第2講機電一體化系統(tǒng)設計 ppt課件

1、本講主要內容本講主要內容1.2 機電一體化系統(tǒng)功能構成機電一體化系統(tǒng)功能構成1.3 機電一體化共性關鍵技術機電一體化共性關鍵技術 1.2 機電一體化系統(tǒng)功能構成機電一體化系統(tǒng)功能構成1.2.1 目的功能描述目的功能描述 根據不同的使用目的，要求機電一體化系統(tǒng)能對根據不同的使用目的，要求機電一體化系統(tǒng)能對輸入的物質、能量和信息輸入的物質、能量和信息(即工業(yè)三大要素即工業(yè)三大要素)進行某進行某種處理，輸出所需要的物質、能量和信息。種處理，輸出所需要的物質、能量和信息。系統(tǒng)目的功能示意圖系統(tǒng)目的功能示意圖變換加工、處置）變換加工、處置）傳送挪動、保送）傳送挪動、保送）儲存堅持、積存、記錄）儲存堅持、

2、積存、記錄） 以物料搬運、加工為主，輸入物質原料、毛以物料搬運、加工為主，輸入物質原料、毛坯等）、能量電能、液能、氣能等和信息操坯等）、能量電能、液能、氣能等和信息操作、控制指令等），經過加工處理，主要輸出改變作、控制指令等），經過加工處理，主要輸出改變了位置與形態(tài)的物質，將這種系統(tǒng)或產品稱工了位置與形態(tài)的物質，將這種系統(tǒng)或產品稱工作機，例如各種機床、交通運輸機械、食品加工機作機，例如各種機床、交通運輸機械、食品加工機械、起重機械、紡織機械、印刷機械、輕工機械。械、起重機械、紡織機械、印刷機械、輕工機械。圖圖1 1 數控車床數控車床圖圖2 3D2 3D打印機打印機 以能量轉換為主，輸入能量和信

3、息，輸出不同以能量轉換為主，輸入能量和信息，輸出不同能量的系統(tǒng)或產品），稱為動力機，其中輸出機能量的系統(tǒng)或產品），稱為動力機，其中輸出機械能的為原動機，如電動機。械能的為原動機，如電動機。 圖圖1 1 直流伺服電機直流伺服電機圖圖3 3 步進電機步進電機圖圖2 2交交流流伺伺服服電電機機 以信息處理為主，輸入信息和能量，主要輸出以信息處理為主，輸入信息和能量，主要輸出某種信息如數據、圖像、文字及聲音等的系統(tǒng)某種信息如數據、圖像、文字及聲音等的系統(tǒng)或產品），稱信息機，如打印機、繪圖機、復印或產品），稱信息機，如打印機、繪圖機、復印機等。機等。 1.2.2 系統(tǒng)內部功能描述 1.2.2 系統(tǒng)內部功

4、能描述全閉環(huán)系統(tǒng)：通過傳感器直接檢測目標運動并進行反饋控制的系統(tǒng)。全閉環(huán)系統(tǒng)：通過傳感器直接檢測目標運動并進行反饋控制的系統(tǒng)。 1.2.2 系統(tǒng)內部功能描述 1.2.2 系統(tǒng)內部功能描述半閉環(huán)系統(tǒng)：通過傳感器檢測某一部位半閉環(huán)系統(tǒng)：通過傳感器檢測某一部位(如伺服電機等如伺服電機等)運動位移并運動位移并進進 行反饋、間接控制目標運動的系統(tǒng)。行反饋、間接控制目標運動的系統(tǒng)。 1.2.2 系統(tǒng)內部功能描述開環(huán)系統(tǒng)：直接控制步進電機的運動通過傳動鏈確定目標運動的系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)：直接控制步進電機的運動通過傳動鏈確定目標運動的系統(tǒng)。 1.2.2 系統(tǒng)內部功能描述系統(tǒng)的五種內部功能系統(tǒng)的五種內部功能主功能主

