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1、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì),課程說明,機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程是一門專業(yè)方向課。本課程從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，利用機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)，通過機(jī)電有機(jī)結(jié)合構(gòu)造最佳的機(jī)電系統(tǒng)。 （并不是簡單的疊加，綜合應(yīng)用了各種技術(shù)） 先修課程：機(jī)械設(shè)計(jì)，電子技術(shù)，電工技術(shù)，機(jī)電傳動(dòng)與控制，微機(jī)原理與應(yīng)用等。,教學(xué)的基本要求包括： 1學(xué)習(xí)機(jī)電一體化基本概念，理解機(jī)電一體化系統(tǒng)中各結(jié)構(gòu)要素在系統(tǒng)中的作用和相互關(guān)系，初步建立機(jī)電產(chǎn)品的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)思想。 2機(jī)電一體化系統(tǒng)功能設(shè)計(jì) 主要包括：設(shè)計(jì)過程中技術(shù)系統(tǒng)的選用，功能的設(shè)計(jì)方法、評價(jià)決策，以洗衣機(jī)為例進(jìn)行了詳細(xì)的介紹；快速成型技術(shù)的介紹；現(xiàn)代物流系統(tǒng)的分析 3.機(jī)電一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
2、（整體布局、運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)） 4.機(jī)電一體化系統(tǒng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 以數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)化立體倉庫為例。 5.機(jī)電一體化信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（比如人機(jī)界面） 6.機(jī)電一體化系統(tǒng)的可重構(gòu)設(shè)計(jì),什么是機(jī)電一體化? 機(jī)電一體化又稱為機(jī)械電子學(xué),其英文名稱為Mechatronics,由機(jī)械學(xué)(Mechanics)的前一半和電子學(xué)(Electronics)的后一半組成. 由英文名稱亦可知,機(jī)械電子學(xué)早期是由機(jī)械學(xué)和電子學(xué)衍生出來的子學(xué)科(1971年日本雜志機(jī)械設(shè)計(jì)的副刊首次使用).,1.1 基本概念, 機(jī)電一體化定義（內(nèi)涵） 機(jī)電一體化概念的內(nèi)涵目前國內(nèi)外尚沒有完全統(tǒng)一的表述。一般認(rèn)為：機(jī)電一體化是以機(jī)械學(xué)、電子
3、學(xué)和信息科學(xué)為主的多門學(xué)科在機(jī)電產(chǎn)品發(fā)展過程中相互交叉、相互滲透而形成的一門新興邊緣性技術(shù)學(xué)科。,1 機(jī)電一體化已經(jīng)發(fā)展為一門獨(dú)立學(xué)科 它融合了機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、信息科學(xué)等學(xué)科的知識(shí)與發(fā)展成果，但其本身又具有自身的特點(diǎn)及研究任務(wù)。,機(jī)電一體化的3重含義,2 機(jī)電一體化是一個(gè)不斷發(fā)展中的概念,早期： 主要強(qiáng)調(diào)機(jī)械與電子的結(jié)合，即將電子技術(shù)“溶入”到機(jī)械技術(shù)中而形成新的技術(shù)與產(chǎn)品。,現(xiàn)代：（P3） 以計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)為特征的信息技術(shù)取得了長足的發(fā)展，信息技術(shù)不斷“滲透”到機(jī)械技術(shù)中，豐富了機(jī)電一體化的含義?，F(xiàn)在，機(jī)電一體化已不再局限于機(jī)械、電子與信息技術(shù)的結(jié)合，還包括光機(jī)電一體化（融入
4、光學(xué)技術(shù)的發(fā)展成果）、機(jī)電氣一體化、機(jī)電液一體化、機(jī)電儀一體化等。,機(jī)電一體化的3重含義,3 機(jī)電一體化體現(xiàn)了技術(shù)之間相互融合的思想 強(qiáng)調(diào)各種技術(shù)在機(jī)電產(chǎn)品中的相互協(xié)調(diào)，以達(dá)到系統(tǒng)總體最優(yōu)。其主要發(fā)展特點(diǎn)是“取人所長，為己所用”。,機(jī)電一體化的3重含義,機(jī)電一體化包含機(jī)電一體化技術(shù)和機(jī)電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng)) 兩個(gè)方面。, 機(jī)電一體化概念的外延,機(jī)電一體化技術(shù)是從系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)出發(fā)（其建立在信息論、控制論和系統(tǒng)論基礎(chǔ)上），將機(jī)械、電子和信息等有關(guān)技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)或產(chǎn)品整體最優(yōu)的綜合性技術(shù)。 機(jī)電一體化技術(shù)主要包括技術(shù)原理和使機(jī)電一體化產(chǎn)品（或系統(tǒng)）得以實(shí)現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術(shù)。 機(jī)電一體
