1機電一體化技術(緒論)第一章

1、機電一體化系統(tǒng)設計機械學院課程定位機電一體化系統(tǒng)設計課程是機械工程及自動化本科專業(yè)學生的專業(yè)基礎必修課。本為一門實踐課，但遺憾的是，無法做實驗，因為一個實驗就相當于一個課程設計。在學生掌握一定的專業(yè)基礎知識的基礎上，綜合運用所學知識，從整體角度掌握機電一體化系統(tǒng)設計的思想、原理、方法和程序。重點放在未來工作中首先可能遇到的一些實際問題（絕非疑難問題）。是學生經(jīng)過三年基礎課和技術基礎課學習之后，帶有總結(jié)意義的一門綜合性設計課程。開闊視野，掌握一定的分析解決問題方法。教材自編教材，自行打印曾勵等，機電一體化系統(tǒng)設計，高等教育出版社，拔高課件，筆記知識模塊順序及對應的學時理論教學：40學時1、機電一

2、體化系統(tǒng)概述2、機電系統(tǒng)總體設計及可靠性分析3、檢測裝置設計4、伺服驅(qū)動系統(tǒng)選型與設計5、控制系統(tǒng)設計6、微機系統(tǒng)設計7、機械傳動系統(tǒng)設計8、機電系統(tǒng)設計案例學習方法1、認真聽課，記筆記（班長檢查，上課抽查視作平時作業(yè)的10）。2、多看書，潛移默化。3、參考教材：課本，課件，及講義自學，重點網(wǎng)絡自學（學會“上網(wǎng)”）。4、積極參加討論和完成作業(yè)。課程的考核辦法理論課：百分制 閉卷考試70% 平時成績30%平時成績：課堂效果、作業(yè)效果、 網(wǎng)上答疑、筆記第一章 概論1.1 機電一體化基本概念1.2 機電一體化基本結(jié)構(gòu)要素1.3 機電一體化系統(tǒng)的相關技術1.4 系統(tǒng)評價分析1.5 維修性分析1.6 機

3、電一體產(chǎn)品設計與工程路線美國技術評論認為，有十種新興技術在不遠的將來會產(chǎn)生巨大影響：其中機電一體化技術排名第一。由于機電一體化技術對現(xiàn)代工業(yè)和技術的發(fā)展具有巨大的推動力,因此世界各國均將其作為工業(yè)技術發(fā)展的重要戰(zhàn)略之一。 機電一體化技術在制造業(yè)的應用從一般的數(shù)控機床、加工中心和機械手發(fā)展到智能機器人、柔性制造系統(tǒng)（FMS）、無人生產(chǎn)車間和將設計、制造、銷售、管理集于一體的計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）。1.1 機電一體化基本概念發(fā)展概況：1. 20世紀60年代前為第一階段，“萌芽階段” 事實上要追溯到20年代以前，工程師們自覺或者不自覺地把機械產(chǎn)品和電子技術相結(jié)合，以提高機械產(chǎn)品的性能。但是由

4、于電子技術的發(fā)展相對落后，使得機械與電子的結(jié)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)展階段”，理論研究階段 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：mechatronics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(nèi)得到比較廣泛的承認；機電一體化技術和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展；各國均對機電一體化技術和產(chǎn)品給以很大的關注和支持。 3.90年代后期為第三階段，“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

5、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(jīng)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逐漸形成完整的科學體系。 4.現(xiàn)狀機電一體化占據(jù)主導地位是制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢,而制造產(chǎn)業(yè)是整個科學技術和國家經(jīng)濟發(fā)展的基礎工業(yè),因而機電一體化在當前激烈的國際政治、軍事、經(jīng)濟競爭中起著舉足輕重的作用,受到各工業(yè)國家的極大重視。日本將智能傳感器,計算機芯片制造技術,具有視頻、觸覺和人機對話能力的人工智能工業(yè)機器人,柔性制造系統(tǒng)等,列為高技術領域的重大研究課題。西歐高技術發(fā)展

