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1、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì),遼寧科技大學(xué) 高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院,第一章 緒論,1.1 機(jī)電一體化定義 1.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成 1.3 機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù) 1.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和方法 1.5 機(jī)電一體化發(fā)展趨勢,機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展概況,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(jī)械產(chǎn)品和電子技術(shù)相結(jié) 合，以提高機(jī)械產(chǎn)品的性能。但是由于電子技術(shù)的發(fā)展相對(duì) 落后，使得機(jī)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年代為第二階段，“蓬勃發(fā)展階” 計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)電一體 化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)這個(gè)時(shí)期的特點(diǎn)是： mec
2、hatronics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(jī)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(duì)機(jī)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(jī)電一體化，微細(xì)加工技術(shù)也在機(jī)電一體化中嶄露頭腳，出現(xiàn)了光機(jī)電一體化和微機(jī)電一體化等新分支； 對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計(jì)、分析和集成方法，機(jī)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(jī)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(jī)電一體化進(jìn)一步建立完整的基
3、礎(chǔ)和逐漸形成完整的科學(xué)體系。,機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展概況,,數(shù)控機(jī)床的問世，寫下了“機(jī)電一體化”歷史的第一頁。 微電子技術(shù)為“機(jī)電一體化”帶來勃勃生機(jī)。 可編程序控制器、”電力電子“等的發(fā)展為“機(jī)電一體”化提供了堅(jiān)強(qiáng)基礎(chǔ)。 激光技術(shù)、模糊技術(shù)、信息技術(shù)等新技術(shù)使” “機(jī)電一體化”躍上新臺(tái)階。,,機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展概況,1.1 機(jī)電一體化定義,機(jī)電一體化不是機(jī)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),機(jī)電一體化：Mechatronics(機(jī)電一體化,機(jī)械電子學(xué),機(jī)電學(xué)),,機(jī)電一體化：從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，將機(jī)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
4、基礎(chǔ)上有機(jī)地加以綜合，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)最佳化的一門新科學(xué)技術(shù)。,典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))有：數(shù)控機(jī)床、機(jī)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。,1.1 機(jī)電一體化定義,,機(jī)電一體化技術(shù)：綜合運(yùn)用了機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感測試技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)及軟件編程技術(shù)等,數(shù)控銑床,數(shù)控車床,典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品,焊接機(jī)器人,焊接機(jī)器人,典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品,汽車防抱死系統(tǒng)(ABS),典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品,1.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成,,,1.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成,,1、機(jī)械本體,機(jī)身、框架、機(jī)械聯(lián)接等產(chǎn)品支持機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)造功能