5、化技術(shù)是一個(gè)技術(shù)群（族）的總稱，包括檢測傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)械技術(shù)及系統(tǒng)總體技術(shù)等。,機(jī)電一體化技術(shù),機(jī)電一體化產(chǎn)品有時(shí)也稱為機(jī)電一體化系統(tǒng)，它們是兩個(gè)相近的概念，通常機(jī)電一體化產(chǎn)品指獨(dú)立存在的機(jī)電結(jié)合產(chǎn)品，而機(jī)電一體化系統(tǒng)主要指依附于主產(chǎn)品的部件系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)實(shí)際上也是機(jī)電一體化產(chǎn)品。 機(jī)電一體化產(chǎn)品是由機(jī)械系統(tǒng)（或部件）與電子系統(tǒng)（或部件）及信息處理單元（硬件和軟件）有機(jī)結(jié)合、而賦予了新功能和新性能的高科技產(chǎn)品。,機(jī)電一體化產(chǎn)品（系統(tǒng)）,典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))有：數(shù)控機(jī)床、機(jī)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
6、。,由于在機(jī)械本體中“溶入”了電子技術(shù)和信息技術(shù)，與純粹的機(jī)械產(chǎn)品相比，機(jī)電一體化產(chǎn)品的性能得到了根本的提高，具有滿足人們使用要求的最佳功能。,機(jī)電一體化產(chǎn)品（系統(tǒng)）,數(shù) 控 銑 床,數(shù)控車床,焊接機(jī)器人,汽車防抱死系統(tǒng)(ABS),機(jī)電一體化系統(tǒng)的層次,機(jī)電一體化系統(tǒng)是一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)，按其功能的復(fù)雜程度可分為三個(gè)層次：,1）單機(jī)系統(tǒng)：比如各種數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人 2）由單機(jī)和運(yùn)輸?shù)仍O(shè)備組成的加工、裝配、儲(chǔ)存等制造系統(tǒng)，比如：FMS、FMC 3) 由制造系統(tǒng)和規(guī)劃管理系統(tǒng)組成的集成系統(tǒng)，比如：CIMS,1.3 機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成,1.3 機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成,1、機(jī)械本體,機(jī)械本體包括機(jī)架、機(jī)械連接
7、、機(jī)械傳動(dòng)等。所有的機(jī)電一體化系統(tǒng)都含有機(jī)械部分，它是機(jī)電一體化系統(tǒng)的基礎(chǔ)，起著支撐系統(tǒng)中其它功能單元，傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的作用。,要求： 高效、多功能、可靠、節(jié)能、小型、輕量、美觀等。,1.3 機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成,2、動(dòng)力源,動(dòng)力源是機(jī)電一體化產(chǎn)品能量供應(yīng)部分，其作用就是按照系統(tǒng)控制要求向機(jī)器系統(tǒng)提供能量和動(dòng)力使系統(tǒng)正常運(yùn)行。提供能量的方式包括電能、氣能和液壓能，以電能為主。,要求：效率高、可靠性好,1.3 機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成,3、檢測傳感裝置,檢測傳感部分包括各種傳感器及其信號(hào)檢測電路，其作用就是監(jiān)測機(jī)電一體化系統(tǒng)工作過程中本身和外界環(huán)境有關(guān)參量的變化，并將信息傳遞給電子控制單元，電子控制
8、單元根據(jù)檢測到的信息向執(zhí)行器發(fā)出相應(yīng)的控制指令。,要求： 傳感器精度、靈敏度、響應(yīng)速度和信噪比高；漂移小、穩(wěn)定性高；可靠性好，抗干擾性好等。,1.3 機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成,4、電子控制單元,ECU是機(jī)電一體化系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)將來自各傳感器的檢測信號(hào)和外部輸入命令進(jìn)行集中、存儲(chǔ)、計(jì)算、分析，根據(jù)信息處理結(jié)果，按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令，控制整個(gè)系統(tǒng)有目的地運(yùn)行。 ECU由硬件和軟件組成，系統(tǒng)硬件一般由計(jì)算機(jī)、可編程控制器(PLC)、數(shù)控裝置以及邏輯電路、AD與DA轉(zhuǎn)換、I0 接口和計(jì)算機(jī)外部設(shè)備等組成；系統(tǒng)軟件為固化在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)的信息處理和控制程序，根據(jù)系統(tǒng)正常工作的要求編寫。,要求
