机电一体化课件上课

机电一体化系统设计,课程说明,机电一体化系统设计课程是一门专业方向课。本课程从系统的观点出发，利用机械技术和电子技术，通过机电有机结合构造最佳的机电系统。 （并不是简单的叠加，综合应用了各种技术） 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。,教学的基本要求包括： 1学习机电一体化基本概念，理解机电一体化系统中各结构要素在系统中的作用和相互关系，初步建立机电产品的系统化设计思想。 2机电一体化系统功能设计 主要包括：设计过程中技术系统的选用，功能的设计方法、评价决策，以洗衣机为例进行了详细的介绍；快速成型技术的介绍；现代物流系统的分析 3.机电一体化系统结构的设计（整体布局、运动设计、结构设计） 4.机电一体化系统控制系统的设计 以数控机床和自动化立体仓库为例。 5.机电一体化信息系统的设计（比如人机界面） 6.机电一体化系统的可重构设计,什么是机电一体化? 机电一体化又称为机械电子学,其英文名称为Mechatronics,由机械学(Mechanics)的前一半和电子学(Electronics)的后一半组成. 由英文名称亦可知,机械电子学早期是由机械学和电子学衍生出来的子学科(1971年日本杂志机械设计的副刊首次使用).,1.1 基本概念, 机电一体化定义（内涵） 机电一体化概念的内涵目前国内外尚没有完全统一的表述。一般认为：机电一体化是以机械学、电子学和信息科学为主的多门学科在机电产品发展过程中相互交叉、相互渗透而形成的一门新兴边缘性技术学科。,1 机电一体化已经发展为一门独立学科 它融合了机械学、电子学、信息科学等学科的知识与发展成果，但其本身又具有自身的特点及研究任务。,机电一体化的3重含义,2 机电一体化是一个不断发展中的概念,早期： 主要强调机械与电子的结合，即将电子技术“溶入”到机械技术中而形成新的技术与产品。,现代：（P3） 以计算机技术、通信技术和控制技术为特征的信息技术取得了长足的发展，信息技术不断“渗透”到机械技术中，丰富了机电一体化的含义。现在，机电一体化已不再局限于机械、电子与信息技术的结合，还包括光机电一体化（融入光学技术的发展成果）、机电气一体化、机电液一体化、机电仪一体化等。,机电一体化的3重含义,3 机电一体化体现了技术之间相互融合的思想 强调各种技术在机电产品中的相互协调，以达到系统总体最优。其主要发展特点是“取人所长，为己所用”。,机电一体化的3重含义,机电一体化包含机电一体化技术和机电一体化产品(系统) 两个方面。, 机电一体化概念的外延,机电一体化技术是从系统工程的观点出发（其建立在信息论、控制论和系统论基础上），将机械、电子和信息等有关技术有机结合起来，以实现系统或产品整体最优的综合性技术。 机电一体化技术主要包括技术原理和使机电一体化产品（或系统）得以实现、使用和发展的技术。 机电一体化技术是一个技术群（族）的总称，包括检测传感技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、机械技术及系统总体技术等。,机电一体化技术,机电一体化产品有时也称为机电一体化系统，它们是两个相近的概念，通常机电一体化产品指独立存在的机电结合产品，而机电一体化系统主要指依附于主产品的部件系统，这样的系统实际上也是机电一体化产品。 机电一体化产品是由机械系统（或部件）与电子系统（或部件）及信息处理单元（硬件和软件）有机结合、而赋予了新功能和新性能的高科技产品。,机电一体化产品（系统）,典型的机电一体化产品(系统)有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CADCAM系统等。,由于在机械本体中“溶入”了电子技术和信息技术，与纯粹的机械产品相比，机电一体化产品的性能得到了根本的提高，具有满足人们使用要求的最佳功能。,机电一体化产品（系统）,数 控 铣 床,数控车床,焊接机器人,汽车防抱死系统(ABS),机电一体化系统的层次,机电一体化系统是一个技术系统，按其功能的复杂程度可分为三个层次：,1）单机系统：比如各种数控机床、机器人 2）由单机和运输等设备组成的加工、装配、储存等制造系统，比如：FMS、FMC 3) 由制造系统和规划管理系统组成的集成系统，比如：CIMS,1.3 机电一体化系统的构成,1.3 机电一体化系统的构成,1、机械本体,机械本体包括机架、机械连接、机械传动等。所有的机电一体化系统都含有机械部分，它是机电一体化系统的基础，起着支撑系统中其它功能单元，传递运动和动力的作用。,要求： 高效、多功能、可靠、节能、小型、轻量、美观等。,1.3 机电一体化系统的构成,2、动力源,动力源是机电一体化产品能量供应部分，其作用就是按照系统控制要求向机器系统提供能量和动力使系统正常运行。提供能量的方式包括电能、气能和液压能，以电能为主。,要求：效率高、可靠性好,1.3 机电一体化系统的构成,3、检测传感装置,检测传感部分包括各种传感器及其信号检测电路，其作用就是监测机电一体化系统工作过程中本身和外界环境有关参量的变化，并将信息传递给电子控制单元，电子控制单元根据检测到的信息向执行器发出相应的控制指令。,要求： 传感器精度、灵敏度、响应速度和信噪比高；漂移小、稳定性高；可靠性好，抗干扰性好等。,1.3 机电一体化系统的构成,4、电子控制单元,ECU是机电一体化系统的核心，负责将来自各传感器的检测信号和外部输入命令进行集中、存储、计算、分析，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行。 