第1章 机电一体化基础知识改1ppt课件

纺织机电一体化技术基础 2 第一章机电一体化基础知识 本章知识点 1 了解机电一体化的基本概念 2 了解纺织机电一体化的基本含义 3 掌握机电一体化系统的五大要素和五大功能 4 了解机电一体化系统的共性关键技术 5 了解机电一体化技术的发展方向 6 了解现代纺织技术的发展趋势 3 第1章纺织设备机电一体化概述 1 1纺织设备机电一体化的基本概念1 2机电一体化系统的组成及关键技术1 3机电一体化技术的分类1 4机电一体化技术的发展概况1 5现代纺织技术的发展趋势思考题 1 1 1机电一体化的概念和含义机电一体化技术 Mechatronics 是取Mechanics 机械学 的前半部分和Electronics 电子学 的后半部分拼合而成的 又称机械电子技术 是机械技术 电子技术和信息技术有机结合的产物 利用微电子技术 信息技术 主要包括通信技术 控制技术 计算机技术等技术 使机械设备实现柔性化和智能化的技术 机电一体化涵盖 技术 和 产品 两个方面 1 1纺织设备机电一体化的基本概念 1 1 1机电一体化的概念和含义柔性含义 柔性可以表述为两个方面 第一方面是系统适应外部环境变化的能力 可用系统满足新产品要求的程度来衡量 第二方面是系统适应内部变化的能力 可用在有干扰 如机器出现故障 情况下 系统的生产率与无干扰情况下的生产率期望值之比来衡量 柔性 是相对于 刚性 而言的 传统的 刚性 自动化生产线主要实现单一品种的大批量生产 其优点是生产率很高 由于设备是固定的 所以设备利用率也很高 单件产品的成本低 但价格相当昂贵 且只能加工一个或几个相类似的零件 难以应付多品种中小批量的生产 随着批量生产时代正逐渐被适应市场动态变化的生产所替换 一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大程度上取决于它是否能在很短的开发周期内 生产出较低成本 较高质量的不同品种产品的能力 柔性已占有相当重要的位置 1 1纺织设备机电一体化的基本概念 1 1 1机电一体化的概念和含义柔性含义 柔性主要包括1 机器柔性 当要求生产一系列不同类型的产品时 机器随产品变化而加工不同零件的难易程度 2 工艺柔性 一是工艺流程不变时自身适应产品或原材料变化的能力 二是制造系统内为适应产品或原材料变化而改变相应工艺的难易程度 3 产品柔性 一是产品更新或完全转向后 系统能够非常经济和迅速地生产出新产品的能力 二是产品更新后 对老产品有用特性的继承能力和兼容能力 4 维护柔性 采用多种方式查询 处理故障 保障生产正常进行的能力 1 1纺织设备机电一体化的基本概念 1 1 1机电一体化的概念和含义柔性含义 柔性主要包括5 生产能力柔性 当生产量改变 系统也能经济地运行的能力 对于根据订货而组织生产的制造系统 这一点尤为重要 6 扩展柔性 当生产需要的时候 可以很容易地扩展系统结构 增加模块 构成一个更大系统的能力 7 运行柔性 利用不同的机器 材料 工艺流程来生产一系列产品的能力和同样的产品 换用不同工序加工的能力 柔性制造技术 柔性制造技术是对各种不同形状加工对象实现程序化柔性制造加工的各种技术的总和 柔性制造技术是技术密集型的技术群 我们认为凡是侧重于柔性 适应于多品种 中小批量 包括单件产品 的加工技术都属于柔性制造技术 目前按规模大小划分为 1 1纺织设备机电一体化的基本概念 1 1 1机电一体化的概念和含义柔性制造技术包括 1 柔性制造系统 关于柔性制造系统的定义很多 权威性的定义有 美国国家标准局把 定义为 由一个传输系统联系起来的一些设备 传输装置把工件放在其他联结装置上送到各加工设备 使工件加工准确 迅速和自动化 中央计算机控制机床和传输系统 柔性制造系统有时可同时加工几种不同的零件 国际生产工程研究协会指出 柔性制造系统是一个自动化的生产制造系统 在最少人的干预下 能够生产任何范围的产品族 系统的柔性通常受到系统设计时所考虑的产品族的限制 而我国国家军用标准则定义为 柔性制造系统是由数控加工设备 物料运储装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统 