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1、機電一體化系統(tǒng)設計,課程說明,機電一體化系統(tǒng)設計課程是一門專業(yè)方向課。本課程從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，利用機械技術和電子技術，通過機電有機結合構造最佳的機電系統(tǒng)。 （并不是簡單的疊加，綜合應用了各種技術） 先修課程：機械設計，電子技術，電工技術，機電傳動與控制，微機原理與應用等。,,教學的基本要求包括： 1學習機電一體化基本概念，理解機電一體化系統(tǒng)中各結構要素在系統(tǒng)中的作用和相互關系，初步建立機電產品的系統(tǒng)化設計思想。 2機電一體化系統(tǒng)功能設計 主要包括：設計過程中技術系統(tǒng)的選用，功能的設計方法、評價決策，以洗衣機為例進行了詳細的介紹；快速成型技術的介紹；現(xiàn)代物流系統(tǒng)的分析 3.機電一體化系統(tǒng)結構的設
2、計（整體布局、運動設計、結構設計） 4.機電一體化系統(tǒng)控制系統(tǒng)的設計 以數(shù)控機床和自動化立體倉庫為例。 5.機電一體化信息系統(tǒng)的設計（比如人機界面） 6.機電一體化系統(tǒng)的可重構設計,什么是機電一體化? 機電一體化又稱為機械電子學,其英文名稱為Mechatronics,由機械學(Mechanics)的前一半和電子學(Electronics)的后一半組成. 由英文名稱亦可知,機械電子學早期是由機械學和電子學衍生出來的子學科(1971年日本雜志機械設計的副刊首次使用).,1.1 基本概念, 機電一體化定義（內涵） 機電一體化概念的內涵目前國內外尚沒有完全統(tǒng)一的表述。一般認為：機電一體化是以機械學
3、、電子學和信息科學為主的多門學科在機電產品發(fā)展過程中相互交叉、相互滲透而形成的一門新興邊緣性技術學科。,1 機電一體化已經發(fā)展為一門獨立學科 它融合了機械學、電子學、信息科學等學科的知識與發(fā)展成果，但其本身又具有自身的特點及研究任務。,機電一體化的3重含義,2 機電一體化是一個不斷發(fā)展中的概念,早期： 主要強調機械與電子的結合，即將電子技術“溶入”到機械技術中而形成新的技術與產品。,現(xiàn)代：（P3） 以計算機技術、通信技術和控制技術為特征的信息技術取得了長足的發(fā)展，信息技術不斷“滲透”到機械技術中，豐富了機電一體化的含義?，F(xiàn)在，機電一體化已不再局限于機械、電子與信息技術的結合，還包括光機
4、電一體化（融入光學技術的發(fā)展成果）、機電氣一體化、機電液一體化、機電儀一體化等。,機電一體化的3重含義,3 機電一體化體現(xiàn)了技術之間相互融合的思想 強調各種技術在機電產品中的相互協(xié)調，以達到系統(tǒng)總體最優(yōu)。其主要發(fā)展特點是“取人所長，為己所用”。,機電一體化的3重含義,機電一體化包含機電一體化技術和機電一體化產品(系統(tǒng)) 兩個方面。, 機電一體化概念的外延,機電一體化技術是從系統(tǒng)工程的觀點出發(fā)（其建立在信息論、控制論和系統(tǒng)論基礎上），將機械、電子和信息等有關技術有機結合起來，以實現(xiàn)系統(tǒng)或產品整體最優(yōu)的綜合性技術。 機電一體化技術主要包括技術原理和使機電一體化產品（或系統(tǒng)）得以實現(xiàn)、使用和發(fā)
5、展的技術。 機電一體化技術是一個技術群（族）的總稱，包括檢測傳感技術、信息處理技術、伺服驅動技術、自動控制技術、機械技術及系統(tǒng)總體技術等。,機電一體化技術,機電一體化產品有時也稱為機電一體化系統(tǒng)，它們是兩個相近的概念，通常機電一體化產品指獨立存在的機電結合產品，而機電一體化系統(tǒng)主要指依附于主產品的部件系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)實際上也是機電一體化產品。 機電一體化產品是由機械系統(tǒng)（或部件）與電子系統(tǒng)（或部件）及信息處理單元（硬件和軟件）有機結合、而賦予了新功能和新性能的高科技產品。,機電一體化產品（系統(tǒng)）,典型的機電一體化產品(系統(tǒng))有：數(shù)控機床、機器人、汽車電子化產品、智能化儀器儀表、電子排版印刷
6、系統(tǒng)、CADCAM系統(tǒng)等。,由于在機械本體中“溶入”了電子技術和信息技術，與純粹的機械產品相比，機電一體化產品的性能得到了根本的提高，具有滿足人們使用要求的最佳功能。,機電一體化產品（系統(tǒng)）,數(shù) 控 銑 床,,數(shù)控車床,,焊接機器人,,汽車防抱死系統(tǒng)(ABS),機電一體化系統(tǒng)的層次,機電一體化系統(tǒng)是一個技術系統(tǒng)，按其功能的復雜程度可分為三個層次：,1）單機系統(tǒng)：比如各種數(shù)控機床、機器人 2）由單機和運輸?shù)仍O備組成的加工、裝配、儲存等制造系統(tǒng)，比如：FMS、FMC 3) 由制造系統(tǒng)和規(guī)劃管理系統(tǒng)組成的集成系統(tǒng)，比如：CIMS,1.3 機電一體化系統(tǒng)的構成,,,1.3 機電一體化系統(tǒng)的構成,,1、
