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1、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計,遼寧科技大學(xué) 高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院,第一章 緒論,1.1 機電一體化定義 1.2 機電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成 1.3 機電一體化的相關(guān)技術(shù) 1.4 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的目標和方法 1.5 機電一體化發(fā)展趨勢,機電一體化技術(shù)發(fā)展概況,1. 20世紀60年代前為第一階段，“萌芽階段” 工程師們自覺或者不自覺地把機械產(chǎn)品和電子技術(shù)相結(jié) 合，以提高機械產(chǎn)品的性能。但是由于電子技術(shù)的發(fā)展相對 落后，使得機械與電子的結(jié)合還沒有得到廣泛的應(yīng)用。 2. 70年代到80年代為第二階段，“蓬勃發(fā)展階” 計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機電一體 化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)這個時期的特點是： mec

2、hatronics一詞首先在日本被普遍接受，大約到20世紀80年代末期在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認； 機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展； 各國均開始對機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品給以很大的關(guān)注和支持。,3.90年代后期開始為第三階段，“智能化階段” 光學(xué)、通信技術(shù)等進入了機電一體化，微細加工技術(shù)也在機電一體化中嶄露頭腳，出現(xiàn)了光機電一體化和微機電一體化等新分支； 對機電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計、分析和集成方法，機電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢都進行了深入研究。 由于人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光纖技術(shù)等領(lǐng)域取得的巨大進步，為機電一體化技術(shù)開辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，將促使機電一體化進一步建立完整的基

3、礎(chǔ)和逐漸形成完整的科學(xué)體系。,機電一體化技術(shù)發(fā)展概況,,數(shù)控機床的問世，寫下了“機電一體化”歷史的第一頁。 微電子技術(shù)為“機電一體化”帶來勃勃生機。 可編程序控制器、”電力電子“等的發(fā)展為“機電一體”化提供了堅強基礎(chǔ)。 激光技術(shù)、模糊技術(shù)、信息技術(shù)等新技術(shù)使” “機電一體化”躍上新臺階。,,機電一體化技術(shù)發(fā)展概況,1.1 機電一體化定義,機電一體化不是機械 與電子簡單的疊加，而 是在信息論、控制論和 系統(tǒng)論的基礎(chǔ)上建立起 來的應(yīng)用技術(shù),機電一體化：Mechatronics(機電一體化,機械電子學(xué),機電學(xué)),,機電一體化：從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，將機械技術(shù) 、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)等在系統(tǒng)工程

4、基礎(chǔ)上有機地加以綜合，以實現(xiàn)整個系統(tǒng)最佳化的一門新科學(xué)技術(shù)。,典型的機電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))有：數(shù)控機床、機器人、汽車電子化產(chǎn)品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統(tǒng)、CADCAM系統(tǒng)等。,1.1 機電一體化定義,,機電一體化技術(shù)：綜合運用了機械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感測試技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)及軟件編程技術(shù)等,數(shù)控銑床,數(shù)控車床,典型的機電一體化產(chǎn)品,焊接機器人,焊接機器人,典型的機電一體化產(chǎn)品,汽車防抱死系統(tǒng)(ABS),典型的機電一體化產(chǎn)品,1.2 機電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成,,,1.2 機電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成,,1、機械本體,機身、框架、機械聯(lián)接等產(chǎn)品支持機構(gòu)，實現(xiàn)構(gòu)造功能

5、。,要求：高效、多功能、節(jié)能、可靠、小型、美觀,2、動力單元,提供能量，轉(zhuǎn)換成需要的形式，實現(xiàn)動力功能。,要求：效率高、可靠性好,1.2 機電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成,,3、檢測傳感單元,檢測產(chǎn)品內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境，實現(xiàn)計測功能。,要求：體積小、精度高、抗干擾,4、電子控制單元,存儲、分析、運算、決策，實現(xiàn)控制功能。,要求：高可靠性、柔性、智能化,1.2 機電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成,,5、執(zhí)行機構(gòu),包括機械傳動與操作機構(gòu)，接收控制信息，完成要求的動作，實現(xiàn)主功能。,要求：高性能、高精度、高效率,,1.2 機電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成,,,1.3 機電一體化的相關(guān)術(shù),1 機械技術(shù) 2 檢測傳感技術(shù) 3 信息處理技術(shù)