它包括多个柔性制造单元 能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整 适用于多品种 中小批量生产 简单地说 是由若干数控设备 物料运贮装置和计算机控制系统组成的并能根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造系统 1 1纺织设备机电一体化的基本概念 1 1 1机电一体化的概念和含义柔性制造技术包括 2 柔性制造单元 的问世并在生产中使用约比 晚6 8年 可视为一个规模最小的 是 向廉价化及小型化方向发展的一种产物 它是由1 2台加工中心 工业机器人 数控机床及物料运送存贮设备构成 其特点是实现单机柔性化及自动化 具有适应加工多品种产品的灵活性 迄今已进入普及应用阶段 3 柔性制造线 它是处于单一或少品种大批量非柔性自动线与中小批量多品种 之间的生产线 其加工设备可以是通用的加工中心 ComputerNumericalControl 机床 亦可采用专用机床或 NumericalControl 专用机床 对物料搬运系统柔性的要求低于 但生产率更高 它是以离散型生产中的柔性制造系统和连续生过程中的分散型控制系统 为代表 其特点是实现生产线柔性化及自动化 其技术已日臻成熟 迄今已进入实用化阶段 1 1纺织设备机电一体化的基本概念 1 1 1机电一体化的概念和含义柔性制造技术包括 4 柔性制造工厂 是将多条 连接起来 配以自动化立体仓库 用计算机系统进行联系 采用从订货 设计 加工 装配 检验 运送至发货的完整 它包括了 并使计算机集成制造系统 投入实际 实现生产系统柔性化及自动化 进而实现全厂范围的生产管理 产品加工及物料贮运进程的全盘化 是自动化生产的最高水平 反映出世界上最先进的自动化应用技术 它是将制造 产品开发及经营管理的自动化连成一个整体 以信息流控制物质流的智能制造系统 为代表 其特点是实现工厂柔性化及自动化 总结 柔性即适应性 灵活性 可变性 创新性 兼容性 智能性等 1 1纺织设备机电一体化的基本概念 1 1 2纺织设备机电一体化的基本含义以新型纺织工艺为主线 典型纺织设备为对象 自动控制理论为指导 微电子技术为手段 系统整体最佳为目标 简言之 它是 工艺 机械 控制一体化 纺织生产过程自动化的发展趋势 1 单机自动化2 联合机自动化3 生产线自动化4 纺织全过程的计算机集成制造系统 CIMS 其中联合机自动化是不同工序设备的自动联结 如清梳联 梳并联 并粗联 粗细联 细络联 粗细络联 整浆联等联合机的自动化 1 1纺织设备机电一体化的基本概念 1 1 4机电一体化的作用使产品具有原来所不具备的功能 产品的柔性增强 操作性能改善 容易满足多样性的需求 扩大设计的灵活性 生产工艺性改善 使产品的体积小 重量轻 减少产品的零部件数 机构简化 可靠性提高 质量提高 节能省力 成本降低 其中 采用机电一体化技术的最大作用是 扩展新功能和增强柔性 1 1纺织设备机电一体化的基本概念 1 2 1机电一体化系统的组成机电一体化系统五大要素 部分 传感器 控制器 计算机 执行器 动力源 机械装置 1 2机电一体化系统的组成及关键技术 组成机电一体化系统的五大要素与人体的对应部分 1 2 1机电一体化系统的组成机电一体化的五大功能结构功能 驱动功能 检测功能 执行 运转 功能和控制功能 1 2机电一体化系统的组成及关键技术 机电一体化的五大功能 1 2 1机电一体化系统的组成机电一体化系统的五大组成要素之间要遵循的原则 接口耦合 达到信号匹配 能量匹配和格式规范匹配运动传递 是指运动各组成环节之间的不同类型运动的变换与传输 如位移变换 速度变换 加速度变换及直线运动和旋转运动变换等 信息控制 在系统中 作为智能组成要素的系统控制单元 在软 硬件的保证下 完成数据采集 分析 判断 决策功能 以达到信息控制的目的 能量转换 其执行元件包含了执行器和驱动器 该转换涉及不同类型能量间的最优转换方法与原理 1 2机电一体化系统的组成及关键技术 1 2 2机电一体化的关键技术 精密机械技术 要求精度更高 刚度更大 动态性能更好 