机电一体化全解课件.ppt

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1、二、机电一体化的概念,1.1 概述,定义：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成系统的总称。,机械的主功能是指机械的结构功能、承载功能、传动功能。,机电一体化涵盖技术和产品两个方面。,机电一体化与机械电气化的区别？,机电一体化产品与传统机电产品的区别？,思考题,1.2 机电一体化系统的组成,一、功能组成,机电一体化系统是由若干具有特定功能的机械与微电子要素组成的有机整体，具有满足人们使用要求的功能(目的功能)。,图 机电一体化系统的主功能,三大“目的功能”：变换(加工、处理)功能;传递(移动、输送)功能;储存(保持

2、、积累、记录)功能。,根据不同的使用目的，要求系统能对输入的物质、能量和信息(即工业三大要素)进行某一处理，输出所需要的物质、能量和信息。,1.2 机电一体化系统的组成,一、功能组成,图 机电一体化系统的内部功能,不管那类系统（或产品），其系统内部必须具备如图所示的五种内部功能，即主动能、动力功能、检测功能、控制功能、构造功能。,构造功能,1.2 机电一体化系统的组成,二、构成要素,机械部分是主体，这不仅由于机械本体是系统重要的组成部分，而且系统的主要功能必须要由机械装置来完成，否则就不能称其为机电一体化产品。,构成机电一体化系统的几个部分并不是并列的。,需要注意几点：,机电一体化的核心是电子

3、技术，这电子技术包括微电子技术和电力电子技术，但重点是微电子技术，特别是微型计算机或微处理器。,机电一体化将工业产品和过程都作为一个完整的系统看待，因此强调各种技术的协同和集成，不是将各个单元或部件简单拼凑到一起。,机电一体化贯穿于设计和制造的全过程中。,1.3 机电一体化系统的分类,（1）数控机械类（2）电子设备类（3）机电结台类（4）电液伺服类（5）信息控制类,按机电一体化产品的功能划分为,按机电一体化产品的用途划分为,（1）产业机械（2）信息机械（3）民生机械,按机电技术的结合程度划分为,（1）功能附加型（2）功能替代型（3）机电融合类,还可以按产品的服务对象领域和对象划分；也可以从控制

4、的角度划分；等等。,1.4 机电一体化的优点和效益,功能增多；体积减少；重量减轻；可靠性提高；性能价格比大大改善。,与传统的机电产品相比，机电一体化产品具有高的功能水平和附加值，它将给开发生产者和用户带来社会经济效益。,机电一体化的效果：,1.6 机电一体化的发展,（1）智能化（2）模块化（3）网络化（4）微型化（5）绿色化（6）人性化,机电一体化的主要发展方向如下：,总之，机电一体化的发展前景：,性能上,功能上,层次上,高精度、高效率、高性能、智能化,系统化、集成复合化,小型化、轻型化、多功能,2.1 精密机械技术,机电一体化对机械系统的基本要求,精度直接影响产品的质量，机电体化机械系统的高

5、精度是其首要的要求。如果机械系统的精度不能满足要求，则无论机电体化产品其它系统工作再精确，也无法完成其预定的机械操作。,高精度,即是要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的任务之间的时间间隔短。这样系统才能精确地完成预定的任务要求。,快速响应,机电一体化系统要求其机械装置在温度、振动等外界干扰的作用下依然能够正常稳定的工作。即系统抵御外界环境的影响和抗干扰能力强。,良好的稳定性,2.1 精密机械技术,机械系统的组成,一、传动机构,二、导向机构,三、执行机构,机电一体化机械系统中的传动机构不仅仅是转速和转矩的变换器，而是已成为伺服系统的一部分，它要根据伺服控制的要求进行选择设计，以满足整个机械

6、系统良好的伺服性能。,导向机构的作用是支承和导向，为机械系统中各运动装置能安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障，一般指导轨、轴承等。,执行机构是用以完成操作任务的直接装置。执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的操作。,四、轴系,五、机座或机架,2.1 精密机械技术,一、机械传动机构,滚珠丝杠副的典型结构类型,按螺纹滚道截面形状分,按滚珠的循环方式,按消除轴向间隙的调整方法,单圆弧型,双圆弧型,内循环,外循环,端盖式外循环,插管式外循环,双螺母螺纹调隙预紧式,双螺母垫片调隙预紧式,双螺母齿差调隙预紧式,单螺母增大滚珠直径法,单螺母偏置导程法,2.1 精密机械技术,二、机械导向