6、4 自動控制技術(shù) 5 伺服驅(qū)動技術(shù) 6 系統(tǒng)總體技術(shù),,,實現(xiàn)機電一體化產(chǎn)品的主功能和構(gòu)造功能，影響系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、重量、體積、剛性、可靠性等。,1、機械技術(shù),機電一體化產(chǎn)品要求：機械結(jié)構(gòu)更簡單、機械功能更強、體積更小、重量更輕、精度更高、剛度更大、動態(tài)性能更好。,1.3 機電一體化的相關(guān)術(shù),2、檢測傳感技術(shù),作用：感受器官、反饋環(huán)節(jié)。,研究對象：傳感器及其信號檢測裝置（即變送器）,要求：能快速、精確地獲得信息并在相應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境中具有高可靠性。,,1.3 機電一體化的相關(guān)術(shù),3、信息處理技術(shù),,主要完成信息的交換、存取、運算、判斷和決策等.其主要工具是計算機。,4、控制技術(shù),關(guān)于軟件方面的技術(shù)，主

7、要以控制理論為指導(dǎo)，對控制系統(tǒng)設(shè)計、仿真、現(xiàn)場調(diào)試、可靠運行等。,,1.3 機電一體化的相關(guān)術(shù),5、伺服驅(qū)動技術(shù),執(zhí)行元件種類：電動、液壓、氣壓,研究對象：執(zhí)行元件及其驅(qū)動裝置,驅(qū)動裝置：各種電動機的驅(qū)動電源電路,,6、系統(tǒng)總體技術(shù) 系統(tǒng)總體技術(shù)是一種從整體目標出發(fā)，用系統(tǒng)工程的觀點和方法，將系統(tǒng)各個功能模塊有機的結(jié)合起來，以實現(xiàn)整體最優(yōu)。其重要內(nèi)容為接口技術(shù)。接口包括電氣接口、機械接口、人機接口,1.3 機電一體化的相關(guān)術(shù),1.4 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的目的與方法,,1.4.1 機電一體化產(chǎn)品系統(tǒng)分類 1.4.2 現(xiàn)代機械的機電一體化目標 1.4.3 機電一體化技術(shù)方向 1.4.4 機電一體

8、化系統(tǒng)的設(shè)計方法 1.4.5 機電一體化的系統(tǒng),,1生產(chǎn)用機電一體化產(chǎn)品,1.4.1 機電一體化產(chǎn)品系統(tǒng)分類,,數(shù)控機床、機器人、自動生產(chǎn)設(shè)備；柔性生產(chǎn)單元、自動組合生產(chǎn)單元；FMS、無人化工廠、CIMS,2運輸、包裝及工程用機電一體化產(chǎn)品,微機控制汽車、機車等交通運輸工具；數(shù)控包裝機械及系統(tǒng)；數(shù)控運輸機械及工程機械設(shè)備等,,,3儲存、銷售用機電一體化產(chǎn)品,自動空調(diào)與制冷系統(tǒng)及設(shè)備；自動倉庫；自動稱量、分選、銷售及現(xiàn)金處理系統(tǒng)；自動化辦公設(shè)備等。,,1.4.1 機電一體化產(chǎn)品系統(tǒng)分類,,4社會服務(wù)性機電一體化產(chǎn)品,動力、醫(yī)療、環(huán)保及公共服務(wù)自動化設(shè)備；文教、體育、娛樂,5家庭用機電一體化產(chǎn)品,

