机电一体化系统设计(最终版)

机电一体化系统设计农业机械化专业本科课程授课老师：李岩舟电话:[phone]E－mail:[e-mail]2019/10/22电力拖动2机电一体化系统设计教学目的篇章结构参考资料2019/10/22电力拖动3教学目的本课程主要讲述机电一体化实用技术，讲述其基本理论，进行机电一体化产品系统设计的综合知识。同时介绍机电一体化技术的相关内容，各组成部分的特征和选型以及相互结合技术方法，为综合应用机电一体化各种技术奠定基础。通过课堂讲授和实验观察，使学生了解微电子技术和计算机应用技术与机械技术相结合的综合性技术，掌握机电一体化的基础知识。2019/10/22电力拖动4篇章结构第一章绪论第二章机械系统设计第三章传感器检测及其接口电路第四章控制电动机及其选择计算第五章工业控制计算机及其接口技术第六章几点一体化系统设计及应用举例2019/10/22电力拖动5参考资料《机电一体化技术》，李成华等编著，中国农业大学出版社《机电一体化系统》，姜培刚等编著，机械工业出版社《机电一体化系统设计》，张建民等编著，高等教育出版社《机电一体化系统设计与应用》，张训文编著，北京理工大学出版社2019/10/22电力拖动6篇章结构第一章绪论第二章机械系统设计第三章传感器检测及其接口电路第四章伺服系统第五章工业控制计算机及其接口技术第六章几点一体化系统设计及应用举例2019/10/22电力拖动7第一章绪论第一节机电一体化的定义第二节机电一体化系统设计的目标与方法第三节机电一体化的相关技术第四节机电一体化系统的基本功能要素第五节本课程的目的和要求2019/10/22电力拖动82019/10/22电力拖动9第一节机电一体化的定义传统机械：主要以力学为理论基础，以经验为实践基础；现代机械：以力学、电子学、计算机学、控制论、信息论等为理论基础，以经验、机、电、计算机、传感与测试等技术为实践基础。机械：强度高、输出功率大、承载大载荷；实现微小复杂运动难。电子：可实现复杂的检测和控制；但无法实现重载运动。2019/10/22电力拖动10第一节机电一体化的定义机电一体化是在以机械、电子技术和计算机科学为主的多门学科相互渗透、相互结合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴边缘技术学科。目前机电一体化的研究和开发主要包括计算机数控系统、机器人、计算机辅助设计/辅助制造系统、柔性制造系统和计算机集成制造系统等。2019/10/22电力拖动11第二节机电一体化系统设计的目标与方法机电一体化产品和系统的分类按机电一体化产品和系统的用途分类，有产业机械，信息机械，民用机械等；按机械和电子的功能和含量分类，有以机械装置为主体的机械电子产品和以电子装置为主体的电子产品；按机电结合的程度分类，有附加型、功能替代型和机电融合型。2019/10/22电力拖动12第二节机电一体化系统设计的目标与方法机电一体化产品的优越性使用安全性和可靠性提高生产能力和工作质量提高使用性能改善具有复合功能并适用面广调整和维护方便2019/10/22电力拖动13第二节机电一体化系统设计的目标与方法现代机械的机电一体化目标提高精度增强功能提高生产效率节约能源，降低能耗提高安全性、可靠性2019/10/22电力拖动14第二节机电一体化系统设计的目标与方法改善操作性和实用性减轻劳动强度，改善劳动条件简化结构，减轻重量降低价格增强柔性应用功能2019/10/22电力拖动15第二节机电一体化系统设计的目标与方法机电一体化技术方向在原有机械系统的基础上采用微型计算机控制装置，使系统的性能提高，功能增强用电子装置局部代替机械传动装置和机械控制装置，以简化结构，增强控制灵活性2019/10/22电力拖动16第二节机电一体化系统设计的目标与方法用电子装置完全代的原来执行信息处理功能的机构，即减化了结构，又极大地丰富了信息传输内容，提高了速度。用电子装置替代机械的主要功能，形成特殊的加工能力将机电技术完全融合形成新型机电一体化产品2019/10/22电力拖动17第二节机电一体化系统设计的目标与方法机电一体化系统开发的设计思想在开发过程中，一方面要求设计机械系统时应选择与控制系统的电气参数相匹配的机械系统参数；同时也要求设计控制系统时，应根据机械系统的固有结构参数来选择和确定电气参数。2019/10/22电力拖动18第二节机电一体化系统设计的目标与方法机电一体化系统设计方法取代法整体设计法组合法2019/10/22电力拖动19第二节机电一体化系统设计的目标与方法取代法这种方法是用电气控制取代原传统中机械控制机构。这种方法是改造传统机械产品和开发新型产品常用的方法。这种方法的缺点是跳不出原系统的框架，不利于开拓思路，尤其在开发全新的产品时更具有局限性。2019/10/22电力拖动20第二节机电一体化系统设计的目标与方法整体设计法这种方法主要用于全新产品和系统的开发。在设计时完全从系统的整体目标考虑各子系统的设计，所以接口简单，甚至可能互融一体。2019/10/22电力拖动21第二节机电一体化系统设计的目标与方法组合法这种方法就是选用各种标准模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统。利用此方法可以缩短设计与研制周期、节约工装设备费用，有利于生产管理、使用和维修。2019/10/22电力拖动22第三节机电一体化的相关技术机械技术（精密机械技术）传感检测技术信息处理技术自动控制技术伺服驱动技术系统总体技术2019/10/22电力拖动23第三节机电一体化的相关技术机械技术（精密机械技术）是机电一体化的基础。机电一体化的机械产品与传统的机械产品的区别在于：机械结构更简单、机械功能更强、性能更优越。机械技术的出发点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其他高新技术来更新概念，实现结构、材料、性能以及功能上的变更。2019/10/22电力拖动24第三节机电一体化的相关技术传感检测技术是机电一体化系统的感觉器官，即从待测对象那获取能反映待测对象特征与状态的信息。它是实现自动控制、自动调节的关键环节，其功能越强，系统的自动化程度就越高。传感检测技术的研究内容包括两方面：一是研究如何将各种被测量转换为与之成比例的电量；二是研究如何将转换的电信号的加工处理。