9、：高速、可靠、抗干擾、系統(tǒng)自診斷功能、信息處理智能化和小型、輕量、標(biāo)準(zhǔn)化,1.3 機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成,執(zhí)行器的作用是根據(jù)電子控制單元的指令驅(qū)動(dòng)機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)。執(zhí)行器是運(yùn)動(dòng)部件，通常采用電力驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)幾種方式。,1.3 機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成,5、執(zhí)行器,要求： 執(zhí)行器效率高、響應(yīng)速度快，對水、油、溫度、塵埃等外部環(huán)境的適應(yīng)性好，可靠性高、標(biāo)準(zhǔn)化。,1.3 機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成,1.4 共性關(guān)鍵技術(shù),1 檢測傳感技術(shù) 2 信息處理技術(shù) 3 自動(dòng)控制技術(shù) 4 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù) 5 機(jī)械技術(shù) 6 系統(tǒng)總體技術(shù),1、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(hào)檢測裝置（
10、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。,1.4 共性關(guān)鍵技術(shù),2、信息處理技術(shù),主要完成信息的交換、存取、運(yùn)算、判斷和決策等.其主要工具是計(jì)算機(jī)。,3、控制技術(shù),關(guān)于軟件及控制算法方面的技術(shù)，主要以控制理論為指導(dǎo)，對控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真、現(xiàn)場調(diào)試、可靠運(yùn)行等。,1.4 共性關(guān)鍵技術(shù),4、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù),執(zhí)行元件種類：電動(dòng)、液壓、氣壓,研究對象：執(zhí)行元件及其驅(qū)動(dòng)裝置,驅(qū)動(dòng)裝置：各種電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源電路,實(shí)現(xiàn)機(jī)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。,5、機(jī)械技術(shù),1.4 共性關(guān)鍵技術(shù),6、系統(tǒng)總體技術(shù) 系統(tǒng)總體技術(shù)是一種從整體目
11、標(biāo)出發(fā)，用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)和方法，將系統(tǒng)各個(gè)功能模塊有機(jī)的結(jié)合起來，以實(shí)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(jī)械接口、人機(jī)接口 （第五章信息流的設(shè)計(jì)）,1.4 共性關(guān)鍵技術(shù),1.6 機(jī)電一體化對機(jī)械工業(yè)的影響,1 提高性能、擴(kuò)展功能、提高效率 以數(shù)控機(jī)床為例，高速的DSP處理器芯片及精確的運(yùn)動(dòng)控制算法是實(shí)現(xiàn)機(jī)床多軸聯(lián)動(dòng)曲面異型體工件加工的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)機(jī)床永遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，是對機(jī)床性能的提高和功能的擴(kuò)展。 數(shù)控加工中心能夠?qū)崿F(xiàn)一次裝夾，多工位同時(shí)加工，提高了設(shè)備的效率。另外，多軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床在模具加工方面也有相當(dāng)大優(yōu)勢，可以通過程序控制實(shí)現(xiàn)模具的批量生產(chǎn)，模具的虛擬加工與調(diào)
12、試等。,1.6 機(jī)電一體化對機(jī)械工業(yè)的影響,2 簡化結(jié)構(gòu),3 提高可靠性 在提高電子元件質(zhì)量、可靠性的前提下，機(jī)電一體化產(chǎn)品可以提高耐久性，減少故障率。另一方面由于賦予其自動(dòng)監(jiān)視診斷功能，并采取安全聯(lián)鎖控制，過載和失控保護(hù)、停電保護(hù)等對策，提高了設(shè)備的安全可靠性。,1.6 機(jī)電一體化對機(jī)械工業(yè)的影響,4 節(jié)約能源 變頻調(diào)速技術(shù)的廣泛應(yīng)用大大減少了風(fēng)機(jī)、水泵、空調(diào)壓縮機(jī)的能源消耗。,1.6 機(jī)電一體化對機(jī)械工業(yè)的影響,5 操作改善 利用計(jì)算機(jī)軟件提供的友好人機(jī)界面，可以方便操作人員對機(jī)械裝備狀態(tài)的監(jiān)測、控制。,1.6 機(jī)電一體化對機(jī)械工業(yè)的影響,1.7 機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢,1 智能化 智能化是
13、21世紀(jì)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要發(fā)展方向。 人工智能在機(jī)電一體化建設(shè)者的研究日益得到重視，機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的智能化就是重要應(yīng)用。這里所說的“智能化”是對機(jī)器行為的描述，是在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動(dòng)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(biāo)。,2 標(biāo)準(zhǔn)化 由于機(jī)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(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、電氣接口、動(dòng)力接口、環(huán)境接口的機(jī)電一體化產(chǎn)品單元是一項(xiàng)十分復(fù)雜但又是非常重要的事。這需要制定各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，以便各部件、單元的匹配和接口。由于利益沖突，近期很難制