7、机构,导轨的基本要求,导向精度（要求）,导轨的刚度（要求）,耐磨性,低速运动平稳性,对温度变化的不敏感性,结构工艺性,疲劳和压溃,2.1 精密机械技术,二、机械导向机构,导轨的分类,按接触面的摩擦性质可分为,按其结构特点分为,2.1 精密机械技术,二、机械导向机构,导轨副的设计内容与步骤,1）依据导轨副使用的工作条件，选择合理的结构形式。,2）选择导轨副的截面形状，保证导轨的导向精度。,3）选择导轨的具体结构及尺寸参数。,4）选择导轨的误差自动补偿或调整装置。,5）选用合理的耐磨材料、润滑方法以及防护装置。,6）制定必要的技术条件（关重件的制造工艺规范、装配调整技术条件、检测验收技术条件、使用

8、维护操作规范、维修维护工艺流程与规范等）。,2.1 精密机械技术,四、轴系,轴系设计的基本要求,（1）旋转精度,（2）刚度,（3）抗振性,（4）热变形,（5）轴上零件的布置,（6）轴系的驱动方法,轴系的分类、特点和结构形式,2.2 传感检测技术,能将各种非电物理量转换成电量的传感器及其应用技术便成为机电一体化技术系统中不可缺少的组成部分。,传感器技术是现代检测和自动化技术的重要基础之一，机电一体化系统的自动化程度越高，对传感器的依赖性也就越大。,传感器是整个设备的感觉器官，其性能好坏直接影响到工作机械的运动性能、控制精度和智能水平。,2.2 传感检测技术,四、传感器的选用,传感器千差万别，测量

9、同一种测定量，可以采用不同工作原理的传感器。选用时从以下几个方面考虑：,测量条件,测量的目的；测定量的选定；测量的范围；输入信号的带宽；要求的精度；测量所需时间等,精度；响应速度；稳定性；模拟还是数字信号；输出量及电平；被测对象特征的影响；校准周期；过载输入保护等,放置的场所；环境（温度、湿度、振动）；测量的时间（寿命周期）；传输距离；与设备连接方式；供电电源；价格,传感器性能,传感器的使用条件,2.2 传感检测技术,五、改善传感器性能的一些技术措施,平均技术,差动技术,稳定性处理,屏蔽和隔离,结构、材料与参数的合理选择,零示法、微差法与闭环技术,补偿与校正,集成化、智能化与信息融合,2.2

10、传感检测技术,七、传感器的测量电路,在机电一体化系统中，传感器获取系统的有关信息并通过检测系统进行处理，以实施系统的控制。,通常，这种电量信号很微弱，需要由中间转换电路进行放大、调制解调、AD、DA转换等处理以满足信号传输、微机处理的要求，根据需要还必须进行必要的阻抗匹配、线性化及温度补偿等处理。,模拟型测量电路,数字型测量电路,开关型测量电路,测量电路,放大电路,调制与解调电路,A/D、D/A转换电路,转换电路,电桥,2.3 伺服驱动技术,二、伺服系统的分类,1、按被控量参数特性分类,可分为位移、速度、力矩等各种伺服系统。其它系统还有温度、湿度、磁场、光等各种参数的伺服系统,2、按驱动元件的

11、类型分类,按驱动元件的不同可分为电气伺服系统、液压伺服系统、气动伺服系统。电气伺服系统根据电机类型的不同又可分为直流伺服系统、交流伺服系统和步进电机控制伺服系统。,3、按控制原理分类,可分为开环控制伺服系统、闭环控制伺服系统和半闭环控制伺服系统。,2.4 自动控制技术,古典控制理论是以传递函数为基础的一种控制理论，控制系统的分析与设计是建立在某种近似的或试探的基础上的。,就控制理论的发展而言，大体可以分为三个发展阶段，即古典控制理论阶段、现代控制理论阶段和智能控制理论阶段。,现代控制理论是建立在状态空间上的一种分析方法，它的数学模型主要是状态方程，控制系统的分析与设计可以说是精确的。,智能控制

12、是近年来发展起来的一种控制理论，它包括最优控制、神经网络控制、模糊控制等。,2.4 自动控制技术,一、计算机控制系统,计算机控制系统的组成,硬件+软件,硬件组成包括主机，外部设备，过程输入输出设备,2.4 自动控制技术,一、计算机控制系统,计算机控制系统的工作原理,（1）实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入；（2）实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。（3）实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。,2.4 自动控制技术,一、计算机控制系统,计算机控制系统的典型形式,（1）操作指导控制系