5、。,要求：高效、多功能、節(jié)能、可靠、小型、美觀,2、動(dòng)力單元,提供能量，轉(zhuǎn)換成需要的形式，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力功能。,要求：效率高、可靠性好,1.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成,,3、檢測傳感單元,檢測產(chǎn)品內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境，實(shí)現(xiàn)計(jì)測功能。,要求：體積小、精度高、抗干擾,4、電子控制單元,存儲(chǔ)、分析、運(yùn)算、決策，實(shí)現(xiàn)控制功能。,要求：高可靠性、柔性、智能化,1.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成,,5、執(zhí)行機(jī)構(gòu),包括機(jī)械傳動(dòng)與操作機(jī)構(gòu)，接收控制信息，完成要求的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)主功能。,要求：高性能、高精度、高效率,,1.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成,,,1.3 機(jī)電一體化的相關(guān)術(shù),1 機(jī)械技術(shù) 2 檢測傳感技術(shù) 3 信息處理技術(shù)
6、4 自動(dòng)控制技術(shù) 5 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù) 6 系統(tǒng)總體技術(shù),,,實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的主功能和構(gòu)造功能，影響系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、重量、體積、剛性、可靠性等。,1、機(jī)械技術(shù),機(jī)電一體化產(chǎn)品要求：機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡單、機(jī)械功能更強(qiáng)、體積更小、重量更輕、精度更高、剛度更大、動(dòng)態(tài)性能更好。,1.3 機(jī)電一體化的相關(guān)術(shù),2、檢測傳感技術(shù),作用：感受器官、反饋環(huán)節(jié)。,研究對(duì)象：傳感器及其信號(hào)檢測裝置（即變送器）,要求：能快速、精確地獲得信息并在相應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境中具有高可靠性。,,1.3 機(jī)電一體化的相關(guān)術(shù),3、信息處理技術(shù),,主要完成信息的交換、存取、運(yùn)算、判斷和決策等.其主要工具是計(jì)算機(jī)。,4、控制技術(shù),關(guān)于軟件方面的技術(shù)，主
7、要以控制理論為指導(dǎo)，對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真、現(xiàn)場調(diào)試、可靠運(yùn)行等。,,1.3 機(jī)電一體化的相關(guān)術(shù),5、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù),執(zhí)行元件種類：電動(dòng)、液壓、氣壓,研究對(duì)象：執(zhí)行元件及其驅(qū)動(dòng)裝置,驅(qū)動(dòng)裝置：各種電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源電路,,6、系統(tǒng)總體技術(shù) 系統(tǒng)總體技術(shù)是一種從整體目標(biāo)出發(fā)，用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)和方法，將系統(tǒng)各個(gè)功能模塊有機(jī)的結(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)整體最優(yōu)。其重要內(nèi)容為接口技術(shù)。接口包括電氣接口、機(jī)械接口、人機(jī)接口,1.3 機(jī)電一體化的相關(guān)術(shù),1.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的與方法,,1.4.1 機(jī)電一體化產(chǎn)品系統(tǒng)分類 1.4.2 現(xiàn)代機(jī)械的機(jī)電一體化目標(biāo) 1.4.3 機(jī)電一體化技術(shù)方向 1.4.4 機(jī)電一體
8、化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 1.4.5 機(jī)電一體化的系統(tǒng),,1生產(chǎn)用機(jī)電一體化產(chǎn)品,1.4.1 機(jī)電一體化產(chǎn)品系統(tǒng)分類,,數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備；柔性生產(chǎn)單元、自動(dòng)組合生產(chǎn)單元；FMS、無人化工廠、CIMS,2運(yùn)輸、包裝及工程用機(jī)電一體化產(chǎn)品,微機(jī)控制汽車、機(jī)車等交通運(yùn)輸工具；數(shù)控包裝機(jī)械及系統(tǒng)；數(shù)控運(yùn)輸機(jī)械及工程機(jī)械設(shè)備等,,,3儲(chǔ)存、銷售用機(jī)電一體化產(chǎn)品,自動(dòng)空調(diào)與制冷系統(tǒng)及設(shè)備；自動(dòng)倉庫；自動(dòng)稱量、分選、銷售及現(xiàn)金處理系統(tǒng)；自動(dòng)化辦公設(shè)備等。,,1.4.1 機(jī)電一體化產(chǎn)品系統(tǒng)分類,,4社會(huì)服務(wù)性機(jī)電一體化產(chǎn)品,動(dòng)力、醫(yī)療、環(huán)保及公共服務(wù)自動(dòng)化設(shè)備；文教、體育、娛樂,5家庭用機(jī)電一體化產(chǎn)品,
9、家用機(jī)電一體化產(chǎn)品；微機(jī)或數(shù)控型耐用消費(fèi)品；炊事自動(dòng)化 機(jī)械；家庭用信息、服務(wù)設(shè)備。,,6科研及過程控制用機(jī)電一體化產(chǎn)品,測試設(shè)備；控制設(shè)備；信息處理系統(tǒng)。,,7農(nóng)、林、牧、漁及其它民用機(jī)電一體化產(chǎn)品,8航空、航天、國防用武器裝備等機(jī)電一體化產(chǎn)品,,1.4.2 現(xiàn)代機(jī)械的機(jī)電一體化目標(biāo),,1.提高精度,2.增強(qiáng)功能,,3.提高生產(chǎn)效率,,4.節(jié)約能源，降低能耗,5.提高安全性可靠性,6.改善操作性和實(shí)用性,7.節(jié)約能源，降低能耗,8.簡化結(jié)構(gòu)降低重量,9.降低價(jià)格,10.增強(qiáng)柔性應(yīng)用功能,以某一個(gè)機(jī)電一體化產(chǎn)品為例來分析該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目標(biāo)。 如：轎車、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等,,1.4.3 機(jī)電一體化
