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机械工程导论 机电一体化技术（机器人） 奚风丰 2013-8-9 目录 一．机电一体化技术简介 二．机电一体化系统组成 三．机电一体化设计方法 四．机电一体化设计实例 一. 机电一体化技术简介 ? “机电一体化”由日本安川電機（Yaskawa Electric Corp）工程师森哲郎在1969年提出的 ，公司用此名申请商标，80年代撤销。 ? 表达了机器装置从机械化，自动化向智能化发展 的趋势。 ? 机电一体化产品已渗透到我们生活的各个角落。 ? 智能化机器装置需要用机电综合性应用技术，开 发高度仿生功能，缔造出“超人”，“巨人”。 一. 机电一体化技术简介 控制系统-肌肉 电子系统-五官 机械系统-骨架 计算机-大脑 机电一体化- 神经系统 美国伦斯勒理工学院的图解 一. 机电一体化技术简介 机电一体化的三大协调性 ? 力/功率传递协调 动力源与运动部件的关系 ? 动作传递协调 运动部件与目标的关系 ? 信息传递协调 实际目标和所需目标的关系 一. 机电一体化技术简介 丼例1：乐高玩具无人电动车 电器零件 机械零件 二. 机电一体化系统组成 综合学科： ?动力部件及分类（电力拖动，电机控制） ?机械部件及分类（机械零件，机械原理） ?传感器部件及分类 (传感器原理) ?控制部件及分类（计算机原理，控制理论) ?软件及分类 (计算机编程） “三再求三协”: 再学习，再消化，再应用 二. 机电一体化系统组成 动力部件 优点 缺点 用途 电驱动 干净，功率范围大 较重，携带电池 高精度运动 液压驱动 大功率 笨重，不干净 一般精度运动 气动 轱 气可压缩性 低精度运动 燃料驱动 可携带 噪音，污染 低精度运动 压电陶瓷 非磁性 微小力和运动 超高精度运动 电磁驱动 非接触 易受干扰 一般精度运动 动力部件及分类 二. 机电一体化系统组成 常用动力部件 电机 液压缸 气缸 燃料车 压电驱动 二. 机电一体化系统组成 电驱动 交流： 不可携带，扭矩小 直流： 可携带，扭矩大 直流电机/丝杆机构 驱动电机 直线电机 步进电机 伺服电机 电驱动分类 二. 机电一体化系统组成 常用直流电驱动 电机丝杆机构 驱动电机 步进电机 直线电机 伺服电机 二. 机电一体化系统组成 电驱动组合件 转盘 球面电机 双向转动头 双向工作台 二. 机电一体化系统组成 电驱动原理简介 ? 定子磁极变化： 定子线圀，转子 永丽磁铁（交流 电机，步进电机， 直线电机）. ? 转子磁极变化： 定子永丽磁铁， 转子线圀 （直流 电机）. N 定子 S S N S 转子 N S N 二. 机电一体化系统组成 直流电机的电压/电流和转速/转矩 转矩 2 1 电流 转速 1 2 电压 1 堵转转矩 怠速 电压 2 二. 机电一体化系统组成 直流电机电功率和机械功率 机械功率 ?n?n/2 电功率 效率?效率? 转速 二. 机电一体化系统组成 机械部件及分类 机械部件 传动件： 改变转速，扭矩及方向 支撑件： 结构支撑 （运动，固定） 运动机构： 复杂运动，运动扩展 平面与空间 开环与闭环 串联与幵联 二. 机电一体化系统组成 常用机械零件 支撑-轰承 传动-齿轮箱 径向 平面 二. 机电一体化系统组成 常用运动机构 串联机器人 幵联机器人 四连杆机构 杆 1 杆 2 杆 1 - 6 二. 机电一体化系统组成 运动链与运动副 ? 机器运动部件的整体称 为运动链。 ? 由运动杆件通过运动副 链接而成。 ? 运动副低副–面接触；运 动副高副-点，线接触。 ? 转动副，秱动副 ? 主动副，被动副 ? 四连杆（红色）转向机 构，由四个铰链（黑色 囿圀）连接。 二. 机电一体化系统组成 四步设计 ? 概念设计：自由度分析 ? 电机数目 ? 几何设计：运动学分析 ? 工件长度 ? 运动范围 ? 尺寸设计：力学分析 ? 工件截面 弹性变形（刚度） 塑性变形（强度） 振动 （疲劳） ? 动力设计：动力学分析 ? 电机，轰承规格 二. 机电一体化系统组成 丼例2：四连杆转向机构 ? 自由度： F = 3(nL-1) – nJ = 9-8 =1 （电机数） nL – 杆件数4 （红色） nJ – 铰链数 4 （囿圀黑色） ? 尺寸设计： ? = d/l ? - 转角；d–行程；l - 杆长。 ? d l 杆件 1-4 电机 铰链 1-4 二. 机电一体化系统组成 丼例3：电机配置 编码器 车轮齿轮 电枢控制式电机 L R VN S 理论模型 转速 仿真 二. 机电一体化系统组成 传感器部件及分类 被测量 测量原理 距离 电阻-直线、螺旋电位计，应变仪，热电阻，气敏 角度 电感-电感传感器，巩动电感传感器 速度 电容-变面积，变极距，变介电常数 加速度 光栅-编码器 力 超声波 压力 激光