《机电一体化课程》PPT课件.ppt

机电一体化的涵义：最早起源于日本 机械学（Mechanics）+ 电子学（Electronics） = 机电一体化 或 机械电子工程（Mechatronics） 定义：在机械的主功能、动力功能、信息功能、控制功能基础上引入微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机地结合所构成系统的总称。 目的：增加机械系统或装置的附加值和自动化程度,1.1 基本概念,1.1 基本概念,机电一体化技术：从系统的观点出发，将机械技术 、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新科学技术。 机电一体化不是机械 与电子简单的叠加，而 是在信息论、控制论和 系统论的基础上建立起 来的应用技术,机电一体化一般包含机电一体化产品(系统)和机电一体化技术两层含义。 典型的机电一体化产品(系统)有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CADCAM系统等。 机电一体化中包含的关键技术在第四节中详细介绍。,1.1 基本概念,机电一体化产品和系统分类 按用途分：产业机械、信息机械、民生机械等； 按机械和电子的功能和含量分：以机械装置为主体的机械电子产品和以电子装置为主体的机械电子产品； 按机电结合的程度分：有功能附加型、功能替代型和机电融合型。,1.1 基本概念,数 控 铣 床,数控车床,焊接机器人,汽车防抱死系统(ABS),1.2 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： mechatronics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； 机电一体化技术和产品得到了极大发展； 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。,3.90年代后期开始为第三阶段，“智能化阶段” 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； 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。 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。,1.2 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。,1.2 发展概况,1.3 机电一体化系统的构成,机电一体化系统的基本要素(构成)： 机械本体 动力部分（能源） 传感检测部分（检测传感装置） 控制及信息处理部分（电子控制单元） 驱动部分 执行部分 各要素和环节之间相联系的接口,1.3 机电一体化系统的构成,1.3 机电一体化系统的构成,1、机械本体,组成：机械传动装置和机械结构装置，如机身、框架、机械联接等机构 功能：使构造系统的各子系统、零部件按照一定的空间和时间关系安置在一定位置上，并保持特定的关系，实现构造功能。 要求：高效、多功能、可靠和节能、小型、轻量、美观等要求,1.3 机电一体化系统的构成,2、动力部分（能源）,提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能。,要求：效率高（最小动力输入最大功能输出）、可靠性好,1.3 机电一体化系统的构成,3、检测传感装置,检测产品内部状态和外部环境，实现计测功能。,要求：体积小、精度高、抗干扰,1.3 机电一体化系统的构成,4、控制及信息处理部分（电子控制单元）,处理、运算、决策，实现控制功能。,要求：高可靠性、柔性、智能化,1.3 机电一体化系统的构成,组成：计算机、可编程控制器 (PLC)、数控装置以及逻辑电路、A/D与D/A转换、I/0接口和计算机外部设备等,5、驱动部分,功能：在控制信息作用下，驱动各种执行机构完成各种动作和功能。 要求：高效率、快速响应特性、对水、油、温度、尘埃等外部环境的高适应性和可靠性、便于维修和实行标准化 应用：高性能步进电动机、直流和交流伺服驱动,1.3 机电一体化系统的构成,6、执行机构,包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成要求的动作，实现主功能。,要求：高性能、高精度、高效率,1.3 机电一体化系统的构成,6、执行机构,应用：一般采用机械、电磁、电液等机构。 能量转换：将输入的各种形式的能量转换为机械能 要求：提高刚性、减轻重量、实现组件化、标准化和系列化，提高系统整体可靠性等,1.3 机电一体化系统的构成,7、接口,作用：将各要素或子系统连接成为一个有机整体，使各个功能环节有目的地协调一致运动，从而形成机电一体化的系统工程。 