第1章-机电一体化技术导论

第一章机电一体化技术导论,第一章机电一体化技术导论,2,学习目标,了解机电一体化技术的基本概念、特点、组成和分类方法。理解机电一体化的理论基础和关键技术。了解机电一体化技术与其它技术的关系，以及机电一体化技术的发展趋势。,第一章机电一体化技术导论,3,目录,1.1概述1.2基本组成和分类1.3理论基础与关键技术1.4优点和效益（作用）1.5发展状况,一、机电一体化的形成,微电子技术和计算机技术的飞速发展及其向机械工业的渗透促进了机电一体化的形成。机电一体化技术的核心是机械技术和微电子技术。机电一体化技术是机械技术向自动化、智能化方向发展的必然产物。,第一章机电一体化技术导论,4,1.1概述,第一章机电一体化技术导论,5,二、机电一体化名称的由来,Mechatronics=Mechanics+Electronics,第一章机电一体化技术导论,6,Mechatronics,1971年，日本机械设计杂志副刊1976年，一种以广告为主，专门刊载“机电一体化”新产品的杂志MechatronicsDesignNews在日本正式发行。80年代中期，“Mechatronics”开始在欧美各地使用，这个日本人创造的英文单词开始在世界范围内得到普遍承认和接受。,第一章机电一体化技术导论,7,第一章机电一体化技术导论,8,三、机电一体化的含义,1981年“日本机械振兴协会经济研究所”对机电一体化的解释：“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”,第一章机电一体化技术导论,9,基本的特征,机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术、信号变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织结构目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值并使整个系统最优化的系统工程技术。,第一章机电一体化技术导论,10,由此而产生的功能系统成为一个以微电子技术为主导，在现代高新技术支持下的机电一体化系统或机电一体化产品。机电一体化涵盖“技术”和“产品”两个方面。,第一章机电一体化技术导论,11,根本区别:机电一体化技术是基于各种群体技术有机融合的一种综合性技术，而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。,机电一体化技术机电一体化与机械电气化的区别？,第一章机电一体化技术导论,12,主要区别为:电气机械在设计过程中不考虑或少考虑电器与机械的内在联系，基本上是根据机械的要求，选用相应的驱动电机或电气传动装置；机械和电气装置之间界限分明，它们之间的联结以机械联结为主，整个装置是刚性的；装置所需的控制以基于电磁学原理的各种电器，如接触器、继电器等来实现，属强电范畴，其主要支撑技术是电工技术。,机电一体化技术机电一体化与机械电气化的区别？,第一章机电一体化技术导论,13,第一章机电一体化技术导论,14,机电一体化产品不仅是人的体力放大，还是人的肢体和感官与头脑的延伸，具有“智能化”的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质差别。,机电一体化产品,第一章机电一体化技术导论,15,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的有机结合，从而赋予新功能和性能的一种新产品。机电一体化产品的特点是产品功能的实现是由所有功能单元共同作用的结果。,第一章机电一体化技术导论,16,1.2机电系统的基本组成和分类,一、机电一体化系统的功能组成,1.系统的主功能:对输入的物质、能量和信息按照要求进行处理，输出具有所需特性的物质、能量与信息。,第一章机电一体化技术导论,17,2.其它内部功能：动力功能、检测功能、控制功能、构造功能,第一章机电一体化技术导论,18,CNC机床,第一章机电一体化技术导论,19,第一章机电一体化技术导论,20,二、机电一体化系统的构成要素,一个较完善的机电一体系统一般包括以下五大基本要素：机械本体动力系统传感检测单元执行装置传感与检测系统信息处理及控制系统,第一章机电一体化技术导论,21,五大构成要素之间通过接口相联系,第一章机电一体化技术导论,22,五大构成要素与五大功能,第一章机电一体化技术导论,23,从机电一体化系统的功能看，人体是机电一体化系统理想的参照物。