机电一体第一章总论.ppt

机电一体化,丁问司,华南理工大学汽车工程学院工程车辆系,目录,第一章 绪论第二章 测量系统第三章 传感器和转换器第四章 信号处理第五章 干扰与噪声第六章 机械电子中的微处理器（单片机、PLC、DSP）第七章 嵌入式微处理器的设计,第八章 机械电子中的微机控制第九章 机械电子系统的网络监控第十章 驱动器和执行器第十一章 电器执行元件第十二章 液压与气动执行系统第十三章 机械电子系统的总体设计第十四章 基于机电控制的生产物流系统第十五章 机器人技术第十六章 车辆训练模拟技术第十七章 电液流控技术,第一章 概 论,第一节 机电一体化基本概念第二节 机电一体化发展概况第三节 机电一体化产品的构成第四节 机电一体化产品的分类第五节 机电一体化共性关键技术第六节 典型机电一体化控制系统第七节 机电一体化设计及其工程路线第八节 机电系统(产品)设计程序、准则和规律,第一节 机电一体化基本概念,起源定义各种不同的说法机电一体化的范畴内容关于机电一体化技术附加值,起源,70年代初起源于日本。英文名字Mechatronics,它取英语Mechanics(机械学)的前半部分和 Electronics（电子学）的后半部分拼合而成，字面上表示机械学与电子学两个学科的综合，我国通常称为机电一体化或机械电子学。,定义,目前人们对机电一体化存在各种不同的认识，随着生产和科学技术的发展，“机电一体化”本身的涵义也还在被赋予新的内容。因此，“机电一体化”这一术语尚无统一的定义。其基本概念和含义可概括为：从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程的基础上有机地加以综合，实现整个机械系统最优化而建立的一门新的科学技术。,各种不同的说法,机电一体化是指机械装置和电子设备适当地组合起来，构成机械产品或机电一体与机信一体的新趋。日本机械振兴协会是机械技术的机械学和电子技术的电子学组合起来的技术进步的总称。日经产业新闻机电一体化是在机械的主功能、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。日本机械振兴协会经济研究所,机电一体化的范畴,机电一体化是一种新的学术思想，它除了强调机与电的有机结合，还具有更深刻、更广泛的涵义。按照机电一体化的思想，凡是由各种现代高新技术与机械和电子技术相互结合而形成的各种技术、产品(或系统)都应属于机电一体化范畴。,因此，目前人们谈论的机电液(液压)一体化、机电光(光学)一体化、机电仪(仪器仪表)一体化以及机电信(信息)一体化等，实质上都可归结为机电一体化。,机电 一体化 并非是机械技术和电子技术的简单叠加，而是有着自身体系的新型学科，是以机械、电子技术为主的多门技术学科相互结合发展的产物。机电一体化 打破了传统的机械工程、电子工程、信息工程、控制工程等旧学科的分类方法，形成了融机械技术、电子技术、信息技术等多种技术为一体，从系统的角度分析与解决问题的一门新兴的交叉学科。,内容,机电一体化是一个综合的概念，包含了技术、产品和工程三方面内容。机电一体化技术机电一体化产品机电一体化工程,机电一体化技术,机电一体化技术是指包括技术基础、技术原理在内的、使机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术。机电一体化技术是建立在机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术、自动控制技术、传感与测试技术、电力电子技术、伺服驱动技术、系统总体技术等现代高新技术群体基础之上的一种高新技术。机电一体化技术的突出特点在于它在机械产品中注入了过去所没有的技术信息处理和自动控制。,机电一体化产品,机电一体化产品是指采用机电一体化技术，在机械产品基础上创造出来的新一代机电产品。该产品具有高新技术含量，其技术附加值随机电结合程度的加深而提高。下图反映了不同年代的产品技术附加值和技术构成比例的发展情况。