机电一体化教学(教案).pdf
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机电一体化教学(教案).pdf
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课程定位课程定位机电一体化技术与系统课程是机械工程及自动化专业学生的专业基础必修课。
是学生经过三年基础课和技术基础课学习之后,带有总结意义的一门综合性设计课程。
在学生掌握一定的专业基础知识的基础上,以机械设计为主线,综合运用所学知识,从整体角度掌握机电一体化系统设计的思想、原理、方法和程序。
学习方法学习方法1、认真听课2、参考教材自学3、网络自学和自测检查3、认真实验,主动参加自选实验4、积极参加讨论和完成作业(可以网络提交)课程的考核办法课程的考核办法理论课:
百分制闭卷考试70%平时成绩30%平时成绩:
课堂效果、作业效果、网上答疑、实验效果机电一体化信息科学机械学电子学第第1章章概论概论1.1概述1.2机电一体化系统的设计1.3机电一体化系统的发展趋势美国技术评论认为,有十种新兴技术在不远的将来会产生巨大影响:
无线传无线传感器网络感器网络;可注入组织工程可注入组织工程;纳米太阳能电池纳米太阳能电池;机电一体化技术机电一体化技术;分子成像分子成像;纳米印纳米印刷刻蚀;软件保证;糖原组学;量子密码术。
刷刻蚀;软件保证;糖原组学;量子密码术。
1.1概述概述1.1.1引言引言机电一体化一般包含机电一体化技术机电一体化技术和机电一体化产品机电一体化产品(系统系统)两层含义。
1、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。
2、机电一体化产品:
新型机械与微电子器件,特别是微处理器、微型机相结合而开发出来的新一代电子代机械产品。
权威定义:
权威定义:
起源:
日本,20世纪70年代;合成词:
Mechatronics。
它取英语Mechanics(机械学)的前半部和Electronics(电子学)的后半部分拼成一个新词;(ASME)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。
理解:
理解:
机电一体化不是机械与电子简单的叠加,而是在信息论、控制论和系统论的基础上建立起来的应用技术典型的机电一体化产品(系统)有:
数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CADCAM系统等。
常用的机电一体化产品:
数控铣床、焊接机器人、汽车防抱死系统(ABS)发展概况:
发展概况:
1.20世纪60年代前为第一阶段,“萌芽阶段”工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结合,以提高机械产品的性能。
但是由于电子技术的发展相对落后,使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。
2.70年代到80年代为第二阶段,“蓬勃发展阶段”计算机技术、控制技术、通信技术的发展,为机电一体化的发展奠定了技术基础。
这个时期的特点是:
mechatronics(机电一体化)一词首先在日本被普遍接受,大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认;机电一体化技术和产品得到了极大发展;各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。
3、90年代后期为第三阶段,“智能化阶段”光学、通信技术等进入了机电一体化,微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚,出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支。
对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法,机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。
由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步,为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。
