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机电一体化系统设计,课程说明,机电一体化系统设计课程是一门专业方向课。本课程从系统的观点出发，利用机械技术和电子技术，通过机电有机结合构造最佳的机电系统。先修课程：机械设计，电子技术，电工技术，机电传动与控制，微机原理与应用等。,教学的基本要求包括：1学习机电一体化基本概念，理解机电一体化系统中各结构要素在系统中的作用和相互关系，初步建立机电产品的系统化设计思想。2了解机电一体化系统中常用传感器、传动机构、动力驱动装置和计算机控制系统种类和特点。3熟悉机电一体化产品的设计方法和工程路线，能够针对具体的机电一体化产品确定产品开发技术路线。4掌握机电一体化系统中机械、传感检测、动力、控制等基本结构要素的技术特点，掌握典型装置的技术原理和使用方法。5了解典型机电一体化产品的构成、特点和设计方法，学会设计简单的机电一体化产品。,课程说明,第一章 绪论第二章 机电一体化系统总体设计方案第三章 机械系统设计第四章 计算机系统的设计第五章 伺服驱动系统设计第六章 机电一体化系统设计及应用举例,数控线切割机床,数控机床,第1章 绪论,1.1 机电一体化的定义1.2 机电一体化系统的功能要素 1.3 机电一体化系统的相关技术1.4 机电一体化的技术优势与发展趋势1.5 机电一体化系统设计的工程路线,1.1 机电一体化的定义,一、机电一体化的定义 1971年起源于日本。机械学（Mechanics）+电子学（Electronics）=机电一体化 或 机械电子工程（Mechatronics）,核心就是引进了微电子技术,1.1 机电一体化的定义,一、机电一体化的定义 定义：机电一体化技术是从系统工程观点出发，应用机械、电子、信息等有关技术，对它们进行有机的组织和综合，实现了整体的最佳化。它不是机械与电子的简单的叠加，而是在信息论（利用传感技术）、控制论（利用控制理论）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。,1.2 机电一体化的基本功能要素,一、机械本体 主要功能是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位置上，并保持特定的关系。包括机械结构装置和传动装置。二、执行单元 根据控制信息和指令在驱动部分的作用下，完成所要求的动作。执行单元是运动部件，根据机电一体化系统的匹配要求，需要改善执行机构的工作性能，如提高刚性，减轻重量，实现组件化、标准化和系列化，以提高系统整体工作可靠性等。,1.2 机电一体化的基本功能要素,三、驱动单元 在控制信息的作用下，驱动各执行机构完成各种动作和功能。机电一体化系统方面要求驱动单元具有高效率和快速响应性等，同时又要求其对外部环境的适应性和可靠性，还由于几何上，动作范围狭窄等限制，还需考虑维修方便和实行标准化等。,1.2 机电一体化的基本功能要素,四、传感检测单元 主要功能是对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，并转换成可识别信号，传输到控制信息处理单元，经过分析、处理产生相应的控制信息。由传感器和仪器仪表组成。,1.2 机电一体化的基本功能要素,五、控制与信息处理单元 控制与信息处理单元是机电一体化系统的核心单元。将来自各传感器的检测信息和外部输入指令进行集中、存储、分析、加工。根据信息处理结果，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，并达到预期性能。一般由计算机，可编程序控制器，数控装置等组成。,六、动力单元 按照机电一体化系统的控制要求，为系统提供动力和能量以保证系统正常运行。用最小的动力输入获得尽可能大的功能输出。,1.2 机电一体化的基本结构要素,1.2 机电一体化的基本结构要素,1.2 机电一体化的基本功能要素,1.3 机电一体化的相关技术,1.3 机电一体化的相关技术,一、机械技术 机电一体化的机械产品与传统的机械产品的区别在于：机械结构更简单、机械功能更强、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。在设计和制造机械系统时除了考虑静态、动态刚度及热变形等问题外，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。,1.3 机电一体化的相关技术,二、伺服传动技术 伺服驱动技术就是在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械的运动部件按照指令要求运动，并具有良好的动态性能。伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的驱动装置。伺服驱动技术是直接执行操作的技术，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置和部件，对机电一体化系统的性能起决定性作用。常见的伺服驱动系统主要有电气伺服（如步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等）,液压伺服（如液压马达、脉冲油缸等）和气压伺服三类。,1.3 机电一体化的相关技术,三、传感检测技术 传感器检测是实现自动控制和自动调节的关键环节。传感检测技术的内容包括两方面，一是研究如何将各种被测量（包括物理量、化学量和生物量等）转换为与之成比例的电量；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。机电一体化系统要求传感检测装置能快速、准确、可靠（外界环境的影响）的获取信息。