机电一体化系统设计1

尹爱军副教授/博士[e-mail]重庆大学.机械学院机电一体化系统设计课程性质：综合性课程基础：机械设计基础，电子技术基础，机械工程控制基础，微机原理及接口技术学习目的：掌握机电一体化系统设计的基本知识和技能学习前提：熟悉考试大纲第一章概论首先由日本提出：诞生了一门新的复合学科——Mechatronics第一节发展及基本概念一、发展1.20世纪60年代前为第一阶段，“萌芽阶段”工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结合以提高机械产品的性能。但是由于电子技术的发展相对落后，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。2.70年代到80年代为第二阶段，“蓬勃发展阶”计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。这个时期的特点是：①mechatronics一词首先在日本被普遍接受，大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；②机电一体化技术和产品得到了极大发展；③各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。3.90年代后期开始为第三阶段，“智能化阶段”①光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；②对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。③由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。1.数控机床的问世，写下了“机电一体化”历史的第一页。2.微电子技术为“机电一体化”带来勃勃生机。3.可编程序控制器、“电力电子”等的发展为”机电一体化“提供了坚强基础。4.激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使”机电一体化“跃上新台阶。1，系统——广义上定义为两个或两个以上事物组成的相互依存、互相作用，共同完成某种特定功能或形成某种事物现象的一个统一整体的总称。应用中定义为：任何具有因果关系的一组物理元件的组合体因——激励（输入）果——响应（输出）二基本概念没有统一的定义贝塔朗菲：ISOTC：ANSI：Webster：JIS：中国：2，机电一体化——机械与电子的集成技术核心技术：机械工程，电子工程，信息与控制工程机电一体化技术：从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新科学技术。机电一体化不是机械与电子简单的叠加，而是在信息论、控制论和系统论的基础上建立起来的应用技术微电子技术、信息技术的快速发展并向传统机械产品渗透与融合的结果。机电一体化信息科学机械学电子学3，机电一体化系统——按机电一体化方法设计制造出来的产品或制造系统。所有机电一体化产品及这些产品的集成体。典型的机电一体化产品(系统)有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CAD／CAM系统等。或多或少将部分复杂的功能由机械转移到电子而实现。4A：NC，FMS，CIMS，网络制造等微机执行元件动力源传感器机构头脑内脏感官骨骼手足控制动作动力检测构造4、系统数学模型—描述系统输入输出之间的关系的数学关系式静态系统—输出只与当时的输入有关（代数方程）动态系统—输出与当时的输入及过去的输入和输出有关（微分方程）线性系统—满足叠加原理的系统定常系统—系统参数是常数（与时间无关）确定性系统—输出由输入条件和输出初值唯一确定传递函数、函数方框图、频率特性等第二节典型机电一体化系统一、伺服系统——随动系统伺服系统是一种反馈控制系统，其受控变量为机械位移，速度，加速度。用于保持机械运动的输出位置紧密地对应电的输入参数信号，是一种跟踪控制系统。如工业机器人的关节伺服。交流伺服,直流伺服,步进伺服.二、数控机床（NC）——用预先编制好的指令控制机床的一系列加工作业。三、工业机器人——可编程的多自由度的数控机器六自由度的关节机器人（一）组成1控制器（计算机）2本体（机械手）3手爪（终端器）（二）工业机器人分类1.开环搬运机器人（PNP）——用于机床工件装卸，物料堆垛等。