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1、机电一体化系统设计,机械学院,课程定位,机电一体化系统设计课程是机械工程及自动化本科专业学生的专业基础必修课。本为一门实践课，但遗憾的是，无法做实验，因为一个实验就相当于一个课程设计。在学生掌握一定的专业基础知识的基础上，综合运用所学知识，从整体角度掌握机电一体化系统设计的思想、原理、方法和程序。重点放在未来工作中首先可能遇到的一些实际问题（绝非疑难问题）。是学生经过三年基础课和技术基础课学习之后，带有总结意义的一门综合性设计课程。开阔视野，掌握一定的分析解决问题方法。,教材,自编教材，自行打印曾励等，机电一体化系统设计，高等教育出版社，拔高课件，笔记,知识模块顺序及对应的学时理论教学：40学
2、时1、机电一体化系统概述2、机电系统总体设计及可靠性分析3、检测装置设计4、伺服驱动系统选型与设计5、控制系统设计6、微机系统设计7、机械传动系统设计8、机电系统设计案例,学习方法,1、认真听课，记笔记（班长检查，上课抽查视作平时作业的10）。2、多看书，潜移默化。3、参考教材：课本，课件，及讲义自学，重点网络自学（学会“上网”）。4、积极参加讨论和完成作业。,课程的考核办法,理论课：百分制 闭卷考试70%平时成绩30%平时成绩：课堂效果、作业效果、网上答疑、笔记,第一章 概论,1.1 机电一体化基本概念1.2 机电一体化基本结构要素1.3 机电一体化系统的相关技术1.4 系统评价分析1.5
3、维修性分析1.6 机电一体产品设计与工程路线,美国技术评论认为，有十种新兴技术在不远的将来会产生巨大影响：其中机电一体化技术排名第一。由于机电一体化技术对现代工业和技术的发展具有巨大的推动力,因此世界各国均将其作为工业技术发展的重要战略之一。机电一体化技术在制造业的应用从一般的数控机床、加工中心和机械手发展到智能机器人、柔性制造系统（FMS）、无人生产车间和将设计、制造、销售、管理集于一体的计算机集成制造系统（CIMS）。,1.1 机电一体化基本概念,发展概况：1.20世纪60年代前为第一阶段，“萌芽阶段”事实上要追溯到20年代以前，工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结合，以提高机
4、械产品的性能。但是由于电子技术的发展相对落后，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。2.70年代到80年代为第二阶段，“蓬勃发展阶段”，理论研究阶段 计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础这个时期的特点是：mechatronics一词首先在日本被普遍接受，大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；机电一体化技术和产品得到了极大发展；各国均对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。,3.90年代后期为第三阶段，“智能化阶段”光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；对机电
5、一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。,4.现状,机电一体化占据主导地位是制造产业发展的必然趋势,而制造产业是整个科学技术和国家经济发展的基础工业,因而机电一体化在当前激烈的国际政治、军事、经济竞争中起着举足轻重的作用,受到各工业国家的极大重视。日本将智能传感器,计算机芯片制造技术,具有视频、触觉和人机对话能力的人工智能工业机器人,柔性制造系统等,列为高技术领域的重大研究课题。
6、西欧高技术发展规划“尤里卡”计划,提出五大关键技术领域,其中包括研制可自由行动、决策并易于人机对话的欧洲第三代安全民用机器人,广泛合作研究计算机辅助设计、制造、生产、管理的柔性系统,实现工厂全面自动化等机电一体化研究方向。,我国已研制成功了用于喷漆、焊接、搬运以及能前后行走的、能爬墙、能上下台阶、能在水下作业的多种类型机器人。CIMS研究方面,我国已在清华大学建成国家CIMS工程研究中心（ERC）,在一些著名大学和研究单位建立了7个CIMS单元技术实验室和8个CIMS培训中心,在国家立项实施CIMS的企业已达70余家。1994年清华大学荣获美国制造工程师协会（SME）颁发的CIMS研究“大学领
