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文檔簡介
1、學習本課程的目的學習本課程的目的本課程的主要內容本課程的主要內容教學方法教學方法現(xiàn)代機械工業(yè)發(fā)展對機械設計類人才的要求現(xiàn)代機械工業(yè)發(fā)展對機械設計類人才的要求學習本課程的作用學習本課程的作用 自從二十世紀中期以來,也就是從自從二十世紀中期以來,也就是從1950年以來,年以來,隨著工業(yè)控制系統(tǒng)、工程材料科學以及計算機技術的隨著工業(yè)控制系統(tǒng)、工程材料科學以及計算機技術的發(fā)展,機械設備的研究重點轉向了大型復雜系統(tǒng)以及發(fā)展,機械設備的研究重點轉向了大型復雜系統(tǒng)以及“三高一化三高一化”的方向上,其特點是各個學科在自身發(fā)的方向上,其特點是各個學科在自身發(fā)展基礎上相互交叉和綜合,由此引起了新學科的產生展基礎上
2、相互交叉和綜合,由此引起了新學科的產生和新技術的進步,這里最明顯的標志是機械科技與微和新技術的進步,這里最明顯的標志是機械科技與微電子技術、計算機技術、信息處理技術的緊密融合,電子技術、計算機技術、信息處理技術的緊密融合,向機電一體化的方向發(fā)展。向機電一體化的方向發(fā)展。 機電一體化的含義機電一體化的含義 機電一體化:機械、電子、計算機、自動控制機電一體化:機械、電子、計算機、自動控制等技術有機結合的綜合技術。等技術有機結合的綜合技術。機電一體化的分類機電一體化的分類 它按照尺寸大小來分:微機電一體化產品和機電它按照尺寸大小來分:微機電一體化產品和機電一體化產品。微機電一體化產品泛指幾何尺寸不超
3、過一體化產品。微機電一體化產品泛指幾何尺寸不超過1cm3的機電一體化產品,最小體積大小的遠期目標的機電一體化產品,最小體積大小的遠期目標向納米、微米范疇定位。向納米、微米范疇定位。 微機電一體化研究的興起,標志著人類對微觀領域探索研微機電一體化研究的興起,標志著人類對微觀領域探索研究邁出了新的一步,早在究邁出了新的一步,早在1987年,美國加利福尼亞大學伯克年,美國加利福尼亞大學伯克利分校兩名中國留學生采用單晶硅制成了轉子直徑利分校兩名中國留學生采用單晶硅制成了轉子直徑150微米的微米的微型電機,在全世界引起轟動,并因此奠定了微電子機械這微型電機,在全世界引起轟動,并因此奠定了微電子機械這門學
4、科。我國從門學科。我國從1990年開始,微機電一體化研究從早期的單年開始,微機電一體化研究從早期的單件靜止產品,繼而向單件可動型產品發(fā)展。件靜止產品,繼而向單件可動型產品發(fā)展。 單件靜止產品:微機電一體化的靜止產品有各類微型滑塊、單件靜止產品:微機電一體化的靜止產品有各類微型滑塊、微型氣缸、微型渦輪、微型剪刀、分子扳手、分子夾具、微微型氣缸、微型渦輪、微型剪刀、分子扳手、分子夾具、微光學器件、微型通道冷卻器,微齒輪機件、微型傳感器、微光學器件、微型通道冷卻器,微齒輪機件、微型傳感器、微接口器件。其中上海交大研制成功的微型攝子控制精度小于接口器件。其中上海交大研制成功的微型攝子控制精度小于1微米
5、,可攝取分子團。微金屬齒輪直徑只有微米,可攝取分子團。微金屬齒輪直徑只有100微米,微型微米,微型彈簧長度僅有彈簧長度僅有45微米。微米。單件可動產品:有各種組件式微型閥門,微型開關、微機械泵、毫米單件可動產品:有各種組件式微型閥門,微型開關、微機械泵、毫米級鐘表機械和空氣透平。一張普通郵票大小的面積可容納級鐘表機械和空氣透平。一張普通郵票大小的面積可容納6萬件齒輪及萬件齒輪及其它活動裝置,其中微型軸承直徑其它活動裝置,其中微型軸承直徑0.06mm,金屬微靜電馬達,轉子直,金屬微靜電馬達,轉子直徑徑100微米。微米。整機動能產品:有各類機電一體化醫(yī)療產品,微機電數(shù)控裝置、智能整機動能產品:有各