2019/10/22电力拖动25第三节机电一体化的相关技术信息处理技术信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策。实现信息处理的主要工具是计算机，因此信息处理技术与计算机技术是密切相关的。信息处理的发展方向是如何提高信息处理的速度、可靠性和智能化程度。2019/10/22电力拖动26第三节机电一体化的相关技术自动控制技术自动控制技术的目的在于实现机电一体化系统的目标最佳化。机电一体化系统中的自动控制技术主要包括位置控制、速度控制、最优控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制等。2019/10/22电力拖动27第三节机电一体化的相关技术伺服驱动技术伺服驱动技术就是在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械的运动部件按照指令要求运动，并具有良好的动态性能。常见的伺服驱动系统主要有电气伺服和液压伺服。2019/10/22电力拖动28第三节机电一体化的相关技术系统总体技术系统总体技术是以整体的概念组织应用各种相关的应用技术。即从全局的角度和系统的目标出发，将系统分解为若干子系统，从而实现整个系统技术协调的观点来考虑每个子系统的技术方案，对于子系统与子系统之间的矛盾或子系统和系统整体之间的矛盾都要从总体协调的需要来选择解决方案。2019/10/22电力拖动29第四节机电一体化系统的基本功能要素2019/10/22电力拖动30第四节机电一体化系统的基本功能要素机械本体动力单元传感检测单元执行单元驱动单元控制与信息处理单元接口2019/10/22电力拖动31第四节机电一体化系统的基本功能要素2019/10/22电力拖动32第四节机电一体化系统的基本功能要素2019/10/22电力拖动33第四节机电一体化系统的基本功能要素2019/10/22电力拖动34第四节机电一体化系统的基本功能要素2019/10/22电力拖动35第四节机电一体化系统的基本功能要素机械本体（机械系统）包括机械传动装置和机械结构装置。其主要功能是使构造系统的各子系统、零部件按照一定的空间和时间关系安置在一定位置上，并保持特定的关系。其开发重点是模块化、标准化和系列化，以便于机械系统的快速组合和更换2019/10/22电力拖动36第四节机电一体化系统的基本功能要素动力单元按照机电一体化系统的控制要求。，为系统提供能量和动力以保证系统正常运行。其显著特征之一，是用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出。2019/10/22电力拖动37第四节机电一体化系统的基本功能要素传感检测单元对系统运行过程中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，并转换成可识别信号，传输到控制信息处理单元，经过分析、处理产生相应的控制信息。对其要求是体积小、便于安装与联接、检测精度高、抗干扰2019/10/22电力拖动38第四节机电一体化系统的基本功能要素执行单元根据控制信息和指令完成所要求的动作。驱动单元在控制信息作用下，驱动各种执行机构完成各种动作和功能。2019/10/22电力拖动39第四节机电一体化系统的基本功能要素控制与信息处理单元控制与信息处理单元是机电一体化系统的核心单元。其功能是将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、存储、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序发出相应的控制信号，通过输出接口送往执行机构，控制整个系统有目的的运行，并达到预期的性能。2019/10/22电力拖动40第四节机电一体化系统的基本功能要素接口将各要素或子系统连接成为一个有机整体，使各个功能环节有目的地协调一致运动，从而形成机电一体化的系统工程。其基本功能主要有三个：变换、放大、传递2019/10/22电力拖动41第五节本课程的目的和要求本课程的目的和要求掌握机电一体化系统的基本概念、基本原理和基本知识掌握机电一体化系统设计中常用的机械量检测传感器、控制电动机的原理、结构、性能和应用掌握机电一体化系统设计中常用的机械系统设计、工业控制、计算机控制。接口设计的基本方法初步掌握机电一体化系统设计原理和综合集成技巧，进行总体方案的分析和设计。2019/10/22电力拖动42篇章结构第一章绪论第二章机械系统设计第三章传感器检测及其接口电路第四章伺服系统第五章工业控制计算机及其接口技术第六章几点一体化系统设计及应用举例2019/10/22电力拖动43第二章机械系统设计第一节传动装置第二节导向机构第三节执行机构2019/10/22电力拖动44第二章机械系统设计传动机构：机电一体化系统中传动结构的主要功能是传递转矩和转速。因此，它实际上是一种转矩、转速变化器。导向机构：其作用是支撑和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。执行机构：用来完成操作任务。能根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的操作。2019/10/22电力拖动45第一节传动装置2.1.1传动机构的种类及特点机电一体化系统中所用的传动机构主要有滑动丝杠副、滚珠丝杠副、齿轮传动副、同步带传动副、间歇机构、绕性传动机构等。对于工作机中的传动机构，既要求能实现运动的转换，又要求能够实现动力的转换；对于信息机中的传动机构，主要要求运动的转换；对于动力，则只需要克服惯性力（力矩）和各种摩擦力（力矩）以及较小的工作负载即可。2019/10/22电力拖动46第一节传动装置2.1.2传动机构的基本要求影响机电一体化系统中的传动链动力学性能的因素一般有一下几个负载的变换传动链惯性传动链固有频率间隙、摩擦、润滑和温升2019/10/22电力拖动47第一节传动装置在不影响系统刚度的条件下，传动机构的质量和转动惯量应尽可能小刚度越大伺服系统动力损失越小；刚度越大机构固有频率越高，超出系统的频带宽度，不易产生共振；刚度