机电一体化系统设计PPT.ppt
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机电一体化系统设计第一章机电一体化系统概述1.1机电一体化基本概念1.2机电一体化系统的基本组成1.3机电一体化系统的分类1.4机电一体化的优点和效益1.5机电一体化的理论基础与关键技术1.6机电一体化的发展1.1机电一体化基本概念一、机电一体化的概念一、机电一体化的概念机电一体化,也称机械电子学,英文名为Mechatronics,它是由英文Mechanics(机械学)的前半部分和Electronics(电子学)的后半部分组合而成的。
较普遍的解释是:
较普遍的解释是:
机电一体化是在机械主功能、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的系统的总称。
(日本机械振兴协会经济研究所提出)美国机械工程师协会ASME提出:
机电一体化是由计算机信息网络协调控制,用于完成包括机械力,运动和能量流等动力任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统根据目前机电一体化发展趋势可以认为:
机电一体化是一门技术,是机械工程技术吸收微电子技术、信息处理技术、控制技术、传感器技术等融合而成的一种新技术。
机电一体化的内涵:
机电一体化具有“技术”与“产品”两方面的含义,首先是机电一体化技术,主要包括技术原理和使机电一体化产品或系统得以实现、使用和发展的技术,它是机械工程技术吸收微电子技术、信息处理技术、控制技术、传感器技术等融合而成的一种新技术再次是机电一体化产品是指机电一体化技术设计开发的机械系统和微电子系统的有机结合,从而赋予新的功能和性能的新一代产品,有以下特点:
1、功能替代型这些产品的主要特征是在原有的机械产品基础上采用电子装置替代机械控制、机械传动、机械信息处理和机械的主功能,实现产品的多功能和高性能。
2、机电融合型这些产品的主要特征就是应用机电一体化技术开发出的机电有机结合的新一代产品。
二、学科构成二、学科构成机电一体化这个学科是融合机械工程学,控制信息工程学和电子工程学的综合学科,三者相互融合,相互交叉,如下图所示。
三、机电一体化技术与其他技术的区别三、机电一体化技术与其他技术的区别1、机电一体化技术与传统机电技术的区别、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。
机电一体化技术是以计算机为控制中心,在设计过程中强调机械部件和电气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、机电一体化技术与并行工程的区别机电一体化技术是将机械技术、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。
而并行工程奖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。
(并行工程是把产品(系统)的设计、制造及其相关过程作为一个有机整体进行综合(并行)协调的一种工作状态)3、机电一体化技术与自动控制技术的区别、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。
机电一体化技术是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。
1.2机电一体化系统的基本组成v1.2.1机电一体化系统的功能组成机电一体化系统的主功能就是对输入的物质、能量与信息按照要求进行处理,输出具有所需特性的物质、能量与信息。
如图1所示。
图1机电一体化系统的主功能工业三大要素具有所需特性v1.2.2机电一体化系统的构成要素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、控制机信息处理部分。
我们将这些部分归纳为:
结构促成要素、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其功能如图2和图3所示。
(a)人体要素(b)功能(c)组成要素图2组成人体与机电一体化系统的对应要素及相应功能关系图3人体各要素与机电一体化系统各要素对照例题下图是一个计算机控制的电机伺服系统驱动的一个数控工作台系统按机构要素对其进行划分注:
该系统没有机械本体1.3机电一体化系统的分类在新技术革命的浪潮中,自动化技术已深入到社会的各个方面,有人称之为全盘自动化。
在这些自动化的系统中,主要是由很多种机电一体化产品所构成。
从我国将要发展的机械工业产品来分析主要由以下产品需要实现程度不同的机电一体化。
具体地说,包括:
数控机床、机器人、自动生产设备生产用机电一体化产品和系统柔性生产单元、自动组合生产单元FMS、无人化工厂、CIMS微机控制汽车、机车等交通运输工具运输、包装及工程用机电一体化产品数控包装机械及系统数控运输机械及工程机械设备自动仓库储存、销售用机电一体化产品自动空调与制冷系统及设备自动称量、分选、销售及现金处理系统自动化办公设备社会服务性机电一体化产品动力、医疗、环保及公共服务自动化设备文教、体育、娱乐用机电一体化产品微机或数控型耐用消费品家庭用机电一体化产品炊事自动化机械家庭用信息、服务设备测试设备科研及过程控制用机电一体化产品控制设备信息处理系统农、林、牧、渔及其它民用机电一体化产品航空、航天、国防用武器装备等机电一体化产品1.4机电一体化的优点和效益机电一体化的效果:
1.功能增多,2.体积减小,3.重量减轻,4.可靠性提高,5.性能价格比大大改善。
A、性能提高、功能增强例例如如,过过去去精精密密机机床床采采用用的的是是机机械械校校正正,只只能能校校正正机机床床的的系系统统误误差差,现现在在数数控控机机床床,可可克克服服随随机机误误差差和和系系统统误误差差,从从而而可可以以达达到到前前所所未未有有的的高高精精度。
