機電一體化產(chǎn)品設計教材

機電一體化產(chǎn)品設計第一章概論1.1機電一體化基本概念1.2機電一體化發(fā)展概況1.3機電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成1.4機電一體化共性關鍵技術1.5機電一體化系統(tǒng)設計1.6機電一體化對機械工業(yè)的影響1.7機電一體化的發(fā)展1.1基本概念機電一體化技術：從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，將機械技術、微電子技術、信息技術、控制技術等在系統(tǒng)工程基礎上有機地加以綜合，以實現(xiàn)整個系統(tǒng)最佳化的一門新科學技術。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機電一體化信息科學機械學電子學機電一體化一般包含機電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))和機電一體化技術兩層含義。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)、CAD／CAM系統(tǒng)等。機電一體化中包含的關鍵技術在第四節(jié)中詳細介紹。1.1基本概念數(shù)控銑床數(shù)控車床焊接機器人汽車防抱死系統(tǒng)(ABS)1.2發(fā)展概況1.20世紀60年代前為第一階段，“萌芽階段”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”

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：①mechatronics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；②機電一體化技術和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展；③各國均開始對機電一體化技術和產(chǎn)品給以很大的關注和支持。

3.90年代后期開始為第三階段，“智能化階段”

①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；②對機電一體化系統(tǒng)的建模設計、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。③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。

1.2發(fā)展概況1.數(shù)控機機床的的問世世，寫寫下了了“機電一一體化化”歷史的的第一一頁。。2.微電子子技術術為“機電一一體化化‘’帶來勃勃勃生生機。。3.可編程程序控控制器器、”電力電電子“等的發(fā)發(fā)展為為”機電一一體化化“提供了了堅強強基礎礎。4.激光技技術、、模糊糊技術術、信信息技技術等等新技技術使使”機電一一體化化“躍上新新臺階階。1.2發(fā)展概概況1.3機電一一體化化系統(tǒng)統(tǒng)的構(gòu)構(gòu)成位置,速度檢測單元電機機械部件位置,速度反饋CNC數(shù)控機床伺服系統(tǒng)組成1.3機電一一體化化系統(tǒng)統(tǒng)的構(gòu)構(gòu)成執(zhí)行器控制信息電子控制單元動力源檢測傳感部分機械本體參數(shù)變化信息驅(qū)動力能量檢測參數(shù)1、機械械本體體機身、、框架架、機機械聯(lián)聯(lián)接等等產(chǎn)品品支持持機構(gòu)構(gòu)，實現(xiàn)構(gòu)造功功能。要求：：可靠靠、小小型、、美觀觀2、能源源提供能能量，，轉(zhuǎn)換換成需需要的的形式式，實實現(xiàn)動力功功能。。要求：：效率率高、、可靠靠性好好1.3機電一一體化化系統(tǒng)統(tǒng)的構(gòu)構(gòu)成3、檢測測傳感感裝置置檢測產(chǎn)產(chǎn)品內(nèi)內(nèi)部狀狀態(tài)和和外部部環(huán)境境，實實現(xiàn)計測功功能。。要求：：體積積小、、精度度高、、抗干干擾4、電子子控制制單元元處理、、運算算、決決策，，實現(xiàn)現(xiàn)控制功功能。