機電一體化系統(tǒng)設(shè)計.ppt

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1、尹愛軍 副教授/博士 65106973 重慶大學(xué).機械學(xué)院,機電一體化系統(tǒng)設(shè)計,課程性質(zhì)：綜合性 課程基礎(chǔ)：機械設(shè)計基礎(chǔ)，電子技術(shù)基礎(chǔ)， 機械工程控制基礎(chǔ)， 微機原理及接口技術(shù) 學(xué)習(xí)目的：掌握機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的 基本知識和技能 學(xué)習(xí)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(fù)合學(xué)科Mechatronics,第一節(jié) 發(fā)展及基本概念,一、發(fā)展,1. 20世紀(jì)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(shù)相結(jié)合以提高機械產(chǎn)品的性能。但是由于電子技術(shù)的發(fā)展相對落后，使得機械與電子的結(jié)合還沒有得到廣泛的應(yīng)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(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機電一體 化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。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(jì)80年代末期在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認(rèn)； 機電一體化技術(shù)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(shù)和產(chǎn)品給以很大的關(guān)注和支持。,3.90年代后期開始為第三階段，“智能化階段” 光學(xué)、通信技術(shù)等進(jìn)入了機電一體化，微細(xì)加工技術(shù)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(shè)計、分析和集成方法，機電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢都進(jìn)行了深入研究。 由于人工智

3、能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光纖技術(shù)等領(lǐng)域取得的巨大進(jìn)步，為機電一體化技術(shù)開辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，將促使機電一體化進(jìn)一步建立完整的基礎(chǔ)和逐漸形成完整的科學(xué)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(shù)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(chǔ)。 4. 激光技術(shù)、模糊技術(shù)、信息技術(shù)等新技術(shù)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(yīng)用中定義為：任何具有因果關(guān)系的一組物理元件的組合體

4、因激勵（ 輸入 ） 果響應(yīng)（ 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(shù) 核心技術(shù)：機械工程，電子工程，信息與控制工程,機電一體化技術(shù)：從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，將機械技術(shù) 、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)等在系統(tǒng)工程基礎(chǔ)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(xué)技術(shù)。 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(chǔ)上建立起來的應(yīng)用技術(shù) 微電子技術(shù)、信息技術(shù)的快速發(fā)展并向傳統(tǒng)機械產(chǎn)品滲透與融合的結(jié)果。,3，機電一體化系統(tǒng) 按機電一體化方法設(shè)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(fù)雜的功能由機械轉(zhuǎn)移到電子而實現(xiàn)。 4A： NC，F(xiàn)MS，CIMS，網(wǎng)絡(luò)制造等,,4、系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型描述系統(tǒng)輸入輸出之間的關(guān)系的數(shù)學(xué)關(guān)系式 靜態(tài)系統(tǒng) 輸出只與當(dāng)時的輸入有關(guān)（代數(shù)方程） 動態(tài)系統(tǒng) 輸出與當(dāng)時的輸入及過去的輸入和輸出有關(guān) （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(guān)） 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(yīng)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(guān)節(jié)伺服。交流伺服,直流伺服,步進(jìn)伺服. 二、數(shù)控機床（NC）用預(yù)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(guān)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(guān) 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(guān)鍵的，在到達(dá)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(guān)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(xué)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(dǎo)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(shè)備工況邏輯運算

8、輸出控制指令 1. 事件驅(qū)動；2. 時間驅(qū)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(dǎo)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(jié)構(gòu)和模塊,機電一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),一、機械受控模塊,機身、框架、機械聯(lián)接等產(chǎn)品支持機構(gòu)，為機械本體，實現(xiàn)構(gòu)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(guān)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(qū)動模塊,由電動機及其驅(qū)動電路組成的技術(shù)模塊。提供驅(qū)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(nèi)外，遠(yuǎn)、近程通信。 有線、無線。 總線、網(wǎng)絡(luò)。。,2、微計算機模塊,負(fù)責(zé)處理由測量模塊和接口模塊提供的信息。 輸入信息：設(shè)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(nèi)各級信息的傳遞。,第四節(jié)設(shè)計指標(biāo)與評價標(biāo)準(zhǔn),一、系統(tǒng)功能 設(shè)計依據(jù)：需求牽引、技術(shù)推動；主要是市場導(dǎo)向，其次才是技術(shù)導(dǎo)向 二、性能指標(biāo) 三、使用條件 四、社會經(jīng)濟效益,第五節(jié) 設(shè)計思想與方法,,一、系統(tǒng)的設(shè)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(shè)計方法：功能分析法、結(jié)構(gòu)方案變形法 系統(tǒng)的設(shè)計方法包括的內(nèi)容： 1，并行設(shè)計把設(shè)計與制造結(jié)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(xué)科交叉進(jìn)行設(shè)計 4，掌握有關(guān)各領(lǐng)域信息資料 5，最終

11、目的,機電關(guān)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(shè)計思想,三、注重創(chuàng)新的設(shè)計思想 7個方面的創(chuàng)新,第六節(jié)設(shè)計過程,明確任務(wù) 概念設(shè)計 具體設(shè)計 詳細(xì)設(shè)計,一市場調(diào)研、需求分析、技術(shù)預(yù)測 二概念設(shè)計 三可行性分析 四編制設(shè)計任務(wù)書 五初步設(shè)計方案設(shè)計 六方案設(shè)計評估與選優(yōu) 七詳細(xì)設(shè)計與參數(shù)核算 八 完成全部設(shè)計文件,,一市場調(diào)研、需求分析、技術(shù)預(yù)測 模具加工中心：技術(shù)、加工裝備的結(jié)構(gòu)形式、用戶的意見和要求、市場情況、發(fā)展趨勢 二概念設(shè)計 確定

12、設(shè)計任務(wù)和用簡圖形式表達(dá)的廣義解。是對新開發(fā)產(chǎn)品的構(gòu)思、設(shè)想、設(shè)計要求的描述，也是對新產(chǎn)品的市場定位。 創(chuàng)新的關(guān)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(jié)構(gòu)性、反復(fù)迭代性 過程：前期的設(shè)計理念、后期的原理設(shè)計和方案設(shè)計,三可行性分析 根據(jù)設(shè)計要求，分析理論是否正確、技術(shù)是否可行、經(jīng)濟是否合理。 四編制設(shè)計任務(wù)書 設(shè)計的主要和重要依據(jù)。書面的總體要求的技術(shù)指標(biāo)。 內(nèi)容：產(chǎn)品名稱、產(chǎn)品用途、主要技術(shù)規(guī)范、技術(shù)性能指標(biāo) 15項基本信息,五初步設(shè)計方案設(shè)計 根據(jù)任務(wù)書的要求，提出技術(shù)方案。 內(nèi)容：（1）按照系統(tǒng)功能和方便設(shè)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(shù)方案；（3）主要元器件和構(gòu)件的初選和估算。 六方案設(shè)計評估與選優(yōu) 系統(tǒng)建模并提出優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)和評價指標(biāo) 根據(jù)模型和目標(biāo)函數(shù)，對每一個技術(shù)方案進(jìn)行計算或仿真分析，完成方案設(shè)計和優(yōu)化。,七詳細(xì)設(shè)計與參數(shù)核算 對所選方案的每一個細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的考慮和具體的設(shè)計。 八 完成全部設(shè)計文件,