13、统,（2）直接数字控制（Direct Digital Control）系统,（3）监督控制（Supervisory Computer Control)系统,（4）分散型控制系统（Distributed Control System),（5）现场总线控制系统（Fieldbus Control System),2.4 自动控制技术,一、计算机控制系统,计算机控制系统的设计思路,（1）确定系统总体控制方案,（2）确定控制算法,（3）微型计算机选择,（4）控制系统总体设计（技术设计）,（5）软件设计,（6）系统调试,2.4 自动控制技术,二、数字PID控制算法,P（Proportional）：控制作用

14、的强弱及响应速度,I（Integral）：消除稳态误差，提高控制精度,D（Differential）：减小超调，提高动特性及控制精度,PID控制器传递函数：,2.4 自动控制技术,三、可编程控制器（PLC）,PLC的常用编程语言,1)梯形图(LAD),从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。,2）指令表(STL),类似于计算机中的助记符语言。,3）顺序功能流程图(SFC),一种图形化的编程方法，亦称功能图。,2.4 自动控制技术,三、可编程控制器（PLC）,S7-200PLC主要编程元件,输入继电器（I）输出继电器（Q）通用辅助继电器（M）特殊标志继电器（SM）变量存储器（V）局部变量存储器

15、（L）顺序控制继电器（S）,定时器（T）计数器（C）模拟量输入映像寄存器（AI）模拟量输出映像寄存器（AQ）高速计数器（HC）累加器（AC）,2.4 自动控制技术,三、可编程控制器（PLC）,S7-200PLC基本指令,1.标准触点指令,（1）LD：装入常开触点（LoaD）（2）LDN：装入常闭触点（LoaD Not）（3）A：与常开触点（And）（4）AN：与常闭触点（And Not）。（5）O：或常闭触点（Or）（6）ON：或常闭触点（Or Not）（7）NOT：触点取非（输出反相）（8）=：输出指令,2.4 自动控制技术,三、可编程控制器（PLC）,S7-200PLC基本指令,3.串联电

16、路块的并联指令,OLD（Or Load）：:用于串联电路块的并联连接。,4.并联电路块的串联指令,ALD（And Load）:用于并联电路块的串联连接。,LD I0.0O I0.1,LD M0.0A M0.1LDN M0.2A M0.3OLDALD=Q0.0,二、系统仿真的基本概念,3.1 概述,系统仿真，就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。,定义,实质,(1)它是一种对系统问题求数值解的计算技术。,(2)仿真是一种人为的试验手段。,(3)

17、仿真可以比较真实地描述系统的运行、演变及其发展过程。,二、系统仿真的基本概念,3.1 概述,计算机仿真的基本内容,计算机仿真的三要素,（a）系统：研究的对象,（b）模型：系统的抽象,（c）计算机：工具与手段,基本步骤：,建模、仿真实验、结果分析,一、Simulink 概述,3.3 MATLAB/Simulink环境下的建模与仿真,Simulink基本模块,Simulink 把功能块分别放置若干个库中，如：,源模块库(Sources)输出显示库(Sinks)离散模块库(Discrete)连续模块库(Continuous)非线性模块库(Nonlinear)数学函数库(Math)通用函数及列表库(F

18、unctions and Tables)信号处理及系统类模块库(Signal and Systems)子系统模块库(Subsystems)。,4.1 概述,二、电磁兼容技术的有关定义,电磁兼容性（EMC）,是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。,电磁干扰 EMI(electromagnetic interference),电磁耐受性 EMS(electromagnetic susceptibility),4.1 概述,二、电磁兼容技术的有关定义,电磁干扰(EMI),是指系统在工作过程中出现的一些与有用信号无关的、并且对系统性能或信号传输有

19、害的电气变化现象。,导体及无线电辐射干扰,传输介质或转换,接收或敏感元件,图 电磁干扰基本模型,4.1 概述,二、电磁兼容技术的有关定义,电磁敏感度(EMS),是指机器在执行应有功能的过程中不受周围电磁环境影响的能力。是设备暴露在电磁环境下所呈现的不希望有的响应程度。即设备对周围电磁环境敏感程度的度量。电磁敏感意味着电磁环境已经造成设备性能的降低。,4.2 电磁干扰的形式和途径,一、电磁干扰的分类,常见的各种电磁干扰根据干扰的现象和信号特征不同有不同的分类方法。,4.2 电磁干扰的形式和途径,二、电磁噪声的耦合途径,干扰源对电子设备的干扰通过一定耦合形式进行，无论是内部干扰或是外部干扰，都是通

