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1、机电一体化系统设计,第一章 绪论,1.1 机电一体化定义1.2 机电一体化系统的构成1.3 机电一体化的相关技术1.4 机电一体化系统设计的目标和方法1.5 机电一体化发展趋势,机电一体化技术发展概况,1.20世纪60年代前为第一阶段，“萌芽阶段”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”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
2、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；各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。,3.90年代后期开始为第三阶段，“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。,机电一体化技术发展概况,数控机床的问世，写
3、下了“机电一体化”历史的第一页。微电子技术为“机电一体化”带来勃勃生机。可编程序控制器、”电力电子“等的发展为“机电一体”化提供了坚强基础。激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使”“机电一体化”跃上新台阶。,机电一体化技术发展概况,1.1 机电一体化定义,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,机电一体化：Mechatronics(机电一体化,机械电子学,机电学),机电一体化：从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、信息技术、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门新科学技术。,典型的机电一体化产品(系统)有：数
4、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。,1.1 机电一体化定义,机电一体化技术：综合运用了机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术及软件编程技术等,数控铣床,数控车床,典型的机电一体化产品,焊接机器人,焊接机器人,典型的机电一体化产品,汽车防抱死系统(ABS),典型的机电一体化产品,1.2 机电一体化系统的构成,1.2 机电一体化系统的构成,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：高效、多功能、节能、可靠、小型、美观,2、动力单元,提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能。
5、,要求：效率高、可靠性好,1.2 机电一体化系统的构成,3、检测传感单元,检测产品内部状态和外部环境，实现计测功能。,要求：体积小、精度高、抗干扰,4、电子控制单元,存储、分析、运算、决策，实现控制功能。,要求：高可靠性、柔性、智能化,1.2 机电一体化系统的构成,5、执行机构,包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成要求的动作，实现主功能。,要求：高性能、高精度、高效率,1.2 机电一体化系统的构成,1.3 机电一体化的相关术,1 机械技术2 检测传感技术3 信息处理技术4 自动控制技术5 伺服驱动技术6 系统总体技术,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
6、、可靠性等。,1、机械技术,机电一体化产品要求：机械结构更简单、机械功能更强、体积更小、重量更轻、精度更高、刚度更大、动态性能更好。,1.3 机电一体化的相关术,2、检测传感技术,作用：感受器官、反馈环节。,研究对象：传感器及其信号检测装置（即变送器）,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 机电一体化的相关术,3、信息处理技术,主要完成信息的交换、存取、运算、判断和决策等.其主要工具是计算机。,4、控制技术,关于软件方面的技术，主要以控制理论为指导，对控制系统设计、仿真、现场调试、可靠运行等。,1.3 机电一体化的相关术,5、伺服驱动技术,执行元件种类：电动、
7、液压、气压,研究对象：执行元件及其驱动装置,驱动装置：各种电动机的驱动电源电路,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,1.3 机电一体化的相关术,1.4 机电一体化系统设计的目的与方法,1.4.1 机电一体化产品系统分类1.4.2 现代机械的机电一体化目标1.4.3 机电一体化技术方向1.4.4 机电一体化系统的设计方法1.4.5 机电一体化的系统,1生产用机电一体化产品,1.4.1 机电一体化产品系统分类,数控机床、机器人、自动生产设备；柔性生产
8、单元、自动组合生产单元；FMS、无人化工厂、CIMS,2运输、包装及工程用机电一体化产品,微机控制汽车、机车等交通运输工具；数控包装机械及系统；数控运输机械及工程机械设备等,3储存、销售用机电一体化产品,自动空调与制冷系统及设备；自动仓库；自动称量、分选、销售及现金处理系统；自动化办公设备等。,1.4.1 机电一体化产品系统分类,4社会服务性机电一体化产品,动力、医疗、环保及公共服务自动化设备；文教、体育、娱乐,5家庭用机电一体化产品,家用机电一体化产品；微机或数控型耐用消费品；炊事自动化机械；家庭用信息、服务设备。,6科研及过程控制用机电一体化产品,测试设备；控制设备；信息处理系统。,7农、
9、林、牧、渔及其它民用机电一体化产品,8航空、航天、国防用武器装备等机电一体化产品,1.4.2 现代机械的机电一体化目标,1.提高精度,2.增强功能,3.提高生产效率,4.节约能源，降低能耗,5.提高安全性可靠性,6.改善操作性和实用性,7.节约能源，降低能耗,8.简化结构降低重量,9.降低价格,10.增强柔性应用功能,以某一个机电一体化产品为例来分析该产品的设计目标。如：轿车、数控机床、机器人等,1.4.3 机电一体化技术方向,1.机械的电子化（1）在原有机械系统的基础上采用微型计算机控制装置，使系统的性能提高，功能增强。例如，模糊控制洗衣机能根据衣物的洁净度自动控制洗涤过程，从而实现节水、节
10、电、节时、节洗衣粉的功能；机床的数控化是另一个典型的例子。（2）用电子装置局部替代机械传动装置和机械控制装置，简化结构，增强控制灵活性。例如，数控机床的进给系统采用伺服系统，简化了传动链，提高了进给系统的动态性能；将传统电机的电刷用电子装置替代形成的无刷电机，具有性能可靠、结构简单、尺寸减小等优点。,1.4.3 机电一体化技术方向,（3）用电子装置完全替代原来执行信息处理功能的机构，既减化了结构，又极大地丰富了信息传输的内容，提高了速度。例如，石英电子钟表、电子秤、按键式电话等。（4）用电子装置替代机械的主功能，形成特殊的加工能力。例如，电火花加工机床、线切割加工机床、激光加工机床等。2.机电
11、技术完全融合形成新型机电一体化产品生产机械中的激光快速成形机；信息机械中的传真机、打印机、复印机；检测机械中的CT（计算机断层扫描诊断装置）扫描诊断仪、扫描隧道显微镜等。,机电一体化系统设计方法,1、市场调研2、总体方案设计3、详细设计4、样机试制与试验5、小批量生产6、大批量生产,1、市场调研,市场调研包括市场调查和市场预测。所谓市场调查就是运用科学的方法，系统地、全面地收集所设计产品市场需求和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，而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
12、素和条件做出预计、测算和判断，为产品的方案设计提供依据。,1.4.4 机电一体化系统设计,2、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。,1.4.4 机电一体化系统设计,3、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
13、及文件的过程。,1.4.4 机电一体化系统设计,4、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。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性满足设计要求，则进入产品的小批量生产阶段。,5、小批量生产产品的小批量生产阶段实际上是产品的试生产试销售阶段。这一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。6、大批量生产经过小批量试生
14、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。,1.4.4 机电一体化系统设计,1.5 机电一体化产品的发展趋势,1 智能化 智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。这里所说的“智能化”是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。,机电一体化产品向智能化、模块化、网络化、微型化、系统化发展。,2 模块化
15、 由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。由于利益冲突，近期很难制定国际或国内这方面的标准，但可以通过组建一些大企业逐渐形成。显然，从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业，规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。,1.5 机电一体化的发展趋势,3网络化20世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网络技术。机电一体化新产品一旦研制出来，只要其功能独到，质量可靠，很快就会
16、畅销全球。由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。,1.5 机电一体化的发展趋势,4 微型化 微型化兴起于20世纪80年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统（MEMS），泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术，微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。,1.5 机电一体化的发展趋势,5 系统化 系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现之二是通信功能的大大加强，一般除RS232外，还有RS485等等,1.5 机电一体化的发展趋势,
