机电一体化技术.ppt

目录目录第第1章概论章概论 1.1机电一体化的定义机电一体化的定义 1.2机电一体化系统的基本构成机电一体化系统的基本构成 1.3机电一体化相关技术机电一体化相关技术 1.4机电一体化系统的设计机电一体化系统的设计 1.5机电一体化技术的发展历程和发展趋势机电一体化技术的发展历程和发展趋势下一页目录目录第第2章机械技术章机械技术 2.1概述概述 2.2机械传动机械传动 2.3支承部件支承部件 2.4导轨副导轨副下一页上一页返回目录目录第第3章自动化控制技术章自动化控制技术3.1自动控制技术概述自动控制技术概述3.2 PID控制技术控制技术3.3模糊控制理沦模糊控制理沦3.4计算机控制系统计算机控制系统3.5先进控制方法简介先进控制方法简介下一页上一页返回目录目录第第4章检测技术与传感器章检测技术与传感器 4.1概述概述 4.2位移检测位移检测 4.3速度、加速度检测速度、加速度检测 4.4力、扭矩和流体压强检测力、扭矩和流体压强检测 4.5其他传感器其他传感器 4.6传感器的正确选择和使用传感器的正确选择和使用 4.7传感器前级信号处理传感器前级信号处理 4.8传感器接口技术传感器接口技术下一页上一页返回目录目录第第5章伺服控制系统章伺服控制系统 5.1概述概述 5.2执行元件执行元件 5.3电力电子变流技术和电力电子变流技术和PWM型变频电路型变频电路 5.4伺服系统设计伺服系统设计下一页上一页返回目录目录第第6章接口技术章接口技术 6.1接口技术概述接口技术概述 6.2人机交互接口技术人机交互接口技术 6.3模拟量输人模拟量输人/输出通道接口技术输出通道接口技术 6.4总线接口技术总线接口技术下一页上一页返回目录目录第第7章典型机电一体化系统章典型机电一体化系统 7.1机器人机器人 7.2数控机床数控机床 7.3雷达跟踪系统雷达跟踪系统 7.4自动化制造系统自动化制造系统上一页返回机电一体化技术机电一体化技术前言前言 “机电一体化机电一体化”是机械技术、电子技术、信是机械技术、电子技术、信息技术、传感检测技术和自动控制技术等各相息技术、传感检测技术和自动控制技术等各相关技术有机结合的一种形式关技术有机结合的一种形式;是电子技术、信息是电子技术、信息技术向机械技术领域渗透过程中逐渐形成的一技术向机械技术领域渗透过程中逐渐形成的一个新概念个新概念;是机电专业中一门综合性、系统性较是机电专业中一门综合性、系统性较强的专业课程。所谓强的专业课程。所谓“机电一体化机电一体化”并不是机并不是机械技术和电子技术的简单组合，而是各种技术械技术和电子技术的简单组合，而是各种技术相互取长补短、有机融合，以实现系统稳、准、相互取长补短、有机融合，以实现系统稳、准、快等各方面都达到最佳化。随着机械技术、电快等各方面都达到最佳化。随着机械技术、电子技术、自动控制技术、传感检测技术和信息子技术、自动控制技术、传感检测技术和信息技术的飞速发展，特别是计算机控制技术的迅技术的飞速发展，特别是计算机控制技术的迅猛发展，机电一体化产品的性能将更加优越，猛发展，机电一体化产品的性能将更加优越，功能将更加齐全，种类将更加丰富。机电一体功能将更加齐全，种类将更加丰富。机电一体化产品也向着高可靠性、智能化、人性化的方化产品也向着高可靠性、智能化、人性化的方向发展。向发展。下一页返回前言前言 本书最大的特点是，从机电有机结合的角本书最大的特点是，从机电有机结合的角度系统全面地介绍了机电一体化系统的结构组度系统全面地介绍了机电一体化系统的结构组成、功能及其特点，同时从自动控制技术的角成、功能及其特点，同时从自动控制技术的角度，阐述了机电一体化系统的设计方法。充分度，阐述了机电一体化系统的设计方法。充分体现了高等院校机电一体化专业体现了高等院校机电一体化专业“以机为主，以机为主，以电为用，机电有机结合以电为用，机电有机结合”的原则。的原则。机电一体化技术是机电专业综合性较强的机电一体化技术是机电专业综合性较强的专业课程，需要学生具有较多的知识储备。在专业课程，需要学生具有较多的知识储备。在学习机电一体化技术课程之前，学生应具备机学习机电一体化技术课程之前，学生应具备机械设计理沦、数字电子技术和模拟电子技术等械设计理沦、数字电子技术和模拟电子技术等相关专业知识。本教材在讲清基本概念、基本相关专业知识。本教材在讲清基本概念、基本理沦的基础上，力求强调知识的应用，强调机理沦的基础上，力求强调知识的应用，强调机电一体化系统的概念。电一体化系统的概念。