机电一体化系统设计概述课件

概述要点：(1)机电一体化的发展历史与趋势(2)机电一体化的含义(3)机电一体化系统的组成(4)机电一体化系统的设计步骤1.1机电一体化的发展历史与趋势(1)机电一体化发展史•1946年，第一台用真空管制作的计算机ENIAC在美国问世。•1948年，控制论创立。•1952年，第一台数控机床在美国研制成功。•1962年，第一台工业机器人在美国研制成功。•1969年，世界上公认的第一台PLC在美国数字设备公司（DEC）研制成功。•20世纪70年代，微处理器出现。•20世纪70年代，Mechatronics在日本出现，并出版以此命名的学术刊物。•日本将机电一体化技术的发展作为国家产业政策以法律的形式确定下来。日本的机电一体化技术是世界上最先进的。(机器人、机床、电气设备)•20世纪80年代，美国出现FMS、CIMS、FA等先进的现代机械系统。(2)机电一体化发展趋势•光机电一体化•柔性化•智能化•微型化•网络化•仿生物系统化1.2机电一体化的含义机电一体化是一种用于机电产品最优化设计的方法学。1什么是机电一体化？机电一体化由多个组成要素组成，不同要素的设计次序导致不同的设计效果。1+1＞2？1+1=2？1+1＜2？2如何理解方法学？机电一体化的设计方法并行、协同串行先设计机械系统，然后用控制系统来改进和完善机械系统的性能。机械系统确定后，所有的问题都由电气系统来完成。顺序设计、各自为政。用系统工程的方法论，在产品总体设计时，将机械系统、电气系统和控制系统综合起来考虑，优势互补。合理分工、协同作战。机电一体化的其他含义(1)机电一体化是在机构的主功能、动力功能、信息与控制功能上引进了电子技术，并将机械装置与电子设备以及软件等有机结合而成系统的总称。(日本机械振兴协会经济研究所)(2)由计算机网络协调与控制的、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。(ASME)(3)机电一体化是光、机、电一体化的综合技术，它包括机械、电工电子、光学及其不同技术的组合。其核心是精密机械工程技术。(德国工程师协会)(4)在工业产品和工程的设计和制造中，机械工程与电子和智能计算机控制的协同集成。(IEEE/ASME)1.3机电一体化的构成机电一体化机械系统电气系统计算机系统信息系统1机电一体化的组成要素从某种意义上讲，机电一体化技术就是解决接口的技术。不同系统之间要进行信息流、能量流和物质流的交换，需要互相匹配。接口包括广义接口和狭义接口。根据接口的输入／输出功能，接口分：•机械接口•物理接口•环境接口•信息接口•人机接口2机电一体化系统的子系统信息系统包括信息传输的所有方面，从信号处理到控制系统和分析技术。建模与仿真(1)信息系统自动控制系统优化建模：用数学方程或逻辑的集合来描述真实系统行为的过程。建立机电一体化系统模型，需要用不同的定律，如机械系统建模主要基于牛顿力学定律。仿真：建立了系统模型后，需要求解输入／输出的关系，即得到模型的解。系统模型一般都是微分方程，比较难获得解析解。只能用计算机求取模型的数值解。这个过程就叫仿真。仿真过程包括初始化、迭代和终止。建模与仿真自动控制机械式调速系统的发明，引导科学家去研究该速度控制系统的稳定性。１８６８年，Maxwell在其论文“关于调速系统的研究”中，证明了速度控制系统稳定性的必要条件，也论证了充分条件。Maxwell的学友EdwardJohnRouth也证明了速度控制系统稳定性的充分条件。从而解决了控制系统的不稳定性问题。瑞士国立工科大学数学教授A.Hurwitz从理论上解析了不稳定性的原因。Hurwitz和Routh殊途同归地证明了控制系统的稳定性条件，被后人称之为Routh－Hurwitz稳定性判据。１９２７年，贝尔实验室发明了电子反馈放大器，使机电结合起来。微处理器和晶体管的出现，使机电控制系统大量应用。机电一体化系统的核心是伺服系统。