要求：：高可可靠性性、柔柔性、、智能能化1.3機電一一體化化系統(tǒng)統(tǒng)的構(gòu)構(gòu)成5、執(zhí)行行機構(gòu)構(gòu)包括機機械傳傳動與與操作作機構(gòu)構(gòu)，接接收控控制信信息，，完成成要求求的動動作，，實現(xiàn)現(xiàn)主功能能。要求：：高性性能、、高精精度、、高效效率1.3機電一一體化化系統(tǒng)統(tǒng)的構(gòu)構(gòu)成1.4共性關關鍵技技術1檢測傳傳感技技術2信息處處理技技術3自動控控制技技術4伺服驅(qū)驅(qū)動技技術5機械技技術6系統(tǒng)總總體技技術1、檢測測傳感感技術術作用：：感受器器官、、反饋饋環(huán)節(jié)節(jié)。研究對對象：：傳感器器及其其信號號檢測測裝置置（即即變送送器））要求：：能快速速、精精確地地獲得得信息息并在在相應應的應應用環(huán)環(huán)境中中具有有高可可靠性性。1.4共性關關鍵技技術2、信息息處理理技術術主要完完成信信息的的交換換、存存取、、運算算、判判斷和和決策策等.其主要要工具具是計計算機機。傳感器A/D計算機D/A執(zhí)行裝置3、控制制技術術關于軟軟件方方面的的技術術，主主要以以控制制理論論為指指導，，對控控制系系統(tǒng)設設計、、仿真真、現(xiàn)現(xiàn)場調(diào)調(diào)試、、可靠靠運行行等。。1.4共性關關鍵技技術4、伺服服驅(qū)動動技術術執(zhí)行元元件種種類：：電動、液壓、氣壓研究對對象：：執(zhí)行元元件及其驅(qū)動裝裝置驅(qū)動裝裝置：：各種電電動機機的驅(qū)驅(qū)動電電源電電路實現(xiàn)機機電一一體化化產(chǎn)品品的主功能能和構(gòu)造功功能，影響響系統(tǒng)統(tǒng)的結(jié)結(jié)構(gòu)、、重量量、體體積、、剛性性、可可靠性性等。。5、機械械技術術1.4共性關關鍵技技術6、系統(tǒng)統(tǒng)總體體技術術系統(tǒng)總總體技技術是是一種種從整整體目目標出出發(fā)，，用系系統(tǒng)工工程的的觀點點和方方法，，將系系統(tǒng)各各個功功能模模塊有有機的的結(jié)合合起來來，以以實現(xiàn)現(xiàn)整體體最優(yōu)優(yōu)。其其重要要內(nèi)容容為接接口技技術。。接口口包括括電氣氣接口口、機機械接接口、、人機機接口口1.4共性關關鍵技技術1.5機電一一體化化系統(tǒng)統(tǒng)設計計一、市市場調(diào)調(diào)研二、總總體方方案設設計三、詳詳細設設計四、樣樣機試試制與與試驗驗五、小小批量量生產(chǎn)產(chǎn)六、大大批量量生產(chǎn)產(chǎn)一、市市場調(diào)調(diào)研市場調(diào)調(diào)研包包括市場調(diào)調(diào)查和市場預預測。所謂謂市場調(diào)調(diào)查就是運運用科科學的的方法法，系系統(tǒng)地地、全全面地地收集集所設設計產(chǎn)產(chǎn)品市市場需需求和和經(jīng)銷銷方面面的情情況和和資料料，分分析研研究產(chǎn)產(chǎn)品在在供需需雙方方之間間進行行轉(zhuǎn)移移的狀狀況和和趨勢勢，而而市場預預測就是在在市場場調(diào)查查的基基礎上上，運運用科科學方方法和和手段段，根根據(jù)歷歷史資資料和和現(xiàn)狀狀，通通過定定性的的經(jīng)驗驗分析析或定定量的的科學學計算算，對對市場場未來來的不不確定定因素素和條條件做做出預預計、、測算算和判判斷，，為產(chǎn)產(chǎn)品的的方案案設計計提供供依據(jù)據(jù)。1.5機電一一體化化系統(tǒng)統(tǒng)設計計二、總總體方方案設設計1．產(chǎn)品品方案案構(gòu)思思產(chǎn)品方方案構(gòu)構(gòu)思完完成后后，以以方案案圖的的形式式將設設計方方案表表達出出來。。方案案圖應應盡可可能簡簡潔明明了，，反映映機電電一體體化系系統(tǒng)各各組成成部分分的相相互關關系，，同時時應便便于后后面的的修改改。2．方案案的評評價對對多種種構(gòu)思思和多多種方方案進進行篩篩選，，選擇擇較好好的可可行方方案進進行分分析組組合和和評價價，從從中再再選幾幾個方方案按按照機機電一一體化化系統(tǒng)統(tǒng)設計計評價價原則則和評評價方方法進進行深深入的的綜合合分析析評價價，最最后確確定實實施方方案。。