6、規(guī)劃“尤里卡”計劃,提出五大關鍵技術領域,其中包括研制可自由行動、決策并易于人機對話的歐洲第三代安全民用機器人,廣泛合作研究計算機輔助設計、制造、生產(chǎn)、管理的柔性系統(tǒng),實現(xiàn)工廠全面自動化等機電一體化研究方向。我國已研制成功了用于噴漆、焊接、搬運以及能前后行走的、能爬墻、能上下臺階、能在水下作業(yè)的多種類型機器人。CIMS研究方面,我國已在清華大學建成國家CIMS工程研究中心（ERC）,在一些著名大學和研究單位建立了7個CIMS單元技術實驗室和8個CIMS培訓中心,在國家立項實施CIMS的企業(yè)已達70余家。1994年清華大學榮獲美國制造工程師協(xié)會（SME）頒發(fā)的CIMS研究“大學領先獎”。1995

7、年北京第一機床廠榮獲SME頒發(fā)的“工業(yè)領先獎”。上述成果的取得使我國在制造業(yè)機電一體化的研究和應用方面積累了一定的經(jīng)驗,它必將推動機電一體化技術向更高層次縱深發(fā)展。 5.總的發(fā)展趨勢 性能上，向高精度，高效率，智能化的方向發(fā)展，以數(shù)控機床為例，控制精度0.1um，進給速度100m/min以上，聯(lián)動軸數(shù)15軸以上，界面、通訊等長足發(fā)展； 功能上，向小型化、輕型化、多功能化方向發(fā)展。 層次上，向系統(tǒng)化，復合集成化方向發(fā)展。 有資料總結(jié)為六化：（1）智能化（2）模塊化（3）網(wǎng)絡化（4）微型化（5）綠色化（6）人性化權威定義：起源：日本，20世紀70年代；合成詞：Mechatronics。它取英語Me

8、chanics(機械學)的前半部和Electronics（電子學）的后半部分拼成一個新詞； (ASME)由計算機信息網(wǎng)絡協(xié)調(diào)與控制的用于完成包括機械力、運動和能量流等動力學任務的機械和(或)機電部件相互聯(lián)系的系統(tǒng)。理解： 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典型的機電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))有：數(shù)控機床、機器人、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。機電一體化信息科學機械學電子學數(shù)控銑床常用的機電一體化產(chǎn)品：焊接機器人汽車防抱死系統(tǒng)(ABS)？汽車上的機電一體化設備？1.2 機電一體化基本結(jié)構(gòu)要素一個典型的機電一體

9、化系統(tǒng)應包含以下幾個基本要素： 機械本體、動力與驅(qū)動部分、執(zhí)行機構(gòu)、傳感測試部分、控制及信息處理部分。這些組成要素內(nèi)部及其之間,形成通過接口耦合來實現(xiàn)運動傳遞、信息控制、能量轉(zhuǎn)換等有機融合的一個完整系統(tǒng)。機電一體化系統(tǒng)的組成要素及功能如圖1-1所示。圖1-1 機電一體化系統(tǒng)的組成要素及功能 (a） 機電一體化系統(tǒng)的組成要素; (b） 機電一體化系統(tǒng)的功能 1、機械本體機身、框架、機械聯(lián)接等產(chǎn)品支持機構(gòu)，實現(xiàn)構(gòu)造功能。要求：可靠、小型、美觀2、能源提供能量，轉(zhuǎn)換成需要的形式，實現(xiàn)動力功能。動力功能是按照系統(tǒng)控制要求,為系統(tǒng)提供能量和動力,使系統(tǒng)正常運行。用盡可能小的動力輸入獲得盡可能大的功能輸出

10、,是機電一體化產(chǎn)品的顯著特征之一。電能/熱能/氣動/液壓等等要求：效率高、可靠性好3、檢測傳感裝置傳感測試部分的功能是對系統(tǒng)運行中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進行檢測,生成相應的可識別信號,傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?經(jīng)過分析、處理后產(chǎn)生相應的控制信息。這一功能一般由專門的傳感器及轉(zhuǎn)換電路完成。物理量/化學量電信號要求：體積小、精度高、抗干擾4、控制及信息處理單元功能是將來自各傳感器的檢測信息和外部輸入命令進行集中、儲存、分析、加工、處理、運算、決策，,根據(jù)信息處理結(jié)果,按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應的指令,控制整個系統(tǒng)有目的地運行。計算機 PLC 單片機、FPGA、GAL器件等邏輯器件。要求