7、機械本體,機械本體包括機架、機械連接、機械傳動等。所有的機電一體化系統(tǒng)都含有機械部分，它是機電一體化系統(tǒng)的基礎，起著支撐系統(tǒng)中其它功能單元，傳遞運動和動力的作用。,要求： 高效、多功能、可靠、節(jié)能、小型、輕量、美觀等。,1.3 機電一體化系統(tǒng)的構成,,2、動力源,動力源是機電一體化產品能量供應部分，其作用就是按照系統(tǒng)控制要求向機器系統(tǒng)提供能量和動力使系統(tǒng)正常運行。提供能量的方式包括電能、氣能和液壓能，以電能為主。,要求：效率高、可靠性好,1.3 機電一體化系統(tǒng)的構成,,3、檢測傳感裝置,檢測傳感部分包括各種傳感器及其信號檢測電路，其作用就是監(jiān)測機電一體化系統(tǒng)工作過程中本身和外界環(huán)境有關參量的變
8、化，并將信息傳遞給電子控制單元，電子控制單元根據(jù)檢測到的信息向執(zhí)行器發(fā)出相應的控制指令。,要求： 傳感器精度、靈敏度、響應速度和信噪比高；漂移小、穩(wěn)定性高；可靠性好，抗干擾性好等。,1.3 機電一體化系統(tǒng)的構成,,4、電子控制單元,ECU是機電一體化系統(tǒng)的核心，負責將來自各傳感器的檢測信號和外部輸入命令進行集中、存儲、計算、分析，根據(jù)信息處理結果，按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應的指令，控制整個系統(tǒng)有目的地運行。 ECU由硬件和軟件組成，系統(tǒng)硬件一般由計算機、可編程控制器(PLC)、數(shù)控裝置以及邏輯電路、AD與DA轉換、I0 接口和計算機外部設備等組成；系統(tǒng)軟件為固化在計算機存儲器內的信息處理和控
9、制程序，根據(jù)系統(tǒng)正常工作的要求編寫。,要求：高速、可靠、抗干擾、系統(tǒng)自診斷功能、信息處理智能化和小型、輕量、標準化,1.3 機電一體化系統(tǒng)的構成,,執(zhí)行器的作用是根據(jù)電子控制單元的指令驅動機械部件的運動。執(zhí)行器是運動部件，通常采用電力驅動、氣壓驅動和液壓驅動幾種方式。,1.3 機電一體化系統(tǒng)的構成,,5、執(zhí)行器,要求： 執(zhí)行器效率高、響應速度快，對水、油、溫度、塵埃等外部環(huán)境的適應性好，可靠性高、標準化。,,1.3 機電一體化系統(tǒng)的構成,,,1.4 共性關鍵技術,1 檢測傳感技術 2 信息處理技術 3 自動控制技術 4 伺服驅動技術 5 機械技術 6 系統(tǒng)總體技術,,1、檢測傳感技術,作用：
10、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（即變送器）,要求：能快速、精確地獲得信息并在相應的應用環(huán)境中具有高可靠性。,1.4 共性關鍵技術,2、信息處理技術,,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,關于軟件及控制算法方面的技術，主要以控制理論為指導，對控制系統(tǒng)設計、仿真、現(xiàn)場調試、可靠運行等。,,1.4 共性關鍵技術,4、伺服驅動技術,執(zhí)行元件種類：電動、液壓、氣壓,研究對象：執(zhí)行元件及其驅動裝置,驅動裝置：各種電動機的驅動電源電路,實現(xiàn)機電一體化產品的主功能和構造功能，影響系統(tǒng)的結構、重量、體積、剛性、可靠性等。,5、機械技術,,1
11、.4 共性關鍵技術,6、系統(tǒng)總體技術 系統(tǒng)總體技術是一種從整體目標出發(fā)，用系統(tǒng)工程的觀點和方法，將系統(tǒng)各個功能模塊有機的結合起來，以實現(xiàn)整體最優(yōu)。其重要內容為接口技術。接口包括電氣接口、機械接口、人機接口 （第五章信息流的設計）,,1.4 共性關鍵技術,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、提高效率 以數(shù)控機床為例，高速的DSP處理器芯片及精確的運動控制算法是實現(xiàn)機床多軸聯(lián)動曲面異型體工件加工的基礎，實現(xiàn)了傳統(tǒng)機床永遠無法實現(xiàn)的目標，是對機床性能的提高和功能的擴展。 數(shù)控加工中心能夠實現(xiàn)一次裝夾，多工位同時加工，提高了設備的效率。另外，多軸聯(lián)動的數(shù)控機床在模具加工方面
