2023年机电一体化系统设计（教学课件）.ppt

机电一体化系统设计机电一体化系统设计 46学时学时/3学分学分 Mechatronics System Design 必修必修/考试考试 课程性质课程性质 “机电一体化系统设计机电一体化系统设计是一门新兴的综是一门新兴的综合的学科，是将机械与电子装置有机融合的学科，是将机械与电子装置有机融为一体的技术。为一体的技术。该课程是“机械电子工程该课程是“机械电子工程专业必修的一专业必修的一门主干专业课程，其目的是与其他相关课门主干专业课程，其目的是与其他相关课程一起培养机电一体化人才。程一起培养机电一体化人才。教材与参考书教材与参考书 教教 材材 教材名称教材名称 主编主编 出版社出版社 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 张建民张建民 高等教育出版社高等教育出版社2007 参参 考考 书书 机电一体化机械系统机电一体化机械系统 设计设计 赵松年赵松年 机械工业出版社机械工业出版社1996 机电一体化控制技术机电一体化控制技术 与系统与系统 周祖德周祖德 华中科技大学出版社华中科技大学出版社 2003 电机与运动控制系统电机与运动控制系统 杨杨 耕耕 清华大学出版社清华大学出版社2006 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 禁忌禁忌 高安邦高安邦 机械工业出版社机械工业出版社2008 考核方式考核方式 期末考核方式：闭卷笔试期末考核方式：闭卷笔试 期末考核所占比例期末考核所占比例 70 平时考核占平时考核占 30 平时作业平时作业 课堂考勤课堂考勤 课堂表现课堂表现 课程任务课程任务 1使学生了解机电一体化特点与使学生了解机电一体化特点与机电一体化的开展趋势；机电一体化的开展趋势；2掌握机电有机结合的理论、机电一体掌握机电有机结合的理论、机电一体化系统设计的根本规律及其关键技术的根化系统设计的根本规律及其关键技术的根本设计方法。本设计方法。3树立正确的系统设计思想，培养理论树立正确的系统设计思想，培养理论联系实际、调查研究、锐意创新的能力联系实际、调查研究、锐意创新的能力 课程先修知识课程先修知识 工程制图、机械原理、机械设计、制工程制图、机械原理、机械设计、制造工艺、机械装备造工艺、机械装备 电工技术、电子技术、微机单片机原理与电工技术、电子技术、微机单片机原理与应用、机电接口技术、软件技术应用、机电接口技术、软件技术 控制工程根底、计算机控制技术、机电检控制工程根底、计算机控制技术、机电检测技术、测试信号技术、数控技术、伺服测技术、测试信号技术、数控技术、伺服驱动技术等驱动技术等 第一章第一章 总论总论 从生产实际体会机电一体化从生产实际体会机电一体化技术技术 机电一体化的优点和效益机电一体化的优点和效益 1生产能力和工作质量提高生产能力和工作质量提高 2使用平安性和可靠性提高使用平安性和可靠性提高 3调整和维护方便，使用性能改善调整和维护方便，使用性能改善 4具有复合功能，使用面广具有复合功能，使用面广 5改善劳动条件，有利于自动化生产改善劳动条件，有利于自动化生产 6节约能源，减少耗材节约能源，减少耗材 一、本章教学目标及要求一、本章教学目标及要求 理解机电一体化的概念和内涵；理解机电一体化的概念和内涵；掌握机电一体化的五大功能和组成要素；掌握机电一体化的五大功能和组成要素；了解机电一体化的一般设计方法。了解机电一体化的一般设计方法。理解机电一体化的广义接口；理解机电一体化的广义接口；第一节第一节 概述概述 一、机电一体化的概念和一、机电一体化的概念和内涵内涵 “机电一体化机电一体化是新生事物是新生事物,由日本造英语由日本造英语Mechatronics(Mechanics和和Electronics)翻译而来，关于它确实切含义各国专家、学翻译而来，关于它确实切含义各国专家、学者论点也各不相同，迄今尚无统一标准。者论点也各不相同，迄今尚无统一标准。