机电一体化设计.docx

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机电一体化设计

⏹机电一体化设计

⏹绪论

⏹1.1基本概念

⏹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。

⏹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

⏹机电一体化一般包含机电一体化产品（系统）和机电一体化技术两层含义。

⏹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、CAD／CAM系统等。

⏹

⏹1.3机电一体化系统的构成

⏹1.3机电一体化系统的构成

⏹1.4共性关键技术

⏹1检测传感技术

⏹2信息处理技术

⏹3自动控制技术

⏹4伺服驱动技术

⏹5机械技术

⏹6系统总体技术

⏹6、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

⏹1.5机电一体化系统设计

⏹一、市场调研

⏹二、总体方案设计

⏹三、详细设计

⏹四、样机试制与试验

⏹五、小批量生产

⏹六、大批量生产

⏹一、市场调研

⏹市场调研包括市场调查和市场预测。

所谓市场调查就是运用科学的方法，系统地、全面地收集所设计产品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，而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做出预计、测算和判断，为产品的方案设计提供依据。

⏹二、总体方案设计

⏹1．产品方案构思

⏹产品方案构思完成后，以方案图的形式将设计方案表达出来。

方案图应尽可能简洁明了，反映机电一体化系统各组成部分的相互关系，同时应便于后面的修改。

⏹2．方案的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分析组合和评价，从中再选几个方案按照机电一体化系统设计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。

⏹三、详细设计

⏹详细设计是根据综合评价后确定的系统方案，从技术上将其细节逐层全部展开，直至完成产品样机试制所需全部技术图纸及文件的过程。

⏹四、样机试制与试验

⏹　完成产品的详细设计后，即可进入样机试制与试验阶段。

根据制造的成本和性能试验的要求，一般制造几台样机供试验使用。

样机的试验分为实验室试验和实际工况试验，通过试验考核样机的各种性能指标是否满足设计要求，考核样机的可靠性。

如果样机的性能指标和可靠性不满足设计要求，则要修改设计，重新制造样机，重新试验。

如果样机的性能指标和可靠性满足设计要求，则进入产品的小批量生产阶段。

⏹五、小批量生产

⏹　　产品的小批量生产阶段实际上是产品的试生产试销售阶段。

这一阶段的主要任务是跟踪调查产品在市场上的情况，收集用户意见，发现产品在设计和制造方面存在的问题，并反馈给设计、制造和质量控制部门。

⏹六、大批量生产

⏹　　经过小批量试生产和试销售的考核，排除产品设计和制造中存在的各种问题后，即可投入大批量生产。

⏹1.6机电一体化对机械工业的影响

⏹1提高性能、扩展功能

今日的数控机床充分发挥计算机的威力，运用

时间序列分析和精度创成等理论建立数学模型。

已有可能实时预报包括随机误差在内的机床误

差，然后自动校正，从而达到前所未有的精度。

采用对阻尼进行预报，一旦接近临界值时就自动

调整切削用量，这又可能出现永不颤振的机床，

保证很高的生产率和良好的加工表面。

⏹3提高可靠性

⏹在提高电子元件质量、可靠性的前提下，机电一体化产品可以提高耐久性，减少故障率。

另一方面由于赋予其自动监视诊断功能，并采取安全联锁控制，过负荷和失控保护、停电对策，提高了设备的安全可靠性。

⏹4节约能源

⏹例如目前我国各类电风扇年产量在200万台左右，如每台电扇的调速器和定时器（现常用电磁机械式）用电子调速器和定时器代替，估计每台风扇可节电5W以上，全年以用扇100天，每天开扇6h计，则每年可节约用电量600万kW·h，还可节省大批铜材和钢材。

⏹再如传统的电焊机以电磁原理和手工操作为基础，即使是一般的自动电焊机，其动作过程也仅为简单的机械动作和相应的控制。

这类电焊机耗能多、效率低、质量不易保证。

采用微型机技术后，发展新颖的电子控制电源以取代传统的焊接电源，实现焊接电源的节能、高效、小型化、多样化。

⏹5操作改善

⏹如传统车削到数控车削的转变

⏹1.7机电一体化的发展趋势

⏹1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。

人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。

这里所说的“智能化”是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。

2模块化

⏹由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。

这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。

由于利益冲突，近期很难制定国际或国内这方面的标准，但可以通过组建一些大企业逐渐形成。

显然，从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业，规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。

3网络化

⏹20世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网

络技术。

机电一体化新产品一旦研制出来，只要其

功能独到，质量可靠，很快就会畅销全球。

由于网

络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方

兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体

化产品。

因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方

向发展。

⏹4微型化

⏹微型化兴起于20世纪80年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。

国外称其为微电子机械系统（MEMS），泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。

微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。

微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术，微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。

