1、,王田苗 北航机器人研究所,现代机电控制,机电一体化系统设计,非常重要！,机电控制知识结构,机电控制工程课程体系,概念、定义、组成、范围、分类； 设计方法（准则，步骤，外观） 机械结构与传动（滚珠丝杠传动、齿轮传动、谐波齿轮传动、齿形带传动、导轨、主轴组件、支承件） 传感器定位与检测（角位移、光栅位移、电磁感应） 伺服驱动（步进电机、直流电机、交流电机、开环伺服、闭环伺服） 微机原理与控制系统（原理，接口，运动规律、传递函数、控制算法） 典型机电控制实例机器人与数控机床 发展趋势,问 题？,如何进行项目规划？ 机电一体化系统的设计方法、步骤？ 机电一体化系统总体设计包括哪些内容？,一,设计方法
2、、类型、准则,二,三,四,五,总体设计内容,设计流程,No.2 机电一体化系统的总体设计,总体设计实例,研发计划书,一、机电一体化系统设计方法,目的： 综合运用机械技术和微电子技术各自的持长，设计最佳的机电一体化系统。设计方法：1、机电互补法2、结合(融合)法3、组合法,一、机电一体化系统设计方法,1. 机电互补法 即机械功能电子化，利用电子部件取代机械功能部件，简化机械结构，提高系统的性能和质量，以弥补机械不足。 如变频器取代机床主轴变速箱。 硬件功能软件化。 自行车和三轮车,一、机电一体化系统设计方法,2、结合(融合)法 将各组成要素有机结合为一体构成专用或通用的功能部件，其要素之间机电参
3、数匹配充分。 如激光打印机的主扫描机构激光扫描镜，其扫描镜转轴就是电机的转子轴； 随着大规模集成电路和精密机械技术的发展，完全能够设计出执行元件、检测传感器、控制与机体等要素有机地融为一体的机电一体化新产品。 （把电机、运动控制器和驱动集成在一起） 电主轴将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术。电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等。,一、机电一体化系统设计方法,3、组合法 将结合法制成的功能部件、功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统，故称组合法。如模块化机器人、模块化生产线等。 优点：缩短研制周期、节约工装设备费用
4、，且有利于生产管理、使用和维修。,模块化可重组移动机器人,模块化机器人地形适应性测试,技术指标：尺寸：长宽高 500150100 重量：小于4kg 速度：1m/s 功耗：小于20w 续航: 1小时 结构: 碳纤维和轮毂减震,创意之星-模块化机器人,机器人模块化功能部件产业化汇报人：陈殿生 教授,国家863计划重点项目申请答辩,牵头单位：北京航空航天大学 沈阳新松机器人股份有限公司 广州数控设备有限公司 昆山华恒焊接股份有限公司 上海沃迪科技有限公司 佛山市勤联医疗器械有限公司 深圳市欧得亿泰有限公司 哈工大博实精密测控有限公司 北京博创兴盛机器人技术有限公司 中国科学院自动化研究所,背景、意义
5、和必要性,工业机器人,Rehabilitation,Guide Robot,Security,服务机器人,背景、意义和必要性-挑战,机器人产品,工业,助老 助残,教育 娱乐,功能需求,空间移动,物品操作,控制决策,智能交互,核心部件,定制机构,伺服驱动,电机 驱动控制电路 嵌入式操作系统 驱动控制算法 控制信号接口,控制系统,控制信号接口 中央处理单元 智能控制算法 嵌入式操作系统 集成开发环境,感知系统,控制信号接口 信息处理单元 智能处理算法 嵌入式操作系统 集成开发环境,核心技术,未掌握嵌入式操作系统、控制信号接口、集成开发环境等核心技术与标准。,没有通用机器人技术标准，核心部件模块化程
6、度低、无法通用，专业分工难以形成，机器人产业链无法建立，制造成本高昂。,整机生产厂商产品研制周期长、低水平简单重复开发，性价比低，无市场竞争力，严重阻碍产业发展。,解决思路,没有统一的标准体系，模块化程度低； 封闭开发，研发低水平简单重复； 没有形成专业化配套与产业链分工；,1 条道路：模块化（PC） 2 个目标：突破核心技术形成标准；机器人产业化 3 项任务： 任务1: 突破机器人核心技术，形成技术标准 任务2: 研制核心部件，形成模块化标准 任务3:开发典型机器人产品，促进机器人产业化,一、机电一体化系统的设计类型,设计类型分三种：(1)开发性设计(2)适应性设计(3)变异性设计,一.机电
