机电一体化原理及应用-绪论

1、l总学时：总学时：42学时学时 理论课：34学时（117周） 实验课：8学时l学分：学分：2.5l成绩：期末考试（成绩：期末考试（50%）+平时成绩（平时成绩（50%）考勤考勤（40%）课堂互课堂互动（动（20%）课后作课后作业（业（40%）平时成平时成绩绩概念 第一章 引论关键问题 第二章 机电一体化系统数学建模（难点） 第三章 机电一体化系统检测与转换技术（重点） 第四章机电一体化系统驱动技术与执行装置（重点） 第五章机电一体化中的计算机系统（重点） 第六章机电一体化系统常见控制技术实例 第七章机电一体化系统设计及实例l1.1机电一体化基本机电一体化基本概念概念l1.2机电一体化的理论基础

2、与共性关键机电一体化的理论基础与共性关键技术技术l1.3现代制造业中的机电一体化现代制造业中的机电一体化技术技术l1.4机电一体化发展趋势机电一体化发展趋势l1.1.1机电一体化的起源机电一体化的起源l1.1.2机电一体化的发展机电一体化的发展l1.1.3机电一体化的范畴机电一体化的范畴l1.1.4机电一体化系统的基本组成要素机电一体化系统的基本组成要素最早起源于日本最早起源于日本(新兴的边缘学科新兴的边缘学科)机械学（机械学（Mechanics）+电子学（电子学（Electronics）=机电机电一体化或机械电子工程（一体化或机械电子工程（Mechatronics）定义：定义：在机械主功能、

3、动力功能、信息功能和控制在机械主功能、动力功能、信息功能和控制功能基础上引进微电子技术，并将机械装置与电子功能基础上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件装置用相关软件有机结合有机结合所构成所构成系统总称系统总称。萌芽阶段20世纪60年代前蓬勃发展阶段70年代到80年代智能化阶段90年代后期无意识应用无意识应用阶段，应用阶段，应用少少获得普遍认获得普遍认可和支持，可和支持，产品得到极产品得到极大发展大发展出现光机电出现光机电一体化和微一体化和微机电一体化机电一体化等新分支；等新分支；理论体系逐理论体系逐步完善步完善机电一体化工程和技术机电一体化工程和技术销售销售市场调查市场调查用户需

4、求用户需求信息信息产品说明产品说明设计设计制造制造制造策略制造策略全面质量管理全面质量管理数控机床加工中心加工中心机器人机器人数控机械手数控机械手包装机包装机信息输入信息输入控制及信控制及信息处理部息处理部分分驱动部分驱动部分执行机构执行机构机械本体机械本体动力部分动力部分传感测试传感测试部分部分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五大组成五大组成要素：要素：l这些组成要素内部及其相互之间，通过这些组成要素内部及其相互之间，通过接口耦合接口耦合、运动传递运动传递、物质流动物质流动、信息控制信息控制、能量转换能量转换有机有机融合集成一个完整系统。融合集成一个完整系统。1.

5、机械本体机械本体系统所有功能元素的机械支持结构系统所有功能元素的机械支持结构 组成：如机身、框架、机械联接等结构 要求：高效、多功能、可靠和节能、小型、轻量、美观等要求2.动力与驱动部分动力与驱动部分按照系统的功能要求，为系统提供能量和动力使系按照系统的功能要求，为系统提供能量和动力使系统正常运行。统正常运行。 组成：气动、电动和液压不同的驱动方式 要求：高效率（最小动力输入最大功能输出）和快速响应、可靠性好、便于维修和实行标准化3. 测试传感部分测试传感部分检测系统内部和外部环境及状态，变成可识别信号，检测系统内部和外部环境及状态，变成可识别信号，传输到信息处理单元传输到信息处理单元 组成：