11、：高可靠性、柔性、智能化5、驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)包括機械傳動與操作機構(gòu)，其功能是根據(jù)控制信息和指令,完成要求的動作。執(zhí)行機構(gòu)是運動部件,一般采用機械、電磁、電液等機構(gòu)。要求：高性能、高精度、高效率 電機 （1） 變換。 兩個需要進行信息交換和傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)之間,由于信息的模式不同（數(shù)字量與模擬量、串行碼與并行碼、連續(xù)脈沖與序列脈沖等等）,無法直接實現(xiàn)信息或能量的交流,需要通過接口完成信息或能量的統(tǒng)一。6、接口耦合與能量轉(zhuǎn)換（2）放大。 在兩個信號強度相差懸殊的環(huán)節(jié)間,經(jīng)接口放大,達到能量的匹配。（3）耦合。 變換和放大后的信號在各環(huán)節(jié)間能可靠、快速、準確地交換,必須遵循一致的時序、信號格式和邏輯規(guī)

12、范。接口具有保證信息的邏輯控制功能,使信息按規(guī)定模式進行傳遞。（4）能量轉(zhuǎn)換。其執(zhí)行元件包含了執(zhí)行器和驅(qū)動器。該轉(zhuǎn)換涉及到不同類型能量間的最優(yōu)轉(zhuǎn)換方法與原理。如匹配。典型閉環(huán)控制系統(tǒng) 能源部分信息處理與控制驅(qū)動部分執(zhí)行元件檢測部分機械本體信息輸入1.3 機電一體化系統(tǒng)的相關技術1、機械技術機械技術是機電一體化的基礎。機電一體化產(chǎn)品中的主功能和構(gòu)造功能，往往是以機械技術為主實現(xiàn)的。特別是關鍵部件，如導軌、滾珠絲杠、軸承、傳動部件等的材料、精度對機電一體化產(chǎn)品的性能、控制精度等多方向的要求。實現(xiàn)機電一體化產(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。著眼點：如何與機電一體化技

13、術相適應。CAPP CAD CAM等2、計算機與信息處理技術信息處理技術包括信息的輸入、識別、變換、運算、存儲及格出技術，它們大都是依靠計算機來進行的，因此計算機技術與信息處理技術是密切相關的。信息處理技術包括信息的交換、存取、運算、判斷和決策等，實現(xiàn)信息處理的主要工具是計算機。計算機技術包括計算機硬件技術和軟件技術、網(wǎng)絡與通信技術、數(shù)據(jù)庫技術等。其主要工具是計算機。傳感器A/D計算機D/A執(zhí)行裝置3、控制技術自動控制技術就是通過控制器使被控對象或過程自動地按照預定的規(guī)律運行。自動控制技術范圍很廣，包括自動控制理論、控制系統(tǒng)設計、系統(tǒng)仿真、現(xiàn)場調(diào)試、可靠運行等從理論到實踐的整個過程。由于被控對

14、象種類繁多，所以控制技術的內(nèi)容極其豐富，包括高精度定位控制、速度控制、自適應控制、自診斷、校正、補償、示教再現(xiàn)、檢索等控制技術。4、檢測傳感技術研究對象：傳感器及其信號檢測傳輸裝置（即變送器）。檢測傳感技術是機電一體化的關鍵技術，它將所測得的各種參量如位移、位置、速度、加速度、力、溫度、酸度和其他形式的信號等轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一規(guī)格的電信號輸入到信息處理系統(tǒng)中，并由此產(chǎn)生出相應的控制信號以決定執(zhí)行機構(gòu)的運動形式和動作幅度。傳感器檢測的精度、靈敏度和可靠性將直接影響到機電一體化的性能。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。5、伺服驅(qū)動技術研究對象：執(zhí)行元件及其驅(qū)動裝置執(zhí)行元件種類：

15、電動、液壓、氣壓驅(qū)動裝置指各種電動機的驅(qū)動電源電路，目前多采用電力電子器件及集成化的功能電路構(gòu)成。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)總體分解成相互有機聯(lián)系的若干功能單元，并以功能單元為子系統(tǒng)繼續(xù)分解，直至找到可實現(xiàn)的技術方案，然后再將系統(tǒng)各個功能模塊有機的結(jié)合起來，以實現(xiàn)整體最優(yōu)。其重要內(nèi)容為接口技術。接口包括電氣接口、機械接口、人機接口小結(jié)機電一體化通過綜合利用現(xiàn)代高新技術的優(yōu)勢，在提高精度、增強功能、改善操作性和使用性、提高生產(chǎn)率和降低成本、節(jié)約能源和降低消耗、減輕勞動強度和改善勞動條件、提高安全性和可靠性、簡化結(jié)構(gòu)和減輕重量、增強柔性和智能化

