机电一体化系统的设计

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1、第1章 引论,1.1 概述 1.2 机电一体化系统的设计 1.3 机电一体化的发展趋势,1.1 概述,1.1.1 引言机电一体化技术综合应用了机械技术、微电子技术、信息处理技术、自动控制技术、检测技术、电力电子技术,接口技术及系统总体技术等群体技术,从系统的观点出发,根据系统功能目标和优化组织结构目标,以智能、动力、结构、运动和感知等组成要素为基础,对各组成要素及相互之间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究,使得整个系统有机结合与综合集成,并在系统程序和微电子电路的有序信息流控制下,形成物质和能量的有规则运动,在高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复

2、合的最佳功能价值的系统工程技术。,“机电一体化”一词的英文名词是“Mechatronics”,它是取Mechanics（机械学）的前半部分和Electronics（电子学）的后半部分拼合而成的。现代高新技术（如微电子技术、生物技术、新材料技术、新能源技术、空间技术、海洋开发技术、光纤通信技术及现代医学等）的发展需要具有智能化、自动化和柔性化的机械设备,机电一体化正是在这种巨大的需求推动下产生的新兴技术。微电子技术、微计算机使信息与智能和机械装置与动力设备有机结合,使得产品结构和生产系统发生了质的飞跃。,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

3、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）。机电一体化技术是其他高新技术发展的基础,机电一体化的发展依赖于其他相关技术的发展。,1.1.2 机电一体化系统的基本组成要素一个典型的机电一体化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、传感测试部分、控制及信息处理部分。我们将这些部分归纳为： 结构组成要素、 动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、智能组成要素； 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

4、、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.机械本体机电一体化系统的机械本体包括机身、框架、连接等。 2.动力与驱动动力部分的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,是机电一体化产品的显著特征之一。驱动部分的功能是在控制信息作用下提供动力,驱动各执行机构完成各种动作和功能。,3. 传感测试部分 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

5、,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。 4.执行机构 执行机构的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。 ,5. 控制及信息单元 控制及信息单元的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,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。 6.接口耦合与能量转换（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

6、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。,（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。,7. 信息控制 在系统中,作为智能组成要素的系统控制单元,在软、硬件的保证下,完成数据采集、分析、判断、决策功能,以达到信息控制的目的。 8. 运动传递 运动传递是指运动各组成环节之间的不同类型运动的变

7、换与传输,如位移变换、速度变换、加速度变换及直线运动和旋转运动变换等。运动传递还包括以运动控制为目的的运动优化设计,目的是提高系统的伺服性能。,1.1.3 机电一体化系统的技术组成1. 机械技术 机械技术是机电一体化的基础。2. 计算机与信息处理技术 信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策,实现信息处理的工具是计算机,因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。计算机技术包括计算机的软件技术和硬件技术,网络与通信技术,数据技术等。,3. 自动控制技术 自动控制技术范围很广,机电一体化的系统设计在基本控制理论指导下,对具体控制装置或控制系统进行设计； 对设计后的系统进行仿真和现场调试；

8、 最后使研制的系统可靠地投入运行。 4. 传感与检测技术 传感与检测装置是系统的感受器官,它与信息系统的输入端相连并将检测到的信息输送到信息处理部分。传感与检测是实现自动控制、自动调节的关键环节,它的功能越强,系统的自动化程度就越高。传感与检测的关键元件是传感器。,5. 伺服传动技术 伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的驱动装置,由微型计算机通过接口与这些传动装置相连接,控制它们的运动,带动工作机械作回转、直线以及其他各种复杂的运动。 6. 系统总体技术 系统总体技术是一种从整体目标出发,用系统的观点和全局角度,将总体分解成相互有机联系的若干单元,找出能完成各个功能的技术方案,再把功能和技

9、术方案组成方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。系统总体技术解决的是系统的性能优化问题和组成要素之间的有机联系问题,即使各个组成要素的性能和可靠性很好,但如果整个系统不能很好协调,系统也很难正常运行。,1.1.4 机电一体化技术与其他技术的区别 1.机电一体化技术与传统机电技术的区别 传统机电技术的操作控制主要通过具有电磁特性的各种电器来实现,如继电器、接触器等,在设计中不考虑或很少考虑彼此间的内在联系； 机械本体和电气驱动界限分明,整个装置是刚性的,不涉及软件和计算机控制。机电一体化技术以计算机为控制中心,在设计过程中强调机械部件和电器部件间的相互作用和影响,整个装置在计算机控制下具有一

