机电一体化系统设计-第一章-绪论

课程目录1第一章绪论2第二章机械技术3第三章计算机控制技术4第四章PID控制算法5第五章传感器技术6第六章伺服控制技术8第八章工业机器人技术7第七章组态软件技术第一章目录11.1机电一体化的基本概念21.3机电一体化技术实例-机器人31.2机电一体化技术基本组成41.4机电一体化技术关键技术51.5机电一体化技术发展趋势教学基本要求1、掌握机电一体化的基本概念、基本原理和基本知识。2、掌握常用机电一体化元部件原理、结构、性能和应用。3、了解典型机电一体化系统（产品）的构成、原理、性能和使用。1.1机电一体化的基本概念•什么是机电一体化？1.1机电一体化的基本概念为什么要学机电一体化？1.1机电一体化的基本概念一、机电一体化的基本含义“机电一体化”是机械技术、微电子技术相互交叉、融合的产物。机械技术（机械学机构学）机电一体化技术领域微电子技术（半导体技术、计算机技术）1.1机电一体化的基本概念什么是机电一体化？尽管不断尝试去定义机电一体化,划分机电一体化产品以及开发标准化的机电一体化课程,但在围绕“什么是机电一体化”的完整描述上仍存在分歧。在机电一体化定义上缺乏共识是一个积极的信号，它表明机电一体化是有生命力、朝气蓬勃的学科。即使机电一体化没有一个无可争辩的确切描述，但机电一体化工程师仍能从上面给出的定义和他们亲身经历中理解机电一体化学科的精髓。机电一体化将传感器,执行器,信号调节,电力电子,决策和控制算法,以及计算机硬件和软件有机结合去处理工程系统中的复杂性，不确定性和进行通信。1.1机电一体化的基本概念1.2机电一体化系统基本组成人体功能结构及五大要素的匹配与协调时一种尽善尽美的体现。人体五大要素及其功能的对应关系和机电一体化产品的组成要素分别于图1-1和图1-2头脑内脏手足五官骨骼图1-1人体五大要素1.2机电一体化系统基本组成计算机动力源执行元件传感器机构控制动力源操作检测构造a)机电一体化产品五大要素b）机电一体化产品五大功能图1-2机电一体化产品基本组成要素1.2机电一体化系统基本组成1.2机电一体化系统基本组成•1.机械本体包括机身、框架、机械连接等在内的产品支持结构，属于基础部分，实现产品的构造功能。•2.动力源向系统提供能量，并将输入的能量转化成需要的形式，实现动力功能。1.2机电一体化系统基本组成•3.检测和传感装置包括各种传感器及其信号检测电路，用于对产品运行时内部状态和外部环境进行检测，提供运行控制所需的各种信息，实现计测功能。•4.控制与信息处理装置根据产品的功能和性能要求以及传感器的反馈信息，进行处理、运算和决策，对产品运行施以相应的控制，实现控制功能。1.2机电一体化系统基本组成•5.执行机构包括机械传动与操作机构，在控制信息作用下，完成要求的动作，实现产品的主功能。1.2机电一体化系统基本组成•例如：数控机床属于典型的机电一体化产品（CNC—ComputerNumericalControl）它同样由五大部分（系统）构成。•1）机械系统：数控机床的机械本体部分（机架）、传动部分（齿轮传动）、导向部分（导轨）等是车床的机械结构部分；•2）信息处理系统：数控车床的CPU板，CRT显示器，纸带输入机或键盘及打印机等构成计算机部分；1.2机电一体化系统基本组成•3）动力系统：数控车床的主要动力来源于电能；•4）传感检测系统：数控车床刀具的位置状态，用直线感应同步器或者直线光栅进行检测，直线感应同步器或者直线光栅就是传感器。•5）执行元件系统：数控车床的走刀运动就是利用步进电机或者伺服电机驱动滚珠丝杆完成，所以步进电机或者伺服电机为执行元件。1.3机电一体化实例——机器人介绍1.3.1机器人系统的组成•机器人系统的组成–动态系统建模与分析–反馈控制–传感器和信号处理–执行器和电力电子部件–计算机硬件/计算机接口–计算机编程涉及学科:数学，物理学，生物学，机械工程，电气工程，计算机工程，计算机科学。关键部件机器人基座：固定或移动在制造方面应用的是固定式机器人的例子。这些机器人不能使基座远离正在进行的工作地点。移动式基座通常是和车轮或履带连接的平台.