机电一体化课件01VIP

,机电一体化技术,2014年10月,战德刚MobilQ：121724204E-mail:121724204,课程简介选修课54学时要求：考勤、作业、考试教材说明（案例式）课代表（请当场选出）,本课程的目的和要求,本课程的具体要求是：1）掌握机电一体化的基本概念、基本原理和基本知识。2）掌握常用机电一体化元部件原理、结构、性能和应用。3）初步掌握系统设计原理和综合集成技巧，进行总体方案的分析和设计。4）根据系统动力学观点，对系统中的机电元部件的主要参数的匹配，进行协调设计计算，以便适应微机控制系统和和控制软件的需要。5）基本掌握典型机电一体化产品或系统的构成、原理、结构、性能和使用。,第一章概述,1.1机电一体化的概念1.2机电一体化系统的组成1.3机电一体化各功能组成部分的关系及作用1.4机电一体化技术的特点1.5机电一体化技术在国民经济中的地位及作用,1.1机电一体化的概念,迄今为止，机电一体化没有绝对统一的定义，就连最早提出这一概念的国家也是说法不一。原因：（1）人们看问题的角度不同，对其理解也就各异（2）随着生产活动和科学技术的迅猛发展，机电一体化的具体内容不断发展与更新。,日本从1971年开始，就提出“Mechatronics”这个英语合成词。其中，词首Mecha表示chanics（机械学）；词尾tronics表示Electronics（电子学）。日本机械振兴协会经济研究所于1981年提出具有通用性定义:“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”.它体现了机电一体化产品及其技术的基本内容和特征，所以具有指导性的定义。,美国是机电一体化产品开发和应用得最早的国家。如世界上第一台数控机床（1952年）、工业机器人（1962年）都是美国研制成功的。,数控机床,焊接机器人,美国机械工程师协会（ASME）的专家组，于1984年在给美国国家科学基金会的报告中，提出了“现代机械系统”的定义：“由计算机信息网络协调与控制的、用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务和机械和（或）机电部件相互联系的系统”。这一含义实质上是指多个计算机控制和协调的、高级机电一体化产品。1996年美国机械工程师学会（ASME)与电子工程师学会（IEEE)联合创刊的（IEEE/ASMETransactiononMechatronics)，将机电一体化定义为：在工业产品和过程的设计与制造中，机械工程与电子和智能计算机控制的协同集成。,1981年德国工程师协会、德国电气工程技术人员协会及其共同组成的精密工程技术专家组的关于大学精密工程技术专业的建议书中，把精密工程技术定义为光、机、电一体化的综合技术，它包括机械（含液压、气动及微机械）、电工与电子、光学及其不同技术的组合（电工与电子机械、光电子技术与学学机械），其核心为精密工程技术。,20世纪90年代国际机器与机构理论联合会（IFTMM)成立了机电一体化技术委员会（TechnicalCommitteeonMechatronics)，给出了这样的定义：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的协同结合。,我国一般认为机电一体化是机电一体化技术及其产品的统称，还将柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）等自动化生产线和自动化制造工程也包括在内，这是对机电一体化含义的延拓。,机电一体化的六大共性关键技术：精密机械技术（机电一体化技术的基础）伺服传动技术（机电一体化系统的核心部分）传感检测技术（闭环系统的关键部件）信息处理技术（控制的基础技术）自动控制技术（计算机控制的关键技术）系统总体技术（包括系统的叫体设计和接口技术，即用跨学科的思维能力来进行综合集成）。,机电一体化的基本含义,1、机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合性技术，而不是机械技术、微电子技术以及其他技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。,2、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，特别是与微处理器或微机有机结合，从而赋予新的功能和性能的一种新产品。,机电一体化的内涵机械学（Mechanics）+电子学（Electronics）=机电一体化或机械电子工程（Mechatronics）机电一体化的定义和主要目的定义：在机械的主功能、动力功能、信息功能、控制功能基础上引入微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机地结合所构成系统的总称。主要目的：增加机械系统或装置的附加值和自动化程度。,机电一体化的涵义,MK28250数控磨床,数控砂轮修整器,淬火机床,淬火机床,机电一体化实验台,1.2机电一体化系统的组成,机电一体化系统是一种比较复杂的工程系统，它是由相互关联的、若干种类（如机械、流体、电、磁、光、热、声等）元素组成的、具有特定目标的有机整体，具有整体性（集合性）、关联性、目的性和相对性四个基本属性，缺一就不可能构成一个有目标的工程系统。