10、定的智能性。,2.机电一体化技术与并行工程的区别 机电一体化技术将机械技术、微电子技术、计算机技术、控制技术和检测技术在设计和制造阶段就有机地结合在一起,十分注意机械和其他部件之间的相互作用。而并行工程将上述各种技术尽量在各自范围内齐头并进,只在不同技术内部进行设计制造,最后通过简单叠加完成整体装置。3.机电一体化技术与自动控制技术的区别 自动控制技术的侧重点是讨论控制原理、控制规律、分析方法和自动系统的构造等。机电一体化技术将自动控制原理及方法作为重要支撑技术,将自控部件作为重要控制部件应用自控原理和方法,对机电一体化装置进行系统分析和性能测算,4.机电一体化技术与计算机应用技术的区别 机电

11、一体化技术只是将计算机作为核心部件应用,目的是提高和改善系统性能。计算机在机电一体化系统中的应用仅仅是计算机应用技术中的一部分,它还可以在办公、管理及图像处理等方面得到广泛应用。机电一体化技术研究的是机电一体化系统,而不是计算机应用本身。,1.2 机电一体化系统的设计,1.2.1 机电一体化系统的分类从控制的角度来讲, 机电一体化系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。开环控制的机电一体化系统是没有反馈的控制系统,这种系统的输入直接送给控制器,并通过控制器对受控对象产生控制作用。一些家用电器、简易NC机床和精度要求不高的机电一体化产品都采用开环控制方式。开环控制机电一体化系统的优点是结构简单,

12、成本低, 维修方便; 缺点是精度较低,对输出和干扰没有诊断能力。,1.2.2 机电一体化系统（产品）开发的类型1.开发性设计2. 适应性设计3. 变参数设计1.2.3 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

13、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。,1.2.4 机电一体化系统设计所谓的系统设计,就是用系统思维综合运用各有关学科的知识、技术和经验,在系统分析的基础上,通过总体研究和详细设计,实现满足设计目标的产品研发过程。系统设计的基本原则是使设计工作获得最优化效果,在保证目的功能要求与适当使用寿命的前提下不断降低成本。系统设计的过程就是“目标功能结构效果”的多次分析与综合的过程。综合可理解为各种解决问题要素的拼合的模型化过程,这是一种高度的创造行为。分析是综合的

14、反行为，也是提高综合水平的必要手段。 ,随着工业技术的高度发展和人民生活水平的提高,人们迫切要求大幅度提高机电一体化系统设计工作的质量和速度,因此在机电一体化系统设计中推广和运用现代设计方法,提高设计水平,是机电一体化系统设计发展的必然趋势。 依据的传统方法不同,它是以计算机为手段,其设计步骤通常如下： 设计预测信号分析科学类比系统分析设计创造设计选择各种具体的现代设计方法（如相似设计法、模拟设计法、有限元法、可靠性设计法、动态分析法、优化设计法、模糊设计法等）机电一体化系统设计质量的综合评价。,1.2.5 机电一体化系统（产品）的工程路线各种机电一体化系统（产品）的研究、开发、生产及销售的过

15、程各自有其自身特点,归纳其基本规律,机电一体化系统（产品）的工程路线如图1-2所示。,1.3 机电一体化的发展趋势,1.3.1 机电一体化的技术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。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

16、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。1991年3月,美国国家关键技术委员会在向总统提交的首份双年度报告国家关键技术中,列举了22项对于美国国家经济繁荣和国防安全至为关键的技术,并对各项入选技术的内容范围,选择依据和国际发展趋势进行了评述,着重强调了技术的有效利用。 ,鉴于资金、技术密集型的高技术发展初期投资大、回收少的特点,多数国家政府给予资金支持和必要的政策优惠。如前西德19841988年的五年计划确定,提供5.3亿马克用于资助计算机辅助设计和制造的应用,扩大工业机器人、软件操作系统和外围设备的工业基础等先进生产技术的应用。日

17、本政府早在1971年制定的特定的电子工业和特定的机械工业临时措施法中,已把数控机床作为重点扶植对象。,美国1983年制定的“星球大战（SDI）”计划投资1000亿美元以发展高技术,其中也包括发展空间机器人、核能机器人、军事机器人及工业机器人等相关技术。美国国家科学基金会（NST）每年投资100万美元,国家标准局（NBS）每年投资150万美元用于发展相关技术。19851995年间,美国用于研制军用机器人和智能机器人的经费从1.86亿美元增至9.75亿美元。国家规划和支持对美国机器人技术的发展起了很大的推动作用。我国是发展中国家,与发达国家相比工业技术水平存在一定差距,但有广阔的机电一体化应用开拓领域和技术产品潜在市场。,