第1章机械电子系统总体设计

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,1,章机械电子系统总体设计,*,第,1,章机械电子系统总体设计,1.,机械电子工程涵义,一,.,机械电子技术的理论基础和方法论,系统工程,控制论,信息论,第,1,章机械电子系统总体设计,二,.,机械电子工程的主要目的,使系统（产品）高附加值化，即多功能化、高效率化、高可靠化、省材料省能源化，结构轻、薄、短、小化。,第,1,章机械电子系统总体设计,2.,机械电子工程关键技术,传感检测技术（研究传感器及其信号处理装置）,传感器开发的三个重要方面：传感原理、传感材料、加工制造装配技术,与计算机技术相比，传感检测技术的发展较缓慢,信息处理技术,研究方向：提高处理速度、可靠性、抗干扰能力、智能化程度、标准化程度,第,1,章机械电子系统总体设计,2.,机械电子工程关键技术,自动控制技术,自动控制指在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动按预定规律运行。,技术难点：,现代控制理论的工程化和实用化，优化控制模型的建立,伺服驱动技术,主要研究机械电子产品中的执行元件和驱动装置设计中的技术问题。,主要研究问题,:,提高机电转换部件的精度、可靠性和快速响应性；提高,DC,伺服电机的性能；交流调速系统的研究（变频调速、电子逆变、矢量变换等）；功率器件的研制；微型电磁离合器的研制等。,第,1,章机械电子系统总体设计,2.,机械电子工程关键技术,机械技术,是机械电子的基础。现代机械应实现结构上、材料上、性能上、功能上的改善，满足减轻重量，缩小体积，提高精度、刚度。,需研究的主要问题：研究机械零部件的动静态刚性和热变形问题；提高关键零部件的精度并使之能批量生产；超精加工与精密测量；高性能、超硬、复合刀具材料的开发和生产；摩擦磨损与润滑；零部件的模块化、标准化和规格化（提高互换性）,第,1,章机械电子系统总体设计,2.,机械电子工程关键技术,系统总体技术,从整体目标出发，用系统工程的观点和方法，将系统分解为相互有机联系的若干功能单元，并将功能单元作为子系统继续分解，直至找到可实现的技术方案，再把各方案组合，进行分析、评价、综合优选。,系统总体性能不仅与各构成要素的功能、精度、性能相关，而且有赖于各构成要素间是否很好的协调与融合。,需研究的问题：软件开发与应用；接插件技术；通用接口与数据总线标准化；控制系统成套性和成套设备自动化；软件标准化等。,第,1,章机械电子系统总体设计,全闭环控制系统,3.,机械电子系统的构成要素与功能构成,第,1,章机械电子系统总体设计,半闭环控制系统,3.,机械电子系统的构成要素与功能构成,第,1,章机械电子系统总体设计,系统的五个子系统,机械系统,检测传感系统,电子信息处理系统（控制系统）,执行元件系统,动力系统,第,1,章机械电子系统总体设计,机械电子系统三大目的功能,变换,（加工、处理）功能；,传递（移动、运输）功能,储存（保持、积蓄、记录）功能,图,1,5,系统目的功能,工业三大要素,物质,能量,信息,第,1,章机械电子系统总体设计,系统分类,动力机,以能量转换为主，插入能量,(,或物质,),和信息，输出不同能量,加工机,以物料搬运、加工为主，输入物质,(,原料、毛坯等,),、能量,(,电能、液能、气能等,),和信息,(,操作及控制指令等,),，经过加工处理，主要输出改变了位置和形态的物质的系统,(,或产品,),信息机,以信息处理为主，输入信息和能量，主要输出某种信息,第,1,章机械电子系统总体设计,系统的五种内部功能,主功能,检测功能,控制功能,构造功能,动力功能,第,1,章机械电子系统总体设计,图,1,6,系统五种内部功能,第,1,章机械电子系统总体设计,图,1,7 CNC,机床的内部功能构成,目的功能：搬运、加工、处理毛坯,主功能,构造功能,动力功能,检测功能,控制功能,第,1,章机械电子系统总体设计,图,1,8,机械电子系统,(,产品,),的五大要素及其相应的五大功能,第,1,章机械电子系统总体设计,图,1,9,机械电子系统,(,产品,),的五大要素实例,第,1,章机械电子系统总体设计,一、,接口,构成机械电子系统的各子要素或子系统相接处必须具备的联系条件。,二、接口的作用,实现机械电子系统中各子系统间的物质、能源、信息的传递与转换，达到系统所需的目的功能。