機電一體第一章總論.ppt

機電一體化,丁問司,華南理工大學 汽車工程學院工程車輛系,目錄,第一章 緒論 第二章 測量系統(tǒng) 第三章 傳感器和轉換器 第四章 信號處理 第五章 干擾與噪聲 第六章 機械電子中的微處理器（單片機、PLC、DSP） 第七章 嵌入式微處理器的設計,第八章 機械電子中的微機控制 第九章 機械電子系統(tǒng)的網絡監(jiān)控 第十章 驅動器和執(zhí)行器 第十一章 電器執(zhí)行元件 第十二章 液壓與氣動執(zhí)行系統(tǒng) 第十三章 機械電子系統(tǒng)的總體設計 第十四章 基于機電控制的生產物流系統(tǒng) 第十五章 機器人技術 第十六章 車輛訓練模擬技術 第十七章 電液流控技術,第一章 概 論,第一節(jié) 機電一體化基本概念 第二節(jié) 機電一體化發(fā)展概況 第三節(jié) 機電一體化產品的構成 第四節(jié) 機電一體化產品的分類 第五節(jié) 機電一體化共性關鍵技術 第六節(jié) 典型機電一體化控制系統(tǒng) 第七節(jié) 機電一體化設計及其工程路線 第八節(jié) 機電系統(tǒng)(產品)設計程序、準則和規(guī)律,第一節(jié) 機電一體化基本概念,起源 定義 各種不同的說法 機電一體化的范疇 內容 關于機電一體化技術附加值,起源,70年代初起源于日本。英文名字Mechatronics, 它取英語Mechanics (機械學) 的前半部分和 Electronics（電子學）的后半部分拼合而成，字面上表示機械學與電子學兩個學科的綜合，我國通常稱為機電一體化或機械電子學。,定義,目前人們對機電一體化存在各種不同的認識，隨著生產和科學技術的發(fā)展，“機電一體化”本身的涵義也還在被賦予新的內容。因此，“機電一體化”這一術語尚無統(tǒng)一的定義。 其基本概念和含義可概括為： 從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，將機械技術、微電子技術、信息技術、控制技術等在系統(tǒng)工程的基礎上有機地加以綜合，實現整個機械系統(tǒng)最優(yōu)化而建立的一門新的科學技術。,各種不同的說法,機電一體化是指機械裝置和電子設備適當地組合起來，構成機械產品或機電一體與機信一體的新趨。 日本機械振興協(xié)會 是機械技術的機械學和電子技術的電子學組合起來的技術進步的總稱。 日經產業(yè)新聞 機電一體化是在機械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進微電子技術，并將機械裝置與電子裝置用相關軟件有機結合而構成系統(tǒng)的總稱。 日本機械振興協(xié)會經濟研究所,機電一體化的范疇,機電一體化是一種新的學術思想，它除了強調機與電的有機結合，還具有更深刻、更廣泛的涵義。 按照機電一體化的思想，凡是由各種現代高新技術與機械和電子技術相互結合而形成的各種技術、產品(或系統(tǒng))都應屬于機電一體化范疇。,因此，目前人們談論的機電液(液壓)一體化、機電光(光學)一體化、機電儀(儀器儀表)一體化以及機電信(信息)一體化等，實質上都可歸結為機電一體化。,機電 一體化 并非是機械技術和電子技術的簡單疊加，而是有著自身體系的新型學科，是以機械、電子技術為主的多門技術學科相互結合發(fā)展的產物。 機電一體化 打破了傳統(tǒng)的機械工程、電子工程、信息工程、控制工程等舊學科的分類方法，形成了融機械技術、電子技術、信息技術等多種技術為一體，從系統(tǒng)的角度分析與解決問題的一門新興的交叉學科。