机电一体化系统设计绪论.ppt

机电一体化Mechatronics,绪 论,问题一：什么是机电一体化？问题二：机电一体化技术与传统机电技术区别和联系？问题三：哪些产品应用了机电一体化技术？,实例一：海尔法反坦克导弹,海尔法反坦克导弹是美国研制的一种直升机发射的近程空对地导弹，主要用来攻击坦克，也用于攻击地面其它小型目标。,海尔法反坦克导弹攻击目标的模拟过程。,海尔法反坦克导弹结构图,检测技术机械技术计算机技术,激光导引头,自动驾驶仪,实例二：无人驾驶车辆,无人驾驶车辆是未来陆军的重要力量，是实现战争信息化、无人化的重要载体，通过装载不同的装备，可以代替人在核生化、辐射和爆炸物等危险复杂战场环境中完成各种各样的军事任务。,美国“粗齿锯”无人车,96公里/小时 重4吨可爬上45的山坡 配备了一挺遥控机关枪,美国“粗齿锯”无人车,实例三：五坐标数控加工中心,东芝事件,l 床身及五个坐标轴的机械运动机构,l 五个坐标轴的直线或回转运动检测传感器,l 五个坐标轴的电机与电机驱动器l 五坐标联动数控系统-中心计算机,其它先进制造机床：,激光切割加工机,精密车削加工机,数控冲床,数控等离子切割加工机,实例分析结论：l 系统综合性强，涉及知识面广，且有深度l 机械机构（设计、制造工艺）是基础l 传感器测试、电机驱动技术是关键l 计算机（硬件、软件）是核心l 系统设计方法是桥梁,机械工程及其自动化课程体系,一、机电一体化的含义,微电子技术向传统机械工业的渗透，使得机械工业出现两个明显变化：,变化一,使传统机械产品的结构发生了根本变化。,普通车床,数控车床,变化二,使生产体系结构（企业组织形式）发生了根本变化。,柔性制造系统,结果：大大提高了产品和企业的竞争能力。,机电一体化技术领域,机械技术,机电一体化,微电子技术,计算机引导的机电一体化革命,21,机电一体化就是微电子技术向传统机械技术渗透过程中逐渐形成的一个新技术，是机械技术、计算机技术和微电子技术等相互融合的产物。目前尚无确切的定义。,机电一体化含义,日本：Mechatronics是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。,美国：Mechatronics是机械工程、电子工程和计算机智能控制技术的充分集成。,中国：机电一体化是从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、计算机信息技术、自动控制技术等在系统工程的基础上有机的综合，实现整个机械系统最优化而建立起来的一门新兴学科。,国际上流行的说法,日本：机械电子学 Mechatronics=Mechanics+Electronics美国：机电系统 Mechatronic System中国：机电一体化,对含义的理解,机电一体化的产生有其历史背景和条件 社会的需求 机械的发明与发展:延伸人的体力 计算机的发明与发展:延伸人的智力技术的可能机电一体化所研究的内容是确定的 机电一体化技术 机电一体化产品,机电一体化技术的发展状况,二、机电一体化产品的作用与特点,机电一体化技术的作用,最大限度地改善产品的性能,同时降低产品造价及缩短制造周期。在汽车中的应用 数控机床,机器人 消费电子产品:微波炉,洗衣机,照相机,VCD机等 年的统计,美国人每天遇到的Microcontroller的数量的变化:1985年:3 1990年:10 1995年:50,机电一体化的特征,特征一：整体结构最优化特征二：系统控制智能化特征三：操作性能柔性化,绪论,特征一：整体结构最优化,最优：以能满足使用要求为标准。实质：从系统的观点出发，应用机械技术和微电子技术等进行有机的综合，以实现系统性能的最优化。,绪论,特征二：系统控制智能化,这是机电一体化技术与传统的工业自动化最主要的区别之一。,绪论,特征三：操作性能柔性化,柔性：从技术角度讲，即为软件。计算机软件技术的引入，使机电一体化系统各个传动机构的动作通过预定的程序由电子系统协调完成。