机电控制技术第一章.ppt

主讲人：刘利,上海交通大学机电控制研究所021-34206294,2008.2.18,交通大学控制课程系列,上海市精品课程专业基础课、必修课,友情提示,基于本人从事机电控制技术的教学、科研的经历，特编写本课件，以此献给广大的机电控制技术初学者，希望您能从中受益。本课件是最通俗易懂的机电控制技术课件，如果您还是看不懂，请千万不要涉足此行，以免误入歧途，耽误您的前程！为了尽量把最新的机电控制技术和应用成果收录进本课件，希望您不吝赐教，共同努力把机电控制技术的课件不断的改进和完善。,课程性质及任务,本课程是机械设计（制造）及自动化专业的核心课程,该课程综合性特强。本课程的主要任务是通过各个教学环节，应用各种先进教学手段，使学生掌握低压电器、可编程控制器、单片机等工程中常用的机电控制技术和方法,培养学生分析问题和解决问题的能力，为学生今后从事机电控制技术和科学研究工作打下坚实基础。学时/学分45学时（上课39学时，上机实验6学时）3学分,先修课程,电工学、电子技术、微机原理及应用适用专业机械与动力工程,教学目标与要求,要求：能够掌握本课程的基本概念，基本方法和基本技能，具有初步的机电一体化设计、分析和应用能力。目标：三字：懂、能、会（即懂原理、会分析、能设计）,本课程的主要内容,工业中常用控制器的工作原理及系统设计低压电器PLC单片机,理论教学内容及学时安排,第一章 概述 2学时第二章 继电器接触器控制系统 6学时第三章 可编程序控制器原理及应用 12学时第四章 单片机原理及应用 18学时,实验教学内容及学时安排,第一部分 PLC软件仿真 2学时第二部分 单片机A/D、D/A硬、软件设计 4学时,课程的特点,知识面广、涉及深度有限工程性强，结合实例着重方案分析与归纳,介绍软件功能并结合实例讲解基本操作讲课、上机、个人自学相结合。成绩评定考试、大赛、个人作品,教材及参考资料,教材 机电控制技术 杨汝清主编 参考书籍、期刊、网站机电控制技术郁建平编科学出版社，2006.10国内外机电一体化技术,中国机电一体化技术应用协会主办机电一体化，上海科技文献出版社主办http:/WWW(中国工控网）http:/（中国期刊网）,第一章：概述,本章主要内容1.1 机电一体化定义1.2 机电一体化技术的发展1.3 机电一体化构成1.4 机电一体化的功能1.5 机电一体化的相关技术1.6 机电一体化系统设计,1.1 机电一体化的定义,引子中国机械工业曾经经历相当一段时期的不景气状况美国的许多机械工业产业外移墨西哥等地结论纯机械的工业产业，境况日趋艰难 机电结合的工业产业，道路越走越宽,1.1 机电一体化的定义,Mechanic（机械学）+electronics（电子学）Mechatronics机电一体化最早出现在1971年日本机械设计杂志的副刊上，随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化的概念被人们广泛接受和普遍使用。1996年出版的WEBSTER大词典收录了这个日本造的英文单词，,1.1 机电一体化的定义,机电一体化技术：从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等多门技术在系统工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新兴边缘性技术学科。机电一体化不是机械与电子简单的叠加，而是在信息论(利用传感技术）控制论和系统论（“系统”整体筹划，机械和电子分别只是“环节”）的基础上建立起来的应用技术,1.1 机电一体化的定义,机电一体化是一个发展中的概念电子技术“溶入”到机械技术中；以计算机技术、通信技术和控制技术为特征的信息技术（即所谓的“3C”技术：Computer、Communication和 Control Technology）“渗透”到机械技术中；光（光学）机电一体化、机电气（气压）一体化、机电液（液压）一体化、机电仪（仪器仪表）一体化等；,1.1 机电一体化的定义,机电一体化两层含义：机电一体化产品(系统)和机电一体化技术。机电一体化产品 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。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。,机电一体化产品(系统),美国MIT的Servomechanism Laboratory研制出第一台数控机床(1952),数控车床,机电一体化产品(系统),美国George Devol研制出第一台工业机器人样机(1954)；日本SONY公司二足步行机械人SDR-4X(2002),世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功(1957)苏联东方-号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道，人类宇航时代开始了(1961)。,苏联发射“月球”9号探测器，首次在月面软着陆成功(1966)，三年后(1969)，美国“阿波罗”11号把宇航员N.A.Armstrong送上月球。,第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆(1996),旅行者Voyager 一号，二号开始走出太阳系，对茫茫太空进行探索。