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1、机电一体化系统设计 机电工程学院何社阳 第1章绪论 1 1机电一体化基本概念1 2机电一体化发展概况1 3机电一体化系统的构成1 4机电一体化共性关键技术1 5机电一体化系统设计1 6机电一体化对机械工业的影响1 7机电一体化的发展1 8本课程要求和主要参考书 1 1基本概念 机电一体化 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 体现了一体化 柔性化及智能化特征 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 机电一体化技术构成和应用领域 机电一体化一般包含机电一体化产品
2、系统 和机电一体化技术两层含义 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 CAD CAM系统等 机电一体化技术的内容 关键技术有 检测传感 信息处理 伺服驱动 自动控制 机械和系统总体技术等等 数控铣床 数控车床 焊接机器人 汽车防抱死系统 ABS 1 2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 蓬勃发展阶段 计算机技术 控制技术 通信技术的发展
3、 为机电一体化的发展奠定了技术基础 这个时期的特点 日本人把 mechanic 和 electronics 组合在一起发明了 mechatronics 这个单词 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
4、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 数控机床的问世 写下了 机电一体化 历史的第一页 2 微电子技术为 机电一体化 带来勃勃生机 3 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 4 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 1 3机电一体化系统的构成 1 3机电一体化系统的构成 机电一体化系统的功能结构 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 经济 2 能源 动力 提供能量 转换成需要的形式 实现动力功能 要
5、求 效率高 可靠性好 经济 1 3机电一体化系统的构成 3 检测传感装置 传感器检测 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 控制与信息处理 处理 运算 决策 实现控制功能 要求 高可靠性 柔性 智能化 1 3机电一体化系统的构成 5 执行机构 执行元件 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 4共性关键技术 1检测传感技术2信息处理技术3自动控制技术4伺服驱动技术5机械技术6系统总体技术 1 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 包括变送器 要求
6、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 4共性关键技术 2 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 3 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 4共性关键技术 4 伺服驱动技术 执行元件种类 电动 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 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 5 机械技术 1 4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 将系统各个功
7、能模块有机地结合起来 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共性关键技术 1 5机电一体化系统设计 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 一 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素和条件做出预计 测算和判断 为产品的方案设计提供依
8、据 1 5机电一体化系统设计 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 5机电一体化系统设计 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 5机电一体化系统设计 四 样机试制与试验 完成产品的详细
9、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性满足设计要求 则进入产品的小批量生产阶段 1 5机电一体化系统设计 五 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 六 大批量生产经过小批量试
10、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 1 5机电一体化系统设计 1 6机电一体化对机械工业的影响 1提高性能 扩展功能今日的数控机床充分发挥计算机的威力 运用时间序列分析和精度创成等理论建立数学模型 已有可能实时预报包括随机误差在内的机床误差 然后自动校正 从而达到前所未有的精度 采用对阻尼进行预报 一旦接近临界值时就自动调整切削用量 这又可能出现永不颤振的机床 保证很高的生产率和良好的加工表面 1 6机电一体化对机械工业的影响 2简化结构 3提高可靠性在提高电子元件质量 可靠性的前提下 机电一体化产品可以提高耐久性 减少故障率 另一方面由于赋予其自动监
11、视诊断功能 并采取安全联锁控制 过负荷和失控保护 停电对策 提高了设备的安全可靠性 1 6机电一体化对机械工业的影响 4节约能源例如目前我国各类电风扇年产量在200万台左右 如每台电扇的调速器和定时器 原常用电磁机械式 用电子调速器和定时器代替 每台风扇可节电约5W以上 全年以用扇100天 每天开扇6h计 则每年可节约用电量600万kW h 还可节省大批铜材和钢材 再如传统的电焊机以电磁原理和手工操作为基础 即使是一般的自动电焊机 其动作过程也仅为简单的机械动作和相应的控制 这类电焊机耗能多 效率低 质量不易保证 采用微型机技术后 发展新颖的电子控制电源以取代传统的焊接电源 实现焊接电源的节能
12、 高效 小型化 多样化 1 6机电一体化对机械工业的影响 5操作改善传统的车削数控车削 1 6机电一体化对机械工业的影响 1 7机电一体化的发展趋势 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 2模块化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
13、 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 7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
14、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 7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 7机电一体化的发展趋势 MEMS Micro Electro Mechanical
15、Systems 是微机电系统的缩写 MEMS是美国的叫法 在日本被称为微机械 在欧洲被称为微系统 MEMS主要包括微型机构 微型传感器 微型执行器和相应的处理电路等几部分 它是在融合多种微细加工技术 并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科 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 RS422 现场总线等等 1 7机电一体化的发展趋势 1 8本课程要求和主要参考书 机电一体化系统设计 美 DevdasShettyandRichardA Kold著张树生等译机电一体化与测量系统基础教程 美 DavidG AlciatoreandMichacelB Histand著张伦译 联系信息 MobilePhone 13526901412E mail hehyang QQ 86126272答疑 周五晚8 00 10 005 401