,图1-1,对机电系统技术附加值的认识,当代产品中，单纯机械技术的附加值含量越来越少，而微电子技术的附加值含量却越来越多。随着年代的发展，这种趋势还将增加。但这并不等于说，微电子技术可以脱离机械技术而在机械领域获得更大的经济效益，而是意味着，机械技术只有同微电子技术相结合；传统的机械产品只有向机电一体化产品方向发展，才是机械工业发展的唯一出路。,第二节 机电一体化发展概况,在机电一体化这一概念出现之前，世界各国科技工作者已为机械与电子技术的有机结合自觉不自觉地作了许多工作，研究和开发了不少机电一体化产品，如通信电台的自动调谐系统、雷达伺服系统，数控机床、工业机器人等。70年代初，形成比较完整的机电一体化概念。此后由于大规模集成电路技术和微型计算机技术的迅速发展，在以机械工业为主的传统产业中引发了一场大规模的机电一体化技术革命。目前，机电一体化产品已经渗透到国民经济和日常工作、生活的各个领域。,典型机电一体化产品,办公自动化设备：打印机、复印机、传真机等医疗器械：脑CT、核磁共振成像诊断仪、纤维光束内窥镜等；机械制造设备：数控机床、工业机器人、自动化物料搬运车等；智能交通运输设备等家用电器：电冰箱、全自动洗衣机、录像机等,机电一体化的目的,使产品具有多功能、高效率、高智能、高可靠性省材料、省能源使产品向轻、薄、细、小、巧方向发展不断满足人们生活的多样化要求和生产的省力化、自动化需求。,发展,理论基础：系统工程、控制论和信息论物质基础：微电子技术、半导体大规模集成电路制造技术发展趋势：,相互关系,*一方面微电子技术的发展促进了机电一体化技术的发展，另一方面机电一体化技术的发展也促进了微电子技术的发展。例如：大规模集成电路芯片的制造有赖于超精密机械加工，而超精加工设备本身又是一种计算机控制的自动化设备，即典型的机电一体化系统。所以说：机电一体化技术的产生，既是机械技术与微电子技术发展的结果，又是系统工程、控制论和信息论付诸实践的结果。,发展趋势,性能上：向高精度、高效率、高性能、智能化的方向发展；功能上：向小型化、轻型化、多功能方向发展；层次上：向系统化，复合集成化的方向发展。,第三节 机电一体化产品的构成,一、功能构成目的功能内部功能二、机电一体化基本结构要素,目的功能,对输入的物质、能量和信息(即工业三要素)进行某种处理，输出具有所需形式或所需特性的物质、能量和信息，如图。,内部功能：,产品的目的功能是通过其内部功能实现的。机电一体化产品具备五种内部功能：1 主功能 是实现系统目的的直接必需的功能，主要是对物质、能量、信息或其相互结合进行变换、传递和存储。2 动力功能 是向系统提供动力、使系统得以运转的功能 3 计测功能 是获取系统内部、外部信息的功能 4 控制功能 是对整个系统进行控制，使其正常运转，实施目的功能 5 构造功能 是使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必需的功能。图1-3表达了CNC(计算机数控)机床的内部功能构成情况。,图1-3,CNC(计算机数控)机床的内部功能构成情况,二、机电一体化基本结构要素,人体五大要素及其功能的对应关系图1-4机电一体化产品的组成要素及其功能的对应关系：图1-5机电一体化系统的基本功能要素功能要素之间的关系,图1-4,图1-5,机电一体化系统的基本功能要素,1.机械本体2.动力部分3.检测部分4.执行机构5.控制器6.接口,1.机械本体,包括机械传动装置和机械结构装置.功能：使构造系统的各子系统、零部件按照一定的空间和时间关系安置在一定的位置上，并保持特定的关系。要求：高精度、轻量化和高可靠性。,2.动力部分,其功能是按照机电一体化系统的要求为系统提供能量和动力使系统正常运行。用尽可能小的动力输入获得尽可能大的输出，是机电一体化系统的显著特征。包括电源、电动机等执行元件及其驱动电路。,3.