《机电一体化》PPT课件.ppt

,机电一体化 机械系统设计,机电工程系机械工程教研室,1 概 论,1.1 机电一体化的基本含义 1.2 机电一体化系统的功能构成原理及其组成要素 1.3 机电一体化系统的功能原理设计和广义接口、控 制软件的作用 1.4 机电一体化产品的分类 1.5 机电一体化的特点及发展趋势 1.6 本课程的目的和要求 1.7 教学环节 1.8 成绩评定 1.9 参考文献,1.1机电一体化的基本含义,迄今为止，机电一体化没有统一的定义，就连最早提出这一概念的日本也是说法不一。 原因：（1）人们看问题的角度不同，对其理解也就各异 （2）随着生产活动和科学技术的迅猛发展，机电一体化 的具体内容不断发展与更新。,1.1机电一体化的基本含义,日本从1971年开始，就敏感地提出“Mechatronics”这个英语合成的名词。其中，词首Mecha表示Mechanics（机械学）；词尾tronics表示Electronics（电子学） 。 日本机械振兴协会经济研究所于1981年提出具有通用性定义: 即“机电一体化是在机械主功能、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”. 它体现了机电一体化产品及其技术的基本内容和特征，所以具有指导性的定义。,1.1机电一体化的基本含义,美国是机电一体化产品开发和应用得最早的国家。如世界上第一台数控机床（1952年）、工业机器人（1962年）都是美国研制成功的。,数控机床,焊接机器人,1.1机电一体化的基本含义,美国机械工程师协会（ASME）的一个专家组，于1984年在给美国国家科学基金会的报告中，提出了“现代机械系统”的定义： “由计算机信息网络协调与控制的、用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务和机械和（或）机电部件相互联系的系统”。这一含义实质上是指多个计算机控制和协调的、高级机电一体化产品。,1996年美国机械工程师学会（ASME) 与电子工程师学会（IEEE)联合创刊的（IEEE/ASME Transaction on Mechatronics) ，在第一卷1期“编者的话”中，将机电一体化定义为：在工业产品和过程的设计与制造中，机械工程与电子和智能计算机控制的协同集成。,1.1机电一体化的基本含义,1981年德国工程师协会、德国电气工程技术人员协会及其共同组成的精密工程技术专家组的关于精密工程技术定义为光、机、电一体化的综合技术，它包括机械（含液压、气动及微机械）、电工与电子、光学及其不同技术的组合（电工与电子机械、光电子技术与学学机械），其核心为精密工程技术。,1.1机电一体化的基本含义,1.1机电一体化的基本含义,20世纪90年代国际机器与机构理论联合会（IFTMM)成立了机电一体化技术委员会（Technical Committee on Mechatronics)，他给出了这样的定义：机电一体化是精密机械工程、电子控制和系统思想在产品设计和制造过程中以协同结合。,1.1机电一体化的基本含义,我国一般认为机电一体化是机电一体化技术及其产品的统称，还将柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）等自动化生产线和自动化制造工程也包括在内，这是对机电一体化含义的延拓。,1.1机电一体化的基本含义,机电一体化的六大共性关键技术： 精密机械技术（机电一体化技术的基础） 伺服传动技术（机电一体化系统的核心部分） 传感检测技术（闭环系统的关键部件） 信息处理技术（控制的基础技术） 自动控制技术（计算机控制的关键技术） 系统总体技术（包括系统的叫体设计和接口技术，即用跨学科的思维能力来进行综合集成）。,1.1机电一体化的基本含义,1、机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合性技术，而不是机械技术、微电子技术以及其他技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。,2、机电一体化产品既不同于传统的机械产品，也不同于普通的电子产品，它是机械系统和微电子系统，特别是与微处理器或微机有机结合，从而赋予新的功能和性能的一种新产品。