⏹5系统化

⏹系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步

⏹采用开放式和模式化的总线结构。

系统可以灵活组

⏹态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统

⏹协调控制和综合管理。

表现之二是通信功能的大大

⏹加强，一般除RS232外，还有RS485等等

⏹第2章机械系统设计

⏹机械系统是机电一体化系统的最基本要素，它包括执行机构、传动机构和支撑机构等，用于完成指定的动作、传递功率、运动或者信息

⏹2.1机械系统数学模型的建立

⏹在机械系统设计时，除了考虑一般机械设计要求外，还必须考虑机械结构因素和整个伺服系统的性能参数、电气参数匹配，才能获得良好的机电产品性能。

⏹性能参数设计与模型分析有直接关系

⏹例子：

机械移动系统数学模型建立

⏹基本元件：

质量m，阻尼c，弹簧k

⏹建立模型的数学原型：

牛顿第二定律

⏹根据简化后的力学模型

⏹由牛顿第二定律，可以

⏹获得系统的运动方程：

⏹经过Laplace变换，得到

⏹传递函数：

⏹系统数学模型的简化

⏹模型简化的基本思路是将复杂的、分布的参数折算到某一部件（一般为中心部件）上，然后按照单一部件对系统进行建模。

⏹建模的核心问题在于各个分散参数的统计和这些物理量的折算。

⏹根据数学模型的准确程度，一般会对各个参数进行取舍，从而获得一个既能基本反映系统基本特性，又便于数学处理的模型。

⏹2.2机械传动系统的特性

⏹为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，通常对机电一体化系统提出以下要求：

⏹

（1）高精度

⏹精度直接影响产品的质量，尤其是机电一体化产品，其技术性能、工艺水平和功能比普通的机械产品都有很大的提高，因此机电一体化机械系统的高精度是其首要的要求。

如果机械系统的精度不能满足要求，则无论机电一体化产品其它系统工作怎样精确，也无法完成其预定的机械操作。

⏹2.2机械传动系统的特性

⏹

（2）快速响应性

⏹即要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的任务之间的时间间隔短，这样控制系统才能及时根据机械系统的运行状态信息，下达指令，使其准确地完成任务。

⏹（3）良好的稳定性

⏹要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响，抗干扰能力强。

⏹2.2机械传动系统的特性

⏹对于具体的机电一体化系统的传动设计，就要综合考虑各个设计目标的协调：

⏹要考虑设计尽可能短的传动链，同时要考虑负载对传动系统的耦合作用

⏹要考虑传动精度，同时要考虑稳定性、快速性

⏹要考虑功率，同时要小型、重量轻、低振动、低噪声

⏹数学模型相当关键

⏹2.2机械传动系统的特性

⏹单纯对传动系统而言，其关注的性能包括：

传动类型、传动方式、传动精度、动态特性、可靠性

⏹影响传动系统性能的因素包括：

⏹负载变化：

包括工作负载、摩擦负载，要合理选择驱动电机与传动链，与负载相匹配

⏹传动链惯性：

影响启停特性、快速性、定位精度

⏹传动链固有频率

⏹间隙、摩擦、润滑和温升：

影响传动精度和运动平稳性

⏹2.2机械传动系统的特性

⏹机械传动系统的特性

⏹为了满足机电一体化机械系统良好的伺服性能，不仅要求机械传动部件满足转动惯量小、摩擦小、阻尼合理、刚度大、抗振动性能好、空隙小的要求，还要求机械部分的动态特性与电机速度环节的动态特性相匹配。

⏹2.2机械传动系统的特性

⏹1、转动惯量

⏹在满足系统刚度的条件下，机械部分的质量与转动惯量越小越好。

⏹转动惯量大会使

⏹机械负载增大、系统相应速度变慢、灵敏度降低、固有频率下降、容易产生谐振

⏹电气驱动部件的谐振频率降低、阻尼增大

⏹2.2机械传动系统的特性

⏹2、摩擦

⏹机电产品对传动部件的摩擦特性要求是：

静摩擦尽可能小；动摩擦力应为尽可能小的正斜率。

⏹若动摩擦为负斜率，易产生爬行、降低精度、减少寿命

⏹摩擦在应用上可以简化为：

粘性摩擦、库仑摩擦和静摩擦三种

⏹2.2机械传动系统的特性

⏹粘性摩擦：

大小与相对运动速度成正比；

⏹库仑摩擦：

接触面对运动物体的阻力，大小为一常数；

⏹静摩擦：

具有相对运动趋势但仍处于静止状态时摩擦面之间存在的摩擦力，运动开始之后静摩擦力消失。

⏹2.2机械传动系统的特性

⏹摩擦力对运动状态的影响

⏹机械系统的摩擦特性随着材料和表面状态的不同有很大差异。

⏹典型情况包括：

⏹爬行，低速运动稳定性差，如气动系统

⏹有回程误差，精度低

⏹对摩擦特性的要求：

⏹静摩擦要小

⏹动摩擦因为小的正斜率

⏹2.2机械传动系统的特性

⏹3、阻尼

⏹机械部件振动的振幅取决于系统阻尼和固有频率：

阻尼大，振幅小，衰减快

⏹阻尼对弹性系统振动特性的主要影响：

⏹静摩擦阻尼大：

系统失动量（运动反向间隙）和反转误差大，定位精度低，易爬行

⏹粘性阻尼摩擦大：

系统稳态误差大，精度低

⏹2.2机械传动系统的特性

⏹失动量：

⏹数控机床上，由于各坐标轴进给传动链上驱动部件