1.5機電一一體化化系統(tǒng)統(tǒng)設計計三、詳詳細設設計詳細設設計是是根據(jù)據(jù)綜合合評價價后確確定的的系統(tǒng)統(tǒng)方案案，從從技術術上將將其細細節(jié)逐逐層全全部展展開，，直至至完成成產(chǎn)品品樣機機試制制所需需全部部技術術圖紙紙及文文件的的過程程。1.5機電電一一體體化化系系統(tǒng)統(tǒng)設設計計四、、樣樣機機試試制制與與試試驗驗完成成產(chǎn)產(chǎn)品品的的詳詳細細設設計計后后，，即即可可進進入入樣樣機機試試制制與與試試驗驗階階段段。。根根據(jù)據(jù)制制造造的的成成本本和和性性能能試試驗驗的的要要求求，，一一般般制制造造幾幾臺臺樣樣機機供供試試驗驗使使用用。。樣樣機機的的試試驗驗分分為為實實驗驗室室試試驗驗和和實實際際工工況況試試驗驗，，通通過過試試驗驗考考核核樣樣機機的的各各種種性性能能指指標標是是否否滿滿足足設設計計要要求求，，考考核核樣樣機機的的可可靠靠性性。。如如果果樣樣機機的的性性能能指指標標和和可可靠靠性性不不滿滿足足設設計計要要求求，，則則要要修修改改設設計計，，重重新新制制造造樣樣機機，，重重新新試試驗驗。。如如果果樣樣機機的的性性能能指指標標和和可可靠靠性性滿滿足足設設計計要要求求，，則則進進入入產(chǎn)產(chǎn)品品的的小小批批量量生生產(chǎn)產(chǎn)階階段段。。1.5機電電一一體體化化系系統(tǒng)統(tǒng)設設計計五、、小小批批量量生生產(chǎn)產(chǎn)產(chǎn)品品的的小小批批量量生生產(chǎn)產(chǎn)階階段段實實際際上上是是產(chǎn)產(chǎn)品品的的試試生生產(chǎn)產(chǎn)試試銷銷售售階階段段。。這這一一階階段段的的主主要要任任務務是是跟跟蹤蹤調(diào)調(diào)查查產(chǎn)產(chǎn)品品在在市市場場上上的的情情況況，，收收集集用用戶戶意意見見，，發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)產(chǎn)產(chǎn)品品在在設設計計和和制制造造方方面面存存在在的的問問題題，，并并反反饋饋給給設設計計、、制制造造和和質(zhì)質(zhì)量量控控制制部部門門。。六、、大大批批量量生生產(chǎn)產(chǎn)經(jīng)過過小小批批量量試試生生產(chǎn)產(chǎn)和和試試銷銷售售的的考考核核，，排排除除產(chǎn)產(chǎn)品品設設計計和和制制造造中中存存在在的的各各種種問問題題后后，，即即可可投投入入大大批批量量生生產(chǎn)產(chǎn)。。1.5機電電一一體體化化系系統(tǒng)統(tǒng)設設計計1.6機電電一一體體化化對對機機械械工工業(yè)業(yè)的的影影響響1提高高性性能能、、擴擴展展功功能能今日日的的數(shù)數(shù)控控機機床床充充分分發(fā)發(fā)揮揮計計算算機機的的威威力力，，運運用用時間間序序列列分分析析和和精精度度創(chuàng)創(chuàng)成成等等理理論論建建立立數(shù)數(shù)學學模模型型。。已有有可可能能實實時時預預報報包包括括隨隨機機誤誤差差在在內(nèi)內(nèi)的的機機床床誤誤差，，然然后后自自動動校校正正，，從從而而達達到到前前所所未未有有的的精精度度。。采用用對對阻阻尼尼進進行行預預報報，，一一旦旦接接近近臨臨界界值值時時就就自自動動調(diào)整整切切削削用用量量，，這這又又可可能能出出現(xiàn)現(xiàn)永永不不顫顫振振的的機機床床，，保證證很很高高的的生生產(chǎn)產(chǎn)率率和和良良好好的的加加工工表表面面。。1.6機電電一一體體化化對對機機械械工工業(yè)業(yè)的的影影響響2簡化化結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)3提高高可可靠靠性性在提提高高電電子子元元件件質(zhì)質(zhì)量量、、可可靠靠性性的的前前提提下下，，機機電電一一體體化化產(chǎn)產(chǎn)品品可可以以提提高高耐耐久久性性，，減減少少故故障障率率。。另另一一方方面面由由于于賦賦予予其其自自動動監(jiān)監(jiān)視視診診斷斷功功能能，，并并采采取取安安全全聯(lián)聯(lián)鎖鎖控控制制，，過過負負荷荷和和失失控控保保護護、、停停電電對對策策，，提提高高了了設設備備的的安安全全可可靠靠性性。。