6、专门传感器、仪器仪表4. 执行机构执行机构l根据控制信息和指令，驱动对象完成要求的动作根据控制信息和指令，驱动对象完成要求的动作 组成：机械、电磁、电液等机构 要求：提高刚性，减轻重量，实现组件化、标准化和系列化，提高系统整体可靠性5. 控制及信息单元控制及信息单元l进行信息处理与控制的核心进行信息处理与控制的核心 组成：计算机、可编程控制器（PLC）、数控装置及逻辑电路、A/D与D/A转换、I/O接口和计算机外部设备等 要求：高处理速度、高可靠性、强抗干扰能力、智能化、小型、轻量、标准化机电一体化系统机电一体化系统控制及信息单元测试传感部分机械本体动力与驱动部分执行机构大脑五官、皮肤骨骼内脏

7、手、足l以上基本要素通常称为机电一体化的以上基本要素通常称为机电一体化的五大组成要五大组成要素素。系统中这些单元和它们各自内部各环节之间。系统中这些单元和它们各自内部各环节之间都遵循都遵循接口耦合接口耦合、能量转换能量转换、信息控制信息控制、运动传运动传递递的原则，称为的原则，称为四大原则四大原则。1、接口耦合、能量转换、接口耦合、能量转换1）变换：数字量 模拟量；串行码 并行码；电压 电流；直流 交流通过接口完成信息或能量的统一2）放大：两个信号强度相差悬殊的环节间，经接口放大，达到能量匹配3）耦合：变换和放大后的信号在环节间能可靠、快速、准确的交换，必须遵循一致的时序、信号格式和逻辑规范4

8、）能量转换还包含了执行器、驱动器的不同类型能量的最优转换方法与原理（电能到机械能）2、信息控制信息控制 在系统中，所谓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，以达到信息控制的目的。3、运动传递、运动传递 各组成要素之间不同类型运动的变换与传输以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的优化及以运动控制为目的的优化旋转运动到直线运动，旋转运动减速起源、发展、范畴、基本组成要素起源、发展、范畴、基本组成要素l1.2.1机电一体化的理论基础机电一体化的理论基础l1.2.2机电一体化的共性关键技术机电一体化的共性关键技术l理论基础（方法论）：系

9、统论、信息论、控制论理论基础（方法论）：系统论、信息论、控制论l机电一体化工程：机电一体化工程：给定机电一体化系统目的功能给定机电一体化系统目的功能与规格后，机电一体化技术人员利用机电一体化与规格后，机电一体化技术人员利用机电一体化技术进行设计、制造的整个过程技术进行设计、制造的整个过程l实施机电一体化工程的结果，是新型的机电一体实施机电一体化工程的结果，是新型的机电一体化产品化产品l机电一体化技术：机电一体化技术：从系统工程观点出发，应用机从系统工程观点出发，应用机械、微电子等有关技术，使机械电子有机结合，械、微电子等有关技术，使机械电子有机结合，实现系统或产品整体最优的综合性技术实现系统或

10、产品整体最优的综合性技术l机电一体化系统：机电一体化系统：一个包括物质流、能量流和信一个包括物质流、能量流和信息流的系统，有效地利用各种信息所携带的丰富息流的系统，有效地利用各种信息所携带的丰富信息资源，则依赖于信号处理和信息识别技术信息资源，则依赖于信号处理和信息识别技术l技术基础：微电子技术、精密机械技术技术基础：微电子技术、精密机械技术共性关键技术机械技术计算机与信息处理技术自动控制技术传感与检测技术伺服传动技术接口技术系统技术l1.机械技术机械技术l机电一体化的基础机电一体化的基础l如何与机电一体化技术相适应如何与机电一体化技术相适应 利用现有高新技术实现结构上、材料上、性能上以及功能

