機電一體化系統(tǒng)設計.ppt

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1、尹愛軍 副教授/博士 65106973 重慶大學.機械學院,機電一體化系統(tǒng)設計,課程性質：綜合性 課程基礎：機械設計基礎，電子技術基礎， 機械工程控制基礎， 微機原理及接口技術 學習目的：掌握機電一體化系統(tǒng)設計的 基本知識和技能 學習前提：熟悉考試大綱,第一章 概論,首先由日本提出：誕生了一門新的復合學科Mechatronics,第一節(jié) 發(fā)展及基本概念,一、發(fā)展,1. 20世紀60年代前為第一階段，“萌芽階段” 工程師們自覺或者不自覺地把機械產(chǎn)品和電子技術相結合以提高機械產(chǎn)品的性能。但是由于電子技術的發(fā)展相對落后，使得機械與電子的結合還沒有得到廣泛的應用。,2. 70年代到80年

2、代為第二階段，“蓬勃發(fā)展階” 計算機技術、控制技術、通信技術的發(fā)展，為機電一體 化的發(fā)展奠定了技術基礎。這個時期的特點是： mechatronics一詞首先在日本被普遍接受，大約到20世紀80年代末期在世界范圍內得到比較廣泛的承認； 機電一體化技術和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展； 各國均開始對機電一體化技術和產(chǎn)品給以很大的關注和支持。,3.90年代后期開始為第三階段，“智能化階段” 光學、通信技術等進入了機電一體化，微細加工技術也在機電一體化中嶄露頭腳，出現(xiàn)了光機電一體化和微機電一體化等新分支； 對機電一體化系統(tǒng)的建模設計、分析和集成方法，機電一體化的學科體系和發(fā)展趨勢都進行了深入研究。 由于人工智

3、能技術、神經(jīng)網(wǎng)絡技術及光纖技術等領域取得的巨大進步，為機電一體化技術開辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，將促使機電一體化進一步建立完整的基礎和逐漸形成完整的科學體系。,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。,1，系統(tǒng)廣義上定義為兩個或兩個以上事物組成的相互依存、互相作用，共同完成某種特定功能或形成某種事物現(xiàn)象的一個統(tǒng)一整體的總稱。 應用中定義為：任何具有因果關系的一組物理元件的組合體

4、因激勵（ 輸入 ） 果響應（ 輸出 ）,二基本概念,沒有統(tǒng)一的定義 貝塔朗菲： ISOTC： ANSI： Webster： JIS： 中國：,2，機電一體化機械與電子的集成技術 核心技術：機械工程，電子工程，信息與控制工程,機電一體化技術：從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，將機械技術 、微電子技術、信息技術、控制技術等在系統(tǒng)工程基礎上有機地加以綜合，以實現(xiàn)整個系統(tǒng)最佳化的一門新科學技術。 機電一體化不是機械與電子簡單的疊加，而是在信息論、控制論和系統(tǒng)論的基礎上建立起來的應用技術 微電子技術、信息技術的快速發(fā)展并向傳統(tǒng)機械產(chǎn)品滲透與融合的結果。,3，機電一體化系統(tǒng) 按機電一體化方法設計制造出來的產(chǎn)品或制造系統(tǒng)

5、。所有機電一體化產(chǎn)品及這些產(chǎn)品的集成體。,典型的機電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))有：數(shù)控機床、機器人、汽車電子化產(chǎn)品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統(tǒng)、CADCAM系統(tǒng)等。 或多或少將部分復雜的功能由機械轉移到電子而實現(xiàn)。 4A： NC，F(xiàn)MS，CIMS，網(wǎng)絡制造等,,4、系統(tǒng)數(shù)學模型描述系統(tǒng)輸入輸出之間的關系的數(shù)學關系式 靜態(tài)系統(tǒng) 輸出只與當時的輸入有關（代數(shù)方程） 動態(tài)系統(tǒng) 輸出與當時的輸入及過去的輸入和輸出有關 （微分方程） 線性系統(tǒng)滿足疊加原理的系統(tǒng) 定常系統(tǒng)系統(tǒng)參數(shù)是常數(shù)（與時間無關） 確定性系統(tǒng)輸出由輸入條件和輸出初值唯一確定 傳遞函數(shù)、函數(shù)方框圖、頻率特性等,第二節(jié)