1.6機電電一一體體化化對對機機械械工工業(yè)業(yè)的的影影響響4節(jié)約約能能源源例如如目目前前我我國國各各類類電電風風扇扇年年產(chǎn)產(chǎn)量量在在200萬臺臺左左右右，，如如每每臺臺電電扇扇的的調(diào)調(diào)速速器器和和定定時時器器(現(xiàn)常常用用電電磁磁機機械械式式)用電電子子調(diào)調(diào)速速器器和和定定時時器器代代替替，，估估計計每每臺臺風風扇扇可可節(jié)節(jié)電電5W以上上，，全全年年以以用用扇扇100天，，每每天天開開扇扇6h計，，則則每每年年可可節(jié)節(jié)約約用用電電量量600萬kW··h，還還可可節(jié)節(jié)省省大大批批銅銅材材和和鋼鋼材材。。再如如傳傳統(tǒng)統(tǒng)的的電電焊焊機機以以電電磁磁原原理理和和手手工工操操作作為為基基礎礎，，即即使使是是一一般般的的自自動動電電焊焊機機，，其其動動作作過過程程也也僅僅為為簡簡單單的的機機械械動動作作和和相相應應的的控控制制。。這這類類電電焊焊機機耗耗能能多多、、效效率率低低、、質(zhì)質(zhì)量量不不易易保保證證。。采采用用微微型型機機技技術術后后，，發(fā)發(fā)展展新新穎穎的的電電子子控控制制電電源源以以取取代代傳傳統(tǒng)統(tǒng)的的焊焊接接電電源源，，實實現(xiàn)現(xiàn)焊焊接接電電源源的的節(jié)節(jié)能能、、高高效效、、小小型型化化、、多多樣樣化化。。1.6機電電一一體體化化對對機機械械工工業(yè)業(yè)的的影影響響5操作作改改善善1.7機電電一一體體化化的的發(fā)發(fā)展展趨趨勢勢1智能能化化智能能化化是是21世紀紀機機電電一一體體化化技技術術發(fā)發(fā)展展的的一一個個重重要要發(fā)發(fā)展展方方向向。。人人工工智智能能在在機機電電一一體體化化建建設設者者的的研研究究日日益益得得到到重重視視，，機機器器人人與與數(shù)數(shù)控控機機床床的的智智能能化化就就是是重重要要應應用用。。這這里里所所說說的的““智智能能化化””是是對對機機器器行行為為的的描描述述，，是是在在控控制制理理論論的的基基礎礎上上，，吸吸收收人人工工智智能能、、運運籌籌學學、、計計算算機機科科學學、、模模糊糊數(shù)數(shù)學學、、心心理理學學、、生生理理學學和和混混沌沌動動力力學學等等新新思思想想、、新新方方法法，，模模擬擬人人類類智智能能，，使使它它具具有有判判斷斷推推理理、、邏邏輯輯思思維維、、自自主主決決策策等等能能力力，，以以求求得得到到更更高高的的控控制制目目標標。。2模塊塊化化由于于機機電電一一體體化化產(chǎn)產(chǎn)品品種種類類和和生生產(chǎn)產(chǎn)廠廠家家繁繁多多，，研研制制和和開開發(fā)發(fā)具具有有標標準準機機械械接接口口、、電電氣氣接接口口、、動動力力接接口口、、環(huán)環(huán)境境接接口口的的機機電電一一體體化化產(chǎn)產(chǎn)品品單單元元是是一一項項十十分分復復雜雜但但又又是是非非常常重重要要的的事事。。這這需需要要制制定定各各項項標標準準，，以以便便各各部部件件、、單單元元的的匹匹配配和和接接口口。。由由于于利利益益沖沖突突，，近近期期很很難難制制定定國國際際或或國國內(nèi)內(nèi)這這方方面面的的標標準準，，但但可可以以通通過過組組建建一一些些大大企企業(yè)業(yè)逐逐漸漸形形成成。。顯顯然然，，從從電電氣氣產(chǎn)產(chǎn)品品的的標標準準化化、、系系列列化化帶帶來來的的好好處處可可以以肯肯定定，，無無論論是是對對生生產(chǎn)產(chǎn)標標準準機機電電一一體體化化單單元元的的企企業(yè)業(yè)還還是是對對生生產(chǎn)產(chǎn)機機電電一一體體化化產(chǎn)產(chǎn)品品的的企企業(yè)業(yè)，，規(guī)規(guī)模模化化將將給給機機電電一一體體化化企企業(yè)業(yè)帶帶來來美美好好的的前前程程。。1.7機電一一體化化的發(fā)發(fā)展趨趨勢3網(wǎng)絡化化20世紀90年代，，計算算機技技術等等的突突出成成就是是網(wǎng)絡技術術。機機電一一體化化新產(chǎn)產(chǎn)品一一旦研研制