,机电一体化的内涵 机械学（Mechanics）+ 电子学（Electronics） = 机电一体化 或 机械电子工程（Mechatronics） 机电一体化的定义和主要目的 定义：在机械的主功能、动力功能、信息功能、控制功能基础上引入微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机地结合所构成系统的总称。 主要目的：增加机械系统或装置的附加值和自动化程度。,机电一体化的涵义,总结,淬火机床,MK 28250数控磨床,数控砂轮修整器,机电一体化实验台,1.2 机电一体化系统的功能构成原理及其组成要素,机电一体化系统是一种比较复杂的工程系统，它是由相互关联的、若干种类（如机械、流体、电、磁、光、热、声等）元素组成的、具有特定目标的有机整体，具有整体性（集 合 性）、关联性、目的性和相对性四个基本属性，缺一就不可能构成一个有目标的工程系统。,1.2 机电一体化系统的功能构成原理及其组成要素,一、机电一体化系统的功能组成,主功能、信息功能、控制功能、动力功能、构造功能。 以及各子系统的匹配技术（核心） 接口技术。,物质能量信息,系统 （变换、传递、储存）,物质能量信息,控制,工业三大要素,具有所需 特性,机电一体化系统的主功能,(人), 以能量转换为主，输入能量（或物质）和信息，输出不同能量（或物质）的系统（或产品），称为动力机，其中输出机械能的为原动机，如电动机、水轮机、内燃机等。, 以信息处理为主，输入信息和能量，主要输出某种信息（如数据、图像、文字、声音等）的系统(或产品），称为信息机，如各种仪器、仪表、计算机、传真机以及各种办公机械等。, 以物料搬运、加工为主，输入物质（原料、毛坯等)、能量（电能、液能、气能等）和信息（操作及控制指令等），经过加工处理，主要输出改变了位置和形态的物质的系统（或产品），称为加工机，如各种机床、交通运输机械、食品加工机械、起重机械等。,机电系统五种内部功能构成,CNC机床内部功能构成,1.2 机电一体化系统的功能构成原理及其组成要素,二、机电一体化系统的构成要素,1.2 机电一体化系统的功能构成原理及其组成要素,二、机电一体化系统的构成要素,1、构成人体的五大要素： 头脑、感官（眼、耳、鼻、舌、鼻、皮肤）、四肢、内脏及躯干。,2、机电一体化五大要素：控制器（计算机）、传感器、执行部件、动力源和机械本体。,2）动力系统：按照系统控制要求，为机电一体化产品提供能量和动力功能，去驱动执行机构工作已完成预定的主功能。包括电、液、气等多种动力源。,1）机械本体：用于支撑和连接其它要素，并把这些要素合理地结合起来，形成有机的整体。如机器人的机身、指针式电子手表的表壳。,3）传感与检测系统：将机电一体化产品在运行过程中所需的自身和外界环境的各种参数及状态转换成可以测定的物理量，同时利用检测系统的功能对这些物理量进行测定，为机电一体化产品提供运行控制所需的各种信息。传感与检测系统的功能一般有传感器或仪表来实现，对其要求是体积小、便与安装与连接、检测精度高、抗干扰等。,4）信息处理及控制系统：根据机电一体化产品的功能和性能要求，信息处理及控制系统接受传感与检测系统反馈的信息，并对其进行相应的处理、运算和决策，以对产品的运行施以按照要求的控制，实现控制功能。机电一体化产品中，信息处理及控制系统主要是由计算机的软件和硬件以及相应的接口所组成。要求信息处理速度高，A/D 和 D/A转换及分时处理时的输入/输出可靠，系统的抗干扰能力强。,5）执行部件：在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。执行部件一般是运动部件，常采用机械、电液、气动等机构。,1.3 机电一体化系统的功能原理设计和广义接口、控制软件的作用,一、机电一体化系统的功能原理设计,功能原理设计的宗旨是根据系统的目的和要求，寻求各种（现有的或新的）物理原理来实现主功能或其它功能的最佳技术方案或技术路线，而不是具体的设计，因而更具有灵活性和创造性。,1）、步是在系统设计中作出重大决策的阶段,2）第、步是顺次进行系统的功能设计。,3）第步是把在第步所得功能子系统或功能要素分类，多次探索所要完成各个功能的硬件的软件，从中选定最优方案,4）第步是对整个系统进行评价，找出需要改善的地方，重点进行研究。必要时，重复进行上述步骤，核查审定。