機電系統(tǒng)工程學第1章-緒論(OK)課件

機電系統(tǒng)工程學主講人：E-mail:QQ:8707366082023/3/13機電系統(tǒng)工程學這門課程是多學科的交叉和綜合，涉及相關專業(yè)知識較多，講授的主要內容包括：機電一體化系統(tǒng)基本知識；機電系統(tǒng)總體設計；機電系統(tǒng)機械設計技術；控制系統(tǒng)設計技術；伺服系統(tǒng)設計技術。檢測技術；機電一體化技術的應用。第一章緒論

機電一體化相關學科關系1.1機電一體化系統(tǒng)的基本概念1、定義：日本在20世紀70年代提出,是機械與電子的集成技術,用Mechatronics表示.MechatronicsMechanicsElectronics基本概念理解：

①

Mechatronics是在機械的主功能、動力功能、信息功能、控制功能的基礎上引進微電子技術，并將機械裝置與電子裝置用相關軟件有機結合而構成系統(tǒng)的總稱。

②按照Mechatronics思想，凡是由各種現(xiàn)代高新技術與機械、電子技術相結合而形成的技術、產品均應屬于機電一體化范疇。故目前的機電液、光機電、機電儀、機電信一體化都可歸結為Mechatronics。

③Mechatronics是一個綜合的概念，包含技術和產品兩方面。機電一體化技術指包括技術基礎、技術原理在內的使機電一體化產品得以實現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術。機電一體化產品指采用機電一體化技術，在機械產品基礎上創(chuàng)建出來的新一代機電產品。典型的機電一體化產品(系統(tǒng))有：數(shù)控機床、機器人、汽車電子化產品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統(tǒng)、CAD／CAM系統(tǒng)等。2、特點1)綜合性和系統(tǒng)性

2)層次性和廣泛性

3)小型化、輕量化、微型化

4)高精度、多功能、高可靠性

5)柔性化、智能化

6)知識密集

1.2機電一體化系統(tǒng)構成要素與功能構成

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1.2機電一體化系統(tǒng)的構成執(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)變化信息驅動力能量檢測參數(shù)機械本體：起支承和聯(lián)接作用；動力部分：提供動力輸入；傳感與檢測部分：將機械模塊的狀態(tài)和性能參數(shù)轉換為電的信號，并進行必要的信息處理后送計算機；執(zhí)行機構：根據控制系統(tǒng)的指令完成相應的動作；信息處理與控制：對來自傳感器與檢測部分的信息進行處理，使之符合控制要求。

3.傳感測試部分 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?經過分析、處理后產生相應的控制信息。這一功能一般由專門的傳感器及轉換電路完成。

4.執(zhí)行機構

執(zhí)行機構的功能是根據控制信息和指令,完成要求的動作。執(zhí)行機構是運動部件,一般采用機械、電磁、電液等機構。

5.控制及信息單元

控制及信息單元的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,根據信息處理結果,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。

6.接口耦合與能量轉換 （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。

（2）放大：在兩個信號強度相差懸殊的環(huán)節(jié)間,經接口放大,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)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）能量轉換：其執(zhí)行元件包含了執(zhí)行器和驅動器。該轉換涉及到不同類型能量間的最優(yōu)轉換方法與原理。一、生產過程的機電一體化

離散生產過程連續(xù)生產過程經濟型CIM系統(tǒng)二、產品的機電一體化焊接機器人機電一體化產品的功能模塊1.4機電一體化系統(tǒng)的結構要素

此系統(tǒng)中，材料構成系統(tǒng)結構；能量使系統(tǒng)具有力量；信息使系統(tǒng)具有靈魂，故系統(tǒng)必須具備如圖三大“目的功能”：1.4機電一體化系統(tǒng)的結構要素機電一體化系統(tǒng)是由若干具有特定功能的機械與微電子要素組成的有機整體，具有滿足人們使用要求的功能(目的功能)。根據不同的使用目的，要求系統(tǒng)能對輸入的物質、能量和信息(即工業(yè)三大要素)進行某一處理，輸出所需要的物質、能量和信息。因此系統(tǒng)須具有以下三大“目的功能”：變換(加工、處理)功能、傳遞(移動、輸送)功能和儲存(保持、積累、記錄)功能。系統(tǒng)目的功能不管那類系統(tǒng)（或產品），其系統(tǒng)內部必須具備如所示的五種內部功能，即主功能、動力功能、檢測功能、控制功能、構造功能。

系統(tǒng)的五種內部功能CNC機床內部功能構成實例綜上所述：構成機電一體化系統(tǒng)的要素很多，其中五大要素是必須的，可以從構成人體的五大要素得到啟發(fā)。