16、程度、降低價格等諸多方面都取得了顯著的技術經(jīng)濟效益和社會效益，促使社會和科學技術又向前大大邁進了一步。1.4 系統(tǒng)評價分析-寫文章的方法1 評價分析內(nèi)容系統(tǒng)設計的評價分析方法：技術經(jīng)濟性分析、可靠性分析；2 評價指標工效實用性 系統(tǒng)可靠性 運行穩(wěn)定性 操作宜人性人機安全性結(jié)構(gòu)工藝性 成果規(guī)范性造型藝術性技術經(jīng)濟性環(huán)境完善性3 可靠性分析的方法 產(chǎn)品的可靠性主要取決于產(chǎn)品在研制和設計階段形成的產(chǎn)品固有可靠性，在產(chǎn)品設計階段，有計劃地進行可靠性分析工作，是減少產(chǎn)品使用故障，提高產(chǎn)品工作有效性和維修性的重要設計環(huán)節(jié)。(1) 可靠性指標可靠度函數(shù)與失效概率失效率壽命浴盆曲線是一條瞬時故障率變化曲線，它

17、描述了機電一體化系統(tǒng)瞬時故障率隨時間變化的關系。 （t）:失效率（t）t0早期失效：與設計考慮的冗余和元器件的質(zhì)量有關，出現(xiàn)在系統(tǒng)運行的初期。采用嚴格的措施可以消除。隨機失效：發(fā)生在系統(tǒng)運行一段時間以后的故障偶發(fā)階段。耗散失效：經(jīng)過相當長的時間，系統(tǒng)故障開始增加，說明系統(tǒng)壽命將盡。 可靠度函數(shù)與失效概率?？煽慷群瘮?shù)是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間t內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率，以R(t)表示；反之，不能完成規(guī)定功能的概率稱為失效概率，以F(t)表示。R(t)=N(t)/N(0)F(t)=n(t)/N(0)其中：N(t)：t時刻，有效產(chǎn)品N(0)：0時刻，總產(chǎn)品n(t)：t時刻失效產(chǎn)品數(shù)失效概率：單位

18、時間內(nèi)失效數(shù)與總產(chǎn)品的比值，反映產(chǎn)品在所有可能工作時間內(nèi)的失效分布情況。 失效率產(chǎn)品工作到t時刻時，單位時間內(nèi)失效數(shù)與t時刻尚存的有效產(chǎn)品數(shù)的比稱為失效率，以(t)表示，反映任一時刻失效概率的變化情況。 壽命 常用平均壽命表示對不可修復產(chǎn)品，指從開始使用到發(fā)生故障報廢的平均有效工作時間。ti，第i個產(chǎn)品無故障工作時間，N，被測試產(chǎn)品總數(shù)對可修復產(chǎn)品，指一次故障到下一次故障的平均有效工作時間。第i個產(chǎn)品從第j-1次故障到j次故障之間有效工作時間第i個產(chǎn)品所有工作時間n個產(chǎn)品所有工作時間第i個產(chǎn)品故障次數(shù)所有產(chǎn)品總的故障次數(shù)通過預測，對新產(chǎn)品設計的可靠性預測和系統(tǒng)的可靠性預測。元件的可靠性預測一般

19、有兩種方法： 1)實驗統(tǒng)計法 2)經(jīng)驗法：查手冊或根據(jù)類似元件的使用經(jīng)驗，積累可靠數(shù)據(jù)，估出元件可靠性水平(2) 可靠性預測系統(tǒng)的可靠度主要取決于元件的可靠度和組合方式。最基本的有串聯(lián)模型 ，并聯(lián)模型串聯(lián)模型：并聯(lián)模型：并聯(lián)1路出故障的概率全部出故障的概率有一個不出故障的概率，即可靠性1)等同分配法 2) 按比例分配法 其分配原則是按照各組成單元的預計失效率的比例進行分配3) 按重要性分配法 考慮各組成單元的重要程度、 復雜程度及工作時間等差別的分配方法。4) 最優(yōu)化分配法 根據(jù)系統(tǒng)中起主導作用的特性參數(shù)的優(yōu)化目標和種種限性約束條件選取最優(yōu)化分配方案。 (3) 可靠性指標的分配 1)在滿足產(chǎn)品