,人体五大要素与机电一体化产品五大要素的对应关系,24,(内脏),(手足),(骨骼),(感官),(大脑),第一章机电一体化技术导论,25,机械本体,用于支撑和连接其他要素，是机电系统必要的组成部分。包括机身、床身、壳体等。追求目标：通过采用新工艺、新材料、新结构，达到高效、可靠、节能、小型、轻量、美观等要求。机械系统开发的重点是模块化、标准化、系列化,第一章机电一体化技术导论,26,动力系统,按照系统控制要求，为系统提供能量和动力，驱动执行机构完成预定主功能。根据动力源的不同，可分为液压式、气压式、电气式等类型。追求目标：高效率、快速响应特性、高适应性和可靠性。,第一章机电一体化技术导论,27,传感与检测系统,在系统运行中对系统本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，并把被检测信号转换成可用的输出信号（电压、电流、频率和脉冲等），为信息处理及控制系统提供所需信息。组成：传感器和信号检测电路。追求目标：高精度、抗干扰、环境适应性强、体积小、安装维护容易。,第一章机电一体化技术导论,28,信息处理及控制系统,接受传感与检测系统反馈的信息，并对其进行相应处理、运算、决策，根据处理结果，按照一定的规则发出相应的控制信号，控制整个系统按要求实现有序地运行。它是机电一体化系统的核心单元，由硬件和软件及相应接口组成。追求目标：高可靠性、高速、抗干扰能力强,第一章机电一体化技术导论,29,执行装置,根据控制系统的控制信息和指令，实现产品的主功能。执行装置一般是运动部件，常采用机、电、液、气动等机构。执行装置因机电一体化产品的种类和作业对象不同而有较大的差异。,五大要素之间的关系,机电一体化产品的五大构成要素在工作中各司其职，互相补充、互相协调，共同完成所规定的功能。在结构上，各组成要素通过各种接口及相关软件有机地结合在一起，构成一个内部合理匹配、外部效能最佳的完整产品。,第一章机电一体化技术导论,30,第一章机电一体化技术导论,31,机电一体化系统是比较复杂的，有时某些构成要素是复合在一起的。构成机电一体化系统的几个部分并不是并列的：首先，机械部分是主体其次，机电一体化的核心是电子技术（微电子技术和电力电子技术）,第一章机电一体化技术导论,32,机电一体化技术综述,机电一体化是一种以产品和过程为基础的技术；机电一体化以机械为主体；机电一体化以微电子技术，特别是计算机控制技术为核心；机电一体化将工业产品和过程都作为一个完整的系统看待，因此强调各种技术的协同和集成，不是将各个单元或部件简单拼凑到一起；机电一体化贯穿于设计和制造的全过程中。,第一章机电一体化技术导论,33,三、机电一体化系统的分类,1）按用途分类2）按执行机构不同数控机械类电子设备类机电结合类电液伺服类信息控制类,第一章机电一体化技术导论,34,1.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。,第一章机电一体化技术导论,35,2电子设备类,电子设备类主要产品为电火花加工机床、线切割加工机床、超声波缝纫机和激光测量仪等。其特点为执行机构是电子装置。,第一章机电一体化技术导论,36,3机电结合类,机电结合类主要产品为自动探伤机、形状识别装置和CT扫描仪、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。,第一章机电一体化技术导论,37,4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，控制机构是接受电信号的液压伺服阀。,第一章机电一体化技术导论,38,5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、录音机以及复印机、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由所接收的信息类控制。,第一章机电一体化技术导论,39,三、机电一体化系统的分类,3）按机电结合程度功能附加型功能替代型机电融合型,第一章机电一体化技术导论,40,1.功能附加型,主要特征是在原有机械产品基础上，采用微电子技术，使产品功能增加和增强，性能得到适当提高比如经济型数控机床、电子秤、数显量具、全自动洗衣机,第一章机电一体化技术导论,41,2功能替代型,主要特征是在采用微电子技术及装置取代原产品中的机械式控制功能、信息处理功能或主功能，使产品结构简化，性能提高，柔性增加。比如电子缝纫机、自动照相机、电子石英钟、电子式电话交换机、线切割加工机床、激光手术器等。