6、 典型機電一體化系統(tǒng),一、伺服系統(tǒng)隨動系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)，其受控變量為機械位移，速度，加速度。用于保持機械運動的輸出位置緊密地對應電的輸入?yún)?shù)信號，是一種跟蹤控制系統(tǒng)。如工業(yè)機器人的關節(jié)伺服。交流伺服,直流伺服,步進伺服. 二、數(shù)控機床（NC）用預先編制好的指令控制機床的一系列加工作業(yè)。,三、 工業(yè)機器人可編程的多自由度的數(shù)控機器 六自由度的關節(jié)機器人 （一）組成 1 控制器 （計算機） 2 本體 （機械手） 3 手爪 （終端器）,（二）工業(yè)機器人分類 1.開環(huán)搬運機器人（PNP）用于機床工件裝卸， 物料堆垛等。 施令信號：限位開關 執(zhí)行部件：凸輪，氣爪 特點：順

7、序控制 2.多軸伺服控制機器人 1）點位控制式（PTP）從一點到另一點路徑不是關鍵的，在到達指定點上完成一定的作業(yè)（如點焊，粘貼，鉆孔） 2）連續(xù)路徑式（CP）從一點到另一點，路徑是關鍵的，邊運動邊完成作業(yè)。（噴漆，弧焊，切割） 3、點到點、連續(xù)路徑,機械手,密歇根大學的機械手裝配模型,廣州中鳴數(shù)碼的機器狗,(三)機器人的伺服控制 交流伺服系統(tǒng) 位置速度反饋控制 光電編碼器位置反饋 (四)機器人的編程 示教再現(xiàn)式（在線編程） 可編程式（離線編程式）,四、自動引導車（AGV）移動工業(yè)機器人 路徑跟蹤編程，運送工件 五、順序控制器可編程控制器（PLC） 檢測設備工況邏輯運算

8、輸出控制指令 1. 事件驅動；2. 時間驅動 六、自動化制造系統(tǒng) 1. FMS柔性制造系統(tǒng) 數(shù)控機床+工業(yè)機器人+自動導引車 單元控制器與LAN相連，互相通訊 2. CIMS計算機集成制造系統(tǒng) MAS+TIS+MIS+NET+DBMS 七、微機電系統(tǒng)（MEMS）,AGV自動送貨車,香港理工AGV模型,第三節(jié) 系統(tǒng)結構和模塊,機電一體化系統(tǒng)結構,一、機械受控模塊,機身、框架、機械聯(lián)接等產(chǎn)品支持機構，為機械本體，實現(xiàn)構造功能。也稱為執(zhí)行模塊，承載、傳遞力和運動，實現(xiàn)主功能。,要求：可靠、小型、美觀,二、測量模塊,采集有關系統(tǒng)狀態(tài)和行為的信息，實現(xiàn)計測功能。 輸入?yún)?shù)： 輸出參數(shù)：,要求

9、：體積小、精度高、抗干擾 不失真的反映被測物理量的時間變化曲線,三、驅動模塊,由電動機及其驅動電路組成的技術模塊。提供驅動力改變系統(tǒng)的運行狀態(tài)，產(chǎn)生所希望的運動輸出，實現(xiàn)動力功能。,要求：效率高、可靠性高,四、控制模塊,處理測量模塊提供的信息，生成控制指令，輸出給執(zhí)行部件，實現(xiàn)控制功能。 包括：通信模塊、微計算機模塊、軟件模塊、接口模塊,要求：高可靠性、柔性、智能化,1、通信模塊,傳遞信息，實現(xiàn)系統(tǒng)內外，遠、近程通信。 有線、無線。 總線、網(wǎng)絡。。,2、微計算機模塊,負責處理由測量模塊和接口模塊提供的信息。 輸入信息：設定參數(shù) 輸出信息：決定工作狀態(tài)、反映工作狀態(tài),3、軟件模塊,操作指令和各種