基本功能：交换、放大、传递,1.3 机电一体化系统的构成,1.4 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,内涵：传感检测装置是机电一体化系统的感觉器官，即从待测对象那里获取能反映待测对象特征与状态的信息。 研究对象：传感器及其信号检测装置（即变送器） 作用：感受器官、反馈环节。 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。,1.4 共性关键技术,1、检测传感技术,1.4 共性关键技术,是实现自动控制、自动调节的关键环节，功能越强，自动化程度越高。 内容：一是研究如何将各种被测量 (包括物理量、化学量和生物量等)转换为与之成比例的电量；二是研究对转换的电信号的加工处理，如放大、补偿、标度变换等。,1、检测传感技术,1.4 共性关键技术,现状：与计算机技术相比，传感检测技术发展显得缓慢，难以满足控制系统的要求，因而不少机电一体化系统不能达到满意的效果或无法实现设计要求。 开展对传感检测技术的研究对于机电一体化投术的发展意义重大。,2、信息处理技术,功能：主要完成信息的交换、存取、运算、判断和决策等。 发展方向：提高信息处理的速度、可靠性和智能化程度。 范畴：包括人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等。,1.4 共性关键技术,2、信息处理技术,采用的工具：计算机，主要采用工业控制机 (包括可编程控制器，单、多回路调节器，单片微控制器，总线式工业控制机，分布式计算机测控系统)。,1.4 共性关键技术,3、自动控制技术,目的：在于实现机电一体化系统的目标最佳化 理论基础：自动控制原理 (包括经典控制理论、现代控制理论和智能控制)。 工作流程：具体控制装置或控制系统进行设计、系统仿真、现场调试、使研制的系统可靠 地投入运行。 内容：包括位置控制、速度控制、最优控制、自适应控制和智能控制等。,1.4 共性关键技术,4、伺服驱动技术,1.4 共性关键技术,内涵：在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械的运动部件按照指令要求运动，并具有良好的动态性能。 研究对象：执行元件及其驱动装置 执行元件种类：电动、液压、气动 驱动装置：各种电动机的驱动电源电路,4、伺服驱动技术,1.4 共性关键技术,功能作用：是实现电信号到机械动作的转换装置或部件，对机电一体化系统的动态性能、控制质量和功能具有决定性的作用。 常见的伺服驱动系统：电气伺服 (如步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机等)和液压伺服 (如液压马达、脉冲液压缸等),4、伺服驱动技术,1.4 共性关键技术,现状：由于变频技术的进步，交流伺服驱动技术取得突破性进展，为机电一体化系统提供了高质量的伺服驱动单元，极大地促进了机电一体化技术的发展。,功能作用：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，是机电一体化的基础。 与传统的机械产品的区别:机械结构更简单、机械功能更强、性能更优越。,5、机械技术,1.4 共性关键技术,出发点：如何与机电一体化技术相适应，利用其他高、新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上以及功能上的变更。 设计制造机械系统时考虑因素：除静态、动态刚度及热变形等因素外，应考虑采用新型复合材料、新型结构、新型的制造工艺和工艺装置。,5、机械技术,1.4 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,1.4 共性关键技术,上节回顾,1.1 机电一体化基本概念 1.2 机电一体化发展概况 1.3 机电一体化系统的构成 1.4 机电一体化共性关键技术,1.1 机电一体化技术基本概念,定义？ 在机械的不同功能基础上引入微电子技术，并将二者有机地结合所构成系统的总称,机械功能：主、动力、信息及控制功能,1.1 机电一体化技术基本概念,学科性质？ 新应用科学技术、交叉学科、复杂系统工程 涵盖：机械 、微电子、信息、控制等多门学科技术，是以系统工程为基础建立起来的最佳化系统,学科性质 交叉但不是简单叠加,1.1 机电一体化技术基本概念,机电一体化产品的本质 新一代机电产品：在传统机械产品基础上引入微电子和计算机技术产生的 计算机控制的伺服系统,1.1 机电一体化技术基本概念,1.2 机电一体化技术发展概况,1、萌芽阶段：上世纪60年代前 特点：无意识应用阶段，应用少 2、蓬勃发展阶段：70年代到80年代 特点：获得普遍认可和支持，产品得到极大发展。 