下一页上一页返回前言前言 全书共分全书共分7章，内容包括章，内容包括:机电一体化概机电一体化概沦主要介绍机电一体化技术的定义和基本概念沦主要介绍机电一体化技术的定义和基本概念;自动控制技术主要介绍了自动控制技术基本自动控制技术主要介绍了自动控制技术基本概念，概念，Pm控制、模糊控制、计算机控制以及简控制、模糊控制、计算机控制以及简单介绍了先进控制方法单介绍了先进控制方法;机电一体化检测系统机电一体化检测系统主要介绍了检测系统的结构组成、特点以及重主要介绍了检测系统的结构组成、特点以及重点介绍了传感器的概念、基本特性和常见的传点介绍了传感器的概念、基本特性和常见的传感器的结构原理、应用等感器的结构原理、应用等;伺服控制系统介绍伺服控制系统介绍了伺服控制系统的概念、类型、基本要求，阐了伺服控制系统的概念、类型、基本要求，阐述了交直流伺服电机、步进电机和变流变频技述了交直流伺服电机、步进电机和变流变频技术术;接口技术介绍了接口的定义、类型，输人接口技术介绍了接口的定义、类型，输人/输出接口、模拟量输人输出接口、模拟量输人/输出通道，以及总线接输出通道，以及总线接口技术口技术;机械技术主要阐述了机械传动部件、机械技术主要阐述了机械传动部件、导轨副和支承部件三大结构部件。最后介绍了导轨副和支承部件三大结构部件。最后介绍了几种典型的机电一体化产品。几种典型的机电一体化产品。上一页返回第第1章概论章概论 1.1机电一体化的定义机电一体化的定义 1.2机电一体化系统的基本构成机电一体化系统的基本构成 1.3机电一体化相关技术机电一体化相关技术 1.4机电一体化系统的设计机电一体化系统的设计 1.5机电一体化技术的发展历程和发展趋势机电一体化技术的发展历程和发展趋势 1.1机电一体化的定义机电一体化的定义 目前，较为人们所接受的机电一体化的含目前，较为人们所接受的机电一体化的含义是口本机械振兴协会经济研究所提出的解释义是口本机械振兴协会经济研究所提出的解释:“机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。成系统的总称。”可以说，机电一体化是机械可以说，机电一体化是机械技术、电子技术及信息技术相互交叉、融合技术、电子技术及信息技术相互交叉、融合(有有机结合机结合)的产物的产物(见见图图1一一1)。返回1.2机电一体化系统的基本构成机电一体化系统的基本构成 传统的机械产品一般由动力源、传动机构传统的机械产品一般由动力源、传动机构和工作机构等组成。机电一体化系统是在传统和工作机构等组成。机电一体化系统是在传统机械产品的基础上发展起来的，是机械与电子、机械产品的基础上发展起来的，是机械与电子、信息技术结合的产物，它除了包含传统机械产信息技术结合的产物，它除了包含传统机械产品的组成部分以外，还含有与电子技术和信息品的组成部分以外，还含有与电子技术和信息技术相关的组成要素。一般而言，一个较完善技术相关的组成要素。一般而言，一个较完善的机电一体化系统包括以下几个基本要素的机电一体化系统包括以下几个基本要素:机械机械本体、检测传感部分、电子控制单元、执行器本体、检测传感部分、电子控制单元、执行器和动力源，各要素之间通过接口相互联系和动力源，各要素之间通过接口相互联系(见见图图1-2)返回1.3机电一体化相关技术机电一体化相关技术 1.机械技术机械技术 机械技术是机电一体化的基础，机械技术机械技术是机电一体化的基础，机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应，的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其他高新科技来更新概念，实现结构上、利用其他高新科技来更新概念，实现结构上、材料上、性能上的变更，满足减少质量、缩小材料上、性能上的变更，满足减少质量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能的要求。体积、提高精度、提高刚度及改善性能的要求。机械手与人手的比较如机械手与人手的比较如图图1-4所示。所示。下一页返回1.3机电一体化相关技术机电一体化相关技术 2.信息处理技术信息处理技术 信息处理技术包括信息的交换、存取、运信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断、决策等。实现信息处理的主要工具算、判断、决策等。实现信息处理的主要工具是计算机，因此，计算机技术与信息处理技术是计算机，因此，计算机技术与信息处理技术是密切相关的。计算机技术包括计算机硬件技是密切相关的。