机电一体化系统设计第一章.ppt
机电一体化系统设计,机械工程学院,目 录,绪论机械系统设计传感检测及其接口电路控制电动机及其选择计算工业控制计算机及接口设计应用举例,绪 论,第一节 机电一体化的定义 Mechatronics=Mechanics+Electronics机械工程和电子工程相结合的技术，以及应用这些技术的机械电子装置（产品）。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科学技术。机电一体化不是机械与电子简单的 叠加，而是在信息论、控制论和系 统论的基础上建立起来的应用技术。,数控铣床,数控车床,焊接机器人,汽车防抱死系统(ABS（Anti-locked Braking System）),“ABS”（Anti-locked Braking System）中文译为“防抱死刹车系统”.它是一种具有防滑、防锁死等优点的汽车安全控制系统。ABS是常规刹车装置基础上的改进型技术，可分机械式和电子式两种。ABS防抱制动系统由汽车微电脑控制，当车辆制动时，它能使车轮保持转动，从而帮助驾驶员控制车辆达到安全的停车。这种防抱制动系统是用速度传感器检测车轮速度，然后把车轮速度信号传送到微电脑里，微电脑根据输入车轮速度，通过重复地减少或增加在轮子上的制动压力来控制车轮的打滑率，保持车轮转动。在制动过程中保持车轮转动，不但可保证控制行驶方向的能力，而且，在大部分路面情况下，与抱死锁死车轮相比，能提供更高的制动力量。,经济效益领域专家意见直方图,采用机电一体化技术与产品有着明显的经济效益和社会效益。据“机电一体化发展预测与综合分析总体研究报告”中采用Delphi法进行专家调查，对数控机床、电子仪器仪表、电子化量具量仪等十二种产品，机电一体化前后经济效益的变化（增加百分比做出预测，结果如图1-5所示。,第二节 机电一体化系统的基本功能要素,组成机电一体化系统与人体的对应部分及相应功能的关系,机电一体化系统的组成及工作原理,一、机械本体 包括机械传动装置和机械结构装置。其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。二、动力单元 功能是按照机电一体化系统的控制要求，为系统提供能量和动力以保证系统正常运行。三、传感检测单元 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。四、执行单元 功能是根据控制信息和指令完成所要求的动作。执行单元是运动部件，一半采用机械、电磁、电液等方式将输入的各种形式的能量转换为机械能。,五、驱动单元 功能是在控制信息作用下，驱动各种执行机构完成各种动作和功能。如步进电机、交直流伺服电机等。六、控制与信息处理单元 是机电一体化系统的核心单元，功能是将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、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，并达到预期的目的。七、接口 其作用是将各要素或子系统连接成为一个有机整体，使各个功能环节有目的地协调一致运动，从而形成机电一体化的系统工程。其基本功能有三：变换、放大、传递。,机电一体化产品归类图,第三节 机电一体化的相关技术,1 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。,2.传感检测技术 传感检测技术的研究内容，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、可靠的获取信息。,压力变送器,加速度计,力传感器,3 信息处理技术 实现信息处理的主要工具是计算机，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。,4 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，之后进行系统仿真，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。,5 伺服驱动技术 伺服驱动包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置。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）和液压伺服（如液压马达、脉冲油缸等）两类。6 系统总体技术 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。,第四节 机电一体化系统设计的目标与方法,一、机电一体化产品和系统的分类,生产用机电一体化产品 数控机床、机器人、自动生产设备 柔性生产单元、自动组合生产单元 FMS、无人化工厂、CIMS,运输、包装及工程用机电一体化产品 微机控制汽车、机车等交通运输工具 数控包装机械及系统 数控运输机械及工程机械设备,储存、销售用机电一体化产品自动仓库自动空调与制冷系统及设备自动称量、分选、销售及现金处理系统,社会服务性机电一体化产品自动化办公设备动力、医疗、环保及公共服务自动化设备文教、体育、娱乐用机电一体化产品,家庭用机电一体化产品微机或数控型耐用消费品炊事自动化机械家庭用信息、服务设备,科研及过程控制用机电一体化产品测试设备、控制设备、信息处理系统,农、林、牧、渔及其它民用机电一体化产品航空、航天、国防用武器装备等机电一体化产品,二、现代机械的机电一体化目标,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6、改善操作性和实用性7、降低劳动强度，改善劳动条件8、简化结构，减轻重量9、降低价格10、增强柔性应有功能,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。（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。,三、机电一体化技术方向,三、机电一体化产品的表现形式,（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。（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、激光加工机床等。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。,总之，机电一体化发展方向 性能上:向高精度、高效率、高性能、智能化方向发展；功能上：向小型化、轻型化、多功能方向发展;层次上：向系统化、复合集成化方向发展。,四、机电一体化系统开发的设计思想,机电一体化系统开发要特别强调技术融合，学科交叉，一方面要求设计机械系统时，应选择与控制系统的电气参数相匹配的机械系统参数；同时也要求设计控制系统时，应根据机械系统的固有结构参数来选择和确定电气参数。综合应用机械技术和微电子技术，使二者密切结合、相互协调、相互补充，从分体现机电一体化的优越性。,五、机电一体化系统设计方法,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。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。,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。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。,第五节 本课程的目的和要求,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各种性能优良的可靠的机电一体化产品或系统。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。3、掌握机电一体化系统设计中常用的机械系统设计、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与设计。,
