机电一体化 系统设计(1)
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5 伺服驱动技术
• 伺服驱动技术主要是指与执行机构 相关的一些技术问题。伺服驱动的 方式主要有电动、气动和液压等各 种类型。
6 系统总体技术
• 系统总体技术是一种从全局角度和 系统目标出发,用系统的观点和方 法,将系统分解成若干个相互有联 系的功能单元,找出能完成各个功 能的技术方案,并将其进行分析、 评价和优化的综合应用技术。
4. 融合设计方法
• 融合设计方法是把机电一体化产品 的某些功能部件或子系统设计成该 产品所专用的。用这种方法可以使 该产品各要素和参数之间的匹配问 题考虑的更充分、更合理、更经济、 更能体现机电一体化的优越性。融 合法还可以简化接口,使彼此融为 一体。
5 优化设计方法
• (1) 机械技术和电子技术的综合与 优化. • (2) 硬件和软件的交叉与优化 • (3) 机电一体化产品的整体优化
(1)计算机辅助设计,(CAD) (2)计算机辅助工艺过程设计,(CAPP) (3)计算机辅助制造, (CAM) (4)CAD/CAM集成系统 (5)柔性制造系统(FMS) (6)柔性制造单元(FMC) (7)计算机集成制造系统(CIMS)
CIMS集成关系
六.机电一体化的相关技术
• 涉及到四大基础科学,即机械学、 控制论、电子学和计算机科学。
机电一体化的含义
日本<<机械振兴协会经济研 究所>>于1981年提出的解释:“机 电一体化乃是机械的主功能、动 力功能、信息功能和控制功能上 引进微电子技术,并将机械装置 与电子装置用相关软件有机结合 而构成系统的总称.”
美国机械工程师协会的解释: “由计算机信息网络协调与 控制的,用于完成包括机械 力、运动和能量流等动力 学任务的机械和(或)机电 部件相互联系的系统.”
(3) 详细设计
• 详细设计主要是对系统总体方案进行具 体实施步骤的设计,其主要的依据是总 体方案框图。从技术上将其细节逐步全 部展开,直至完成试制产品样机所需的 全部技术图纸和文档,机电一体化的详 细设计主要应包括以下内容:
(A)机械本体设计
• 这里所说的机械本体一般由减速装置、 蜗轮蜗杆副、丝杠螺母副等各种线性传 动部件,连杆机构、凸轮机构等非线性 传动部件,挠性传动部件、间歇传动部 件等特殊传动部件,导向支承部件、旋 转支承部件以及机架等支承部件组成。
三.机电一体化系统的基本构成
1.机电一体化系统的构成
• 机电一体化系统由机械系统(机 构),电子信息处理系统(计算 机),动力系统(动力源),传感 检测系统(传感器),执行元件系 统(驱动器)等五个子系统组成
系统的基本构成(全闭环系统)
系统的基本构成(半闭环系统)
2。机电一体化系统的功能构成
1. 机Байду номын сангаас技术
•
对于绝大多数的机电一体化产品, 机械本体在质量、体积等方面都占有 绝大部分,如原动机、工作机和传动 装置一般都采用机械结构。这些机械 结构的设计和制造问题,都属于机械 技术的范畴。
2. 传感技术 #
• 传感技术的核心是传感器。传感器按照 一定的精度将被测量转换为与之有确定 对应关系的电信号,通常由敏感元件、 转换元件和转换电路组成。
2。动力源
•
向系统提供能量,并将输入的能 量转换成需要的形式,实现动力功 能。
3。检测与传感装置
•
包括各种传感器极其信号检测电 路,用于对产品运行时的内部状态 和外部环境进行检测,提供运行控 制所需的各种信息,实现计测功能。
4。控制与信息处理装置
•
根据产品的功能和性能要求以 及传感器的反馈信息,进行处理、 运算和决策,对产品运行施以相应 的控制,实现控制功能。
机电一体化系统设计
李居峰
课程介绍
第一章。概论 第二章。机械系统设计 第三章。检测系统设计* 第四章。驱动系统设计 第五章。接口技术 第六章。控制系统设计* 第七章。机电一体化系统设计典型实例 (机器人)
参考书
