1、.,機電一體化系統(tǒng)設(shè)計,機電工程學(xué)院 何社陽,.,第1章 緒論,1.1 機電一體化基本概念 1.2 機電一體化發(fā)展概況 1.3 機電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成 1.4 機電一體化共性關(guān)鍵技術(shù) 1.5 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 1.6 機電一體化對機械工業(yè)的影響 1.7 機電一體化的發(fā)展 1.8 本課程要求和主要參考書,.,1.1 基本概念,機電一體化：在機械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進微電子技術(shù)，并將機械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。 體現(xiàn)了一體化、柔性化及智能化特征。 機電一體化不是機械 與電子簡單的疊加，而 是在信息論、控制論和 系統(tǒng)論的基礎(chǔ)上建立起 來的應(yīng)用技術(shù)。,.

2、,機電一體化技術(shù)構(gòu)成和應(yīng)用領(lǐng)域,.,機電一體化一般包含機電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))和機電一體化技術(shù)兩層含義。 典型的機電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))有：數(shù)控機床、機器人、汽車電子化產(chǎn)品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統(tǒng)、CADCAM系統(tǒng)等。 機電一體化技術(shù)的內(nèi)容 :關(guān)鍵技術(shù)有：檢測傳感、信息處理、伺服驅(qū)動、自動控制、機械和系統(tǒng)總體技術(shù)等等。,.,數(shù) 控 銑 床,.,數(shù)控車床,.,焊接機器人,.,汽車防抱死系統(tǒng)(ABS),.,1.2 發(fā)展概況,.,1. 20世紀(jì)60年代前為第一階段，“萌芽階段” 工程師們自覺或者不自覺地把機械產(chǎn)品和電子技術(shù)相結(jié) 合，以提高機械產(chǎn)品的性能。但是由于電子技術(shù)的發(fā)展相對 落后，使得機

3、械與電子的結(jié)合還沒有得到廣泛的應(yīng)用。 2. 70年代到80年代為第二階段，“蓬勃發(fā)展階段” 計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機電一體 化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。這個時期的特點： 日本人把“mechanic”和“electronics”組合在一起發(fā)明了“mechatronics”這個單詞，大約到20世紀(jì)80年代末期在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認(rèn)； 機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展； 各國開始對機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品給以很大的關(guān)注和支持。,.,3. 90年代后期開始為第三階段，“智能化階段” 光學(xué)、通信技術(shù)等進入了機電一體化，微細加工技術(shù)也在機電一體化中嶄露頭腳，出現(xiàn)了光機電一體化和微機電一

4、體化等新分支； 對機電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計、分析和集成方法，機電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢都進行了深入研究。 由于人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光纖技術(shù)等領(lǐng)域取得的巨大進步，為機電一體化技術(shù)開辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，將促使機電一體化進一步建立完整的基礎(chǔ)和逐漸形成完整的科學(xué)體系。,.,1. 數(shù)控機床的問世，寫下了“機電一體化”歷史的第一頁。 2. 微電子技術(shù)為“機電一體化”帶來勃勃生機。 3. 可編程序控制器、電力電子等的發(fā)展為“機電一體化”提供了堅強基礎(chǔ)。 4. 激光技術(shù)、模糊技術(shù)、信息技術(shù)等新技術(shù)使“機電一體化”躍上新臺階。,.,1.3 機電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成,.,1.3 機電一體化系統(tǒng)的

5、構(gòu)成,.,機電一體化系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu),.,1、機械本體,機身、框架、機械聯(lián)接等產(chǎn)品支持機構(gòu)，實現(xiàn)構(gòu)造功能。,要求：可靠、小型、美觀、經(jīng)濟,2、能源（動力）,提供能量，轉(zhuǎn)換成需要的形式，實現(xiàn)動力功能。,要求：效率高、可靠性好、經(jīng)濟,1.3 機電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成,.,3、檢測傳感裝置（傳感器檢測）,檢測產(chǎn)品內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境，實現(xiàn)計測功能。,要求：體積小、精度高、抗干擾,4、電子控制單元（控制與信息處理）,處理、運算、決策，實現(xiàn)控制功能。,要求：高可靠性、柔性、智能化,1.3 機電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成,.,5、執(zhí)行機構(gòu)（執(zhí)行元件）,包括機械傳動與操作機構(gòu)，接收控制信息，完成要求的動作，實現(xiàn)主功能。,要求

6、：高性能、高精度、高效率,.,1.4 共性關(guān)鍵技術(shù),1 檢測傳感技術(shù) 2 信息處理技術(shù) 3 自動控制技術(shù) 4 伺服驅(qū)動技術(shù) 5 機械技術(shù) 6 系統(tǒng)總體技術(shù),.,1、檢測傳感技術(shù),作用：感受器官、反饋環(huán)節(jié)。,研究對象：傳感器及其信號檢測裝置（包括變送器）,要求：能快速、精確地獲得信息并在相應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境中具有高可靠性。,1.4 共性關(guān)鍵技術(shù),.,2、信息處理技術(shù),主要完成信息的交換、存取、運算、判斷和決策等.其主要工具是計算機。,3、控制技術(shù),關(guān)于軟件方面的技術(shù)，主要以控制理論為指導(dǎo)，對控制系統(tǒng)設(shè)計、仿真、現(xiàn)場調(diào)試、可靠運行等。,1.4 共性關(guān)鍵技術(shù),.,4、伺服驅(qū)動技術(shù),執(zhí)行元件種類：電動、液壓

