第一章_機電一體化技術(shù)_2010_.ppt

機電一體化技術(shù) 什么是機電一體化技術(shù) 日本企業(yè)界在1970年左右最早提出 機電一體化技術(shù) 這一概念 當(dāng)時他們?nèi)∶麨?Mechatronics 即結(jié)合應(yīng)用機械技術(shù)和電子技術(shù)于一體 隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用 機電一體化技術(shù)獲得前所未有的發(fā)展 成為一門融合計算機與信息 自動控制 傳感檢測 伺服傳動和機械等學(xué)科交叉的系統(tǒng)技術(shù) 目前正向光機電一體化技術(shù) Opto mechatronics 方向發(fā)展 應(yīng)用范圍愈來愈廣 機電一體化技術(shù)具體包括以下內(nèi)容 機械技術(shù)機械技術(shù)是機電一體化的基礎(chǔ) 機械技術(shù)的著眼點在于如何與機電一體化技術(shù)相適應(yīng) 利用其它高 新技術(shù)來更新概念 實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上 材料上 性能上的變更 滿足減小重量 縮小體積 提高精度 提高剛度及改善性能的要求 在機電一體化系統(tǒng)制造過程中 經(jīng)典的機械理論與工藝應(yīng)借助于計算機輔助技術(shù) 同時采用人工智能與專家系統(tǒng)等 形成新一代的機械制造技術(shù) 計算機與信息技術(shù)其中信息交換 存取 運算 判斷與決策 人工智能技術(shù) 專家系統(tǒng)技術(shù) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)均屬于計算機信息處理技術(shù) 系統(tǒng)技術(shù)系統(tǒng)技術(shù)即以整體的概念組織應(yīng)用各種相關(guān)技術(shù) 從全局角度和系統(tǒng)目標(biāo)出發(fā) 將總體分解成相互關(guān)聯(lián)的若干功能單元 接口技術(shù)是系統(tǒng)技術(shù)中一個重要方面 它是實現(xiàn)系統(tǒng)各部分有機連接的保證 自動控制技術(shù)其范圍很廣 在控制理論指導(dǎo)下 進行系統(tǒng)設(shè)計 設(shè)計后的系統(tǒng)仿真 現(xiàn)場調(diào)試 控制技術(shù)包括如高精度定位控制 速度控制 自適應(yīng)控制 自診斷校正 補償 再現(xiàn) 檢索等 傳感檢測技術(shù)傳感檢測技術(shù)是系統(tǒng)的感受器官 是實現(xiàn)自動控制 自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 其功能越強 系統(tǒng)的自動化程序就越高 現(xiàn)代工程要求傳感器能快速 精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴(yán)酷環(huán)境的考驗 它是機電一體化系統(tǒng)達(dá)到高水平的保證 伺服傳動技術(shù)包括電動 氣動 液壓等各種類型的傳動裝置 伺服系統(tǒng)是實現(xiàn)電信號到機械動作的轉(zhuǎn)換裝置與部件 對系統(tǒng)的動態(tài)性能 控制質(zhì)量和功能有決定性的影響 機電一體化技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展 極大地推動了不同學(xué)科的交叉與滲透 導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造 在機械工程領(lǐng)域 由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化 使機械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu) 產(chǎn)品jie構(gòu) 功能與構(gòu)成 生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化 使工業(yè)生產(chǎn)由 機械電氣化 邁入了 機電一體化 為特征的發(fā)展階段 機電一體化是指在機構(gòu)的主功能 動力功能 信息處理功能和控制功能上引進電子技術(shù) 將機械裝置與電子化設(shè)計及軟件結(jié)合起來所構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱 機電一體化發(fā)展至今也已成為一門有著自身體系的新型學(xué)科 隨著科學(xué)技術(shù)的不但發(fā)展 還將被賦予新的內(nèi)容 但其基本特征可概括為 機電一體化是從系統(tǒng)的觀點出發(fā) 綜合運用機械技術(shù) 微電子技術(shù) 自動控制技術(shù) 計算機技術(shù) 信息技術(shù) 傳感測控技術(shù) 電力電子技術(shù) 接口技術(shù) 信息變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù) 根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織目標(biāo) 合理配置與布局各功能單元 在多功能 高質(zhì)量 高可靠性 低能耗的意義上實現(xiàn)特定功能價值 并使整個系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術(shù) 由此而產(chǎn)生的功能系統(tǒng) 則成為一個機電一體化系統(tǒng)或機電一體化產(chǎn)品 因此 機電一體化 涵蓋 技術(shù) 和 產(chǎn)品 兩個方面 只是 機電一體化技術(shù)是基于上述群體技術(shù)有機融合的一種綜合技術(shù) 而不是機械技術(shù) 微電子技術(shù)以及其它新技術(shù)的簡單組合 拼湊 這是機電一體化與機械加電氣所形成的機械電氣化在概念上的根本區(qū)別 機械工程技術(shù)由純技術(shù)發(fā)展到機械電氣化 仍屬傳統(tǒng)機械 其主要功能依然是代替和放大的體力 但是發(fā)展到機電一體化后 其中的微電子裝置除可取代某些機械部件的原有功能外 還能賦予許多新的功能 如自動檢測 自動處理信息 自動顯示記錄 自動調(diào)節(jié)與控制自動診斷與保護等 即機電一體化產(chǎn)品不僅是人的手與肢體的延伸 還是人的感官與頭腦的延伸 具有智能化的特征是機電一體化與機械電氣化在功能上的本質(zhì)區(qū)別 一 機電一體化的發(fā)展?fàn)顩r 機電一體化的發(fā)展大體可以分為3個階段 20世紀(jì)60年代以前為第一階段 這一階段稱為初級階段 