,內容,機電一體化是一個綜合的概念，包含了技術、產品和工程三方面內容。 機電一體化技術 機電一體化產品 機電一體化工程,機電一體化技術,機電一體化技術是指包括技術基礎、技術原理在內的、使機電一體化產品得以實現、使用和發(fā)展的技術。 機電一體化技術是建立在機械技術、微電子技術、計算機和信息處理技術、自動控制技術、傳感與測試技術、電力電子技術、伺服驅動技術、系統(tǒng)總體技術等現代高新技術群體基礎之上的一種高新技術。 機電一體化技術的突出特點在于它在機械產品中注入了過去所沒有的技術信息處理和自動控制。,機電一體化產品,機電一體化產品是指采用機電一體化技術，在機械產品基礎上創(chuàng)造出來的新一代機電產品。 該產品具有高新技術含量，其技術附加值隨機電結合程度的加深而提高。 下圖反映了不同年代的產品技術附加值和技術構成比例的發(fā)展情況。,圖1-1,對機電系統(tǒng)技術附加值的認識,當代產品中，單純機械技術的附加值含量越來越少，而微電子技術的附加值含量卻越來越多。 隨著年代的發(fā)展，這種趨勢還將增加。 但這并不等于說，微電子技術可以脫離機械技術而在機械領域獲得更大的經濟效益，而是意味著，機械技術只有同微電子技術相結合；傳統(tǒng)的機械產品只有向機電一體化產品方向發(fā)展，才是機械工業(yè)發(fā)展的唯一出路。,第二節(jié) 機電一體化發(fā)展概況,在機電一體化這一概念出現之前，世界各國科技工作者已為機械與電子技術的有機結合自覺不自覺地作了許多工作，研究和開發(fā)了不少機電一體化產品，如通信電臺的自動調諧系統(tǒng)、雷達伺服系統(tǒng)，數控機床、工業(yè)機器人等。 70年代初，形成比較完整的機電一體化概念。 此后由于大規(guī)模集成電路技術和微型計算機技術的迅速發(fā)展，在以機械工業(yè)為主的傳統(tǒng)產業(yè)中引發(fā)了一場大規(guī)模的機電一體化技術革命。 目前，機電一體化產品已經滲透到國民經濟和日常工作、生活的各個領域。,典型機電一體化產品,辦公自動化設備：打印機、復印機、傳真機等 醫(yī)療器械：腦CT、核磁共振成像診斷儀、纖維光束內窺鏡等； 機械制造設備：數控機床、工業(yè)機器人、自動化物料搬運車等； 智能交通運輸設備等 家用電器：電冰箱、全自動洗衣機、錄像機等,機電一體化的目的,使產品具有多功能、高效率、高智能、高可靠性 省材料、省能源 使產品向輕、薄、細、小、巧方向發(fā)展 不斷滿足人們生活的多樣化要求和生產的省力化、自動化需求。,發(fā)展,理論基礎：系統(tǒng)工程、控制論和信息論 物質基礎：微電子技術、半導體大規(guī)模集成電路制造技術 發(fā)展趨勢：,相互關系,*一方面微電子技術的發(fā)展促進了機電一體化技術的發(fā)展，另一方面機電一體化技術的發(fā)展也促進了微電子技術的發(fā)展。 例如：大規(guī)模集成電路芯片的制造有賴于超精密機械加工，而超精加工設備本身又是一種計算機控制的自動化設備，即典型的機電一體化系統(tǒng)。 所以說：機電一體化技術的產生，既是機械技術與微電子技術發(fā)展的結果，又是系統(tǒng)工程、控制論和信息論付諸實踐的結果。,發(fā)展趨勢,性能上：向高精度、高效率、高性能、智能化的方向發(fā)展； 功能上：向小型化、輕型化、多功能方向發(fā)展； 層次上：向系統(tǒng)化，復合集成化的方向發(fā)展。