機電一體化緒論 (2)課件

機電一體化系統(tǒng)設計第1章緒論1.1機電一體化基本概念1.2機電一體化發(fā)展概況1.3機電一體化系統(tǒng)的構成1.4機電一體化共性關鍵技術1.5機電一體化系統(tǒng)設計1.6機電一體化對機械工業(yè)的影響1.7機電一體化的發(fā)展1.8本課程要求和主要參考書1.1基本概念機電一體化：在機械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進微電子技術，并將機械裝置與電子裝置用相關軟件有機結合而構成系統(tǒng)的總稱。體現(xiàn)了一體化、柔性化及智能化特征。機電一體化不是機械與電子簡單的疊加，而是在信息論、控制論和系統(tǒng)論的基礎上建立起來的應用技術。機電一體化信息科學機械學電子學機電一體化一般包含機電一體化產品(系統(tǒng))和機電一體化技術兩層含義。典型的機電一體化產品(系統(tǒng))有：數(shù)控機床、機器人、汽車電子化產品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統(tǒng)、CAD／CAM系統(tǒng)等。機電一體化技術的內容

:關鍵技術有：檢測傳感、信息處理、伺服驅動、自動控制、機械和系統(tǒng)總體技術等等。

數(shù)控銑床數(shù)控車床汽車防抱死系統(tǒng)(ABS)1.2發(fā)展概況1.20世紀60年代前為第一階段，“萌芽階段”工程師們自覺或者不自覺地把機械產品和電子技術相結合，以提高機械產品的性能。但是由于電子技術的發(fā)展相對落后，使得機械與電子的結合還沒有得到廣泛的應用。2.70年代到80年代為第二階段，“蓬勃發(fā)展階段”

計算機技術、控制技術、通信技術的發(fā)展，為機電一體化的發(fā)展奠定了技術基礎。這個時期的特點：①日本人把“mechanic”和“electronics”組合在一起發(fā)明了“mechatronics”這個單詞，大約到20世紀80年代末期在世界范圍內得到比較廣泛的承認；②機電一體化技術和產品得到了極大發(fā)展；③各國開始對機電一體化技術和產品給以很大的關注和支持。

1.數(shù)控機床的問世，寫下了“機電一體化”歷史的第一頁。

2.微電子技術為“機電一體化”帶來勃勃生機。

3.可編程序控制器、電力電子等的發(fā)展為“機電一體化”提供了堅強基礎。

4.激光技術、模糊技術、信息技術等新技術使“機電一體化”躍上新臺階。1.3機電一體化系統(tǒng)的構成

位置,速度檢測單元電機機械部件位置,速度反饋CNC數(shù)控機床伺服系統(tǒng)組成1.3機電一體化系統(tǒng)的構成執(zhí)行器控制信息電子控制單元動力源檢測傳感部分機械本體參數(shù)變化信息驅動力能量檢測參數(shù)1、機械本體機身、框架、機械聯(lián)接等產品支持機構，實現(xiàn)構造功能。要求：可靠、小型、美觀、經(jīng)濟2、能源（動力）提供能量，轉換成需要的形式，實現(xiàn)動力功能。要求：效率高、可靠性好、經(jīng)濟1.3機電一體化系統(tǒng)的構成3、檢測傳感裝置（傳感器檢測）檢測產品內部狀態(tài)和外部環(huán)境，實現(xiàn)計測功能。要求：體積小、精度高、抗干擾4、電子控制單元（控制與信息處理）處理、運算、決策，實現(xiàn)控制功能。要求：高可靠性、柔性、智能化1.3機電一體化系統(tǒng)的構成5、執(zhí)行機構（執(zhí)行元件）包括機械傳動與操作機構，接收控制信息，完成要求的動作，實現(xiàn)主功能。要求：高性能、高精度、高效率1、檢測傳感技術作用：感受器官、反饋環(huán)節(jié)。研究對象：傳感器及其信號檢測裝置（包括變送器）要求：能快速、精確地獲得信息并在相應的應用環(huán)境中具有高可靠性。1.4共性關鍵技術2、信息處理技術主要完成信息的交換、存取、運算、判斷和決策等.其主要工具是計算機。傳感器A/D計算機D/A執(zhí)行裝置3、控制技術

關于軟件方面的技術，主要以控制理論為指導，對控制系統(tǒng)設計、仿真、現(xiàn)場調試、可靠運行等。1.4共性關鍵技術4、伺服驅動技術執(zhí)行元件種類：電動、液壓、氣壓

研究對象：執(zhí)行元件及其驅動裝置驅動裝置：各種電動機的驅動電源電路

實現(xiàn)機電一體化產品的主功能和構造功能，影響系統(tǒng)的結構、重量、體積、剛性、可靠性等。

5、機械技術1.4共性關鍵技術1.5機電一體化系統(tǒng)設計一、市場調研二、總體方案設計三、詳細設計四、樣機試制與試驗五、小批量生產六、大批量生產一、市場調研

市場調研包括市場調查和市場預測。所謂市場調查就是運用科學的方法，系統(tǒng)地、全面地收集所設計產品市場需求和經(jīng)銷方面的情況和資料，分析研究產品在供需雙方之間進行轉移的狀況和趨勢，而市場預測就是在市場調查的基礎上，運用科學方法和手段，根據(jù)歷史資料和現(xiàn)狀，通過定性的經(jīng)驗分析或定量的科學計算，對市場未來的不確定因素和條件做出預計、測算和判斷，為產品的方案設計提供依據(jù)。1.5機電一體化系統(tǒng)設計四、樣機試制與試驗

