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1、机电一体化系统设计,苏旭武 湖北工业大学机械学院,主要教学内容机电系统概述2.机电系统分析与设计方法3.机械系统部件的选择与设计4.检测系统选择与设计5.微机控制系统选择与设计 6.伺服驱动系统设计7.机电系统实例,参考教材冯浩.机电一体化系统设计.华中科技大学出版社.2009年2.朱喜林等.机电一体化设计基础.科学出版社.2005年3.张立勋 等.机电一体化系统设计.高等教育出版社.2007年4.张建民.机电一体化系统设计(第三版).高等教育出版社.2007年(以上教材可从网上可下载电子版),第一章 概论,1.1 机电系统基本概念1.2 机电系统的构成1.3 机电系统共性关键技术1.4 机电
2、系统产品设计与工程路线 1.5 机电系统的发展趋势,1.1 基本概念,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 基本概念,机电一体化技术：从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、信息与控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一
3、门新科学技术。,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综合应用技术。,1.1 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
4、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。,1.1 基本概念,1.1 基本概念,4.现状,机电一体化占据主导
5、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。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。,1.1 基本概念,我国已研制成功了用于喷漆、焊接、搬运以及能前后
6、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。,1.1 基本概念,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
7、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,6权威定义：,起源：日本，20世纪70年代；合成词：Mechatronics。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。,1.1 基本概念,数控
8、铣床,数控车床,焊接机器人,汽车防抱死系统(ABS),1.2 机电系统的构成,一个典型的机电系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、传感检测部分、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下图所示。,1.2 机电系统的构成,1.2 机电系统的构成,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
9、的动力输入获得尽可能大的功能输出,是机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,1.2 机电系统的构成,3、传感检测装置,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,1.2 机电系统的构成,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
10、,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。要求：高可靠性、柔性、智能化,1.2 机电系统的构成,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,1.2 机电系统的构成,（2）放大。在两个信号强度相差悬殊的环
11、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。,1.2 机电系统的构成,1.3 机电系统共性关键技术,（1）机械技术（2）检测传感技术（3）计算机与信息处理技术（4）控制技术（5）伺服驱动技术（6）系统总体技术,1.3 机电系统共性关键技术,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
12、。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,1.3 机电系统共性关键技术,2、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
13、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。,1.3 机电系统共性关键技术,3、计算机与信息处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。,1.3 机电系统共性关键技术,4、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，
14、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、自诊断、校正、补偿、示教再现、检索等控制技术。,1.3 机电系统共性关键技术,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化的功能电路构成。,1.3 机电系统共性关键技术,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
15、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。,1.4 机电系统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）,1.4 机电系统产品设计与工程路线,一、市场调研二、总体方案设计三、详细设计四、样机试制与试验五、小批量生产六、大批量生产,2、设计的流程：,1.4 机电系统产品设计与工程路线,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
16、经销方面的情况和资料，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。,一、市场调查与预测,1.4 机电系统产品设计与工程路线,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。,1.4 机电系统产品设计与工程路线,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
17、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。,1.4 机电系统产品设计与工程路线,二、总体方案设计,1产品方案构思 产品方案构思完成后，以方案图的形式将设计方案表达出来。方案图应尽可能简洁明了，反映机电一体化系统各组成部分的相互关系，同时应便于后面的修改。2方案的评价 对多种构思和多种方案进行筛选，选择较好的可
18、行方案进行分析组合和评价，从中再选几个方案按照机电一体化系统设计评价原则和评价方法进行深入的综合分析评价，最后确定实施方案。,1.4 机电系统产品设计与工程路线,三、详细设计,详细设计是根据综合评价后确定的系统方案，从技术上将其细节逐层全部展开，直至完成产品样机试制所需全部技术图纸及文件的过程。,1.4 机电系统产品设计与工程路线,设计内容：（1）确定产品规格、性能指标 运动参数、动力参数、品质参数。（2）系统功能部件要素的划分 功能部件选择、设计和与系统主功能的匹配。（3）接口设计 机械接口、物理接口、信息接口、环境接口,1.4 机电系统产品设计与工程路线,（4）综合评价或系统评价 系统性能
19、、结构质量的各种定量指标和参数，系统的附加价值，满足设计或用户需求的功能性产品或系统为前提。评价方法依据产品要求有所不同。（5）可靠性复查（6）试制与调试 样机制造与调试、试验（7）最终产品结果评价 是否达到设计或用户要求,1.4 机电系统产品设计与工程路线,四、样机试制与试验,完成产品的详细设计后，即可进入样机试制与试验阶段。根据制造的成本和性能试验的要求，一般制造几台样机供试验使用。样机的试验分为实验室试验和实际工况试验，通过试验考核样机的各种性能指标是否满足设计要求，考核样机的可靠性。如果样机的性能指标和可靠性不满足设计要求，则要修改设计，重新制造样机，重新试验。如果样机的性能指标和可靠
20、性满足设计要求，则进入产品的小批量生产阶段。,1.4 机电系统产品设计与工程路线,五、小批量生产 产品小批量生产阶段实际上是产品的试生产试销售阶段。该阶段的主要任务是跟踪调查产品在市场上的情况，收集用户意见，发现产品在设计和制造方面存在的问题，并反馈给设计、制造和质量控制部门。六、大批量生产 经过小批量试生产和试销售的考核，排除产品设计和制造中存在的各种问题后，即可投入大批量生产。,本 章 小 结,本章节应重点掌握机电系统设计的内涵、作用、目标以及研究的主要核心技术问题，机电系统（产品）的构成要素和功能要素，以及它们之间的相互联系；机电一体化系统（产品）的一般设计设计工作流程；应考虑的方法和设计类型；了解机电系统（产品）设计的基本程序、准则与规律；现代设计方法在机电一体化系统（产品）中的应用。,