检测部分,功能是把系统运行过程中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，变成可识别信号，送往控制装置，经过信息处理后产生相应的控制信息。包括各种传感器及其信号检测电路。,4.执行机构,功能：执行机构是运动部件，它将输入的各种形式的能量转换为机械能。根据控制信息和指令完成所要求的动作。包括机械传动与操作机构。常用的执行机构可分为两类：电气式执行机构和液压式执行机构。,电气式执行机构按运动方式的不同又可分为旋转运动元件和直线运动元件，旋转运动元件主要指各种电动机，直线运动元件有电磁铁、压电驱动器等。液压式执行部件主要包括液压缸和液压马达等执行元件。,5.控制器,控制器是机电一体化系统的核心部分。它根据系统的状态信息和系统的目标，进行信息处理，按照一定的程序发出相应的控制信号，通过输出接口送往执行机构，控制整个系统有目的地运行，并达到预期的性能。控制器通常是由电子电路或计算机组成。,6.接口,机电一体化系统由许多要素或子系统构成，各子系统之间必须能顺利进行物质、能量和信息的传递与交换，为此各要素或各子系统相接处必须具备一定的联系部件，这个部件就称为接口。接口具有保证信号传递的逻辑控制功能，使信息按规定模式进行传递。接口的基本功能：,接口的基本功能:,1.交换：需要进行信息交换和传输的环节之间,若信号的模式不同(如数字量与模拟量、串行码与并行码、连续脉冲与序列脉冲等），就无法直接实现信息或能量的交流。通过接口完成信号或能量的统一。2.放大：在两个信号强度相差悬殊的环节间，经接口放大，达到能量的匹配。3.传递：变换和放大后的信号在环节间能可靠、快速、准确地交换，必须遵循协调一致的时序、信号格式和逻辑规范。,接口分为四种（按输入输出功能）,机械接口 根据输入输出部位的形状、尺寸精度、配合、规格等进行机械联接，如联轴节、管接头、法兰盘、万能插口、接线柱、接插头与接插座及音频盒等。物理接口 受通过接口部位的物质、能量与信息的具体形态和物理条件约束，如受电压、频率、电流、电容、传递扭矩的大小、气(液)体成分(压力或流量)约束的接口。信息接口 受规格、标准、法律、语言、符号等逻辑、软件的约束，如GB、ISO、ASCII码、RS232C、C、C+、VC、VB、TCP/IP等。环境接口 对周围环境条件(温度、湿度、磁场、火、振动、放射能、水、气、尘)有保护和隔绝作用，如防尘过滤器、防水联接器、防爆开关等。,基本功能要素之间的关系：,在机械本体的支持下，由传感器检测产品的运行状态及环境变化，将信息反馈给控制及信息处理装置，控制及信息处理装置对各种信息进行处理，并按要求控制动力源驱动执行机构进行工作。在结构上，各组成要素通过各种接口及相关软件有机地结合在一起，构成一个内部合理匹配、外部效能最佳的完整产品。,第四节 机电一体化产品的分类,按照机电结合程度和形式的不同，机电一体化产品可划分为：功能附加型功能替代型机电融合型按服务领域和对象的不同分类：,功能附加型,产品主要特征：在原有机械产品基础上，采用微电子技术，使产品功能增加和增强，性能得到适当的提高。主要产品：经济型数控机床、电子秤、数显量具、全自动洗衣机等。,功能替代型,产品主要特征：采用微电子技术及装置取代原产品中的机械控制功能、信息处理功能或主功能，使产品结构简化，性能提高，柔性增加。主要产品：如电子缝纫机、数码相机等用微电子装置取代了原来复杂的机械控制机构；电子石英钟、电子式电话交换机等用微处理器取代了原来机械式信息处理机构；线切割加工机床、激光手术器等则因微电子技术的应用而产生的新功能，取代了原来机械的主功能。,机电融合型,产品主要特征：根据产品的功能和性能要求及技术规范，采用专门设计的或具有特定用途的集成电路来实现产品中的控制和信息处理等功能，使产品结构更加紧凑、成本进一步降低。该产品是机与电在更深层次上的有机结合。主要产品：传真机、复印机、摄象机、磁盘驱动器、CNC数控机床等。,按服务领域和对象的不同分类：,第五节 机电一体化共性关键技术,机械技术检测传感技术信息处理技术自动控制技术伺服传动技术系统集成技术,机械技术,是机电一体化的基础。