機電一體化上課課件

機電一體化系統(tǒng)設計1課程說明

機電一體化系統(tǒng)設計課程是一門專業(yè)方向課。本課程從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，利用機械技術(shù)和電子技術(shù)，通過機電有機結(jié)合構(gòu)造最佳的機電系統(tǒng)。

先修課程：機械設計，電子技術(shù)，電工技術(shù)，機電傳動與控制，微機原理與應用等。2教學的基本要求包括：1．學習機電一體化基本概念，理解機電一體化系統(tǒng)中各結(jié)構(gòu)要素在系統(tǒng)中的作用和相互關(guān)系，初步建立機電產(chǎn)品的系統(tǒng)化設計思想。2．了解機電一體化系統(tǒng)中常用傳感器、傳動機構(gòu)、動力驅(qū)動裝置和計算機控制系統(tǒng)種類和特點。3．熟悉機電一體化產(chǎn)品的設計方法和工程路線，能夠針對具體的機電一體化產(chǎn)品確定產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)路線。4．掌握機電一體化系統(tǒng)中機械、傳感檢測、動力、控制等基本結(jié)構(gòu)要素的技術(shù)特點，掌握典型裝置的技術(shù)原理和使用方法。5．了解典型機電一體化產(chǎn)品的構(gòu)成、特點和設計方法，學會設計簡單的機電一體化產(chǎn)品。3數(shù)控線切割機床5數(shù)控機床671.1機電一體化的定義

一、機電一體化的定義1971年起源于日本。機械學（Mechanics）+電子學（Electronics）=機電一體化或機械電子工程（Mechatronics）9核心就是引進了微電子技術(shù)10111.1機電一體化的定義

一、機電一體化的定義

定義：機電一體化技術(shù)是從系統(tǒng)工程觀點出發(fā)，應用機械、電子、信息等有關(guān)技術(shù)，對它們進行有機的組織和綜合，實現(xiàn)了整體的最佳化。

它不是機械與電子的簡單的疊加，而是在信息論（利用傳感技術(shù)）、控制論（利用控制理論）和系統(tǒng)論（“系統(tǒng)”整體籌劃，機械和電子分別只是“環(huán)節(jié)”）的基礎上建立起來的應用技術(shù)。131415171.2機電一體化的基本功能要素一、機械本體主要功能是使構(gòu)造系統(tǒng)的各子系統(tǒng)、零部件按照一定的空間和時間關(guān)系安置在一定位置上，并保持特定的關(guān)系。包括機械結(jié)構(gòu)裝置和傳動裝置。二、執(zhí)行單元根據(jù)控制信息和指令在驅(qū)動部分的作用下，完成所要求的動作。執(zhí)行單元是運動部件，根據(jù)機電一體化系統(tǒng)的匹配要求，需要改善執(zhí)行機構(gòu)的工作性能，如提高剛性，減輕重量，實現(xiàn)組件化、標準化和系列化，以提高系統(tǒng)整體工作可靠性等。181.2機電一體化的基本功能要素三、驅(qū)動單元在控制信息的作用下，驅(qū)動各執(zhí)行機構(gòu)完成各種動作和功能。機電一體化系統(tǒng)方面要求驅(qū)動單元具有高效率和快速響應性等，同時又要求其對外部環(huán)境的適應性和可靠性，還由于幾何上，動作范圍狹窄等限制，還需考慮維修方便和實行標準化等。191.2機電一體化的基本功能要素五、控制與信息處理單元控制與信息處理單元是機電一體化系統(tǒng)的核心單元。將來自各傳感器的檢測信息和外部輸入指令進行集中、存儲、分析、加工。根據(jù)信息處理結(jié)果，按照一定的程序發(fā)出相應的控制信號，通過輸出接口送往執(zhí)行機構(gòu)，控制整個系統(tǒng)有目的地運行，并達到預期性能。一般由計算機，可編程序控制器，數(shù)控裝置等組成。21六、動力單元按照機電一體化系統(tǒng)的控制要求，為系統(tǒng)提供動力和能量以保證系統(tǒng)正常運行。用最小的動力輸入獲得盡可能大的功能輸出。221.2機電一體化的基本結(jié)構(gòu)要素

231.2機電一體化的基本功能要素

251.3機電一體化的相關(guān)技術(shù)261.3機電一體化的相關(guān)技術(shù)三、傳感檢測技術(shù)

傳感器檢測是實現(xiàn)自動控制和自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳感檢測技術(shù)的內(nèi)容包括兩方面，一是研究如何將各種被測量（包括物理量、化學量和生物量等）轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量；二是研究對轉(zhuǎn)換的電信號的加工處理，如放大、補償、標度變換等。機電一體化系統(tǒng)要求傳感檢測裝置能快速、準確、可靠（外界環(huán)境的影響）的獲取信息。291.3機電一體化的相關(guān)技術(shù)四、自動控制技術(shù)