圖1.8所示為人體的五大要素圖1.9所示為機電一體化的五大要素

腦心臟骨骼五官四肢控制系統(tǒng)動力裝置檢測裝置執(zhí)行機構機械本體圖1.8圖1.10機電一體化系統(tǒng)的功能圖1.91.4機電一體化系統(tǒng)的結構要素機電一體化系統(tǒng)內部與外部接口

機電一體化產品的五個基本要素間互相補充、協(xié)調，共同完成所規(guī)定的目的功能。

從系統(tǒng)外看：機電一體化系統(tǒng)的I/O是人、自然及其它系統(tǒng)間的接口。

從系統(tǒng)內看：機電一體化系統(tǒng)是由許多接口將構成系統(tǒng)的I/O聯(lián)為一體的系統(tǒng)。

機電一體化系統(tǒng)的接口性能成為綜合系統(tǒng)性能好壞的決定性因素。故機電一體化系統(tǒng)各要素間的接口設計極為重要。接口分類：廣義的接口輸入輸出接口變換、調整接口機械接口物理接口信息接口環(huán)境接口零接口無源接口有源接口智能接口接口技術的分類：按功能分，接口有兩種：變換、調整接口和輸入/輸出接口。具有變換調整功能的接口（4種）：1、零接口：不進行任何變換和調整，本子系統(tǒng)的輸出即為另一子系統(tǒng)的輸入，這種接口只起到連接的作用。如插頭、座，輸送管線，傳動軸等。2、無源接口：只用無源要素進行變換、調整的接口。如變速箱、變壓器、可變電阻、透鏡等。3、有源接口：含有有源要素，可以主動進行匹配的接口。如電磁離合器、放大器、光電耦合器等4、智能接口：帶有微處理器，可以進行程序編制或可適應性地改變接口條件。如自動變速裝置、通用輸入/輸出集成電路，STD總線等。根據輸入/輸出功能有如下接口形式(4種)：1、機械接口：由輸入/輸出部位的形狀、尺寸、精度、配合、規(guī)格等進行機械聯(lián)接的接口。如聯(lián)軸器、管接頭、法蘭盤等。2、物理接口：受通過接口的物質、能量、信息的具體形態(tài)和物理條件約束的接口。如受電流、電壓、電容、扭矩、頻率、氣壓等約束的接口。3、信息接口：受規(guī)格、標準、法律、語言、符號等邏輯、軟件約束的接口。如RS232，GB，ISO，ASCII，F(xiàn)ORTRAN，C++等。4、環(huán)境接口：對周圍環(huán)境條件（溫度、濕度、磁場、振動、水、氣、灰、火、放射）有保護作用的接口。如防塵接頭，防水開關等。機電一體化系統(tǒng)（產品）各構成要素之間的相互聯(lián)系

1.5機電一體化的相關技術

實現(xiàn)機電一體化產品的主功能和構造功能，影響系統(tǒng)的結構、重量、體積、剛性、可靠性等。

以多關節(jié)機器人的手臂為例：

1、機械技術

2、伺服驅動技術（執(zhí)行裝置技術）執(zhí)行元件種類：電動、液壓、氣壓

研究對象：執(zhí)行元件及其驅動裝置驅動裝置：各種電動機的驅動電源電路微機電氣接口執(zhí)行元件機械接口傳動和執(zhí)行機構發(fā)送控制指令聯(lián)結作用決定機電一體化產品的動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)精度、控制質量等3、傳感器技術（傳感與檢測技術）作用：感受器官、反饋環(huán)節(jié)。研究對象：傳感器及其信號檢測裝置（即變送器）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。4、計算機（與信息處理）技術

注意：機電一體化中的“電”代表的技術內涵

計算機技術（尤其單片機技術）+PLC技術+通信技術傳感器A/D計算機D/A執(zhí)行裝置作用：指揮整個機電一體化產品運行。5、控制技術

關于軟件方面的技術，主要以控制理論為指導，對控制系統(tǒng)設計、仿真、現(xiàn)場調試、可靠運行等。實現(xiàn)機電一體化產品的主功能和構造功能，影響系統(tǒng)的結構、重量、體積、剛性、可靠性等。

6、精密機械技術7、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，然后再把功能和技術方案組合成方案指進行分析、評價和優(yōu)選的綜合應用技術。其重要內容為接口技術。接口包括電氣接口、機械接口、人機接口。

新型的MEMS微機電系統(tǒng)微機電系統(tǒng)MEMS(MicroElectronicMechanicalSystems)是一種全新的必須同時考慮多種物理場混合作用的研發(fā)領域，相對于傳統(tǒng)的機械，它們的尺寸更小，最大的不超過一個厘米，甚至僅僅為幾個微米，其厚度就更加微小。MEMS特點可以總結如下：（1）微型化：MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應時間短。（2）集成化：微傳感器、微執(zhí)行器和IC集成在一起可以制造出高可靠性和高穩(wěn)定性的智能化MEMS。（3）多學科交叉：MEMS的制造涉及電子、機械、材料、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科。設計內容：（1）確定產品規(guī)格、性能指標