计算机技术包括计算机硬件技术和软件技术、网络与通信技术、数据库技术术和软件技术、网络与通信技术、数据库技术等。在机电一体化产品中，计算机与信息处理等。在机电一体化产品中，计算机与信息处理装置指挥整个产品的运行。信息处理是否正确、装置指挥整个产品的运行。信息处理是否正确、及时，直接影响到产品工作的质量和效率，因及时，直接影响到产品工作的质量和效率，因此，计算机应用及信息处理技术已成为促进机此，计算机应用及信息处理技术已成为促进机电一体化技术和产品发展的最活跃的因素。人电一体化技术和产品发展的最活跃的因素。人工智能、专家系统、神经网络技术等都属于计工智能、专家系统、神经网络技术等都属于计算机与信息处理技术。算机与信息处理技术。下一页上一页返回1.3机电一体化相关技术机电一体化相关技术 3.系统技术系统技术 用系统工程的观点和方法，系统技术是将用系统工程的观点和方法，系统技术是将系统总体分解成相互有机联系的若干功能单元，系统总体分解成相互有机联系的若干功能单元，并以功能单元为子系统继续分解，直至找到可并以功能单元为子系统继续分解，直至找到可实现的技术方案，然后再把功能和技术方案组实现的技术方案，然后再把功能和技术方案组合进行分析、评价、优选的综合应用技术。系合进行分析、评价、优选的综合应用技术。系统技术所包含的内容很多，接口技术是其重要统技术所包含的内容很多，接口技术是其重要内容之一，机电一体化产品的各功能单元通过内容之一，机电一体化产品的各功能单元通过接口连接成一个有机的整体。接口包括电气接接口连接成一个有机的整体。接口包括电气接口、机械接口、人机接口。电气接口实现系统口、机械接口、人机接口。电气接口实现系统间电信号连接间电信号连接;机械接口则完成机械与机械部分、机械接口则完成机械与机械部分、机械与电气装置部分的连接机械与电气装置部分的连接;人机接口提供了人人机接口提供了人与系统间的交互界面。系统总体技术是最能体与系统间的交互界面。系统总体技术是最能体现机电一体化设计特点的技术，其原理和方法现机电一体化设计特点的技术，其原理和方法还在不断地发展和完善之中。还在不断地发展和完善之中。下一页上一页返回1.3机电一体化相关技术机电一体化相关技术 4.自动控制技术自动控制技术 自动控制技术包括自动控制理沦、控制系自动控制技术包括自动控制理沦、控制系统设计、系统仿真、现场调试、可靠运行等从统设计、系统仿真、现场调试、可靠运行等从理沦到实践的整个过程。由于被控对象种类繁理沦到实践的整个过程。由于被控对象种类繁多，所以控制技术的内容极其丰富，包括高精多，所以控制技术的内容极其丰富，包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、示教再现、检索等控制技术。自校正、补偿、示教再现、检索等控制技术。自动控制技术的难点在于自动控制理沦的过程化动控制技术的难点在于自动控制理沦的过程化与实用化，这是由于现实世界中的被控对象与与实用化，这是由于现实世界中的被控对象与理沦上的控制模型之间存在较大的差距，使得理沦上的控制模型之间存在较大的差距，使得从控制设计到控制实施往往要经过多次反复调从控制设计到控制实施往往要经过多次反复调试与修改，才能获得比较满意的结果。由于微试与修改，才能获得比较满意的结果。由于微型机的广泛应用，自动控制技术越来越多地与型机的广泛应用，自动控制技术越来越多地与计算机控制技术联系在一起，成为机电一体化计算机控制技术联系在一起，成为机电一体化中十分重要的关键技术。中十分重要的关键技术。下一页上一页返回1.3机电一体化相关技术机电一体化相关技术 5.传感检测技术传感检测技术 传感检测技术指与传感器及其信号检测装传感检测技术指与传感器及其信号检测装置相关的技术。在机电一体化产品中，传感器置相关的技术。在机电一体化产品中，传感器就像人体的感觉器官一样，将各种内、外部信就像人体的感觉器官一样，将各种内、外部信息通过相应的信号检测装置感知并反馈给控制息通过相应的信号检测装置感知并反馈给控制及信息处理装置，因此传感与检测是实现自动及信息处理装置，因此传感与检测是实现自动控制的关键环节。机电一体化要求传感器能快控制的关键环节。机电一体化要求传感器能快速、精确地获取信息并经受各种严酷环境的考速、精确地获取信息并经受各种严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证。验，它是机电一体化系统达到高水平的保证。下一页上一页返回1.3机电一体化相关技术机电一体化相关技术 6.