机械工程导论.ppt

机械工程是19世纪初期从民用工程中分离出来的一门工程学科。它的目标是运用数学、物理等基础理论和有关机械方面的专门知识，结合生产实际经验，有判断地、经济有效地解决在设计、研究、制造和运行各种机械中遇到的实际问题 机械工业是国民经济的支柱工业之一 机械工业是社会生产力发展水平的重要标志,1.1 机电一体化的定义,一 、机电一体化的定义 1971年起源于日本。 机械学（Mechanics）+ 电子学（Electronics）=机电一体化 或 机械电子工程（Mechatronics） 从组合词的构成，表达了“机械电子学”的意义,机电一体化技术,机械技术（机械学、机构学）,微电子技术（半导体、IC、LSI）,1.1 机电一体化的定义,一、 机电一体化的定义 定义：机电一体化技术是从系统工程观点出发，应用机械、电子、信息等有关技术，对它们进行有机的组织和综合，实现了整体的最佳化。 它不是机械与电子的简单的叠加，而是在信息论（利用传感技术）、控制论（利用控制理论）和系统论（“系统”整体筹划，机械和电子分别只是“环节”）的基础上建立起来的应用技术,1.2 机电一体化的基本功能要素,一、机械本体 主要功能是使构造系统的各子系统、零部件按照一定的空间和时间关系安置在一定位置上，并保持特定的关系。包括机械结构装置和传动装置。 二、动力单元 按照机电一体化系统的控制要求，为系统提供动力和能量以保证系统正常运行。用最小的动力输入获得尽可能大的功能输出。,1.2 机电一体化的基本功能要素,三、传感检测单元 主要功能是对系统运行过程中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，并转换成可识别信号，传输到控制信息处理单元，经过分析、处理产生相应的控制信息 由传感器和仪器仪表组成。,1.2 机电一体化的基本功能要素,四、执行单元 根据控制信息和指令完成所要求的动作。执行单元是运动部件，根据机电一体化系统的匹配要求，需要改善执行机构的工作性能，如提高刚性，减轻重量，实现组件化、标准化和系列化，以提高系统整体工作可靠性等。,1.2 机电一体化的基本功能要素,五、驱动单元 在控制信息的作用下，驱动各执行机构完成各种动作和功能。机电一体化系统方面要求驱动单元具有高效率和快速响应性等，同时又要求其对外部环境的适应性和可靠性，还由于几何上，动作范围狭窄等限制，还需考虑维修方便和实行标准化等。,1.2 机电一体化的基本功能要素,六、控制与信息处理单元 控制与信息处理单元是机电一体化系统的核心单元。将来自各传感器的检测信息和外部输入指令进行集中、存储、分析、加工。根据信息处理结果，按照一定的程序发出相应的控制信号，通过输出接口送往执行机构，控制整个系统有目的地运行，并达到预期性能。一般由计算机，可编程序控制器，数控装置等组成。,1.2 机电一体化的基本功能要素,七、接口单元 接口的作用是将各要素或子系统连接成为一个有机整体，使各个功能环节有目的地协调一致运动，从而完成机电一体化的系统工程。各个单元要完成物质，信息和能量的传递和交换，为此，各要素和子系统相接处必须具备一定的连接部件，这个部件就可称为接口。 基本功能有三个：变换，放大，传递。,1.3 机电一体化的相关技术,一、机械技术 机电一体化的机械产品与传统的机械产品的区别在于：机械结构更简单、机械功能更强、性能更优越。现代机械要求具有更新颖的结构、更小的体积、更轻的重量，还要求精度更高、刚度更大、动态性能更好。 在设计和制造机械系统时除了考虑静态、动态刚度及热变形等问题外，还应考虑采用新型复合材料和新型结构以及新型的制造工艺和工艺装置。,1.3 机电一体化的相关技术,二、传感检测技术 传感器检测是实现自动控制和自动调节的关键环节。传感检测技术的内容包括两方面，一是研究如何将各种被测量（包括物理量、化学量和生物量等）转换为与之成比例的电量；二是研究对转换的电信号的加工处理，如放大、补偿、标度变换等。 机电一体化系统要求传感检测装置能快速、准确、可靠的获取信息。