机电一体化课件第一章

1、机电一体化技术,教师：李亚芹 职称：讲 师,第一章 绪 论,1、机电一体化技术 机：机械 mechanic 电：微电子 electronic 机电：mechatronics 机电一体化技术：mechatronics technology,2、授课用书 机电一体化系统设计张健民编 2007年1月修订版 普通高等教育“十五”国家规划教材 五大系统：机械系统、电子信息处理系统、动力系统、传感检测系统、执行元件系统,3、典型的机电一体化产品,1）数控机床 包括： 数控车床 数控铣床 数控冲床等,CAK系列,CKS系列,三坐标立式数控铣床示意图,传统机床与数控机床的区别,1.提高精度 2.提高生产效率

2、3.减轻劳动强度 4.有利于生产管理 5.有利于产品更新改型,传统机床数控化改造,数 控 刀 具,数控机床加工的部分零件,数控机床的发展方向,高速化、精密化、高效能、系统化、复合化、绿色、可靠、自诊断,2）机器人,发展历程： 第一代：示教再现机器人 第二代：有感觉的机器人 第三代：智能机器人,弧焊机器人,机器人在机械制造中的应用,加工机器人 焊接机器人 喷涂机器人 装配机器人 检测机器人 净化机器人 移动式机器人,汽车装配机器人,120公斤点焊 机器人,搬运 机器人,汽车加油机器人,导游机器人,机器人在其它方面的应用,水下扫雷机器人,我国研制的排爆机器人,消防机器人,救援机器人,发展概况,1.

3、 20世纪60年代前为第一阶段，“萌芽阶段” 工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结 合，以提高机械产品的性能。但是由于电子技术的发展相对 落后，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。 2. 70年代到80年代为第二阶段，“蓬勃发展阶” 计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体 化的发展奠定了技术基础这个时期的特点是： mechatronics一词首先在日本被普遍接受，大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认； 机电一体化技术和产品得到了极大发展； 各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。,发展概况,3.90年代后期开始为第三阶段，“智能化阶

4、段” 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脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支； 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了深入研究。 由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。,发展概况,1. 数控机床的问世，写下了“机电一体化”历史的第一页。 2. 微电子技术为“机电一体化带来勃勃生机。 3. 可编程序控制器、”电力电子“等的发展为”机电一体化“提供了坚强基础。 4. 激光技术、模糊

5、技术、信息技术等新技术使”机电一体化“跃上新台阶。,第一章 总论 第一节 机电一体化含义,一、机电一体化定义（重点）,机电一体化涵义：乃是机械的主功能、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 。,二、机电一体化目的 是使系统多功能化、高效率化、高可靠化、省材料省能源化，并使产品结构向轻、薄、短、小化方向发展，不断满足人们生活的多样化要求和生产的省力化、自动化要求。,三、机电一体化产品具有两方面内容,机电一体化技术 机电一体化产品,四、机电一体化革命,机电一体化技术革命 机电一体化革命的基础 机、电、液一体化,五、机电一体化技

6、术发展方向,复合化 小型轻量化 高速化 移动化 智能化 层次化和系统化 全盘化 全际化,六、机电一体化相关技术,机械本体 1、减轻重量2、提高刚度3、实现通用化、标准化 、系统化4、提高系统整体的可靠化 传感技术 信息处理技术 驱动技术 接口技术 软件技术,共性关键技术,1 检测传感技术 2 信息处理技术 3 自动控制技术 4 伺服驱动技术 5 机械技术 6 系统总体技术,1、检测传感技术,作用：感受器官、反馈环节。,研究对象：传感器及其信号检测装置（即变送器）,要求：能快速、精确地获得信息并在相应的应用环境中具有高可靠性。,共性关键技术,2、信息处理技术,主要完成信息的交换、存取、运算、判断