6、類機電一體化醫(yī)療產品,微機電數(shù)控裝置、智能檢測裝置、仿生產品和食品加工產品,其中微型機器人也是攻堅產品。檢測裝置、仿生產品和食品加工產品,其中微型機器人也是攻堅產品。據(jù)報道,世界上現(xiàn)今最小的機器人由日本精工愛普生公司推出,外形尺據(jù)報道,世界上現(xiàn)今最小的機器人由日本精工愛普生公司推出,外形尺寸寸10.3mm*8.5mm*8.6mm,體積為,體積為0.5cm3,重量為,重量為3.5克,小小機器人克,小小機器人配有超微型驅動芯片,其眼部裝有光傳感器,體內由配有超微型驅動芯片,其眼部裝有光傳感器,體內由98個微型機械元件個微型機械元件組成,當它受到光照后,會象蟲子一樣以組成,當它受到光照后,會象蟲子一
7、樣以2.116.8mm/s的速度向著光源的速度向著光源方向爬行。方向爬行。2007年年7月月20日,在日本首都東京,日本一玩日,在日本首都東京,日本一玩具公司的職員操作該公司推出的人形步行機器具公司的職員操作該公司推出的人形步行機器人人i-SOBOT。該機器人在中國東莞生產,身高該機器人在中國東莞生產,身高16.5厘米,重厘米,重約約350克,可行走,跳舞,接收克,可行走,跳舞,接收10種語言的命令,種語言的命令,做出做出200多種動作,說出約多種動作,說出約180個短語,搭載有個短語,搭載有約約90種背景音樂,并于種背景音樂,并于2007年年6月被吉尼斯世界月被吉尼斯世界紀錄認定為目前世界上
8、最小的量產化人形步行紀錄認定為目前世界上最小的量產化人形步行機器人。機器人。l世界上最小的機器人世界上最小的機器人 一大群被遙控的蟑螂般大小的機器坦克,蜂擁著一大群被遙控的蟑螂般大小的機器坦克,蜂擁著從下水管道和通風口進入一幢辦公樓,你能想象出這樣的情景嗎?只從下水管道和通風口進入一幢辦公樓,你能想象出這樣的情景嗎?只要給它們安裝上合適的傳感器、攝像頭和通訊裝置,這些微型坦克就要給它們安裝上合適的傳感器、攝像頭和通訊裝置,這些微型坦克就可以在人類難以親臨的地方搜尋出化學武器、地雷或是炸彈。它們也可以在人類難以親臨的地方搜尋出化學武器、地雷或是炸彈。它們也可被用來尋找某一場事故后的幸存者或者跟蹤
9、人的活動??杀挥脕韺ふ夷骋粓鍪鹿屎蟮男掖嬲呋蛘吒櫲说幕顒?。l 這些構想很可能將變成現(xiàn)實,而這一切都要歸功于美國桑迪亞國這些構想很可能將變成現(xiàn)實,而這一切都要歸功于美國桑迪亞國家實驗室的埃德家實驗室的埃德海勒和他的同事們。這個研究小組最近向人們展示了海勒和他的同事們。這個研究小組最近向人們展示了可能是迄今為止世界上最小的機器人,他們說它可能是迄今為止世界上最小的機器人,他們說它“可以在五分的硬幣可以在五分的硬幣上???,而在一角的硬幣上轉彎。這種機器人是桑迪亞實驗室研制的上???,而在一角的硬幣上轉彎。這種機器人是桑迪亞實驗室研制的微型機器人系列中最新的。為了使它比它的前輩們更小,科學家們采微型機
10、器人系列中最新的。為了使它比它的前輩們更小,科學家們采取了一種新的技術來把各種電子元件組裝在一起,這包括重新設計輪取了一種新的技術來把各種電子元件組裝在一起,這包括重新設計輪子和使用不同的機身材料。這樣造出的機器人體積只有四分之一立方子和使用不同的機身材料。這樣造出的機器人體積只有四分之一立方英寸,重量也不超過一盎司。英寸,重量也不超過一盎司。 l 由于采用了像坦克一樣的履帶,所以機器人的兩側各配有一個馬由于采用了像坦克一樣的履帶,所以機器人的兩側各配有一個馬達,由三粒鈕扣電池供電,以便它能自由移動。它還裝有一個帶達,由三粒鈕扣電池供電,以便它能自由移動。它還裝有一個帶8K只只讀內存的處理器和
11、一只溫度傳感器,這也是它與眾不同之處。在測試讀內存的處理器和一只溫度傳感器,這也是它與眾不同之處。在測試中,這種微型機器人以每分鐘大約中,這種微型機器人以每分鐘大約20英寸的速度,成功的在遙控下通英寸的速度,成功的在遙控下通過了用零錢搭起的障礙路段??茖W家們還計劃進一步提高它的性能,過了用零錢搭起的障礙路段??茖W家們還計劃進一步提高它的性能,比如考慮為它安上微型的攝像頭、麥克風、通訊裝置和微型化學物質比如考慮為它安上微型的攝像頭、麥克風、通訊裝置和微型化學物質感應器。感應器。 l機器人直徑機器人直徑1毫米、長毫米、長4毫米,體形是目前世界上最小的。毫米,體形是目前世界上最小的。這種機器人可以進