,1.3 机电一体化的相关技术,三、信息处理技术 计算机技术包括计算机的软件技术、硬件技术、网络与通讯技术和数据技术。机电一体化系统中主要采用工业控制机（包括可编程控制器，单、多回路调节器，单片微控制器，总线式工业控制机，分布式计算机测控系统）进行信息处理。信息处理的发展方向是提高信息处理的速度、可靠性和智能化程度。人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等都属于计算机信息处理技术的范畴。,1.3 机电一体化的相关技术,四、自动控制技术 自动控制所依据的理论是自动控制原理（包括经典控制理论和现代控制理论），自动控制技术就是在此理论的指导下对具体控制装置或控制系统进行设计；设计后进行系统仿真，现场调试；最后使研制的系统可靠地投入运行。 机电一体化系统中的自动控制技术主要包括位置控制、速度控制、最优控制、自适应控制以及模糊控制、神经网络控制等。,1.3 机电一体化的相关技术,五、伺服传动技术 伺服驱动技术就是在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械的运动部件按照指令要求运动，并具有良好的动态性能。伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置。 伺服驱动技术是直接执行操作的技术，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置和部件，对机电一体化系统的性能起决定性作用。 常见的伺服驱动系统主要有电气伺服（如步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等）,液压伺服（如液压马达、脉冲油缸等）和气压伺服三类。,1.3 机电一体化的相关技术,六、系统总体技术 系统总体技术是以整体的概念组织应用各种相关技术的技术，从全局的角度和系统的目标出发，将系统分解为若干个子系统，从实现整个系统技术协调的观点来考虑每个子系统的技术方案。 机电一体化系统是一个技术综合体，它利用系统总体技术将各有关技术协调配合、综合运用而达到整体系统的最佳化。,1.4 机电一体化（制造）系统,一、数控机床 数控技术（numerical control，NC）以数字化的信息实现对设备进行控制的技术。 数控技术的典型应用 数控机床: 数控金属切削加工机床,数控车床,经济型数控车床,数控钻床,数控铣床,加工中心,卧式加工中心,立式加工中心,车削加工中心,钻削加工中心,二、柔性制造系统（FMS） （Flexible Manufacturing System）,1、柔性制造系统的概念,美国出版的柔性制造系统手册对柔性制造系统的定义比较简明：由计算机控制的、由若干半独立的工作站和一个物料传送系统所组成的、能高效率地制造多品种、中小批量零件的系统。 1967年，英国莫林斯公司提出把多台数控机床联成一体的柔性制造系统的设想。后来，美国K&I公司实现了用计算机控制的柔性制造系统。随着电子技术和计算机技术的高速发展，从20世纪80年代初，柔性制造系统得到较快的发展（据1986年美国机械工程协会统计，当时已有370条柔性制造系统在运行中）,柔性制造系统的组成,1) 中央管理与控制计算机 功能：接收工厂主计算机的指令 对整个FMS实行监控 对数控机床或制造单元的加工数据实行控制 对夹具、工具实现集中管理和控制 协调各控制装置之间的动作,2) 制造单元是FMS的基础组成部分，由CNC机床和工业机器人组成。,3) 物流控制装置对自动化（零件）仓库、无人输送台车、加工的毛坯和成品、加工用的夹具等实行集中管理和控制。,4)自动化（零件）仓库将毛坯、半成品和成品进行自动调用或储存。,5) 无人输送台车行走于机床之间、机床与自动化（零件）仓库之间、机床与中央刀具库之间的自动化（无人驾驶）台车，可以是有轨的或无轨的。,6) 中央刀具库刀具集中存储区。,7) 夹具站及时实现对夹具的调整和维护。,8) 信息传输网络FMS中的通讯系统。