机电一体化系统设计基本你概念和发展趋势 机电一体化系统设计课程是多学科的交叉和综合 涉及的相关专业知识较多 讲授的主要内容包括 机电一体化系统基本知识 机电一体化系统总体设计 机电一体化系统机械设计技术 机电一体化控制系统设计技术 机电一体化伺服系统设计技术 机电一体化检测技术 机电一体化技术的应用 第1章绪论 1 1机电一体化概念 机电一体化是在新技术浪潮中 电子技术 信息技术向机械工业渗透并与机械技术相互融合的产物 机电一体化技术综合应用了机械技术 微电子技术 信息处理技术 自动控制技术 检测技术 电力电子技术 接口技术及系统总体技术等群体技术 从系统的观点出发 根据系统功能目标和优化组织结构目标 以智能 动力 结构 运动和感知等组成要素为基础 对各组成要素及相互之间的信息处理 接口耦合 运动传递 物质运动 能量变换机理进行研究 使得整个系统有机结合与综合集成 并在系统程序和微电子电路的有序信息流控制下 形成物质和能量的有规则运动 在高质量 高精度 高可靠性 低能耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值的系统工程技术 机电一体化的外文名词是Mechatronics 来源于日本 70年代 取英语Mechanics 机械学 的前半部和Electronics 电子学 的后半部拼合而成 我国通常称为机电一体化或机械电子学 涉及到许多相关的学科 1 1机电一体化基本概念 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 控制论和系统论等的基础上建立起来的应用技术 是使系统 产品 高附加价值化 即多功能化 高效率化 高可靠化 省材料省能源化 并使产品结构向轻 薄 短 小巧化方向发展 不断满足人们生活的多样化需求和生产的省力化 自动化需求 机电一体化的 目的 机电一体化相关学科关系 从控制的角度来讲 机电一体化系统可分为开环控制系统和闭环控制系统 开环控制的机电一体化系统是没有反馈的控制系统 这种系统的输入直接送给控制器 并通过控制器对受控对象产生控制作用 一些家用电器 简易NC机床和精度要求不高的机电一体化产品都采用开环控制方式 开环控制机电一体化系统的优点是结构简单 成本低 维修方便 缺点是精度较低 对输出和干扰没有诊断能力 机电一体化系统的分类 数控铣床 数控车床 焊接机器人 汽车防抱死系统 ABS 一个典型的机电一体化系统应包含以下几个基本要素 机械本体 动力与驱动部分 执行机构 传感测试部分 控制及信息处理部分 我们将这些部分归纳为 结构组成要素 动力组成要素 运动组成要素 感知组成要素 智能组成要素 这些组成要素内部及其之间 形成通过接口耦合来实现运动传递 信息控制 能量转换等有机融合的一个完整系统 机电一体化系统的组成要素及功能如图1 1至1 3所示 1 2机电一体化系统的基本组成要素 构成机电一体化系统的要素很多 其中五大要素是必须的 可以从构成人体的五大要素得到启发 图1 1所示为人体的五大要素图1 3所示为机电一体化的五大要素 图1 1 图1 2机电一体化系统的功能 图1 3 1 机械本体机电一体化系统的机械本体包括机身 框架 连接等 是机电一体化技术的基础 对系统的结构 重量 体积刚性 耐用性等有重要影响 强调精密机械设计技术的运用 即利用高 新技术手段 实现结构上 材料上 性能上的变更 满足 减轻重量 减小体积 提高刚度 实现标准化 通用化 系列化 提高系统整体的可靠性 2 动力与驱动 能源 动力部分的功能是按照系统控制要求 为系统提供能量和动力 使系统正常运行 用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出 是机电一体化产品的显著特征之一 驱动部分的功能是在控制信息作用下提供动力 驱动各执行机构完成各种动作和功能 要求 效率高 可靠性好 3 传感测试部分传感测试部分的功能是对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测 