12、入人的血管并將藥物送往人體各處。這種機器人可以進入人的血管并將藥物送往人體各處。這種機器人在血管中運動時是在這種機器人在血管中運動時是在“爬行爬行”而不是在而不是在“游游泳泳”,這也讓它在血管中的運動更容易控制。,這也讓它在血管中的運動更容易控制。l機器人自身并不攜帶電池,其動力來源于外部磁場激發(fā)機器人自身并不攜帶電池,其動力來源于外部磁場激發(fā)的振動。正因為其能量全部來自外部,這種機器人不僅的振動。正因為其能量全部來自外部,這種機器人不僅能夠在人的控制下無時限地在人體內工作,而且這樣的能夠在人的控制下無時限地在人體內工作,而且這樣的設計還讓科學家得以最大限度縮小機器人的尺寸。設計還讓科學家得以
13、最大限度縮小機器人的尺寸。 l在微創(chuàng)手術以及治療癌癥用的近接療法中,這種機器人在微創(chuàng)手術以及治療癌癥用的近接療法中,這種機器人可以作為投送藥物的工具,解決如何將藥物精確施于需可以作為投送藥物的工具,解決如何將藥物精確施于需要治療部位的問題。要治療部位的問題。 l美國:迄今最小的機器人蒼蠅首次試飛美國:迄今最小的機器人蒼蠅首次試飛 l2002年年11月,美國加州大學伯克利分校的科學家們宣稱,他們已月,美國加州大學伯克利分校的科學家們宣稱,他們已經利用仿生學原理制造出了世界上第一只能飛翔的經利用仿生學原理制造出了世界上第一只能飛翔的“機器蠅機器蠅”。蒼蠅個頭雖小,卻能以蒼蠅個頭雖小,卻能以40公里
14、的時速飛行;如果發(fā)現(xiàn)情況,公里的時速飛行;如果發(fā)現(xiàn)情況,能在能在3秒的瞬間迅速起飛;蒼蠅飛行一整天卻只消耗食物秒的瞬間迅速起飛;蒼蠅飛行一整天卻只消耗食物1/10克???。加州大學伯克利分校的一位生物學家說:加州大學伯克利分校的一位生物學家說:“蒼蠅在所有飛蟲中,蒼蠅在所有飛蟲中,飛行最穩(wěn)定,機動性能最佳的。在動物世界,蒼蠅就是噴氣式戰(zhàn)飛行最穩(wěn)定,機動性能最佳的。在動物世界,蒼蠅就是噴氣式戰(zhàn)斗機。斗機?!眑加州大學展示的這只機器蠅名叫加州大學展示的這只機器蠅名叫“黑寡婦黑寡婦”,重量只有,重量只有100毫克,毫克,身高不到身高不到3厘米。該項目負責人馬特厘米。該項目負責人馬特金儂介紹說:金儂介紹
15、說:“它在它在100米上米上空飛行,人們用肉眼幾乎發(fā)現(xiàn)不了它,而它卻可以拍出極為清晰空飛行,人們用肉眼幾乎發(fā)現(xiàn)不了它,而它卻可以拍出極為清晰的照片傳回。的照片傳回?!辈贿^科學家表示,目前這只機器蠅飛得太快,不不過科學家表示,目前這只機器蠅飛得太快,不能自行控制方向。而他們理想中的機器蠅則應該飛得快慢自如,能自行控制方向。而他們理想中的機器蠅則應該飛得快慢自如,可以隨時變換方向,而且會自行判斷周圍情況,躲在不為人知的可以隨時變換方向,而且會自行判斷周圍情況,躲在不為人知的角落。角落。lMEMS技術的應用范圍廣泛,技術的應用范圍廣泛,MEMS技術是一種典型技術是一種典型的多學科交叉的前沿研究領域,
16、幾乎涉及到自然科學的多學科交叉的前沿研究領域,幾乎涉及到自然科學及工程技術的所有領域,如電子技術、機械技術、物及工程技術的所有領域,如電子技術、機械技術、物理學、化學、生物醫(yī)學、材料科學和能源科學等。與理學、化學、生物醫(yī)學、材料科學和能源科學等。與不同的技術結合,往往便會產生一種新型的不同的技術結合,往往便會產生一種新型的MEMS 器器件。件。l目前,除了進行信號處理的集成電路部件以外,微機電系統(tǒng)的應用目前,除了進行信號處理的集成電路部件以外,微機電系統(tǒng)的應用主要有以下幾大類:主要有以下幾大類:(1)微傳感器。)微傳感器。 傳感器是應用最廣泛也是最成熟的傳感器是應用最廣泛也是最成熟的MEMS,
17、包括敏感和檢測力,包括敏感和檢測力學量、磁學量、熱學量、化學量和生物量等的傳感器。每一類又可學量、磁學量、熱學量、化學量和生物量等的傳感器。每一類又可以細分為多種,例如微加速度計等傳感器。以細分為多種,例如微加速度計等傳感器。 (2)微執(zhí)行器。)微執(zhí)行器。 主要包括微電機、微陀螺、微泵、微進給裝置等主要包括微電機、微陀螺、微泵、微進給裝置等 (3)微型構件。)微型構件。 三維微型構件主要包括微膜、微梁、微探針、微齒輪、微彈簧、三維微型構件主要包括微膜、微梁、微探針、微齒輪、微彈簧、微腔、微溝道、微錐體、微軸、微連桿等。微腔、微溝道、微錐體、微軸、微連桿等。 l4)微機械光學器件。)微機械光學器