在這一時期 人們自覺不自覺地利用電子技術(shù)的初步成果來完善機械產(chǎn)品的性能 特別是在第二次世界大戰(zhàn)期間 戰(zhàn)爭刺激了機械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結(jié)合 這些機電結(jié)合的軍用技術(shù) 戰(zhàn)后轉(zhuǎn)為民用 對戰(zhàn)后經(jīng)濟的恢復(fù)起了積極的作用 那時研制和開發(fā)從總體上看還處于自發(fā)狀態(tài) 由于當(dāng)時電子技術(shù)的發(fā)展尚未達(dá)到一定水平 機械技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合還不可能廣泛和深入發(fā)展 已經(jīng)開發(fā)的產(chǎn)品也無法大量推廣 20世紀(jì)70 80年代為第二階段 可稱為蓬勃發(fā)展階段 這一時期 計算機技術(shù) 控制技術(shù) 通信技術(shù)的發(fā)展 為機電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ) 大規(guī)模 超大規(guī)模集成電路和微型計算機的迅猛發(fā)展 為機電一體化的發(fā)展提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ) 這個時期的特點是 mechatronics一詞首先在日本被普遍接受 大約到20世紀(jì)80年代末期在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認(rèn) 機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展 各國均開始對機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品給以很大的關(guān)注和支持 20世紀(jì)90年代后期 開始了機電一體化技術(shù)向智能化方向邁進的新階段 機電一體化進入深入發(fā)展時期 一方面 光學(xué) 通信技術(shù)等進入了機電一體化 微細(xì)加工技術(shù)也在機電一體化中嶄露頭腳 出現(xiàn)了光機電一體化和微機電一體化等新分支 另一方面對機電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計 分析和集成方法 機電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢都進行了深入研究 同時 由于人工智能技術(shù) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光纖技術(shù)等領(lǐng)域取得的巨大進步 為機電一體化技術(shù)開辟了發(fā)展的廣闊前景 我國是從20世紀(jì)80年代初才開始在這方面研究和應(yīng)用 國務(wù)院成立了機電一體化領(lǐng)導(dǎo)小組并將該技術(shù)列為 863計劃 中 在制定 九五 規(guī)劃和2010年發(fā)展綱要時充分考慮了國際上關(guān)于機電一體化技術(shù)的發(fā)展動向和由此可能帶來的影響 許多大專院校 研究機構(gòu)及一些大中型企業(yè)對這一技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用做了大量的工作 不取得了一定成果 但與日本等先進國家相比仍有相當(dāng)差距 二 機電一體化的發(fā)展趨勢 機電一體化是集機械 電子 光學(xué) 控制 計算機 信息等多學(xué)科的交叉綜合 它的發(fā)展和進步依賴并促進相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進步 因此 機電一體化的主要發(fā)展方向如下 智能化智能化是21世紀(jì)機電一體化技術(shù)發(fā)展的一個重要發(fā)展方向 人工智能在機電一體化建設(shè)者的研究日益得到重視 機器人與數(shù)控機床的智能化就是重要應(yīng)用 這里所說的 智能化 是對機器行為的描述 是在控制理論的基礎(chǔ)上 吸收人工智能 運籌學(xué) 計算機科學(xué) 模糊數(shù)學(xué) 心理學(xué) 生理學(xué)和混沌動力學(xué)等新思想 新方法 模擬人類智能 使它具有判斷推理 邏輯思維 自主決策等能力 以求得到更高的控制目標(biāo) 誠然 使機電一體化產(chǎn)品具有與人完全相同的智能 是不可能的 也是不必要的 但是 高性能 高速的微處理器使機電一體化產(chǎn)品賦有低級智能或人的部分智能 則是完全可能而又必要的 模塊化模塊化是一項重要而艱巨的工程 由于機電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多 研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機械接口 電氣接口 動力接口 環(huán)境接口的機電一體化產(chǎn)品單元是一項十分復(fù)雜但又是非常重要的事 如研制集減速 智能調(diào)速 電機于一體的動力單元 具有視覺 圖像處理 識別和測距等功能的控制單元 以及各種能完成典型操作的機械裝置 這樣 可利用標(biāo)準(zhǔn)單元迅速開發(fā)出新產(chǎn)品 同時也可以擴大生產(chǎn)規(guī)模 這需要制定各項標(biāo)準(zhǔn) 以便各部件 單元的匹配和接口 由于利益沖突 近期很難制定國際或國內(nèi)這方面的標(biāo)準(zhǔn) 但可以通過組建一些大企業(yè)逐漸形成 顯然 從電氣產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化 系列化帶來的好處可以肯定 無論是對生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)機電一體化單元的企業(yè)還是對生產(chǎn)機電一體化產(chǎn)品的企業(yè) 模塊化將給機電一體化企業(yè)帶來美好的前程 網(wǎng)絡(luò)化20世紀(jì)90年代 計算機技術(shù)等的突出成就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起和飛速發(fā)展給科學(xué)技術(shù) 工業(yè)生產(chǎn) 政治 軍事 教育義舉人么日常生活都帶來了巨大的變革 各種網(wǎng)絡(luò)將全球經(jīng)濟 生產(chǎn)連成一片 企業(yè)間的競爭也將全球化 機電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來 只要其功能獨到 質(zhì)量可靠 