7、一体化系统的设计类型,(1)开发性设计是一个从无到有的创造过程，没有任何参照产品，根据功能和性能要求，按照机电一体化设计原理，设计出满足要求的产品。 如最初的录像机、摄像机的设计就属于开发性设计。,一.机电一体化系统的设计类型,(2)适应性设计 在原产品方案原理基本保持不变的情况下，对产品进行局部更改。如用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品的性能和质量提高。 如：普通机床的数控化改造。,一.机电一体化系统的设计类型,(3)变异性设计（变参数）是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸，使之适应于量的方面有所变更的要求。 例如
8、：由于传递扭矩或速比发生变换而重新设计传动系统和结构尺寸的设计，就属于变异性设计。,一.机电一体化系统的设计准则,设计准则：在保证产品的功能、性能和使用寿命的前提下，尽量降低成本。即不要盲目追求“高、精、尖”，而是充分分析用户需求，以最新的技术手段、最简单的结构、最低的消耗，提供最满意的产品。,一,设计方法、类型、准则,二,三,四,五,总体设计内容,设计流程,No.2 机电一体化系统的总体设计,总体设计实例,研发计划书,二、机电一体化系统总体设计内容,总体设计规定了总的基本原理、原则和布局，指导具体设计的进行。 总体设计主要内容有：系统原理方案的构思 结构方案设计 总体布局与环境设计 主要参数
9、及技术指标的确定 总体方案的评价与决策,一,设计方法、类型、准则,二,三,四,五,总体设计内容,设计流程,No.2 机电一体化系统的总体设计,总体设计实例,研发计划书,三 系统设计流程,一,设计方法、类型、准则,二,三,四,五,总体设计内容,设计流程,No.2 机电一体化系统的总体设计,总体设计实例,研发计划书,四. 教学机器人系统设计实例,一、需求分析（目的，功能，指标，成本，时间）二、方案选型（总体，电机，传感，控制）三、机械系统设计（分解，结构，计算，仿真，分析，装配）,主要内容,一、需求分析目的功能指标成本时间,一、需求分析,1、主要目的 可用于机电一体化等专业的机电控制工程、机器人课
10、程实验教学载体 ； 典型的机电系统，能帮同学们从机械、传感、驱动、控制等方面全面了解机电系统的设计方法和过程。 2、主要功能 直接驱动两个关节和一个垂直进给功能 在水平面内进行运动（直线、圆）,一、需求分析,3、主要性能指标,需求分析,4、成本分析 机械本体加工成本 电机及传感器成本、控制系统成本 人员与时间成本 预计2万5、计划安排 有限目标，关键难点，时间进度 负责人 分工 详细的进度安排,二、方案选型（总体，电机，传感，控制）,机电控制知识结构,方案设计知识树,原理构思？运动分解？ 直线运动：机构？ 旋转运动：机构? 传动机构？各自特点？ 常用的减速器？各自特点？ 连接机构？各自特点？
11、导向支承机构？各自特点？ 执行机构？各自特点？ 各种常用的传感器?各自特点？ 驱动？各自优缺点？适用的场合? 常用的控制系统分类？各自特点？,方案选型,1、总体结构 机电互补设计原则，机械结构和功能大大简化 本体组成结构包括：动力源、传动机构、导向支撑机构、机架几部分。 机械系统的组成还有作为控制功能的飞轮、凸轮、棘轮机构、槽轮机构等机构。,工艺动作分解，确定执行动作,整体布局,方案选型,机械结构 动力源 传动机构 导向支撑机构 机架几部分。（多个运动）,方案选型,2、电机选型与计算丝杠传动电机功率的估算同步齿型带传动的电机估算,方案选型（电机选型与计算）,丝杠传动电机功率的估算,方案选型（电
