機(jī)電一體化上課課件

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)1課程說(shuō)明

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程是一門專業(yè)方向課。本課程從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，利用機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)，通過(guò)機(jī)電有機(jī)結(jié)合構(gòu)造最佳的機(jī)電系統(tǒng)。

先修課程：機(jī)械設(shè)計(jì)，電子技術(shù)，電工技術(shù)，機(jī)電傳動(dòng)與控制，微機(jī)原理與應(yīng)用等。2教學(xué)的基本要求包括：1．學(xué)習(xí)機(jī)電一體化基本概念，理解機(jī)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(jī)電產(chǎn)品的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)思想。2．了解機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)種類和特點(diǎn)。3．熟悉機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法和工程路線，能夠針對(duì)具體的機(jī)電一體化產(chǎn)品確定產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)路線。4．掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)中機(jī)械、傳感檢測(cè)、動(dòng)力、控制等基本結(jié)構(gòu)要素的技術(shù)特點(diǎn)，掌握典型裝置的技術(shù)原理和使用方法。5．了解典型機(jī)電一體化產(chǎn)品的構(gòu)成、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法，學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的機(jī)電一體化產(chǎn)品。3數(shù)控線切割機(jī)床5數(shù)控機(jī)床671.1機(jī)電一體化的定義

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

一、機(jī)電一體化的定義

定義：機(jī)電一體化技術(shù)是從系統(tǒng)工程觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)用機(jī)械、電子、信息等有關(guān)技術(shù)，對(duì)它們進(jìn)行有機(jī)的組織和綜合，實(shí)現(xiàn)了整體的最佳化。

它不是機(jī)械與電子的簡(jiǎn)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(jī)械和電子分別只是“環(huán)節(jié)”）的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的應(yīng)用技術(shù)。131415171.2機(jī)電一體化的基本功能要素一、機(jī)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(shí)間關(guān)系安置在一定位置上，并保持特定的關(guān)系。包括機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置和傳動(dòng)裝置。二、執(zhí)行單元根據(jù)控制信息和指令在驅(qū)動(dòng)部分的作用下，完成所要求的動(dòng)作。執(zhí)行單元是運(yùn)動(dòng)部件，根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的匹配要求，需要改善執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作性能，如提高剛性，減輕重量，實(shí)現(xiàn)組件化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，以提高系統(tǒng)整體工作可靠性等。181.2機(jī)電一體化的基本功能要素三、驅(qū)動(dòng)單元在控制信息的作用下，驅(qū)動(dòng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成各種動(dòng)作和功能。機(jī)電一體化系統(tǒng)方面要求驅(qū)動(dòng)單元具有高效率和快速響應(yīng)性等，同時(shí)又要求其對(duì)外部環(huán)境的適應(yīng)性和可靠性，還由于幾何上，動(dòng)作范圍狹窄等限制，還需考慮維修方便和實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化等。191.2機(jī)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(jī)電一體化系統(tǒng)的核心單元。將來(lái)自各傳感器的檢測(cè)信息和外部輸入指令進(jìn)行集中、存儲(chǔ)、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(yīng)的控制信號(hào)，通過(guò)輸出接口送往執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制整個(gè)系統(tǒng)有目的地運(yùn)行，并達(dá)到預(yù)期性能。一般由計(jì)算機(jī)，可編程序控制器，數(shù)控裝置等組成。21六、動(dòng)力單元按照機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制要求，為系統(tǒng)提供動(dòng)力和能量以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。用最小的動(dòng)力輸入獲得盡可能大的功能輸出。221.2機(jī)電一體化的基本結(jié)構(gòu)要素

231.2機(jī)電一體化的基本功能要素

251.3機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù)261.3機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù)三、傳感檢測(cè)技術(shù)

傳感器檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳感檢測(cè)技術(shù)的內(nèi)容包括兩方面，一是研究如何將各種被測(cè)量（包括物理量、化學(xué)量和生物量等）轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量；二是研究對(duì)轉(zhuǎn)換的電信號(hào)的加工處理，如放大、補(bǔ)償、標(biāo)度變換等。機(jī)電一體化系統(tǒng)要求傳感檢測(cè)裝置能快速、準(zhǔn)確、可靠（外界環(huán)境的影響）的獲取信息。291.3機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù)四、自動(dòng)控制技術(shù)

自動(dòng)控制所依據(jù)的理論是自動(dòng)控制原理（包括經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論），自動(dòng)控制技術(shù)就是在此理論的指導(dǎo)下對(duì)具體控制裝置或控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)后進(jìn)行系統(tǒng)仿真，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試；最后使研制的系統(tǒng)可靠地投入運(yùn)行。機(jī)電一體化系統(tǒng)中的自動(dòng)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(yīng)控制以及模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。301.3機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù)五、信息處理技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)包括計(jì)算機(jī)的軟件技術(shù)、硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)和數(shù)據(jù)技術(shù)。機(jī)電一體化系統(tǒng)中主要采用工業(yè)控制機(jī)（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(jī)，分布式計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)）進(jìn)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(luò)技術(shù)等都屬于計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)的范疇。311.3機(jī)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(yīng)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(biāo)出發(fā)，將系統(tǒng)分解為若干個(gè)子系統(tǒng)，從實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)技術(shù)協(xié)調(diào)的觀點(diǎn)來(lái)考慮每個(gè)子系統(tǒng)的技術(shù)方案。機(jī)電一體化系統(tǒng)是一個(gè)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(yùn)用而達(dá)到整體系統(tǒng)的最佳化。