其机械产品与传统机械产品的区别在于：结构更简单，功能更强，性能更优越。现代机械要求具有更新颖的结构、更小的体积、更轻的重量，还要求精度更高、刚度更大、动态性能更好。为了满足这些要求，在设计和制造机械系统时，除了考虑静态、动态的刚度及热变形的问题外，还应考虑采用新型复合材料和新型结构以及新型的制造工艺和工艺装置。,检测传感技术,检测传感装置是机电一体化系统的感觉器官，即从待测对象那里获得能反映待测对象特征和状态的信号。检测传感技术的内容，一是研究如何将各种物理量（如位置、位移、速度、加速度、力、温度、压力、流量、成分等）转换成与之成比例的电量。二是研究对转换的电信号的加工处理，如放大、补偿、标度变换等。,信息处理技术,信息处理技术包括信息的变换、存取、运算、判断和决策，信息处理大都是依靠计算机来进行的，因此，计算机技术和控制技术是密切相关的。计算机技术包括计算机的软件技术、硬件技术和网络通讯技术等。机电一体化系统中主要采用工业控制机（包括PLC，单、多回路调节器，单片机等），进行信息处理。,自动控制技术,自动控制技术的目的在于实现机电一体化系统的目标最佳化。自动控制所依据的理论和基础是自动控制原理（经典控制理论和现代控制理论）。机电一体化系统中自动控制技术主要包括位置控制、速度控制、力（压力）控制；PID控制、最优控制、模糊控制和自适应控制等。,伺服传动技术,“伺服”（serve）即“伺候服侍”的意思，就是在控制台指令的指挥下，控制驱动元件，使机械的运动部件按照指令的要求进行运动，并具有良好的动态性能。伺服传动系统中所采用的驱动技术与所使用的执行元件有关。伺服传动系统按执行元件不同可分为液压伺服系统和电气伺服系统两类。,液压伺服和电气伺服的特点：,液压伺服系统：优点：工作稳定、响应速度快、输出力矩大，低速运行时，具有突出的优点。缺点：需要增加液压动力源，设备复杂、体积大，维修费用大，还存在环境污染。应用：大型设备和有特殊需要的场合。电气伺服系统：优点：采用电动机作为伺服驱动元件，控制灵活、费用较小、可靠性高。缺点：低速时输出力矩不够大。,系统集成技术,系统集成技术是以整体的概念来组织、应用各种相关技术的应用技术。即从全局角度和系统目标出发，先将系统分解成若干功能子系统，对于每个子系统的技术方案都首先从实现整个系统技术协调的观点来考虑，对于子系统和子系统之间的矛盾或子系统和系统整体之间的矛盾都要从总体协调的需要来选择解决方案。机电一体化系统是一个技术综合体，利用系统总体集成技术将各种相关技术协调配合、综合运用，最终达到整体系统的最佳化。,第六节典型机电一体化控制系统,从控制角度分：1.开环控制：洗衣机、电烤箱、微波炉、洗碗机开环控制系统。2.闭环控制从系统传递信号的性质分：1.连续控制系统 2.离散控制系统,开环控制,定义：没有输出反馈的系统。输入直接送给控制器，并通过控制器对受控对象产生控制作用。优点：简单、经济、易维修。缺点：精度低，对环境变化和干扰十分敏感。,闭环控制,闭环控制系统是具有输出反馈的系统。其输出信号的全部或部分被反馈到输入端（称为反馈信号），与输入信号比较后的偏差信号送给控制器，控制器对信号进行处理后产生控制信号，再控制被控对象的输出。优点：精度高，动态性能好，抗干扰能力强。缺点：结构复杂，价格昂贵，不易维修。,连续控制系统,信号在时间上是连续变化的系统称为连续控制系统。大多数的模拟控制系统。,离散控制系统,系统中某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式，信号在时间上是离散的。例：计算机控制系统。PWM控制、V-f控制,第七节机电一体化系统(产品)的设计流程,首先根据目的功能确定产品规格、性能指标，这其中包括：运动参数表征机器工作运动中轨迹、行程、方向和起止点位置正确性的指标。动力参数表征机器输出动力大小的指标（力、力矩和功率）。