较为人们接受的是由日本机械振兴协会较为人们接受的是由日本机械振兴协会经济研究所经济研究所1981年提出的解释：年提出的解释：1.机电一体化的概念机电一体化的概念 机电一体化机电一体化乃是在机械的乃是在机械的主功能主功能、动力动力功能功能、信息功能信息功能和和控制功能控制功能上引进上引进微电微电子技术子技术，并将，并将机械装置机械装置与与电子装置电子装置用相用相关关软件软件有机结合有机结合而构成而构成系统系统的总称。的总称。机床电器化能不能称为机机床电器化能不能称为机电一体化？电一体化？2.机电一体化的内涵机电一体化的内涵 机电一体化的内涵包括机电一体化的内涵包括产品产品和和技术技术。典型机电典型机电一体化产一体化产品：品：BKX-I型型 并联机床并联机床 一、一、典型机电一体化产品典型机电一体化产品 并并联联机机床床加加工工的的工工件件 典型机电一体化产品：典型机电一体化产品：飞行模拟器飞行模拟器 典型机电一体化产品典型机电一体化产品：FAST 巨型球面射电望远镜巨型球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope)典型机电一体化产品：典型机电一体化产品：工业机器人工业机器人 典型机电一体化产品：典型机电一体化产品：特种机器人特种机器人 典型机电一体化产品：典型机电一体化产品：RD2型铁路型铁路货车滚动轴承故障诊断仪货车滚动轴承故障诊断仪 典型机电一体化产品：典型机电一体化产品：血管血管大大C臂臂造影机造影机 典型机电一体化产品：典型机电一体化产品：剥线机剥线机 典型机电一体化产品：典型机电一体化产品：点钞机点钞机 二、机电一体化产品的分二、机电一体化产品的分类类 1.生产用：生产用：数控机床、机器人、数控机床、机器人、FMC、FMS、CIMS 2.运输包装用：运输包装用：电梯、包装机械、数控运输机械电梯、包装机械、数控运输机械 3.销售及银行用：销售及银行用：自动称量机、自动售货机、自动取款机自动称量机、自动售货机、自动取款机 4.家庭用：家庭用：录音机、录音机、CD/VCD/DVD、全自动洗衣机、微波、全自动洗衣机、微波炉、儿童玩具炉、儿童玩具 5.办公用：打印机、复印机、办公用：打印机、复印机、机、磁盘驱动器机、磁盘驱动器 6.医疗用：医疗用：X-射线机、造影机、电子血压计射线机、造影机、电子血压计 此外，还有航空、航天、国防、天文等及其他民用此外，还有航空、航天、国防、天文等及其他民用机电一体化产品，如雷达跟踪系统、射电望远镜机电一体化产品，如雷达跟踪系统、射电望远镜 分类标准分类标准 机电一体化产品的分类并没有统一的标准，机电一体化产品的分类并没有统一的标准，一件产品是否属于机电一体化产品应一件产品是否属于机电一体化产品应根据前根据前述机电一体化定义述机电一体化定义来判断。来判断。尽管机电一体化产品尽管机电一体化产品系统系统中引入了微电子中引入了微电子计算机计算机技术，但其中的机械本体仍然是主体，技术，但其中的机械本体仍然是主体，产品产品系统系统的主要功能必须由机械来完成，否的主要功能必须由机械来完成，否那么就不能称其为机电一体化产品。那么就不能称其为机电一体化产品。电子计算器，非指针式电子表等主要功能是由电电子计算器，非指针式电子表等主要功能是由电子器件和电路等完成，机械退居次要地位，应归子器件和电路等完成，机械退居次要地位，应归属电子产品，而不是机电一体化产品。属电子产品，而不是机电一体化产品。三、机电一体化相关技术三、机电一体化相关技术 相关技术相关技术 基础技术基础技术 机电结合共性技术机电结合共性技术 机械技术机械技术 电工电子技术电工电子技术 系统技术系统技术 电液气伺服技术电液气伺服技术 机械学机械学 机械加工技术机械加工技术 精密机械技术精密机械技术 逻辑代数逻辑代数 计算机计算机 电路原理电路原理 电子技术电子技术 接口技术接口技术 传感器技术传感器技术 计算机控制技术计算机控制技术 顺序控制技术顺序控制技术 四、机电一体化系统的功能构成四、机电一体化系统的功能构成及组成要素及组成要素 图图 机机电电一一体体化化系系统统的的功功能能构构成成 1.