18、件。 即利用即利用MEMS技術制作的光學元件及器件,主要有微鏡陣列、微光掃描器、微技術制作的光學元件及器件,主要有微鏡陣列、微光掃描器、微光閥、微斬光器、微干涉儀、微光開關、微可變焦透鏡、微外腔激光器、光編碼器光閥、微斬光器、微干涉儀、微光開關、微可變焦透鏡、微外腔激光器、光編碼器等。等。 (5)真空微電子器件。)真空微電子器件。 它是微電子技術、它是微電子技術、MEMS技術和真空電子學發(fā)展的產物,具有極快的開關速度、技術和真空電子學發(fā)展的產物,具有極快的開關速度、非常好的抗輻照能力和極佳的溫度特性。目前主要應用如場發(fā)射顯示器、場發(fā)射照非常好的抗輻照能力和極佳的溫度特性。目前主要應用如場發(fā)射顯
19、示器、場發(fā)射照明器件、真空微電子毫米波器件、真空微電子傳感器等。明器件、真空微電子毫米波器件、真空微電子傳感器等。 (6)電力電子器件。)電力電子器件。 主要包括主要包括MEMS技術制作的垂直導電型技術制作的垂直導電型MOS(VMOS)器件、)器件、V型槽垂直導電型槽垂直導電型型MOS(VVMOS)器件等各類高壓大電流器件)器件等各類高壓大電流器件(7)微小型機器人。)微小型機器人。 微機電一體化的應用前景還有,在生物醫(yī)療中,將帶有特種傳感微機電一體化的應用前景還有,在生物醫(yī)療中,將帶有特種傳感器的微型機器人,用口服或皮下注射法送入人體,就可把體內的五臟器的微型機器人,用口服或皮下注射法送入人
20、體,就可把體內的五臟六腑進行直接有效的監(jiān)測,進行體內攝像及電視圖像傳遞。在食品加六腑進行直接有效的監(jiān)測,進行體內攝像及電視圖像傳遞。在食品加工中把微型機器人放入魚體,可把魚體上骨頭全面清除。工中把微型機器人放入魚體,可把魚體上骨頭全面清除。 以上介紹了微機電一體化產品信息,大家可能會問:這么小的產以上介紹了微機電一體化產品信息,大家可能會問:這么小的產品是如何加工出來的?這主要是靠微機械制造技術,微機械制造技術品是如何加工出來的?這主要是靠微機械制造技術,微機械制造技術并不是簡單地將大尺寸的機械按比例縮小。它是具有創(chuàng)新內涵的機械并不是簡單地將大尺寸的機械按比例縮小。它是具有創(chuàng)新內涵的機械加工尖
21、端技術,它超越傳統(tǒng)機械領域,其加工工藝與傳統(tǒng)的機械加工加工尖端技術,它超越傳統(tǒng)機械領域,其加工工藝與傳統(tǒng)的機械加工截然不同,傳統(tǒng)的機械加工采用車、鉗、銑等加工手段,而微型機械截然不同,傳統(tǒng)的機械加工采用車、鉗、銑等加工手段,而微型機械本體的制造必須采用高精度特殊加工,其特點和要求有:本體的制造必須采用高精度特殊加工,其特點和要求有:特種材料特種材料 微機械加工機理基于從半導體集成電路微細加工工藝中發(fā)展起來的平面微機械加工機理基于從半導體集成電路微細加工工藝中發(fā)展起來的平面加工技術和三維立體加工技術。其加工用材主要有各種硅體(單晶硅、多晶加工技術和三維立體加工技術。其加工用材主要有各種硅體(單晶
22、硅、多晶硅)、石英、金剛石、壓電陶瓷、記憶合金和稀有金屬等。硅)、石英、金剛石、壓電陶瓷、記憶合金和稀有金屬等?;准苫准?微機械裝置經加工后和微電子電路集成,如:把微電子芯片、微型傳感微機械裝置經加工后和微電子電路集成,如:把微電子芯片、微型傳感器、微接口裝置和微型執(zhí)行機構等都集成作在一微小機板上,實現(xiàn)機電一體器、微接口裝置和微型執(zhí)行機構等都集成作在一微小機板上,實現(xiàn)機電一體化。化。特殊工藝特殊工藝 采用超精密技術,它包括光刻技術和刻蝕技術兩大部分,其中光刻技術采用超精密技術,它包括光刻技術和刻蝕技術兩大部分,其中光刻技術是微細加工技術的核心,通常采用聚焦是微細加工技術的核心,通常采用
