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1、機電一體化系統(tǒng)設計,遼寧科技大學 高等職業(yè)技術學院,第一章 緒論,1.1 機電一體化定義 1.2 機電一體化系統(tǒng)的構成 1.3 機電一體化的相關技術 1.4 機電一體化系統(tǒng)設計的目標和方法 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品和電子技術相結 合，以提高機械產品的性能。但是由于電子技術的發(fā)展相對 落后，使得機械與電子的結合還沒有得到廣泛的應用。 2. 70年代到80年代為第二階段，“蓬勃發(fā)展階” 計算機技術、控制技術、通信技術的發(fā)展，為機電一體 化的發(fā)展奠定了技術基礎這個時期的特點是： mecha
2、tronics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得到比較廣泛的承認； 機電一體化技術和產品得到了極大發(fā)展； 各國均開始對機電一體化技術和產品給以很大的關注和支持。,3.90年代后期開始為第三階段，“智能化階段” 光學、通信技術等進入了機電一體化，微細加工技術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)的建模設計、分析和集成方法，機電一體化的學科體系和發(fā)展趨勢都進行了深入研究。 由于人工智能技術、神經網(wǎng)絡技術及光纖技術等領域取得的巨大進步，為機電一體化技術開辟了發(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礎和
3、逐漸形成完整的科學體系。,機電一體化技術發(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。 激光技術、模糊技術、信息技術等新技術使” “機電一體化”躍上新臺階。,機電一體化技術發(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)論的基礎上建立起 來的應用技術,機電一體化：Mechatronics(機電一體化,機械電子學,機電學),機電一體化：從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，將機械技術 、微電子技術、信息技術、控制技術等在系統(tǒng)工程基礎上有機
4、地加以綜合，以實現(xiàn)整個系統(tǒng)最佳化的一門新科學技術。,典型的機電一體化產品(系統(tǒng))有：數(shù)控機床、機器人、汽車電子化產品、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：綜合運用了機械技術、微電子技術、信息技術、自動控制技術、傳感測試技術、電力電子技術、接口技術及軟件編程技術等,數(shù)控銑床,數(shù)控車床,典型的機電一體化產品,焊接機器人,焊接機器人,典型的機電一體化產品,汽車防抱死系統(tǒng)(ABS),典型的機電一體化產品,1.2 機電一體化系統(tǒng)的構成,1.2 機電一體化系統(tǒng)的構成,1、機械本體,機身、框架、機械聯(lián)接等產品支持機構，實現(xiàn)構造功能。,要求：高效、多
5、功能、節(jié)能、可靠、小型、美觀,2、動力單元,提供能量，轉換成需要的形式，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)的構成,3、檢測傳感單元,檢測產品內部狀態(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)的構成,5、執(zhí)行機構,包括機械傳動與操作機構，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)的構成,1.3 機電一體化的相關術,1 機械技術 2 檢測傳感技術 3 信息處理技術 4 自動控制技術 5 伺服驅
6、動技術 6 系統(tǒng)總體技術,實現(xiàn)機電一體化產品的主功能和構造功能，影響系統(tǒng)的結構、重量、體積、剛性、可靠性等。,1、機械技術,機電一體化產品要求：機械結構更簡單、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 機電一體化的相關術,2、檢測傳感技術,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的應用環(huán)境中具有高可靠性。,1.3 機電一體化的相關術,3、信息處理技術,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,關于軟件方面的技術，主要以控制理論為指導，對控制系統(tǒng)設計、
7、仿真、現(xiàn)場調試、可靠運行等。,1.3 機電一體化的相關術,5、伺服驅動技術,執(zhí)行元件種類：電動、液壓、氣壓,研究對象：執(zhí)行元件及其驅動裝置,驅動裝置：各種電動機的驅動電源電路,6、系統(tǒng)總體技術 系統(tǒng)總體技術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合起來，以實現(xiàn)整體最優(yōu)。其重要內容為接口技術。接口包括電氣接口、機械接口、人機接口,1.3 機電一體化的相關術,1.4 機電一體化系統(tǒng)設計的目的與方法,1.4.1 機電一體化產品系統(tǒng)分類 1.4.2 現(xiàn)代機械的機電一體化目標 1.4.3 機電一體化技術方向 1.4.4 機電一體化系統(tǒng)的設計方法 1.4.5 機電一體化的系
8、統(tǒng),1生產用機電一體化產品,1.4.1 機電一體化產品系統(tǒng)分類,數(shù)控機床、機器人、自動生產設備；柔性生產單元、自動組合生產單元；FMS、無人化工廠、CIMS,2運輸、包裝及工程用機電一體化產品,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備等,3儲存、銷售用機電一體化產品,自動空調與制冷系統(tǒng)及設備；自動倉庫；自動稱量、分選、銷售及現(xiàn)金處理系統(tǒng)；自動化辦公設備等。,1.4.1 機電一體化產品系統(tǒng)分類,4社會服務性機電一體化產品,動力、醫(yī)療、環(huán)保及公共服務自動化設備；文教、體育、娛樂,5家庭用機電一體化產品,家用機電一體化產品；微機或數(shù)控型耐用消費品；炊事自動化