10、技術(shù)方向,,,,1.機(jī)械的電子化 （1）在原有機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用微型計(jì)算機(jī)控制裝置，使系統(tǒng)的性能提高，功能增強(qiáng)。例如，模糊控制洗衣機(jī)能根據(jù)衣物的潔凈度自動(dòng)控制洗滌過程，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)時(shí)、節(jié)洗衣粉的功能；機(jī)床的數(shù)控化是另一個(gè)典型的例子。 （2）用電子裝置局部替代機(jī)械傳動(dòng)裝置和機(jī)械控制裝置，簡化結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)控制靈活性。例如，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)采用伺服系統(tǒng)，簡化了傳動(dòng)鏈，提高了進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；將傳統(tǒng)電機(jī)的電刷用電子裝置替代形成的無刷電機(jī)，具有性能可靠、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸減小等優(yōu)點(diǎn)。,,1.4.3 機(jī)電一體化技術(shù)方向,,,,（3）用電子裝置完全替代原來執(zhí)行信息處理功能的機(jī)構(gòu)，既減化了結(jié)構(gòu)，
11、又極大地豐富了信息傳輸?shù)膬?nèi)容，提高了速度。例如，石英電子鐘表、電子秤、按鍵式電話等。 （4）用電子裝置替代機(jī)械的主功能，形成特殊的加工能力。例如，電火花加工機(jī)床、線切割加工機(jī)床、激光加工機(jī)床等。 2.機(jī)電技術(shù)完全融合形成新型機(jī)電一體化產(chǎn)品 生產(chǎn)機(jī)械中的激光快速成形機(jī)；信息機(jī)械中的傳真機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)；檢測機(jī)械中的CT（計(jì)算機(jī)斷層掃描診斷裝置）掃描診斷儀、掃描隧道顯微鏡等。,1.4.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,1、市場調(diào)研 2、總體方案設(shè)計(jì) 3、詳細(xì)設(shè)計(jì) 4、樣機(jī)試制與試驗(yàn) 5、小批量生產(chǎn) 6、大批量生產(chǎn),1、市場調(diào)研,市場調(diào)研包括市場調(diào)查和市場預(yù)測。所謂市場調(diào)查就是運(yùn)用科學(xué)的方法，系統(tǒng)地、
12、全面地收集所設(shè)計(jì)產(chǎn)品市場需求和經(jīng)銷方面的情況和資料，分析研究產(chǎn)品在供需雙方之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移的狀況和趨勢，而市場預(yù)測就是在市場調(diào)查的基礎(chǔ)上，運(yùn)用科學(xué)方法和手段，根據(jù)歷史資料和現(xiàn)狀，通過定性的經(jīng)驗(yàn)分析或定量的科學(xué)計(jì)算，對(duì)市場未來的不確定因素和條件做出預(yù)計(jì)、測算和判斷，為產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。,1.4.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì),,2、總體方案設(shè)計(jì),1)產(chǎn)品方案構(gòu)思 產(chǎn)品方案構(gòu)思完成后，以方案圖的形式將設(shè)計(jì)方案表達(dá)出來。方案圖應(yīng)盡可能簡潔明了，反映機(jī)電一體化系統(tǒng)各組成部分的相互關(guān)系，同時(shí)應(yīng)便于后面的修改。 2)方案的評(píng)價(jià)對(duì)多種構(gòu)思和多種方案進(jìn)行篩選，選擇較好的可行方案進(jìn)行分析組合和評(píng)價(jià)，從中再選幾個(gè)方案
13、按照機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)原則和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行深入的綜合分析評(píng)價(jià)，最后確定實(shí)施方案。,1.4.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì),,3、詳細(xì)設(shè)計(jì),詳細(xì)設(shè)計(jì)是根據(jù)綜合評(píng)價(jià)后確定的系統(tǒng)方案，從技術(shù)上將其細(xì)節(jié)逐層全部展開，直至完成產(chǎn)品樣機(jī)試制所需全部技術(shù)圖紙及文件的過程。,1.4.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì),,4、樣機(jī)試制與試驗(yàn),完成產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計(jì)后，即可進(jìn)入樣機(jī)試制與試驗(yàn)階段。樣機(jī)的試驗(yàn)分為實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和實(shí)際工況試驗(yàn)，通過試驗(yàn)考核樣機(jī)的各種性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求，考核樣機(jī)的可靠性。如果樣機(jī)的性能指標(biāo)和可靠性不滿足設(shè)計(jì)要求，則要修改設(shè)計(jì)，重新制造樣機(jī)，重新試驗(yàn)。如果樣機(jī)的性能指標(biāo)和可靠性滿足設(shè)計(jì)要求，則進(jìn)入產(chǎn)品的小批