23、聚焦X射線集束射在覆有抗涂層的加工硅射線集束射在覆有抗涂層的加工硅基表面,經爆光生成微機械零部件的幾何外形。然后再腐蝕成型、淀積外延、基表面,經爆光生成微機械零部件的幾何外形。然后再腐蝕成型、淀積外延、鏈合連接等手段加工。此外,在微型機械特殊加工還有電子束、電火花、激鏈合連接等手段加工。此外,在微型機械特殊加工還有電子束、電火花、激光技術等。光技術等。機電一體化的共性關鍵技術機電一體化的共性關鍵技術檢測傳感技術檢測傳感技術信息處理技術信息處理技術自動控制技術自動控制技術伺服驅動技術伺服驅動技術精密機械技術精密機械技術系統(tǒng)總體技術系統(tǒng)總體技術檢測傳感技術檢測傳感技術 檢測傳感器的檢測對象有溫度、
24、壓力、位移、速度、加速檢測傳感器的檢測對象有溫度、壓力、位移、速度、加速度、力和力矩等物理量及物品的幾何參數(shù)等,其檢測精度的高度、力和力矩等物理量及物品的幾何參數(shù)等,其檢測精度的高低直接影響到機電一體化產品的性能好壞。因此,要求檢測傳低直接影響到機電一體化產品的性能好壞。因此,要求檢測傳感器具有高精度、高靈敏度和高可靠性。需研究的問題有:感器具有高精度、高靈敏度和高可靠性。需研究的問題有:(1)提高各種敏感材料和元件的靈敏度及可靠度;)提高各種敏感材料和元件的靈敏度及可靠度;(2)改進傳感器結構,開發(fā)溫度與濕度、視覺與觸覺同時存)改進傳感器結構,開發(fā)溫度與濕度、視覺與觸覺同時存在的復合傳感器等
25、;在的復合傳感器等;(3)研究在線檢測技術,提高抗干擾能力;)研究在線檢測技術,提高抗干擾能力;(4)研究具有自動診斷與自動補償功能的傳感器等。)研究具有自動診斷與自動補償功能的傳感器等。 包括信息的輸入、變換、運算、存儲和輸出技術。信息包括信息的輸入、變換、運算、存儲和輸出技術。信息處理的硬件包括輸入處理的硬件包括輸入/輸出設備、顯示器、磁盤、計算機、可輸出設備、顯示器、磁盤、計算機、可編程控制器和數(shù)控裝置等。信息處理是否正確及時,直接影編程控制器和數(shù)控裝置等。信息處理是否正確及時,直接影響機電一體化產品的效率和質量,因而成為機電一體化產品響機電一體化產品的效率和質量,因而成為機電一體化產品
26、的關鍵技術。的關鍵技術。 信息處理技術信息處理技術 需研究的問題有需研究的問題有(1)提高大規(guī)模集成電路(包括微機芯片和專用集成電路)的制造工藝)提高大規(guī)模集成電路(包括微機芯片和專用集成電路)的制造工藝水平,保證產品的可靠性,降低成本;水平,保證產品的可靠性,降低成本;(2)提高)提高I/O、A/D、D/A轉換的速度和可靠性;轉換的速度和可靠性;(3)開發(fā)高速處理技術(如開發(fā)高速運算的微處理器和高速處理圖像技)開發(fā)高速處理技術(如開發(fā)高速運算的微處理器和高速處理圖像技術);術);(4)通信與傳遞(包括聯(lián)機、信道分配、傳遞速率等);)通信與傳遞(包括聯(lián)機、信道分配、傳遞速率等);(5)加速軟盤
27、機、可編程控制器、微機的標準化,提高維修性;)加速軟盤機、可編程控制器、微機的標準化,提高維修性;(6)在信息處理部分加上自動診斷功能,在人機接口設備上,利用聲音)在信息處理部分加上自動診斷功能,在人機接口設備上,利用聲音或圖像識別等方式實現(xiàn)信息處理的智能化,柔性自動化仿真技術。或圖像識別等方式實現(xiàn)信息處理的智能化,柔性自動化仿真技術。自動控制技術自動控制技術 包括高精度定位控制、速度控制、自適應控制、自診斷、包括高精度定位控制、速度控制、自適應控制、自診斷、校正、補償、再現(xiàn)、檢索等技術。這些都是機電一體化技術校正、補償、再現(xiàn)、檢索等技術。這些都是機電一體化技術中十分重要的關鍵技術。其技術難點
28、是現(xiàn)代控制理論的工程中十分重要的關鍵技術。其技術難點是現(xiàn)代控制理論的工程化與實用化,以及優(yōu)化控制模型的建立等。需研究的問題有:化與實用化,以及優(yōu)化控制模型的建立等。需研究的問題有:(1)多功能、全功能數(shù)控技術與裝置(包括多軸聯(lián)動)多功能、全功能數(shù)控技術與裝置(包括多軸聯(lián)動CNC等);等);(2)分級控制系統(tǒng);)分級控制系統(tǒng);(3)復雜控制系統(tǒng)的模擬仿真;)復雜控制系統(tǒng)的模擬仿真;(4)智能控制技術;)智能控制技術;(5)自診斷監(jiān)控技術及容錯技術等。)自診斷監(jiān)控技術及容錯技術等。伺服驅動技術伺服驅動技術 伺服驅動技術主要是執(zhí)行元件中的一些技術問題伺服驅動技術主要是執(zhí)行元件中的一些技術問題,,伺服