,第三節(jié) 機電一體化產品的構成,一、功能構成 目的功能 內部功能 二、機電一體化基本結構要素,目的功能,對輸入的物質、能量和信息(即工業(yè)三要素)進行某種處理，輸出具有所需形式或所需特性的物質、能量和信息，如圖。,內部功能：,產品的目的功能是通過其內部功能實現的。 機電一體化產品具備五種內部功能： 1 主功能 是實現系統(tǒng)目的的直接必需的功能，主要是對物質、能量、信息或其相互結合進行變換、傳遞和存儲。 2 動力功能 是向系統(tǒng)提供動力、使系統(tǒng)得以運轉的功能 3 計測功能 是獲取系統(tǒng)內部、外部信息的功能 4 控制功能 是對整個系統(tǒng)進行控制，使其正常運轉，實施目的功能 5 構造功能 是使構成系統(tǒng)的子系統(tǒng)及元、部件維持所定的時間和空間上的相互關系所必需的功能。 圖1-3表達了CNC(計算機數控)機床的內部功能構成情況。,圖1-3,CNC(計算機數控)機床的內部功能構成情況,二、機電一體化基本結構要素,人體五大要素及其功能的對應關系圖1-4 機電一體化產品的組成要素及其功能的對應關系：圖1-5 機電一體化系統(tǒng)的基本功能要素 功能要素之間的關系,圖1-4,圖1-5,機電一體化系統(tǒng)的 基本功能要素,1.機械本體 2.動力部分 3.檢測部分 4.執(zhí)行機構 5.控制器 6.接口,1.機械本體,包括機械傳動裝置和機械結構裝置. 功能：使構造系統(tǒng)的各子系統(tǒng)、零部件按照一定的空間和時間關系安置在一定的位置上，并保持特定的關系。 要求：高精度、輕量化和高可靠性。,2.動力部分,其功能是按照機電一體化系統(tǒng)的要求為系統(tǒng)提供能量和動力使系統(tǒng)正常運行。用盡可能小的動力輸入獲得盡可能大的輸出，是機電一體化系統(tǒng)的顯著特征。 包括電源、電動機等執(zhí)行元件及其驅動電路。,3.檢測部分,功能是把系統(tǒng)運行過程中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數及狀態(tài)進行檢測，變成可識別信號，送往控制裝置，經過信息處理后產生相應的控制信息。 包括各種傳感器及其信號檢測電路。,4.執(zhí)行機構,功能：執(zhí)行機構是運動部件，它將輸入的各種形式的能量轉換為機械能。根據控制信息和指令完成所要求的動作。 包括機械傳動與操作機構。 常用的執(zhí)行機構可分為兩類：電氣式執(zhí)行機構和液壓式執(zhí)行機構。,電氣式執(zhí)行機構按運動方式的不同又可分為旋轉運動元件和直線運動元件，旋轉運動元件主要指各種電動機，直線運動元件有電磁鐵、壓電驅動器等。 液壓式執(zhí)行部件主要包括液壓缸和液壓馬達等執(zhí)行元件。,5.控制器,控制器是機電一體化系統(tǒng)的核心部分。它根據系統(tǒng)的狀態(tài)信息和系統(tǒng)的目標，進行信息處理，按照一定的程序發(fā)出相應的控制信號，通過輸出接口送往執(zhí)行機構，控制整個系統(tǒng)有目的地運行，并達到預期的性能。 控制器通常是由電子電路或計算機組成。,6.接口,機電一體化系統(tǒng)由許多要素或子系統(tǒng)構成，各子系統(tǒng)之間必須能順利進行物質、能量和信息的傳遞與交換，為此各要素或各子系統(tǒng)相接處必須具備一定的聯(lián)系部件，這個部件就稱為接口。 接口具有保證信號傳遞的邏輯控制功能，使信息按規(guī)定模式進行傳遞。 