完成產品的詳細設計后，即可進入樣機試制與試驗階段。根據(jù)制造的成本和性能試驗的要求，一般制造幾臺樣機供試驗使用。樣機的試驗分為實驗室試驗和實際工況試驗，通過試驗考核樣機的各種性能指標是否滿足設計要求，考核樣機的可靠性。如果樣機的性能指標和可靠性不滿足設計要求，則要修改設計，重新制造樣機，重新試驗。如果樣機的性能指標和可靠性滿足設計要求，則進入產品的小批量生產階段。1.5機電一體化系統(tǒng)設計五、小批量生產

產品的小批量生產階段實際上是產品的試生產試銷售階段。這一階段的主要任務是跟蹤調查產品在市場上的情況，收集用戶意見，發(fā)現(xiàn)產品在設計和制造方面存在的問題，并反饋給設計、制造和質量控制部門。六、大批量生產

經(jīng)過小批量試生產和試銷售的考核，排除產品設計和制造中存在的各種問題后，即可投入大批量生產。1.5機電一體化系統(tǒng)設計1.6機電一體化對機械工業(yè)的影響

1提高性能、擴展功能

今日的數(shù)控機床充分發(fā)揮計算機的威力，運用時間序列分析和精度創(chuàng)成等理論建立數(shù)學模型。已有可能實時預報包括隨機誤差在內的機床誤差，然后自動校正，從而達到前所未有的精度。采用對阻尼進行預報，一旦接近臨界值時就自動調整切削用量，這又可能出現(xiàn)永不顫振的機床，保證很高的生產率和良好的加工表面。

1.6機電一體化對機械工業(yè)的影響2簡化結構3提高可靠性在提高電子元件質量、可靠性的前提下，機電一體化產品可以提高耐久性，減少故障率。另一方面由于賦予其自動監(jiān)視診斷功能，并采取安全聯(lián)鎖控制，過負荷和失控保護、停電對策，提高了設備的安全可靠性。

1.6機電一體化對機械工業(yè)的影響4節(jié)約能源例如目前我國各類電風扇年產量在200萬臺左右，如每臺電扇的調速器和定時器(原常用電磁機械式)用電子調速器和定時器代替，每臺風扇可節(jié)電約5W以上，全年以用扇100天，每天開扇6h計，則每年可節(jié)約用電量600萬kW·h，還可節(jié)省大批銅材和鋼材。再如傳統(tǒng)的電焊機以電磁原理和手工操作為基礎，即使是一般的自動電焊機，其動作過程也僅為簡單的機械動作和相應的控制。這類電焊機耗能多、效率低、質量不易保證。采用微型機技術后，發(fā)展新穎的電子控制電源以取代傳統(tǒng)的焊接電源，實現(xiàn)焊接電源的節(jié)能、高效、小型化、多樣化。1.6機電一體化對機械工業(yè)的影響5操作改善

傳統(tǒng)的車削數(shù)控車削1.6機電一體化對機械工業(yè)的影響1.7機電一體化的發(fā)展趨勢

1智能化智能化是21世紀機電一體化技術發(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上，吸收人工智能、運籌學、計算機科學、模糊數(shù)學、心理學、生理學和混沌動力學等新思想、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。2模塊化由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多，研制和開發(fā)具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、環(huán)境接口的機電一體化產品單元是一項十分復雜但又是非常重要的事。這需要制定各項標準，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這方面的標準，但可以通過組建一些大企業(yè)逐漸形成。顯然，從電氣產品的標準化、系列化帶來的好處可以肯定，無論是對生產標準機電一體化單元的企業(yè)還是對生產機電一體化產品的企業(yè)，規(guī)?；瘜⒔o機電一體化企業(yè)帶來美好的前程。1.7機電一體化的發(fā)展趨勢3網(wǎng)絡化20世紀90年代，計算機技術的突出成就是網(wǎng)絡技術。機電一體化新產品一旦研制出來，只要其功能獨到，質量可靠，很快就會暢銷全球。由于網(wǎng)絡的普及，基于網(wǎng)絡的各種遠程控制和監(jiān)視技術方興未艾，而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品。因此，機電一體化產品無疑朝著網(wǎng)絡化方向發(fā)展。1.7機電一體化的發(fā)展趨勢4微型化微型化興起于20世紀80年代末，指的是機電一體化向微型機器和微觀領域發(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的機電一體化產品，并向微米、納米級發(fā)展。微機電一體化產品體積小、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，微機電一體化產品的加工采用精細加工技術，即超精密技術，它包括光刻技術和蝕刻技術兩類。1.7機電一體化的發(fā)展趨勢MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)是微機電系統(tǒng)的縮寫。MEMS是美國的叫法，在日本被稱為微機械，在歐洲被稱為微系統(tǒng)。

MEMS主要包括微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)行器和相應的處理電路等幾部分，它是在融合多種微細加工技術，并應用現(xiàn)代信息技術的最新成果的基礎上發(fā)展起來的高科技前沿學科。5系統(tǒng)化系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結構進一步采用開放式和模式化的總線結構。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，RS422，現(xiàn)場總線等等。1.7機電一體化的發(fā)展趨勢1.8