,机电一体化是一种观念的变革，设计思想的变革,柔性制造系统,绪论,机电一体化产品是富含高技术的技术密集型产品。产品表现出整体结构最佳化、系统控制智能化、操作性能柔性化。但实际产品大致可归纳为两类：第一类属于机械电子化产品，是机电一体化的初级产品表现形式，即原有的机械产品采用了微电子技术之后，其性能和功能都有了提高，甚至在结构上也发生了变化。它们又可细分成：,1）机械本身的主要功能被电子取代，如采用微机与激光连续加工代替线切割机床；电子照相机的电子快门、自动曝光、自动调焦等代替传统的机械式照相机等。2）机械式信息处理机构被电子元件代替，如电子表、电子计算器、电子交换机、电子秤等。,3）机械式控制机构被电子式的代替，如缝纫机的凸轮机构被微机控制系统代替；汽车发动机的燃油喷射装置，采用电子控制喷油等。4）采用微电子技术增加了控制功能，如数控机床（NC）、汽车防滑制动装置（ABS）、微机控制的电机调速装置、微机控制的播种机、微机控制的联合收割机、微机控制的孵化器等。,第二类属于机械与电子融合的产品，是机电一体化的高级产品表现形式，如工业机器人、传真复印机、自动售货机、自动取款机、计算机断层摄影装置（CT）、数码照相机、数码摄像机、高级门禁识别系统等。这些产品单靠机械或电子都是无法实现的，必须依靠机械与电子进行有机的结合才能完成。,三、机电一体化系统的功能构成与组成,主功能三大“目的功能”,（1）变换（加工、处理）功能（2）传递（移动、输送）功能（3）储存（保持、积蓄、记录）功能,机电一体化系统的功能构成,主功能：是实现系统目的功能直接必需的功能，主要是对物质、能量、信息或其相互结合进行变换、传递和储存。动力功能：给系统提供动力，使系统得以运转,五大功能模块,计测功能和控制功能：根据系统的内部、外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转，实施目的功能。结构功能：使构成系统的各个子系统及元部件维持时间和空间上的相互关系所必需的功能。,主要功能模块,机电一体化系统的组成(五大要素）,动力源 检测和传感单元 控制和信息处理部分 执行单元 机械本体,机电一体化系统工程的五大要素与功能,机电一体化产品五大要素（a）及与人体要素（b）的比较,(a),(b),45,人与机电一体化系统的比较,反导弹系统,7.1 机电一体化概述,我国学者根据机电一体化的含义，就机电一体化的基本体系提出的框图,机电一体化的进一步发展就是人工智能技术在感知、识别、执行环节的深入应用。,四、机械电子学相关技术,机械技术 计算机技术 自动控制技术 检测与传感技术 伺服驱动技术 系统总体技术,机械技术：是基础。计算机与信息处理技术：是促进发展的最活跃因素。检测与传感器技术：是实现自动控制的关键环节。自动控制技术：与计算机联系起来便成为关键技术。伺服驱动技术：是不是机电一体化系统的区别，在于是否具有计算控制的驱动系统。,系统总体技术：按照系统工程的观点和方法，以整体的概念组织应用各种相关技术，将系统总体分解成相互有机联系的若干功能单元，再以功能单元为子系统继续分解，直至找到可实现的技术方案，优化、优选后形成可执行的技术方案。总体设计的成败关系到整个系统的优劣与否。,机电一体化系统的设计方法：,理论基础：系统论、信息论、控制论,设计特点：多目标、相关性、不确定性、多假定、多参数,1、目的：综合运用机械技术和电子技术，设计制造经济、有效、方便、可靠、满足用户需求的系统。2、系统设计的原则：（1）机电互补原则（2）功能优化原则（3）自动化、省力化原则（4）效益最大原则（5）开放性原则,系统设计技术：,3、系统设计的类型：（1）开放性设计（2）适应性设计（3）变异性设计,4、系统设计方法：（1）纵向分层法（2）横向分块法 替代、融合、组合,系统工程开发路线:,主要分为五个阶段：可行性论证、初步设计、详细设计、实施和测试、运行和维护生命周期法：每个阶段结束时经过评审才能进入下一阶段,机械电子学的应用与发展前景,机电一体化的效益和应用提高精度。