接口的基本功能：,接口的基本功能:,1. 交換：需要進行信息交換和傳輸的環(huán)節(jié)之間,若信號的模式不同(如數字量與模擬量、串行碼與并行碼、連續(xù)脈沖與序列脈沖等），就無法直接實現信息或能量的交流。通過接口完成信號或能量的統(tǒng)一。 2. 放大：在兩個信號強度相差懸殊的環(huán)節(jié)間，經接口放大，達到能量的匹配。 3. 傳遞：變換和放大后的信號在環(huán)節(jié)間能可靠、快速、準確地交換，必須遵循協(xié)調一致的時序、信號格式和邏輯規(guī)范。,接口分為四種（按輸入輸出功能）,機械接口 根據輸入輸出部位的形狀、尺寸精度、配合、規(guī)格等進行機械聯(lián)接，如聯(lián)軸節(jié)、管接頭、法蘭盤、萬能插口、接線柱、接插頭與接插座及音頻盒等。 物理接口 受通過接口部位的物質、能量與信息的具體形態(tài)和物理條件約束，如受電壓、頻率、電流、電容、傳遞扭矩的大小、氣(液)體成分(壓力或流量)約束的接口。 信息接口 受規(guī)格、標準、法律、語言、符號等邏輯、軟件的約束，如GB、ISO、ASCII碼、RS232C、C、C+、VC、VB、TCP/IP等。 環(huán)境接口 對周圍環(huán)境條件(溫度、濕度、磁場、火、振動、放射能、水、氣、塵)有保護和隔絕作用，如防塵過濾器、防水聯(lián)接器、防爆開關等。,基本功能要素之間的關系：,在機械本體的支持下，由傳感器檢測產品的運行狀態(tài)及環(huán)境變化，將信息反饋給控制及信息處理裝置，控制及信息處理裝置對各種信息進行處理，并按要求控制動力源驅動執(zhí)行機構進行工作。 在結構上，各組成要素通過各種接口及相關軟件有機地結合在一起，構成一個內部合理匹配、外部效能最佳的完整產品。,第四節(jié) 機電一體化產品的分類,按照機電結合程度和形式的不同，機電一體化產品可劃分為： 功能附加型 功能替代型 機電融合型 按服務領域和對象的不同分類：,功能附加型,產品主要特征：在原有機械產品基礎上，采用微電子技術，使產品功能增加和增強，性能得到適當的提高。 主要產品：經濟型數控機床、電子秤、數顯量具、全自動洗衣機等。,功能替代型,產品主要特征：采用微電子技術及裝置取代原產品中的機械控制功能、信息處理功能或主功能，使產品結構簡化，性能提高，柔性增加。 主要產品：如電子縫紉機、數碼相機等用微電子裝置取代了原來復雜的機械控制機構；電子石英鐘、電子式電話交換機等用微處理器取代了原來機械式信息處理機構；線切割加工機床、激光手術器等則因微電子技術的應用而產生的新功能，取代了原來機械的主功能。,機電融合型,產品主要特征：根據產品的功能和性能要求及技術規(guī)范，采用專門設計的或具有特定用途的集成電路來實現產品中的控制和信息處理等功能，使產品結構更加緊湊、成本進一步降低。該產品是機與電在更深層次上的有機結合。 主要產品：傳真機、復印機、攝象機、磁盤驅動器、CNC數控機床等。,按服務領域和對象的不同分類：,第五節(jié) 機電一體化共性關鍵技術,機械技術 檢測傳感技術 信息處理技術 自動控制技術 伺服傳動技術 系統(tǒng)集成技術,機械技術,是機電一體化的基礎。其機械產品與傳統(tǒng)機械產品的區(qū)別在于：結構更簡單，功能更強，性能更優(yōu)越。 現代機械要求具有更新穎的結構、更小的體積、更輕的重量，還要求精度更高、剛度更大、動態(tài)性能更好。為了滿足這些要求，在設計和制造機械系統(tǒng)時，除了考慮靜態(tài)、動態(tài)的剛度及熱變形的問題外，還應考慮采用新型復合材料和新型結構以及新型的制造工藝和工藝裝置。