机电一体化系统设计

机电一体化系统设计主编高钟毓主讲钱宏琦2009年7月第一章引论这一章是本书的开篇，介绍了关于机电一体化系统的基本概念，并说明一些名词和术语；给出了常见的典型机电一体化系统实例，其中，包括伺服系统、数控机床、工业机器人、自动牵引车、）顺序控制系统、柔性制造系统以及计算机集成制造系统；阐述了机电一体化系统的一般性模块结构，定义了各组成模块的功能；论述了机电一体化系统设计指标和评价标准；讨论了机电一体化设计思想和方法，着重说明了它与传统机械产品设计的区别。最后，列出了机电一体化系统设计的全过程，并详细说明每一步骤的设计内容。第一节基本概念现从三个层次来说明这个问题：①系统；②机电一体化；③机电一体化系统。①系统从广义上说，系统可以定义为相互作用或相互依存的任何一组形成统一整体的事物。因此，名词“系统”几乎可以用来描述任何可以想像的情况。在工程领域，系统可以是电、机械、液压、气动、热、生物及医学的，或者是这些系统的某种组合。例如，机电系统是机械与电的组合系统，特别是精密机械与微电子的综合集成系统。系统一般可以定义为任何存在某种因果关系的一组物理元件。原因称为激励或输入，效果叫做响应或输出。通常，输入和输出都是物理变量。例如，温度、压力、液位、电压、电流、位移、速度等。①系统描述系统输入与输出之间的数学关系式，称为系统的数学模型。根据数学模型的不同，系统可以分为静态的或动态的，线性的或非线性的，定常的或时变的，确定性的或随机的。静态系统实时输出只与当时的输入有关，描写静态系统的数学模型是代数方程组。动态系统的实时输出不仅与当时的输入有关，而且与过去的输入和输出有关，因此，描写动态系统的数学模型是微分方程组。①系统输入和输出满足线性叠加原理的系统称为线性系统，不满足线性叠加原理的系统则为非线性系统。数学模型中的所有系数都为常量（与时间无关）的系统称为定常系统，否则，称为时变系统。在已知输出初值和给定输入的条件下，未来输出可以按照数学模型唯一确定的系统称为确定性系统，否则为随机系统。①系统本书主要集中讨论线性、定常、确定性、动态系统。通常，根据系统工作的物理原理（当然也可以通过实验），可以直接列写和推导出线性定常确定性动态系统的数学模型。数学模型一般为常系数线性微分方程组，并进一步通过拉氏变换，导出系统传递函数。传递函数可以描述线性定常确定性动态系统的一切特性，因而成为研究这类系统的最常用最有效的数学工具。二、机电一体化“机电一体化”来源于英文名词“Mechatronics”。这是由日本人首创的一个新词，它取了“Mechanics（机械学）”的前五个字母和“Electronics（电子学）”的后七个字母组合而成。其涵义是机械与电子的集成技术。在我国通常译为“机电一体化”，或者“机械电子工程”。“机电一体化”不能被认为学科分类的定义。换言之，它不是一个独立的工程学科，而是在设计过程中集成多种学科的方法或技术。它的核心学科是机械工程、电子工程，以及信息与控制技术。三、机电一体化系统机电一体化系统是按照机电一体化方法设计出来的机械与电子紧密结合的产品或制造系统。机电一体化系统应包括机电一体化产品和机电一体化制造系统。无论是产品，还是制造系统，它们都不同于传统的机电产品或机械制造系统，因为它们几乎无一例外，都是将复杂的功能由机械转移到电子而实现的，比它们的纯机械对应物更简单，涉及的零件和机械传动部件更少。机电一体化系统是在工厂自动化、办公自动化、家庭自动化以及社会服务自动化等各种自动化环境条件下，所需要的机器、机器人以及灵巧机械系统。其主要应用环境是工厂自动化。小结：目前，机电一体化的产品正以惊人的速度不断涌向市场，其中有些是老产品的更新换代，当今正在不断发展的机电一体化制造系统，充分利用了现代信息技术，改善了制造能力，使得机器比固定的自动化完成更多类型的制造任务，以及多数过去要求人工操作的加工过程实现了自动化。