机电一体化系统的功能构成机电一体化系统的功能构成 1主功能：对输入的物质、能量和信息进行预定的变换(含加工、处理)、传递(含移动、输送)和保存(含保持、存储、记录)，这些变换及其组合就构成了系统的主功能，它说明了系统的主要特征。2动力功能：为系统的正常运行提供能量。3计测功能：采集系统内部和外部信息。4控制功能：将来自传感器的检测信息和外部输入命令进行处理并发出指令控制整个系统有目的运行。5构造功能：将系统各要素进行空间配置，形成统一整体。动力功能动力功能 构造功能构造功能 计测功能计测功能 控制功能控制功能 主功能主功能 1.机电一体化系统的功能构成机电一体化系统的功能构成 主功能：对输入的物质、能量和信息进行预定主功能：对输入的物质、能量和信息进行预定的变换的变换(含加工、处理含加工、处理)、传递、传递(含移动、输送含移动、输送)和保存和保存(含保持、存储、记录含保持、存储、记录)，这些变换及，这些变换及其组合就构成了系统的主功能，它说明了系统其组合就构成了系统的主功能，它说明了系统的主要特征。的主要特征。为系统的正常为系统的正常运行提供能运行提供能量量 采集系统内部和外采集系统内部和外部信息部信息 将来自传感器的检测信息和外将来自传感器的检测信息和外部输入命令进行处理并发出指部输入命令进行处理并发出指令控制整个系统有目的运行。令控制整个系统有目的运行。将系统各要素进行空将系统各要素进行空间配置，形成统一间配置，形成统一整体。整体。系统的输入输出组成系统的输入输出组成 主功能的输入输出主功能的输入输出 动力输入动力输入 控制信息的输入输出控制信息的输入输出 因外部环境引起的干扰输入因外部环境引起的干扰输入 非目的性输出非目的性输出(如废弃物等如废弃物等)例如汽车的废气和噪音对外部环境影响，这在例如汽车的废气和噪音对外部环境影响，这在系统设计中需要特别注意系统设计中需要特别注意 2.机电一体化系统的组成要素机电一体化系统的组成要素 动力系统动力系统 （动力源）（动力源）机械系统机械系统 （机构）（机构）传感检测系统传感检测系统 （传感器）（传感器）执行元件系统执行元件系统 （电动机等）（电动机等）电子信息处理系统电子信息处理系统 （计算机）（计算机）1机械系统机械系统机构机构 五大要素五大要素 即机械结构局部，如数控车床的机械系统包括即机械结构局部，如数控车床的机械系统包括床身、床身、主轴箱、尾架以及连接等。主轴箱、尾架以及连接等。机电一体化系统对其根本要求是轻、薄、短、小、机电一体化系统对其根本要求是轻、薄、短、小、可靠等可靠等 2电子信息处理系统电子信息处理系统计算机计算机 五大要素五大要素 一般由计算机、可编程序控制器一般由计算机、可编程序控制器PLC、数控装置、数控装置及计算机外围设备组成，如数控车床中的及计算机外围设备组成，如数控车床中的CPU板、板、CRT显示器、键盘等。显示器、键盘等。对其根本要求是：高速、可靠、智能、标准化、抗干对其根本要求是：高速、可靠、智能、标准化、抗干扰能力强、自诊断功能丰富等。扰能力强、自诊断功能丰富等。3动力系统动力系统动力源动力源 五大要素五大要素 通常有电力、液压和气压三种动力源，如数控车床通常有电力、液压和气压三种动力源，如数控车床用的是电能。用的是电能。该局部的要求是：效率高、响应快，同时要求对水、该局部的要求是：效率高、响应快，同时要求对水、油、温度、尘埃等外部环境有较强的适应性和可靠性。油、温度、尘埃等外部环境有较强的适应性和可靠性。4传感检测系统传感检测系统传感器传感器 五大要素五大要素 主要由传感器和仪器仪表构成，用于检测系统内、外主要由传感器和仪器仪表构成，用于检测系统内、外部的参数及状态，以进行显示或位置反响。部的参数及状态，以进行显示或位置反响。如数控车床用直线感应同步器检测刀具的位置状态。如数控车床用直线感应同步器检测刀具的位置状态。其要求是能快速、精确地获取信息，并