7、先奖”。1995年北京第一机床厂荣获SME颁发的“工业领先奖”。上述成果的取得使我国在制造业机电一体化的研究和应用方面积累了一定的经验,它必将推动机电一体化技术向更高层次纵深发展。,5.总的发展趋势 性能上，向高精度，高效率，智能化的方向发展，以数控机床为例，控制精度0.1um，进给速度100m/min以上，联动轴数15轴以上，界面、通讯等长足发展；功能上，向小型化、轻型化、多功能化方向发展。层次上，向系统化，复合集成化方向发展。有资料总结为六化：（1）智能化（2）模块化（3）网络化（4）微型化（5）绿色化（6）人性化,权威定义：,起源：日本，20世纪70年代；合成词：Mechatronics
8、。它取英语Mechanics(机械学)的前半部和Electronics（电子学）的后半部分拼成一个新词；(ASME)由计算机信息网络协调与控制的用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统。,理解：,机电一体化不是机械与电子简单的叠加，而是在信息论、控制论和系统论的基础上建立起来的应用技术典型的机电一体化产品(系统)有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CADCAM系统等。,数控铣床,常用的机电一体化产品：,焊接机器人,汽车防抱死系统(ABS)？汽车上的机电一体化设备？,1.2 机电一体化基本结构要素,一个典型的机电一体化系
9、统应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。这些组成要素内部及其之间,形成通过接口耦合来实现运动传递、信息控制、能量转换等有机融合的一个完整系统。机电一体化系统的组成要素及功能如图1-1所示。,图1-1 机电一体化系统的组成要素及功能(a）机电一体化系统的组成要素;(b）机电一体化系统的功能,1、机械本体,机身、框架、机械联接等产品支持机构，实现构造功能。要求：可靠、小型、美观,2、能源,提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能。动力功能是按照系统控制要求,为系统提供能量和动力,使系统正常运行。用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出,是机
10、电一体化产品的显著特征之一。电能/热能/气动/液压等等要求：效率高、可靠性好,3、检测传感装置,传感测试部分的功能是对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测,生成相应的可识别信号,传输到信息处理单元,经过分析、处理后产生相应的控制信息。这一功能一般由专门的传感器及转换电路完成。物理量/化学量电信号要求：体积小、精度高、抗干扰,4、控制及信息处理单元,功能是将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工、处理、运算、决策，,根据信息处理结果,按照一定的程序和节奏发出相应的指令,控制整个系统有目的地运行。计算机 PLC 单片机、FPGA、GAL器件等逻辑器件。要
11、求：高可靠性、柔性、智能化,5、驱动执行机构,执行机构包括机械传动与操作机构，其功能是根据控制信息和指令,完成要求的动作。执行机构是运动部件,一般采用机械、电磁、电液等机构。要求：高性能、高精度、高效率 电机,（1）变换。两个需要进行信息交换和传输的环节之间,由于信息的模式不同（数字量与模拟量、串行码与并行码、连续脉冲与序列脉冲等等）,无法直接实现信息或能量的交流,需要通过接口完成信息或能量的统一。,6、接口耦合与能量转换,（2）放大。在两个信号强度相差悬殊的环节间,经接口放大,达到能量的匹配。（3）耦合。变换和放大后的信号在各环节间能可靠、快速、准确地交换,必须遵循一致的时序、信号格式和逻辑
12、规范。接口具有保证信息的逻辑控制功能,使信息按规定模式进行传递。（4）能量转换。其执行元件包含了执行器和驱动器。该转换涉及到不同类型能量间的最优转换方法与原理。如匹配。,典型闭环控制系统,1.3 机电一体化系统的相关技术,1、机械技术机械技术是机电一体化的基础。机电一体化产品中的主功能和构造功能，往往是以机械技术为主实现的。特别是关键部件，如导轨、滚珠丝杠、轴承、传动部件等的材料、精度对机电一体化产品的性能、控制精度等多方向的要求。实现机电一体化产品的主功能和构造功能，影响系统的结构、重量、体积、刚性、可靠性等。着眼点：如何与机电一体化技术相适应。CAPP CAD CAM等,2、计算机与信息处
13、理技术信息处理技术包括信息的输入、识别、变换、运算、存储及格出技术，它们大都是依靠计算机来进行的，因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策等，实现信息处理的主要工具是计算机。计算机技术包括计算机硬件技术和软件技术、网络与通信技术、数据库技术等。其主要工具是计算机。,3、控制技术自动控制技术就是通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。自动控制技术范围很广，包括自动控制理论、控制系统设计、系统仿真、现场调试、可靠运行等从理论到实践的整个过程。由于被控对象种类繁多，所以控制技术的内容极其丰富，包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自
