它民用机电一体化产品航空、航天、国防用武器装备等机电一体化产品第29页301.4 机电一体化系统设计目标和方法二、当代机械机电一体化目标 1、提升精度2、增强功效3、提升生产效率4、节约能源、降低能耗5、提升安全性、可靠性第30页311.4 机电一体化系统设计目标和方法二、当代机械机电一体化目标 6、改进操作性

13、和实用性7、减轻劳动强度、改进劳动条件8、简化结构、减轻重量9、降低价格10、增强柔性应用功效第31页321.4 机电一体化系统设计目标和方法三、机电一体化技术方向 1.机械电子化 （1）在原有机械系统基础上采取微型计算机控制装置，使系统性能提升，功效增强。比如，含糊控制洗衣机能依据衣物洁净度自动控制洗涤过程，从而实现节水、节电、节时、节洗衣粉功效；机床数控化是另一个经典例子。第32页331.4 机电一体化系统设计目标和方法三、机电一体化技术方向 1.机械电子化 （2）用电子装置局部替换机械传动装置和机械控制装置，简化结构，增强控制灵活性。比如，数控机床进给系统采取伺服系统，简化了传动链，提升

14、了进给系统动态性能；将传统电机电刷用电子装置替换形成无刷电机，含有性能可靠、结构简单、尺寸减小等优点。电子缝纫机和电子绣花机。 第33页341.4 机电一体化系统设计目标和方法三、机电一体化技术方向 1.机械电子化（3）用电子装置完全替换原来执行信息处理功效机构，既减化了结构，又极大地丰富了信息传输内容，提升了速度。比如，石英电子钟表、电子秤、按键式电话等。第34页351.4 机电一体化系统设计目标和方法三、机电一体化技术方向 1.机械电子化 （4）用电子装置替换机械主功效，形成特殊加工能力。比如，电火花加工机床、线切割加工机床、激光加工机床，电子等。第35页361.4 机电一体化系统设计目标

15、和方法三、机电一体化技术方向 2.机电技术完全融合形成新型机电一体化产品 生产机械中激光快速成形机；信息机械中传真机、打印机、复印机；检测机械中CT（计算机断层扫描诊疗装置）扫描诊疗仪、扫描隧道显微镜等。第36页371.4 机电一体化系统设计目标和方法四、机电一体化系统开发设计思想 与方法 1. 取代法 取代法就是用电气控制取代原系统中机械控制机构。该方法是改造旧产品、开发新产品或对原系统进行技术改造惯用方法,也是改造传统机械产品惯用方法。 如用电气调速系统取代机械式变速机构等。第37页381.4 机电一体化系统设计目标和方法四、机电一体化系统开发设计思想 与方法 2. 整体设计法 整体设计法

16、主要用于新产品开发设计。在设计时完全从系统整体目标出发,考虑各子系统设计。 如一些激光打印机激光扫描镜，其转轴就是电动机转子轴。第38页391.4 机电一体化系统设计目标和方法四、机电一体化系统开发设计思想 与方法 3.组正当 组正当就是选取各种标准功效模块组合设计成机电一体化系统。 第39页401.4 机电一体化系统设计目标和方法四、机电一体化系统开发设计思想 与方法 3.组正当 比如,设计一台数控机床,能够依据机床性能要求,经过对不一样厂家计算机控制单元、伺服驱动单元、位移和速度测试单元及主轴、导轨、刀架、传动系统等产品评定分析,研究各单元间接口关系和各单元对整机性能影响，经过优化设计确定机床结构组成。第40页411.5 本课程目标和要求一、课程目 本课程目标是研究怎样利用系统设计原理和综合集成技巧，将控制电动机、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、可靠机电一体化产品或系统。培养利用基础理论处理实际问题综合能力。第41页421.5 本课程目标和要求二、课程要求 1掌握机电一体化系统设计基本概念、基本原