除了车轮或履带，一些机器人采用腿来走动。机器人机构：机械元件连杆曲柄滑块桁架机构传感器:I•人的感觉:视觉，听觉，触觉，味觉和嗅觉为我们提供重要的功能和生存信息•机器人传感器:测量机器人的配置/条件和环境，并且以电子信号形式发送信息到机器人控制器(如手臂的位置，有毒气体的存在)•机器人需要的信息超过人的感觉(如能够在黑暗中看得见,检测微量的无形辐射,测量人眼看不到的太小或太快的运动)视觉传感器:例如拾取箱子，执行检查等。零件拾取:机器人可以通过三维视觉传感器处理随机堆放的工件。由于校准操作不需要特殊的送料器和对准板,能够以较低的成本构造一个自动化系统。传感器:II传感器:III力传感器：如零件的装配和插入、机器人手术中的力反馈。零件装配和插入:机器人可以通过使用力传感器来进行机械零件的精装配和插入。在相位匹配后机器人进入插入零件阶段，但不是简单地插入零件，这能使高技巧工作自动化。传感器:IV例子6个超声波声纳转换器探索广阔、开放的区域；•检测从15厘米到3米范围内的障碍物；•16个内置的红外接近传感器(在5-20厘米范围内);•红外传感器作为一个“虚拟缓冲器”，允许在狭小的空间进行处理。传感器:V倾斜传感器:如用于机器人平衡。例子执行器:I常见的机器人驱动器利用不同的机电设备组合而成：–同步电机–步进电机–交流伺服电机–无刷直流伺服电机–有刷直流伺服电机。执行器:II液压马达气压缸步进电机气压马达小型直流电机舵机控制器提供必要的智能来控制机器人。处理传感信息和计算控制命令来使执行器完成特定的任务。控制器硬件:I计算控制命令的计算引擎。基于STC51单片机基于Arduino开发板控制器硬件:II接口单元:数字控制器与外界(传感器和执行器)的接口硬件。模/数,数/模转换器运算放大器机器人应用行业农业•汽车•建筑•娱乐•保健:医院,病人护理,外科手术,研究等。•实验室:科学，工程等。•执法:监控，巡逻等。•制造业•军事：排雷，监视，攻击等。•采矿，挖掘和探险•交通运输：空中，地面，铁路，空间等。•公用设施：煤气，水和电•仓库1.3.2机器人能做什么?工业机器人物料搬运•物料传输•机器装卸•点焊•连续弧焊•喷涂•装配•检查装配机器人1.3.2机器人能做什么?太空机器人1.3.2机器人能做什么?太空机器人1.3.2机器人能做什么?危险环境中的机器人搜救机器人高压测试机器人1.3.2机器人能做什么?医疗机器人外科手术机器人1.3.2机器人能做什么?家用机器人送餐机器人擦窗机器人地面清洁机器人1.4机电一体化的技术体系机电一体化技术是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、伺服传动技术、电力电子技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程的一种高新技术。一、机械技术1.内涵：指机械结构的设计与制造。2.作用：完成机电一体化系统间的连接以及如何与机电一体化的其它技术相适应，并利用其它技术来更新概念，从而实现在结构、材料、性能上的变更，以满足减少重量、缩小体积、提高精度、提高刚度、改善性能的要求。1.4机电一体化的技术体系二、信息处理技术（计算机与信息处理技术）1.内涵：信息的变换、存取、运算、判断和决策计算机的软件技术和硬件技术、网络与通信技术、数据库技术等。此外，人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等也属于该范畴。2.作用：是促进机电一体化技术发展和变革的最活跃的因素。1.4机电一体化的技术体系三、检测与传感器技术1.内涵：研究如何将各种物理量转换成与之成比例的电量；研究对转换的电信号的加工处理。2.作用：传感与检测装置是机电一体化系统的感觉器官，它与信息系统的输入端相连，并将检测到的信号输送到信息处理部分，是实现自动控制、自动调节的关键环节。1.4机电一体化的技术体系四、自动控制技术1.内涵：基本控制理论，对具体控制装置或系统的设计，设计后的系统仿真、现场调试、投入运行。2.作用：实现机电一体化系统的目标最优化，提高产品的精度、效率。