第1章机电一体化概论.ppt

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1、2019/2/13,1,机电一体化系统设计,东北大学机械工程与自动化学院 机械电子工程研究所,宋伟刚 教授,2,第1章 机电一体化概论,1.1 机电一体化的概念 1.2 机电一体化技术的分类 1.3 机电一体化的相关技术 1.4 机电一体化设计方法 1.5 机电一体化产品的设计开发步骤,3,1.1 机电一体化的概念,1.1.1机电一体化的概念 机电一体化技术(机械电子技术)Mechatronics 机械技术、电子技术、信息技术的结合,4,发展的结果,电子技术， 分离电子元件，集成电路(IC)， 大规模集成电路(LSI)，超大规模集成电路(VLSI),5,从机械产品到机电一体化产品的4个阶段,6

2、,7,机电一体化的概述,1971年日本机械设计副刊特集 Mchanics + Electronics = Mechatronics 机电一体化的基本含义 日本 “将机械装置与电子设备以及软件等有机结合而成系统”； 美国 “由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等多动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统； 德国 “包括机械(含液压、气动及微机械)、电工与电子、光学及其不同技术的组合”。,8,1.1.2 机电一体化技术的发展,(1)微电子器件的发展 集成度越来越高 单片集成达 1.4亿个元器件 门阵列达200万500万门阵列 可编程逻辑器件PLD,门阵列是指一种预先

3、在芯片上整齐地生成由“与非”门或者“或非”门等基本单元组成的基阵列，然后随时根据用户的需要在各基本单元之间进行布线，以实现具有逻辑处理功能的集成电路。,9,(2) 微控制器的发展,采用双CPU结构提高处理能力 增加数据总线的宽度 采用串行总线结构 采用流水线结构 双单片机结构,10,(3) 先进制造技术 (AMTAdvanced Manufacturing Technology),先进制造技术是传统制造技术与信息技术、综合自动化技术和现代企业管理技术有机结合而产生的高技术群。 先进制造技术的核心是制造系统集成技术，它正在由企业内部信息的集成(计算机集成制造系统CIMS)逐步向产品开发过程的集成

4、(并行工程)和企业间的集成(敏捷制造AMAgile Manufacturing)。,11,(4) 并行工程 (CEConcurrent Engineering),在产品开发过程中传统的方式是串行方式。 并行工程(CE)即并行设计，要求产品开发人员在设计一开始就考虑到产品整个生命周期的各种因素，并行地集成地进行产品设计，使产品设计一次成功。它包括产品设计、工艺设计、工装设计、装配设计，并强调各项设计是集成设计，一体化设计。,12,并行设计的两种方法,(1)小组化方法 成立由相关专业人员组成的并行设计小组，在计算机集成环境下相互协作、共享信息。 (2)计算机化方法 利用不同功能的一组应用程序(专家

5、系统)来代替相应的专业人员，与设计者组成虚拟的并行工作小组,13,(5) 计算机集成制造系统(CIMS),CIMS 包含的内容 自动化技术 信息技术 计算机网络及数据库 完成的任务 全部生产活动所需要的各种分散自动化系统有机地结合在一起 完成从采购原料到售出产品的一系列生产过程的高效益、高柔性的制造系统。,14,(6) 微机械加工与微机械,微机械加工技术：容积硅微加工、金属电镀、立体电沉积、电火花线切割、激光加工等 例如：美国加州大学的60m的静电马达； 日本精工的小于1cm3的自行走机器人(包括97个零件)，重仅为1.5g； 日本东芝的机器人1cm3，重仅为2g； 长春光机所的3mm微电机；

6、 上海交大的2mm微电机。,15,(7)虚拟现实技术,虚拟现实(Virtual Reality)是一种高级的人机交互系统，它采用高性能的计算机和先进的电子技术产生逼真的视、听、触、力环境，给人以身临其境的感觉。 采用计算机图形仿真技术或立体摄像技术产生虚拟景物；用三维位置传感器跟踪人体的运动；用数据手套感知虚拟物体的几何、物理性质，并对他们进行操作；用立体声发声器产生虚拟声音 。,16,17,(8) 智能材料系统(智能结构),智能材料作为传感系统、信号处理与控制系统、驱动系统，将其植入工程结构，使设备具有智能功能。例如健康的自诊断、环境的自适应、损伤的自修复。 应用在大型空间结构振动主动控制；

7、机敏自适应机翼形状控制；飞机与潜艇结构声的主动控制。,18,机电一体化系统的构成,1.1.3,19,机电一体化系统的构成,五块论 德国Drmstadt大学的Rolf Isermann 控制功能、动力功能、传感检测功能、操作功能、结构功能等五大功能模块组成 三环论 丹麦理工大学的Jacob Baur等 机械、电子、软件三个相关圆环，以此表示了机电一体化系统的组成和相互关联。 两个系统 挪威科技大学的Bassam A Hussein 物理系统与控制系统两大子系统。物理系统包括各种驱动装置、执行机构、传感器等；控制系统包括软、硬件。,20,1.1.4 机电一体化的意义,(1)功能增强 (2)提高精度

8、 (3)结构简化 (4)可靠性提高 (5)改善操作 (6)提高柔性,21,1.2 机电一体化技术的分类,1.2.1 机电一体化技术的分类 生产过程的机电一体化：连续生产过程的机电一体化 (以化工生产流程为代表) 离散制造过程的机电一体化 (以机械制造为代表) 机电产品的机电一体化：原机电产品的改造 用硬件和软件取代部分结构 设计全新的产品,22,1.2.2 机械制造过程的机电一体化,机械制造过程的机电一体化 设计过程自动化 产品加工、装配、检验的自动化 生产经营管理的自动化等 高级形式是计算机集成制造系统(CIMS)。,23,(1) 计算机辅助设计 (CADComputer Aided Des