• 郑堤 等主编。 机电一体化设计基础(机械工业出版社) • 李成华 等主编。 机电一体化技术(中国农业大学出版社) • 刘杰 等主编。 机电一体化技术基础与产品设计(冶金工业 出版社) • 张君安主编。机电一体化系统设计(兵器工业出版社) • 张立勋等主编。机电一体化系统设计(哈尔滨工程大学出版社) • 机电一体化技术手册编委会。机电一体化技术手册(机械工业 出版社) • 张建民 等主编. 机电一体化系统设计 (北京理工大学出版社)
八 .系统设计的评价分析方法
• (1)工效实用性 • (2)系统可靠性 • (3)运行稳定性 • (4)操作宜人性 • (5)人机安全性
• (6)环境完善性 • (7)技术经济性 • (8)结构工艺性 • (9)造型艺术性 • (10)成果规范性
九 .机电一体化产品的设计开发步骤 • (1)市场调查 • 所谓市场调查就是运用科学的方法, 系统地、全面地收集有关市场需求 和经销方面的有关资料。在市场调 查的基础上,通过定性的经验分析 或定量的科学计算,对市场未来的 不确定因素和条件作出预测,为企 业提供依据。
2 柔性化设计方法
• 将机电一体化产品或系统中完成某 一功能的检测传感元件、执行元件 和控制器作成机电一体化的功能模 块,如果控制器具有可编程的特点, 则该模块就成为柔性模块。
3 取代设计方法
• 取代设计方法又称为机电互补设计方法。 该方法的主要特点是利用通用或专用电 子器件取代传统机械产品中的复杂机械 部件,以便简化结构,获得更好的功能 和特性。
实施机电一体通常可以获 得以下一些效果
(1)功能增强 (2)提高精度 (3)结构简化 (4)可靠性提高 (5)改善操作 (6)提高柔性 7性能价格比提高
五.机电一体化技术的分类
• 1 机电一体化技术分类概述 目前世界上普遍认为机电一体 化有两大分支,即生产过程的机电 一体化和机电产品的机电一体化。
• (1)原机械产品采用电子技术和计 算机控制技术;代替 • (2)用集成电路或计算机及其软件 代替原机械的部分结构;增加 • (3)利用机电一体化原理设计的全 新的机电一体化产品.创新
2 机械制造过程的机电一体化
• 机械制造过程的机电一体化包括产品设 计、加工、装配、检验的自动化,生产 过程自动化,经营管理自动化等,其高 级形式是计算机集成制造系统 (Computer Integrated Manufacturing System,简称CIMS)。
第一章。机电一体化概念
一.机电一体化的基本概念 机电一体化的英文名称是Mechatronics, 是由日本人通过截取英文机械学(Mechanics) 的词头和电子学(Electronics)的词尾组合在 一起而创造出来的一个新的英文名词.这一名 词最早出现在1971年日本的<机械设计>杂志副 刊上,后来随着机电一体化的发展而被广泛引 用
生产过程的机电一体化
生产过程的机电一体化意味着 整个工业体系的机电一体化,生产 过程的机电一体化根据生产过程的 特点又可划分为离散制造过程的机 电一体化和连续生产过程的机电一 体化。
机电产品的机电一体化
• 机电产品的机电一体化是机电一体 化的核心,是生产过程机电一体化 的物质基础。
机电一体化产品根据结构和电子技术与计 算机技术在系统中的作用可以分为三类:
• 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。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 进行某种处理,输出所需要的物质、 能量和信息。
三大“目的功能”
1。变换功能 2。传递功能 3。储存功能
系统的目的功能
系统内部功能
• 主功能 • 动力功能 • 检测功能 • 控制功能 • 构造功能
机电一体化的本质: 自己的理解
机电一体化最本质的特征还 是一个机械系统,它是充分 运用计算机的信息处理和控 制功能,可控驱动元件特性 的现代化机械系统,实现了 机械系统的智能化、自动化。
• 直到70年代初,日本人对机电一体化的 长期实践和最新应用成果加以系统的概 括和总结,才形成一个比较完整的机电 一体化概念。此后由于大规模集成电路 技术和微型计算机技术的迅速发展,使 得机电结合的形式更加灵活,内容更加 丰富,应用更加广泛,因而在以机械工 业为主的传统产业中引发了一场大规模 的机电一体化技术革命。