12、机选型与计算）,同步齿型带传动的电机估算,方案选型（电机选型与计算）,对于电机的选择，在计算完电机的功率后，还要考虑电机的惯量匹配问题。在电机的惯量同负载的惯量一致时，电机的控制性能最好。,方案选型,3、传感器选型传感器的选用原则及注意事项选择所需要的类型性能参数：测量范围、精度、分辨力、灵敏度等确保主要性能指标，适当放宽对次要性能指标的要求切忌盲目追求各种特性参数均高指标，高性价比,方案选型（传感器选型）,选用光电脉冲发生器作为电机的位置和速度测量传感器。,方案选型,4、控制系统选型开环还是闭环；PC+PMAC、单片机、嵌入式、工控机、PLC,三、械系统设计（分解，结构，计算，仿真，分析，装
13、配）,系统复合运动：分解几个单一运动的组合。直线运动旋转运动摆动,1、机械运动的分解和设计,系统的运动分解方案不是唯一的，运动的次序同整体结构布局有关，也影响到整个系统的方案。对于同一种运动有不同的机构来实现，各个机构的效果有时不一样。,1、机械运动的分解和设计,2、机械总体结构设计,要根据系统的功能、选型、成本，进行结构设计。需要考虑几个方面： 工艺性 成本 外型设计（教学机器人）,从传递运动的角度看机械结构（要看动力源）运动形式： 对于不同的动力源采取不同的机构。 旋转运动改变成直线运动（丝杠，直角坐标里常见）直线运动改变成旋转运动或摆动，（齿轮齿条传动）旋转变摆动（连杆机构、凸轮机构）,
14、2、机械总体结构设计,在机构里，是否要改变运动速度，改变运动速度的机构，采用减速器。 齿轮减速 谐波减速器 丝杠减速 同步带减速,2、机械总体结构设计,常用减速器的分类、型式及其特点比较,教学机器人的结构设计（工艺性）动力源采用的是电机，有旋转到摆动，控制改变方向为了减轻惯性负载，将第2个电机后置，减小第一关节的负载。,2、机械总体结构设计,3、机械系统的基本设计计算,机械系统的设计都是以参数计算为依据。计算包括强度、刚度、寿命、传动比等。由于机构的设计日益单元模块化、在进行机械系统的设计时，有些计算可以查表，一些只需进行单元机构的选择计算，有一些基本设计还需计算。机械系统的精度设计及精度分配
15、。 机械系统的惯量计算。 机械系统动力源的功率估算。,3、机械系统的基本设计计算,机械系统的精度设计和误差分配。 将误差按系统误差和随机误差分类，分别进行计算。在此基础上对系统的误差进行分配，在保证总体精度的前提下，使各个子系统的精度尽可能的低。,3、机械系统的基本设计计算,精度： 设计精度：系统的运动计算的省略和简化，原理上的近似 加工精度：零件的加工和产品的装配精度 传动精度：系统的运动传动过程中所产生的误差 控制精度：反馈精度和控制系统对反馈信号的采集频率精度,3、机械系统的基本设计计算,传动精度误差包括谐波减速器的传动误差9分、二关节还包括同步带的传动误差。控制精度包括编码器500线、
16、大臂的减速比80，小臂的减速比63。因为传感器安装在电机后面，故控制精度主要包括传感器码盘精度。,3、机械系统的基本设计计算,教学机器人的传动精度教学机器人的码盘控制精度,3、机械系统的基本设计计算,精度计算结果分析：大臂的传动精度影响较大，在系统的设计中应该给大臂的误差分配较大的值，使大臂子系统的精度尽可能的低，达到最佳性能价格比，减小系统的费用。同样，在合理的范围内调节它的传动精度可以大大提高系统精度。,3、机械系统的基本设计计算 （惯量计算）,转动惯量是一种惯性负载，它影响系统的响应速度和系统的驱动功率。系统的惯量计算，可以分析系统的惯性负载，找到降低系统惯性负载的方法，估算系统的驱动功
17、率。,3、机械系统的基本设计计算 圆柱体惯量,圆柱体惯量的计算公式为：,3、机械系统的基本设计计算 平行移轴惯量,平行移轴惯量计算：,3、机械系统的基本设计计算 惯量折算公式,有减速机构的惯量折算：,3、机械系统的基本设计计算 工作台的质量,工作台是移动部件，它折算到丝杠上的惯量为：,3、机械系统的基本设计计算（惯量计算）,教学机器人的惯量计算：大臂重心距离l=117.4mm，重量1.4kg， 小臂重心距离l=52.5mm，重量1.2kg， 大臂转动惯量: 29795.864Kg.mm2 小臂转动惯量为：9310Kg.mm2,教学机器人驱动元件的选择,驱动元件：步进电机（开环）、直流或交流伺服