,（二）建立四大功能技术矩阵、寻求可能的技术方案,建立功能技术矩阵是提供可行技术方案的一种方法，其目的是从抽象的功能原理设计怎样逐步走向具体化 。,由上表可知，通过组合，在理论上有486个可行的技术方案,二、机电一体化系统的技术评价,机电一体化系统的价值通常是根据系统内部功能的有关参数来进行评价的。,此外，机电一体化系统是一种多功能、高性能、高效率、节能、节材的高附加值的产品。高质量高技术的最终目标是智能机械或具有人工智能的机电一体化系统。,三、广义接口,机电一体化系统中，最重要的是系统和各要素之间的“广义接口”这个基本概念 。,机电一体化系统构成要素相互联系问题 接口技术,接口技术的作用： 为实现机械、电子、信息等各异技术在机电一体化系统中的物质、能源、信息的传递与转换，达到系统所需的目的功能。 接口技术的功能： 系统输入/输出接口信息的匹配。 系统信息的转换、调整，能源信息匹配。,（一）接口按其变换与调整功能的特征分类,1零接口 不进行参数的变换和调整，即输出输入的直接接口。如联轴器、输送管、插头、插座、导经、电缆等。 2被动接口 仅对被动要素的参数进行变换或调整。如齿轮减速器、进给丝杆、变压器、可变电阻以及光学透镜等。 3主动接口 含有主动要素、并能与被动要素进行匹配的接口。如电磁离合器、放大器、光电耦合器、A/D、D/A转换器等。 4功能接口 含有微处理器，可进行程序编制或适应条件而变化的接口。如自动调整装置、通过输出输入芯片（如8255芯片）、RS232串行接口|STD总线、通用接口总线（GPIB）等。,（二）根据接口输入输出的性质分类,1信息接口（软件接口） 逻辑上要满足软件的约束条件，如程序设计的语言、格式、标准、符号等各项规定。如GB、ISO标准、ASCII码、C语言等。 2机械接口 机械的输入、输出部分在几何上（形状、尺寸、配合、精度等）要相匹配。 3电气接口 电气的物理参数要相互匹配，如频率、电压、电流阻抗等。 4环境接口 对周围的环境条件（温度、温度电磁场、放射能、振动、水分、粉尘等）要有具体的要求，如屏蔽、减振、隔热、防爆、防潮、防放射线等各种防护措施。,四、控制软件在系统中的作用,1.4 机电一体化产品的分类,机电一体化技术和产品的应用范围非常广泛，涉及工业生产过程的所有领域，因此，机电一体化产品的种类很多，而且还在不断增加。按照机电一体化产品的功能，可以将其分成下述几类：,1.4 机电一体化产品的分类,1、数控机械类,数控机械类主要产品为数控机床、工业机器人、发动机控制系统和自动洗衣机等。其特点为执行机构是机械装置。,2、电子设备类,电子设备类主要产品为电火花加工机床、激光测量仪等。其特点为执行机构是电子装置。,1.4 机电一体化产品的分类,3、机电结合类,机电结合类主要产品为自动探伤机、形状识别装置、自动售货机等。其特点为执行机构是机械和电子装置的有机结合。,4、电液伺服类,电液伺服类主要产品为机电一体化的伺服装置。其特点为执行机构是液压驱动的机械装置，控制机构是接收电信号的液压伺服阀。,1.4 机电一体化产品的分类,5、信息控制类,信息控制类主要产品为电报机、磁盘存储器、磁带录像机复印机、传真机等办公自动化设备。其主要特点为执行机构的动作完全有所接收的信息控制。,按照用途分:,产业机械：用于工业生产的电子控制机械，如数控设备 信息机械：用于信息处理、存储的机械如自动化办公设备 民生机械：用于人民生活的电子机械产品家用电器,1.5 机电一体化的特点及发展趋势,一、机电一体化技术体现在产品、设计、制造以及生 产经营管理诸方面的特点,1、简化机械结构，提高精度,在机电一体化产品中，通常采用调速电机来驱动机械系统，从而缩短甚至取消了机械传动链，这不但简化了机械结构，而且减少了由于机械摩擦、磨损、间隙等引起的传动误差。并且，可以用闭环控制来补偿机械系统的误差，从而提高了系统精度。,1.5 机电一体化的特点及发展趋势,2、易于实现多功能和柔性自动化,在机电一体化产品中，计算机控制系统，不但取代其它的信息处理和控制装置，且易于实现自动检测、数据处理、自动调节和控制、自动论断和保护，还可自动显示、记录和打印等。此外，计算机硬件和软件结合就能实现柔性自动化，并具有很大的灵活性。