14、量生產(chǎn)階段。,5、小批量生產(chǎn) 產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)階段實(shí)際上是產(chǎn)品的試生產(chǎn)試銷售階段。這一階段的主要任務(wù)是跟蹤調(diào)查產(chǎn)品在市場上的情況，收集用戶意見，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)和制造方面存在的問題，并反饋給設(shè)計(jì)、制造和質(zhì)量控制部門。 6、大批量生產(chǎn) 經(jīng)過小批量試生產(chǎn)和試銷售的考核，排除產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造中存在的各種問題后，即可投入大批量生產(chǎn)。,1.4.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì),,1.5 機(jī)電一體化產(chǎn)品的發(fā)展趨勢,1 智能化 智能化是21世紀(jì)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要發(fā)展方向。人工智能在機(jī)電一體化建設(shè)者的研究日益得到重視，機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的智能化就是重要應(yīng)用。這里所說的“智能化”是對(duì)機(jī)器行為的描述，是在控制理論的基礎(chǔ)
15、上，吸收人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動(dòng)力學(xué)等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標(biāo)。,,機(jī)電一體化產(chǎn)品向智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化、系統(tǒng)化發(fā)展。,2 模塊化 由于機(jī)電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、電氣接口、動(dòng)力接口、環(huán)境接口的機(jī)電一體化產(chǎn)品單元是一項(xiàng)十分復(fù)雜但又是非常重要的事。這需要制定各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，以便各部件、單元的匹配和接口。由于利益沖突，近期很難制定國際或國內(nèi)這方面的標(biāo)準(zhǔn)，但可以通過組建一些大企業(yè)逐漸形成。顯然，從電氣產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化帶來的好處可以肯定，無論是對(duì)生產(chǎn)
16、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)電一體化單元的企業(yè)還是對(duì)生產(chǎn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的企業(yè)，規(guī)?；瘜⒔o機(jī)電一體化企業(yè)帶來美好的前程。,1.5 機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢,,3網(wǎng)絡(luò)化 20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)等的突出成就是網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)。機(jī)電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來，只要其功 能獨(dú)到，質(zhì)量可靠，很快就會(huì)暢銷全球。由于網(wǎng)絡(luò) 的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興 未艾，而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本身就是機(jī)電一體化 產(chǎn)品。因此，機(jī)電一體化產(chǎn)品無疑朝著網(wǎng)絡(luò)化方向 發(fā)展。,1.5 機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢,,4 微型化 微型化興起于20世紀(jì)80年代末，指的是機(jī)電一體化向微型機(jī)器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。國外稱其為微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS），泛指幾何尺寸不超過1cm3的機(jī)電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級(jí)發(fā)展。微機(jī)電一體化產(chǎn)品體積小 、耗能少、運(yùn)動(dòng)靈活，在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢。微機(jī)電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機(jī)械技術(shù)，微機(jī)電一體化產(chǎn)品的加工采用精細(xì)加工技術(shù)，即超精密技術(shù)，它包括光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)兩類。,1.5 機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢,,5 系統(tǒng)化 系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)一步 采用開放式和模式化的總線結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可以靈活組 態(tài)，進(jìn)行任意剪裁和組合，同時(shí)尋求實(shí)現(xiàn)多子系統(tǒng) 協(xié)調(diào)控制和綜合管理。表現(xiàn)之二是通信功能的大大 加強(qiáng)，一般除RS232外，還有RS485等等,1.5 機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢,,
機(jī)電一體化設(shè)計(jì)1緒論