14、诊断、校正、补偿、示教再现、检索等控制技术。,4、检测传感技术研究对象：传感器及其信号检测传输装置（即变送器）。检测传感技术是机电一体化的关键技术，它将所测得的各种参量如位移、位置、速度、加速度、力、温度、酸度和其他形式的信号等转换为统一规格的电信号输入到信息处理系统中，并由此产生出相应的控制信号以决定执行机构的运动形式和动作幅度。传感器检测的精度、灵敏度和可靠性将直接影响到机电一体化的性能。要求：能快速、精确地获得信息并在相应的应用环境中具有高可靠性。,5、伺服驱动技术研究对象：执行元件及其驱动装置执行元件种类：电动、液压、气压驱动装置指各种电动机的驱动电源电路，目前多采用电力电子器件及集成
15、化的功能电路构成。,6、系统总体技术系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统工程的观点和方法，将系统总体分解成相互有机联系的若干功能单元，并以功能单元为子系统继续分解，直至找到可实现的技术方案，然后再将系统各个功能模块有机的结合起来，以实现整体最优。其重要内容为接口技术。接口包括电气接口、机械接口、人机接口,小结,机电一体化通过综合利用现代高新技术的优势，在提高精度、增强功能、改善操作性和使用性、提高生产率和降低成本、节约能源和降低消耗、减轻劳动强度和改善劳动条件、提高安全性和可靠性、简化结构和减轻重量、增强柔性和智能化程度、降低价格等诸多方面都取得了显著的技术经济效益和社会效益，促使社会和科
16、学技术又向前大大迈进了一步。,1.4 系统评价分析-写文章的方法,1 评价分析内容,系统设计的评价分析方法：技术经济性分析、可靠性分析；,2 评价指标,工效实用性 系统可靠性 运行稳定性 操作宜人性人机安全性,结构工艺性 成果规范性造型艺术性技术经济性环境完善性,3 可靠性分析的方法,产品的可靠性主要取决于产品在研制和设计阶段形成的产品固有可靠性，在产品设计阶段，有计划地进行可靠性分析工作，是减少产品使用故障，提高产品工作有效性和维修性的重要设计环节。,(1)可靠性指标可靠度函数与失效概率失效率寿命,浴盆曲线,是一条瞬时故障率变化曲线，它描述了机电一体化系统瞬时故障率随时间变化的关系。（t）:
17、失效率,（t）,t,0,早期失效：与设计考虑的冗余和元器件的质量有关，出现在系统运行的初期。采用严格的措施可以消除。随机失效：发生在系统运行一段时间以后的故障偶发阶段。耗散失效：经过相当长的时间，系统故障开始增加，说明系统寿命将尽。,可靠度函数与失效概率。可靠度函数是产品在规定的条件下和规定的时间t内，完成规定功能的概率，以R(t)表示；反之，不能完成规定功能的概率称为失效概率，以F(t)表示。R(t)=N(t)/N(0)F(t)=n(t)/N(0)其中：N(t)：t时刻，有效产品N(0)：0时刻，总产品N(t)：t时刻失效产品数失效概率：单位时间内失效数与总产品的比值，反映产品在所有可能工作
18、时间内的失效分布情况。,失效率产品工作到t时刻时，单位时间内失效数与t时刻尚存的有效产品数的比称为失效率，以(t)表示，反映任一时刻失效概率的变化情况。,寿命 常用平均寿命表示对不可修复产品，指从开始使用到发生故障报废的平均有效工作时间。ti，第i个产品无故障工作时间，N，被测试产品总数,对可修复产品，指一次故障到下一次故障的平均有效工作时间。,第i个产品从第j-1次故障到j次故障之间有效工作时间第i个产品所有工作时间n个产品所有工作时间第i个产品故障次数所有产品总的故障次数,通过预测，对新产品设计的可靠性预测和系统的可靠性预测。元件的可靠性预测一般有两种方法：1)实验统计法 2)经验法：查手
19、册或根据类似元件的使用经验，积累可靠数据，估出元件可靠性水平,(2)可靠性预测,系统的可靠度主要取决于元件的可靠度和组合方式。最基本的有串联模型，并联模型串联模型：并联模型：,并联1路出故障的概率全部出故障的概率有一个不出故障的概率，即可靠性,1)等同分配法 2)按比例分配法 其分配原则是按照各组成单元的预计失效率的比例进行分配3)按重要性分配法 考虑各组成单元的重要程度、复杂程度及工作时间等差别的分配方法。4)最优化分配法 根据系统中起主导作用的特性参数的优化目标和种种限性约束条件选取最优化分配方案。,(3)可靠性指标的分配,1)在满足产品性能要求的前提下，尽可能简化产品结构。次要部件和不必