也就是负反馈控制系统。分析该系统的数学工具就是传递函数。１９４０年，Bode图作为设计工具出现。负反馈控制系统的作用：减弱参数变化和扰动带来的影响，增强动态跟踪能力。G(D)H(D)-+RYE反馈回路前向回路ch1绪论：机电一体化的构成()1()()YGDRGDHD传递函数基本反馈系统BFS外部输入变量R控制变量E受控变量Y00()()1(()())()YGDGDRGDGDHD0(()())()1GDGDHD1()YRHD用控制器进行设计假定系统内部参数或外部干扰，导致出现偏差，则控制系统的传递函数为：ch1绪论：机电一体化的构成反馈是如何消除扰动的影响G(D)C(D)-+RYE执行器传感器++W()()1()()YCDGDRGDCD11()()YWGDCD()()1GDCD1YR0YW系统优化：以系统的设计参数为变量，建立目标函数。其中系统关系和资源约束作为目标函数的约束条件。通过计算机求解，寻找在约束条件下的目标函数值最小化的设计参数。机电一体化是多系统耦合的，建立整个系统的优化是非常困难的。只能进行子系统的局部优化，然后根据各种综合因素，选择整体最优的系统设计参数。系统优化优化设计的数学模型由设计变量、目标函数和约束条件三部分组成，可写成如下形式：求变量123,,,...,nxxxx使极小化函数12(,,...,)nfxxx满足约束条件12(,,...,)0(1,2,...,)ungxxxum12(,,...,)0(1,2,...,)ngxxxp机械系统是机电一体化系统的基础。它提供系统所需的机构和结构支持。机械系统考虑力作用下物体的特性。机械系统分为：(2)机械系统刚性系统可变形系统可流动系统机电一体化主要考虑刚性系统。分析机械系统，主要依据6个原则。牛顿第1定律牛顿第2定律牛顿第3定律牛顿万有引力定律平行四边形法则力传递原理电气系统包括通信系统和电源系统。通信系统主要以低能量的电信号形式在各点之间传递信息。电源系统主要是传递电能。(3)电气系统电气系统的分析基于3个基本量：电流、电压和电荷。电气系统分析工具：基尔霍夫电流和电压定律。电流定律：流入任一节点的电流之和等于0。电压定律：闭合回路中所有压降之和等于0。计算机系统包括硬件和软件２部分。硬件是基础，软件是灵魂。硬件：PC、嵌入式系统、可编程控制器PLC软件：系统软件和应用软件。系统软件主要是实时和非实时操作系统。(4)计算机系统应用软件是针对具体应用开发的软件，编程语言为汇编语言、C语言等。也可以用组态软件、第三方插件等进行应用软件开发。传感器用来检测机电一体化系统的内、外环境，提供反馈信息。精度和可重复性是关键因素。机电一体化的传感器主要用来测量力、位置、速度和加速度等物理量。传感器向智能化、微型化、数字化方向发展。(5)传感器与执行器传感器是环境信息和机电系统内部信息的检测装置，是系统实现闭环控制的关键。没有可靠的、高精度的传感器，就没有高精度的控制系统。执行器将电气输入转化为机械输出。执行器电动执行器（步进、交直流、电磁铁）流体动力执行器（液压、气动）新型执行器（记忆合金、压电等)(6)信号变换与实时接口模拟信号数字信号频率信号传感器信号A/D信号调理计算机信号调理模拟信号D/A１.４机电一体化的设计过程ch1绪论：机电一体化支持技术示例齿轮传动的特征——外啮合、内啮合直齿圆柱齿轮齿轮传动的特征——齿轮/齿条传动齿轮传动的特征——斜齿、人字齿轮传动（内啮合、外啮合及齿条）齿轮传动的特征——(直齿)圆锥齿轮或伞齿轮齿轮传动的特征——（曲齿）圆锥齿轮或伞齿轮ch1绪论：常见机电一体化机械装置齿轮传动的特征——螺旋齿轮；蜗杆蜗轮两轴相互交错，小齿轮的齿数特别少，且齿绕轮面一周以上，成螺杆状。且只能是蜗杆主动。单一齿轮与斜齿轮完全相同，但螺旋齿轮的两轴部平行而交错在任意位置螺纹三角形螺纹螺纹的规格要符合ISO(国际标准化组织)标准，以保证互换性。