生成相应的可识别信号 传输到信息处理单元 经过分析 处理后产生相应的控制信息 这一功能一般由专门的传感器及转换电路完成 4 执行机构执行机构的功能是根据控制信息和指令 完成要求的动作 实现主功能 执行机构是运动部件 一般采用机械 电磁 电液等机构 要求 体积小 精度高 抗干扰 5 控制及信息单元控制及信息单元的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 储存 分析 加工 根据信息处理结果 按照一定的程序和节奏发出相应的指令 控制整个系统有目的地运行 要求 高可靠性 柔性 智能化 1 3机电一体化系统的功能构成 机电一体化系统是由若干具有特定功能的机械与微电子要素组成的有机整体 具有满足人们使用要求的功能 目的功能 根据不同的使用目的 要求系统能对输入的物质 能量和信息 即工业三大要素 进行某一处理 输出所需要的物质 能量和信息 因此系统须具有以下三大 目的功能 变换 加工 处理 功能 传递 移动 输送 功能和储存 保持 积累 记录 功能 系统目的功能 不管那类系统 或产品 其系统内部必须具备如所示的五种内部功能 即主功能 动力功能 检测功能 控制功能 构造功能 系统的五种内部功能 CNC机床内部功能构成实例 机电一体化系统要素与人体要素的比较 为实现各子系统或要素之间物质 能量或信息交换而进行的连接就是接口 实际上 机电一体化技术研究的核心问题就是接口技术问题 接口技术的作用 为实现机械 电子 信息等各异技术在机电一体化系统中的物质 能源 信息的传递与转换 达到系统所需的目的功能 接口技术的功能 系统输入 输出接口信息的匹配 系统信息的转换 调整 能源信息匹配 1 4机电一体化构成要素之间的连接 接口技术 接口耦合与能量转换 1 变换 两个需要进行信息交换和传输的环节之间 由于信息的模式不同 数字量与模拟量 串行码与并行码 连续脉冲与序列脉冲等等 无法直接实现信息或能量的交流 需要通过接口完成信息或能量的统一 2 放大 在两个信号强度相差悬殊的环节间 经接口放大 达到能量的匹配 3 耦合 变换和放大后的信号在各环节间能可靠 快速 准确地交换 必须遵循一致的时序 信号格式和逻辑规范 接口具有保证信息的逻辑控制功能 使信息按规定模式进行传递 4 能量转换 其执行元件包含了执行器和驱动器 该转换涉及到不同类型能量间的最优转换方法与原理 接口技术的分类 按功能分 接口有两种 变换 调整接口和输入 输出接口 具有变换调整功能的接口 4种 1 零接口 不进行任何变换和调整 本子系统的输出即为另一子系统的输入 这种接口只起到连接的作用 如插头 座 输送管线 传动轴等 2 无源接口 只用无源要素进行变换 调整的接口 如变速箱 变压器 可变电阻 透镜等 3 有源接口 含有有源要素 可以主动进行匹配的接口 如电磁离合器 放大器 光电耦合器等4 智能接口 带有微处理器 可以进行程序编制或可适应性地改变接口条件 如自动变速装置 通用输入 输出集成电路 STD总线等 根据输入 输出功能有如下接口形式 4种 1 机械接口 由输入 输出部位的形状 尺寸 精度 配合 规格等进行机械联接的接口 如联轴器 管接头 法兰盘等 2 物理接口 受通过接口的物质 能量 信息的具体形态和物理条件约束的接口 如受电流 电压 电容 扭矩 频率 气压等约束的接口 3 信息接口 受规格 标准 法律 语言 符号等逻辑 软件约束的接口 如RS232 GB ISO ASCII FORTRAN C 等 4 环境接口 对周围环境条件 温度 湿度 磁场 振动 水 气 灰 火 放射 有保护作用的接口 如防尘接头 防水开关等 机电一体化系统内部与外部接口 机电一体化系统 产品 各构成要素之间的相互联系 1 5机电一体化系统的评价系统的内部功能与系统的价值 机电一体化系统的评价内容 1 6机电一体化系统的相关技术1 机械技术机械技术是机电一体化的基础 2 