机电一体化课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,第一章 绪论,机电一体化系统设计,第一章 绪论机电一体化系统设计,1.1,什么是机电一体化?,1.2,机电一体化实例,机器人介绍,1.3,机电一体化系统基本组成,1.4,机电一体化设计方法,主要内容,1.1 什么是机电一体化?主要内容,1.1,什么是机电一体化,?,协同集成,机械工程,电气工程,计算机,/,控制工程,起源,日本,:,技术创新大国,发展,变革,智能制造,智能家电,智能机器,智能房屋,1.1 什么是机电一体化?协同集成,为什么要学机电一体化,?,工业界正积极寻求机电工程师,公司可以开发出更好的产品，更快和更具竞争力,“,能将机械工程和电气工程有机结合的人，在就业市场上具有巨大的竞争优势,”,(,华尔街日报，纽约, 1994,年,5,月,2,号,),为什么要学机电一体化?工业界正积极寻求机电工程师“能将机械工,“,机电一体化这个名字是由安川电气有限公司的总裁,Ko Kikuchi,杜撰而来,。,”,R. Comerford, “Mecha what?”,IEEE,Spectrum, 31(8), 46-49, 1994.,“,机电一体化这个词是由机械学,mechanics,中的,mecha,和电子学,electronics,中的,tronics,组成的。也就是说，工业技术和产品将会把机械装置和电子装置更加紧密、有机地融合在一起,很难看出机电一体化产品是机械装置和电子装置的简单组合。,”,T. Mori, “,机电一体化,”,安川内部商标申请备忘录, 21.131.01, 1969,年,7,月,12,号,.,Mechatronics,mecha,tronics,Eletronics,Mechanics,机电一体化定义,I,“机电一体化这个名字是由安川电气有限公司的总裁Ko Kiku,“,电子学，控制工程和机械工程的集成,.,”,W. Bolton,机电一体化,:,机械工程中的电子控制系统,朗文, 1995.,“,物理系统操作中复杂决策的应用,.,”,D. M. Auslander,和,C. J. Kempf,机电一体化,:,机械系统接口, Prentice-Hall, 1996.,“,机械工程、电子学与计算机智能控制的协同集成，用于工业产品设计、制造和生产过程,.,”,F. Harshama, M. Tomizuka,和,T. Fukuda, “,机电一体化,-,是什么,为什么,怎么样,?-,和编辑,”,IEEE/ASME Trans,在机电一体化, 1(1), 1-4, 1996.,机电一体化的定义,II,“电子学，控制工程和机械工程的集成.”机电一体化的定义II,“,协同使用精密工程，控制理论，计算机科学,传感器和执行器技术，以设计更好的产品,.,”,S. Ashley, “,掌握机电一体化,”,机械工程,119(5), 1997.,“,机电产品的最优设计的方法学,.,”,D. Shetty,和,R. A Kolk,机电一体化系统设计, PWS Pub. Co., 1997.,“,研究领域包括系统的分析,设计,综合和选择，把机械和电子组件与现代控制和微处理器相结合。,”,D. G. Alciatore,和,M. B. Histand,机电工程和测量系统简介, McGraw Hill, 1998.,附:机电一体化定义 网站,:,http:/www.engr.colostate.edu/dga/mechatronics/definitions.html,机电一体化的定义,III,“协同使用精密工程，控制理论，计算机科学,传感器和执行器技术,什么是机电一体化,?,尽管不断尝试去定义机电一体化, 划分机电一体化产品以及开发标准化的机电一体化课程, 但,在围绕,“,什么是机电一体化,”,的完整描述上仍存在分歧。,在机电一体化定义上缺乏共识是一个积极的信号，它表明机电一体化是有生命力、朝气蓬勃的学科。,即使机电一体化没有一个无可争辩的确切描述，但机电一体化工程师仍能从上面给出的定义和他们亲身经历中理解机电一体化学科的精髓。,机电一体化将,传感器,执行器,信号调节,电力电子,决策和控制算法,以及计算机硬件和软件有机结合,去处理工程系统中的复杂性，不确定性和进行通信。,什么是机电一体化?