9、機械；家庭用信息、服務設備。,6科研及過程控制用機電一體化產品,測試設備；控制設備；信息處理系統(tǒng)。,7農、林、牧、漁及其它民用機電一體化產品,8航空、航天、國防用武器裝備等機電一體化產品,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.簡化結構降低重量,9.降低價格,10.增強柔性應用功能,以某一個機電一體化產品為例來分析該產品的設計目標。 如：轎車、數(shù)控機床、機器人等,1.4.3 機電一體化技術方向,1.機械的電子化 （1）在原有機械系統(tǒng)的基礎上采用微型計算機
10、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，簡化結構，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、結構簡單、尺寸減小等優(yōu)點。,1.4.3 機電一體化技術方向,（3）用電子裝置完全替代原來執(zhí)行信息處理功能的機構，既減化了結構，又極大地豐富了信息傳輸?shù)膬热?，提高了速度。例如，石英電子鐘表、電子秤、按鍵式電話等。 （
11、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.機電技術完全融合形成新型機電一體化產品 生產機械中的激光快速成形機；信息機械中的傳真機、打印機、復印機；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)設計方法,1、市場調研 2、總體方案設計 3、詳細設計 4、樣機試制與試驗 5、小批量生產 6、大批量生產,1、市場調研,市場調研包括市場調查和市場預測。所謂市場調查就是運用科學的方法，系統(tǒng)地、全面地收集所設計產品市場需求和經銷方面的情況和資料，分析研究產品在供需雙方之間進行轉移的狀
12、況和趨勢，而市場預測就是在市場調查的基礎上，運用科學方法和手段，根據(jù)歷史資料和現(xiàn)狀，通過定性的經驗分析或定量的科學計算，對市場未來的不確定因素和條件做出預計、測算和判斷，為產品的方案設計提供依據(jù)。,1.4.4 機電一體化系統(tǒng)設計,2、總體方案設計,1)產品方案構思 產品方案構思完成后，以方案圖的形式將設計方案表達出來。方案圖應盡可能簡潔明了，反映機電一體化系統(tǒng)各組成部分的相互關系，同時應便于后面的修改。 2)方案的評價對多種構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，從中再選幾個方案按照機電一體化系統(tǒng)設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
13、 機電一體化系統(tǒng)設計,3、詳細設計,詳細設計是根據(jù)綜合評價后確定的系統(tǒng)方案，從技術上將其細節(jié)逐層全部展開，直至完成產品樣機試制所需全部技術圖紙及文件的過程。,1.4.4 機電一體化系統(tǒng)設計,4、樣機試制與試驗,完成產品的詳細設計后，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計要求，則要修改設計，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計要求，則進入產品的小批量生產階段。,5、小批量生產 產品的小批量生產階段實際上是產品的試生產試銷售階段。這一階段的主要任
14、務是跟蹤調查產品在市場上的情況，收集用戶意見，發(fā)現(xiàn)產品在設計和制造方面存在的問題，并反饋給設計、制造和質量控制部門。 6、大批量生產 經過小批量試生產和試銷售的考核，排除產品設計和制造中存在的各種問題后，即可投入大批量生產。,1.4.4 機電一體化系統(tǒng)設計,1.5 機電一體化產品的發(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上，吸收人工智能、運籌學、計算機科學、模糊數(shù)學、心理學、生理學和混沌動力學等新思想、新方法，模擬人類
15、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。,機電一體化產品向智能化、模塊化、網(wǎng)絡化、微型化、系統(tǒng)化發(fā)展。,2 模塊化 由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多，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品單元是一項十分復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，從電氣產品的標準化、系列化帶來的好處可以肯定，無論是對生產標準機電一體化單元的企業(yè)還是對生產機電一體化產品的企業(yè)，規(guī)?；瘜⒔o機電一體化企業(yè)帶來美好的前程。,1.5
16、 機電一體化的發(fā)展趨勢,3網(wǎng)絡化 20世紀90年代，計算機技術等的突出成就是網(wǎng)絡 技術。機電一體化新產品一旦研制出來，只要其功 能獨到，質量可靠，很快就會暢銷全球。由于網(wǎng)絡 的普及，基于網(wǎng)絡的各種遠程控制和監(jiān)視技術方興 未艾，而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化 產品。因此，機電一體化產品無疑朝著網(wǎng)絡化方向 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的機電一體化產品，并向微米、納米級發(fā)展。微機電一體化產品體積小 、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，微機電一體化產品的加工采用精細加工技術，即超精密技術，它包括光刻技術和蝕刻技術兩類。,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)體系結構進一步 采用開放式和模式化的總線結構。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,
機電一體化設計1緒論