机电一体化制造系统还具有协调工程设计和制造技术的能力，提高了生产效率和柔性，改善了产品质量，能适应快速变化的市场需求，从而提高了产品在市场中的竞争能力。柔性制造系统、计算机集成制造系统就是在这样的背景下诞生的。它们是机电一体化系统在自动化制造设备和系统中的实际体现。第二节典型机电一体化系统当前，从传统的机电系统向机电一体化系统的过渡，已经在各个领域逐渐出现。这种过渡主要是依靠引用不断完善的控制技术加以实现的，其范围包括监控、开环控制、闭环控制、自适应控制、模糊控制以及智能控制等，因此，可认为机电一体化用于工程技术的基础是信息和控制。但是，必须注意，控制技术和机电一体化技术两者之间存在着基本的区别，机电一体化不是“伪装”的控制工程。最典型的机电一体化系统形式：一、伺服系统伺服系统又叫做伺服机构。它是一种反馈控制系统，它的受控变量是机械运动，如位置、速度及加速度。多数伺服系统用来保持运动机械的输出位置紧密对应电的输入参考信号，因而是一种跟踪控制系统。伺服系统通常是另一个机电一体化系统的组成部分。例如，多自由度工业机器人含有I多个伺服系统，每一个关节都有一个。多轴数控机床也有几个伺服系统，用来控制工作台运动。一、伺服系统二、数控机床带有数控系统的机床称为数控机床。数控系统是一种利用预先决定的指令控制一系列加工作业的系统。指令以数码的形式储存在某种形式的输入介质上，如穿孔纸带、磁带，或者程序存储器的公共存储区。指令确定位置、方向、速度，以及切割速度等。零件程序包含生产希望零件所要求的全部指令。数控机床可以形成镗、钻、磨、铣、冲、特形铣、锯、车、绕（线）、火花切割、编织（服装）、铆、弯、焊以及线处理等加工作业。二、数控机床因为数控（NC）改变程序比改变凸轮、模具及样板相对容易，因此称之为柔性自动化。同一数控机床采用不同的程序可以生产各种不同的零件。数控加工最适合在同一机床上加工大量不同的零件，而极少在同一机床上连续生产单一零件。当一个零件或一个加工过程能由数学定义的时候，数控是最理想的。随着计算机辅助设计（CAD）的应用日益增加，由数学定义的过程和产品愈来愈多，人们熟悉的制图已经变得不十分必要，因为由数学定义的零件完全可以用计算机数控机床加工。三、工业机器人工业机器人是另一类数控机器。它是一种可编程机械手，用来通过一系列动作，搬运物料、零件、工具，或者其它装置，以实现给定的任务。工业机器人有能力移动零件、加载NC机床、操作压铸机、装配产品、焊接、喷漆、打毛刺，以及包装产品。最通用的工业机器人是具有一个自由度到六个自由度的机械手。每一个运动轴都有自己的执行器，连接到机械传动链，以实现关节运动。三、工业机器人工业机器人有三个主要组成部件：除了机械手以外，还有终端器和控制器。终端器是一个机械的、真空的或者电磁的装置，它安装在机械手的腕上，用来抓取零件或握持工具。控制器在开环控制的单轴机器人中可以是一个简单的机械挡块，而在闭环控制的六轴机器人中则是一台计算机。在任何情况下，控制器在存储器中都存有一系列定位数据。按照给定的操作次序，它启动和停止机械手的运动。三、工业机器人第二类工业机器人是多轴伺服控制的，能够编程从一点运动到另一点。路径不是关键的机器人称为点位式（PIP）工业机器人；如果路径是关键的，则叫做连续路径（CP）工业机器人。PIP机器人从一点运动到另一点，在每一点上完成一定的功能。典型的功能包括点焊、粘接、钻孔、去毛刺等。CP机器人沿给定的路径从一点运动到另一点，一边运动一边完成作业。典型的CP应用包括喷漆、缝焊、切割以及检查。这类机器人控制器或者是可编程序控制器，或者是小型计算机。它们依靠悬挂式示教操作台，采用示教方法编制机器人程序。四、自动导引车另一种形式的工业机器人是自动导引车（AGV）。它能够跟踪编程路径，在工厂内将零件从一个地方运送到另一个地方。在汽车工业、电子产品加工工业，以及柔性制造系统中，自动导引车物料运输系统已经得到广泛使用。