——運動參數(shù)、動力參數(shù)、品質參數(shù)。（2）系統(tǒng)功能部件要素的劃分

——功能部件選擇、設計和與系統(tǒng)主功能的匹配。（3）接口設計

——機械接口、物理接口、信息接口、環(huán)境接口1.6機電一體化系統(tǒng)設計基本流程（4）綜合評價或系統(tǒng)評價——系統(tǒng)性能、結構質量的各種定量指標和參數(shù)，系統(tǒng)的附加價值，滿足設計或用戶需求的功能性產品或系統(tǒng)為前提。評價方法依據產品要求有所不同。（5）可靠性復查（6）試制與調試

——樣機制造與調試、試驗。（7）最終產品結果評價

——是否達到設計或用戶要求1.7

機電一體化系統(tǒng)的設計方法與類型

原則：從規(guī)范性、通用性、耐環(huán)境性、可靠性、經濟性等多方面綜合分析，結合現(xiàn)代設計方法和手段，達到機電一體化系統(tǒng)設計的三大目的省能源、省資源、智能化，提高機電產品的附加值和自動化程度。常用的設計方法：機電互補法機電結合（融合）法機電組合法常見的設計類型：開發(fā)性設計適應性設計變異性設計1、功能附加型（變異性設計）原有機械產品基礎上采用微電子技術，提高性能。如：經濟型數(shù)控機床、全自動洗衣機等。2、功能替代型（適應性設計）采用微電子技術及裝置取代原產品中復雜的機械控制功能，簡化結構、增強柔性。如：電子縫紉機、電子石英鐘等。3、機電融合型（開發(fā)性設計）采用具有特定用途或專門設計的集成電路來實現(xiàn)產品中的控制和信息處理等功能，使產品結構緊湊。如：傳真機、復印機、CNC機床等。機電一體化系統(tǒng)設計與現(xiàn)代設計方法

現(xiàn)代設計方法：以計算機為輔助手段進行系統(tǒng)（產品）設計方法的總稱。

機電一體化設計方法與現(xiàn)代設計方法的融合是優(yōu)質、高效、快速實現(xiàn)機電一體化系統(tǒng)（產品）設計的有效方法和基本條件。

計算機輔助設計與制造（CAD/CAN）并行工程設計——全壽命周期設計虛擬產品設計與實現(xiàn)快速響應設計綠色環(huán)保產品設計反求設計網絡協(xié)同合作設計1.8

機電一體化系統(tǒng)的評價體系

依據提高機電一體化產品或系統(tǒng)附加價值的各項綜合指標作為評價體系的制定標準，即五大內部功能要素指標。系統(tǒng)（產品）內部功能

評

價

參

數(shù)

系統(tǒng)（產品價值）高低主功能

系統(tǒng)誤差抗干擾能力廢棄物輸出變換效率小強少高大弱多低動力功能

輸入能量能源少內裝多外裝控制功能可控輸入輸出接口數(shù)操作動作數(shù)多少少多構造功能尺寸、重量強度小、輕高大、重低計測功能或信息獲取精度靈敏度高響應快低響應慢圖1-7系統(tǒng)內部功能的發(fā)展方向及評價內容

1.數(shù)控機床的問世，寫下了“機電一體化”歷史的第一頁。

2.微電子技術為“機電一體化”帶來勃勃生機。

3.可編程序控制器、電力電子等的發(fā)展為機電一體化提供了堅強基礎。

4.激光技術、模糊技術、信息技術等新技術使”機電一體化“躍上新臺階。

因此，機電一體化的主要發(fā)展方向如下：（1）智能化（2）模塊化（3）網絡化（4）微型化（5）綠色化（6）人性化1.9機電一體化技術發(fā)展方向

1.9機電一體化的發(fā)展趨勢

1智能化

智能化是21世紀機電一體化技術發(fā)展的一個重要發(fā)展方向。人工智能在機電一體化建設者的研究日益得到重視，機器人與數(shù)控機床的智能化就是重要應用。這里所說的“智能化”是對機器行為的描述，是在控制理論的基礎上，吸收人工智能、運籌學、計算機科學、模糊數(shù)學、心理學、生理學和混沌動力學等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標。2模塊化

由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多，研制和開發(fā)具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、環(huán)境接口的機電一體化產品單元是一項十分復雜但又是非常重要的事。這需要制定各項標準，以便