12、也有相當大優(yōu)勢，可以通過程序控制實現(xiàn)模具的批量生產，模具的虛擬加工與調試等。,1.6 機電一體化對機械工業(yè)的影響,,2 簡化結構,3 提高可靠性 在提高電子元件質量、可靠性的前提下，機電一體化產品可以提高耐久性，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，過載和失控保護、停電保護等對策，提高了設備的安全可靠性。,1.6 機電一體化對機械工業(yè)的影響,,4 節(jié)約能源 變頻調速技術的廣泛應用大大減少了風機、水泵、空調壓縮機的能源消耗。,1.6 機電一體化對機械工業(yè)的影響,,5 操作改善 利用計算機軟件提供的友好人機界面，可以方便操作人員對機械裝備狀態(tài)的監(jiān)測、控制。,1.6
13、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21世紀機電一體化技術發(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上，吸收人工智能、運籌學、計算機科學、模糊數(shù)學、心理學、生理學和混沌動力學等新思想、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。,2 標準化 由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多，研制和開發(fā)具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、環(huán)境接口的機電一體化產品單元是一項十分復雜但又是非
14、常重要的事。這需要制定各項標準，以便各部件、單元的匹配和接口。由于利益沖突，近期很難制定國際或國內這方面的標準，但可以通過組建一些大企業(yè)逐漸形成。顯然，從電氣產品的標準化、系列化帶來的好處可以肯定，無論是對生產標準機電一體化單元的企業(yè)還是對生產機電一體化產品的企業(yè)，規(guī)模化將給機電一體化企業(yè)帶來美好的前程。,1.7 機電一體化的發(fā)展趨勢,,3 網絡化 基于網絡通信技術的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)已經成為工業(yè)自動化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢；各種遠程故障監(jiān)測、診斷與維護系統(tǒng)的發(fā)展提高了機電設備的運行可靠性、可控性和可維護性，提高了資源和設備的利用率等；基于“藍牙”技術的智能家用電器將帶來人們生活方式的極大改變。,1.
15、7 機電一體化的發(fā)展趨勢,,4 微型化 微型化興起于20世紀80年代末，指的是機電一體化向微型機器和微觀領域發(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的機電一體化產品，并向微米、納米級發(fā)展。 微機電一體化產品體積小 、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，微機電一體化產品的加工采用精細加工技術，即超精密技術，它包括光刻技術和蝕刻技術兩類。,1.7 機電一體化的發(fā)展趨勢,,5 系統(tǒng)化 系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結構進一步采用開放式和模式化的總線結構。系統(tǒng)可以靈活組態(tài)，進行任意剪裁和
16、組合，同時尋求實現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調控制和綜合管理。表現(xiàn)之二是通信功能的大大加強，一般除RS232外，還有RS485等。（可重構系統(tǒng)）,1.7 機電一體化的發(fā)展趨勢,,機電一體化系統(tǒng)的四視圖設計,傳統(tǒng)機械主要是由機械結構完成其功能，其設計主要是結構設計，在描述和設計傳統(tǒng)機械時，表達機械結構主要采用三視圖。而現(xiàn)代機械系統(tǒng)是由計算機信息系統(tǒng)協(xié)調控制的機電一體化系統(tǒng)，三視圖不足以表達機電一體化系統(tǒng)，采用四視圖設計來設計機電一體化系統(tǒng)，包括：功能視圖、結構視圖、控制視圖和信息視圖。,機電一體化系統(tǒng)概念設計的四視圖,1、 功能視圖,所謂功能視圖就是對機電一體化系統(tǒng)的基本功能和為實現(xiàn)基本功能的技術原理的描述與設計。,功能視圖主要包括以下內容：,（1）功能組成圖；,（2）主功能的功能原理圖；,（3）形態(tài)矩陣圖。 （4）進行方案的比較選擇，形成優(yōu)化的技術系統(tǒng),2、結構視圖,結構視圖主要包括以下內容：,（1）總體布局圖；,（2）傳動系統(tǒng)圖；,（3）特殊結構的原理圖。,3、控制視圖,控制視圖包括：,（1）機電一體化單元；,（2）控制器結構框圖。,4、信息視圖,
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