热变形更小 磨损更少等 机械技术是机电一体化技术的基础 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 机械系统应包括传动机构 导向机构及执行机构 并应具有良好的动态品质 即响应要快 稳定性要好 机械系统的设计要考虑产品的总体布局 机构选型 结构造型的合理化和最优化 制造时很难全部挽回机械系统设计不合理造成的损失 系统精度和稳定性 快速性和稳定性之间有一种对立的关系 特别是对于闭环控制系统 因此 驱动部分与机械部分的关系及其对系统特性的影响至关重要 重点应考虑机械部分的刚性 惯性矩 固有频率及启动力与驱动部分参数间的关系 1 2机电一体化系统的组成及关键技术 1 2 2机电一体化的关键技术 检测传感技术 要求传感器能快速 精确 可靠地获取信息 并能经受各种严酷环境的考验 而且价格低廉 传感与检测技术研究对象是传感器及其信号检测装置 将各种被测参数转换为标准的电信号输入到信息处理系统中 传感器是实现检测的核心 传感器一般由敏感元件 转换元件 基本转换电路三部分组成 1 2机电一体化系统的组成及关键技术 1 2 2机电一体化的关键技术 检测传感技术 敏感元件直接感受被测量 并以确定关系输出某一物理量 转换元件将敏感元件输出的非电物理量转换成电路参数量 基本转换电路将电路参数量转换成便于测量的电信号 传感器的分类 按被测量物理量的不同分 位移 距离 速度 加速度 力 力矩 温度 湿度 图像传感器等 按测量原理分 电阻式 电感式 电容式 磁电式 压电式 光电式 热电式 气电式等传感器 按用途分有 位置 压力 流量 温度 湿度 气味 声音 亮度等传感器 1 2机电一体化系统的组成及关键技术 1 2 2机电一体化的关键技术 检测传感技术 传感器的分类 1 2机电一体化系统的组成及关键技术 信息处理技术 在机电一体化产品中 信息处理是否正确 及时 直接影响到产品工作的质量和效率 因此 计算机应用及信息处理技术己成为促进机电一体化技术和产品发展的最活跃的要素 信息处理技术包括信息的输入 识别 变换 运算 存取及决策等 它们大都与计算机技术密切相关 机电一体化系统中主要采用工业控制器进行信息处理 可通过提高集成度来提高计算机及其外部设备的运算速度和便于嵌入机械本体 通过自诊断 自恢复及容错技术来提高其可靠性 通过人工智能技术和专家系统来加速其智能化 使计算机适应恶劣的工业环境 1 2机电一体化系统的组成及关键技术 1 2 2机电一体化的关键技术 自动控制技术 自动控制技术就是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 控制技术的内容十分丰富 包括高精度定位控制 速度控制 最优控制 模糊控制 自适应控制 自诊断 校正 补偿 示教再现 检索等控制技术 自动控制技术范围很广 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 以传递函数为基础 研究单输入 单输出线性自动控制系统分析与设计问题的古典控制技术发展较早 已趋成熟 1 2机电一体化系统的组成及关键技术 1 2 2机电一体化的关键技术 执行驱动技术 执行与驱动技术是实现机电一体化产品运动功能的基础 电动驱动执行元件主要包括交流伺服电机 直流伺服电机 电磁铁 开关磁阻电机 直线电机和步进电机等 液压和气动执行元件主要包括泵 阀 油 气 缸 液压 气动 电动机及其附属液 气 压元器件等 伺服驱动技术主要是指在控制指令的指挥下控制执行元件 使机械的运动部件按照指令的要求进行运动 并具有良好动态性能的技术 1 2机电一体化系统的组成及关键技术 1 2 2机电一体化的关键技术 接口技术 接口技术是将机电一体化产品的各个部分有机地连接成一体 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 2机电一体化系统的组成及关键技术 1 2 2机电一体化的关键技术 系统总体技术 系统总体技术是一种从全局角度和系统目标出发 用系统的观点和方法 将系统分解成若干个相互有联系的功能单元 找出能完成各个功能单元的技术方案 并将其进行分析 