10、算法，控制計算機模塊工作。 智能化、柔性化。 匯編語言、高級語言。,4、接口模塊,系統(tǒng)內各級信息的傳遞。,第四節(jié)設計指標與評價標準,一、系統(tǒng)功能 設計依據(jù)：需求牽引、技術推動；主要是市場導向，其次才是技術導向 二、性能指標 三、使用條件 四、社會經(jīng)濟效益,第五節(jié) 設計思想與方法,,一、系統(tǒng)的設計思想 將機電一體化產(chǎn)品看作一個整體的系統(tǒng)來研究。從系統(tǒng)出發(fā)分析各組成部分之間及與外界之間的聯(lián)系。 設計方法：功能分析法、結構方案變形法 系統(tǒng)的設計方法包括的內容： 1，并行設計把設計與制造結合起來 2，按系統(tǒng)工程的理論和方法去分析處理問題 3，多學科交叉進行設計 4，掌握有關各領域信息資料 5，最終

11、目的,機電關系的處理原則（思想） (一) 替代機械系統(tǒng)(電子表) (二) 簡化機械系統(tǒng)（激打） (三) 增強機械系統(tǒng)（閉環(huán)控制） (四) 綜合機械系統(tǒng)（嵌入式微處理系統(tǒng)，綜合不同系統(tǒng)）,二、機和電融合的設計思想,三、注重創(chuàng)新的設計思想 7個方面的創(chuàng)新,第六節(jié)設計過程,明確任務 概念設計 具體設計 詳細設計,一市場調研、需求分析、技術預測 二概念設計 三可行性分析 四編制設計任務書 五初步設計方案設計 六方案設計評估與選優(yōu) 七詳細設計與參數(shù)核算 八 完成全部設計文件,,一市場調研、需求分析、技術預測 模具加工中心：技術、加工裝備的結構形式、用戶的意見和要求、市場情況、發(fā)展趨勢 二概念設計 確定

12、設計任務和用簡圖形式表達的廣義解。是對新開發(fā)產(chǎn)品的構思、設想、設計要求的描述，也是對新產(chǎn)品的市場定位。 創(chuàng)新的關鍵 主要特性：創(chuàng)新性、工藝可實現(xiàn)性、多樣性、層次性、避免不良結構性、反復迭代性 過程：前期的設計理念、后期的原理設計和方案設計,三可行性分析 根據(jù)設計要求，分析理論是否正確、技術是否可行、經(jīng)濟是否合理。 四編制設計任務書 設計的主要和重要依據(jù)。書面的總體要求的技術指標。 內容：產(chǎn)品名稱、產(chǎn)品用途、主要技術規(guī)范、技術性能指標 15項基本信息,五初步設計方案設計 根據(jù)任務書的要求，提出技術方案。 內容：（1）按照系統(tǒng)功能和方便設計、制造的角度出發(fā)劃分模塊和子系統(tǒng)；（2）提出實現(xiàn)每個模塊功能的技術方案；（3）主要元器件和構件的初選和估算。 六方案設計評估與選優(yōu) 系統(tǒng)建模并提出優(yōu)化的目標函數(shù)和評價指標 根據(jù)模型和目標函數(shù)，對每一個技術方案進行計算或仿真分析，完成方案設計和優(yōu)化。,七詳細設計與參數(shù)核算 對所選方案的每一個細節(jié)進行詳細的考慮和具體的設計。 八 完成全部設計文件,