9、ign),CAD是指用计算机进行产品设计的全过程，他包括：资料检索、方案构思、计算分析、工程绘图和编制文件等。 计算分析的方法主要有：优化设计、有限元分析，计算机仿真等； CAD的目的是设计过程的自动化。 广义的CAD还包括计算机辅助工艺设计(CAPP) 。,24,(2) 计算机辅助工艺过程设计 (CAPPComputer Aided Process Planning),CAPP是指在计算机系统的支持下，根据产品设计要求选择加工方法、确定加工工序、分配加工设备、安排加工刀具的整个过程。 CAPP的目的是实现生产准备工作的自动化。 CAPP可看作CAM的一个组成部分 。,25,(3) 计算机辅助

10、制造 (CAMComputer Aided Manufacturing),CAM是指在机械制造过程中利用计算机通过各种设备(如数控机器人、加工中心、数控机床、传送装置等)自动完成机械产品的加工、装配、检测和包装等制造过程，包括CAPP和NC编程。 狭义的CAM仅指NC编程。,26,(4) CAD/CAM集成系统,CAD，CAPP，CAM在网络、数据库环境下相互结合。 CAD，CAPP，CAM 查询和修改设计可以提高工效2025倍； 计算可以提高工效510倍； 设计可以提高工效5倍以上 。,27,(5)柔性制造系统 (FMSFlexible Manufacturing System),FMS是计

11、算机化的制造系统 主要由计算机、数控机床、机器人、托盘、自动搬运小车和立体仓库等组成 可以随机地、实时地按照生产要求，在生产能力范围内的任何任务。,28,(6) 柔性制造单元 (FMCFlexible Manufacturing Call),FMC是一种柔性加工生产设备，是FMS向廉价化、小型化发展的产物。 FMC至少由一台数控机床(加工中心)，自动上、下料装置和刀具交换装置组成。它特别适合于中小型企业。,29,(7)计算机集成制造系统,(1)生产经营管理分系统(PBS) (2)工程设计分系统(EDS) (3)制造自动化分系统(MAS) (4)计算机网络与数据库分系统,30,CIMS各功能分系

12、统的集成,31,1.2.3 机电产品的机电一体化,机电产品的机电一体化又称为单机的机电一体化。 机电一体化产品的构成 (1)机械本体骨骼 (2)传感器感觉器官 (3)信息处理及控制器大脑 (4)执行机构手足,32,33,1.3 机电一体化的相关技术,(1)机械技术 (2)传感技术 (3)信息处理技术 (4)接口技术 (5)伺服驱动技术 (6)系统总体技术,34,1.4 机电一体化设计方法,1.4.1 模块化设计方法 要素分解；功能分解 并行设计；选用标准模块 1.4.2 柔性化设计方法 设计标准模块； 通过软件实现柔性,35,1.4.3 取代设计方法,取代设计方法又称为机电互补设计方法。 利用

13、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 (1)用电力子器件或部件与电子计算机及其软件相结合取代机械式变速机构 (2)用PLC(控制器)取代传统的继电器控制柜 (3)用计算机及其控制程序取代凸轮机构、插销板、拨码盘、步机开关、时间继电器等 (4)用数字式、集成式(或智能式)传感器取代传统的传感器,36,1.4.4 融合设计方法,数粒机,37,1.4.5 优化设计方法,(1)机械技术和电子技术的综合与优化 数学规划法、最优控制理论和方法、遗传算法、神经网络等 (2)硬件和软件的交叉与优化 开发速度、成本、性能要求、实时性 (3)机电一体化产品的整体优

14、化 数学规划方法,38,1.5 机电一体化产品的开发步骤,1.5.1 可行性研究 (1)技术可行性 (2)市场需求 (3)市场竞争能力 (4)人员素质情况,39,1.5.2 初步设计,(1)系统的总体结构方案设计； (2)系统的功能及技术性能设计； (3)确定信息模型和信息间的联系： (4)提出系统集成的内部和外部接口要求： (5)找出关键技术，逐一提出每个关键技术的解决方案； (6)确定系统配置； (7)确定实施进度计划； (8)提出经费预算； (9)进行技术经济效益分析；(10)编写初步设计报告。,40,1.5.3 详细设计,(1)机械本体设计 (2)接口设计 机械接口、传送接口、转换接口

15、、电气接口；软件接口、硬件接口 (3)微控制设计与制作步骤,41,(3)微控制设计与制作步骤,设计任务书； 制定系统总体方案； 选择单片机及其扩展芯片； 硬件系统设计； 绘制印刷电路板； 制作印刷电路板； 焊接插座及元件，组成系统； 软件设计；硬件调试； 软件调试；现场调试；脱机运行。,42,参考书,1刘杰主编，机电一体化技术基础与产品设计，冶金工业出版社，2002 2胡汉才编著，单片机原理及其接口技术，清华大学出版社，1996 3凌澄主编，PC总线工业控制系统精粹，清华大学出版社，1998 4孙廷才等，工业控制计算机组成原理，清华大学出版社，2001 5李世卿主编，自动控制系统，冶金工业出版社，1987 6 张建民等编著，机电一体化系统设计，北京：高等教育出版社，2001,