伺服驱动技术伺服驱动技术 伺服驱动技术的主要研究对象是执行元件伺服驱动技术的主要研究对象是执行元件及其驱动装置。执行元件有电动、气动、液压及其驱动装置。执行元件有电动、气动、液压等多种类型。机电一体化产品中多采用电动式等多种类型。机电一体化产品中多采用电动式执行元件，其驱动装置主要是指各种电动机的执行元件，其驱动装置主要是指各种电动机的驱动电源电路，目前多采用电力电子器件及集驱动电源电路，目前多采用电力电子器件及集成化的功能电路构成。执行元件一方面通过电成化的功能电路构成。执行元件一方面通过电气接口向上与微型机连接，以接受微型机的控气接口向上与微型机连接，以接受微型机的控制指令制指令;另一方面又通过机械接口向下与机械传另一方面又通过机械接口向下与机械传动和执行机构相连，以实现规定的动作。伺服动和执行机构相连，以实现规定的动作。伺服驱动技术是直接执行操作的技术，对机电一体驱动技术是直接执行操作的技术，对机电一体化产品的动态性能、稳态精度、控制质量等具化产品的动态性能、稳态精度、控制质量等具有决定性的影响。常见的伺服驱动有电液电动有决定性的影响。常见的伺服驱动有电液电动机、脉冲液压缸、步进电动机、直流伺服电动机、脉冲液压缸、步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。由于变频技术的进步，机和交流伺服电动机。由于变频技术的进步，交流伺服驱动技术取得突破性进展，为机电一交流伺服驱动技术取得突破性进展，为机电一体化系统提供质量的伺服驱动单元，极大地促体化系统提供质量的伺服驱动单元，极大地促进了机电一体化技术的发展。进了机电一体化技术的发展。上一页返回1.4机电一体化系统的设计机电一体化系统的设计1.4.1机电一体化系统的分类机电一体化系统的分类 从控制的角度，机电一体化系统可分为开从控制的角度，机电一体化系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。环控制系统和闭环控制系统。开环控制的机电一体化系统是没有反馈的开环控制的机电一体化系统是没有反馈的控制系统，这种系统的输人直接送给控制器，控制系统，这种系统的输人直接送给控制器，并通过控制器对受控对象产生控制作用。一些并通过控制器对受控对象产生控制作用。一些家用电器、简易家用电器、简易NC机床和精度要求不高的机电机床和精度要求不高的机电一体化产品都采用开环控制方式。开环控制机一体化产品都采用开环控制方式。开环控制机电一体化系统的优点是结构简单、成本低、维电一体化系统的优点是结构简单、成本低、维修方便，缺点是精度较低，对输出和干扰没有修方便，缺点是精度较低，对输出和干扰没有诊断能力。诊断能力。下一页返回1.4机电一体化系统的设计机电一体化系统的设计 闭环控制的机电一体化系统的输出结果经闭环控制的机电一体化系统的输出结果经传感器和反馈环节与系统的输人信号比较产生传感器和反馈环节与系统的输人信号比较产生输出偏差，输出偏差经控制器处理再作用到受输出偏差，输出偏差经控制器处理再作用到受控对象，对输出进行补偿，实现更高精度的系控对象，对输出进行补偿，实现更高精度的系统输出。许多制造设备和具有智能的机电一体统输出。许多制造设备和具有智能的机电一体化产品都选择闭环控制方式，如数控机床、加化产品都选择闭环控制方式，如数控机床、加工中心、机器人、雷达、汽车等。闭环控制的工中心、机器人、雷达、汽车等。闭环控制的机电一体化系统的优点是高精度、动态性能好、机电一体化系统的优点是高精度、动态性能好、抗干扰能力强，缺点是结构复杂、成本高、维抗干扰能力强，缺点是结构复杂、成本高、维修难度较大。修难度较大。下一页上一页返回1.4机电一体化系统的设计机电一体化系统的设计1.4.2机电一体化系统开发的类型机电一体化系统开发的类型 1.开发性设计开发性设计 开发性设计是一种独创性的设计方式，在开发性设计是一种独创性的设计方式，在没有参考样板的情况下，通过抽象思维和理沦没有参考样板的情况下，通过抽象思维和理沦分析，依据产品性能和质量要求设计出系统原分析，依据产品性能和质量要求设计出系统原理和制造工艺。开发性设计属于产品发明专利理和制造工艺。开发性设计属于产品发明专利范畴。最初的电视机和录像机、中国的范畴。最初的电视机和录像机、中国的“神舟神舟一七号一七号”航天飞机都属于开发性设计。航天飞机都属于开发性设计。2.适应性设计适应性设计 适应性设计是在参考同类产品的基础上，适应性设计是在参考同类产品的基础上，主要原理和设计方案保持不变的情况下，通过主要原理和设计方案保持不变的情况下，通过技术更新和局部结构调整使产品的性能、质量技术更新和局部结构调整使产品的性能、质量提高或成本降低的产品开发方式。