这些研究,将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。
4、总的发展趋势性能上,向高精度、高效率、智能化的方向发展,以数控机床为例,控制精度0.1um,进给速度100m/min以上,联动轴数15轴以上,界面、通讯等长足发展;功能上,向小型化、轻型化、多功能化方向发展。
层次上,向系统化、复合集成化方向发展。
有资料总结为六化:
(1)智能化()智能化
(2)模块化()模块化(3)网络化)网络化(4)微型化()微型化(5)绿色化()绿色化(6)人性化)人性化1.1.2机电一体化的基本组成要素机电一体化的基本组成要素1、机械本体:
、机械本体:
机身、框架、机械联接等产品支持机构,实现构造功能。
要求:
可靠、小型、美观2、动力与驱动:
、动力与驱动:
提供能量,转换成需要的形式,实现动力功能。
要求:
效率高、可靠性好3、传感测试装置:
、传感测试装置:
检测产品内部状态和外部环境,实现计测功能。
物理量/化学量电信号要求:
体积小、精度高、抗干扰4、执行机构执行机构:
包括机械传动与操作机构,接收控制信息,完成要求的动作,实现主功能。
要求:
高性能、高精度、高效率5、控制及信息处理单元控制及信息处理单元:
处理、运算、决策,实现控制功能。
计算机PLCA/DD/A光耦要求:
高可靠性、柔性、智能化以上这五部分通常称为机电一体化的五大组成要素。
在机电一体化系统中的这些单元和它们内部各环节之间都遵循接口耦合、运动传递、信息控制、能量转换的原则,称为四大原则。
1、接口耦合与能量转换:
接口耦合与能量转换:
变换、放大、耦合、能量转换2、信息控制信息控制3、运动传递运动传递能源部分信息处理与控制信息输入驱动部分执行元件机械本体检测部分1.1.3机电一体化系统的技术组成机电一体化系统的技术组成1、机械技术、机械技术机械技术是机电一体化的基础。
机电一体化产品中的主功能和构造功能,往往是以机械技术为主实现的。
特别是关键部件,如导轨、滚珠丝杠、轴承、传动部件等的材料、精度对机电一体化产品的性能、控制精度等多方向的要求。
实现机电一体化产品的主功能和构造功能,影响系统的结构、重量、体积、刚性、可靠性等。
着眼点着眼点:
如何与机电一体化技术相适应。
CAPP(计算机辅助工艺规程编制)、CAD、CAM等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输入、识别、变换、运算、存储及格出技术,它们大都是依靠计算机来进行的,因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。
信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策等,实现信息处理的主要工具是计算机。
计算机技术包括计算机硬件技术和软件技术、网络与通信技术、数据库技术等。
其主其主要工具是计算机。
要工具是计算机。
传感器传感器传感器传感器A/DA/DA/DA/D计算机计算机计算机计算机D/AD/AD/AD/A执行装置执行装置执行装置执行装置3、自动控制技术、自动控制技术自动控制技术就是通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。
自动控制技术范围很广,包括自动控制理论、控制系统设计、系统仿真、现场调试、可靠运行等从理论到实践的整个过程。
由于被控对象种类繁多,所以控制技术的内容极其丰富,包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、示教再现、检索等控制技术。
4、传感与检测技术、传感与检测技术研究对象研究对象:
传感器及其信号检测传输装置传感器及其信号检测传输装置(即变送器即变送器)。
检测传感技术是机电一体化的关键技术,它将所测得的各种参量如位移、位置、速度、加速度、力、温度、酸度和其他形式的信号等转换为统一规格的电信号输入到信息处理系统中,并由此产生出相应的控制信号以决定执行机构的运动形式和动作幅度。
传感器检测的精度、灵敏度和可靠性将直接影响到机电一体化的性能。
要求:
能快速、精确地获得信息并在相应的应用环境中具有高可靠性。
要求:
能快速、精确地获得信息并在相应的应用环境中具有高可靠性。
5、伺服驱动技术、伺服驱动技术研究对象:
研究对象:
执行元件及其驱动装置执行元件种类:
电动、液压、气压驱动装置指各种电动机的驱动电源电路,目前多采用电力电子器件及集成化的功能电路构成。