,檢測傳感技術,檢測傳感裝置是機電一體化系統(tǒng)的感覺器官，即從待測對象那里獲得能反映待測對象特征和狀態(tài)的信號。 檢測傳感技術的內容，一是研究如何將各種物理量（如位置、位移、速度、加速度、力、溫度、壓力、流量、成分等）轉換成與之成比例的電量。二是研究對轉換的電信號的加工處理，如放大、補償、標度變換等。,信息處理技術,信息處理技術包括信息的變換、存取、運算、判斷和決策，信息處理大都是依靠計算機來進行的，因此，計算機技術和控制技術是密切相關的。計算機技術包括計算機的軟件技術、硬件技術和網絡通訊技術等。機電一體化系統(tǒng)中主要采用工業(yè)控制機（包括PLC，單、多回路調節(jié)器，單片機等），進行信息處理。,自動控制技術,自動控制技術的目的在于實現機電一體化系統(tǒng)的目標最佳化。自動控制所依據的理論和基礎是自動控制原理（經典控制理論和現代控制理論）。 機電一體化系統(tǒng)中自動控制技術主要包括位置控制、速度控制、力（壓力）控制；PID控制、最優(yōu)控制、模糊控制和自適應控制等。,伺服傳動技術,“伺服”（serve）即“伺候服侍”的意思，就是在控制臺指令的指揮下，控制驅動元件，使機械的運動部件按照指令的要求進行運動，并具有良好的動態(tài)性能。 伺服傳動系統(tǒng)中所采用的驅動技術與所使用的執(zhí)行元件有關。 伺服傳動系統(tǒng)按執(zhí)行元件不同可分為液壓伺服系統(tǒng)和電氣伺服系統(tǒng)兩類。,液壓伺服和電氣伺服的特點：,液壓伺服系統(tǒng)： 優(yōu)點：工作穩(wěn)定、響應速度快、輸出力矩大，低速運行時，具有突出的優(yōu)點。 缺點：需要增加液壓動力源，設備復雜、體積大，維修費用大，還存在環(huán)境污染。 應用：大型設備和有特殊需要的場合。 電氣伺服系統(tǒng)： 優(yōu)點：采用電動機作為伺服驅動元件，控制靈活、費用較小、可靠性高。 缺點：低速時輸出力矩不夠大。,系統(tǒng)集成技術,系統(tǒng)集成技術是以整體的概念來組織、應用各種相關技術的應用技術。即從全局角度和系統(tǒng)目標出發(fā)，先將系統(tǒng)分解成若干功能子系統(tǒng)，對于每個子系統(tǒng)的技術方案都首先從實現整個系統(tǒng)技術協(xié)調的觀點來考慮，對于子系統(tǒng)和子系統(tǒng)之間的矛盾或子系統(tǒng)和系統(tǒng)整體之間的矛盾都要從總體協(xié)調的需要來選擇解決方案。 機電一體化系統(tǒng)是一個技術綜合體，利用系統(tǒng)總體集成技術將各種相關技術協(xié)調配合、綜合運用，最終達到整體系統(tǒng)的最佳化。,第六節(jié) 典型機電一體化控制系統(tǒng),從控制角度分： 1.開環(huán)控制：洗衣機、電烤箱、微波爐、洗碗機開環(huán)控制系統(tǒng)。 2.閉環(huán)控制 從系統(tǒng)傳遞信號的性質分： 1.連續(xù)控制系統(tǒng) 2.離散控制系統(tǒng),開環(huán)控制,定義：沒有輸出反饋的系統(tǒng)。輸入直接送給控制器，并通過控制器對受控對象產生控制作用。 優(yōu)點：簡單、經濟、易維修。 缺點：精度低，對環(huán)境變化和干擾十分敏感。,閉環(huán)控制,閉環(huán)控制系統(tǒng)是具有輸出反饋的系統(tǒng)。