这一类设计提高或成本降低的产品开发方式。这一类设计属于实用新型专利范畴。如计算机控制的洗衣属于实用新型专利范畴。如计算机控制的洗衣机代替机械控制的半自动洗衣机、照相机的自机代替机械控制的半自动洗衣机、照相机的自动曝光代替手动调整等。动曝光代替手动调整等。下一页上一页返回1.4机电一体化系统的设计机电一体化系统的设计3.变参数设计变参数设计 变参数设计是在设计方案和结构原理不变的变参数设计是在设计方案和结构原理不变的情况下，仅改变部分结构尺寸和性能参数，使情况下，仅改变部分结构尺寸和性能参数，使之适用范围发生变化的设计方式。例如，同一之适用范围发生变化的设计方式。例如，同一种产品不同规格型号的相同设计。种产品不同规格型号的相同设计。下一页上一页返回1.4机电一体化系统的设计机电一体化系统的设计1.4.3机电一体化系统设计方案的常用方法机电一体化系统设计方案的常用方法 1.取代法取代法 取代法就是用电气控制取代原系统中机械取代法就是用电气控制取代原系统中机械控制机构。这种方法就是改造旧产品开发新产控制机构。这种方法就是改造旧产品开发新产品或对原系统进行技术改造常用的方法。如用品或对原系统进行技术改造常用的方法。如用电气调速控制系统取代机械式变速机构，用可电气调速控制系统取代机械式变速机构，用可编程序控制器取代机械凸轮控制机构、中间继编程序控制器取代机械凸轮控制机构、中间继电器等。这不但大大简化了机械结构和电气控电器等。这不但大大简化了机械结构和电气控制，而且提高了系统的性能和质量。这种方法制，而且提高了系统的性能和质量。这种方法是改造传统机械产品的常用方法。是改造传统机械产品的常用方法。下一页上一页返回1.4机电一体化系统的设计机电一体化系统的设计2.整体设计法整体设计法 整体设计法主要用于新产品开发设计。在整体设计法主要用于新产品开发设计。在设计时完全从系统的整体目标出发，考虑各子设计时完全从系统的整体目标出发，考虑各子系统的设计。由于设计过程始终围绕着系统整系统的设计。由于设计过程始终围绕着系统整体性能要求，各环节的设计都兼顾了相关环节体性能要求，各环节的设计都兼顾了相关环节的设计特点和要求，使得系统各环节间接口有的设计特点和要求，使得系统各环节间接口有机融合、衔接方便，且大大提高了系统的性能机融合、衔接方便，且大大提高了系统的性能指标和制约了仿冒产品生产的难度。该方法的指标和制约了仿冒产品生产的难度。该方法的缺点是设计和生产过程的难度和周期增大、成缺点是设计和生产过程的难度和周期增大、成本较高、维修和维护难度加大。例如，机床的本较高、维修和维护难度加大。例如，机床的主轴和电机转子合为一体主轴和电机转子合为一体;直线式伺服电机的定直线式伺服电机的定子绕组埋藏在机床导轨之中子绕组埋藏在机床导轨之中;带减速装置的电动带减速装置的电动机和带测速的伺服电机等。机和带测速的伺服电机等。下一页上一页返回1.4机电一体化系统的设计机电一体化系统的设计 3.组台法组台法 组合法就是选用各种标准功能模块组合组合法就是选用各种标准功能模块组合设计成机电一体化系统。例如，设计一台数控设计成机电一体化系统。例如，设计一台数控机床，可以依据机床的性能要求，通过对不同机床，可以依据机床的性能要求，通过对不同厂家的计算机控制单元、伺服驱动单元、位移厂家的计算机控制单元、伺服驱动单元、位移和速度测试单元及主轴、导轨、刀架、传动系和速度测试单元及主轴、导轨、刀架、传动系统等产品的评估分析，研究各单元间接口关系统等产品的评估分析，研究各单元间接口关系和各单元对整机性能的影响，通过优化设计确和各单元对整机性能的影响，通过优化设计确定机床的结构组成。此方法开发的机电一体化定机床的结构组成。此方法开发的机电一体化系统系统(产品产品)的优点是设计研制周期短、质量可靠、的优点是设计研制周期短、质量可靠、生产成本低，且有利于生产管理和系统的使用生产成本低，且有利于生产管理和系统的使用维护。维护。下一页上一页返回1.4机电一体化系统的设计机电一体化系统的设计1.4.4机电一体化系统设计机电一体化系统设计 所谓的系统设计，就是用系统思维综合运所谓的系统设计，就是用系统思维综合运用各有关学科的知识、技术和经验，在系统分用各有关学科的知识、技术和经验，在系统分析的基础上，通过总体研究和详细设计，实现析的基础上，通过总体研究和详细设计，实现满足设计目标的产品研发过程。系统设计的基满足设计目标的产品研发过程。