,一、机电一体化系统的功能组成,主功能、信息功能、控制功能、动力功能、构造功能。以及各子系统的匹配技术（核心）接口技术。,物质能量信息,系统（变换、传递、储存）,物质能量信息,控制,工业三大要素,具有所需特性,机电一体化系统的主功能,(人),以能量转换为主，输入能量（或物质）和信息，输出不同能量（或物质）的系统（或产品），称为动力机，其中输出机械能的为原动机，如电动机、水轮机、内燃机等。,以信息处理为主，输入信息和能量，主要输出某种信息（如数据、图像、文字、声音等）的系统(或产品），称为信息机，如各种仪器、仪表、计算机、传真机以及各种办公机械等。,以物料搬运、加工为主，输入物质（原料、毛坯等)、能量（电能、液能、气能等）和信息（操作及控制指令等），经过加工处理，主要输出改变了位置和形态的物质的系统（或产品），称为加工机，如各种机床、交通运输机械、食品加工机械、起重机械等。,机电系统五种内部功能构成,CNC机床内部功能构成,1.3机电一体化各功能组成部分的关系及作用,机电一体化系统的构成要素,1、构成人体的五大要素：头脑、感官（眼、耳、鼻、舌、鼻、皮肤）、四肢、内脏及躯干。,2、机电一体化五大要素：机械本体、动力源、传感器、控制器（计算机）和执行部件。,2）动力系统：按照系统控制要求，为机电一体化产品提供能量和动力功能，去驱动执行机构工作已完成预定的主功能。包括电、液、气等多种动力源。,1）机械本体：用于支撑和连接其它要素，并把这些要素合理地结合起来，形成有机的整体。如机器人的机身、指针式电子手表的表壳。,3）传感与检测系统：将机电一体化产品在运行过程中所需的自身和外界环境的各种参数及状态转换成可以测定的物理量，同时利用检测系统的功能对这些物理量进行测定，为机电一体化产品提供运行控制所需的各种信息。传感与检测系统的功能一般有传感器或仪表来实现，对其要求是体积小、便与安装与连接、检测精度高、抗干扰等。,4）信息处理及控制系统：根据机电一体化产品的功能和性能要求，信息处理及控制系统接受传感与检测系统反馈的信息，并对其进行相应的处理、运算和决策，以对产品的运行施以按照要求的控制，实现控制功能。机电一体化产品中，信息处理及控制系统主要是由计算机的软件和硬件以及相应的接口所组成。要求信息处理速度高，A/D和D/A转换及分时处理时的输入/输出可靠，系统的抗干扰能力强。,5）执行部件：在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。执行部件一般是运动部件，常采用机械、电液、气动等机构。,五大要素之间必须遵循的原则：结构耦合、运动传递、信息控制、能量转换,结构耦合：信息交换和传递的环节之间由于信息模式、强弱不同，必须通过接口耦合来实现,运动传递：不同的运动形式的变换与传输，如曲轴等,信息控制：在软、硬件的保证下，完成信息的采集、传输、储存、分析、运算、判断、决策，以完成信息控制的目的。,能量转换：通过各种机构完成能量之间的转换。如：机电、电机、汽车的化学机械等,机电一体化系统涉及的主要技术领域,机电一体化系统涉及的领域非常广泛，可以说涉及到目前所有的工业技术和尖端科学，主要有：,机电一体化系统涉及的主要技术领域,1、机械技术这是机电一体化的基础，重点是高新技术、材料的使用，提高精度、减小体积重量,2、计算机与信息技术信息的交换、存取、运算、判断决策、人工智能等,机电一体化系统涉及的主要技术领域,3、系统技术以整体概念组织应用各种相关技术，使各功能单元有机的组合构成整体。,4、自动控制技术对各种动作、功能的控制,机电一体化系统涉及的主要技术领域,5、传感检测技术是实现自动控制必不可少的环节。,6、伺服传动技术实现电机转换的主要组成部分,1.4机电一体化的特点,一、机电一体化技术体现在产品、设计、制造以及生产经营管理诸方面的特点,1、简化机械结构，提高精度,在机电一体化产品中，通常采用调速电机来驱动机械系统，从而缩短甚至取消了机械传动链，这不但简化了机械结构，而且减少了由于机械摩擦、磨损、间隙等引起的传动误差。并且，可以用闭环控制来补偿机械系统的误差，从而提高了系统精度。,1.4机电一体化的特点,2、易于实现多功能和柔性自动化,在机电一体化产品中，计算机控制系统，不但取代其它的信息处理和控制装置，且易于实现自动检测、数据处理、自动调节和控制、自动论断和保护，还可自动显示、记录和打印等。此外，计算机硬件和软件结合就能实现柔性自动化，并具有很大的灵活性。,1.4机电一体化的特点,3、产品开发周期缩短、竞争能力增强,机电一体化产品可以采用专业化生产的、高质量的机电部件，通过综合集成技巧来设计和制造，因而不但产品的可靠性高，甚至在使用期限内无需维修，从而缩短了产品开发周期，增强了产品在市场上的竞争能力。,1.4机电一体化的特点,4、生产方式向高柔性、综合自动化发民用工业,各种机电一体化设备构成的FMS和CIMS，使加、检测、物流和信息流过程融为一体，就可形成人少或无人化生产线、车间和工厂。近10年来，日本有些大公司已采用所谓“灵活的生产体系：，即根据市场需要，在同一条生产线上可分时生产批量小、型号或品种多的“系列产品家族”，如计算机、汽车、摩托车、肥皂和化妆品等系列产品。