7、和决策等.其主要工具是计算机。,3、控制技术,关于软件方面的技术，主要以控制理论为指导，对控制系统设计、仿真、现场调试、可靠运行等。,共性关键技术,4、伺服驱动技术,执行元件种类：电动、液压、气压,研究对象：执行元件及其驱动装置,驱动装置：各种电动机的驱动电源电路,实现机电一体化产品的主功能和构造功能，影响系统的结构、重量、体积、刚性、可靠性等。,5、机械技术,共性关键技术,6、系统总体技术 系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统工程的观点和方法，将系统各个功能模块有机的结合起来，以实现整体最优。其重要内容为接口技术。接口包括电气接口、机械接口、人机接口,1.7 机电一体化的发展趋势,1 智

8、能化 智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。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、心理学、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 由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。由于利益冲突

9、，近期很难制定国际或国内这方面的标准，但可以通过组建一些大企业逐渐形成。显然，从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业，规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。,1.7 机电一体化的发展趋势,3网络化 20世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网 络技术。机电一体化新产品一旦研制出来，只要其 功能独到，质量可靠，很快就会畅销全球。由于网 络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方 兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体 化产品。因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方 向发展。,1.7 机电一体化的发展趋势,4 微型化

10、 微型化兴起于20世纪80年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统（MEMS），泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小 、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术，微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。,1.7 机电一体化的发展趋势,5 系统化 系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步 采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组 态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统 协调控制和综合管理。

11、表现之二是通信功能的大大 加强，一般除RS232外，还有RS485等等,1.7 机电一体化的发展趋势,第二节 机电一体化系统的基本构成,一、机电一体化系统的构成 1、五大系统：机械系统、电子信息处理系统、动力系统、传感检测系统、执行元件系统 2、开环系统 3、闭环系统 半闭环系统 全闭环系统,开环控制系统（open loop control system,采用步进电机 数控装置放大步进电机减速齿轮丝杆螺母工作台,全闭环与半闭环系统（重点）,全闭环系统：通过传感器直接检测目标运动并进行反馈控制的系统。,半闭环系统：通过传感器检测某一部位运动，并进行反馈，间接控制目标运动的系统称半闭环系统。,4、

12、工业三大要素 物质、能量、信息 5、机电一体化三大效果 省材料、省能源、智能化,6、系统三大目的功能功能构成 1、变换（加工、处理）功能 2、传递（移动、输送）功能 3、储存（保持、积蓄、记录）功能,二、主要概念和机电一体化系统功能,一、概念 加工机:以物料搬运、加工为主。输入物质能量和信息经过加工处理，主要输出改变了位置和形态的物质系统。 注意：这里强调输入的是物质、能量和信息，而输出的仅为物质。如数控机床，输入的是毛坯、电能、液能和操作指令而输出的仅为工件。 动力机:以能量转换为主，输入能量（或物质）和信息、输出不同形式能量（或物质）的系统。 信息机:以信息处理为主，输入信息和能量，主要输

13、出某种信息的系统。 二、内部功能 主功能、动力功能、检测功能、控制功能、构造功能,3、机电一体化系统要素与人体要素的比较,三、机电一体化系统构成要素的联接,接口定义：为实现各子系统或要素之间物质、能量或信息交换而进行的连接就是接口。 按功能分，接口有两种：输入/输出接口和变换、调整接口,具有变换调整功能的接口（4种） 1、零接口：不进行任何变换和调整，本子系统的输出即为另一子系统的输入，这种接口只起到连接的作用。如插头、座，输送管线，传动轴等。 2、无源接口：只用无源要素进行变换、调整的接口。如变速箱、变压器、可变电阻、透镜等。,3、有源接口：含有有源要素，可以主动进行匹配的接口。如电磁离合器