18、电机。 直流伺服电机具有优良的静、动态特性，并且易于控制，因而在90年代以前，一直是闭环系统（包括半闭环系统）中执行元件的主流。 近年来，交流伺服电动机可以获得与直流电动机相似的优良性能，而且交流伺服电机无电刷磨损问题，维修方便，交流伺服电机得到了广泛的应用。,在教学机器人选择了直流伺服电机作为执行元件 电机选择最重要的依据是转速，转矩。下面以大臂电机的选择为例介绍机电系统中电机选择的一般过程。,（1）惯性转矩的计算：,计算等效转动惯量： 小臂视为杆件，其质量1.2kg，长度270 mm，重心距52.5300352.5mm，小臂对谐波减速器1输出轴的转动惯量,大臂也视为杆件，质量1.4kg，长
19、度400 mm，大臂对谐波减速器1输出轴转动惯量为：谐波减速器2及轴承视为集中质量，质量1.2kg，距谐波减速器1输出轴300 mm，转动惯量,电机2、套筒及轴承，谐波减速器1等视为圆柱，质量5kg（假设这些零件为实心的圆柱，由公式 ，算得 ）,谐波减速器1减速比 折算到电机1输出轴的等效转动惯量,计算等效惯性转矩： 加速时间：t =1s，已知大臂最大角速度： =3.14rad/s，则大臂最大转速：n=30r/min 电机最大转速： =3080=2400r/min 角加速度 ： 等效惯性转矩 ： 当减速器的减速比较大时，折算到电机输出轴的转动惯量非常小，转动惯量对系统的影响很小，等效惯性转矩有
20、时可以忽略。,（2）空载转矩 由于摩擦、预紧等因素，空载转矩始终存在。在不太精确的计算中，可以忽略空载转矩的影响。 （3）负载力矩： 负载力 ,谐波减速器传动效率 ，则系统等效负载力矩为,（4）电机选择： 最大扭矩 = + = 0.09464 最大功率选择电机maxon RE 35 118777，输出直径 ，公称电压30V，空载转速7220rpm，设计功率90W，最大连续扭矩107mNm,4、2D/3D仿真,5、结构与强度分析,利用UG和Adams对二自由度机器人的结构和强度进行分析,6、加工与装配,选择合适的厂家 加工过程中与加工单位沟通 现场装配与调试,一,设计方法、类型、准则,二,三,四
21、,五,总体设计内容,设计流程,No.2 机电一体化系统的总体设计,总体设计实例,研发计划书,项目研发计划书,项目计划书是从事科学技术项目研发的指导性文档，也是研发人员需要掌握的关键环节项目计划书是团队研发与合作的必要文档，是完成任务重要保障项目计划书明确了项目目标任务、方案内容、技术途径、关键难点、任务分工、时间进度、成本分析等,XY机电控制工作台项目计划书,一、项目研究目的，XY数控工作台主要是作为一种教学工具来为机电控制工程这门课程服务的，作为一种教学平台来使用，它结构简单，使用方便，具有典型的机电控制系统特性，对提高学生动手能力，直流及步进电动机的学习，机械CAD设计开发，开、闭环控制系
22、统具有很好的直观效果，可以使学生熟悉简单的机电项目开发的具体流程。 二、项目研发的目标，XY数控工作台要求：1、自由度：2个（可扩展为3自由度）；2、驱动：根据课程特点采用直流伺服电机和步进电机2种驱动方式；3、步进电机采用开环控制，直流伺服电机半闭环控制；4、有效行程：300mm，尺寸控制在400*400内；5、为保持稳定行进速度：v=3mm/s；6、电路部分控制简单方便，使用c语言实现控制功能；7、能够用程序控制工作台走出斜线圆弧等简单的几何图样；8、能够记录运动轨迹 三、项目研发方案选择 数控工作台主要实现平面直线运动，通过电机控制在一个平面空间实现自由运动，由2个直线单元搭接而成，通过
23、调节电机的转速及方向，控制滑块完成简单运动轨迹。 控制方案选择用AVR单片机ATMEGA128作为主控芯片，利用其较为丰富的硬件资源，完成对工作台的开环以及闭环工作，并且将利用插补，PID控制技术完成工作台的较为简单的运动控制。 四、项目研发细化分工数控工作台机械本体的设计、加工、装配调试；数控工作台matlab仿真模型的建立；数控工作台控制板的开发。 五、项目研发进度计划（略） 六、项目研发难点分析项目难点主要在于控制系统中的运动控制部分（软件）设计，由于运动控制需要较高的精度，不但对软件提出要求，同时也需要高精度的硬件配合，但如何协调软、硬件从而达到最好的运动控制精度，是较为复杂，也是较为关键的问题。 七、项目研发成员分工陈殿生老师：项目负责，项目管理；牛徐明：机械本体；李伟：仿真模型；文力：控制板开发；,工程实践教学示例 学生作业（项目计划书）,谢 谢 大 家,
