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1、第一章 绪论,机电一体化系统设计,1.1 什么是机电一体化?1.2 机电一体化实例机器人介绍1.3 机电一体化系统基本组成1.4 机电一体化设计方法,主要内容,1.1 什么是机电一体化?,协同集成机械工程电气工程计算机/控制工程起源日本: 技术创新大国发展 变革智能制造智能家电智能机器智能房屋,为什么要学机电一体化?,工业界正积极寻求机电工程师公司可以开发出更好的产品，更快和更具竞争力,“能将机械工程和电气工程有机结合的人，在就业市场上具有巨大的竞争优势” (华尔街日报，纽约, 1994年5月2号),“机电一体化这个名字是由安川电气有限公司的总裁Ko Kikuchi杜撰而来 。”R. Come
2、rford, “Mecha what?” IEEE Spectrum, 31(8), 46-49, 1994.“ 机电一体化这个词是由机械学mechanics中的mecha和电子学electronics中的tronics组成的。也就是说，工业技术和产品将会把机械装置和电子装置更加紧密、有机地融合在一起, 很难看出机电一体化产品是机械装置和电子装置的简单组合。”T. Mori, “机电一体化,”安川内部商标申请备忘录, 21.131.01, 1969年7月12号.,机电一体化定义 I,“电子学，控制工程和机械工程的集成.”W. Bolton, 机电一体化: 机械工程中的电子控制系统, 朗文, 1
3、995.“物理系统操作中复杂决策的应用.”D. M. Auslander 和 C. J. Kempf, 机电一体化:机械系统接口, Prentice-Hall, 1996.“机械工程、电子学与计算机智能控制的协同集成，用于工业产品设计、制造和生产过程.” F. Harshama, M. Tomizuka和T. Fukuda, “机电一体化-是什么, 为什么, 怎么样?-和编辑,” IEEE/ASME Trans在机电一体化, 1(1), 1-4, 1996.,机电一体化的定义II,“协同使用精密工程，控制理论，计算机科学,传感器和执行器技术，以设计更好的产品.”S. Ashley, “掌握机电
4、一体化,” 机械工程, 119(5), 1997.“机电产品的最优设计的方法学.”D. Shetty 和 R. A Kolk,机电一体化系统设计, PWS Pub. Co., 1997.“研究领域包括系统的分析, 设计, 综合和选择，把机械和电子组件与现代控制和微处理器相结合。”D. G. Alciatore 和M. B. Histand机电工程和测量系统简介, McGraw Hill, 1998.附:机电一体化定义 网站:http:/www.engr.colostate.edu/dga/mechatronics/definitions.html,机电一体化的定义III,什么是机电一体化?,尽
5、管不断尝试去定义机电一体化, 划分机电一体化产品以及开发标准化的机电一体化课程, 但在围绕“什么是机电一体化”的完整描述上仍存在分歧。在机电一体化定义上缺乏共识是一个积极的信号，它表明机电一体化是有生命力、朝气蓬勃的学科。即使机电一体化没有一个无可争辩的确切描述，但机电一体化工程师仍能从上面给出的定义和他们亲身经历中理解机电一体化学科的精髓。机电一体化将传感器,执行器,信号调节,电力电子,决策和控制算法,以及计算机硬件和软件有机结合去处理工程系统中的复杂性，不确定性和进行通信。,特点,典型的机电一体化系统:微处理器电子 - 机械传感器电子 - 机械执行器集成设计非合并协同集成构思阶段例子机器人
6、,机电一体化系统的历史发展和应用,1.2 机电一体化实例 机器人介绍,机器人系统的组成动态系统建模与分析反馈控制传感器和信号处理执行器和电力电子部件计算机硬件/计算机接口计算机编程,1.2.1 机器人系统的组成,学科:数学，物理学，生物学，机械工程，电气工程，计算机工程，计算机科学,关键部件,基座,机械手机构,控制器,传感器,执行器,用户界面,功率转换单元,机器人基座：固定或移动,移动式基座通常是和车轮或履带连接的平台.除了车轮或履带，一些机器人采用腿来走动。,在制造方面应用的是固定式机器人的例子。这些机器人不能使基座远离正在进行的工作。,机器人机构：机械元件,斜楔,曲柄滑块,凸轮和从动件,齿
7、轮，齿条等,链条和链轮,杠杆,连杆,传感器: I,人的感觉:视觉，听觉，触觉，味觉和嗅觉为我们提供重要的功能和生存信息机器人传感器:测量机器人的配置/条件和环境，并且以电子信号形式发送信息到机器人控制器 (如手臂的位置，有毒气体的存在)机器人需要的信息超过人的感觉(如能够在黑暗中看得见,检测微量的无形辐射,测量人眼看不到的太小或太快的运动),加速计利用压电效应,Flexiforce 传感器,In-Sight视觉传感器,零件拾取:机器人可以通过三维视觉传感器处理随机堆放的工件。由于校准操作不需要特殊的送料器和对准板,能够以较低的成本构造一个自动化系统。,视觉传感器: 例如拾取箱子，执行检查等,传