11、上的变更 要求：减少质量、缩小体积、提高精度、提高刚度、改善性能、增加功能l2.计算机与信息处理技术计算机与信息处理技术l计算机技术包括：计算机的软件技术、硬件技术、计算机技术包括：计算机的软件技术、硬件技术、网络与通信技术、数据技术网络与通信技术、数据技术l信息处理技术包括：信息的交换、存取、运算、信息处理技术包括：信息的交换、存取、运算、判断和决策判断和决策 实现信息处理的工具是计算机，因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的 计算机信息处理部分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和效率。l3.自动控制技术自动控制技术l主要包括：主要包括： 基本控制理论，在此理论

12、指导下，对具体控制装置或控制系统进行设计 设计后的系统仿真，现场调试 使研制的系统可靠的投入运行l内容：高精度定位控制、速度控制、自适应控制、内容：高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断控制、等等自诊断控制、等等l4.传感与检测技术传感与检测技术l关键元件：传感器关键元件：传感器 传感器：将被测量（物理量、化学量、生物量）变换成系统可识别的、与被测量有确定对应关系的有用电信号的一种装置 要求：快速、精确地获取信息，并能经受各种严酷环境的考验l5.伺服传动技术伺服传动技术l伺服传动技术：直接执行操作的技术伺服传动技术：直接执行操作的技术 包括：电动、气动、液压等各种类型的传动装置l伺服系统

13、：实现电信号到机械动作的转换装置或伺服系统：实现电信号到机械动作的转换装置或部件，对系统的动态性能、控制质量和功能具有部件，对系统的动态性能、控制质量和功能具有决定性的影响决定性的影响l伺服驱动包括：直流伺服驱动、交流伺服驱动、伺服驱动包括：直流伺服驱动、交流伺服驱动、步进电机、电液马达、气动马达步进电机、电液马达、气动马达l6. 接口技术接口技术l定义：实现系统各部分有机连接的保证定义：实现系统各部分有机连接的保证l包括：电气接口、机械接口、人机接口包括：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：机械与机械部分连接，机械与电气装置部分的连接 人机接口：提供了人与

14、系统间的交互界面l7.系统技术系统技术l以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将度和系统目标出发，将总体分解总体分解成相互有机联系成相互有机联系的的若干功能单元若干功能单元，以功能单元为，以功能单元为子系统子系统进行进行二次二次分解分解，生成，生成功能更单一功能更单一和具体的和具体的子子功能功能单元单元l理论基础、共性关键技术理论基础、共性关键技术l1.3.1现代制造系统与新生产方式现代制造系统与新生产方式l1.3.2机床产业数控化机床产业数控化l1.3.3机器人产业的兴起机器人产业的兴起l1.3.4未来的工厂未来的工厂l制造技术

15、：制造技术：工程技术中最复杂、最重要的技术，已成工程技术中最复杂、最重要的技术，已成为机电一体化技术的重点为机电一体化技术的重点l现代制造技术：现代制造技术：制造业中已经或将要采用的各种先进制造业中已经或将要采用的各种先进的设计技术、制造技术、管理技术和智能技术的总称的设计技术、制造技术、管理技术和智能技术的总称l现代制造系统包含：现代制造系统包含：计算机辅助设计计算机辅助制造计算机辅助管理人工智能其他技术l1. MRP l制造资源计划制造资源计划（Manufacturing Resource Planning,简简称称MRP ）是基本物）是基本物料需求计划（料需求计划（Material Re

16、quirement Planning,简称简称MRP）扩展而来）扩展而来l管理信息系统管理信息系统集成化生产管理集成化生产管理功能功能信息处理功能信息处理功能仿真功能仿真功能基本功能基本功能l2.JITl准时准时化生产方化生产方式（式（Just In Time,简称简称JIT）是由日本丰田是由日本丰田汽车公司创立汽车公司创立的一种精益生的一种精益生产方式产方式彻底排除浪费彻底排除浪费l3.OPTl最最优生产技术（优生产技术（Optimized Production Technology，简称简称OPT）是以物流平衡为目标，以对关键资源）是以物流平衡为目标，以对关键资源的严格管理为核心的一种先进

