機(jī)電一體化技術(shù)-西安建筑科技大學(xué)

機(jī)電一體化技術(shù)南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院重點課程第一章概論?1.1機(jī)電一體化基本概念?1.2機(jī)電一體化發(fā)展概況?1.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成?1.4機(jī)電一體化共性關(guān)鍵技術(shù)?1.5機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計?1.6機(jī)電一體化對機(jī)械工業(yè)的影響?1.7機(jī)電一體化的發(fā)展1.1基本概念?機(jī)電一體化技術(shù)：從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，將機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)等在系統(tǒng)工程基礎(chǔ)上有機(jī)地加以綜合，以實現(xiàn)整個系統(tǒng)最佳化的一門新科學(xué)技術(shù)。?

機(jī)電一體化不是機(jī)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(chǔ)上建立起來的應(yīng)用技術(shù)機(jī)電一體化信息科學(xué)機(jī)械學(xué)電子學(xué)???機(jī)電一體化一般包含機(jī)電一體化產(chǎn)品

(系統(tǒng))和機(jī)電一體化技術(shù)兩層含義。典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))有：數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、汽車電子化產(chǎn)品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統(tǒng)、CAD／CAM系統(tǒng)等。機(jī)電一體化中包含的關(guān)鍵技術(shù)在第四節(jié)中詳細(xì)介紹。1.1基本概念數(shù)控銑床數(shù)控車床焊接機(jī)器人?

汽車防抱死系統(tǒng)(ABS)1.2發(fā)展概況20世紀(jì)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(jī)械產(chǎn)品和電子技術(shù)相結(jié)

合，以提高機(jī)械產(chǎn)品的性能。但是由于電子技術(shù)的發(fā)展相對落后，使得機(jī)械與電子的結(jié)合還沒有得到廣泛的應(yīng)用。70年代到80年代為第二階段，“蓬勃發(fā)展階”計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)這個時期的特點是：①mechatronics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)；②機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展；③各國均開始對機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品給以很大的關(guān)注和支持。????

3.90年代后期開始為第三階段，“智能化階段”①光學(xué)、通信技術(shù)等進(jìn)入了機(jī)電一體化，微細(xì)加工技術(shù)也在機(jī)電一體化中嶄露頭腳，出現(xiàn)了光機(jī)電一體化和微機(jī)電一體化等新分支；②對機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計、分析和集成方法，機(jī)電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢都進(jìn)行了深入研究。③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(jìn)步，為機(jī)電一體化技術(shù)開辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，將促使機(jī)電一體化進(jìn)一步建立完整的基礎(chǔ)和逐漸形成完整的科學(xué)體系。1.2發(fā)展概況?

1.數(shù)控機(jī)床的問世，寫下了“機(jī)電一體化”歷史的第一頁。微電子技術(shù)為“機(jī)電一體化‘帶"來勃勃生機(jī)。可編程序控制器、”電力電子“等的發(fā)展為”機(jī)電一體化“提供了堅強(qiáng)基礎(chǔ)。?4.激光技術(shù)、模糊技術(shù)、信息技術(shù)等新技術(shù)使”機(jī)電一體化“躍上新臺階。1.2發(fā)展概況1.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成執(zhí)行器控制信息電子控制單元動力源檢測傳感部分參數(shù)變化信息驅(qū)動力機(jī)械本體能量檢測參數(shù)1、機(jī)械本體機(jī)身、框架、機(jī)械聯(lián)接等產(chǎn)品支持機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)構(gòu)造功能。要求：可靠、小型、美觀

2、能源提供能量，轉(zhuǎn)換成需要的形式，實現(xiàn)動力功能。要求：效率高、可靠性好1.3

機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成3、檢測傳感裝置檢測產(chǎn)品內(nèi)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、電子控制單元處理、運(yùn)算、決策，實現(xiàn)控制功能。要求：高可靠性、柔性、智能化1.3

機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成5、執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括機(jī)械傳動與操作機(jī)構(gòu)，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 效率1.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成1.4

共性關(guān)鍵技術(shù)???1

檢測傳感技術(shù)?

2

信息處理技術(shù)?

3

自動控制技術(shù)伺服驅(qū)動技術(shù)機(jī)械技術(shù)?

6

系統(tǒng)總體技術(shù)1、檢測傳感技術(shù)研究對象：傳感器及其信號檢測裝置（即變送器）作用：感受器官、反饋環(huán)節(jié)。要求：能快速、精確地獲得信息并在相應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境中具有高可靠性。1.4

共性關(guān)鍵技術(shù)2、信息處理技術(shù)主要完成信息的交換、存取、運(yùn)算、判斷和決策等.其主要工具是計算機(jī)。傳感器A/D計算機(jī)D/A執(zhí)行裝置3、控制技術(shù)關(guān)于軟件方面的技術(shù)，主要以控制理論為指導(dǎo)，對控制系統(tǒng)設(shè)計、仿真、現(xiàn)場調(diào)試、可靠運(yùn)行等。1.4

共性關(guān)鍵技術(shù)??6、系統(tǒng)總體技術(shù)系統(tǒng)總體技術(shù)是一種從整體目標(biāo)出發(fā)，用系統(tǒng)工程的觀點和方法，將系統(tǒng)各個功能模塊有機(jī)的結(jié)合起來，以實現(xiàn)整體最優(yōu)。其重要內(nèi)容為接口技術(shù)。接口包括電氣接口、機(jī)械接口、人機(jī)接口1.4

共性關(guān)鍵技術(shù)1.5

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計???一、市場調(diào)研?

