第一章：概论(2学时)

主讲 许向荣电话 863 61329邮箱 xt7875 机电一体化系统设计 美国 技术评论 认为 有十种新兴技术在不远的将来会产生巨大影响 无线传感器网络 可注入组织工程 纳米太阳能电池 机电一体化技术 分子成像 纳米印刷刻蚀 软件保证 糖原组学 量子密码术 课程简介 日本拉面机器人 第一章绪论 学习要点 理解机电一体化的基本概念 系统构成要素 分类 了解机电一体化系统的关键共性技术 了解机电一体化系统的发展概况 1 1机电一体化的基本概念 一 机电一体化系统的定义 机电一体化 一词 Mechatronics 在20世纪70年代起源于日本 它由英语单词Mechanics 机械学 的前半部和Electronics 电子学 的后半部分拼成一个新词 即机械电子学或机电一体化 机电一体化 并非是机械技术与电子技术的简单相加 而是机械技术与电子技术 信息技术 自动控制技术相互 融合 的产物 目前 对 机电一体化 一词还没有统一的定义 1981年 日本机械振兴协会经济研究所提出 机电一体化这个词乃是在机械主功能 动力功能 信息与控制功能上引进了电子技术 并将机械装置与电子设备以及软件等有机结合而成系统的总和 90年代国际机器和机械理论研究会提出 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协同结合 由于各自的理解不同 出发点和着眼点不同 所做的解释也不相同 虽然国内外对机电一体化这一概念还没有明确 统一的定论 但对机械与电子技术有机结合的认识是一致的 机电一体化 是机械技术 微电子技术相互交叉 融合的产物 边缘学科 机电一体化 包含 机电一体化技术 和 机电一体化产品 两个含义 从定义中可以看出以下两个层面 定义 机械工程和电子工程相结合的技术 以及应用这些技术的机械电子装置 机电一体化技术是以电子技术特别是微电子技术为主导的多种新兴技术与机械技术交叉 融合而成的综合性高技术 包括机械技术 微电子技术 计算机和信息处理技术 自动控制技术 电力电子技术 伺服驱动技术以及系统总体技术在内的一种高新技术 机电一体化产品是应用机电一体化技术的机械产品 即在传统的机械产品中采用微电子技术和计算机技术生产出来的新一代产品 初级的机电一体化产品是指采用微电子技术代替和完善机械产品中的一部分 以提高产品的性能 而高级的机电一体化产品是利用机电一体化技术使机械产品实现自动化 数字化和智能化 使产品性能实现质的飞跃 机电一体化研究和开发的内容计算机数控系统 机器人 计算机辅助设计 辅助制造系统 柔性制造系统和计算机集成制造系统等 特点 系统性 注重产品和系统功能的实现 机构中所有部分功能共同作用的结果 与传统的机电产品相比具有很多优越性 1 使用安全性和可靠性大为提高 2 生产能力和工作质量提高 3 使用性能改善 4 具有复合功能并且适用面广 5 调整和维护方便 二 机电一体化产品的分类按产品的功能划分为以下几类 1 数控机械类 数控机床 机器人 发动机控制系统以及全自动洗衣机等 机械装置 2 电子设备类 电火花加工机床 线切割机 超声波加工机以及激光测量仪等 电子装置 3 机电结合类 自动探伤机 形状自动识别装置 CT扫描诊断机以及自动售货机等 电子装置和机械装置的有机结合 4 电液伺服类 机电液一体化的伺服装置 如电子伺服万能材料试验机 执行机构为液压驱动的机械装置 控制机构是接受电信号的液压伺服阀 5 信息控制类 传真机 磁盘存储器 磁带录像机 录音机 复印机等 执行机构的动作由所接收的信息类信号来控制 焊接机器人 锡焊机器人 搬运机械手 装配机械手 五自由度机械手 气动机械手 数控车床 立式加工中心V600 大连机床公司的立式加工中心 卧式加工中心TH6550 2 按系统的控制方式分类 1 开环控制系统没有反馈 这种系统的输入直接送给控制器 并通过控制器对受控对象产生控制作用 一些家用电器 简易机床和精度要求不高的机电一体化产品都采用开环控制方式 优点是结构简单 成本低 维修方便 若组成系统的元件特性和参数值比较稳定 且外界干扰较小 开环控制能够保持一定的精度 但精度通常较低 无自动纠偏能力 2 闭环控制系统在系统的输出端与输入端之间存在反馈回路 输出量对控制过程会产生影响 也叫反馈控制系统 核心是通过反馈来减少被控量 输出量 的偏差 优点是精度较高 对外部扰动和系统参数变化不敏感 但存在稳定 振荡 超调等问题 系统性能分析 设计和维修较困难 1 2机电一体化系统的基本组成要素 机电一体化系统是由若干具有特定功能的机械与微电子要素组成的有机整体 具有满足人们使用要求的功能 目的功能 根据不同的使用目的 要求系统能对输入的物质 能量和信息 即工业三大要素 进行某一处理 输出所需要的物质 能量和信息 因此 系统必须具有以下三大 