14、、放大器、光电耦合器等 4、智能接口：带有微处理器，可以进行程序编制或可适应性地改变接口条件。如自动变速装置、通用输入/输出集成电路，STD总线等,根据输入/输出功能有如下接口形式 1、机械接口：由输入/输出部位的形状、尺寸、精度、配合、规格等进行机械联接的接口。如联轴器，管接头，法兰盘等。 2、物理接口：受通过接口的物质、能量、信息的具体形态和物理条件约束的接口。如受电流、电压、电容、扭矩、频率、气压等约束的接口。,3、信息接口：受规格、标准、法律、语言、符号等逻辑、软件约束的接口。如RS232，GB，ISO，ASCII，FORTRAN，C+等 4、环境接口：对周围环境条件（温度、湿度、磁场

15、、振动、水、气、灰、火、放射）有保护作用的接口。如防尘接头，防水开关等,三、机电一体化系统的评价,第三节机电一体化工程与系统工程,系统：即具有特定功能的，相互之间具有有机联系的许多要素，所构成的一个整体。 系统的概念是相对的以考察问题的角度不同而异，某一系统可以由若干子系统组成，它又可以成为一个更高级的子系统。 工程：即产生一定效能的方法 系统工程：是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方法。 系统工程基本思想,二机电一体化工程（掌握） 给定机电一体化系统“目的功能”和“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

16、个过程称为机电一体化工程 三、机电一体化与系统工程 1、关系 特点,机电一体化系统设计的考虑方法 1、要求 2、方法 （1）机电互补法（取代法） （2）结合法（融合法） （3）组合法,机点一体化系统或产品的设计类型,开发性设计 适应性设计 变异性设计,机电一体化系统设计,设计程序 明确设计思想 分析综合要求 划分功能模块 决定性能参数 调研类似产品 拟定总体方案 方案对比定型 编写总体设计论证书,总体设计中应注意,（1）以机电互补原则进行功能划分，即明确哪的功能由机械设计实现，哪些功能由电子技术的硬、软件实现，这样能发挥机电所长，简化结构、充分体现机电一体化效果。 （2）用图表说明功能要求与动

17、作顺序要求 （3）分析产品专用性与批量 （4）重点明确产品的简要特性 （5）分析产品的自动化程度及其适用性,（6）环境条件要求 （7）动力源特性分析 （8）机、电、液传动的最佳匹配 （9）可靠性分析 （10）结构尺寸及空间布置分析 （11）特殊功能分析、低速稳定性、抖动要求、快速响应性与定位精度要求等,设计准则 降低成本,在保证目的功能要求与适当寿命的前提下不断降低成本 降低成本一方面是从用户需求出发降低成本，二是从制造厂的立场出发降低成本。(成本高70%低取决于设计阶段） 平均故障间隔MTBF (Mean Time Between Failures -到产品发生故障止，或从一个故障被排除后到

18、下一个故障发生时的平均时间,三、设计规律 首先确定逻辑关系物理关系结构关系。 确定逻辑关系是关键。,现代设计方法,常用的设计方法有：相似设计法、虚拟设计法、反求设计法、有限元设计法、可靠性设计法、动态分析设计法、优化设计法等。,机电一体化系统设计总体流程,一、市场调研 二、总体方案设计 三、详细设计 四、样机试制与试验 五、小批量生产 六、大批量生产,一、市场调研,市场调研包括市场调查和市场预测。所谓市场调查就是运用科学的方法，系统地、全面地收集所设计产品市场需求和经销方面的情况和资料，分析研究产品在供需双方之间进行转移的状况和趋势，而市场预测就是在市场调查的基础上，运用科学方法和手段，根据历史资料和现状，通过定性的经验分析或定量的科学计算，对市场未来的不确定因素和条件做出预计、测算和判断，为产品的方案设计提供依据。,1.5 机电一体化系统设计,二、总体方案设计,1产品方案构思 产品方案构思完成后，以方案图的形式将设计方案表达出来。方案图应尽可能简洁明了，反映机电一体化系统各组成部分的相互关系，同时应便于后面的修改。 2方案的评价对多种构思