20、过“路”（传输线路或电路）或“场”（静电场或交变电磁场）耦合到被干扰设备中。,噪声？干扰？,电磁噪声传导耦合,传导耦合是骚扰源与敏感设备之间的主要耦合途径之一.,传导耦合必须在骚扰源与敏感设备之间存在有完整的电路连接,电磁骚扰沿着这一连接电路从骚扰源传输电磁骚扰至敏感设备,产生电磁干扰.,按耦合方式可分为电路性耦合、电容性耦合、电感性耦合。,常见的传导耦合有直接传导耦合、公共阻抗耦合、共模与差模电流等。,4.2 电磁干扰的形式和途径,二、电磁噪声的耦合途径,串扰,当若干信号平行且距离很近时，由于线间互感和互容的存在，在相邻信号线之间产生的干扰，通称为串扰。,浪涌,也叫突波，顾名思义就是超出正常

21、工作电压的瞬间过电压。本质上讲，浪涌是发生在仅仅几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲。,4.3 常用的干扰抑制技术,四、隔离技术,五、浪涌吸收器,一、屏蔽技术,二、接地技术,三、滤波技术,六、软件的抗干扰,4.3 常用的干扰抑制技术,一、屏蔽技术,利用导电或导磁材料制成的盒状或壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围起来从而割断或削弱干扰场的空间耦合通道，阻止其电磁能量的传输。,按需屏蔽的干扰场的性质不同，可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。,限制内部辐射的电磁能量泄漏；,屏蔽有两个目的：,防止外来的辐射干扰进入。,4.3 常用的干扰抑制技术,电场屏蔽,屏蔽体结构应尽量完整严密并保持良好的接地。,一

22、、屏蔽技术,电场屏蔽是为了消除或抑制由于电场耦合引起的干扰。,通常用铜和铝等导电性能良好的金属材料作屏蔽体。,静电屏蔽,交变电场屏蔽,4.3 常用的干扰抑制技术,二、接地技术,安全；,接地有两个目的：,给系统提供一个基准电位。,将电路、设备机壳等与作为零电位的一个公共参考点（大地）实现低阻抗的连接，称之谓接地。,接地系统又分为保护地线、工作地线、地环路和屏蔽接地四种。,机电一体化系统设计时要综合考虑各种地线的布局和接地方法。,4.3 常用的干扰抑制技术,六、软件的抗干扰,软件抗干扰是属于微机系统的自身防御行为。采用软件抗干扰的最根本的前提条件是：系统中抗干扰软件不会因干扰而损坏。,数据采样的抗

23、干扰设计,（1）抑制工频干扰,（2）数字滤波,中位值平均滤波法,中位值滤波法,递推平均滤波法,宽度判断抗尖峰脉冲干扰,重复检查法,偏差判断法,程序运行失常的软件抗干扰设计,（1）软件“陷井”,（2）软件“看门狗”（WTD技术）,5.2 智能控制的知识工程基础,四、知识的处理,推理的方式和分类,（1）演绎推理,（2）归纳推理,归纳推理与演绎推理的区别和联系,（3）非单调推理,从全称判断推出特称判断或单称判断的过程，即从一般到个别的推理。,从足够多的实例中归纳出一般性结论的推理过程，是一种从个别到一般的推理过程。,前提与结论的联系性质不同；前提与结论所断定的知识范围不同；思维的进程不同。,5.3

24、专家控制系统,一、专家系统,基于专家控制的原理所设计的系统或控制器，分别称为专家控制系统或专家控制器。,所谓专家控制，是把专家系统的理论和技术同控制理论、方法与技术相结合，在未知环境下，效仿专家的智能，实现对系统的控制。,专家系统是一种计算机程序，是基于知识的智能程序，是以专家的水平来完成一些重要问题的计算机应用系统，其知识库存有相当数量的权威性知识，并能运用这些知识解决特定领域内实际问题。它拥有某个领域内专家的知识经验，并能模拟专家运用这些知识，通过推理作出智能决策。,6.2 机电一体化系统的产品规划,二、需求设计,需求设计是指新产品开发的整个生命周期内，从分析用户需求到以详细技术说明书的形