1.4机电一体化的技术体系五、伺服驱动技术•1.内涵：机电一体化产品中的执行元件和驱动装置设计中的技术。•2.作用：伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件。执行元件一方面通过接口电路与计算机相连，接受控制系统的指令；另一方面通过机械接口与机械传动和执行机构相连，以实现规定的动作。伺服驱动技术对机电一体化产品的动态性能、稳定性能、操作精度和控制质量等具有决定性的影响。1.4机电一体化的技术体系1.4机电一体化的技术体系•1.内涵：机电一体化产品中人机交互技术。•2.作用：能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程制作、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。六.工业组态软件技术七、系统整体技术1.内涵：以整体的概念，组织应用各种相关技术的应用技术。2.作用：通过分析、评价、综合等措施，优选出最佳的功能技术方案。1.4机电一体化的技术体系1.5机电一体化发展趋势机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。1.5机电一体化发展趋势1、绿色化机电一体化技术的使命是要能提供一种高性能、高原料利用率、低能耗、低污染、环境舒适和可回收的智能化机械产品，即提供一种能满足可持续性发展的绿色产品。机电一体化产品的绿色化主要是指使用时不污染生态环境,报废后能回收利用。1.5机电一体化发展趋势这款可口可乐罐设计从绿色设计出发，取消了可乐罐表面的有害涂漆，而是把其标志设计成冲压凸起，视觉效果同样震撼，而且更为环保。1.5机电一体化发展趋势•华硕U6V竹韵笔记本是选择天然竹材制作笔记本外衣，它是非常优异的绿色材料；可降解的有机特质，更是对于减少环境污染有着天然的优势1.5机电一体化发展趋势2、智能化智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能系统是一个知识处理系统,它包括知识表示、知识利用和知识获取三个基本问题,其最终的目标是模拟人的问题求解、推理、学习。1.5机电一体化发展趋势1.5机电一体化发展趋势3.网络化例如：家庭网络(homenet)将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统(computerintegratedappliancesystem,CIAS)。物联网（InternetofThings）。1.5机电一体化发展趋势三室一厅房屋平面图1.5机电一体化发展趋势智能家居组成和功能1.照明控制系统：提供灯光的调光、场景网络化控制；2.家居安防系统：通过各种传感器与安防模式，实现防盗、防灾与求助；3.电器控制系统：包括红外家电控制、连接网络家电等功能；4.室内无线遥控：通过无线射频、红外遥控等手段，对全家设备进行遥控。5.环境控制系统：对窗帘、通风设备、采暖设备、空调器等进行统一管理；6.日程管理系统：可在不同的时刻，让各子系统发出动作或者执行场景7.电话远程控制：通过电话、手机，甚至短信，随时随地控制家中设备；8.互联网远程监控：经由网页浏览器，就可以远程控制家庭设备；9.网络视频监控：通过浏览器，在办公室就可以看到家中的情景；1.5机电一体化发展趋势4.微型化微型化兴起于20世纪80年代末,是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活,可进入一般机械无法进入的空间，并易于进行精细操作，因此在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。1.5机电一体化发展趋势1.5机电一体化发展趋势5.模块化模块化设计与制造是机电一体化系统的基本方法和发展趋势。随着微处理器性能价格比的迅速提高和微机械电子（MEMS）技术的飞速发展，各种机电一体化模块将越来越多地出现在市场上。模块化机械模组模块化PLC模组1.5机电一体化发展趋势