機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì).ppt

尹愛(ài)軍 副教授/博士 65106973 重慶大學(xué).機(jī)械學(xué)院,機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì),課程性質(zhì)：綜合性 課程基礎(chǔ)：機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，電子技術(shù)基礎(chǔ)， 機(jī)械工程控制基礎(chǔ)， 微機(jī)原理及接口技術(shù) 學(xué)習(xí)目的：掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 基本知識(shí)和技能 學(xué)習(xí)前提：熟悉考試大綱,第一章 概論,首先由日本提出：誕生了一門新的復(fù)合學(xué)科Mechatronics,第一節(jié) 發(fā)展及基本概念,一、發(fā)展,1. 20世紀(jì)60年代前為第一階段，“萌芽階段” 工程師們自覺(jué)或者不自覺(jué)地把機(jī)械產(chǎn)品和電子技術(shù)相結(jié)合以提高機(jī)械產(chǎn)品的性能。但是由于電子技術(shù)的發(fā)展相對(duì)落后，使得機(jī)械與電子的結(jié)合還沒(méi)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(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)電一體 化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。這個(gè)時(shí)期的特點(diǎn)是： mechatronics一詞首先在日本被普遍接受，大約到20世紀(jì)80年代末期在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認(rèn)； 機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展； 各國(guó)均開(kāi)始對(duì)機(jī)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(kāi)始為第三階段，“智能化階段” 光學(xué)、通信技術(shù)等進(jìn)入了機(jī)電一體化，微細(xì)加工技術(shù)也在機(jī)電一體化中嶄露頭腳，出現(xiàn)了光機(jī)電一體化和微機(jī)電一體化等新分支； 對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計(jì)、分析和集成方法，機(jī)電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢(shì)都進(jìn)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(jìn)步，為機(jī)電一體化技術(shù)開(kāi)辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，將促使機(jī)電一體化進(jìn)一步建立完整的基礎(chǔ)和逐漸形成完整的科學(xué)體系。,1. 數(shù)控機(jī)床的問(wèn)世，寫下了“機(jī)電一體化”歷史的第一頁(yè)。2. 微電子技術(shù)為“機(jī)電一體化”帶來(lái)勃勃生機(jī)。 3. 可編程序控制器、“電力電子”等的發(fā)展為”機(jī)電一體化“提供了堅(jiān)強(qiáng)基礎(chǔ)。 4. 激光技術(shù)、模糊技術(shù)、信息技術(shù)等新技術(shù)使”機(jī)電一體化“躍上新臺(tái)階。,1，系統(tǒng)廣義上定義為兩個(gè)或兩個(gè)以上事物組成的相互依存、互相作用，共同完成某種特定功能或形成某種事物現(xiàn)象的一個(gè)統(tǒng)一整體的總稱。 應(yīng)用中定義為：任何具有因果關(guān)系的一組物理元件的組合體 因激勵(lì)（ 輸入 ） 果響應(yīng)（ 輸出 ）,二基本概念,沒(méi)有統(tǒng)一的定義 貝塔朗菲： ISOTC： ANSI： Webster： JIS： 中國(guó)：,2，機(jī)電一體化機(jī)械與電子的集成技術(shù) 核心技術(shù)：機(jī)械工程，電子工程，信息與控制工程,機(jī)電一體化技術(shù)：從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，將機(jī)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)工程基礎(chǔ)上有機(jī)地加以綜合，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)最佳化的一門新科學(xué)技術(shù)。 機(jī)電一體化不是機(jī)械與電子簡(jiǎn)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(lái)的應(yīng)用技術(shù) 微電子技術(shù)、信息技術(shù)的快速發(fā)展并向傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品滲透與融合的結(jié)果。,3，機(jī)電一體化系統(tǒng) 按機(jī)電一體化方法設(shè)計(jì)制造出來(lái)的產(chǎn)品或制造系統(tǒng)。所有機(jī)電一體化產(chǎn)品及這些產(chǎn)品的集成體。,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。 或多或少將部分復(fù)雜的功能由機(jī)械轉(zhuǎn)移到電子而實(shí)現(xiàn)。 