29、驅動包括電動、,伺服驅動包括電動、氣動、液動等各種類型。伺服驅動技術對產品質量產生直接影響。氣動、液動等各種類型。伺服驅動技術對產品質量產生直接影響。 在機電一體化產品(系統(tǒng))中,對機電轉換部件,如電磁螺旋管、電在機電一體化產品(系統(tǒng))中,對機電轉換部件,如電磁螺旋管、電動機、液壓馬達等執(zhí)行元件的精度要求更高、可靠性更好,響應速度更快;動機、液壓馬達等執(zhí)行元件的精度要求更高、可靠性更好,響應速度更快;對直流伺服電動機,要求控制性能更好(高分辨率、高靈敏度)、速度和對直流伺服電動機,要求控制性能更好(高分辨率、高靈敏度)、速度和扭矩特性更穩(wěn)定,交流調速系統(tǒng)的難點在于變頻調速、電子逆變技術、矢扭矩
30、特性更穩(wěn)定,交流調速系統(tǒng)的難點在于變頻調速、電子逆變技術、矢量變換技術等。氣動和液動中,各元件都存在提高性能、可靠性、標準化量變換技術等。氣動和液動中,各元件都存在提高性能、可靠性、標準化以及減輕重量、小型化等方面的問題。以及減輕重量、小型化等方面的問題。 此外,希望執(zhí)行元件滿足小型、重量輕和輸出功率大等三個方面的要此外,希望執(zhí)行元件滿足小型、重量輕和輸出功率大等三個方面的要求,以及提高其對環(huán)境的適應性和可靠性。求,以及提高其對環(huán)境的適應性和可靠性。 研究的問題研究的問題(1)提高機電轉換部件的精度、可靠性及快速響應性;)提高機電轉換部件的精度、可靠性及快速響應性;(2)提高直流伺服電機的性能
31、(高分辨率、高靈敏度);)提高直流伺服電機的性能(高分辨率、高靈敏度);(3)對交流調速系統(tǒng)的研究(包括變頻調速、電子逆變、矢)對交流調速系統(tǒng)的研究(包括變頻調速、電子逆變、矢量控制等技術);量控制等技術);(4)大功率晶體管()大功率晶體管(GTR)和晶閘管()和晶閘管(SCR、GTO)等功)等功率器件的研制;率器件的研制;(5)中、小慣量伺服電動機的研制;)中、小慣量伺服電動機的研制;(6)伺服驅動技術;)伺服驅動技術;(7)微型電磁離合器的研制等。)微型電磁離合器的研制等。精密機械技術精密機械技術 機電一體化產品對精密機械提出新的要求:減輕重量、機電一體化產品對精密機械提出新的要求:減輕
32、重量、縮小體積、提高精度、提高剛度、改善動態(tài)性能等。減輕重縮小體積、提高精度、提高剛度、改善動態(tài)性能等。減輕重量、縮小體積不能降低機械的剛度,除考慮靜態(tài)、動態(tài)的剛量、縮小體積不能降低機械的剛度,除考慮靜態(tài)、動態(tài)的剛度及熱變形的問題外,還要提高導軌面的剛度。因此,在設度及熱變形的問題外,還要提高導軌面的剛度。因此,在設計時,要考慮采用新型復合材料和新型結構。為便于維修,計時,要考慮采用新型復合材料和新型結構。為便于維修,要使零件模塊化、標準化、規(guī)格化。要使零件模塊化、標準化、規(guī)格化。精密機械技術精密機械技術 需研究的問題有需研究的問題有(1)研究機械零部件的靜態(tài)、動態(tài)剛性和熱變形問題(既要求重量
33、輕、)研究機械零部件的靜態(tài)、動態(tài)剛性和熱變形問題(既要求重量輕、體積小、又要求剛性好。如對結構進行優(yōu)化設計、采用新型復合材料等);體積小、又要求剛性好。如對結構進行優(yōu)化設計、采用新型復合材料等);(2)提高關鍵零部件的精度(包括高精度導軌、精密滾珠絲杠、高精度)提高關鍵零部件的精度(包括高精度導軌、精密滾珠絲杠、高精度主軸軸承和高精度齒輪等)并使之能批量生產,提高可靠性、降低成本;主軸軸承和高精度齒輪等)并使之能批量生產,提高可靠性、降低成本;(3)超精加工與精密測量技術;)超精加工與精密測量技術;(4)提高刀具、磨具質量,改進材質(高性能、超硬、復合刀具材料的)提高刀具、磨具質量,改進材質(