品质指标用来表征运动参数和动力参数品质的指标，例如如重复定位精度、行程和方向的可变性，速度的高低与稳定性，力和力矩的可调性或恒定性等。另有：工艺性、人机工程、美学、标准化等指标,系统功能部件、功能要素的划分,应以各构成要素及要素之间的接口为基础来划分功能部件或功能子系统，以便在控制上形成若干自由度。因此，也可按运动的自由度划分成若干功能子系统，再按子系统划分功能部件。功能要素或功能子系统的选用或设计是指特定机器的操作(执行)机构和机体，通常必须自行设计，而执行元件(电或液、气等驱动元件)、检测传感元件和控制器等功能要素既可自行设计也可选购市售的通用产品。,接口的设计,接口问题是各构成要素间的匹配问题。执行元 件与运动机构之间、检测传感元件与运动机构之间通常是机械接口。机械接口有两种形式。一种是执行元件与运动机构之间的联轴器和传动轴，以及直接将检测传感元件与执行元件或运动机构联结在一起的联轴器(如波纹管、十字接头等)、螺钉、铆钉等，直接联结时不存在任何运动和运动变换。另一种是机械传动机构，如减速器、丝杠螺母等，控制器与执行元件之间的驱动接口，控制器与检测传感元件之间转换接口，微电子传输、转换电路。因此，接口设计问题也就是机械技术和微电子技术的具体应用问题。,从系统内部看，机电一体化系统就是由许多接口将系统各要素间的输入输出联系为一体的系统。从这一观点出发，系统的性能在很大程度上取决于接口的性能，各要素或各子系统之间的接口性能就成为综合系统性能好坏的决定性因素。机电一体化系统是机械、电子和信息等功能各异的技术融为一体的综合系统，其结构要素或子系统之间的接口极为重要，在某种意义上讲，机电一体化系统设计归根结底就是“接口设计”。,综合评价(或整体评价),对机电一体化系统(产品)的综合评价主要是对其实现目的的功能、性能、结构进行评价。机电一体化的目的是提高产品(或系统)的附加价值，而附加价值的高低必须以衡量产品性能和结构质量的各种定量指标为依据。不同的评价指标可选用不同的评价方法。具体设计时，常采用不同的设计方案来实现产品的目的功能、规格要求和性能指标。因此，必须对这些方案进行综合评价，从中找出最佳方案。,机电一体化系统(产品)的评价,机电一体化系统(产品)的评价内容,可靠性复查 机电一体化系统环节众多，容易产生故障和受到电噪声的干扰，因此，可靠性问题格外突出，也是用户最关心的问题之一。在产品设计中，除采用可靠性设计方法外，还必须采取必要的可靠性措施，在产品设计初步完成之后，还需要进行可靠性复查和分析，以便发现问题及时改进。试制与调试 是检验产品可行性的重要阶段。通过样机调试来验证各项性能指标是否符合设计要求。此阶段也是最终发现设计中的问题以便及时修改和完善产品设计的必要阶段。,第八节机电一体化系统(产品)的设计程序、准则和规律,一、设计程序 二、设计准则 三、设计规律,设计程序,明确设计思想分析综合要求划分功能模块决定性能参数调研类似产品拟定总体方案方案对比定型编写总体设计论证书,明确设计思想分析综合要求划分功能模块决定性能参数调研类似产品拟定总体方案方案对比定型编写总体设计论证书,设计准则,设计准则主要考虑“人、机、材料、成本”等因素，而产品的可靠性、适用性与完善性设计最终可归结于，在保证目的功能要求与适当寿命的前提下不断降低成本。产品的成本高低，70决定于设计阶段。设计阶段可从新产品和现有产品改型两方面采取措施，一是从用户需求出发降低使用成本，减少综合费用、保障期内无故障运行、提高功能率，延长平均故障间隔。二是从制造立场出发降低设计与制造成本。,设计规律,根据设计要求首先确定离散元素间的逻辑关系，然后研究其相互间的物理关系，这样就可根据设计要求和手册确定其结构关系，最终完成全部设计工作。逻辑关系的确定是关键，如逻辑关系不合理，其设计必然不合理。在这一阶段可分两个步骤进行，首先进行功能分解，确定逻辑关系和功能结构，然后建立其物理模型，确定其物理作用关系。,机电一体化工程与现代设计方法,计算机辅助设计、制造与并行工程 虚拟产品设计 快速响应设计 绿色设计 反求设计网络上合作设计,完,