,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。,1.2 机电一体化技术的发展,机械技术发展的过程机电一体化得以发展的条件机电一体化发展方向机电一体化技术对机械产品的影响,机械技术发展的过程,（1）机构（作业功能）：凸轮、齿轮、轴承、传动带、螺钉螺母等（2）机构的驱动（动力功能）：蒸汽机、内燃机、电动机等（3）机械控制技术（测控功能）：传感器、伺服系统等（4）电子与计算机技术（智能、信息功能）：集成电路、计算机、网络技术（远程测控）,中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(235年),中国明代宋应星所著天工开物记载有程序控制思想(CNC)的提花织机结构图(1637年),（1）机构（作业功能）：,英国J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年),（2）机构的驱动（动力功能）,美国N.Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出PID控制方法(1922)。美国E.Sperry以及C.Mason研制出火炮控制器(1925)，气压反馈控制器(1929)。,（3）机械控制技术（测控功能）：,导弹(发射，操纵，指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现,（4）电子与计算机技术（智能、信息功能）：,综上所述：,1.数控机床的问世，写下了“机电一体化”历史的第一页。2.微电子技术为“机电一体化带来勃勃生机。3.”可编程序控制器、”电力电子”等的发展为机电一体化提供了坚强基础。4.激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使”机电一体化“跃上新台阶。,机电一体化技术三个发展阶段,1.20世纪60年代前为第一阶段，“萌芽阶段”工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结合，以提高机械产品的性能。但是由于电子技术的发展相对落后，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。2.70年代到80年代为第二阶段，“蓬勃发展阶”计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础这个时期的特点是：mechatronics一词首先在日本被普遍接受，大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；机电一体化技术和产品得到了极大发展；各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。,3.90年代后期开始为第三阶段，“智能化阶段”光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。,机电一体化得以发展的条件,（1）理论基础的成熟：控制论、信息论、系统工程（2）新的物质基础的产生 大规模集成电路、计算机、新型传感器（3）旧的物质基础的发展 机械制造的精密化，如床身用形材、大理石（4）市场的需求 产品智能化、使用傻瓜化,机电一体化的发展方向,（1）性能方面高精度高可靠性高效率（强力成型磨削）简捷化（声控电视、语音识别系统）（2）功能方面小型化（微型电机）瓶颈在于微机械技术轻型化（折叠式自行车）模块化（标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口）智能化（模糊微波炉）,智能化趋势包括以下几个方面：,诊断过程的智能化诊断功能的强弱是评价一个系统性能的重要智能指标之一。人机接口的智能化智能化的人机接口,可以大大简化操作过程,这里包含多媒体技术在人机接口智能化中的有效应用。自动编程的智能化 操作者只需输入加工工件素材的形状和需加工形状的数据,加工程序就可全部自动生成,这里包含：素材形状和加工形状的图形显示；自动工序的确定；使用刀具、切削条件的自动确定；刀具使用顺序的变更；任意路径的编辑；加工过程干涉校验等。加工过程的智能化,机电一体化的发展方向（续）,（3）层次方面系统化集成化复合化（如：计算机集成制造系统 柔性制造系统）（4）软件方面界面友好实时性网络化,系统化的表现特征,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。特征表现之二是通信功能的大大加强，一般除RS232外，还有RS485等等,机电一体化技术对机械产品的影响,提高性能、扩展功能：集复印、打印、传真等于一体的传真机，简化结构：电子缝纫机、电子钟（零件数达为减少）提高可靠性、安全性：压机安全可靠性（光帘）提高效率、节约能源：普通机床加工中心操作改善：遥控彩电、遥控键盘开拓思路，触类旁通：如以电的原理，在机械上实现相似功能PWM控制 高速开关阀（机械液压）的流量控制,1.3 机电一体化系统的构成,1.3 机电一体化系统的构成,1.3 机电一体化系统的构成（机电一体化的形人结构）,1.3 机电一体化系统的构成,1、机械本体（结构功能）由机械零件组成，能够传递运动并完成某些有效工作的装置。