尽管不断尝试去定义机电一体化, 划分机电一,特点,典型的机电一体化系统,:,微处理器,电子,-,机械传感器,电子,-,机械执行器,集成设计,非合并,协同集成,构思阶段,例子,机器人,特点典型的机电一体化系统:,机电一体化系统的历史发展和应用,机电一体化系统的历史发展和应用,1.2,机电一体化实例,机器人介绍,1.2 机电一体化实例,机器人系统的组成,动态系统建模与分析,反馈控制,传感器和信号处理,执行器和电力电子部件,计算机硬件,/,计算机接口,计算机编程,1.2.1,机器人系统的组成,学科,:,数学，物理学，生物学，机械工程，电气工程，计算机工程，计算机科学,机器人系统的组成1.2.1 机器人系统的组成学科:数学，物理,关键部件,基座,机械手机构,控制器,传感器,执行器,用户界面,功率转换,单元,关键部件基座机械手机构控制器传感器执行器用户界面功率转换,机器人基座：固定或移动,移动式基座通常是和车轮或履带连接的平台,.,除了车轮或履带，一些机器人采用腿来走动。,在制造方面应用的是固定式机器人的例子。这些机器人不能使基座远离正在进行的工作。,机器人基座：固定或移动 移动式基座通常是和车轮,机器人机构：机械元件,斜楔,曲柄滑块,凸轮和从动件,齿轮，齿条等,链条和链轮,杠杆,连杆,机器人机构：机械元件斜楔曲柄滑块凸轮和从动件齿轮，齿条等链条,传感器,: I,人的感觉,:,视觉，听觉，触觉，味觉和嗅觉为我们提供重要的功能和生存信息,机器人传感器,:,测量机器人的配置,/,条件和环境，并且以电子信号形式发送信息到机器人控制器,(,如手臂的位置，有毒气体的存在,),机器人需要的信息超过人的感觉,(,如能够在黑暗中看得见,检测微量的无形辐射,测量人眼看不到的太小或太快的运动,),加速计,利用压电效应,Flexiforce,传感器,传感器: I人的感觉:视觉，听觉，触觉，味觉和嗅觉为我们提供,In-Sight,视觉传感器,零件拾取,:,机器人可以通过三维视觉传感器处理随机堆放的工件。由于校准操作不需要特殊的送料器和对准板,能够以较低的成本构造一个自动化系统。,视觉传感器,:,例如拾取箱子，执行检查等,传感器,:,II,In-Sight视觉传感器零件拾取:机器人可以通过三维视觉传,零件装配和插入,:,机器人可以通过使用力传感器来进行机械零件的精装配和插入。在相位匹配后机器人进入插入零件阶段，但不是简单地插入零件，这能使高技巧工作自动化,。,力传感器,：,如零件的装配和插入、机器人手术中的力反馈。,传感器,:,III,力传感器,零件装配和插入:机器人可以通过使用力传感器来进行机械零件的精,红外测距传感器,KOALA,机器人,6,个超声波声纳转换器探索广阔、开放的区域；,检测从,15,厘米到,3,米范围内的障碍物；,16,个内置的红外接近传感器,(,在,5-20,厘米范围内,);,红外传感器作为一个,“,虚拟缓冲器,”,，允许在狭小的 空间进行处理。,传感器,:,IV,例子,红外测距传感器KOALA机器人 6个超声波声纳转换器探索广,测倾传感器,平面两足机器人,倾斜传感器,:,如用于机器人平衡,传感器,:,V,例子,测倾传感器平面两足机器人倾斜传感器: 如用于机器人平衡传感器,执行器,:,I,常见的机器人驱动器利用不同的机电设备组合而成,同步电机,步进电机,交流伺服电机,无刷直流伺服电机,有刷直流伺服电机,执行器: I常见的机器人驱动器利用不同的机电设备组合而成,液压马达,步进电机,气动马达,伺服电机,执行器,:,II,气缸,直流电动机,液压马达步进电机气动马达伺服电机执行器: II气缸直流电动机,控制器,提供必要的智能来控制机器人,处理传感信息和计算控制命令来使执行器完成特定的任务,控制器,控制器硬件,:,I,存储设备,:,如保存控制程序和从传感器获得的机器人系统状态的存储器。,控制器硬件: I存储设备: 如保存控制程序和从传感器获得的机,计算控制命令的计算引擎,BASIC Stamp 2 Module,RoboBoard,机器人控制器,控制器硬件,:,II,计算控制命令的计算引擎BASIC Stamp 2 Modul,模数转换器,运算放大器,接口单元,:,数字控制器与外界,(,传感器和执行器,),的接口硬件,控制器硬件,:,III,LM358,LM358,LM1458,双运算放大器,模数转换器运算放大器接口单元:数字控制器与外界(传感器和执行,农业,汽车,建筑,娱乐,保健,:,医院,病人护理,外科手术,研究等。,实验室,:,科学，工程等。,执法,:,监控，巡逻等。,制造业,军事,：排雷，监视，攻击等。,采矿，挖掘和探险,交通运输,：空中，地面，铁路，空间等。,公用设施,：煤气，水和电,仓库,机器人应用行业,农业机器人应用行业,1.2.2,机器人能做什么,?,工业机器人,物料搬运机械手,装配机械手,点焊机械手,物料搬运,物料传输,机器装卸,点焊,连续弧焊,喷涂,装配,检查,1.2.2 机器人能做什么?