系统设计的基本原则是使设计工作获得最优化效果，在保证本原则是使设计工作获得最优化效果，在保证目的功能要求与适当使用寿命的前提下不断降目的功能要求与适当使用寿命的前提下不断降低成本。低成本。下一页上一页返回1.4机电一体化系统的设计机电一体化系统的设计 随着工业高度发展、人民生活水平的提高，随着工业高度发展、人民生活水平的提高，迫切要求大幅度的提高机电一体化系统设计工迫切要求大幅度的提高机电一体化系统设计工作的质量和速度，因此在机电一体化系统设计作的质量和速度，因此在机电一体化系统设计中推广和运用现代设计方法，提高设计水平，中推广和运用现代设计方法，提高设计水平，是机电一体化系统设计发展的必然趋势。现代是机电一体化系统设计发展的必然趋势。现代设计方法与用经验公式、图表和手册为设计依设计方法与用经验公式、图表和手册为设计依据的传统方法不同，它是以计算机为手段，其据的传统方法不同，它是以计算机为手段，其设计步骤通常如下设计步骤通常如下:设计预测设计预测信号分析信号分析科学类科学类比比系统分析设计系统分析设计创造设计创造设计选择各种具体的现选择各种具体的现代设计方法代设计方法(如相似设计法、模拟设计法、有限如相似设计法、模拟设计法、有限元法、可靠性设计法、动态分析法、优化设计元法、可靠性设计法、动态分析法、优化设计法、模糊设计法等法、模糊设计法等)机电一体化系统设计质量的机电一体化系统设计质量的综合评价。现代设计方法还在不断发展，它必综合评价。现代设计方法还在不断发展，它必将为机电一体化系统设计提供更新颖而广阔的将为机电一体化系统设计提供更新颖而广阔的思路与视野。思路与视野。下一页上一页返回1.4机电一体化系统的设计机电一体化系统的设计1.4.5机电一体化系统的设计流程机电一体化系统的设计流程 各种机电一体化系统的研究、开发、生产各种机电一体化系统的研究、开发、生产及销售的过程各有其自身特点，归纳其基本规及销售的过程各有其自身特点，归纳其基本规律，机电一体化系统的设计流程如律，机电一体化系统的设计流程如图图1-6所示。所示。上一页返回1.5机电一体化技术的发展历程机电一体化技术的发展历程和发展趋势和发展趋势 1.萌芽阶段萌芽阶段 “萌芽阶段萌芽阶段”指指20世纪世纪70年代以前的时期。年代以前的时期。在这一时期，尽管机电一体化的概念没有正式在这一时期，尽管机电一体化的概念没有正式提出来，但人们在机械产品的设计与制造过程提出来，但人们在机械产品的设计与制造过程中总是自觉或不自觉地应用电子技术的初步成中总是自觉或不自觉地应用电子技术的初步成果来改善机械产品的性能，特别是在第二次世果来改善机械产品的性能，特别是在第二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电子技术界大战期间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，出现了许多性能优良的军事用途的机的结合，出现了许多性能优良的军事用途的机电产品。这些机电结合的军用技术在战后转为电产品。这些机电结合的军用技术在战后转为民用，对战后经济的恢复和技术的进步起到了民用，对战后经济的恢复和技术的进步起到了积极的作用。积极的作用。2.快速发展阶段快速发展阶段 20世纪世纪70年代到年代到20世纪世纪80年代为第二阶段，年代为第二阶段，称之为称之为“快速发展阶段快速发展阶段”。在这一时期，人们。在这一时期，人们自觉地、主动地利用自觉地、主动地利用3C技术的成果创造新的机技术的成果创造新的机电一体化产品。电一体化产品。下一页返回1.5机电一体化技术的发展历程机电一体化技术的发展历程和发展趋势和发展趋势 3.智能化阶段智能化阶段 从从20世纪世纪”年代开始的第三阶段，称之为年代开始的第三阶段，称之为“智能化阶段智能化阶段”。在这一阶段，机电一体化技。在这一阶段，机电一体化技术向智能化方向迈进，其主要标志是模糊逻辑、术向智能化方向迈进，其主要标志是模糊逻辑、人工神经网络和光纤通信等领域的研究成果应人工神经网络和光纤通信等领域的研究成果应用到机电一体化技术中。模糊逻辑与人的思维用到机电一体化技术中。模糊逻辑与人的思维过程相类似，用模糊逻辑工具编写的模糊控制过程相类似，用模糊逻辑工具编写的模糊控制软件与微处理器构成的模糊控制器，广泛应用软件与微处理器构成的模糊控制器，广泛应用于机电一体化产品中，进一步提高了产品的性于机电一体化产品中，进一步提高了产品的性能能下一页上一页返回1.5机电一体化技术的发展历程机电一体化技术的发展历程和发展趋势和发展趋势1.5.2机电一体化技术发展趋势机电一体化技术发展趋势 1.