《机电一体化技术》PPT课件.ppt

机电一体化技术 第一章 概论 n1.1 机电一体化基本概念 n1.2 机电一体化发展概况 n1.3 机电一体化系统的构成 n1.4 机电一体化共性关键技术 n1.5 机电一体化系统设计 n1.6 机电一体化对机械工业的影响 n1.7 机电一体化的发展 1.1 基本概念 n机电一体化技术：从系统的观点出发，将机械技 术 、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统 工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最 佳化的一门新科学技术。 n机电一体化不是机械 与电子简单的叠加，而 是在信息论、控制论和 系统论的基础上建立起 来的应用技术 机电一 体化 信息科学 机 械 学 电子学 n 机电一体化一般包含机电一体化产品( 系统)和机电一体化技术两层含义。 n 典型的机电一体化产品(系统)有：数控 机床、机器人、汽车电子化产品、智能化 仪器仪表、电子排版印刷系统、CADCAM 系统等。 n 机电一体化中包含的关键技术在第四节 中详细介绍。 1.1 基本概念 数 控 铣 床 数控车床数控车床 焊接机器人焊接机器人 n汽车防抱死系统(ABS) 1.2 发展概况 1. 20世纪60年代前为第一阶段，“萌芽阶段” 工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结 合，以提高机械产品的性能。但是由于电子技术的发展相对 落后，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。 2. 70年代到80年代为第二阶段，“蓬勃发展阶” 计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体 化的发展奠定了技术基础这个时期的特点是： mechatronics一词首先在日本被普遍接受，大约到20世纪 80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认； 机电一体化技术和产品得到了极大发展； 各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支 持。 n3.90年代后期开始为第三阶段，“智能化阶段” n 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脚，出现了光机电一体化和微机电 一体化等新分支； n 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了深入研究。 n 由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取 得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地 。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和 逐渐形成完整的科学体系。 1.2 发展概况 n1. 数控机床的问世，写下了“机电一体化”历史的 第一页。 2. 微电子技术为“机电一体化带来勃勃生机。 3. 可编程序控制器、”电力电子“等的发展为”机 电一体化“提供了坚强基础。 n 4. 激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使” 机电一体化“跃上新台阶。 1.2 发展概况 1.3 机电一体化系统的构成 位置位置, ,速度速度 检测单元检测单元 电机电机 机械机械 部件部件 位置位置, ,速速 度反馈度反馈 CNCCNC 数控机床伺服系统组成数控机床伺服系统组成 1.3 机电一体化系统的构成 执行器执行器 控制控制 信息信息 电子控制单元电子控制单元 动力源动力源 检测传检测传 感部分感部分 机械本体机械本体 参数变参数变 化信息化信息 驱驱 动动 力力 能能 量量 检测检测 参数参数 1 1、机械本体、机械本体 机身、框架、机械联接等产品支持机机身、框架、机械联接等产品支持机 构，构，实现实现构造功能构造功能。 要求：可靠、小型、美观要求：可靠、小型、美观 2 2、能源、能源 提供能量，转换成需要的形式，实现提供能量，转换成需要的形式，实现动力动力 功能。功能。 要求：效率高、可靠性好要求：效率高、可靠性好 1.3 机电一体化系统的构成 3 3、检测传感装置、检测传感装置 检测产品内部状态和外部环境，实现检测产品内部状态和外部环境，实现计测计测 功能。功能。 要求：体积小、精度高、抗干扰要求：体积小、精度高、抗干扰 4 4、电子控制单元、电子控制单元 处理、运算、决策，实现处理、运算、决策，实现控制功能控制功能。 要求：高可靠性、柔性、智能化要求：高可靠性、柔性、智能化 1.3 机电一体化系统的构成 5 5、执行机构、执行机构 包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成 要求的动作，实现要求的动作，实现主功能。主功能。 要求：高性能、高精度、高效率要求：高性能、高精度、高效率 1.3 机电一体化系统的构成 1.4 共性关键技术 n1 检测传感技术 n2 信息处理技术 n3 自动控制技术 n4 伺服驱动技术 n5 机械技术 n6 系统总体技术 1 1、检测传感技术、检测传感技术 作用：作用：感受器官、反馈环节。感受器官、反馈环节。 研究对象：研究对象：传感器及其信号检测装置（即变送器传感器及其信号检测装置（即变送器 ） 要求：要求：能快速、精确地获得信息并在相应的应能快速、精确地获得信息并在相应的应 用环境中具有高可靠性。用环境中具有高可靠性。 1.4 1.4 共性关键技术共性关键技术 2 2、信息处理技术、信息处理技术 主要完成信息的交换、存取、运算、判断主要完成信息的交换、存取、运算、判断 和决策等和决策等. .其主要工具是计算机。其主要工具是计算机。 传感传感 器器 A/A/ D D 计算计算 机机 D/D/ A A 执行装执行装 置置 3 3、控制技术、控制技术 关于软件方面的技术，主要以控制理论为关于软件方面的技术，主要以控制理论为 指导，对控制系统设计、仿真、现场调试、可指导，对控制系统设计、仿真、现场调试、可 靠运行等。靠运行等。 1.4 1.4 共性关键技术共性关键技术 4 4、伺服驱动技术、伺服驱动技术 执行元件种类：执行元件种类：电电动动、液压液压、气压气压 研究对象：研究对象：执行元件执行元件及其及其驱动装置驱动装置 驱动装置：驱动装置：各种电动机的驱动电源电路各种电动机的驱动电源电路 实现机电一体化产品的实现机电一体化产品的主功能主功能和和构造功能构造功能 ，影响系统的结构、重量、体积、刚性、可，影响系统的结构、重量、体积、刚性、可 靠性等。