,9) 随行工作台（PS）实现从无人台车到制造单元之间传送的缓冲功能。,柔性制造系统的主要组成部分 对于一般的FMS，通常是由四大类设备组成：主机、联线设备、控制系统和辅助设备。,1)主机 FMS的主机一般为数控机床，并且多为加工中心机床（多用卧式加工中心），也有数控车削加工中心（可车、钻、铣，有铣大螺旋升角的槽的功能）。,2)联线设备（自动物料传输系统） 联线设备是指在机床之间、仓库与机床之间、托板存放站之间输送和搬运工件、工具的设备。,（1）运输托板 在专门的导轨上或在辊道上往返运动，一般配置在机床的出入工位之间。,（2）叉车式吊车 主要用于自动化仓库。,（3）运输小车 1) 有轨小车沿导轨运动。,2) 无轨小车（以蓄电池为能源） 电磁引导式由无线探测埋在地面下的电缆导向。 光学反射式用白色或能反射光线的线条制导小车行走。,（4）工业机器人 工业机器人用于小工件的装卸和机床间的运输。,对于按集群式机床布置时，所有机床围成圆形，一台工业机器人可为多台数控机床服务。,工业机器人常用于无夹具的回转体零件的装卸。目前已有用工业机器人和车削加工中心组成的车削生产单元。,三、计算机集成制造系统（CIMS） （Computer Integrated Manufacturing System）,1、 概念 1）自动化孤岛（Islands of Automation） 自动化孤岛是指在一个工厂内，能够完成某种功能的自动化子系统，它在职能上是分布的，在地理上是分散的，在时间上是分割的。 自动化孤岛向集成化（一体化）发展是一必然方向，也是制造业的一场深刻的变革。,2、CIMS定义 CIMS是建立在自动化孤岛基础上的复杂系统。CIMS将全部制造过程进行统一规划，将一个工厂的设计、生产和经营的各种分布的自动化孤岛，通过要素化和标准化有机地集成起来，以获得一个高效益和高柔性的智能化大系统。 CIMS是根据系统工程的观点，将整个车间或工厂作为一个闭环系统，整个系统完全由计算机进行管理。该系统输入的是产品需求的有关信息，输出的为经过检验的合格产品。,1974年，美国年轻学者哈灵顿博士首先提出“计算机集成制造”的概念，他认为整个生产过程（从市场、设计制造到管理、售后服务等）是一个整体，需要统一考虑；同时整个生产过程是信息的采集、传送和加工处理的过程，产品的尺寸不过是物化的数据。这一观点为生产过程大量采用信息技术奠定了认识上的基础。,3、CIMS系统的组成 CIMS概况,CIMS系统分为三级： 1) 决策级 决策级是生产决策机构。决策级根据市场的需求、原材料供应情况，结合本企业的生产技术条件及财务状况，作出生产产品的种类及规模的决策。 2) 经营管理级 经营管理级根据决策机构的决定、市场的销售情况等方面的情况，决定产品的类型与产量，协调生产过程的各种活动，实现总体决策所提供的战略目标（包括材料需求规划、质量管理、计算机辅助经济分析等）。同时在空间和时间上,协调物料的需求,实现现代管理思想的目标无库存系统。,3) 制造级 制造级是具体实施产品设计与制造的部分，其中包含制造系统中各项自动化技术及其集成，即CAD/CAM、FMS、柔性检验、自动传送系统、自动化仓库等。 在CIMS内，信息流占主导地位，信息的采集、交换与处理融合在一起，再由信息流控制物质流，控制和指挥整个生产活动。,CIMS的主要组成部分 CIMS包括了企业从市场预测到产品售后服务的全部生产活动。从功能角度看，CIMS包含了一个企业的设计、制造及经营管理的三种主要功能。要使这三者集成起来，还需要一个支撑环境，即分布式数据库和计算机网络。目前，一般认为CIMS主要由四部分组成： 1)管理与决策信息系统 其主要功能是信息处理，包括收集、传输、加工、查询等；一般分为辅助性经营计划管理、物料管理、生产管理、财务管理、人力资源管理和辅助决策。 2)工程信息系统 其主要功能模块有计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、成组技术（GT）、计算机辅助编制工艺规程（CAPP）和