评价和优化的综合应用技术 机电一体化系统作为一个整体 即使各个部分的性能 可靠性都很好 如果整个系统不能很好地协调 它也很难保证正常 可靠地运行 而相反 即使是性能一般的元件 只要从系统出发组合得恰当 也可能构成性能优良的系统 1 2机电一体化系统的组成及关键技术 1 2 2机电一体化的关键技术 与传统机电技术的区别 传统机电技术的操作控制主要通过具有电磁特性的各种电器来实现 如继电器 接触器等 在设计中不考虑或很少考虑彼此间的内在联系 机械本体和电气驱动界限分明 整个装置是刚性的 不涉及软件和计算机控制 机电一体化技术以计算机为控制中心 在设计过程中强调机械部件和电器部件间的相互作用和影响 整个装置在计算机控制下具有一定的智能性 1 2机电一体化系统的组成及关键技术 1 2 3机电一体化技术与其他技术的区别 与并行工程的区别 机电一体化技术将机械技术 微电子技术 计算机技术 控制技术和检测技术在设计和制造阶段就有机地结合在一起 十分注意机械和其他部件之间的相互作用 而并行工程将上述各种技术尽量在各自范围内齐头并进 只在不同技术内部进行设计制造 最后通过简单叠加完成整体装置 1 2机电一体化系统的组成及关键技术 1 2 3机电一体化技术与其他技术的区别 与自动控制技术的区别 自动控制技术的侧重点是讨论控制原理 控制规律 分析方法和自动系统的构造等 机电一体化技术将自动控制原理及方法作为重要支撑技术 将自控部件作为重要控制部件应用自控原理和方法 对机电一体化装置进行系统分析和性能测算 1 2机电一体化系统的组成及关键技术 1 2 3机电一体化技术与其他技术的区别 与计算机应用技术的区别 机电一体化技术只是将计算机作为核心部件应用 目的是提高和改善系统性能 计算机在机电一体化系统中的应用仅仅是计算机应用技术中的一部分 它还可以在办公 管理及图像处理等方面得到广泛应用 机电一体化技术研究的是机电一体化系统 而不是计算机应用本身 1 2机电一体化系统的组成及关键技术 1 2 3机电一体化技术与其他技术的区别 与计算机应用技术的区别 机电一体化技术只是将计算机作为核心部件应用 目的是提高和改善系统性能 计算机在机电一体化系统中的应用仅仅是计算机应用技术中的一部分 它还可以在办公 管理及图像处理等方面得到广泛应用 机电一体化技术研究的是机电一体化系统 而不是计算机应用本身 1 2机电一体化系统的组成及关键技术 1 2 3机电一体化技术与其他技术的区别 与计算机应用技术的区别 机电一体化技术只是将计算机作为核心部件应用 目的是提高和改善系统性能 计算机在机电一体化系统中的应用仅仅是计算机应用技术中的一部分 它还可以在办公 管理及图像处理等方面得到广泛应用 机电一体化技术研究的是机电一体化系统 而不是计算机应用本身 1 2机电一体化系统的组成及关键技术 1 2 3机电一体化技术与其他技术的区别 生产过程的机电一体化 计算机辅助设计计算机辅助工艺设计柔性制造系统计算机集成制造系统机电产品的机电一体化机 电 仪一体化产品机 电 液一体化产品光 机 电一体化产品 1 3机电一体化技术的分类 第一阶段 20世纪60年代以前 称为初期阶段 特征 在这一阶段 由于电子技术的迅速发展 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 第二阶段 20世纪70 80年代 为蓬勃发展的阶段 特征 人们自觉地 主动地利用计算机技术 控制技术 通信技术的成果创造新的机电一体化产品 第三阶段 20世纪90年代后期 机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段 特征 人工智能技术及网络技术等领域取得的巨大进步 使机电一体化技术向智能化新阶段迈进 1 4机电一体化技术的发展概况 1 4 1机电一体化技术发展的三个阶段 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 它的发展和进步有赖于相关技术的发展和进步 其主要发展方向有 数字化 智能化 模块化 网络化 微型化 集成化 人性化 绿色化和自带能源化 1 4机电一体化技术的发展概