五、顺序控制系统顺序控制系统是按照预先规定的次序完成一系列操作的系统。在顺序控制系统中，每一步操作是一个简单的二进制动作，如电源开关的通断或制造设备专用控制器的启停等。实现顺序控制功能可有多种手段，如继电器逻辑、固态集成电路、通用微处理机等。当前，普遍采用PLC作为顺序控制器。PLC具有足够数量的输入／输出（I/0）端口，带有专用的逻辑编程语言，还有通信接口，与制造设备和系统联接十分方便，因而实际使用非常广泛。根据如何开始和终结操作，顺序控制可以分为两类：①当某一事件发生时，开始或结束操作的称为事件驱动顺序控制；②在某一时刻或一定时间间隔之后，开始或结束操作的称为时间驱动顺序控制。六、自动化制造系统在制造工业中，要求生产系统有能力响应不断变化的市场，以很短的周期生产出各种形式急需的小批量产品。不管是手工生产，或者是大批量生产线，都是不能满足这些要求的。前者虽然适应性强，但是生产率低；后者固有的装配与传送线缺少柔性，改变起来耗费时间和代价。这种在制造过程中增加柔性的要求，必然导致柔性制造系统概念的发展。1．柔性制造系统（FMS）在柔性制造系统中，将计算机数控机床、工业机器人，以及自动导引车联接起来，以适应加工成组产品。2．计算机集成制造系统（CIMS）图1-9所示是一个经济型计算机集成制造系统的组成。它通过计算机网络，将计算机辅助设计、计算机辅助规划以及计算机辅助制造，统一连接成一个大系统，实现了全厂的自动化。这是当今计算机在自动化制造系统中应用的最高水平。2．计算机集成制造系统（CIMS）在CIMS制造环境条件下，为使所有信息都能顺利传输，各个独立设备之间的通信是由局部区域网（LAN）实现的，并且通信网络是分级管理的，如图1-10所示。2．计算机集成制造系统（CIMS）在这样一个分级管理的通信结构中，最高级的是制造自动化协议（ManufacturingAutomationProtocol一MAP)网络，它由7层协议堆栈实现，并采用了宽频带技术，能连接不同厂商提供的各种非标准协议的设备，但是价格较高、实时性不足。2．计算机集成制造系统（CIMS）中间级采用增强性能结构（EnhancedPerfarnnanceArchitectu-EPA）的MAP网，简记为MAP/EPA。MAP/EPA网采用3层的协议堆栈和简单的物理层以及载波频带技术，因此价格便宜，响应速度快。最低级采用现场总线(Fieldbus）。现场总线给传感器、执行器以及底层控制器提供了柔性的通信系统。第三节系统结构与模块机电一体化系统设计需要有一种能建立和评价各种技术集成的框架结构。为了达到此目的，人们建议采用一种自上而下和基于信息策略的系统结构。它将整个系统分解为一系列的功能模块或方块。模块之间的信息传递用箭头连接起来，箭头方向表示信息传递方向。这样，就可以将整个机电一体化系统用结构方块图表示出来。一、环境模块环境模块涉及系统工作的一些外部参数，如温度、湿度、振动、冲击以及负载因素等。这些参数将影响整个系统的工作性能。它们在系统设计中构成了一系列的参数边界。系统必须在这些参数边界范围内生存和工作。任何一台仪器设备，在恒温下工作和在车间．工作以及野外工作，其环境条件显然存在着巨大的差别，因而对设计的技术要求也是极不相同的。所以，对环境模块的各种参数要求，必须强调实际应用标准和规范，例如，例行试验条件等。二、机械结构模块机械结构模块代表系统的机械结构零部件的物理实现。它主要涉及材料性能、结构特性、形状、体积及重量等参数。机械结构模块的输入由驱动模块和环境模块定义的条件一起提供的运动一机械结构模块的输出由测量模块接收，并转换为相对应的电信号。由于机械结构模块涉及系统的外貌，它还必须包括美学元件，应具有美观的造型。机械结构模块在机电一体化系统中有着特殊的作用和功能，例如，改变速度、远距离动作、力的放大和反馈、速度和力的参数调节、同步传动和传送物料等。在设计中，必须考虑精度、惯量、阻尼、摩擦、间隙等参数