9、家用機電一體化產(chǎn)品；微機或數(shù)控型耐用消費品；炊事自動化 機械；家庭用信息、服務(wù)設(shè)備。,,6科研及過程控制用機電一體化產(chǎn)品,測試設(shè)備；控制設(shè)備；信息處理系統(tǒng)。,,7農(nóng)、林、牧、漁及其它民用機電一體化產(chǎn)品,8航空、航天、國防用武器裝備等機電一體化產(chǎn)品,,1.4.2 現(xiàn)代機械的機電一體化目標,,1.提高精度,2.增強功能,,3.提高生產(chǎn)效率,,4.節(jié)約能源，降低能耗,5.提高安全性可靠性,6.改善操作性和實用性,7.節(jié)約能源，降低能耗,8.簡化結(jié)構(gòu)降低重量,9.降低價格,10.增強柔性應(yīng)用功能,以某一個機電一體化產(chǎn)品為例來分析該產(chǎn)品的設(shè)計目標。 如：轎車、數(shù)控機床、機器人等,,1.4.3 機電一體化

10、技術(shù)方向,,,,1.機械的電子化 （1）在原有機械系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用微型計算機控制裝置，使系統(tǒng)的性能提高，功能增強。例如，模糊控制洗衣機能根據(jù)衣物的潔凈度自動控制洗滌過程，從而實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)時、節(jié)洗衣粉的功能；機床的數(shù)控化是另一個典型的例子。 （2）用電子裝置局部替代機械傳動裝置和機械控制裝置，簡化結(jié)構(gòu)，增強控制靈活性。例如，數(shù)控機床的進給系統(tǒng)采用伺服系統(tǒng)，簡化了傳動鏈，提高了進給系統(tǒng)的動態(tài)性能；將傳統(tǒng)電機的電刷用電子裝置替代形成的無刷電機，具有性能可靠、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸減小等優(yōu)點。,,1.4.3 機電一體化技術(shù)方向,,,,（3）用電子裝置完全替代原來執(zhí)行信息處理功能的機構(gòu)，既減化了結(jié)構(gòu)，

11、又極大地豐富了信息傳輸?shù)膬?nèi)容，提高了速度。例如，石英電子鐘表、電子秤、按鍵式電話等。 （4）用電子裝置替代機械的主功能，形成特殊的加工能力。例如，電火花加工機床、線切割加工機床、激光加工機床等。 2.機電技術(shù)完全融合形成新型機電一體化產(chǎn)品 生產(chǎn)機械中的激光快速成形機；信息機械中的傳真機、打印機、復(fù)印機；檢測機械中的CT（計算機斷層掃描診斷裝置）掃描診斷儀、掃描隧道顯微鏡等。,1.4.4 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計方法,1、市場調(diào)研 2、總體方案設(shè)計 3、詳細設(shè)計 4、樣機試制與試驗 5、小批量生產(chǎn) 6、大批量生產(chǎn),1、市場調(diào)研,市場調(diào)研包括市場調(diào)查和市場預(yù)測。所謂市場調(diào)查就是運用科學(xué)的方法，系統(tǒng)地、

12、全面地收集所設(shè)計產(chǎn)品市場需求和經(jīng)銷方面的情況和資料，分析研究產(chǎn)品在供需雙方之間進行轉(zhuǎn)移的狀況和趨勢，而市場預(yù)測就是在市場調(diào)查的基礎(chǔ)上，運用科學(xué)方法和手段，根據(jù)歷史資料和現(xiàn)狀，通過定性的經(jīng)驗分析或定量的科學(xué)計算，對市場未來的不確定因素和條件做出預(yù)計、測算和判斷，為產(chǎn)品的方案設(shè)計提供依據(jù)。,1.4.4 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計,,2、總體方案設(shè)計,1)產(chǎn)品方案構(gòu)思 產(chǎn)品方案構(gòu)思完成后，以方案圖的形式將設(shè)計方案表達出來。方案圖應(yīng)盡可能簡潔明了，反映機電一體化系統(tǒng)各組成部分的相互關(guān)系，同時應(yīng)便于后面的修改。 2)方案的評價對多種構(gòu)思和多種方案進行篩選，選擇較好的可行方案進行分析組合和評價，從中再選幾個方案