8、感器: II,零件装配和插入:机器人可以通过使用力传感器来进行机械零件的精装配和插入。在相位匹配后机器人进入插入零件阶段，但不是简单地插入零件，这能使高技巧工作自动化。,力传感器：如零件的装配和插入、机器人手术中的力反馈。,传感器: III,力传感器,红外测距传感器,KOALA机器人,6个超声波声纳转换器探索广阔、开放的区域； 检测从15厘米到3米范围内的障碍物； 16个内置的红外接近传感器(在5-20厘米范围内); 红外传感器作为一个“虚拟缓冲器”，允许在狭小的 空间进行处理。,传感器: IV,例子,测倾传感器,平面两足机器人,倾斜传感器: 如用于机器人平衡,传感器: V,例子,执行器: I
9、,常见的机器人驱动器利用不同的机电设备组合而成同步电机步进电机交流伺服电机无刷直流伺服电机有刷直流伺服电机,液压马达,步进电机,气动马达,伺服电机,执行器: II,气缸,直流电动机,控制器,提供必要的智能来控制机器人处理传感信息和计算控制命令来使执行器完成特定的任务,控制器硬件: I,存储设备: 如保存控制程序和从传感器获得的机器人系统状态的存储器。,计算控制命令的计算引擎,BASIC Stamp 2 Module,RoboBoard机器人控制器,控制器硬件: II,模数转换器,运算放大器,接口单元:数字控制器与外界(传感器和执行器)的接口硬件,控制器硬件: III,LM358,LM358,L
10、M1458双运算放大器,农业 汽车 建筑 娱乐 保健: 医院,病人护理, 外科手术 ,研究等。 实验室:科学，工程等。 执法:监控，巡逻等。 制造业 军事：排雷，监视，攻击等。 采矿，挖掘和探险 交通运输：空中，地面，铁路，空间等。 公用设施：煤气，水和电 仓库,机器人应用行业,1.2.2 机器人能做什么?,工业机器人,物料搬运机械手,装配机械手,点焊机械手,物料搬运物料传输机器装卸点焊连续弧焊喷涂装配检查,太空机器人,NASA 空间站,危险环境中的机器人,TROV在南极水下操作,HAZBOT在含有可燃气体的环境中操作,医疗机器人,机器人辅助微外科手术,机器人手术操作系统,家用机器人,索尼 A
11、ido,索尼 SDR-3X 娱乐机器人,1.3 机电一体化系统基本组成,1.3.1机电一体化的关键要素,1.3.2 机电一体化系统搭建,系统一个有输入和输出的黑箱测量系统测量输入变量，输出显示控制系统输入设定值，输出正确的设定值,建模系统,弹簧输入响应,建模系统,电水壶系统的输入响应,连接（接口）系统,CD 机,测量系统,三个要素传感器信号调节器显示，输出课程大纲传感器 - 第2章信号调节- 第3章测量系统 - 第4章,控制系统是指由控制主体、控制客体和控制媒体组成的具有自身目标和功能的管理系统。 控制系统意味着通过它可以按照所希望的方式保持和改变机器、机构或其他设备内任何感兴趣或可变的量。控
12、制系统同时是为了使被控制对象达到预定的理想状态而实施的。 控制系统主要由：控制器，被控对象，执行机构和传感检测四个环节组成。,控制系统,控制系统,控制物理系统的输出通过设置物理系统的输入跟踪例如巡航控制恒温器控制磁盘驱动控制飞机高度控制困难干扰：风，道路，轮胎，刹车，打开/关闭门.人机界面：感觉很好，感觉对.,跟踪,开环控制系统,设备被控制的物理系统车, 飞机， 光盘，加热器，.执行器设备控制装置节流阀、气门，盘式电机,控制器设计产品来控制设备,开环控制系统,输出我们感兴趣的物理系统方面速度，磁盘位置，温度参考我们希望看到的输出值期望速度，期望位置，期望温度扰动受环境影响的不可控输入风，磁盘驱
13、动器的冲振，开门,开环控制系统,概念输入你得到的就是你得到的优点便宜简单可靠缺点关闭调整需要人为干预,闭环（反馈）控制系统,概念多输入设定值反馈过程控制优点自动化精确缺点昂贵更复杂,闭环控制系统,传感器测量设备输出误差检测检测误差反馈控制系统跟踪误差最小化,控制系统实例,数控机床伺服系统组成,加热房间,图1.9 加热房间：(a)开环系统 (b) 闭环系统,闭环系统组件,比较单元 - 至少两个输入，一个输出正/负反馈控制单元 -二进制，比例项，硬连线，可编程校正单位 - 执行器过程 与环境连接反馈 - 测量系统，传感器，调节器，数据总线,马桶水箱,设定值 - 调整后的浮臂位置比较单元 - 浮臂控制单元 -枢轴校正单位 - 阀门过程 - 流水反馈- 浮球和杆测量值 - 水位,轴速度控制,洗衣机系统,顺序控制器,时间或事件驱动序列也被称为梯形逻辑例子预洗打开热水和冷水阀。检测水位关闭阀门搅拌停止浸泡排水洗涤打开热水，冷水，肥皂阀检测水位，等等。,微处理器控制,优势灵活性准确性鲁棒性类型定制或嵌入可编程逻辑控制器多输入多输出,信号： (a) 模拟 (b) 数字,模拟和数字控制系统,数字闭环控制系统的组件,1.4 机电一体化设计方法,集成设计基于微处理器结合原理计算机工程机械专业电气工程智能传感器电机设备车辆,