智能化智能化 智能化是智能化是21世纪机电一体化发展的一个重世纪机电一体化发展的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化建设中的要发展方向。人工智能在机电一体化建设中的研究口益得到重视，机器人与数控机床的智能研究口益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是其重要应用。这里所说的化就是其重要应用。这里所说的“智能化智能化”是是对机器行为的描述，是在控制理沦的基础上，对机器行为的描述，是在控制理沦的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学、混沌动力学等新思想、学、心理学、生理学、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、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，以求得到更高的逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。控制目标。下一页上一页返回1.5机电一体化技术的发展历程机电一体化技术的发展历程和发展趋势和发展趋势 2.模块化模块化 模块化是一项重要而艰巨的工程。由于机模块化是一项重要而艰巨的工程。由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开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、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环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂又非常重要的事，如研制集减速、智能调速、杂又非常重要的事，如研制集减速、智能调速、电机于一体的动力单元，具有视觉、图像处理、电机于一体的动力单元，具有视觉、图像处理、识别、测距等功能的控制单元，以及各种能完识别、测距等功能的控制单元，以及各种能完成典型操作的机械装置。这样，可利用标准单成典型操作的机械装置。这样，可利用标准单元迅速开发出新产品，同时也可以扩大生产规元迅速开发出新产品，同时也可以扩大生产规模。这需要制订各项标准，以便各部件、单元模。这需要制订各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。的匹配和接口。下一页上一页返回1.5机电一体化技术的发展历程机电一体化技术的发展历程和发展趋势和发展趋势 3.网络化网络化 20世纪世纪90年代，计算机技术突出成就是年代，计算机技术突出成就是网络技术。网络技术的兴起和飞速发展给科学网络技术。网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育以及人们技术、工业生产、政治、军事、教育以及人们口常生活都带来了巨大的变革。各种网络将全口常生活都带来了巨大的变革。各种网络将全球经济、生产连成一片，企业间的竟争也将全球经济、生产连成一片，企业间的竟争也将全球化。机电一体化新产品一旦研制出来，只要球化。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。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。身就是机电一体化产品。下一页上一页返回1.5机电一体化技术的发展历程机电一体化技术的发展历程和发展趋势和发展趋势 4.微型化微型化 微型化兴起于微型化兴起于20世纪世纪80年代末，指的是机年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。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国外称其为微电子机械系统(MEMS)，泛指几何，泛指几何尺寸不超过尺寸不超过1 m3的机电一体化产品，并向微米、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，包括光工采用精细加工技术，即超精密技术，包括光刻技术和蚀刻技术两类。刻技术和蚀刻技术两类。下一页上一页返回1.5机电一体化技术的发展历程机电一体化技术的发展历程和发展趋势和发展趋势 5.