1机电一体化系统设计11.ppt

1、机电一体化系统设计,46学时/3学分,MechatronicsSystemDesign,必修/考试,课程性质,“机电一体化系统设计”是一门新兴的综合的学科，是将机械与电子装置有机融为一体的技术。,该课程是“机械电子工程”专业必修的一门主干专业课程，其目的是与其他相关课程一起培养机电一体化人才。,教材与参考书,考核方式,期末考核方式：闭卷笔试期末考核所占比例70平时考核占30平时作业课堂考勤课堂表现,课程任务,（1）使学生了解机电一体化特点与机电一体化的发展趋势；,（2）掌握机电有机结合的理论、机电一体化系统设计的基本规律及其关键技术的基本设计方法。,（3）树立正确的系统设计思想，培养理论联系实

2、际、调查研究、锐意创新的能力,课程先修知识,工程制图、机械原理、机械设计、制造工艺、机械装备,电工技术、电子技术、微机单片机原理与应用、机电接口技术、软件技术,控制工程基础、计算机控制技术、机电检测技术、测试信号技术、数控技术、伺服驱动技术等,第一章总论,从生产实际体会机电一体化技术,机电一体化的优点和效益,（1）生产能力和工作质量提高,（2）使用安全性和可靠性提高,（3）调整和维护方便，使用性能改善,（4）具有复合功能，使用面广,（5）改善劳动条件，有利于自动化生产,（6）节约能源，减少耗材,一、本章教学目标及要求,理解机电一体化的概念和内涵；,掌握机电一体化的五大功能和组成要素；,了解机电

3、一体化的一般设计方法。,理解机电一体化的广义接口；,第一节概述,一、机电一体化的概念和内涵,“机电一体化”是新生事物,由日本造英语Mechatronics(Mechanics和Electronics)翻译而来，关于它的确切含义各国专家、学者论点也各不相同，迄今尚无统一标准。,较为人们接受的是由日本机械振兴协会经济研究所1981年提出的解释：,1.机电一体化的概念,机电一体化乃是在机械的主功能、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构成系统的总称。,机床电器化能不能称为机电一体化？,2.机电一体化的内涵,机电一体化的内涵包括产品和技术。,典型机电

4、一体化产品：BKX-I型并联机床,一、典型机电一体化产品,并联机床加工的工件,典型机电一体化产品：飞行模拟器,典型机电一体化产品：FAST巨型球面射电望远镜(Five-hundred-meterApertureSphericalTelescope),典型机电一体化产品：工业机器人,典型机电一体化产品：特种机器人,典型机电一体化产品：RD2型铁路货车滚动轴承故障诊断仪,典型机电一体化产品：血管（大C臂）造影机,典型机电一体化产品：剥线机,典型机电一体化产品：点钞机,二、机电一体化产品的分类,1.生产用：数控机床、机器人、FMC、FMS、CIMS,2.运输包装用：电梯、包装机械、数控运输机械,3.

5、销售及银行用：自动称量机、自动售货机、自动取款机,4.家庭用：录音机、CD/VCD/DVD、全自动洗衣机、微波炉、儿童玩具,5.办公用：打印机、复印机、传真机、磁盘驱动器,6.医疗用：X-射线机、造影机、电子血压计,此外，还有航空、航天、国防、天文等及其他民用机电一体化产品，如雷达跟踪系统、射电望远镜,分类标准,机电一体化产品的分类并没有统一的标准，一件产品是否属于机电一体化产品应根据前述机电一体化定义来判断。,尽管机电一体化产品（系统）中引入了微电子（计算机）技术，但其中的机械本体仍然是主体，产品（系统）的主要功能必须由机械来完成，否则就不能称其为机电一体化产品。电子计算器，非指针式电子表等

6、主要功能是由电子器件和电路等完成，机械退居次要地位，应归属电子产品，而不是机电一体化产品。,三、机电一体化相关技术,四、机电一体化系统的功能构成及组成要素,图机电一体化系统的功能构成,1.机电一体化系统的功能构成,（1）主功能：对输入的物质、能量和信息进行预定的变换(含加工、处理)、传递(含移动、输送)和保存(含保持、存储、记录)），这些变换及其组合就构成了系统的主功能，它表明了系统的主要特征。,（2）动力功能：为系统的正常运行提供能量。,（3）计测功能：采集系统内部和外部信息。,（4）控制功能：将来自传感器的检测信息和外部输入命令进行处理并发出指令控制整个系统有目的运行。,（5）构造功能：将

7、系统各要素进行空间配置，形成统一整体。,1.机电一体化系统的功能构成,主功能：对输入的物质、能量和信息进行预定的变换(含加工、处理)、传递(含移动、输送)和保存(含保持、存储、记录)），这些变换及其组合就构成了系统的主功能，它表明了系统的主要特征。,为系统的正常运行提供能量,采集系统内部和外部信息,将来自传感器的检测信息和外部输入命令进行处理并发出指令控制整个系统有目的运行。,将系统各要素进行空间配置，形成统一整体。,系统的输入输出组成,主功能的输入输出,动力输入,控制信息的输入输出,因外部环境引起的干扰输入,非目的性输出(如废弃物等)例如汽车的废气和噪音对外部环境影响，这在系统设计中需要特别