32一、機(jī)電一體化技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1、提高精度2、增強(qiáng)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(jī)電一體化的技術(shù)優(yōu)勢(shì)336、改善操作性和實(shí)用性7、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件8、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減輕重量9、降低價(jià)格10、增強(qiáng)柔性應(yīng)用功能3435361.4機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和方法三、機(jī)電一體化技術(shù)方向

1.機(jī)械的電子化

（1）在原有機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用微型計(jì)算機(jī)控制裝置，使系統(tǒng)的性能提高，功能增強(qiáng)。例如，模糊控制洗衣機(jī)能根據(jù)衣物的潔凈度自動(dòng)控制洗滌過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)時(shí)、節(jié)洗衣粉的功能；機(jī)床的數(shù)控化是另一個(gè)典型的例子。371.4機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和方法三、機(jī)電一體化技術(shù)方向

1.機(jī)械的電子化

（2）用電子裝置局部替代機(jī)械傳動(dòng)裝置和機(jī)械控制裝置，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)控制靈活性。例如，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)采用伺服系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)鏈，提高了進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；將傳統(tǒng)電機(jī)的電刷用電子裝置替代形成的無(wú)刷電機(jī)，具有性能可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸減小等優(yōu)點(diǎn)。電子縫紉機(jī)和電子繡花機(jī)。

381.4機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和方法三、機(jī)電一體化技術(shù)方向

1.機(jī)械的電子化（3）用電子裝置完全替代原來(lái)執(zhí)行信息處理功能的機(jī)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(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和方法三、機(jī)電一體化技術(shù)方向

1.機(jī)械的電子化

（4）用電子裝置替代機(jī)械的主功能，形成特殊的加工能力。例如，電火花加工機(jī)床、線切割加工機(jī)床、激光加工機(jī)床，電子等。401.4機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和方法三、機(jī)電一體化技術(shù)方向

2.機(jī)電技術(shù)完全融合形成新型機(jī)電一體化產(chǎn)品

生產(chǎn)機(jī)械中的激光快速成形機(jī)；信息機(jī)械中的傳真機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)；檢測(cè)機(jī)械中的CT（計(jì)算機(jī)斷層掃描診斷裝置）掃描診斷儀、掃描隧道顯微鏡等。411.4機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和方法四、機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)的設(shè)計(jì)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(jī)械控制機(jī)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(jìn)行技術(shù)改造常用的方法,也是改造傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品的常用方法。如用電氣調(diào)速系統(tǒng)取代機(jī)械式變速機(jī)構(gòu)等。421.4機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和方法四、機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)的設(shè)計(jì)思想

與方法

2.整體設(shè)計(jì)法

整體設(shè)計(jì)法主要用于新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)時(shí)完全從系統(tǒng)的整體目標(biāo)出發(fā),考慮各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。如某些激光打印機(jī)的激光掃描鏡，其轉(zhuǎn)軸就是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子軸。431.4機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和方法四、機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)的設(shè)計(jì)思想

與方法

3.組合法

組合法就是選用各種標(biāo)準(zhǔn)功能模塊組合設(shè)計(jì)成機(jī)電一體化系統(tǒng)。

441.4機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和方法四、機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)的設(shè)計(jì)思想

與方法

3.組合法

例如,設(shè)計(jì)一臺(tái)數(shù)控機(jī)床,可以依據(jù)機(jī)床的性能要求,通過(guò)對(duì)不同廠家的計(jì)算機(jī)控制單元、伺服驅(qū)動(dòng)單元、位移和速度測(cè)試單元及主軸、導(dǎo)軌、刀架、傳動(dòng)系統(tǒng)等產(chǎn)品的評(píng)估分析,研究各單元間接口關(guān)系和各單元對(duì)整機(jī)性能的影響，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)確定機(jī)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(shè)計(jì)原理和綜合集成技巧，將控制電動(dòng)機(jī)、傳感器、機(jī)械系統(tǒng)、微機(jī)控制系統(tǒng)、接口及控制軟件等機(jī)電一體化要素組成性能優(yōu)良、可靠的機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)。培養(yǎng)運(yùn)用基礎(chǔ)理論解決實(shí)際問(wèn)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(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本概念、基本原理和基本知識(shí)。2．掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常用的機(jī)械量檢測(cè)傳感器、控制電動(dòng)機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)性能和應(yīng)用。