度。
调调整整切切削削阻阻尼尼,减减少少颤颤振振,保保证证很很高高的的生生产产率率与与很高的加工表面光洁度。
很高的加工表面光洁度。
粗粗加加工工与与精精加加工工工工序序集集成成,深深刻刻地地改改变变了了传传统统机机床的结构布局,冲破了传统的机床按类别的划分。
床的结构布局,冲破了传统的机床按类别的划分。
B、结构简化因因采采用用微微处处理理机机、集集成成电电路路、新新型型传传动动技技术术,代代替替电电气气控控制制柜柜和和传传动动装装置置,使使产产品品体体积积小小,零零部部件数量减小,结构简化。
例如:
件数量减小,结构简化。
例如:
1.传传统统的的电电机机控控制制靠靠用用户户,而而实实现现机机电电一一体体化化后后出出现现了了无无换换向向器器电电机机,提提高高了了电电机机寿寿命命,缩缩小小了了体体积。
积。
2.“电电脑脑”电电动动机机用用单单片片机机控控制制电电机机的的功功率率因因素素,根根据据负负荷荷情情况况调调节节施施加加的的电电压压,从从而而解解决决了了不不少少电电气气传传动动中中的的“大大马马拉拉小小车车”问问题题,在在空空载载提提高高效率效率30403040,满载提高,满载提高1010。
3.矢量控制异步电动机,采用微型计算机对交流异步电动机实现矢量控制,使异步电机既具有直流电机一样的调节特性,而且还具有结构简单、可靠、电机容量不受限制、机械惯性小、体积小、效率高等优点。
C、可靠性提高性在电子元件质量可靠性高的前提下,机电一体化可以改善耐久性,减少故障。
机电一体化产品具有自动监视诊断、安全联锁控制、过负荷及失控保护、停电对策等,提高了安全可靠性D、节约能源机电一体化的产品,可以节约材料、节约能源。
例如:
我国目前各类电风扇的调整器为电磁机械式,如果用电子式调整器每年全国可节约电600万度;汽油机电子点火;液压挖掘机电子节能。
E、改善操作机电一体化产品采用计算机控制,具有数字显示,减少了操作按扭及手柄,具有程序控制等功能,因而可以改善设备操作性能,减少训练操作人员时间。
F、提高灵活性(柔性)机电一体化产品具有更大的灵活性,可以适应用户多样化的要求,是当代新技术革命的一大趋向。
例如,柔性制造系统,和工业机器人对于多品种小批量生产特别能发挥它的优越性。
1.5机电一体化的理论基础与关键技术v1.5.1理论基础理论基础系统论、信息论、控制论是机电一体化技术的理论基础,也是机电一体化技术的方法论。
一、系统论:
一、系统论:
1、什么是系统:
处在环境之中相互作用和相互依赖的若干部分(因素)组成的具有一定结构和确定功能的有机整体就称为系统。
2、系统的基本组成:
现代科学认为世界存在物质(材料)、能量和信息三大要素。
任何系统都是物质、能量和信息相互作用和有序化运动的产物。
总之就是,把研究对象作为一个有机整体来加以考察,以寻求解决整体与部分之间相互关系的模式,原则和方法。
二、控制论二、控制论控制论是研究各种系统的控制和调节一般规律的科学。
控制论已经经历了三代:
经典控制论、现代控制论和大系统控制论。
1、控制的实质、控制的实质所谓控制是指按给定的条件和预定目标,对一个过程或一序列事件施加影响的作用。
系统一般都是有若干个可能的状态,控制的实质就是在各种可能状态中选译一种。
从信息角度看,控制是获取信息、处理信息和利用信息调整系统的结构以实现系统所追求的目的的过程。
所以信息是控制的基础,而控制论就是研究对信息的处理利用。
控制的作用就是要使系统可能的状态数减少,即使不确定性减少,从信息角度看控制就是输入信息,使系统有序性增加。
2、控制的手段和方法、控制的手段和方法反馈控制(控制的主要手段);信息方法:
黑箱方法:
功能模拟方法。
三、信息论三、信息论什么是信息?
目前关于信息的定义,从不同学科,不同侧面可得到几十种不同的说法,至今学术界还未统一。
有的认为信息是精神实体的特征,有的认为信息是以“信息场”的形态存在的物质,有的认为信息是事物的运动状态或运动能量序列;有的认为信息是一种客观而不实在的东西;有的认为信息是一切物质的普遍属性,是系统的功能现象;有的认为信息是事实和数据的组合或认为信息是具有新内容、新知识的消息,如情报、指令、代码、语言、文字和图象等。
四、系统论、控制论和信息论的相互关系四、系统论、控制论和信息论的相互关系信息论研究的是如何认识信息和度量信息。
而系统论和控制论是研究如何利用信息,系统论是利用信息来实现系统最优化,控制论是利用信息来实现系统的有目的最佳控制。
v1.5.2关键技术(技术构成)关键技术(技术构成)1、机械技术、机械技术机械技术是机电一体化的基础,因为机电一体化产品的主功能和构造功能大都是以机械技术为主得以实现的。
2、计算机与信息处理技术、计算机与信息处理技术信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策,实现信息处理的工具是计算机,因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。
计算机技术包括计算机的软件技术和硬件技术,网络通信技术,数据技术等。
3、自动控制技术、自动控制技术自动控制技术范围很广,机电一体化的系统设计在基本控制理论指导下,对具体控制装置或控制系统进行设计;对设计后的系统进行仿真和现场调试;最后是研制的系统可靠地投入运行。
4、传感与检测技术、传感与检测技术传感与检测装置时系统的感受器官,它与信息系统的输入端相连接并将检测到的信息输送到信息处理部分。
传感与检测是实现自动控制,自动调节的关键环节,它的功能越强,系统的自动化程度就越高。
传感与检测的关键元件是传感器。
5、伺服驱动技术、伺服驱动技术伺服驱动包括电动、气动、液压等各种类型的驱动装置,由微型计算机通过接口与这些驱动装置相连接,控制它们的运动,带动工作机
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