20、性能要求的前提下，盡可能簡化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。次要部件和不必要的復雜結(jié)構(gòu)只會增加產(chǎn)品發(fā)生故障的概率。2)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上精心設計，構(gòu)成能夠容忍故障發(fā)生的高可靠容錯系統(tǒng)，即采用所謂“容錯法”，如拼音輸入法中z與zh不分，汽車中的安全件。3)提高產(chǎn)品各部件的可靠性。對元、器件進行嚴格篩選，采用高可靠性的元、器件，盡量減少故障的發(fā)生，即采用所謂“避錯法”。4)采用故障診斷技術，以提高系統(tǒng)的可維護性。5)冗余設計（儲備設計）與降額使用。6)在裝配工藝方面采取嚴格措施，盡量減少瞬態(tài)干擾故障。7)修理維護，既更換和修理故障部件，與冷儲備不同之處，在于部件不是自動轉(zhuǎn)入工件。8)預防性維修 9)硬件自檢測和軟件自恢復的設

21、計(4)提高可靠性方法：1.5 維修性分析兩點含義：可維護性：指維護元件、設備或系統(tǒng)的可能性。 系統(tǒng)的可維修性，是指在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時間之內(nèi)能夠修理好的概率。影響這一概率的因素有：系統(tǒng)故障排除修復的難易，預防保養(yǎng)和定期檢修制度的完善與否，以及維修人員技術水平的高低等。如模塊化可顯著降低維修復雜性。 平均修復時間短。維修所需元器件或零部件易購或有備件，具有互換性。有充足的工作時間。維修工具、附件及輔助維修設備的數(shù)量和種類少，準備齊全。維修的技術復雜性降低。維修人員數(shù)量減少。維修成本降低。狀態(tài)監(jiān)測和自動記錄指導維修。自診斷功能。采用維護性和無維修設計，使產(chǎn)品從投入使用到報廢不需要維修。以可

22、靠性為中心的維修性設計。1.6 干擾主要指電氣干擾：一般指那些與信號無關的，在信號輸入、傳輸和輸出的過程中出現(xiàn)的一些不確定的、有害的電氣變化現(xiàn)象。依據(jù)干擾的來源劃分 內(nèi)部干擾：是指控制系統(tǒng)或裝置本身內(nèi)部引起的各種干擾。 外部干擾：是由裝置外部竄入到裝置內(nèi)部的各種干擾。它包括某些自然現(xiàn)象引起的自然干擾和人為干擾（主要是工業(yè)干擾，即用電干擾）。 工業(yè)干擾是關鍵，必須引起重視。 現(xiàn)場干擾的抑制與隔離用電容或阻容環(huán)節(jié)抑制干擾，如SCR，曾勵教材P310屏蔽干擾源，如開關電源的外殼，電腦的機箱干擾的隔離，就是從電路上見干擾源與易受干擾的部分隔離開來，使之盡可能不發(fā)生電的聯(lián)系。一般機電一體化控制系統(tǒng)大都包

23、括弱電系統(tǒng)和強電系統(tǒng)。為了確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行，常采用強電與弱電、交流和直流等部分的相互隔離措施。隔離的方法有光電隔離（曾勵教材P289） 、變壓器隔離（P90）和繼電器隔離，運放隔離（傳感器電路后的射級跟隨器（第七章課件）、比例放大器）等。1.6 機電一體產(chǎn)品設計與工程路線 1、設計的類型：開發(fā)性設計（全新設計）;適應性設計（原理方案不變，僅對功能及結(jié)構(gòu)進行重新設計）;變參數(shù)設計（僅改變部分結(jié)構(gòu)尺寸而形成系列產(chǎn)品） 市場調(diào)查與預測是產(chǎn)品開發(fā)成敗的關鍵性的第一步。市場調(diào)查就是運用科學方法，系統(tǒng)地、全面地收集有關市場需求和經(jīng)銷方面的情況和資料，分析研究產(chǎn)品在供需雙方之間進行轉(zhuǎn)移的狀況和趨勢。市場預測就是在市場調(diào)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