13、按照機電一體化系統(tǒng)設(shè)計評價原則和評價方法進行深入的綜合分析評價，最后確定實施方案。,1.4.4 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計,,3、詳細設(shè)計,詳細設(shè)計是根據(jù)綜合評價后確定的系統(tǒng)方案，從技術(shù)上將其細節(jié)逐層全部展開，直至完成產(chǎn)品樣機試制所需全部技術(shù)圖紙及文件的過程。,1.4.4 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計,,4、樣機試制與試驗,完成產(chǎn)品的詳細設(shè)計后，即可進入樣機試制與試驗階段。樣機的試驗分為實驗室試驗和實際工況試驗，通過試驗考核樣機的各種性能指標是否滿足設(shè)計要求，考核樣機的可靠性。如果樣機的性能指標和可靠性不滿足設(shè)計要求，則要修改設(shè)計，重新制造樣機，重新試驗。如果樣機的性能指標和可靠性滿足設(shè)計要求，則進入產(chǎn)品的小批

14、量生產(chǎn)階段。,5、小批量生產(chǎn) 產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)階段實際上是產(chǎn)品的試生產(chǎn)試銷售階段。這一階段的主要任務(wù)是跟蹤調(diào)查產(chǎn)品在市場上的情況，收集用戶意見，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計和制造方面存在的問題，并反饋給設(shè)計、制造和質(zhì)量控制部門。 6、大批量生產(chǎn) 經(jīng)過小批量試生產(chǎn)和試銷售的考核，排除產(chǎn)品設(shè)計和制造中存在的各種問題后，即可投入大批量生產(chǎn)。,1.4.4 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計,,1.5 機電一體化產(chǎn)品的發(fā)展趨勢,1 智能化 智能化是21世紀機電一體化技術(shù)發(fā)展的一個重要發(fā)展方向。人工智能在機電一體化建設(shè)者的研究日益得到重視，機器人與數(shù)控機床的智能化就是重要應(yīng)用。這里所說的“智能化”是對機器行為的描述，是在控制理論的基礎(chǔ)

15、上，吸收人工智能、運籌學(xué)、計算機科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動力學(xué)等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標。,,機電一體化產(chǎn)品向智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化、系統(tǒng)化發(fā)展。,2 模塊化 由于機電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、環(huán)境接口的機電一體化產(chǎn)品單元是一項十分復(fù)雜但又是非常重要的事。這需要制定各項標準，以便各部件、單元的匹配和接口。由于利益沖突，近期很難制定國際或國內(nèi)這方面的標準，但可以通過組建一些大企業(yè)逐漸形成。顯然，從電氣產(chǎn)品的標準化、系列化帶來的好處可以肯定，無論是對生產(chǎn)

16、標準機電一體化單元的企業(yè)還是對生產(chǎn)機電一體化產(chǎn)品的企業(yè)，規(guī)?；瘜⒔o機電一體化企業(yè)帶來美好的前程。,1.5 機電一體化的發(fā)展趨勢,,3網(wǎng)絡(luò)化 20世紀90年代，計算機技術(shù)等的突出成就是網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)。機電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來，只要其功 能獨到，質(zhì)量可靠，很快就會暢銷全球。由于網(wǎng)絡(luò) 的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠程控制和監(jiān)視技術(shù)方興 未艾，而遠程控制的終端設(shè)備本身就是機電一體化 產(chǎn)品。因此，機電一體化產(chǎn)品無疑朝著網(wǎng)絡(luò)化方向 發(fā)展。,1.5 機電一體化的發(fā)展趨勢,,4 微型化 微型化興起于20世紀80年代末，指的是機電一體化向微型機器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。國外稱其為微電子機械系統(tǒng)（MEMS），泛指幾何尺寸不超過1cm3的機電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級發(fā)展。微機電一體化產(chǎn)品體積小 、耗能少、運動靈活，在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢。微機電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機械技術(shù)，微機電一體化產(chǎn)品的加工采用精細加工技術(shù)，即超精密技術(shù)，它包括光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)兩類。,1.5 機電一體化的發(fā)展趨勢,,5 系統(tǒng)化 系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進一步 采用開放式和模式化的總線結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可以靈活組 態(tài)，進行任意剪裁和組合，同時尋求實現(xiàn)多子系統(tǒng) 協(xié)調(diào)控制和綜合管理。表現(xiàn)之二是通信功能的大大 加強，一般除RS232外，還有RS485等等,1.5 機電一體化的發(fā)展趨勢,,