机械电子工程原理 教学课件 作者 王孙安 等编著 Ch15 第十五章 机械电子系统总体设计.ppt

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1、机械电子工程原理第十五章机械电子系统的总体设计机械电子系统的构成测量系统、控制器和执行器都是机械电子系统的基本组成部分。这些部分要构成完整的机械电子系统，还需要适当的组合和连接，因此需要有适当的机构、结构、封装和人机界面。机构能够实现原动机到执行器的运动转换；结构件不仅给传感器、微处理器、人机界面提供了安装、定位的基准，而且给运动转换机构和执行机构提供运动的参照基准；封装、外壳和人-机界面有时难以分割开，它们不仅要保护系统和操作者的安全，还要提供人机交互设备的安装，保证良好的工效，此外要还保证电磁兼容性

2、。215.1机械电子系统设计概述工程设计中的机械电子工程方法是一种集体创造活动，需要参加者的各种经验，设计者应该来自不同的方面，且应具有跨学科交流的能力和探索新领域的愿望。工业设计人员与市场销售人员参加设计的作用在于增强各种不同工程技术领域的结合能力，可以使产品的封装和用户界面更加优化。有时还需要计算机辅助建模的支持，以优化、预测系统的性能。传统的机械产品和系统逐渐以各种方式转变为机械电子工程的产品和系统，这一转变的主要表现是引入日益精密复杂的控制。3机械电子工程设计方法的特点以往在机械系统中引入控制的

3、方法与机械电子工程设计方法之间有着根本的差别。前者是在已完成设计、甚至已完成制造的机械系统中附加上测量和控制装置，而后者为了充分利用微处理器功能，要求对机械系统进行重新设计。传统设计方法机械电子工程设计方法系统体积庞大机构复杂运动不可调节驱动马达速度恒定以机械方法实现同步质量大精度取决于机构配合的公差手工操作，或用机械方式实现自动化系统结构紧凑机构简单运动可通过编程控制驱动马达速度可变以电子技术实现同步质量小精度取决于反馈自动和可编程控制4软齿轮箱（电子齿轮）的实例机械电子工程的设计思想是如何影响机械设

4、计的，不妨用一种软齿轮箱为例说明。在传统的设计方法中，利用机械式凸轮和连杆提供必要的受控运动路径，调整或重新配置路径要更换齿轮、凸轮或连杆，只有在停机时才有可能进行，而且十分困难。软齿轮箱技术利用多个同步转动的伺服电机来模拟齿轮、凸轮和连杆，所以任何变动都很容易用软件来实现，从而适应不同的要求。5机械电子工程对齿轮传动系统的改进a)传统的齿轮箱b)可编程的同步转动电机系统6机械电子工程设计方法的特点机械电子工程方法能够为传统机械产品的改进和新型机电产品开发的设计提供新的思路，这里用以下几方面的例子进行说

5、明机构的简化机构功能的增强机构的替代机构的综合7机构的简化(a)打字机传统的打字机一般由一些击键和字头运动的机构、回车换行机构及进纸机构组成。加上了电子控制后，打字机的发展经历了菊花轮式打字机、带有微处理器的点阵打印机、一直到带有微处理器的激光打印机，这种打印机既可以打印文字又可以打印高分辨率的彩色图形。8机构的简化(b)大型天文望远镜在大型天文望远镜上，采用了由常速马达驱动的体积庞大的机构。但如果采用机械电子工程的设计方法，就可以造出一种由计算机控制的有两个自由度的平衡支撑结构，它十分紧凑，可以跟踪宇

6、宙空间的任何目标。9机构功能的增强将优良的机械设计与闭环控制相结合，可以提高运动的速度和精度，增强运动的灵活性。以一个在两个固定端之间作往复运动的机构为例，在采用比例控制的闭环控制系统中，执行器零件上所受的力较小，构件可以造得较轻，从而其惯性也就较小；而工作在两个固定端之间的执行器零件上所受的力较大，因此构件也较笨重。一些早期的机械手就是在两个固定制动端之间往复运动的，这种机械手有着十分复杂的机构来使它们的抓取装置沿直线运动。后来的设计是对机器的每一根轴使用直流伺服驱动电机及谐波减速器，从而对每一根轴进

7、行可编程的比例转速控制，但是由于这些电机空间运动的惯性效应十分显著，最近又采用直流力矩电机，它安装在机器人的底座上，通过同轴的钢管和钢带驱动各轴。10机构的替代在某些特定的情况中，机构完全可以省略，而以微处理器和执行器来代替完成其功能。(a)电子钟表在这个例子中，精密的机械装置可以用一块集成电路来代替，并带有发光二极管、液晶显示或模拟显示和控制按钮组成的用户界面。实际上机械系统已被完全取代了，这里我们看到的由机械电子工程方法代替传统方法是完全彻底的。11机构的替代(b)电控飞行在电控飞行(fly-by-

8、wire)这个例子中，飞行员操纵杆与水平翼、方向舵之间的连接部分被一台微处理器，一根信号线和一个执行器代替，大的杠杆式操纵杆被装在飞行员坐椅扶手上的一个小电子装置代替，对力的放大作用则由机翼上的执行机构完成。12机构的综合由于采用了嵌入式微处理器，有可能进行机构和功能的综合设计。例如，一台自动洗衣机由一台单向电机驱动，洗涤和甩干两种工作需要两种不同的转速，洗涤还需要电机双向运行，这样就需要一个机构来产生双速双向的运动。如果采用变速电机和一个