目的功能 变换 加工 处理 功能 传递 移动 输送 功能和储存 保持 积累 记录 功能 主功能 不管哪类系统 或产品 其系统内部必须具备如图所示的五种内部功能 即主功能 动力功能 检测功能 控制功能 构造功能 CNC机床内部功能构成实例 机电一体化系统由机械本体 机构 信息处理与控制部分 计算机 能源部分 动力源 检测部分 传感器 执行元件部分 如电动机 等五个子系统组成 典型闭环控制系统 从机电一体化系统的组成和功能来看 人体是机电一体化系统理想的参照物 表1 1机电一体化系统构成要素与人体构成要素的对应关系 机电一体化系统 产品 的五大要素及其对应的五大功能 需要指出的是 构成机电一体化系统的几大要素并不是并列的 应该注意以下两点 1 机械部分是基础和主体 这不仅是由于机械本体是系统重要的组成部分 而且系统的主要功能必须由机械装置来完成 否则就不能称其为机电一体化系统 如电子计算机 非指针式电子表等 其主要功能已由电子器件和电路完成 机械已退居次要地位 这类产品应归属于电子产品 而不是机电一体化产品 2 机电一体化的核心是电子技术 特别是微电子技术 机电一体化需要新技术的有机结合 但首要的是微电子技术 不与微电子技术结合的机电系统也不能称其为机电一体化系统 例如非数控机床 一般均有电动机驱动 但它不是机电一体化产品 机电一体化中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外 还能赋予产品许多功能 如自动检测 自动处理信息 自动显示记录 自动调节与控制 自动诊断与保护等 即机电一体化产品具有 智能化 的特征是机电一体化与传统机械和电气 电子的结合的本质区别 除了微电子技术以外 在机电一体化系统中 其他技术则根据需要进行组合 可以是一种 也可以是多种 机电一体化系统 产品 各构成要素之间的相互联系 在系统中的五个组成要素和它们各自内部各环节之间遵循的四大原则接口耦合 能量转换变换 放大 耦合 能量转换信息控制 核心单元 数据采集 分析 判断 决策知识获取 推理机制及知识自学习等运动传递各组成要素之间不同类型运动的变换与传输以及以运动控制为目的优化 机电一体化系统实际上是 结构组成要素 动力组成要素 运动组成要素 感知组成要素 智能组成要素内部及其之间 通过接口耦合 运动传递 物质流动 信息控制 能量转换有机融合集成的一个完整系统 小结 美国辛辛那提 Cincinnati 1210 U车削加工中心刀塔的Z X纵横直线运动和主轴转角位置三个坐标及相应伺服驱动单元 两坐标联动 转塔式刀库 十二个刀位 可安装自转和非自转刀具 除一般车削加工外 可进行端面和柱面分布孔 槽及螺旋表面的钻削和铣削加工刀具测头和工件测头 测量刀具坐标和工件尺寸 高档的ACRAMATIC 950数控系统 多总线 多CPU结构数据传送通道管理 操作键盘和显示管理 磁盘驱动器读写操作 可编程序控制器输入输出 插补运算和伺服驱动控制等由总线仲裁器按中断优先原则协调各子模块的运算和控制功能 可编程序控制器管理机床的M辅助功能和系统各环节运行状态监测信息 强自诊断功能 实时显示报警系统的运行故障和操作错误 标准数据传送通道 RS 511接口与上位计算机联机通信 进行程序传送和管理 可直接进入计算机集成制造系统网络 柔性制造单元 FMC 自动上下料装置机床工作台自动交换设备工业机器人柔性制造系统 FMS 多品种 中小批量自动化生产计算机集成制造系统 CIMS 计算机信息管理系统 MIS 计算机辅助设计 辅助制造 辅助工艺规划及辅助分析 CAD CAM CAPP CAE TIS 质量控制系统 QIS 以FMS为代表的制造自动化系统 MAS 网络及数据库 1 3机电一体化的共性关键技术 1 3 1机械设计技术1 3 2计算机与信息处理技术1 3 3自动控制技术1 3 4检测传感技术1 3 5伺服传动技术1 3 6系统技术 1 3 1机械设计技术机电一体化的基础 机电一体化产品中的主功能和构造功能 往往是以机械技术为主实现的 特别是关键部件 如导轨 滚珠丝杠 轴承 传动部件等的材料 精度对机电一体化产品的性能 控制精度等有多方面的要求 着眼点 在于如何与机电一体化的技术相适应 利用其他高 新技术来更新概念 实现结构 材料 性能以及功能的变更 满足减少重量 缩小体积 提高精度 提高刚度 改善性能 增加功能的要求 1 3 2计算机与信息处理技术指挥整个系统的运行 信息处理是否正确 及时 直接影响到系统工作的质量和效率 促进机电一体化技术发展和变革的最活跃的因素 信息处理技术 信息的交换 存取 运算 判断和决策等实现信息处理的主要工具 计算机 计算机技术 计算机硬件技术和软件技术 网络与通信技术 数据库技术等 人工智能技术 专家系统技术 神经网络技术等 1 3 