,1.5 机电一体化的特点及发展趋势,3、产品开发周期缩短、竞争能力增强,机电一体化产品可以采用专业化生产的、高质量的机电部件，通过综合集成技巧来设计和制造，因而不但产品的可靠性高，甚至在使用期限内无需维修，从而缩短了产品开发周期，增强了产品在市场上的竞争能力。,1.5 机电一体化的特点及发展趋势,4、生产方式向高柔性、综合自动化发民用工业,各种机电一体化设备构成的FMS和CIMS，使加、检测、物流和信息流过程融为一体，就可形成人少或无人化生产线、车间和工厂。近10年来，日本有些大公司已采用所谓“灵活的生产体系：，即根据市场需要，在同一条生产线上可分时生产批量小、型号或品种多的“系列产品家族”，如计算机、汽车、摩托车、肥皂和化妆品等系列产品。,1.5 机电一体化的特点及发展趋势,5、促进经营管理体制发生根本性的变化,由于市场的导向作用，产品的商业寿命日益缩短。为了占领国内、外市场和增强竞争能力，企业必须重视用户信息的收集和分析，迅捷作出决策，迫使企业从传统的生产型各以经营为中心的决策管理体制转变，实现生产、经营和管理体系的全面计算机化,二、机电一体化的发展状况,大体上可分为3个阶段,1、初期阶段：20世纪60年代以前，在这一时期，人们自觉或不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。,2、蓬勃发展阶段：20世纪7080年代，这一时期，计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化奠定了技术基础。大规模、超大规模集成电路和微型机算计的迅猛发展，为机电一体化技术的发展提供了充分的物质基础。,3、智能化阶段：20世纪90年代后期，开始了机电一体化技术向智能化迈进的新阶段。一方面光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头角，出现了光机电一体化和为机电一体化等新分支，另一方面对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行着深入研究。,4、我国机电一体化的发展状况,我国从20世纪80年代初才开始这方面研究和应用。国务院成立了机电一体化领导小组并将该技术列为“863计划”中。在制定“九五”规划和2010年发展纲要是充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响。,现代制造技术与系统促进机电一体化的发展,1、柔性制造系统（Flexible Manufacturing System FMS),是一种高效率、高精度、高柔性的加工系统。,从结构上说，柔性制造系统是由计算机中心管理和输送系统连接起来的一组加工设备（包括数控机床、材料和工具自动搬运设备、自动测量及实验设备等）。他不但能实现信息流、物料流和加工过程的自动化，还能在一定范围内完成有一种零件加工到另一种零件加工的自动转换。,简而言之， FMS是一种用计算机网络控制的机械加工自动线。所谓柔性，就是一种没有固定加工顺序和生产节拍，能在不停机调整的情况下，自动完成不同件加工任务的功能特性。,2、计算机集成制造系统（CIMS),CIMS就是为了实现制造工厂的全盘自动化和无人化而提出来的。,其基本思想是按系统的观点将整个工厂组成一个系统。用计算机对产品的初始构思和设计直至最终的装配和检验的全过程进行管理和控制。,CIMS只管输入所需产品的有关市场及设计的信息和原材料，就可输出经过检验的合格产品。,CIMS是一种以计算机为基础将企业全部生产活动的各个环节与各种自动化系统有机地联系起来，以获得最佳经济效果的生产经营系统。,3、并行工程 （Concurrent Engineering CE),针对待开发的产品，将从事产品概念设计、详细设计和工艺设计的所有管理与开发人员组织成多专业开发小组，并行地进行产品的设计与开发工作，并及早发现和解决开发过程中所有可能出现的问题，减少设计方案的反复修改及变更次数，减少制作“原型”次数，从而加速开发过程，节省开发费用。,4、敏捷制造 （Agile Manufacturing , AM),AM指的是制造企业采用现代通讯手段，通过快速配置各种资源，以有效、协调的方式响应用户需求，实现制造敏捷性的生产方式。,敏捷（Agile）一词的英文原意是指在一个连续进行改变的、不可预见的环境中生存的能力，因而AM定义中的敏捷性指企业在不可预见的、多变的经营环境中善于应变的能力。