靠性等。 5 5、机械技术、机械技术 1.4 1.4 共性关键技术共性关键技术 n6、系统总体技术 n 系统总体技术是一种从整体目标出发，用 系统工程的观点和方法，将系统各个功能模 块有机的结合起来，以实现整体最优。其重 要内容为接口技术。接口包括电气接口、机 械接口、人机接口 1.4 1.4 共性关键技术共性关键技术 1.5 机电一体化系统设计 n一、市场调研 n二、总体方案设计 n三、详细设计 n四、样机试制与试验 n五、小批量生产 n六、大批量生产 一、市场调研 n 市场调研包括市场调查和市场预测。所谓 市场调查就是运用科学的方法，系统地、全面 地收集所设计产品市场需求和经销方面的情况 和资料，分析研究产品在供需双方之间进行转 移的状况和趋势，而市场预测就是在市场调查 的基础上，运用科学方法和手段，根据历史资 料和现状，通过定性的经验分析或定量的科学 计算，对市场未来的不确定因素和条件做出预 计、测算和判断，为产品的方案设计提供依据 。 1.5 机电一体化系统设计 二、总体方案设计 n1产品方案构思 n产品方案构思完成后，以方案图的形式将设计方 案表达出来。方案图应尽可能简洁明了，反映机 电一体化系统各组成部分的相互关系，同时应便 于后面的修改。 n2方案的评价对多种构思和多种方案进行筛选 ，选择较好的可行方案进行分析组合和评价，从 中再选几个方案按照机电一体化系统设计评价原 则和评价方法进行深入的综合分析评价，最后确 定实施方案。 1.5 机电一体化系统设计 三、详细设计 n详细设计是根据综合评价后确定的系统方 案，从技术上将其细节逐层全部展开，直 至完成产品样机试制所需全部技术图纸及 文件的过程。 1.5 机电一体化系统设计 四、样机试制与试验 n 完成产品的详细设计后，即可进入样机试制与 试验阶段。根据制造的成本和性能试验的要求， 一般制造几台样机供试验使用。样机的试验分为 实验室试验和实际工况试验，通过试验考核样机 的各种性能指标是否满足设计要求，考核样机的 可靠性。如果样机的性能指标和可靠性不满足设 计要求，则要修改设计，重新制造样机，重新试 验。如果样机的性能指标和可靠性满足设计要求 ，则进入产品的小批量生产阶段。 1.5 机电一体化系统设计 n五、小批量生产 n 产品的小批量生产阶段实际上是产品的试生 产试销售阶段。这一阶段的主要任务是跟踪调查 产品在市场上的情况，收集用户意见，发现产品 在设计和制造方面存在的问题，并反馈给设计、 制造和质量控制部门。 n六、大批量生产 n 经过小批量试生产和试销售的考核，排除产 品设计和制造中存在的各种问题后，即可投入大 批量生产。 1.5 机电一体化系统设计 1.6 机电一体化对机械工业的影响 n1 提高性能、扩展功能 今日的数控机床充分发挥计算机的威力，运用 时间序列分析和精度创成等理论建立数学模型。 已有可能实时预报包括随机误差在内的机床误 差，然后自动校正，从而达到前所未有的精度。 采用对阻尼进行预报，一旦接近临界值时就自动 调整切削用量，这又可能出现永不颤振的机床， 保证很高的生产率和良好的加工表面。 1.6 机电一体化对机械工业的影响 2 2 简化结构简化结构 n3 提高可靠性 n 在提高电子元件质量、可靠性的前提下，机电 一体化产品可以提高耐久性，减少故障率。另一 方面由于赋予其自动监视诊断功能，并采取安全 联锁控制，过负荷和失控保护、停 电对策，提 高了设备的安全可靠性。 1.6 机电一体化对机械工业的影响 n4 节约能源 n 例如目前我国各类电风扇年产量在200万台左 右，如每台电扇的调速器和定时器(现常用电磁机 械式)用电子调速器和定时器代替，估计每台风扇 可节电5W以上，全年以用扇100天，每天开扇 6h计，则每年可节约用电量600万kWh，还可 节省大批铜材和钢材。 n 再如传统的电焊机以电磁原理和手工操作为基 础，即使是一般的自动电焊机，其动作过程也仅 为简单的机械动作和相应的控制。这类电焊机耗 能多、效率低、质量不易保证。采用微型机技术 后，发展新颖的电子控制电源以取代传统的焊接 电源，实现焊接电源的节能、高效、小型化、多 样化。 1.6 机电一体化对机械工业的影响 n5 操作改善 n 传统的车削 数控车削 1.6 机电一体化对机械工业的影响 1.7 机电一体化的发展趋势 n1 智能化 n 智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个 重要发展方向。人工智能在机电一体化建设者的 研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化 就是重要应用。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、心理学 、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。 2 模块化 n 由于机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、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分 复杂但又是非常重要的事。这需要制定各项标准 ，以便各部件、单元的匹配和接口。由于利益冲 突，近期很难制定国际或国内这方面的标准，但 可以通过组建一些大企业逐渐形成。显然，从电 气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定， 无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对 生产机电一体化产品的企业，规模化将给机电一 体化企业带来美好的前程。 1.7 机电一体化的发展趋势 3网络化 n20世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网 络技术。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。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身就是机电一体 化产品。因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方 向发展。 1.7 机电一体化的发展趋势 n4 微型化 n 微型化兴起于20世纪80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。国外称其为微电子机械系统（MEMS ），泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化 产品，并向微米、纳米级发展。微机电一