7、、氣壓,研究對象：執(zhí)行元件及其驅(qū)動裝置,驅(qū)動裝置：各種電動機的驅(qū)動電源電路,實現(xiàn)機電一體化產(chǎn)品的主功能和構(gòu)造功能，影響系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、重量、體積、剛性、可靠性等。,5、機械技術(shù),1.4 共性關(guān)鍵技術(shù),.,6、系統(tǒng)總體技術(shù) 系統(tǒng)總體技術(shù)是一種從整體目標(biāo)出發(fā)，用系統(tǒng)工程的觀點和方法，將系統(tǒng)各個功能模塊有機地結(jié)合起來，以實現(xiàn)整體最優(yōu)。其重要內(nèi)容為接口技術(shù)。接口包括電氣接口、機械接口、人機接口。,1.4 共性關(guān)鍵技術(shù),.,1.5 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計,一、市場調(diào)研 二、總體方案設(shè)計 三、詳細設(shè)計 四、樣機試制與試驗 五、小批量生產(chǎn) 六、大批量生產(chǎn),.,一、市場調(diào)研,市場調(diào)研包括市場調(diào)查和市場預(yù)測。所謂市場調(diào)

8、查就是運用科學(xué)的方法，系統(tǒng)地、全面地收集所設(shè)計產(chǎn)品市場需求和經(jīng)銷方面的情況和資料，分析研究產(chǎn)品在供需雙方之間進行轉(zhuǎn)移的狀況和趨勢，而市場預(yù)測就是在市場調(diào)查的基礎(chǔ)上，運用科學(xué)方法和手段，根據(jù)歷史資料和現(xiàn)狀，通過定性的經(jīng)驗分析或定量的科學(xué)計算，對市場未來的不確定因素和條件做出預(yù)計、測算和判斷，為產(chǎn)品的方案設(shè)計提供依據(jù)。,1.5 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計,.,二、總體方案設(shè)計,1產(chǎn)品方案構(gòu)思 產(chǎn)品方案構(gòu)思完成后，以方案圖的形式將設(shè)計方案表達出來。方案圖應(yīng)盡可能簡潔明了，反映機電一體化系統(tǒng)各組成部分的相互關(guān)系，同時應(yīng)便于后面的修改。 2方案的評價 對多種構(gòu)思和多種方案進行篩選，選擇較好的可行方案進行分析組合

9、和評價，從中再選幾個方案按照機電一體化系統(tǒng)設(shè)計評價原則和評價方法進行深入的綜合分析評價，最后確定實施方案。,1.5 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計,.,三、詳細設(shè)計,詳細設(shè)計是根據(jù)綜合評價后確定的系統(tǒng)方案，從技術(shù)上將其細節(jié)逐層展開，直至完成產(chǎn)品樣機試制所需全部技術(shù)圖紙及文件的過程。,1.5 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計,.,四、樣機試制與試驗,完成產(chǎn)品的詳細設(shè)計后，即可進入樣機試制與試驗階段。根據(jù)制造的成本和性能試驗的要求，一般制造幾臺樣機供試驗使用。樣機的試驗分為實驗室試驗和實際工況試驗，通過試驗考核樣機的各種性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計要求，考核樣機的可靠性。如果樣機的性能指標(biāo)和可靠性不滿足設(shè)計要求，則要修改設(shè)計，重新

10、制造樣機，重新試驗。如果樣機的性能指標(biāo)和可靠性滿足設(shè)計要求，則進入產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)階段。,1.5 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計,.,五、小批量生產(chǎn) 產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)階段實際上是產(chǎn)品的試生產(chǎn)試銷售階段。這一階段的主要任務(wù)是跟蹤調(diào)查產(chǎn)品在市場上的情況，收集用戶意見，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計和制造方面存在的問題，并反饋給設(shè)計、制造和質(zhì)量控制部門。 六、大批量生產(chǎn) 經(jīng)過小批量試生產(chǎn)和試銷售的考核，排除產(chǎn)品設(shè)計和制造中存在的各種問題后，即可投入大批量生產(chǎn)。,1.5 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計,.,1.6 機電一體化對機械工業(yè)的影響,1 提高性能、擴展功能 今日的數(shù)控機床充分發(fā)揮計算機的威力，運用 時間序列分析和精度創(chuàng)成等理論建立數(shù)