工业机器人物料搬运机械手装配机械,太空机器人,NASA,空间站,太空机器人NASA 空间站,危险环境中的机器人,TROV,在南极水下操作,HAZBOT,在含有可燃气体的环境中操作,危险环境中的机器人TROV在南极水下操作HAZBOT在含有可,医疗机器人,机器人辅助微外科手术,机器人手术操作系统,医疗机器人机器人辅助微外科手术机器人手术操作系统,家用机器人,索尼,Aido,索尼,SDR-3X,娱乐机器人,家用机器人索尼 Aido索尼 SDR-3X 娱乐机器人,1.3,机电一体化系统基本组成,1.3 机电一体化系统基本组成,1.3.1,机电一体化的关键要素,1.3.1机电一体化的关键要素,1.3.2,机电一体化系统搭建,系统,一个有输入和输出的黑箱,测量系统,测量输入变量，输出显示,控制系统,输入设定值，输出正确的设定值,1.3.2 机电一体化系统搭建系统,建模系统,弹簧输入响应,建模系统弹簧输入响应,建模系统,电,水壶系统的输入响应,建模系统电水壶系统的输入响应,连接（接口）系统,CD,机,连接（接口）系统CD 机,测量系统,三个要素,传感器,信号调节器,显示，输出,课程大纲,传感器,-,第,2,章,信号调节,-,第,3,章,测量系统,-,第,4,章,测量系统三个要素,控制系统,是指由控制主体、控制客体和控制媒体组成的具有自身目标和功能的管理系统。,控制系统,意味着通过它可以按照所希望的方式保持和改变,机器,、,机构,或其他,设备,内任何感兴趣或可变的,量,。控制系统同时是为了使被控制对象达到预定的理想状态而实施的。,控制系统,主要由：,控制器,，被控对象，,执行机构,和,传感检测,四个环节组成。,控制系统,控制系统是指由控制主体、控制客体和控制媒体组成的具,控制系统,控制物理系统的输出,通过设置物理系统的输入,跟踪,例如,巡航控制,恒温器控制,磁盘驱动控制,飞机高度控制,困难,干扰：风，道路，轮胎，刹车，打开,/,关闭门,.,人机界面：感觉很好，感觉对,.,控制系统控制物理系统的输出,跟踪,跟踪,开环控制系统,设备,被控制的物理系统,车,飞机，,光盘，加热器，,.,执行器,设备控制装置,节流阀、气门，盘式电机,控制器,设计产品来控制设备,开环控制系统设备,开环控制系统,输出,我们感兴趣的物理系统方面,速度，磁盘位置，温度,参考,我们希望看到的输出值,期望速度，期望位置，期望温度,扰动,受环境影响的不可控输入,风，磁盘驱动器的冲振，开门,开环控制系统输出,开环控制系统,概念,输入,你得到的就是你得到的,优点,便宜,简单,可靠,缺点,关闭调整需要人为干预,开环控制系统概念,闭环（反馈）控制系统,概念,多输入,设定值,反馈,过程控制,优点,自动化,精确,缺点,昂贵,更复杂,闭环（反馈）控制系统概念,闭环控制系统,传感器,测量设备输出,误差检测,检测误差,反馈控制系统,跟踪误差最小化,闭环控制系统传感器,控制系统实例,位置,速度,检测单元,电机,机械,部件,位置,速度反馈,计算机,数控,数控机床伺服系统组成,控制系统实例位置,速度电机机械位置,速度反馈计算机数控机床伺,加热房间,图,1.9,加热房间：,(a),开环系统,(b),闭环系统,加热房间图1.9 加热房间：(a)开环系统 (b) 闭环系,闭环系统组件,比较单元,-,至少两个输入，一个输出,正,/,负反馈,控制单元,-,二进制，比例项，硬连线，可编程,校正单位,-,执行器,过程,与环境连接,反馈,-,测量系统，传感器，调节器，数据总线,闭环系统组件比较单元,马桶水箱,设定值,-,调整后的浮臂位置,比较单元,-,浮臂,控制单元,-,枢轴,校正单位,-,阀门,过程,-,流水,反馈,-,浮球和杆,测量值,-,水位,马桶水箱设定值 - 调整后的浮臂位置,轴速度控制,轴速度控制,洗衣机系统,洗衣机系统,顺序控制器,时间或事件驱动序列,也被称为梯形逻辑,例子,预洗,打开热水和冷水阀。,检测水位,关闭阀门,搅拌,停止浸泡,排水,洗涤,打开热水，冷水，肥皂阀,检测水位，等等。,顺序控制器时间或事件驱动序列,微处理器控制,优势,灵活性,准确性,鲁棒性,类型,定制或嵌入,可编程逻辑控制器,多输入多输出,微处理器控制优势,信号：,(a),模拟,(b),数字,模拟和数字控制系统,信号： (a) 模拟 (b) 数字模拟和数字控制系统,数字闭环控制系统的组件,数字闭环控制系统的组件,1.4,机电一体化设计方法,集成设计,基于微处理器,结合原理,计算机工程,机械专业,电气工程,智能,传感器,电机,设备,车辆,1.4 机电一体化设计方法集成设计,