3自动控制技术通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行 范围很广 包括自动控制理论 控制系统设计 系统仿真 现场调试 可靠运行等从理论到实践的整个过程 被控对象种类繁多 控制技术的内容极其丰富 包括高精度定位控制 速度控制 自适应控制 自诊断 校正 补偿 示教再现 检索等控制技术 与计算机控制技术联系在一起 成为机电一体化中十分重要的关键技术 1 3 4传感与检测技术将所测得的各种参量如位移 位置 速度 加速度 力 温度 酸度和其他形式的信号等转换为统一规格的电信号输入到信息处理系统中 产生出相应的控制信号以决定执行机构的运动形式和动作幅度 传感器检测的精度 灵敏度和可靠性将直接影响到机电一体化的性能 要求 传感器能快速 精确地获取信息 并能经受各种严酷环境的考验 发展相对计算机技术滞后 1 3 5伺服驱动技术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或部件 决定了系统的动态性能 控制质量和功能 主要研究对象是执行元件及其驱动装置 执行元件分为电动 气动 液压等多种类型 多采用电动式执行元件 驱动装置是指各种电动机的驱动电源电路 多采用电力电子器件及集成功能电路构成 1 3 6系统技术一种从整体目标出发 用系统工程的观点和方法 将系统总体分解成相互有机联系的若干功能单元 并以功能单元为子系统继续分解 直至找到可实现的技术方案 然后再把功能和技术方案组合成方案进行分析 评价和优选的综合应用技术 深入了解系统内部结构和相互关系 把握系统外部联系 对系统设计和产品开发十分重要 接口技术是系统技术中一个重要方面 是实现系统各部分有机连接的保证 接口包括电气接口 机械接口 人 机接口 电气接口实现系统间电信号连接 机械接口则完成机械与机械部分 机械与电气装置部分的连接 人 机接口提供了人与系统间的交互界面 1 4机电一体化的发展趋势 1 4 1国内外机电一体化发展状况大体上可分为三个阶段 第一阶段 20世纪60年代以前 萌芽阶段 第二阶段 70年代至80年代 蓬勃发展阶段 第三阶段 上世纪90年代后期至今 智能化阶段 1 4 2机电一体化技术的发展趋势 1 智能化 2 高性能化 高速 高精度 高效率和高可靠性 3 系统化 模块化 网络化 4 轻量化 微型化 机电一体化的智能化趋势 机器人与数控机床的智能化就是人工智能在机电一体化技术中的重要应用 智能机器人通过视觉 触觉和听觉等各类传感器检测工作状态 根据实际变化过程反馈信息并做出判断与决定 智能化的数控机床采用各类传感器对切削加工前后和加工过程中的各种参数进行监测 并通过计算机系统作出判断 自动对异常现象进行调整与补偿 以保证加工过程的顺利进行 并保证加工出合格产品 国外数控加工中心的智能化功能对刀具长度 直径补偿和刀具破损监测 监测切削过程 工件自动检测与补偿 智能制造系统 IMS 控制器模拟人类专家的智能制造活动 对制造中的问题进行分析 判断 推理 构思和决策取代或延伸制造工程中人的部分脑力劳动对人类专家的制造智能进行收集 存储 完善 共享 继承和发展 1 诊断过程的智能化 2 人 机接口的智能化 3 自动编程的智能化 4 加工过程的智能化 诊断功能的强弱是评价一个系统性能的重要智能指标之一 人工智能的故障诊断系统 采用各种推理机制 能准确判断故障所在 并具有自动检错 纠错与系统恢复功能 从而大大提高系统的有效度 大大简化操作过程 这里包含多媒体技术在智能化中的有效应用 只需输入加工工件素材的形状和需加工形状的数据 加工程序就可全部自动生成 素材形状和加工形状的图形显示 自动工序的确定 使用刀具 切削条件的自动确定 刀具使用顺序的变更 任意路径的编辑 加工过程干涉校验等 建立智能工艺数据库 使系统能够根据加工条件的变更 自动设定加工参数 将机床制造时的各种误差预先存入系统中 利用反馈补偿技术对静态误差进行补偿 采集加工过程中的各种动态数据采用专家系统分析进行实时补偿或在线控制 学习与示教功能 机电一体化的高性能发展趋势 高速化高精度高效率高可靠性 1 高速化 实现高速化的关键是CNC 主轴转速 进给率 刀具交换 托板交换等各关键部分实现高速化高性能32位CPU精简指令集 RISC 机 50 80MIPS 1MIPS 100万指令 s 采用实时多任务操作系统 进行并行处理设置多重缓冲器 保证连续微小加工段的高速加工 在数字伺服控制中使用了超高速数字信号处理器 DSP 2 高精度 高分辨率 高速响应的绝对位置传感器交流数字伺服驱动系统 其位置 速度及电流环都实现了数字化 几乎不受机械载荷变动影响 高速响应内装式主轴电机 把电机作为一体装入主轴之中 实现了机电融合一体 3 高可靠性 冗余故障诊断自动检错 纠错自