系统化系统化 系统化的表现之一就是系统体系结构进一系统化的表现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增强，一般除通信功能的大大增强，一般除RS232外，还有外，还有RS485,DCS人格化。未来的机电一体化更加注人格化。未来的机电一体化更加注重产品与人的关系。机电一体化的人格化有两重产品与人的关系。机电一体化的人格化有两层含义层含义:一层是机电一体化产品的最终使用对象一层是机电一体化产品的最终使用对象是人，如何赋予机电一体化产品人的智能和情是人，如何赋予机电一体化产品人的智能和情感，人性显得越来越重要，特别是对家用机器感，人性显得越来越重要，特别是对家用机器人，其高层境界就是人一机一体化人，其高层境界就是人一机一体化;另一层是模另一层是模仿生物机理，研制各种机电一体化产品。事实仿生物机理，研制各种机电一体化产品。事实上，许多机电一体化产品都是受动物的启发研上，许多机电一体化产品都是受动物的启发研制出来的。制出来的。上一页返回图图1-1机电一体化技术领域机电一体化技术领域返回图图1-2机电一体化系统的构成机电一体化系统的构成返回图图1-4机械手与人手的比较机械手与人手的比较返回图图1-6机电一体化系统设计流程机电一体化系统设计流程返回第第2章机械技术章机械技术 2.1概述概述 2.2机械传动机械传动 2.3支承部件支承部件 2.4导轨副导轨副 2.1概述概述 机电一体化系统的机械系统是由计算机信机电一体化系统的机械系统是由计算机信息网络协调与控制的，与一般的机械系统相比，息网络协调与控制的，与一般的机械系统相比，除要求具有较高的定位精度之外，还应具有良除要求具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，就是说响应要快、稳定性好的动态响应特性，就是说响应要快、稳定性要好。一个典型的机电一体化系统通常由控制要好。一个典型的机电一体化系统通常由控制部件、接口电路、功率放大电路、执行元件、部件、接口电路、功率放大电路、执行元件、机械传动部件、导向支承部件，以及检测传感机械传动部件、导向支承部件，以及检测传感部件等部分组成。这里所说的机械系统，一般部件等部分组成。这里所说的机械系统，一般由减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各种由减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非线线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向支承部件、旋转支承部件、性传动部件、导向支承部件、旋转支承部件、轴系及架体等机构组成。轴系及架体等机构组成。返回2.2机械传动机械传动2.2.1同步带传动同步带传动 2.2.1.1分类分类 1.按用途分按用途分 (1)一般工业用同步带传动。即梯形齿同步带传一般工业用同步带传动。即梯形齿同步带传动动(见见图图2一一1)。它主要用于中、小功率的同步带。它主要用于中、小功率的同步带传动，各种仪器、计算机、轻工机械中均采用传动，各种仪器、计算机、轻工机械中均采用这种同步带传动。这种同步带传动。(2)高转矩同步带传动。又称高转矩同步带传动。又称HTD带带(High Torque Drive)或或STPD带传动带传动(Super Torque Positive Drive)。由于其齿形呈圆弧状，在我国。由于其齿形呈圆弧状，在我国通称为圆弧齿同步带传动。它主要用于重型机通称为圆弧齿同步带传动。它主要用于重型机械的传动中，如运输机械械的传动中，如运输机械(飞机、汽车飞机、汽车)、石油机、石油机械和机床、发电机等的传动。械和机床、发电机等的传动。下一页返回2.2机械传动机械传动 (3)特种规格的同步带传动。这是根据某种机器特种规格的同步带传动。这是根据某种机器特殊需要而采用的特种规格同步带传动，如工特殊需要而采用的特种规格同步带传动，如工业缝纫机用的、汽车发动机用的同步带传动。业缝纫机用的、汽车发动机用的同步带传动。(4)特殊用途的同步带传动。即为适应特殊工作特殊用途的同步带传动。即为适应特殊工作环境制造的同步带。环境制造的同步带。2.按规格制度分按规格制度分 (1)模数制。同步带主要参数是模数模数制。同步带主要参数是模数m(与齿轮相与齿轮相同同)，根据不同的模数数值来确定同步带的型号，根据不同的模数数值来确定同步带的型号及结构参数及结构参数 (2)节距制。即同步带的主要参数是带齿