自動控制所依據(jù)的理論是自動控制原理（包括經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論），自動控制技術(shù)就是在此理論的指導下對具體控制裝置或控制系統(tǒng)進行設計；設計后進行系統(tǒng)仿真，現(xiàn)場調(diào)試；最后使研制的系統(tǒng)可靠地投入運行。機電一體化系統(tǒng)中的自動控制技術(shù)主要包括位置控制、速度控制、最優(yōu)控制、自適應控制以及模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等。301.3機電一體化的相關(guān)技術(shù)五、信息處理技術(shù)計算機技術(shù)包括計算機的軟件技術(shù)、硬件技術(shù)、網(wǎng)絡與通訊技術(shù)和數(shù)據(jù)技術(shù)。機電一體化系統(tǒng)中主要采用工業(yè)控制機（包括可編程控制器，單、多回路調(diào)節(jié)器，單片微控制器，總線式工業(yè)控制機，分布式計算機測控系統(tǒng)）進行信息處理。信息處理的發(fā)展方向是提高信息處理的速度、可靠性和智能化程度。人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)等都屬于計算機信息處理技術(shù)的范疇。311.3機電一體化的相關(guān)技術(shù)六、系統(tǒng)總體技術(shù)系統(tǒng)總體技術(shù)是以整體的概念組織應用各種相關(guān)技術(shù)的技術(shù)，從全局的角度和系統(tǒng)的目標出發(fā)，將系統(tǒng)分解為若干個子系統(tǒng)，從實現(xiàn)整個系統(tǒng)技術(shù)協(xié)調(diào)的觀點來考慮每個子系統(tǒng)的技術(shù)方案。機電一體化系統(tǒng)是一個技術(shù)綜合體，它利用系統(tǒng)總體技術(shù)將各有關(guān)技術(shù)協(xié)調(diào)配合、綜合運用而達到整體系統(tǒng)的最佳化。

32一、機電一體化技術(shù)優(yōu)勢

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1.4機電一體化的技術(shù)優(yōu)勢336、改善操作性和實用性7、減輕勞動強度、改善勞動條件8、簡化結(jié)構(gòu)、減輕重量9、降低價格10、增強柔性應用功能3435361.4機電一體化系統(tǒng)設計的目標和方法三、機電一體化技術(shù)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。371.4機電一體化系統(tǒng)設計的目標和方法三、機電一體化技術(shù)方向

1.機械的電子化

（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。電子縫紉機和電子繡花機。

381.4機電一體化系統(tǒng)設計的目標和方法三、機電一體化技術(shù)方向

1.機械的電子化（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)，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。391.4機電一體化系統(tǒng)設計的目標和方法三、機電一體化技術(shù)方向

1.機械的電子化

（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，電子等。401.4機電一體化系統(tǒng)設計的目標和方法三、機電一體化技術(shù)方向

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。411.4機電一體化系統(tǒng)設計的目標和方法四、機電一體化系統(tǒng)開發(fā)的設計思想

與方法

1.取代法

取代法就是用電氣控制取代原系統(tǒng)中的機械控制機構(gòu)。該方法是改造舊產(chǎn)品、開發(fā)新產(chǎn)品或?qū)υ到y(tǒng)進行技術(shù)改造常用的方法,也是改造傳統(tǒng)機械產(chǎn)品的常用方法。如用電氣調(diào)速系統(tǒng)取代機械式變速機構(gòu)等。421.4機電一體化系統(tǒng)設計的目標和方法四、機電一體化系統(tǒng)開發(fā)的設計思想

與方法

2.整體設計法

整體設計法主要用于新產(chǎn)品的開發(fā)設計。在設計時完全從系統(tǒng)的整體目標出發(fā),考慮各子系統(tǒng)的設計。如某些激光打印機的激光掃描鏡，其轉(zhuǎn)軸就是電動機的轉(zhuǎn)子軸。431.4機電一體化系統(tǒng)設計的目標和方法四、機電一體化系統(tǒng)開發(fā)的設計思想

與方法

3.組合法

組合法就是選用各種標準功能模塊組合設計成機電一體化系統(tǒng)。

441.4機電一體化系統(tǒng)設計的目標和方法四、機電一體化系統(tǒng)開發(fā)的設計思想

與方法

3.組合法

例如,設計一臺數(shù)控機床,可以依據(jù)機床的性能要求,通過對不同廠家的計算機控制單元、伺服驅(qū)動單元、位移和速度測試單元及主軸、導軌、刀架、傳動系統(tǒng)等產(chǎn)品的評估分析,研究各單元間接口關(guān)系和各單元對整機性能的影響，通過優(yōu)化設計確定機床的結(jié)構(gòu)組成。451.5本課程的目的和要求一、課程目的

本課程的目的是研究怎樣利用系統(tǒng)設計原理和綜合集成技巧，將控制電動機、傳感器、機械系統(tǒng)、微機控制系統(tǒng)、接口及控制軟件等機電一體化要素組成性能優(yōu)良、可靠的機電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)。培養(yǎng)運用基礎理論解決實際問題的綜合能力。461.5本課程的目的和要求二、課程要求

1．掌握機電一體化系統(tǒng)設計的基本概念、基本原理和基本知識。2．掌握機電一體化系統(tǒng)設計中常用的機械量檢測傳感器、控制電動機的原理、結(jié)構(gòu)性能和應用。