其輸出信號的全部或部分被反饋到輸入端（稱為反饋信號），與輸入信號比較后的偏差信號送給控制器，控制器對信號進行處理后產生控制信號，再控制被控對象的輸出。 優(yōu)點：精度高，動態(tài)性能好，抗干擾能力強。 缺點：結構復雜，價格昂貴，不易維修。,連續(xù)控制系統(tǒng),信號在時間上是連續(xù)變化的系統(tǒng)稱為連續(xù)控制系統(tǒng)。 大多數的模擬控制系統(tǒng)。,離散控制系統(tǒng),系統(tǒng)中某處或多處的信號為脈沖序列或數碼形式，信號在時間上是離散的。 例：計算機控制系統(tǒng)。 PWM控制、V-f控制,第七節(jié) 機電一體化系統(tǒng)(產品)的設計流程,首先根據目的功能確定產品規(guī)格、性能指標，這其中包括： 運動參數表征機器工作運動中軌跡、行程、方向和起止點位置正確性的指標。 動力參數表征機器輸出動力大小的指標（力、力矩和功率）。 品質指標用來表征運動參數和動力參數品質的指標，例如如重復定位精度、行程和方向的可變性，速度的高低與穩(wěn)定性，力和力矩的可調性或恒定性等。 另有：工藝性、人機工程、美學、標準化等指標,系統(tǒng)功能部件、功能要素的劃分,應以各構成要素及要素之間的接口為基礎來劃分功能部件或功能子系統(tǒng)，以便在控制上形成若干自由度。因此，也可按運動的自由度劃分成若干功能子系統(tǒng)，再按子系統(tǒng)劃分功能部件。 功能要素或功能子系統(tǒng)的選用或設計是指特定機器的操作(執(zhí)行)機構和機體，通常必須自行設計，而執(zhí)行元件(電或液、氣等驅動元件)、檢測傳感元件和控制器等功能要素既可自行設計也可選購市售的通用產品。,接口的設計,接口問題是各構成要素間的匹配問題。執(zhí)行元 件與運動機構之間、檢測傳感元件與運動機構之間通常是機械接口。機械接口有兩種形式。 一種是執(zhí)行元件與運動機構之間的聯(lián)軸器和傳動軸，以及直接將檢測傳感元件與執(zhí)行元件或運動機構聯(lián)結在一起的聯(lián)軸器(如波紋管、十字接頭等)、螺釘、鉚釘等，直接聯(lián)結時不存在任何運動和運動變換。 另一種是機械傳動機構，如減速器、絲杠螺母等，控制器與執(zhí)行元件之間的驅動接口，控制器與檢測傳感元件之間轉換接口，微電子傳輸、轉換電路。因此，接口設計問題也就是機械技術和微電子技術的具體應用問題。,從系統(tǒng)內部看，機電一體化系統(tǒng)就是由許多接口將系統(tǒng)各要素間的輸入輸出聯(lián)系為一體的系統(tǒng)。從這一觀點出發(fā)，系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于接口的性能，各要素或各子系統(tǒng)之間的接口性能就成為綜合系統(tǒng)性能好壞的決定性因素。 機電一體化系統(tǒng)是機械、電子和信息等功能各異的技術融為一體的綜合系統(tǒng)，其結構要素或子系統(tǒng)之間的接口極為重要，在某種意義上講，機電一體化系統(tǒng)設計歸根結底就是“接口設計”。,綜合評價(或整體評價),對機電一體化系統(tǒng)(產品)的綜合評價主要是對其實現目的的功能、性能、結構進行評價。機電一體化的目的是提高產品(或系統(tǒng))的附加價值，而附加價值的高低必須以衡量產品性能和結構質量的各種定量指標為依據。不同的評價指標可選用不同的評價方法。 具體設計時，常采用不同的設計方案來實現產品的目的功能、規(guī)格要求和性能指標。因此，必須對這些方案進行綜合