34、高性能、超硬、復合刀具材料的開發(fā)和生產等);開發(fā)和生產等);(5)摩擦、磨損與潤滑問題;)摩擦、磨損與潤滑問題;(6)零部件的模塊化、標準經、規(guī)格化(提高互換性、保證維修方便)。)零部件的模塊化、標準經、規(guī)格化(提高互換性、保證維修方便)。系統(tǒng)總體技術系統(tǒng)總體技術 系統(tǒng)總體技術是一種從整體目標出發(fā),用系統(tǒng)的觀點和系統(tǒng)總體技術是一種從整體目標出發(fā),用系統(tǒng)的觀點和方法,將總體分解成若干功能單元,找出能完成各個功能的方法,將總體分解成若干功能單元,找出能完成各個功能的技術方案,再把功能與技術方案組合成方案組進行分析、評技術方案,再把功能與技術方案組合成方案組進行分析、評價和優(yōu)選的綜合應用技術。系統(tǒng)總
35、體技術包括的內容很多,價和優(yōu)選的綜合應用技術。系統(tǒng)總體技術包括的內容很多,例如接插件、接口轉換、軟件開發(fā)、微機應用技術、控制系例如接插件、接口轉換、軟件開發(fā)、微機應用技術、控制系統(tǒng)的成套性和成套設備自動化技術等。即使各個部分的性能、統(tǒng)的成套性和成套設備自動化技術等。即使各個部分的性能、可靠性都很好,如果整個系統(tǒng)不能很好協(xié)調,系統(tǒng)與產品也可靠性都很好,如果整個系統(tǒng)不能很好協(xié)調,系統(tǒng)與產品也難保證正常運行。難保證正常運行。系統(tǒng)總體技術系統(tǒng)總體技術 需要研究的問題:需要研究的問題:(1)軟件開發(fā)與應用技術,包括過程參數(shù)應用軟件,實適時)軟件開發(fā)與應用技術,包括過程參數(shù)應用軟件,實適時精度補償軟件,精
36、度補償軟件,CAD/CAM及及FMS軟件,各種專用語言(如軟件,各種專用語言(如機器人語言),實時控制語言,人機器人語言),實時控制語言,人機對話編程技術,專用機對話編程技術,專用數(shù)據(jù)庫的建立等;數(shù)據(jù)庫的建立等;(2)研究接插件技術,提高可靠性;)研究接插件技術,提高可靠性;(3)通用接口和數(shù)據(jù)總線標準化;)通用接口和數(shù)據(jù)總線標準化;(4)控制系統(tǒng)成套性和成套設備自動化;)控制系統(tǒng)成套性和成套設備自動化;(5)系統(tǒng)的標準化問題等。)系統(tǒng)的標準化問題等。機機電電一一體體化化優(yōu)優(yōu)先先發(fā)發(fā)展展領領域域及及條條件件 機械工業(yè)實現(xiàn)信息化、柔性化和智能化已迫在眉睫,各種機械工業(yè)實現(xiàn)信息化、柔性化和智能化已
37、迫在眉睫,各種自動化控制技術和智能化機器的廣泛應用已經成為現(xiàn)代機械工自動化控制技術和智能化機器的廣泛應用已經成為現(xiàn)代機械工業(yè)發(fā)展的一種必然趨勢,現(xiàn)在不僅對傳統(tǒng)機械工業(yè)的高、大、業(yè)發(fā)展的一種必然趨勢,現(xiàn)在不僅對傳統(tǒng)機械工業(yè)的高、大、精、尖設備的生產離不開機電一體化技術,成套機械設備的自精、尖設備的生產離不開機電一體化技術,成套機械設備的自動化、柔性化離不開機電一體化技術,而且就是對已有的關鍵動化、柔性化離不開機電一體化技術,而且就是對已有的關鍵的機械設備的更新和改造也離不開機電一體化技術。的機械設備的更新和改造也離不開機電一體化技術。 由此可見:機電一體化技術已成為實現(xiàn)機械工業(yè)高效、自由此可見:
38、機電一體化技術已成為實現(xiàn)機械工業(yè)高效、自動化和柔性化的關鍵所在。動化和柔性化的關鍵所在。 目前由于國際上機電一體化產品的大量涌現(xiàn),這就使得目前由于國際上機電一體化產品的大量涌現(xiàn),這就使得了機械產品的性能發(fā)生了質的飛躍,從而也使人機關系發(fā)生了機械產品的性能發(fā)生了質的飛躍,從而也使人機關系發(fā)生了根本性的變化。機械設備由原來的功能單一主要靠人工操了根本性的變化。機械設備由原來的功能單一主要靠人工操作已經發(fā)展到了現(xiàn)在能夠自動檢測有關參數(shù)、自動進行數(shù)據(jù)作已經發(fā)展到了現(xiàn)在能夠自動檢測有關參數(shù)、自動進行數(shù)據(jù)處理、自動顯示、自動保護、故障診斷以及自行調節(jié)和自動處理、自動顯示、自動保護、故障診斷以及自行調節(jié)和自