二、總體方案設(shè)計?

三、詳細(xì)設(shè)計四、樣機(jī)試制與試驗五、小批量生產(chǎn)?

六、大批量生產(chǎn)?市場調(diào)研包括市場調(diào)查和市場預(yù)測。所謂市場調(diào)查就是運(yùn)用科學(xué)的方法，系統(tǒng)地、全面地收集所設(shè)計產(chǎn)品市場需求和經(jīng)銷方面的情況和資料，分析研究產(chǎn)品在供需雙方之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移的狀況和趨勢，而市場預(yù)測就是在市場調(diào)查的基礎(chǔ)上，運(yùn)用科學(xué)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(xué)計算，對市場未來的不確定因素和條件做出預(yù)計、測算和判斷，為產(chǎn)品的方案設(shè)計提供依據(jù)。1.5

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計一、市場調(diào)研?1．產(chǎn)品方案構(gòu)思?產(chǎn)品方案構(gòu)思完成后，以方案圖的形式將設(shè)計方案表達(dá)出來。方案圖應(yīng)盡可能簡潔明了，反映機(jī)電一體化系統(tǒng)各組成部分的相互關(guān)系，同時應(yīng)便于后面的修改。?

2．方案的評價對多種構(gòu)思和多種方案進(jìn)行篩選，選擇較好的可行方案進(jìn)行分析組合和評價，從中再選幾個方案按照機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計評價原則和評價方法進(jìn)行深入的綜合分析評價，最后確定實施方案。1.5機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計二、總體方案設(shè)計?完成產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計后，即可進(jìn)入樣機(jī)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(jī)供試驗使用。樣機(jī)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(jī)的各種性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計要求，考核樣機(jī)的

可靠性。如果樣機(jī)的性能指標(biāo)和可靠性不滿足設(shè)

計要求，則要修改設(shè)計，重新制造樣機(jī)，重新試

驗。如果樣機(jī)的性能指標(biāo)和可靠性滿足設(shè)計要求，則進(jìn)入產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)階段。1.5

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計四、樣機(jī)試制與試驗???五、小批量生產(chǎn)產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)階段實際上是產(chǎn)品的試生產(chǎn)試銷售階段。這一階段的主要任務(wù)是跟蹤調(diào)查產(chǎn)品在市場上的情況，收集用戶意見，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計和制造方面存在的問題，并反饋給設(shè)計、制造和質(zhì)量控制部門。?六、大批量生產(chǎn)經(jīng)過小批量試生產(chǎn)和試銷售的考核，排除產(chǎn)品設(shè)計和制造中存在的各種問題后，即可投入大批量生產(chǎn)。1.5

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計1.6機(jī)電一體化對機(jī)械工業(yè)的影響?

1提高性能、擴(kuò)展功能今日的數(shù)控機(jī)床充分發(fā)揮計算機(jī)的威力，運(yùn)用時間序列分析和精度創(chuàng)成等理論建立數(shù)學(xué)模型。已有可能實時預(yù)報包括隨機(jī)誤差在內(nèi)的機(jī)床誤

差，然后自動校正，從而達(dá)到前所未有的精度。采用對阻尼進(jìn)行預(yù)報，一旦接近臨界值時就自動調(diào)整切削用量，這又可能出現(xiàn)永不顫振的機(jī)床，保證很高的生產(chǎn)率和良好的加工表面。1.6

機(jī)電一體化對機(jī)械工業(yè)的影響銑鏜鉆機(jī)床m=3

z=23m=3

z=46β＝１５

°p=12p=12m=3

z=55β＝１５

°d=37SKXT-1200傳動系統(tǒng)圖變頻調(diào)速電機(jī)d=71m=3

z=58β＝8

°m=3

z=25β＝8

°m=3

z=48交流伺服電機(jī)β＝8°m=3

z=25β＝8

°交流伺服電機(jī)回轉(zhuǎn)工作臺m=3

z=46m=3

z=23交流伺服電機(jī)m=3

z=482簡化結(jié)構(gòu)??3提高可靠性在提高電子元件質(zhì)量、可靠性的前提下，機(jī)電一體化產(chǎn)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(fù)荷和失控保護(hù)、停電對策，提高了設(shè)備的安全可靠性。1.6機(jī)電一體化對機(jī)械工業(yè)的影響1.7機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢??

1智能化智能化是21世紀(jì)機(jī)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(jī)電一體化建設(shè)者的

研究日益得到重視，機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的智能化

就是重要應(yīng)用。這里所說的“智能化”是對機(jī)器

行為的描述，是在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工

智能、運(yùn)籌學(xué)、計算機(jī)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)。3網(wǎng)絡(luò)化?20世紀(jì)90年代，計算機(jī)技術(shù)等的突出成就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。機(jī)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(jī)電一體化產(chǎn)品。因此，機(jī)電一體化產(chǎn)品無疑朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。1.7機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢??4微型化微型化興起于20世紀(jì)80年代末，指的是機(jī)電一體化向微型機(jī)器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。國外稱其為微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS），泛指幾何尺寸不超過1cm3的機(jī)電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級發(fā)展。微機(jī)電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運(yùn)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(jī)電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機(jī)械技術(shù)，微機(jī)電一體化產(chǎn)品的加