17、生产管理技术。的严格管理为核心的一种先进生产管理技术。l瓶颈资源、非瓶颈资源瓶颈资源、非瓶颈资源 瓶颈资源是限制工厂生产能力发展的那些资源 控制中心、关键环节l4.CEl并行工程（并行工程（Concurrent Engineering,简称简称CE）就是）就是一种集成、并行地设计产品及相关过程的系统化一种集成、并行地设计产品及相关过程的系统化方法。方法。l5.LPl精精益生产（益生产（Lean Production,简称简称LP）既是一种以）既是一种以最大限度地减少企业生产所占用的资源和降低企最大限度地减少企业生产所占用的资源和降低企业管理和运营成本为主要目标的生产方式，也是业管理和运营成本为

18、主要目标的生产方式，也是一种哲理一种哲理 目标是：精益求精，追求尽善尽美，永无止境l6.AMl灵捷制造（灵捷制造（Agile Manufacturing,简称简称AM）就是具）就是具有灵捷性的制造战略、制造生产模式、体制和社有灵捷性的制造战略、制造生产模式、体制和社会技术群的集合会技术群的集合 目标：建立一种对用户需求的产品和服务做出灵敏快速反应的、市场竞争力强的制造组织和活动 动态公司或虚拟公司 三大基石：革新的组织和管理机构、柔性技术、有知识和技术的工作人员l7.FMSl柔性制造系统柔性制造系统（Flexible Manufacturing System,简称简称FMS）是是在直接数控基在

19、直接数控基础上发展起来的础上发展起来的一种适用于多品一种适用于多品种小批量的种小批量的自动自动化加工形式化加工形式。西门子自动化柔性制造系统西门子自动化柔性制造系统l优点：优点： 提高机床利用率 减少直接和间接劳动 缩短生产周期 减少在制品库存量 减少刀具和夹具 柔性高l构成构成柔性制造系统加工系统物料运输系统控制系统数控机床数控机床加工中心加工中心机械手机械手托板转换装置托板转换装置工件及工具运输系工件及工具运输系统统铁屑处理系统铁屑处理系统仓库储运系统仓库储运系统加工控制系统加工控制系统工件检测系统工件检测系统故障诊断系统故障诊断系统仓库管理控制系统仓库管理控制系统 中小批量FMS 中大批

20、量柔性生产线FML 加工一般零件的部分或全部工序柔性制造单元FMCl8.CIMSl计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System,简称简称CIMS）是研究从订货）是研究从订货到设计、制造、检查、搬运、市场分配、计划决到设计、制造、检查、搬运、市场分配、计划决策、销售经营等整个策、销售经营等整个企业自动化企业自动化的一种技术，也的一种技术，也是一种适于多品种、中小批量生产的高效率、高是一种适于多品种、中小批量生产的高效率、高柔性的柔性的智能制造系统智能制造系统，亦是一种实现新型生产模，亦是一种实现新型生产模式的哲理。式的哲

21、理。 以CIM为指导思想，制造资源计划为核心1）集成管理技术 CAD、CAPP、CAM2）集成设计技术 监测、控制制造过程3）生产加工自动化技术lCIMS的控制系统是一种分级控制结构，即递阶控的控制系统是一种分级控制结构，即递阶控制系统制系统递阶控制系统递阶控制系统CIMS工厂工厂层层车间车间层层单元单元层层工作工作站层站层设备层设备层优点：优点：1）完全按订货组织）完全按订货组织生产，缩短生产周期，生产，缩短生产周期，无需庞大库存无需庞大库存2）适时生产将把在）适时生产将把在制品减至最少制品减至最少3）大大降低经济批）大大降低经济批量量4）无图纸、无文件）无图纸、无文件5）高度自动化）高度自