20、要的复杂结构只会增加产品发生故障的概率。2)在系统结构上精心设计，构成能够容忍故障发生的高可靠容错系统，即采用所谓“容错法”，如拼音输入法中z与zh不分，汽车中的安全件。3)提高产品各部件的可靠性。对元、器件进行严格筛选，采用高可靠性的元、器件，尽量减少故障的发生，即采用所谓“避错法”。4)采用故障诊断技术，以提高系统的可维护性。5)冗余设计（储备设计）与降额使用。6)在装配工艺方面采取严格措施，尽量减少瞬态干扰故障。7)修理维护，既更换和修理故障部件，与冷储备不同之处，在于部件不是自动转入工件。8)预防性维修 9)硬件自检测和软件自恢复的设计,(4)提高可靠性方法：,1.5 维修性分析,两点
21、含义：可维护性：指维护元件、设备或系统的可能性。系统的可维修性，是指在规定的条件下，在规定的时间之内能够修理好的概率。影响这一概率的因素有：系统故障排除修复的难易，预防保养和定期检修制度的完善与否，以及维修人员技术水平的高低等。如模块化可显著降低维修复杂性。,平均修复时间短。维修所需元器件或零部件易购或有备件，具有互换性。有充足的工作时间。维修工具、附件及辅助维修设备的数量和种类少，准备齐全。维修的技术复杂性降低。维修人员数量减少。维修成本降低。状态监测和自动记录指导维修。自诊断功能。采用维护性和无维修设计，使产品从投入使用到报废不需要维修。以可靠性为中心的维修性设计。,1.6 干扰,主要指电
22、气干扰：一般指那些与信号无关的，在信号输入、传输和输出的过程中出现的一些不确定的、有害的电气变化现象。依据干扰的来源划分 内部干扰：是指控制系统或装置本身内部引起的各种干扰。外部干扰：是由装置外部窜入到装置内部的各种干扰。它包括某些自然现象引起的自然干扰和人为干扰（主要是工业干扰，即用电干扰）。工业干扰是关键，必须引起重视。,现场干扰的抑制与隔离,用电容或阻容环节抑制干扰，如SCR，曾励教材P310屏蔽干扰源，如开关电源的外壳，电脑的机箱干扰的隔离，就是从电路上见干扰源与易受干扰的部分隔离开来，使之尽可能不发生电的联系。一般机电一体化控制系统大都包括弱电系统和强电系统。为了确保系统稳定运行，常
23、采用强电与弱电、交流和直流等部分的相互隔离措施。隔离的方法有光电隔离（曾励教材P289）、变压器隔离（P90）和继电器隔离，运放隔离（传感器电路后的射级跟随器（第七章课件）、比例放大器）等。,PWM的搞干扰与接地设计,见曾励教材P242页，及自编课本典型的强弱电结合,H型电路原理图与实际接线图：,1.7 机电一体产品设计与工程路线,1、设计的类型：开发性设计（全新设计）;适应性设计（原理方案不变，仅对功能及结构进行重新设计）;变参数设计（仅改变部分结构尺寸而形成系列产品）,市场调查与预测是产品开发成败的关键性的第一步。市场调查就是运用科学方法，系统地、全面地收集有关市场需求和经销方面的情况和资
24、料，分析研究产品在供需双方之间进行转移的状况和趋势。市场预测就是在市场调查的基础上，运用科学方法和手段，根据历史资料和现状，通过定性的经验分析或定量的科学计算，对市场未来的不确定因素和条件作出预计、测算和判断，为企业提供决策依据。,2、市场调查与预测,1）定性预测：在数据和信息缺乏时，依靠经验和综合分析能力，对未来的发展状况作出推测和估计，多采用下述调查法。（1）走访调研、查资料（2）抽样调查（3）类比调查（4）专家调查 通过调查表向专家征询意见。,2）定量预测：运用相关系数法，对影响预测结果的各种因素进行相关性分析和筛选，根据主要影响因素和预测对象的数量关系建立数学模型，对市场发展情况作出定
25、量预测。它多采用下述方法：时间序列回归法；因果关系回归法 预测目标与影响因素之间存在因果关系；产品寿命周期法 产品都有一个开发、投产、成长、成熟直至淘汰的过程，整个过程中所经历的时期称为产品的寿命周期，通常分为投入期、成长期、成熟期和衰退期。,3、机电一体化系统（产品）设计方案的常用方法,1.取代法取代法就是用电气控制取代原系统中的机械控制机构。该方法是改造旧产品、开发新产品或对原系统进行技术改造常用的方法,也是改造传统机械产品的常用方法。2.整体设计法整体设计法主要用于新产品的开发设计。在设计时完全从系统的整体目标出发,考虑各子系统的设计。3.组合法组合法就是选用各种标准功能模块组合设计成机电一体化系统。例如,设计一台数控机床,可以依据机床的性能要求,通过对不同厂家的计算机控制单元、伺服驱动单元、位移和速度测试单元及主轴、导轨、刀架、传动系统等产品的评估分析,研究各单元间接口关系和各单元对整机性能的影响,通过优化设计确定机床的结构组成。,4、基本设计和工程路线,产品技术开发目标,产品构思,评价与审定,功能与结构分析,软/硬件分配,模块化设计,制造/外购,试制样机,总体性能测试,技术评价,总结经验教训,可行性论证,机电一体化产品开发的基本路线,实例,见自编教材,