11、學(xué)模型。 已有可能實時預(yù)報包括隨機誤差在內(nèi)的機床誤 差，然后自動校正，從而達到前所未有的精度。 采用對阻尼進行預(yù)報，一旦接近臨界值時就自動 調(diào)整切削用量，這又可能出現(xiàn)永不顫振的機床， 保證很高的生產(chǎn)率和良好的加工表面。,.,1.6 機電一體化對機械工業(yè)的影響,2 簡化結(jié)構(gòu),.,3 提高可靠性 在提高電子元件質(zhì)量、可靠性的前提下，機電一體化產(chǎn)品可以提高耐久性，減少故障率。另一方面由于賦予其自動監(jiān)視診斷功能，并采取安全聯(lián)鎖控制，過負(fù)荷和失控保護、停電對策，提高了設(shè)備的安全可靠性。,1.6 機電一體化對機械工業(yè)的影響,.,4 節(jié)約能源 例如目前我國各類電風(fēng)扇年產(chǎn)量在200萬臺左右，如每臺電扇的調(diào)速器

12、和定時器(原常用電磁機械式)用電子調(diào)速器和定時器代替，每臺風(fēng)扇可節(jié)電約5W以上，全年以用扇100天，每天開扇6h計，則每年可節(jié)約用電量600萬kWh，還可節(jié)省大批銅材和鋼材。 再如傳統(tǒng)的電焊機以電磁原理和手工操作為基礎(chǔ)，即使是一般的自動電焊機，其動作過程也僅為簡單的機械動作和相應(yīng)的控制。這類電焊機耗能多、效率低、質(zhì)量不易保證。采用微型機技術(shù)后，發(fā)展新穎的電子控制電源以取代傳統(tǒng)的焊接電源，實現(xiàn)焊接電源的節(jié)能、高效、小型化、多樣化。,1.6 機電一體化對機械工業(yè)的影響,.,5 操作改善 傳統(tǒng)的車削 數(shù)控車削,1.6 機電一體化對機械工業(yè)的影響,.,1.7 機電一體化的發(fā)展趨勢,1 智能化 智能化是

13、21世紀(jì)機電一體化技術(shù)發(fā)展的一個重要發(fā)展方向。人工智能在機電一體化建設(shè)者的研究日益得到重視，機器人與數(shù)控機床的智能化就是重要應(yīng)用。這里所說的“智能化”是對機器行為的描述，是在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運籌學(xué)、計算機科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動力學(xué)等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標(biāo)。,.,2 模塊化 由于機電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機械接口、電氣接口、動力接口、環(huán)境接口的機電一體化產(chǎn)品單元是一項十分復(fù)雜但又是非常重要的事。這需要制定各項標(biāo)準(zhǔn)，以便各部件、單元的匹配和接口。由于利益沖突，近期很難

14、制定國際或國內(nèi)這方面的標(biāo)準(zhǔn)，但可以通過組建一些大企業(yè)逐漸形成。顯然，從電氣產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化帶來的好處可以肯定，無論是對生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)機電一體化單元的企業(yè)還是對生產(chǎn)機電一體化產(chǎn)品的企業(yè)，規(guī)?；瘜⒔o機電一體化企業(yè)帶來美好的前程。,1.7 機電一體化的發(fā)展趨勢,.,3網(wǎng)絡(luò)化 20世紀(jì)90年代，計算機技術(shù)的突出成就是網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)。機電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來，只要其 功能獨到，質(zhì)量可靠，很快就會暢銷全球。由于網(wǎng) 絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠程控制和監(jiān)視技術(shù)方 興未艾，而遠程控制的終端設(shè)備本身就是機電一體 化產(chǎn)品。因此，機電一體化產(chǎn)品無疑朝著網(wǎng)絡(luò)化方 向發(fā)展。,1.7 機電一體化的發(fā)展趨勢,.,4 微型化 微

15、型化興起于20世紀(jì)80年代末，指的是機電一體化向微型機器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。國外稱其為微電子機械系統(tǒng)（MEMS），泛指幾何尺寸不超過1cm3的機電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級發(fā)展。微機電一體化產(chǎn)品體積小 、耗能少、運動靈活，在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢。微機電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機械技術(shù)，微機電一體化產(chǎn)品的加工采用精細加工技術(shù)，即超精密技術(shù)，它包括光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)兩類。,1.7 機電一體化的發(fā)展趨勢,MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是微機電系統(tǒng)的縮寫。MEMS是美國的叫法，在日本被稱為微機械，在歐洲被稱為微系統(tǒng)。 MEMS主要包括微型機構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路等幾部分，它是在融合多種微細加工技術(shù)，并應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)的最新成果的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高科技前沿學(xué)科。,.,5 系統(tǒng)化 系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進一步 采用開放式和模式化的總線結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可以靈活組 態(tài)，進行任意剪裁和組合，同時尋求實現(xiàn)多子系統(tǒng) 協(xié)調(diào)控制和綜合管理。表現(xiàn)之二是通信功能的大大 加強，一般除RS232外，還有RS485，RS422，