22、动化l9.LAFl精精益益-灵捷灵捷-柔性（柔性（Lean-Agile-Flexible,简称简称LAF）l根本目的：快速灵敏地响应市根本目的：快速灵敏地响应市场变化、高效地满足消费者需场变化、高效地满足消费者需求求l显著特征：显著特征：适度松动适度松动对制造技对制造技术先进性的追求，术先进性的追求，致力于致力于组织组织创新和人因改善创新和人因改善全面全面质量质量管理管理准时准时生产生产制制经营经营程序程序再造再造并行并行工程工程LAFl高档数控加工中心高档数控加工中心机床，近年来迅速发展机床，近年来迅速发展l数控机床数控机床一方面向多功能、高速化的方向发展，一方面向多功能、高速化的方向发展，

23、同时同时简易数控装置简易数控装置也有广泛的应用需求也有广泛的应用需求机床机床l机床是机械工业的机床是机械工业的基础制造装备基础制造装备和和工作母机工作母机，是，是决定机械工业生产能力和水平的关键决定机械工业生产能力和水平的关键l数控数控机床优点：机床优点： 缩短新产品试制和生产周期，节约大量工装 生产效率高，辅助生产时间减少 减少人为误差，加工精度稳定性显著提高，零件互换性好 能加工大型复杂零件 开辟了机床结构大变革的前景 固定程序机器人（机械手）、重复型机器人、示教再现机器人第一代 自适应机器人、服务型机器人第二代 智能机器人第三代lProduct Info. SR系列焊接系列焊接机器人外形

24、紧凑、体积小、机器人外形紧凑、体积小、重量轻，是专用的弧焊机器重量轻，是专用的弧焊机器人，能实现稳定的焊接，获人，能实现稳定的焊接，获得高度精确的焊接路径，缩得高度精确的焊接路径，缩短焊接周期，延长管件和线短焊接周期，延长管件和线缆寿命。同时缆寿命。同时SR系列焊接机系列焊接机器人能够在狭小的空间内灵器人能够在狭小的空间内灵活的进行焊接作业，安装方活的进行焊接作业，安装方式可以选择为地面式可以选择为地面. l通过示教编程或集成视觉系通过示教编程或集成视觉系统捕捉目标物体，利用出色统捕捉目标物体，利用出色的高速运动特性实现对小型的高速运动特性实现对小型轻质产品高精度地快速拾取，轻质产品高精度地快

25、速拾取，分拣、装箱，搬运及加工装分拣、装箱，搬运及加工装配等操作。配等操作。 产品特点：产品特点： 其其体积小、重量轻、运动速度体积小、重量轻、运动速度快、定位精度高，承载能力快、定位精度高，承载能力强、刚度大，自重负荷比小，强、刚度大，自重负荷比小，动态性能好。动态性能好。l工业机器人：工业机器人：机器人当中一种，是一种程序可变，机器人当中一种，是一种程序可变，有独立的控制、驱动和执行功能的系统，能实现有独立的控制、驱动和执行功能的系统，能实现抓取、搬运或操作的自动化机械装置抓取、搬运或操作的自动化机械装置l组成：操作部分、主机部分、控制部分、检验部组成：操作部分、主机部分、控制部分、检验部

26、分分类别类别机构机构功能功能操作部分手手爪直接抓取和放置工件或工具手腕连接手爪与手臂，调整或改变手部的姿态手臂支承腕部，承受工件或工具的荷重，将其传到预订工作位置立柱支承手臂，带动手臂运动，扩大臂部的活动范围，如臂部的回转、升降和俯仰运动脚行走机构，固定机器人没有脚主机部分驱动系统驱动执行机构动力源为驱动系统提供动力机械支撑支承整机控制部分计算机控制系统对驱动系统乃至整个机器人进行独立的智能化控制检测部分传感器信息控制反馈，开环控制机器人无此部分手爪手爪手腕手腕手臂手臂立柱立柱驱动系统驱动系统机械支撑机械支撑l工业机器人工业机器人98%用于制造业用于制造业l主要主要用途为：用途为： 材料加工 机床上下