6、系统总体技术、系统总体技术系统总体技术是一种从整体目标出发,用系统工程的观点和方法,将系统总体分解成相互有机联系的若干功能单元,并以功能单元为子系统继续分解,直至找到可实现的技术方案,然后再将系统各个功能模块有机的结合起来,以实现整体最优。
其重要内容为接口技术。
接口包括电气接口、机械接口、人机接口小结:
小结:
机电一体化通过综合利用现代高新技术的优势,在提高精度、增强功能、改善操作性和使用性、提高生产率和降低成本、节约能源和降低消耗、减轻劳动强度和改善劳动条件、提高安全性和可靠性、简化结构和减轻重量、增强柔性和智能化程度、降低价格等诸多方面都取得了显著的技术经济效益和社会效益,促使社会和科学技术又向前大大迈进了一步。
1.2机电一体系统的设计机电一体系统的设计1.2.1机电一体化系统的分类机电一体化系统的分类分为开环控制系统和闭环控制系统电机典型闭环控制系统:
1.2.2机电一体化系统(产品)开发的类型机电一体化系统(产品)开发的类型机电一体化系统(产品)开发的类型依据该系统与相关产品比较的新颖程度和技术独创性,可分为以下几种设计类型:
开发性设计(全新设计)适应性设计(原理方案不变,仅对功能及结构进行重新设计)变参数设计(仅改变部分结构尺寸而形成系列产品)1.2.3机电一体化系统(产品)设计方案的常用方法机电一体化系统(产品)设计方案的常用方法在进行机电一体化系统(产品)设计之前,要依据该系统的通用性、可靠性、经济性和防伪性等要求合理地确定系统的设计方案。
拟定设计方案的方法通常有取代法、整体设计法和组合法。
取代法整体设计法组合法1.2.4机电一体化系统(产品)设计与工程路线机电一体化系统(产品)设计与工程路线1、市场调查与预测市场调查与预测是产品开发成败的关键性的第一步。
市场调查市场调查就是运用科学方法,系统地、全面地收集有关市场需求和经销方面的情况和资料,分析研究产品在供需双方之间进行转移的状况和趋势。
市场预测市场预测就是在市场调查的基础上,运用科学方法和手段,根据历史资料和现状,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计、测算和判断,为企业提供决策依据。
定性预测:
定性预测:
在数据和信息缺乏时,依靠经验和综合分析能力,对未来的发展状况作出推测和估计,多采用下述调查法。
走访调研、查资料抽样调查类比调查专家调查通过调查表向专家征询意见。
定量预测定量预测:
运用相关系数法,对影响预测结果的各种因素进行相关性分析和筛选,根据主要影响因素和预测对象的数量关系建立数学模型,对市场发展情况作出定量预测。
它多采用下述方法:
时间序列回归法因果关系回归法预测目标与影响因素之间存在因果关系;产品寿命周期法产品都有一个开发、投产、成长、成熟直至淘汰的过程,整个过程中所经历的时期称为产品的寿命周期,通常分为投入期、成长期、成熟期和衰退期。
2、构思比较机电一体化产品设计应鼓励创新,充分发挥创造力和聪明才智来构思、创造新的方案。
专家调查法头脑风暴法检查提问法检索查表法特性列举法缺点列举法希望列举法3、方案评价对多种构思和多种方案进行筛选,选择较好的可行方案进行组合和概略评价,从中再选几个方案,按照机电一体化水平系统评价原则和评价方法,进行深入的综合分析评价,最后确定实施方案。
4、详细设计根据综合评价后确定的基本方案,从技术上将其细节逐层全部展开,直至完成试制产品样机所需全部技术图纸及文件的过程。
5、基本设计和工程路线产品技术开发产品技术开发目标目标产品构思产品构思评价与审定评价与审定功能与结构功能与结构分析分析软软/硬件分配硬件分配模块化设计模块化设计制造制造/外购外购试制样机试制样机总体性能测总体性能测试试技术评价技术评价总结经验教总结经验教训训可行性论证可行性论证思考题:
思考题:
机电一体化产品开发的基本路线机电一体化产品开发的基本路线第第2章章机电一体化机械系统设计理论机电一体化机械系统设计理论2.1概述2.2机械传动设计的原则2.3机械系统性能分析2.4机械系统的运动控制机电一体化系统中的机械设计要遵循机电结合、机电互补的原则,满足高精度、快速响应速度和稳定性的要求。
具体包括两大部分的内容:
一是机械传动装置的设计,一是机械结构的设计。
机械设计技术机械传动装置设计机械结构设计滚珠丝杠传动无侧隙齿轮传动谐波齿轮传动同步齿形带传动膜片弹性联轴器导轨设计支承装置主
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- 机电 一体化 教学 教案