4A： NC，F(xiàn)MS，CIMS，網(wǎng)絡(luò)制造等,4、系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型描述系統(tǒng)輸入輸出之間的關(guān)系的數(shù)學(xué)關(guān)系式 靜態(tài)系統(tǒng) 輸出只與當(dāng)時(shí)的輸入有關(guān)（代數(shù)方程） 動(dòng)態(tài)系統(tǒng) 輸出與當(dāng)時(shí)的輸入及過(guò)去的輸入和輸出有關(guān) （微分方程） 線性系統(tǒng)滿足疊加原理的系統(tǒng) 定常系統(tǒng)系統(tǒng)參數(shù)是常數(shù)（與時(shí)間無(wú)關(guān)） 確定性系統(tǒng)輸出由輸入條件和輸出初值唯一確定 傳遞函數(shù)、函數(shù)方框圖、頻率特性等,第二節(jié) 典型機(jī)電一體化系統(tǒng),一、伺服系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)，其受控變量為機(jī)械位移，速度，加速度。用于保持機(jī)械運(yùn)動(dòng)的輸出位置緊密地對(duì)應(yīng)電的輸入?yún)?shù)信號(hào)，是一種跟蹤控制系統(tǒng)。如工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)伺服。交流伺服,直流伺服,步進(jìn)伺服. 二、數(shù)控機(jī)床（NC）用預(yù)先編制好的指令控制機(jī)床的一系列加工作業(yè)。,三、 工業(yè)機(jī)器人可編程的多自由度的數(shù)控機(jī)器 六自由度的關(guān)節(jié)機(jī)器人 （一）組成 1 控制器 （計(jì)算機(jī)） 2 本體 （機(jī)械手） 3 手爪 （終端器）,（二）工業(yè)機(jī)器人分類 1.開(kāi)環(huán)搬運(yùn)機(jī)器人（PNP）用于機(jī)床工件裝卸， 物料堆垛等。 施令信號(hào)：限位開(kāi)關(guān) 執(zhí)行部件：凸輪，氣爪 特點(diǎn)：順序控制 2.多軸伺服控制機(jī)器人 1）點(diǎn)位控制式（PTP）從一點(diǎn)到另一點(diǎn)路徑不是關(guān)鍵的，在到達(dá)指定點(diǎn)上完成一定的作業(yè)（如點(diǎn)焊，粘貼，鉆孔） 2）連續(xù)路徑式（CP）從一點(diǎn)到另一點(diǎn)，路徑是關(guān)鍵的，邊運(yùn)動(dòng)邊完成作業(yè)。（噴漆，弧焊，切割） 3、點(diǎn)到點(diǎn)、連續(xù)路徑,機(jī)械手,密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型,廣州中鳴數(shù)碼的機(jī)器狗,(三)機(jī)器人的伺服控制 交流伺服系統(tǒng) 位置速度反饋控制 光電編碼器位置反饋 (四)機(jī)器人的編程 示教再現(xiàn)式（在線編程） 可編程式（離線編程式）,四、自動(dòng)引導(dǎo)車（AGV）移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人 路徑跟蹤編程，運(yùn)送工件 五、順序控制器可編程控制器（PLC） 檢測(cè)設(shè)備工況邏輯運(yùn)算輸出控制指令 1. 事件驅(qū)動(dòng)；2. 時(shí)間驅(qū)動(dòng) 六、自動(dòng)化制造系統(tǒng) 1. FMS柔性制造系統(tǒng) 數(shù)控機(jī)床+工業(yè)機(jī)器人+自動(dòng)導(dǎo)引車 單元控制器與LAN相連，互相通訊 2. CIMS計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) MAS+TIS+MIS+NET+DBMS 七、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）,AGV自動(dòng)送貨車,香港理工AGV模型,第三節(jié) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和模塊,機(jī)電一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),一、機(jī)械受控模塊,機(jī)身、框架、機(jī)械聯(lián)接等產(chǎn)品支持機(jī)構(gòu)，為機(jī)械本體，實(shí)現(xiàn)構(gòu)造功能。也稱為執(zhí)行模塊，承載、傳遞力和運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)主功能。,要求：可靠、小型、美觀,二、測(cè)量模塊,采集有關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)和行為的信息，實(shí)現(xiàn)計(jì)測(cè)功能。 輸入?yún)?shù)： 輸出參數(shù)：,要求：體積小、精度高、抗干擾 不失真的反映被測(cè)物理量的時(shí)間變化曲線,三、驅(qū)動(dòng)模塊,由電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路組成的技術(shù)模塊。提供驅(qū)動(dòng)力改變系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，產(chǎn)生所希望的運(yùn)動(dòng)輸出，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力功能。,要求：效率高、可靠性高,四、控制模塊,處理測(cè)量模塊提供的信息，生成控制指令，輸出給執(zhí)行部件，實(shí)現(xiàn)控制功能。 包括：通信模塊、微計(jì)算機(jī)模塊、軟件模塊、接口模塊,要求：高可靠性、柔性、智能化,1、通信模塊,傳遞信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)外，遠(yuǎn)、近程通信。 有線、無(wú)線。 總線、網(wǎng)絡(luò)。,2、微計(jì)算機(jī)模塊,負(fù)責(zé)處理由測(cè)量模塊和接口模塊提供的信息。 