,1.3 机电一体化的相关技术,四、自动控制技术 自动控制所依据的理论是自动控制原理（包括经典控制理论和现代控制理论），自动控制技术就是在此理论的指导下对具体控制装置或控制系统进行设计；设计后进行系统仿真，现场调试；最后使研制的系统可靠地投入运行。机电一体化系统中的自动控制技术主要包括位置控制、速度控制、最优控制、自适应控制以及模糊控制、神经网络控制等。,1.3 机电一体化的相关技术,五、信息处理技术 计算机技术包括计算机的软件技术、硬件技术、网络与通讯技术和数据技术。机电一体化系统中主要采用工业控制机（包括可编程控制器，单、多回路调节器，单片微控制器，总线式工业控制机，分布式计算机测控系统）进行信息处理。信息处理的发展方向是提高信息处理的速度、可靠性和智能化程度。人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等都属于计算机信息处理技术的范畴。,1.3 机电一体化的相关技术,六、系统总体技术 系统总体技术是以整体的概念组织应用各种相关技术的技术，从全局的角度和系统的目标出发，将系统分解为若干个子系统，从实现整个系统技术协调的观点来考虑每个子系统的技术方案。机电一体化系统是一个技术综合体，它利用系统总体技术将各有关技术协调配合、综合运用而达到整体系统的最佳化。,一、机电一体化技术优势,1、提高精度2、增强功能3、提高生产效率4、节约能源、降低能耗5、提高安全性、可靠性,1.4 机电一体化的技术优势,6、改善操作性和实用性7、减轻劳动强度、改善劳动条件8、简化结构、减轻重量9、降低价格10、增强柔性应用功能,机电一体化的智能化趋势包括以下几个方面：（1）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。（2）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。（3）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。（4）加工过程的智能化。,1.4 机电一体化系统设计的目标和方法,三、机电一体化技术方向,1.机械的电子化（1）在原有机械系统的基础上采用微型计算机控制装置，使系统的性能提高，功能增强。例如，模糊控制洗衣机能根据衣物的洁净度自动控制洗涤过程，从而实现节水、节电、节时、节洗衣粉的功能；机床的数控化是另一个典型的例子。,1.4 机电一体化系统设计的目标和方法,三、机电一体化技术方向,1.机械的电子化（2）用电子装置局部替代机械传动装置和机械控制装置，简化结构，增强控制灵活性。例如，数控机床的进给系统采用伺服系统，简化了传动链，提高了进给系统的动态性能；将传统电机的电刷用电子装置替代形成的无刷电机，具有性能可靠、结构简单、尺寸减小等优点。电子缝纫机和电子绣花机。,1.4 机电一体化系统设计的目标和方法,三、机电一体化技术方向,1.机械的电子化（3）用电子装置完全替代原来执行信息处理功能的机构，既减化了结构，又极大地丰富了信息传输的内容，提高了速度。例如，石英电子钟表、电子秤、按键式电话等。,1.4 机电一体化系统设计的目标和方法,三、机电一体化技术方向,1.机械的电子化（4）用电子装置替代机械的主功能，形成特殊的加工能力。例如，电火花加工机床、线切割加工机床、激光加工机床，电子等。,1.4 机电一体化系统设计的目标和方法,三、机电一体化技术方向,2.机电技术完全融合形成新型机电一体化产品 生产机械中的激光快速成形机；信息机械中的传真机、打印机、复印机；检测机械中的CT（计算机断层扫描诊断装置）扫描诊断仪、扫描隧道显微镜等。,1.4 机电一体化系统设计的目标和方法,四、机电一体化系统开发的设计思想 与方法,1.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、开发新产品或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。如用电气调速系统取代机械式变速机构等。,1.4 机电一体化系统设计的目标和方法,四、机电一体化系统开发的设计思想 与方法,2.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。如某些激光打印机的激光扫描镜，其转轴就是电动机的转子轴。,1.4 机电一体化系统设计的目标和方法,四、机电一体化系统开发的设计思想 与方法,3.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。,1.4 机电一体化系统设计的目标和方法,四、机电一体化系统开发的设计思想 与方法,3.组合法 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。,1.5 本课程的目的和要求,一、课程目的,本课程的目的是研究怎样利用系统设计原理和综合集成技巧，将控制电动机、传感器、机械系统、微机控制系统、接口及控制软件等机电一体化要素组成性能优良、可靠的机电一体化产品或系统。培养运用基础理论解决实际问题的综合能力。,1.5 本课程的目的和要求,二、课程要求,1掌握机电一体化系统设计的基本概念、基本原理和基本知识。2掌握机电一体化系统设计中常用的机械量检测传感器、控制电动机的原理、结构性能和应用。,1.5 本课程的目的和要求,二、课程要求,3掌握机电一体化系统设计中常用机械系统设计、工业控制、计算机控制、接口设计的基本方法。4初步掌握机电一体化系统设计原理和综合集成技巧，进行总体方案的分析和设计。,作业,1、简述机电一体化系统的基本功能要素。,数控机床,电子计算器，电子称，电子石英钟，程控交换机,电子绣花机和电子缝纫机,复印机和传真机,