5、功能動力功能動力功能計測功能計測功能控制功能控制功能構造功能構造功能 1.2.2 系統(tǒng)內部功能描述CNC機床的內部功能構成機床的內部功能構成 1.2.2 系統(tǒng)內部功能描述 主功能主功能-實現系統(tǒng)實現系統(tǒng)“目的功能直接必需的功能，主要是對目的功能直接必需的功能，主要是對物質、能量、信息及其相互結合進行變換、傳遞和存儲。物質、能量、信息及其相互結合進行變換、傳遞和存儲。 動力功能動力功能-向系統(tǒng)提供動力、讓系統(tǒng)得以運轉的功能。向系統(tǒng)提供動力、讓系統(tǒng)得以運轉的功能。 計測功能和控制功能計測功能和控制功能-根據系統(tǒng)內部信息和外部信息對整根據系統(tǒng)內部信息和外部信息對整個系統(tǒng)進行控制，使系統(tǒng)正常運轉，實施

6、個系統(tǒng)進行控制，使系統(tǒng)正常運轉，實施“目的功能目的功能”。 構造功能構造功能-使構成系統(tǒng)的子系統(tǒng)及元、部件維持所定使構成系統(tǒng)的子系統(tǒng)及元、部件維持所定的時間和空間上的相互關系所必需的功能。的時間和空間上的相互關系所必需的功能。 1.2.2 系統(tǒng)內部功能描述機電一體化系統(tǒng)的五大要素及其相應的五大功能機電一體化系統(tǒng)的五大要素及其相應的五大功能 1.2.2 系統(tǒng)內部功能描述機電一體化系統(tǒng)構成要素與人體構成要素的相對應關系機電一體化系統(tǒng)構成要素與人體構成要素的相對應關系 1.3 機電一體化共性關鍵技術 要站在信息論、控制論及系統(tǒng)論的高度理解共性關鍵技術；要站在信息論、控制論及系統(tǒng)論的高度理解共性關鍵技

7、術； 要從信息流、能量流及物質流的視角去分析共性關鍵技術；要從信息流、能量流及物質流的視角去分析共性關鍵技術； 要從伺服控制系統(tǒng)穩(wěn)、準、快的要求認識共性關鍵技術；要從伺服控制系統(tǒng)穩(wěn)、準、快的要求認識共性關鍵技術； 要從機電一體化的發(fā)展趨勢探究共性關鍵技術要從機電一體化的發(fā)展趨勢探究共性關鍵技術 1.3 機電一體化共性關鍵技術 1、精密機械技術、精密機械技術 一般情況下，機械部分由驅動元件驅動，為了實現控制過程一般情況下，機械部分由驅動元件驅動，為了實現控制過程的穩(wěn)、準、快，為了使機械與微電子技術相匹配，為了達到機電一的穩(wěn)、準、快，為了使機械與微電子技術相匹配，為了達到機電一體化系統(tǒng)的整體最優(yōu)體

8、化系統(tǒng)的整體最優(yōu)。精密機械技術應具有以下特點。精密機械技術應具有以下特點。 （1短傳動鏈、并行驅動與傳動短傳動鏈、并行驅動與傳動 傳動系統(tǒng)簡單、剛性好、精度高傳動系統(tǒng)簡單、剛性好、精度高 （2小間隙、可調間隙或無間隙傳動小間隙、可調間隙或無間隙傳動 傳動精度高、穩(wěn)定性好傳動精度高、穩(wěn)定性好 （3提高固有頻率提高固有頻率km （4低摩擦低摩擦 質量輕、剛度大、彈性變形小、傳動誤差小質量輕、剛度大、彈性變形小、傳動誤差小 摩擦力影響傳動系統(tǒng)的精度和運動平穩(wěn)性，靜摩擦力能使機摩擦力影響傳動系統(tǒng)的精度和運動平穩(wěn)性，靜摩擦力能使機械傳動部件發(fā)生彈性變形而造成位置誤差，反向運動時，位置誤差械傳動部件發(fā)生彈