輸入信息：設(shè)定參數(shù) 輸出信息：決定工作狀態(tài)、反映工作狀態(tài),3、軟件模塊,操作指令和各種算法，控制計(jì)算機(jī)模塊工作。 智能化、柔性化。 匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言。,4、接口模塊,系統(tǒng)內(nèi)各級(jí)信息的傳遞。,第四節(jié)設(shè)計(jì)指標(biāo)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),一、系統(tǒng)功能 設(shè)計(jì)依據(jù)：需求牽引、技術(shù)推動(dòng)；主要是市場(chǎng)導(dǎo)向，其次才是技術(shù)導(dǎo)向 二、性能指標(biāo) 三、使用條件 四、社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益,第五節(jié) 設(shè)計(jì)思想與方法,一、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想 將機(jī)電一體化產(chǎn)品看作一個(gè)整體的系統(tǒng)來(lái)研究。從系統(tǒng)出發(fā)分析各組成部分之間及與外界之間的聯(lián)系。 設(shè)計(jì)方法：功能分析法、結(jié)構(gòu)方案變形法 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法包括的內(nèi)容： 1，并行設(shè)計(jì)把設(shè)計(jì)與制造結(jié)合起來(lái) 2，按系統(tǒng)工程的理論和方法去分析處理問(wèn)題 3，多學(xué)科交叉進(jìn)行設(shè)計(jì) 4，掌握有關(guān)各領(lǐng)域信息資料 5，最終目的,機(jī)電關(guān)系的處理原則（思想） (一) 替代機(jī)械系統(tǒng)(電子表) (二) 簡(jiǎn)化機(jī)械系統(tǒng)（激打） (三) 增強(qiáng)機(jī)械系統(tǒng)（閉環(huán)控制） (四) 綜合機(jī)械系統(tǒng)（嵌入式微處理系統(tǒng)，綜合不同系統(tǒng)）,二、機(jī)和電融合的設(shè)計(jì)思想,三、注重創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思想 7個(gè)方面的創(chuàng)新,第六節(jié)設(shè)計(jì)過(guò)程,明確任務(wù) 概念設(shè)計(jì) 具體設(shè)計(jì) 詳細(xì)設(shè)計(jì),一市場(chǎng)調(diào)研、需求分析、技術(shù)預(yù)測(cè) 二概念設(shè)計(jì) 三可行性分析 四編制設(shè)計(jì)任務(wù)書 五初步設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì) 六方案設(shè)計(jì)評(píng)估與選優(yōu) 七詳細(xì)設(shè)計(jì)與參數(shù)核算 八 完成全部設(shè)計(jì)文件,一市場(chǎng)調(diào)研、需求分析、技術(shù)預(yù)測(cè) 模具加工中心：技術(shù)、加工裝備的結(jié)構(gòu)形式、用戶的意見(jiàn)和要求、市場(chǎng)情況、發(fā)展趨勢(shì) 二概念設(shè)計(jì) 確定設(shè)計(jì)任務(wù)和用簡(jiǎn)圖形式表達(dá)的廣義解。是對(duì)新開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的構(gòu)思、設(shè)想、設(shè)計(jì)要求的描述，也是對(duì)新產(chǎn)品的市場(chǎng)定位。 創(chuàng)新的關(guān)鍵 主要特性：創(chuàng)新性、工藝可實(shí)現(xiàn)性、多樣性、層次性、避免不良結(jié)構(gòu)性、反復(fù)迭代性 過(guò)程：前期的設(shè)計(jì)理念、后期的原理設(shè)計(jì)和方案設(shè)計(jì),三可行性分析 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，分析理論是否正確、技術(shù)是否可行、經(jīng)濟(jì)是否合理。 四編制設(shè)計(jì)任務(wù)書 設(shè)計(jì)的主要和重要依據(jù)。書面的總體要求的技術(shù)指標(biāo)。 內(nèi)容：產(chǎn)品名稱、產(chǎn)品用途、主要技術(shù)規(guī)范、技術(shù)性能指標(biāo) 15項(xiàng)基本信息,五初步設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì) 根據(jù)任務(wù)書的要求，提出技術(shù)方案。 內(nèi)容：（1）按照系統(tǒng)功能和方便設(shè)計(jì)、制造的角度出發(fā)劃分模塊和子系統(tǒng)；（2）提出實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊功能的技術(shù)方案；（3）主要元器件和構(gòu)件的初選和估算。 六方案設(shè)計(jì)評(píng)估與選優(yōu) 系統(tǒng)建模并提出優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)和評(píng)價(jià)指標(biāo) 根據(jù)模型和目標(biāo)函數(shù)，對(duì)每一個(gè)技術(shù)方案進(jìn)行計(jì)算或仿真分析，完成方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化。,七詳細(xì)設(shè)計(jì)與參數(shù)核算 對(duì)所選方案的每一個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的考慮和具體的設(shè)計(jì)。 八 完成全部設(shè)計(jì)文件,