,第一章机电一体化技术导论,42,3机电融合型,主要特征是根据产品的功能和性能要求及技术规范，采用专门设计的或具有特定用途的集成电路来实现产品中的控制和信息处理等功能，因而使产品结构紧凑、设计灵活、成本降低。比如传真机、复印机、摄像机、磁盘驱动器、CNC数控机床,第一章机电一体化技术导论,43,1.3机电一体化的理论基础与关键技术,一、理论基础系统论、信息论、控制论是机电一体化技术的理论基础，是机电一体化技术的方法论。,第一章机电一体化技术导论,44,二、关键技术,机电一体化技术内部各种因素的联系以及外部条件的影响关系,第一章机电一体化技术导论,45,机电一体化技术的共性关键技术:1.精密机械技术2.传感检测技术3.信息处理技术4.伺服驱动技术5.自动控制技术6.接口技术7.系统总体技术,第一章机电一体化技术导论,46,1.精密机械技术（研究对象：机械本体和执行装置）,机械技术是关于机械机构及利用机构传递运动的技术精密机械技术是机电一体化的基础机械技术的着眼点在于如何与机电一体化的技术相适应，实现结构上、材料上、性能上的变更，满足减轻重量、缩小体积、提高精度、提高刚度、改善性能的要求。,第一章机电一体化技术导论,47,2.传感检测技术（研究对象：传感检测系统）,在机电一体化产品中，工作过程的各种参数、状态以等都要通过传感器进行接收，并通过相应的信号检测装置进行测量，然后送入信息处理装置以及反馈给控制装置，以实现产品工作过程的自动控制。传感原理、传感材料、加工制造装配技术是传感器开发的三个重要方面。传感器的发展进入了集成化、智能化研究阶段。,第一章机电一体化技术导论,48,3.信息处理技术（研究对象：信息处理与控制系统）,信息处理技术是指信息的输入、识别、变换、运算、存储、输出和决策分析等技术。实现信息处理的主要工具是计算机。机电系统中主要采用：可编程控制器，单片机，总线式工业控制机，分布式计算机测控系统等进行信息处理。,第一章机电一体化技术导论,49,4.伺服驱动技术（研究对象：动力系统）,伺服驱动技术主要是指机电一体化产品中的执行元件和驱动装置设计中的技术问题，它涉及设备执行操作的技术，对所加工产品的质量具有直接的影响。执行元件有三大类：利用电能的电动机、利用液压能的液压驱动装置和利用气压能的气压驱动装置,第一章机电一体化技术导论,50,5.自动控制技术（研究对象：控制系统）,自动控制是在没有人直接参与的情况下，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。自动控制理论基础是自动控制原理（经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论）。自动控制技术就是在此理论指导下对具体控制系统进行设计，并进行系统仿真及现场调试，使系统可靠地投入运行。自动控制技术目的：实现机电一体化系统的目标最佳化由于控制对象种类繁多，所以控制技术的内容极其丰富，如速度控制、位置控制、温度控制、压力控制和姿态控制等。,第一章机电一体化技术导论,51,6.接口技术（研究对象：各构成要素之间的接口）,从系统外部看，输入/输出是系统与人、环境或其它系统之间的接口；从系统内部看，机电一体化系统是通过许多接口将各组成要素的输入/输出联系成一体的系统。因此，各要素及各子系统之间的接口性能就成为综合系统性能好坏的决定性因素。,第一章机电一体化技术导论,52,7.系统总体技术（研究对象：整个机电系统）,系统总体技术就是从整体目标出发，用系统的观点和方法，将机电一体化产品的总体功能分解成若干功能单元，找出能够完成各个功能的可能技术方案，再把功能与技术方案组合成方案组进行分析、评价，综合优选出适宜的功能技术方案。在系统总体技术中，对于子系统间的矛盾或子系统和系统整体之间的矛盾都要从总体协调的需要来选择解决方案。系统总体技术除考虑优化设计外，还包括可靠性设计、标准化设计、系列化设计、造型设计等。,第一章机电一体化技术导论,53,1.4机电一体化的作用,1精度提高2.生产能力和工作质量提高3使用安全性和可靠性提高4调整和维护方便，使用性能改善5具有复合功能，适用面广6改善劳动条件，有利于自动化生产7节约能源，减少耗材8.增强柔性,第一章机电一体化技术导论,54,汽车电子化,燃油喷射电子控制装置电子控制化油器交流发动机IC调节器发动机旋转检测装置电子控制自动变速器电子自动刮水器排气污染的电子控制器空气净化及调节装置汽车防抱死制动装置,第一章机电一体化技术导论,55,汽车生产系统的变革,在现代汽车生产中应用计算机进行经营和生产管理利用CAD进行产品设计利用数控机床和柔性生产线进行零部件加工使用机器人从事喷漆、焊接、组装、搬运等工作,第一章机电一体化