9、性變形而造成位置誤差，反向運動時，位置誤差將形成回程誤差。機械傳動部件的摩擦特性應為：靜摩擦力盡可能將形成回程誤差。機械傳動部件的摩擦特性應為：靜摩擦力盡可能?。粍幽Σ亮楸M可能小的正斜率若為負斜率，易產生爬行、精??；動摩擦力為盡可能小的正斜率若為負斜率，易產生爬行、精度降低、壽命減小。）度降低、壽命減小。） （5最佳傳動比及最小轉動慣量加速能力強）最佳傳動比及最小轉動慣量加速能力強） （6高剛度高剛度 改進支撐及架體的結構設計以提高剛性、減少振動、降低噪改進支撐及架體的結構設計以提高剛性、減少振動、降低噪聲?？蛇x用復合材料提高剛度和強度，減輕重量、縮小體積使結聲?？蛇x用復合材料提高剛度和強度

10、，減輕重量、縮小體積使結構緊湊，使系統(tǒng)小型化、輕型化、高速化和高可靠性構緊湊，使系統(tǒng)小型化、輕型化、高速化和高可靠性 （7適于機電一體化系統(tǒng)的新型精密機械結構適于機電一體化系統(tǒng)的新型精密機械結構 同步帶傳動同步帶傳動諧波傳動諧波傳動 2、檢測傳感技術、檢測傳感技術 從機電一體化系統(tǒng)穩(wěn)、準、快、高可靠性角度分析傳感檢測從機電一體化系統(tǒng)穩(wěn)、準、快、高可靠性角度分析傳感檢測技術，對傳感器提出以下要求：技術，對傳感器提出以下要求：（1高精度、高靈敏度及高可靠性高精度、高靈敏度及高可靠性（2適于機電一體化系統(tǒng)的新型傳感器研制適于機電一體化系統(tǒng)的新型傳感器研制（3傳感器的集成化及智能化傳感器的集成化及智能

11、化 3、信息處理技術、信息處理技術 信息處理技術包括信息的輸入、變換、運算、存儲及輸出技信息處理技術包括信息的輸入、變換、運算、存儲及輸出技術，主要由計算機、術，主要由計算機、PLC及數控裝置等來完成。人工智能、專家系及數控裝置等來完成。人工智能、專家系統(tǒng)及人工神經網絡都屬于信息處理范疇。信息處理要快速、準確、統(tǒng)及人工神經網絡都屬于信息處理范疇。信息處理要快速、準確、可靠?？煽?。 4、自動控制技術、自動控制技術 數字數字PID控制、智能控制等控制、智能控制等 5、伺服驅動技術、伺服驅動技術 伺服驅動技術主要指機電一體化產品中的執(zhí)行元件和驅動伺服驅動技術主要指機電一體化產品中的執(zhí)行元件和驅動裝置

12、設計中的技術問題，執(zhí)行元件主要有電動、氣動及液壓等類裝置設計中的技術問題，執(zhí)行元件主要有電動、氣動及液壓等類型，以電動執(zhí)行元件為主；驅動裝置主要是各種電機的驅動電源型，以電動執(zhí)行元件為主；驅動裝置主要是各種電機的驅動電源電路。電路。 穩(wěn)、準、快穩(wěn)、準、快 構成機電一體化系統(tǒng)的要素或子系統(tǒng)之間必須能順利地構成機電一體化系統(tǒng)的要素或子系統(tǒng)之間必須能順利地進行物質、能量和信息的傳遞與交換。為此，各要素或各子系進行物質、能量和信息的傳遞與交換。為此，各要素或各子系統(tǒng)連接處必須具備一定的統(tǒng)連接處必須具備一定的“聯系條件聯系條件”，這些聯系條件稱為接口。，這些聯系條件稱為接口。系統(tǒng)內部與外部接口系統(tǒng)內部與