25、式来描述满足用户需求产品的一个子过程。需求设计是连接市场和企业的一个桥梁。,通过对用户的需求进行理论抽象，明确设计目标，确定产品的规格、性能参数。,机电一体化的主要技术指标是能够基本反映出该系统的概貌与特征的一些项目，技术指标既是设计的基本依据又是检验产品质量的基本依据。,6.3 机电一体化系统的概念设计,概念设计是由分析用户需求到生成概念产品的一系列有序的、可组织的、有目标的设计活动，它表现为一个由粗到精、由模糊到清晰、由具体到抽象的不断进化的过程。概念设计即是利用设计概念并以其为主线贯穿全部设计过程的设计方法。,概念设计是产品设计过程中最重要、最复杂、最不确定的设计阶段，也是产品形成价值过

26、程中最有决定意义的阶段，它是设计理论中研究的热点。,6.3 机电一体化系统的概念设计,一、概念设计的内涵和特征,概念产品的定义,概念产品是关于产品总体性能、结构、形状、尺寸和系统性特征参数的描述；是根据市场需求和产品定位而对产品进行的规划和定位；是形式产品设计的依据，并用以验证和评估对市场需求的满足程度，以便制定企业所期望的商业目标。概念产品不是直接用于生产、营销、服务的终端产品，它是对设计目标的第一次结构化的、基本的、粗略的，但却是全面的构想，它描绘了设计目标的基本方向和主要内容。,可竞争性、可制造性、经济性是概念产品的企业属性，主要尺寸、形状、功能描述则是概 念产品的用户属性。,6.3 机

27、电一体化系统的概念设计,一、概念设计的内涵和特征,概念设计的基本特征,（1）独创性（2）抽象性（3）探索性（4）先进性,(5)多样性(6)层次性,（7）概念设计阶段区别于其它设计阶段显著特点,6.4 机电一体化系统接口设计,一、概述,接口的分类,（1）根据接口的变换和调整功能特征分类,零接口、被动接口、主动接口、智能接口,（2）根据接口的输入/输出功能的性质分类,信息接口、机械接口、物理接口、环境接口,（3）按照所联系的电子系统不同分类,人机接口、机电接口,6.5 机电一体化系统的造型与环境设计,一、艺术造型设计,艺术造型的基本要求,1）布局清晰；2）结构紧凑；3）简单；4）统一与变化；5）功

28、能合理；6）体现新材料和新工艺。,6.5 机电一体化系统的造型与环境设计,一、艺术造型设计,艺术造型设计的要点,1）稳定性2）运动特性3）轮廓4）简化5）色调,6.6 机电一体化系统的评价与决策,一、系统的评价,评价的常用方法,排队打分法,体操计分法,专家评分法,层次分析法,6.6 机电一体化系统的评价与决策,二、系统的决策,系统决策的概念,决策，是为了实现某一目的而从若干个可行方案中选择一个满意方案的分析判断过程。,决策活动的特点,1）目标性2）选择性3）优化性4）风险性,6.6 机电一体化系统的评价与决策,二、系统的决策,系统决策的过程,1）识别问题2）确定决策标准3）给每个标准分配权重4

29、）拟定方案5）分析方案6）选择方案7）实施方案8）评价决策效果,6.7 机电一体化系统的试制与调试,系统调试的一般规律,先调试模块，后调试系统；先调试子功能，再调试总功能；先模拟调试，后在线调试；先静态调试，后动态调试；,故障诊断的一般步骤,1）观察和记录故障发生时系统的异常状态2）直接观察外观异常特性3）根据系统工作原理，综合软、硬件工作流程，分析导致故障的原因4）压缩产生故障的区域5）重复上述过程，找到故障的模块、元器件、零部件或故障点,6.8 机电一体化系统的现代设计方法,一、可靠性设计,可靠性是指产品或系统在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。,可靠性的指标,a可靠度R（t）b失效率（故障率）（t）c平均寿命d维修度e修复率f有效性（可用率）g耐久性,6.8 机电一体化系统的现代设计方法,一、可靠性设计,可靠性的分解与综合,分解原则：技术水平、复杂程度、重要程度、任务情况等。,（1）可靠性指标的分解,等分配法按加权分配法 综合评分分配法 动态规划分配法,分解方法：,