,1.4机电一体化的特点,5、促进经营管理体制发生根本性的变化,由于市场的导向作用，产品的商业寿命日益缩短。为了占领国内、外市场和增强竞争能力，企业必须重视用户信息的收集和分析，迅捷作出决策，迫使企业从传统的生产型各以经营为中心的决策管理体制转变，实现生产、经营和管理体系的全面计算机化,机电一体化的发展状况,大体上可分为3个阶段,1、初期阶段：20世纪60年代以前，在这一时期，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。,2、蓬勃发展阶段：20世纪7080年代，这一时期，计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化奠定了技术基础。大规模、超大规模集成电路和微型机算计的迅猛发展，为机电一体化技术的发展提供了充分的物质基础。,1.5机电一体化的发展趋势,3、智能化阶段：20世纪90年代后期，开始了机电一体化技术向智能化迈进的新阶段。一方面光学、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角，出现了光机电一体化和为机电一体化等新分支，另一方面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着深入研究。,4、我国机电一体化的发展状况,我国从20世纪80年代初才开始这方面研究和应用。国务院成立了机电一体化领导小组并将该技术列为“863计划”中。在制定“九五”规划和2010年发展纲要是充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响。,现代制造技术与系统促进机电一体化的发展,1、柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystemFMS),是一种高效率、高精度、高柔性的加工系统。,从结构上说，柔性制造系统是由计算机中心管理和输送系统连接起来的一组加工设备（包括数控机床、材料和工具自动搬运设备、自动测量及实验设备等）。他不但能实现信息流、物料流和加工过程的自动化，还能在一定范围内完成有一种零件加工到另一种零件加工的自动转换。,简而言之，FMS是一种用计算机网络控制的机械加工自动线。所谓柔性，就是一种没有固定加工顺序和生产节拍，能在不停机调整的情况下，自动完成不同件加工任务的功能特性。,2、计算机集成制造系统（CIMS),CIMS就是为了实现制造工厂的全盘自动化和无人化而提出来的。,其基本思想是按系统的观点将整个工厂组成一个系统。用计算机对产品的初始构思和设计直至最终的装配和检验的全过程进行管理和控制。,CIMS只管输入所需产品的有关市场及设计的信息和原材料，就可输出经过检验的合格产品。,CIMS是一种以计算机为基础将企业全部生产活动的各个环节与各种自动化系统有机地联系起来，以获得最佳经济效果的生产经营系统。,3、并行工程（ConcurrentEngineeringCE),针对待开发的产品，将从事产品概念设计、详细设计和工艺设计的所有管理与开发人员组织成多专业开发小组，并行地进行产品的设计与开发工作，并及早发现和解决开发过程中所有可能出现的问题，减少设计方案的反复修改及变更次数，减少制作“原型”次数，从而加速开发过程，节省开发费用。,4、敏捷制造（AgileManufacturing,AM),AM指的是制造企业采用现代通讯手段，通过快速配置各种资源，以有效、协调的方式响应用户需求，实现制造敏捷性的生产方式。,敏捷（Agile）一词的英文原意是指在一个连续进行改变的、不可预见的环境中生存的能力，因而AM定义中的敏捷性指企业在不可预见的、多变的经营环境中善于应变的能力。,AM的基本思想认为，决定产品成本、利润与竞争能力的因素是开发和生产该产品所需的知识的价值，而不是材料、设备或劳动力的价值，迅速将知识转化为利润的方法是赢得竞争的主要手段。,5、虚拟制造（VirtualManufacturing,VM),VM是实际制造过程在计算机上的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上群组协同工作，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程中各级的决策与控制能力。,VM虽不是实际的制造，但却实现了实际制造的本质过程，是一种通过计算机虚拟模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面潜在问题的技术。他的使用可以极大地提高人们在制造过程中的预测和决策水平，使制造技术走出主要依赖经验的狭小天地，发展到全方位预测的新阶段。,1.5机电一体化的发展趋势及在国民经济中的地位及作用,机电一体化的发展趋势,1、智能化这里所说的“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、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,研制和开发具有标准机械接口、电器接口、动力接口、环境接口的机电一体