13、外部接口從系統(tǒng)外部看，機電從系統(tǒng)外部看，機電一體化系統(tǒng)的輸入輸一體化系統(tǒng)的輸入輸出是與人、自然及其他出是與人、自然及其他系統(tǒng)之間的接口；系統(tǒng)之間的接口；從系統(tǒng)內部看，機電從系統(tǒng)內部看，機電一體化系統(tǒng)是由許多接一體化系統(tǒng)是由許多接口將系統(tǒng)的構成要素輸口將系統(tǒng)的構成要素輸入輸出聯系為一體的入輸出聯系為一體的系統(tǒng)。系統(tǒng)。 6、接口技術、接口技術機電一體化系統(tǒng)構成要素之間的相互聯系機電一體化系統(tǒng)構成要素之間的相互聯系根據接口的變換、調整功能，接口分成四種：根據接口的變換、調整功能，接口分成四種：零接口零接口: :不進行任何變換和調整、輸出即為輸入不進行任何變換和調整、輸出即為輸入 等，僅起連接作用的接

14、口；等，僅起連接作用的接口；無源接口無源接口: :只用無源要素進行變換、調整的接口；只用無源要素進行變換、調整的接口；有源接口有源接口: :含有有源要素、主動進行匹配的接口；含有有源要素、主動進行匹配的接口；智能接口智能接口: :含有微處理器，可進行程序編制或可適含有微處理器，可進行程序編制或可適 應性地改變接口條件的接口；應性地改變接口條件的接口；廣義的接口功能有兩種，一種是變換、調整；廣義的接口功能有兩種，一種是變換、調整； 另一種是輸入輸出。另一種是輸入輸出。根據接口的輸入輸出功能，接口分為四種：根據接口的輸入輸出功能，接口分為四種：機械接口機械接口 由輸入輸出部位的形狀、尺寸精由輸入輸

15、出部位的形狀、尺寸精 度、配合、規(guī)格等進行機械連接的接口。度、配合、規(guī)格等進行機械連接的接口。物理接口物理接口 受通過接口部位的物質、能量與信受通過接口部位的物質、能量與信息息 的具體形態(tài)和物理條件約束的接口。的具體形態(tài)和物理條件約束的接口。信息接口信息接口 受規(guī)格、規(guī)范、法律、言語、符號受規(guī)格、規(guī)范、法律、言語、符號等等 邏輯、軟件約束的接口。邏輯、軟件約束的接口。環(huán)境接口環(huán)境接口 對周圍環(huán)境條件對周圍環(huán)境條件( (溫度、濕度、磁場、溫度、濕度、磁場、 火、振動、放射能、水、氣、灰塵火、振動、放射能、水、氣、灰塵) )有保護作用有保護作用和和 隔絕作用的接口。隔絕作用的接口。 7、系統(tǒng)總體技

16、術、系統(tǒng)總體技術 系統(tǒng)總體技術內涵豐富，可概括為以下幾個方面：系統(tǒng)總體技術內涵豐富，可概括為以下幾個方面： 從整體目標出發(fā)，用系統(tǒng)的觀點和方法，將機電一體化產品從整體目標出發(fā)，用系統(tǒng)的觀點和方法，將機電一體化產品的總體功能分解為若干功能單元，找出能夠完成各個功能的可能技的總體功能分解為若干功能單元，找出能夠完成各個功能的可能技術方案，再把功能與技術方案組合成方案組進行分析、評價，綜合術方案，再把功能與技術方案組合成方案組進行分析、評價，綜合優(yōu)選出適宜的功能技術方案。優(yōu)選出適宜的功能技術方案。 （1各子系統(tǒng)的匹配及整體匹配問題各子系統(tǒng)的匹配及整體匹配問題 （4相互干擾與耦合問題相互干擾與耦合問題 （5系統(tǒng)可靠性問題系統(tǒng)可靠性問題 （6狀態(tài)監(jiān)