要求：可靠、小型、美观2、能源（运转功能）提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能。要求：效率高、可靠性好,1.3 机电一体化系统的构成,3、检测传感装置检测产品内部状态和外部环境，实现计测功能。要求：体积小、精度高、抗干扰4、电子控制单元处理、运算、决策，实现控制功能。要求：高可靠性、柔性、智能化5、执行机构包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成要求的动作，实现驱动功能和能量转换功能。,1.4 机电一体化产品的功能,衡量机电一体化产品的几个标准应能够完成产品预定的全部功能、有可靠性有合适的自动化功能，或功能价格比高，使用寿命长。便于制造（工艺性好）及移植（尽量使用标准模块）有必要的辅助功能（如故障报警、工作过程时元件状态的显示）操作方便,机电一体化系统的内部功能与系统价值,主功能，例如：动态指标系统误差抗干扰能力废弃物输出动作变换,机电一体化系统的内部功能与系统价值（续）,动力功能输入能量能源控制功能输入/输出点数手动、半自动、自动模式,机电一体化系统的内部功能与系统价值,构造功能尺寸、重量计测功能精度采样速度,1.5 机电一体化的相关技术,（1）检测传感技术：研究如何将各种被测量（物理量、化学量和生物量等）转换为与之成比例的电量；研究对转换的电信号的加工处理，如放大、补偿、标度变换等。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。（2）自动控制技术：控制理论：开、闭环控制、自适应控制、校正补 偿、智能控制等；控制器：计算机、可编程控制器、单片机软件技术：MATLAB、Labview,1.5 机电一体化的相关技术,（3）驱动技术：研究对象：执行元件及其驱动装置执行元件种类：电动、液压（工程机械）气压（食品机械、医疗器械）驱动装置：各种电动机的驱动电源电路（4）现代机械技术：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。精密化、标准化、模块化（缩短制造周期、减轻设计强度、提高通用程度、方便维修使用）,1.6 机电一体化系统设计,机电一体化系统开发的类型机电一体化系统设计流程机电一体化系统设计方案的常用方法,机电一体化系统开发的类型,开发性设计适应性设计变参数设计,机电一体化系统设计流程,一、市场调研二、总体方案设计三、详细设计四、样机试制与试验五、小批量生产六、大批量生产,一、市场调研,市场调研包括市场调查和市场预测。市场调查就是运用科学的方法，系统地、全面地收集所设计产品市场需求和经销方面的资料，分析研究产品在供需双方之间进行转移的状况和趋势；市场预测就是在市场调查的基础上，运用科学方法和手段，根据历史资料和现状，通过定性的经验分析或定量的科学计算，对市场未来的不确定因素和条件做出预计、测算和判断，为产品的方案设计提供依据。,二、总体方案设计,产品方案构思 产品方案构思完成后，以方案图的形式将设计方案表达出来。方案图应尽可能简洁明了，反映机电一体化系统各组成部分的相互关系，同时应便于后面的修改。方案的评价 对多种构思和多种方案进行筛选，选择较好的可行方案进行分析组合和评价，从中再选几个方案按照机电一体化系统设计评价原则和评价方法进行深入的综合分析评价，最后确定实施方案。,三、详细设计,详细设计是根据综合评价后确定的系统方案，从技术上将其细节逐层全部展开，直至完成产品样机试制所需全部技术图纸及文件的过程。,四、样机试制与试验,完成产品的详细设计后，即可进入样机试制与试验阶段。根据制造的成本和性能试验的要求，一般制造几台样机供试验使用。样机的试验分为实验室试验和实际工况试验，通过试验考核样机的各种性能指标是否满足设计要求，考核样机的可靠性。如果样机的性能指标和可靠性不满足设计要求，则要修改设计，重新制造样机，重新试验。如果样机的性能指标和可靠性满足设计要求，则进入产品的小批量生产阶段。,五、小批量生产,产品的小批量生产阶段实际上是产品的试生产试销售阶段。这一阶段的主要任务是跟踪调查产品在市场上的情况，收集用户意见，发现产品在设计和制造方面存在的问题，并反馈给设计、制造和质量控制部门。六、大批量生产经过小批量试生产和试销售的考核，排除产品设计和制造中存在的各种问题后，即可投入大批量生产。,机电一体化系统设计的常用方法,取代法取代法就是用电气控制取代原系统中的机械控制机构。该方法是改造旧产品、对原系统进行技术改造常用的方法,也是改造传统机械产品的常用方法。整体设计法整体设计法主要用于新产品的开发设计。在设计时完全从系统的整体目标出发,考虑各子系统的设计。,机电一体化系统设计的常用方法（续）,组合法组合法就是选用各种标准功能模块组合设计成机电一体化系统。例如,设计一台数控机床,可以依据机床的性能要求,通过对不同厂家的计算机控制单元、伺服驱动单元、位移和速度测试单元及主轴、导轨、刀架、传动系统等产品的评估分析,研究各单元间接口关系和各单元对整机性能的影响,通过优化设计确定机床的结构组成。,思考题1,1、简述机电一体化系统的基本要素和各部分的功能。2、举例分析机电一体化系统的组成及功能特点。3、机电一体化的关键技术有哪些？,This is End of Chapter 1,