两个部件之间的固定，主要用三角形螺纹，标准与否，用下列标准化尺寸来衡量：1)螺纹外径（公称尺寸）2)螺纹角度（60°）3)螺距ISO标准的螺钉头上有“M”或“.”标记预钻孔尺寸，取螺钉公称尺寸的0.8~0.85倍滚珠丝杠机电一体化的电路知识（1）Ⅱ三端稳压源Ⅰ电源计算机或接口控制电路都要用集成电路(IC—integratecircuit)，如晶体管—晶体管逻辑电路(TTL)或互补金属氧化物半导体(CMOS)电路，所以需要直流5V作为电源。Ⅲ电阻机电一体化的电路知识（1）——Ⅲ电阻机电一体化的电路知识（1）——Ⅲ电阻额定功率P=I2R=V2/R=IV(W)通常用的电阻额定功率为0.125~5W左右；电阻器的额定功率电阻器的消耗功率实际上，要取2~2.5倍冗余量可变电阻电位器命名：103电阻阵列(集成电阻/电阻排)机电一体化的电路知识（2）Ⅰ晶体管晶体管的形状发射极E；集电极C；基极B机电一体化的电路知识（2）Ⅰ晶体管晶体管辨别方法A.PNP型和NPN型三极管的判别：用测二极管的档位，仅有一管脚能与另两个管脚导通，则该管脚为正则=NPN；为地则=PNP;且为基极BB.电极判别：已知管型和基极后直接插入万用表中,正确时,显示数字几十C.锗、硅管的判别：锗管偏压为0.2~0.3伏；硅管则为0.6~0.8伏EBCNPN型EBCPNP型NPNPNPECBCBE**PNP50k50~100k**V机电一体化的电路知识（2）Ⅱ二极管Ⅲ发光二极管发光二极管(LED)具有正向通过10mA左右电流时就发光的性质。测量方法与二极管相同。也可通过外观来判断。Ⅳ电容器有极性电容器(电解电容器)——铝电解、钽电解及铌电解无极性电容器(中小容量电容器1F)电容器容量的表示A.直标法3p3=3.3pF;3m3=3300F;B.色标法(同电阻器)可编程序控制器可编程序控制器PC(ProgrammableController)又称可编程逻辑控制器PLC(ProgrammableLogicController),是微机与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微机为核心用作数字控制的专用计算机。PLC的基本结构：A.CPU接收从编程器输入的用户程序，并存入程序存储器中；用扫描方式采集现场输入状态和数据，并存入相应的寄存器中；执行用户程序—逐条取出，经过解释后逐条执行可编程序控制器—PLC的基本结构：B.存储器系统程序存储器(ROM/EPROM)；用户程序存储器(RAM)(说明书中所说的容量，且以字为单位)；变量(数据)存储器C.输入/输出接口(I/O接口)输入接口：采集现场各种开关接点的状态信号，并转换成标准逻辑电平。如有模拟量需输入，则需使用A/D,…可编程序控制器—PLC的基本结构：C.输入/输出接口(I/O接口)输出接口：晶体管输出方式—支流负载；晶闸管输出方式—交流负载；继电器输出方式—交、直两用可编程序控制器PLC的基本工作原理：每执行一遍所需的时间称为扫描周期。PLC的扫描周期通常为几十msPLC的主要特点：应用灵活、扩展性好；操作方便；标准化的硬件和软件设计、通用性强完善的监视和诊断功能控制功能强可适应恶劣的工业应用环境体积小、重量轻、性能/价格比高、省电可编程序控制器PLC的基本工作原理：可编程序控制器PLC内部等效继电器电路PLC内部有很多存储器，一个存储单元由8位触发器器组成，一个触发器等效为一个继电器，等效继电器的通断由软件控制，故也可叫软继电器。用户使用这些软继电器，通过编程来实现所需要的逻辑控制功能。表中，地址编号采用三位8进制数表示,前两位为存储器单元地址，第三位为存储器的位地址可编程序控制器—PLC内部等效继电器电路梯形图中等效继电器的表示符号有多种，没有统一规定…可编程序控制器—PLC内部等效继电器电路①输入继电器(X)②输出继电器(Y)③时间继电器(T)：又称定时器，定时值K为0.1s~999s;右图为输出比输入延时19s断开。④计数继电器(C):亦称计数器，它可