很快就會暢銷全球 由于網(wǎng)絡(luò)的普及 基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾 而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本身就是機電一體化產(chǎn)品 現(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術(shù)是家用電器網(wǎng)絡(luò)化已成大勢 利用家庭網(wǎng)絡(luò) Homenet 將各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家電系統(tǒng) ComputerIntegratedApplianceSystem CIAS 使人們在家里分享各種高技術(shù)帶來的便利與快樂 因此 機電一體化產(chǎn)品無疑朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展 微型化微型化興起于20世紀(jì)80年代末 指的是機電一體化向微型機器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢 國外稱其為微電子機械系統(tǒng) MEMS 泛指幾何尺寸不超過1cm3的機電一體化產(chǎn)品 并向微米 納米級發(fā)展 微機電一體化產(chǎn)品體積小 耗能少 運動靈活 在生物醫(yī)療 軍事 信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢 微機電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機械技術(shù) 微機電一體化產(chǎn)品的加工采用精細(xì)加工技術(shù) 即超精密技術(shù) 它包括光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)兩類 綠色化工業(yè)的發(fā)達(dá)給人們生活帶來了巨大變化 一方面 物質(zhì)豐富 生活舒適 另一方面 資源減少 生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重污染 于是 人們呼吁保護環(huán)境資源 回歸自然 綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲下應(yīng)運而生 綠色化是時代的趨勢 綠色產(chǎn)品在其設(shè)計 制造 使用和銷毀的生命過程中 符合特定的環(huán)境保護和人類健康的要求 對生態(tài)環(huán)境無害或危害極少 資源利用率極高 設(shè)計綠色的機電一體化產(chǎn)品 具有遠(yuǎn)大的發(fā)展前途 機電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指 使用時不污染生態(tài)環(huán)境 報廢后能回收利用 系統(tǒng)化系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進一步采用開放式和模式化的總線結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)可以靈活組態(tài) 進行任意剪裁和組合 同時尋求實現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和綜合管理 表現(xiàn)之二是通信功能的大大加強 一般除RS232外 還有RS485 DCS人格化 未來的機電一體化更加注重產(chǎn)品與人的關(guān)系 機電一體化的人格化有兩層含義 一層是 機電一體化產(chǎn)品的最終使用對象是人 如何賦予機電一體化產(chǎn)品人的智能 情感 人性顯得越來越重要 特別是對家用機器人 其高層境界就是人機一體化 另一層是模仿生物機理 研制各種機電一體花產(chǎn)品 事實上 許多機電一體化產(chǎn)品都是受動物的啟發(fā)研制出來的 Themostsignificantwordinthisdefinitionis synergistic 協(xié)同的 Synergy 最佳協(xié)同作用 iswhatcanprevailiftheconstituentpartsofanoveralldesignarechosenoptimallyandworktogethertobringoutthebestineachother Theresultingproductmaybegivenperformancecharacteristicswhichfaroutstripthosepreviouslyattainable Thewhole synergistically isgreater oftenbyordersofmagnitude thanthemeresumoftheparts 1 Whatismechatronics Mechatronicshasbeendefinedas Thesynergisticintegrationofmechanicalengineeringwithelectronicsandintelligentcomputercontrolinthedesignandmanufactureofproductsandprocesses AkeyfeatureofgoodMechatronicsdesignisteamwork Tobeabletogeneratesynergy tilemodemproductdesignteammustbecapableofmakingdesignchoicesfromtheentirerangeofpresentlyavailabletechnologies Laserscanprovidehighlyaccuratemeasurementsforinstrumentationandcontrol piezoelectricmaterialscanbeusedtomakeactuatorsofminiaturesize memoryalloysopenupthepossibilitiesofconstructing smart systemswhichcanmakeintelligentresponsestooperationalcontingencies andfastcheapmicroprocessorsallowtheeasyimplementationofcontrollerswithacomplexityunimaginableonlyafewyearsago TheMechatronicsdesigner whilemaintainingspecialisminoneormoreareas mustatthesametimekeepcontinuouslyincontactwiththewholespectrumoftoday