,4.,机械电子系统构成要素的相互连接,第,1,章机械电子系统总体设计,三、,接口功能,广义的接口功能：,输入,/,输出,变换,/,调整,1.4,机械电子系统构成要素的相互连接,零接口,无源接口,有源接口,智能接口,机械接口,物理接口,信息接口,环境接口,第,1,章机械电子系统总体设计,接口设计的核心,“,匹配”,1.4,机械电子系统构成要素的相互连接,从某种意义上讲，机械电子技术设计就是“接口设计”。,第,1,章机械电子系统总体设计,一、机械电子系统设计的目标,提高精度,增强功能,提高生产效率,节约能源，降低能耗,低能耗机构，最佳调节控制，提高能源利用率,1.5,机械电子系统设计的目标与方法,第,1,章机械电子系统总体设计,1.5,机械电子系统设计的目标与方法,一、机械电子系统设计的目标,提高安全性、可靠性,自动监测、报警、诊断、保护功能,采用电子元器件，代替机械产品中可动及易磨损部件（遥控 器、光电鼠标、光声控开关、无刷直流电动机等）,改善操作性和实用性,减轻劳动强度，改善劳动条件,简化结构，减轻重量,系统功能主要的实现途径转移：,从机械系统 微电子、计算机系统；,硬件系统 软件系统,降低价格,增强柔性应用功能,第,1,章机械电子系统总体设计,二、机械电子系统设计类型,1,、开发型设计（原创型设计）,将机电技术完全融合形成新的机械电子产品,2,、适应型设计,在原有机械系统基础上采用微机控制，使系统性能提高，功能增强。（全自动洗衣机、数控机床）,用电子装置局部替代机械传动装置和机械控制装置（变频调速器代替变速齿轮）,用电子装置完全替代原来执行信息处理功能的机构（电子秤）,用电子装置替代机械的主功能，形成特殊加工能力（激光切割机，电火花加工）,3,、变异型设计,一大趋势：轻薄小巧化,第,1,章机械电子系统总体设计,三、机械电子系统开发的设计思想,相互匹配、相互协调、有机结合,第,1,章机械电子系统总体设计,四、机械电子系统设计方法,1,、取代法（机电互补法）,利用电子部件取代传统机械产品中的复杂机械功能部件或功能子系统（如用微机控制取代机械式变速机构、凸轮机构、离合器等机构）,2,、整体设计法（融合法）,完全从系统目标考虑各子系统的设计，将各构成要素融合在一起形成专用或通用的功能部件（电机、变频器、主轴单元作为一个整体来设计，即电主轴单元）,3,、组合法,选用各种标准功能模块，,“,搭积木,”,（如工业机器人）,三种方法的特点及适用场合？,第,1,章机械电子系统总体设计,1.6,机械电子系统的评价,附加价值是,机械电子系统的综合评价指标,机械电子产品的评价内容,第,1,章机械电子系统总体设计,工业三大要素,:,物质、能量、信息,工业三大要素与机械电子的三大效果,1.6,机械电子系统的评价,第,1,章机械电子系统总体设计,1.7,机械电子系统的设计流程,1.,准备阶段,(1),对用户需求进行理论抽象，确定产品规格、性能参数,对于加工机械，包括如下几个方面：,运动参数,动力参数,品质参数,环境参数,结构参数,界面参数,第,1,章机械电子系统总体设计,1.7,机械电子系统的设计流程,1.,准备阶段,(2),拟定总体方案、划分系统功能要素和功能模块,根据设计对象的要求，进行技术分析，拟定系统总体设计方案，划分组成系统的各,功能要素和功能模块,功能模块是构成系统的基本单元，在形式上表现为具体设备、装置或电路板（硬件），具体应用子程序或软件包（软件）。,一个功能要素可能是一个功能模块，也可能由若干功能模块组合而成，或者就是一个机械电子子系统。,(3),方案论证、确定模块设计目标，人员组织,对各种方案进行可行性研究对比，确定最佳总体方案、模块设计目标和设计人员的组织,第,1,章机械电子系统总体设计,1.7,机械电子系统的设计流程,2.,理论设计阶段,(1),接口和功能模块细部设计,根据设计目标、功能要素和,功能模块，画出系统工作时序图和机械传动原理简图；,有过程控制要求的系统应建立各要素的数学模型，确定控制算法；,计算各功能模块间接口,I/O,参数，确定接口设计任务归属；,以功能模块为单元，根据接口参数要求进行功能模块的选型、组配,(2),理论设计总体评价,对设计结果进行整体技术经济评价、设计目标考核和系统优化，挑选综合性能指标最优的设计。,第,1,章机械电子系统总体设计,1.7,机械电子系统的设计流程,3.,产品的设计实施阶段,(1),功能模块制作、调试,根据机械、电气图样，制造装配各功能模块；,模块的调试,(2),系统整体安装调试，可靠性复核,4.,设计定型阶段,(1),工艺定型,整理设计图纸、软件清单、零部件清单、元器件清单、调试记录等；,(2),编写技术文档资料,编写设计说明书，为产品投产时的工艺设计、材料采购和销售提供详细的技术档案资料。,