ECU由硬件和软件组成，系统硬件一般由计算机、可编程控制器(PLC)、数控装置以及逻辑电路、AD与DA转换、I0 接口和计算机外部设备等组成；系统软件为固化在计算机存储器内的信息处理和控制程序，根据系统正常工作的要求编写。,要求：高速、可靠、抗干扰、系统自诊断功能、信息处理智能化和小型、轻量、标准化,1.3 机电一体化系统的构成,执行器的作用是根据电子控制单元的指令驱动机械部件的运动。执行器是运动部件，通常采用电力驱动、气压驱动和液压驱动几种方式。,1.3 机电一体化系统的构成,5、执行器,要求： 执行器效率高、响应速度快，对水、油、温度、尘埃等外部环境的适应性好，可靠性高、标准化。,1.3 机电一体化系统的构成,1.4 共性关键技术,1 检测传感技术 2 信息处理技术 3 自动控制技术 4 伺服驱动技术 5 机械技术 6 系统总体技术,1、检测传感技术,作用：感受器官、反馈环节。,研究对象：传感器及其信号检测装置（即变送器）,要求：能快速、精确地获得信息并在相应的应用环境中具有高可靠性。,1.4 共性关键技术,2、信息处理技术,主要完成信息的交换、存取、运算、判断和决策等.其主要工具是计算机。,3、控制技术,关于软件及控制算法方面的技术，主要以控制理论为指导，对控制系统设计、仿真、现场调试、可靠运行等。,1.4 共性关键技术,4、伺服驱动技术,执行元件种类：电动、液压、气压,研究对象：执行元件及其驱动装置,驱动装置：各种电动机的驱动电源电路,实现机电一体化产品的主功能和构造功能，影响系统的结构、重量、体积、刚性、可靠性等。,5、机械技术,1.4 共性关键技术,6、系统总体技术 系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统工程的观点和方法，将系统各个功能模块有机的结合起来，以实现整体最优。其重要内容为接口技术。接口包括电气接口、机械接口、人机接口 （第五章信息流的设计）,1.4 共性关键技术,1.6 机电一体化对机械工业的影响,1 提高性能、扩展功能、提高效率 以数控机床为例，高速的DSP处理器芯片及精确的运动控制算法是实现机床多轴联动曲面异型体工件加工的基础，实现了传统机床永远无法实现的目标，是对机床性能的提高和功能的扩展。 数控加工中心能够实现一次装夹，多工位同时加工，提高了设备的效率。另外，多轴联动的数控机床在模具加工方面也有相当大优势，可以通过程序控制实现模具的批量生产，模具的虚拟加工与调试等。,1.6 机电一体化对机械工业的影响,2 简化结构,3 提高可靠性 在提高电子元件质量、可靠性的前提下，机电一体化产品可以提高耐久性，减少故障率。另一方面由于赋予其自动监视诊断功能，并采取安全联锁控制，过载和失控保护、停电保护等对策，提高了设备的安全可靠性。,1.6 机电一体化对机械工业的影响,4 节约能源 变频调速技术的广泛应用大大减少了风机、水泵、空调压缩机的能源消耗。,1.6 机电一体化对机械工业的影响,5 操作改善 利用计算机软件提供的友好人机界面，可以方便操作人员对机械装备状态的监测、控制。,1.6 机电一体化对机械工业的影响,1.7 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。,2 标准化 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。,1.7 机电一体化的发展趋势,3 网络化 基于网络通信技术的现场总线控制系统已经成为工业自动化系统的发展趋势；各种远程故障监测、诊断与维护系统的发展提高了机电设备的运行可靠性、可控性和可维护性，提高了资源和设备的利用率等；基于“蓝牙”技术的智能家用电器将带来人们生活方式的极大改变。,1.7 机电一体化的发展趋势,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。 微机电一体化产品体积小 、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。 微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术，微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。,1.7 机电一体化的发展趋势,5 系统化 系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现之二是通信功能的大大加强，一般除RS232外，还有RS485等。（可重构系统）,1.7 机电一体化的发展趋势,机电一体化系统的四视图设计,传统机械主要是由机械结构完成其功能，其设计主要是结构设计，在描述和设计传统机械时，表达机械结构主要采用三视图。而现代机械系统是由计算机信息系统协调控制的机电一体化系统，三视图不足以表达机电一体化系统，采用四视图设计来设计机电一体化系统，包括：功能视图、结构视图、控制视图和信息视图。,机电一体化系统概念设计的四视图,1、 功能视图,所谓功能视图就是对机电一体化系统的基本功能和为实现基本功能的技术原理的描述与设计。,功能视图主要包括以下内容：,（1）功能组成图；,（2）主功能的功能原理图；,（3）形态矩阵图。 （4）进行方案的比较选择，形成优化的技术系统,2、结构视图,结构视图主要包括以下内容：,（1）总体布局图；,（2）传动系统图；,（3）特殊结构的原理图。,3、控制视图,控制视图包括：,（1）机电一体化单元；,（2）控制器结构框图。,4、信息视图,