sevolvingtechnology Theintegrationofelectronicengineering electricalengineering computertechnologyandcontrolengineeringwithmechanicalengineeringisincreasinglyformingacrucialpartinthedesign manufactureandmaintenanceofawiderangeofengineeringproductsandprocesses Aconsequenceofthisisthustheneedforengineersandtechnicianstoadoptaninterdisciplinaryandintegratedapproachtoengineering Thetermmechatronicsisusedtodescribethisintegratedsubject Aconsequenceofthisapproachisthatengineersandtechnicansneedskillsandknowledgethatarenotconfinedtoasinglesubjectarea Theyneedtobecapableofoperatingandcommunicatingacrossarangeofengineeringdisciplinesandlinkingwiththosehavingmorespecialisedskills Thislectureisanattempttoprovideabasicbackgroundtomechatronicsandprovidelinksthroughtomorespecialisedskills Considerthemodernauto focus auto exposurecamera Tousethecameraallyouneedtodoispointitatthesubjectandpressthebuttontotakethepicture Thecameraautomaticallyadjuststhefocussothatthesubjectisinfocusandautomaticallyadjuststheapertureandshutterspeedsothatthecorrectexposureisgiven Consideratrucksmartsuspension Suchasuspensionadjuststounevenloadingtomaintainalevelplatform adjuststocornering movingacrossroughground etc tomaintainasmoothride Consideranautomatedproductionline Suchalinemayinvolveanumberofproductionprocesseswhichareallautomaticallycarriedoutinthecorrectsequenceandinthecorrectway Theautomaticcamera thetrucksuspension andtheautomaticproductionlineareexamplesofamarriagebetweenelectroniccontrolsystemsandmechanicalengineering Thetermmechatronicsisusedforthisintegrationofelectronics controlengineeringandmechanicalengineering Inthedesignnowofcars robots machinetools washingmachines cameras andverymanyothermachines suchanintegratedandinterdisciplinaryapproachtoengineeringdesignisincreasinglybeingadopted Theintegrationacrossthetraditionalboundariesofmechanicalengineering electronicsandcontrolengineeringhastooccurattheearlieststagesofthedesignprocessifcheaper morereliable moreflexiblesystemsaretobedeveloped Mechatronicsbringstogetherareasoftechnologyinvolvingsensorsandmeasurementsystems driveandactuationsystems analysisofthebehaviourofsystems controlsystems andmicroprocessorsystems Application 1 MechatronicsinManufacturing2 RoboticAspectsinMechatronics3 SensorsinMechatronics4 ActuatorsinMechatronics5 MechatronicalSystems Modelling Design Safety Reliability 6 AdvancedApproachesinMechatronics 1 MechatronicsinManufacturing CIM Logistics ModellingofamobilegantrycranesystemasabasisforcontrolComputercontrolandstoragelogisticalsystemOndesigningtoolwearmonitoringsystemsusingsupervisedandunsupervisedneuralnetworksMeasurementofhelicalsurfacesinCIM systemProfilingdevicesofgrindingwheelforgeometricallycorrectmanufacturingofhelicoidsurfacesComputeraidedmeasurementtechnicofexperimentsperformedbytoolswithdefinedgeometryThecontroloftensionintextilefilamentwindersCell controllerdesignforaflexiblePCBdrillingstationAdaptivecontrolofservo hydraulicmaterials testingmachinesApracticalsolutionfo