(B)接口设计
• 对于一种产品(或系统),其各部件之 间,各子系统之间往往需要传递动力、 运动、命令或信息,这都是通过各种接 口来实现的。
按功能可以将接口划分为以下3种: • (I)零接口。 • (II)普通转换接口。 • (III)智能转换接口。
(C)微控制器设计与制作步骤
• 单片机应用系统又称微控制器或嵌 入式微处理器。微控制器设计包括 硬件设计和软件设计,其一般设计 开发步骤如下:
七.机电一体化设计方法
• 传统的设计方法和各种现代设计方 法是普遍适用的,当然也适用机电 一体化产品的设计。而机电产品的 机电一体化设计方法又是现代设计 方法的重要组成部分。
1 模块化设计方法
• 机电一体化产品或设备可设计成由相应 于五大要素的功能部件组成,也可以设 计成由若干功能子系统组成,而每个功 能部件或功能子系统又包含若干组成要 素。这些功能部件或功能子系统经过标 准化、通用化和系列化,就成为功能模 块。每一个功能模块可视为一个独立体, 在设计时只需了解其性能规格,按其功 能来选用,而无须了解其结构细节。
3 .信息处理技术
• 信息处理技术是指利用电子计算机 及其外部设备对信息进入输入、转 换、运算、存储和输出等技术,这 里所说的电子计算机包括工控机、 单片机和可编程控制器等。
4. 接口技术
• 在机电一体化系统中,计算机与外部设 备(如执行机构、传感器、机械本体、 动力源和人机交互设备等)之间的连接 和信息交换环节称为接口,接口功能的 实现除硬件电路外,还应包括相应的接 口软件(驱动程序),通常通过接口硬 件和接口软件的结合来实现接口任务。
(2) 初步设计
• 初步设计的主要任务是建立产品的 功能模型,提出总体方案、投资预 算,拟定实施计划等
初步设计的主要工作内容包括:
• • • • • • • • • • (A)系统的总体结构方案设计; (B)系统的功能及技术性能设计; (C)确定产品模型的信息和联系; (D)提出系统内部和外部接口要求; (E)找出关键技术,逐一提出每个关键技术的解 决方案; (F)确定系统配置; (G)确定实施进度计划; (H)提出经费预算; (I)进行技术经济效益分析; (J)编写初步设计报告。
5。执行机构
• 包括机械传动与操作机构,在 控制信息作用下完成要求的动作, 实现产品的主功能。执行机构因作 业对象不同而形式各异。
四。机电一体化的意义
• 机电一体化技术可以用来设计新型 的机电一体化产品,改造旧的机电 产品,使机电产品的面貌大大改观, 达到功能增强、精度提高、结构简 化(体积减少、重量减轻)、可靠性提 高、改善操作、提高柔性、性能价 格比大大改善的目的。
机电一体化系统内部功能构成
CNC机床的内部功能构成
3 。 机电一体化基本结构要素
人体五大要素极其功能的对应关系
机电一体化产品的组成要素及其功能 的对应关系
机电一体化系统五大要素实例#
1。机械系统(机械本体)
包括机身、框架、机械连接等 在内的产品支持结构,属于基础部 分,实现产品的构造功能。
• (1)制定控制系统总体方案。 • (2)选择单片机及其扩展芯片。 • (3)硬件系统设计。 • (4)绘制印刷线路板图。 • (5)制作印刷线路板(PCB)。 • (6)焊接芯片插座及其他电子元器 件,并组装成单片机应用系统。
• (7)微控制软件设计。 • (8)微控制器硬件调试。 • (9)软件调试。 • (10)现场调试。 • (11)脱机运行。
机电一体化是一种崭新的学术思想 • 按照机电一体化思想,凡是由各种 现代高新技术与机械和电子技术相 互结合而形成的各种技术、产品 (或系统)都应属于机电一体化的 范畴.
二.
机电一体化技术的发展
• 由于大规模集成电路和超大规模集成电 路的出现,特别是微型电子计算机的空 前发展,促进了机械技术和电子技术相 互交叉和相互渗透,并使机械技术和电 子技术在系统论、信息论和控制论的基 础上有机地结合起来,形成今天的机电 一体化技术。