14、定國際或國內(nèi)這方面的標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)化、系列化帶來的好處可以肯定，無論是對生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)電一體化單元的企業(yè)還是對生產(chǎn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的企業(yè)，規(guī)?；瘜⒔o機(jī)電一體化企業(yè)帶來美好的前程。,1.7 機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢,3 網(wǎng)絡(luò)化 基于網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢；各種遠(yuǎn)程故障監(jiān)測、診斷與維護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展提高了機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行可靠性、可控性和可維護(hù)性，提高了資源和設(shè)備的利用率等；基于“藍(lán)牙”技術(shù)的智能家用電器將帶來人們生活方式的極大改變。,1.7 機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢,4 微型化 微型化興起于20世紀(jì)80年代末，指的是機(jī)電一體化向微
15、型機(jī)器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。國外稱其為微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS），泛指幾何尺寸不超過1cm3的機(jī)電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級(jí)發(fā)展。 微機(jī)電一體化產(chǎn)品體積小 、耗能少、運(yùn)動(dòng)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(jī)電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機(jī)械技術(shù)，微機(jī)電一體化產(chǎn)品的加工采用精細(xì)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。,1.7 機(jī)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(jìn)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(jìn)行任意剪裁和組合，同時(shí)尋求實(shí)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(qiáng)，一般除RS232外，還有R
16、S485等。（可重構(gòu)系統(tǒng)）,1.7 機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢,機(jī)電一體化系統(tǒng)的四視圖設(shè)計(jì),傳統(tǒng)機(jī)械主要是由機(jī)械結(jié)構(gòu)完成其功能，其設(shè)計(jì)主要是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在描述和設(shè)計(jì)傳統(tǒng)機(jī)械時(shí)，表達(dá)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要采用三視圖。而現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的機(jī)電一體化系統(tǒng)，三視圖不足以表達(dá)機(jī)電一體化系統(tǒng)，采用四視圖設(shè)計(jì)來設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)，包括：功能視圖、結(jié)構(gòu)視圖、控制視圖和信息視圖。,機(jī)電一體化系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的四視圖,1、 功能視圖,所謂功能視圖就是對機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本功能和為實(shí)現(xiàn)基本功能的技術(shù)原理的描述與設(shè)計(jì)。,功能視圖主要包括以下內(nèi)容：,（1）功能組成圖；,（2）主功能的功能原理圖；,（3）形態(tài)矩陣圖。 （4）進(jìn)行方案的比較選擇，形成優(yōu)化的技術(shù)系統(tǒng),2、結(jié)構(gòu)視圖,結(jié)構(gòu)視圖主要包括以下內(nèi)容：,（1）總體布局圖；,（2）傳動(dòng)系統(tǒng)圖；,（3）特殊結(jié)構(gòu)的原理圖。,3、控制視圖,控制視圖包括：,（1）機(jī)電一體化單元；,（2）控制器結(jié)構(gòu)框圖。,4、信息視圖,
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