8、注意,2.机电一体化系统的组成要素,（1）机械系统（机构）,五大要素,即机械结构部分，如数控车床的机械系统包括床身、主轴箱、尾架以及连接等。,机电一体化系统对其基本要求是轻、薄、短、小、可靠等,（2）电子信息处理系统（计算机）,五大要素,一般由计算机、可编程序控制器（PLC）、数控装置及计算机外围设备组成，如数控车床中的CPU板、CRT显示器、键盘等。,对其基本要求是：高速、可靠、智能、标准化、抗干扰能力强、自诊断功能丰富等。,（3）动力系统（动力源）,五大要素,通常有电力、液压和气压三种动力源，如数控车床用的是电能。,该部分的要求是：效率高、响应快，同时要求对水、油、温度、尘埃等外部环境有较

9、强的适应性和可靠性。,（4）传感检测系统（传感器）,五大要素,主要由传感器和仪器仪表构成，用于检测系统内、外部的参数及状态，以进行显示或位置反馈。如数控车床用直线感应同步器检测刀具的位置状态。,其要求是能快速、精确地获取信息，并能经受各种严酷环境的考验。,（5）执行元件系统（电动机等）,五大要素,工作方式有电动机、液压缸/马达、气压缸/马达三种。如数控车床刀具走刀运动就是利用步进电机驱动滚珠丝杠完成。,对其要求是：刚性高，重量轻，实现组件化，标准化和系列化，提高系统整体可靠性等。,机电一体化系统的要素与功能与人的构造及功能的关系,思考题：请划分图示系统的功能要素？,思考题：请划分图示系统的功能

10、要素？,四、机电一体化系统构成要素的相互联接,接口性能的好坏直接影响系统性能的好坏。广义的接口功能有两种，一种是输入/输出功能，一种是变换调整功能。,机电一体化系统各要素或子系统之间必须能顺利进行物质、能量和信息的传递与交换，在相互联接要素的交界面上必须具备的一定的联系条件。,接口,广义接口,在仅有机械或电子的系统中，接口概念并不突出。机电一体化系统中由机械和电子等不同技术复合形成的接口。,1.接口的分类按输入输出功能分,对机械的输入/输出部分进行几何上（形状、尺寸、配合、精度等）的匹配，如管接头，法兰盘，联轴节，减速器,（物理接口）对电气物理参数（电压，电流，阻抗等）进行匹配，如变压器、驱动

11、器,（软件接口）对软件的I/O进行语言、格式、标准、符号等的规定。如GB，ISO，ASCII，TCP/IP，各种程序语言等,对周围的环境条件（温度，湿度，电磁场，振动，水份，粉尘等）的保护作用和隔绝作用，如防尘过滤器，防水连接器，防爆开关等,机械接口,电气接口,信息接口,环境接口,1.接口的分类按输入输出功能分,2.接口的分类按变换与调整功能分,不进行任何参数变换和调整，输出即输入的接口。如机械接口中的管接头，法兰盘，联轴节等，但减速器不属于此类,仅对无源要素的参数进行变换和调整，一般不改变参数的性质，如齿轮减速器，变压器，可变电阻器以及光学透镜等,含有有源要素，能与变换或调整的参数主动匹配，

12、可以改变参数的性质，如电磁离合器，光电耦合器，A/D，D/A转换器等,含有微处理器，可通过程序编制适应性地改变接口条件，如通用I/O芯片8255，Z80-PIO，RS232串行接口，STD总线等。,零接口,无源接口,有源接口,智能接口,2.接口的分类按变换与调整功能分,机电一体化系统各构成要素之间的接口关系图,五、机电一体化的特点及发展,1.机电一体化的特点,（1）简化机械结构，提高精度,（2）易于实现多功能和柔性自动化,（3）产品开发周期缩短、竞争能力增强,（4）生产方式向高柔性、综合自动化发展,（5）促进经营管理体制发生根本性的变化,2.机电一体化的发展过程,（1）准备阶段从1952年第一

13、台数控铣床研制成功和1959年第一台可编程机器人问世，到60年代末期，是机电一体化的准备阶段，当时的研制、开发总体上还处于自发状态，技术水平较低。,（2）发展阶段,进入70年代后，LSI，VLSI和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化技术的发展准备了充分的物质基础，以“Mechatronics”一词的出现为标志，一直到80年代末，称为机电一体化的发展阶段。此间，Mechatronics在世界范围内得到承认，机电一体化技术和产品得到了极大发展，并受到各国的关注和支持。,（3）深入发展,进入90年代以后，机电一体化进入深入发展时期，并出现了新的研究分支，如光机电一体化和微细加工技术的机电一体化。同时

14、，其学科体系也日益发展完善。21世纪以来，机电一体化技术和新能源/新材料/微制造/光电等新技术结合焕发出了更为惊人的能量！,3.机电一体化的发展趋势,科技的发展和社会经济的进步，对机电一体化也提出了许多新的和更高的要求。,数控系统，FMS，CIMS及机器人等典型的机电一体化技术、产品及系统的发展趋势是：,（1）高性能：一般包含高速化、高精度、高效率和高可靠性。如激光打印机的平面反射镜和录像机磁头的平面度要求0.04um，粗糙度0.02um,（2）智能化：包括诊断过程的智能化、人机接口的智能化、自动编程的智能化和加工过程的智能化。,发展趋势,（3）系统化：一方面表现在系统体系结构进一步采用开放式和模块化的总线结构，可以任意组合模块构成新的系统，另一方面表现在利用网络平台实现资源共享。,（4）轻量微型化：实现了将机构及其驱动