39、動控制等多功能和全自動的操作??刂频榷喙δ芎腿詣拥牟僮?。 因此,這就對于我們這些從事機械設備設計的工程技術因此,這就對于我們這些從事機械設備設計的工程技術人員提出了更高的要求,除了具備機械結構設計這一基本的人員提出了更高的要求,除了具備機械結構設計這一基本的技能外,還必須要對機電一體化的一些共性關鍵技術,如檢技能外,還必須要對機電一體化的一些共性關鍵技術,如檢測傳感技術、信息處理技術、自動控制技術、伺服傳動技術、測傳感技術、信息處理技術、自動控制技術、伺服傳動技術、精密機械技術、系統(tǒng)總體技術等有所了解。也就是說,在某精密機械技術、系統(tǒng)總體技術等有所了解。也就是說,在某種條件下,機械設備的電氣
40、設計和電氣安裝等工作應該由機種條件下,機械設備的電氣設計和電氣安裝等工作應該由機械設計人員來完成,換句話說:我們從事機械設備設計人員械設計人員來完成,換句話說:我們從事機械設備設計人員應成為機電一體化的人才。因此,我們的這門課程是在這樣應成為機電一體化的人才。因此,我們的這門課程是在這樣的背景下開設的。的背景下開設的。傳統(tǒng)觀點傳統(tǒng)觀點 機電系統(tǒng)就是指以電動機(交流電機、直流電機)為原動機,通過傳機電系統(tǒng)就是指以電動機(交流電機、直流電機)為原動機,通過傳動機構帶動工作機構(或執(zhí)行機構)完成一定生產任務的系統(tǒng)。動機構帶動工作機構(或執(zhí)行機構)完成一定生產任務的系統(tǒng)。現(xiàn)代觀點現(xiàn)代觀點 它是指系統(tǒng)中
41、的動力部分是電氣的,經過電氣系統(tǒng)與工藝過程或被控它是指系統(tǒng)中的動力部分是電氣的,經過電氣系統(tǒng)與工藝過程或被控對象相聯(lián)系的是機械。機械與電氣動力相結合的系統(tǒng)是機電系統(tǒng)。當這一對象相聯(lián)系的是機械。機械與電氣動力相結合的系統(tǒng)是機電系統(tǒng)。當這一系統(tǒng)中融合了檢測顯示、自動控制等技術后自然成為了機電一體化系統(tǒng)。系統(tǒng)中融合了檢測顯示、自動控制等技術后自然成為了機電一體化系統(tǒng)。 因此,從廣泛的意義上說,現(xiàn)代的機電系統(tǒng),必然將是一個機電因此,從廣泛的意義上說,現(xiàn)代的機電系統(tǒng),必然將是一個機電一體化系統(tǒng),現(xiàn)代的機電產品也應該成為機電一體化產品。一體化系統(tǒng),現(xiàn)代的機電產品也應該成為機電一體化產品。機電一體化的含義、
42、機電一體化技術及機電一體化產品的基本概念和機電一體化的含義、機電一體化技術及機電一體化產品的基本概念和組成組成。機械系統(tǒng)設計機械系統(tǒng)設計機械系統(tǒng)構成、傳動機構及執(zhí)行機械的選型與設計和機械結構設計與分析機電系統(tǒng)的動態(tài)模型及傳遞函數(shù)機電系統(tǒng)的動態(tài)模型及傳遞函數(shù) 如何繪制機電系統(tǒng)原理圖?如何建立機電系統(tǒng)動力學方程及傳遞函數(shù)等。機電傳動控制系統(tǒng)設計機電傳動控制系統(tǒng)設計 檢測傳感知識檢測傳感知識 人機與機電接口知識人機與機電接口知識 連續(xù)性生產系統(tǒng)的計算機控制連續(xù)性生產系統(tǒng)的計算機控制 電液伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析與仿真電液伺服系統(tǒng)的動態(tài)分析與仿真 液壓伺服控制系統(tǒng)的動態(tài)分析與仿真,重點研究動態(tài)分析與仿真的意義方法、模型建立、基于MATLAB仿真工具箱SIMULINK的實現(xiàn)和實際科研例子。 機電傳動也
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