机电一体化课件第一章

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：mechatronicstechnology机械技术（机械学、机构学）微电子技术（半导体技术、IC、LSI）机电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1.20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：①mechatronics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；②机电一体化技术和产品得到了极大发展；③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，“智能化阶段”①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；②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。③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、判断和决策等.其主要工具是计算机。传感器A/D计算机D/A执行装置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，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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。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（openloopcontrolsystem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、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机电一体化系统要素功能人体要素控制器（计算机）控制（信息存储、处理、传送）头脑网络信息传递神经检测、传感器计测（信息收集与变换）感官执行元件驱动（操作）肌肉动力源提供动力（能量）内脏机构构造骨骼三、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、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、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系统内部功能评价参数系统价值高低主功能系统误差小大抗干扰能力强弱废物输出少多变换效率高低动力功能输入能量少多能源内装外设控制功能控制输入/输出口个数多少手动操作少多网络功能强弱构造功能尺寸、重量小、轻大、重强度高低计测功能精度高低高性能化省能化机电一体化系统高附加值化主功能低价格化高可靠性化计测功能动力功能智能化构造功能轻薄短小化控制功能网络化第三节机电一体化工程与系统工程⒈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。⒉工程：即产生一定效能的方法⒊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①明确设计思想②分析综合要求③划分功能模块④决定性能参数⑤调研类似产品⑥拟定总体方案⑦方案对比定型⑧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