增强功能和可用性。提高生产效率，降低成本。提高安全性和可靠性。减轻劳动强度，改善劳动条件。简化结构，减轻重量。增加系统的柔性和智能化。,趋势一,性能上向高精度、高效率、高性能、智能化方向发展的。,精度：0.1m。进给速度：24100m/min。人机对话功能。,7.1 机电一体化概述,发展前景：,趋势二,功能上向微型化、轻型化、多功能化的方向发展。,通信和联网功能。图形功能。刀具轨迹描述功能。CAD/CAM一体化功能。,7.1 机电一体化概述,趋势三,层次上向系统化、复合集成化的方向发展。,柔性制造系统,7.1 机电一体化概述,我国对机电一体化技术的研究是以1986年制定的高技术研究发展计划纲要即“863”计划为起点。1989年12月原机电部组织完成了机电一体化发展纲要研究的课题报告。报告提出：坚持做好用电子技术改造传统产业和开发数字化、自动化、智能化的机电一体化产品两个层次的工作；抓紧数控系统、新型工控系统和电力电子系统三类共性基础产品的开发和应用；按照推广一批、投产一批、开发一批和掌握一批的顺序层层推进。,五、体系结构及教学安排,机电一体化主要内容,机械系统设计-机械技术控制系统设计-自动控制技术检测系统设计-检测与传感技术伺服系统设计 伺服驱动技术 计算机控制机电系统设计电液控制系统设计 计算机技术,63,六、课堂教学的组织顺序,绪论,掌握机电产品及系统的特点及基本分析方法 熟悉机电产品及系统的设计制造过程知识面广,知识的综合运用能力强强的工程实践及动手能力具有集体意识和协作精神,七、机电工程师应具备的能力,适于学习本课程的素质及特点,能够自己提出问题有追求完美的意识对现实世界中的问题感兴趣对人类的观察、分析、判断动作感兴趣对设计师在提高产品市场竞争力过程中的作用有一定了解能够与不同专业知识背景的人一起工作有明确的学习动机与目标,不适于学习本课程的素质及特点,希望由别人提出问题只满足于解决问题对理论和学术问题感兴趣只对技术本身感兴趣经过一些基础课程的学习，认为自己已经了解有关设计方面的知识自己的学习目标和机械电子学课程专业无关,八、课程要求,1.掌握机电一体化的基本概念、原理和基本知识。2.掌握常用元部件的原理、结构性能和应用。3.初步掌握系统设计原理和综合集成技术，进行总体方案的分析和设计。,4.根据系统动力观点，对系统中的机电元部件的主要参数的匹配进行协调设计计算，以适应计算机控制系统和控制软件的需要。5.基本掌握系统的构成、原理、结构、性能和使用。,如何学好本门课程,上课要认真听讲。学习注意把握课程的体系结构和相互联系，能自己提出问题。学会取人之长为我所用。注重实践性环节，实验及课程设计一定要自己动手做。对设计师在提高产品市场竞争力过程中的作用有一定了解。,参考教材,1.机电一体化系统设计,曾励，高等教育出版社，20102.机电一体化系统设计，姜培刚，机械工业出版社，20113.机电一体化系统设计，Shetty,D.机械工业出版社，20164.机械电子学，刘政华,国防科技大学出版社，2000年5.机电一体化系统设计，张建民等，北京理工大学出版社，1995年6.A Design and implementation methodology for Real time Control software，David Auslande,1998,小 结,1、机电一体化的含义、特点2、机电一体化系统的功能构成3、机电一体化系统的设计原则、方法,问 题,1、机电一体化的含义？2、机电一体化的特点是什么？3、机电一体化有哪六大共性关键技术？4、机电一体化的功能？5、机电一体化的组成要素？6、试列举10种常见的机电一体化产品,作业：请在下列的专题中选择一项，查阅相关资料并写出读书报告：1、机电一体化技术的发展趋势；2、机电一体化技术在工业中的应用；3、国内外最新机电一体化设备。要求：至少阅读5篇2010年以后的文献资料，并在上交时附上相应的参考文献或网址。阅读报告的字数不得少于2000汉字。,