施令信号：限位开关执行部件：凸轮，气爪特点：顺序控制2.多轴伺服控制机器人1）点位控制式（PTP）——从一点到另一点路径不是关键的，在到达指定点上完成一定的作业（如点焊，粘贴，钻孔）2）连续路径式（CP）——从一点到另一点，路径是关键的，边运动边完成作业。（喷漆，弧焊，切割）3、点到点、连续路径…机械手密歇根大学的机械手装配模型广州中鸣数码的机器狗(三)机器人的伺服控制交流伺服系统位置﹑速度反馈控制光电编码器位置反馈(四)机器人的编程示教再现式（在线编程）可编程式（离线编程式）四、自动引导车（AGV）——移动工业机器人路径跟踪编程，运送工件五、顺序控制器——可编程控制器（PLC）检测设备工况→逻辑运算→输出控制指令1.事件驱动；2.时间驱动六、自动化制造系统1.FMS——柔性制造系统数控机床+工业机器人+自动导引车单元控制器与LAN相连，互相通讯2.CIMS——计算机集成制造系统MAS+TIS+MIS+NET+DBMS七、微机电系统（MEMS）AGV自动送货车香港理工AGV模型第三节系统结构和模块机电一体化系统结构微机执行元件动力源传感器机构头脑内脏感官骨骼手足控制动作动力检测构造一、机械受控模块机身、框架、机械联接等产品支持机构，为机械本体，实现构造功能。也称为执行模块，承载、传递力和运动，实现主功能。要求：可靠、小型、美观二、测量模块采集有关系统状态和行为的信息，实现计测功能。输入参数：输出参数：要求：体积小、精度高、抗干扰不失真的反映被测物理量的时间变化曲线三、驱动模块由电动机及其驱动电路组成的技术模块。提供驱动力改变系统的运行状态，产生所希望的运动输出，实现动力功能。要求：效率高、可靠性高四、控制模块处理测量模块提供的信息，生成控制指令，输出给执行部件，实现控制功能。包括：通信模块、微计算机模块、软件模块、接口模块要求：高可靠性、柔性、智能化1、通信模块传递信息，实现系统内外，远、近程通信。有线、无线。总线、网络。。2、微计算机模块负责处理由测量模块和接口模块提供的信息。输入信息：设定参数输出信息：决定工作状态、反映工作状态3、软件模块操作指令和各种算法，控制计算机模块工作。智能化、柔性化。汇编语言、高级语言。4、接口模块系统内各级信息的传递。第四节设计指标与评价标准一、系统功能设计依据：需求牵引、技术推动；主要是市场导向，其次才是技术导向二、性能指标三、使用条件四、社会经济效益第五节设计思想与方法一、系统的设计思想将机电一体化产品看作一个整体的系统来研究。从系统出发分析各组成部分之间及与外界之间的联系。设计方法：功能分析法、结构方案变形法系统的设计方法包括的内容：1，并行设计——把设计与制造结合起来2，按系统工程的理论和方法去分析处理问题3，多学科交叉进行设计4，掌握有关各领域信息资料5，最终目的——…机电关系的处理原则（思想）(一)替代机械系统(电子表)(二)简化机械系统（激打）(三)增强机械系统（闭环控制）(四)综合机械系统（嵌入式微处理系统，综合不同系统）二、机和电融合的设计思想三、注重创新的设计思想7个方面的创新第六节设计过程明确任务概念设计具体设计详细设计一市场调研、需求分析、技术预测二概念设计三可行性分析四编制设计任务书五初步设计——方案设计六方案设计评估与选优七详细设计与参数核算八完成全部设计文件一市场调研、需求分析、技术预测模具加工中心：技术、加工装备的结构形式、用户的意见和要求、市场情况、发展趋势二概念设计确定设计任务和用简图形式表达的广义解。是对新开发产品的构思、设想、设计要求的描述，也是对新产品的市场定位。创新的关键主要特性：创新性、工艺可实现性、多样性、层次性、避免不良结构性、反复迭代性过程：前期的设计理念、后期的原理设计和方案设计三可行性分析根据设计要求，分析理论是否正确、技术是否可行、经济是否合理。四编制设计任务书设计的主要和重要依据。书面的总体要求的技术指标。内容：产品名称、产品用途、主要技术规范、技术性能指标15项基本信息五初步设计——方案设计根据任务书的要求，提出技术方案。内容：（1）按照系统功能和方便设计、制造的角度出发划分模块和子系统；（2）提出实现每个模块功能的技术方案；（3）主要元器件和构件的初选和估算。六方案设计评估与选优系统建模并提出优化的目标函数和评价指标根据模型和目标函数，对每一个技术方案进行计算或仿真分析，完成方案设计和优化。七详细设计与参数核算对所选方案的每一个细节进行详细的考虑和具体的设计。八完成全部设计文件