计算机与信息处理技术包括信息的输入 变换 运算 存储及输出 信息处理的工具是计算机 因此信息处理技术是和计算机技术紧密相关 包括硬件 软件 网络与通讯 数据库技术等 机电系统中采用工业控制计算机进行信息处理 其硬件包括输入 输出设备 显示器 外部存储器 主机 可编程控制器 数控装置等 3 自动控制技术机电系统自动控制包括位置控制 速度控制 力或力矩控制 自校正补偿等 自动控制的基础是自动控制原理 分为经典控制理论和现代控制理论 研究单输入 单输出线性定常系统 以传传递函数为基础 研究多输入 多输出非线性 高精度多变量系统 以状态方程为基础 4 伺服传动技术所谓 伺服 Servo 即 伺候服侍 的意思 电信号机械动作在控制指令的指挥下 控制驱动元件 使机械运动部件按照指令的要求进行运动 并具有良好的动态性能 伺服传动系统采用的驱动技术与使用的执行元件有关 按照执行元件的不同分为电气伺服 液压伺服 气压伺服 速度快 控制灵活 可靠性高 应用较广 但低速输出力矩较小 低速输出力矩大 功率密度大 在大型机床 工程机械 航空航天航海具有优势 但结构复杂 5 检测传感技术是机电一体化系统的感觉器官 即从待测对象获取信号并送到信息处理部分 主要内容包括 一是将物理量 位移 速度 加速度 力 力矩 温度等 转换成一定的与其成比例的电量 二是对转换的电信号的加工处理如放大 补偿 标定 检测传感装置是实现自动控制的重要环节 要求传感器及其放大处理电路快速 精确地获取信息 并能够抗干扰 可靠性高 6 系统总体技术从整体的观点出发 组织应用各种相关技术 即从全局和系统目标角度 将系统分解成若干功能子系统 对于每个子系统的技术方案要从整个系统技术协调的观点考虑 最终使整个系统实现最优化 1 7机电一体化技术与其它技术的区别1 机电一体化技术与传统机电技术的区别传统机电技术的操作控制主要通过具有电磁特性的各种电器来实现 如继电器 接触器等 在设计中不考虑或很少考虑彼此间的内在联系 机械本体和电气驱动界限分明 整个装置是刚性的 不涉及软件和计算机控制 机电一体化技术以计算机为控制中心 在设计过程中强调机械部件和电器部件间的相互作用和影响 整个装置在计算机控制下具有一定的智能性 2 机电一体化技术与并行工程的区别机电一体化技术将机械技术 微电子技术 计算机技术 控制技术和检测技术在设计和制造阶段就有机地结合在一起 十分注意机械和其他部件之间的相互作用 而并行工程将上述各种技术尽量在各自范围内齐头并进 只在不同技术内部进行设计制造 最后通过简单叠加完成整体装置 3 机电一体化技术与自动控制技术的区别自动控制技术的侧重点是讨论控制原理 控制规律 分析方法和自动系统的构造等 机电一体化技术将自动控制原理及方法作为重要支撑技术 将自控部件作为重要控制部件应用自控原理和方法 对机电一体化装置进行系统分析和性能测算 4 机电一体化技术与计算机应用技术的区别机电一体化技术只是将计算机作为核心部件应用 目的是提高和改善系统性能 计算机在机电一体化系统中的应用仅仅是计算机应用技术中的一部分 它还可以在办公 管理及图像处理等方面得到广泛应用 机电一体化技术研究的是机电一体化系统 而不是计算机应用本身 1 8机电一体化系统的设计方法与类型 1 8 1机电一体化系统设计的一般原则原则 从规范性 通用性 耐环境性 可靠性 经济性等多方面综合分析 结合现代设计方法和手段 达到机电一体化系统设计的三大目的省能源 省资源 智能化 提高机电产品的附加值和自动化程度 常用的设计方法 机电互补法机电结合 融合 法机电组合法常见的设计类型 开发性设计适应性设计变异性设计 机电互补法 又称取代法 该方法特点是利用通用或专用电子部件取代传统机械产品 系统 中的复杂机械功能部件或功能子系统 以弥补其不足 结合 融合 法 它是将各组成要素有机结合为一体构成专用或通用的功能部件 子系统 其要素之间机电参数的有机匹配比较充分 组合法 它是将结合法制成的功能部件 子系统 功能模块 像积木那样组合成各种机电一体化系统