,AM的基本思想认为，决定产品成本、利润与竞争能力的因素是开发和生产该产品所需的知识的价值，而不是材料、设备或劳动力的价值，迅速将知识转化为利润的方法是赢得竞争的主要手段。,5、虚拟制造 （Virtual Manufacturing , VM),VM是实际制造过程在计算机上的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上群组协同工作，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程中各级的决策与控制能力。,VM虽不是实际的制造，但却实现了实际制造的本质过程，是一种通过计算机虚拟模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面潜在问题的技术。他的使用可以极大地提高人们在制造过程中的预测和决策水平，使制造技术走出主要依赖经验的狭小天地，发展到全方位预测的新阶段。,1.5 机电一体化的特点及发展趋势,二、机电一体化的发展趋势,机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉融合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。,1.5 机电一体化的特点及发展趋势,1、智能化,这里所说的“智能化”是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、生理学和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、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。,1.5 机电一体化的特点及发展趋势,2、模块化,研制和开发具有标准机械接口、电器接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元，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、识别和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。这样利用单元迅速开发出新的产品，同时也可扩大生产规模。,1.5 机电一体化的特点及发展趋势,3、网络化,由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。 现场总线和局域网技术是家用电器网络化已成大趋势，利用家庭网络将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统，使人们在家里充分享受各种高技术带来的便利和快乐。,1.5 机电一体化的特点及发展趋势,4、微型化,指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外将其称为微电子机械系统（micro electro mechanical system ,MEMS)，或微机电一体化系统，泛指几何尺寸不超过1 机电产品，并向微米、纳米即发展。,1.5 机电一体化的特点及发展趋势,5、绿色化,绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中，符合特定的环境保护和人类健康的要求，对生态环境无害或危害极少，资源利用率最高。机电一体化产品的绿色化主要是指，使用时不污染生态环境，报废后能回收利用。,1.5 机电一体化的特点及发展趋势,6、人格化,机电一体化的人格化有两层含义。一层是，机电一体化产品的最终使用对象是人，如赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越重要，特别是家用电器，其最高境界就是人机一体化。另一层是模仿生物机理，研制各种机电一体化产品。,1.6 本课程的目的和要求,机电一体化是多学科的交叉和综合，涉及的学科和技术非常广泛，且其应用领域众多，要全面精通它是很不容易的 ，本课程以机械为基础、机电结合为重点；以机电元部件、系统设计计算方法及实例、典型机电一体化产品或系统为主要内容，对微机控制系统、接口电路、控制软件等仅作了介绍，不作详