3、智能化阶段：90年代以后 特点：出现光机电一体化和微机电一体化等新 分支；理论体系逐步完善。,1.3 机电一体化系统的构成,工作指令,外界信息,所需的机械运动,机电一体化系统的构成及工作原理,1.4 共性关键技术,1 机械技术 2 检测传感技术 3 信息处理技术 4 自动控制技术 5 伺服驱动技术 6 系统总体技术,第一章 概论,1.1 机电一体化基本概念 1.2 机电一体化发展概况 1.3 机电一体化系统的构成 1.4 机电一体化共性关键技术 1.5 机电一体化系统设计 1.6机电一体化对机械工业的影响 1.7 机电一体化的发展趋势,1.5 机电一体化系统设计（重、难点）,一、机电一体化系统设计与本专业的关系 二、机电一体化系统设计基本方法,机电一体化系统开发的工程路线,不同的机电一体化系统开发和产品化过程： 具体特点不同但基本规律是相同的 机电一体化系统开发的工程路线（P7 图1-3）,二、 机电一体化系统设计基本方法,拟定新产品目标及初步技术规范,市场调查、需求分析、销售预测,可行性论证、技术经济分析,构思（初步设计）,评价与审定,机电一体化系统开发工程路线,重点研究： 系统模块化设计； 功能组件的外购（外协）配套与标准化； 专用功能部件（子系统）开发和研制； 专业化生产方式的优势和特点； 设计能达到高效、高质量、高可靠性的设计制造效果；,设计过程中容易忽视的问题：一是系统模块化设计某些功能组件外购还是制造问题，应充分考虑专业化组合生产方式以取得高效、高可靠性的效果 二是充分利用广告宣传开拓产品市场,1、市场调研,市场调研包括市场调查和市场预测。所谓市场调查就是运用科学的方法，系统地、全面地收集所设计产品市场需求和经销方面的情况和资料，分析研究产品在供需双方之间进行转移的状况和趋势，而市场预测就是在市场调查的基础上，运用科学方法和手段，根据历史资料和现状，通过定性的经验分析或定量的科学计算，对市场未来的不确定因素和条件做出预计、测算和判断，为产品的方案设计提供依据。,1.5 机电一体化系统设计,2、总体方案设计,1产品方案构思 产品方案构思完成后，以方案图的形式将设计方案表达出来。方案图应尽可能简洁明了，反映机电一体化系统各组成部分的相互关系，同时应便于后面的修改。 2方案的评价对多种构思和多种方案进行筛选，选择较好的可行方案进行分析组合和评价，从中再选几个方案按照机电一体化系统设计评价原则和评价方法进行深入的综合分析评价，最后确定实施方案。,1.5 机电一体化系统设计,3、详细设计,详细设计是根据综合评价后确定的系统方案，从技术上将其细节逐层全部展开，直至完成产品样机试制所需全部技术图纸及文件的过程。,1.5 机电一体化系统设计,4、样机试制与试验,完成产品的详细设计后，即可进入样机试制与试验阶段。根据制造的成本和性能试验的要求，一般制造几台样机供试验使用。样机的试验分为实验室试验和实际工况试验，通过试验考核样机的各种性能指标是否满足设计要求，考核样机的可靠性。如果样机的性能指标和可靠性不满足设计要求，则要修改设计，重新制造样机，重新试验。如果样机的性能指标和可靠性满足设计要求，则进入产品的小批量生产阶段。,1.5 机电一体化系统设计,5、小批量生产 产品的小批量生产阶段实际上是产品的试生产试销售阶段。这一阶段的主要任务是跟踪调查产品在市场上的情况，收集用户意见，发现产品在设计和制造方面存在的问题，并反馈给设计、制造和质量控制部门。 6、大批量生产 经过小批量试生产和试销售的考核，排除产品设计和制造中存在的各种问题后，即可投入大批量生产。,1.5 机电一体化系统设计,1.6 机电一体化对机械工业的影响,1 提高性能、扩展功能 2 简化结构、减轻重量 3 提高可靠性 4 节约能源 5 操作改善,1.6 机电一体化对机械工业的影响,1 提高性能、扩展功能 今日的数控机床充分发挥计算机的威力，运用 时间序列分析和精度创成等理论建立数学模型。 已有可能实时预报包括随机误差在内的机床误 差，然后自动校正，从而达到前所未有的精度。 采用对阻尼进行预报，一旦接近临界值时就自动 调整切削用量，这又可能出现永不颤振的机床， 保证很高的生产率和良好的加工表面。,1.6 机电一体化对机械工业的影响,2 简化结构、减轻重量,机电一体化系统采用先进的电力电子器件和传动技术，替代老式笨重的电气控制和机械变速结构，由微处理器和集成电路等微电子元件和程序逻辑软件，完成过去靠机械传动链来实现的关联运动，从而使机电一体化产品和系统的体积小、结构简化、重量减轻。,3 提高可靠性 在提高电子元件质量、可靠性的前提下，机电一体化产品可以提高耐久性，减少故障率。另一方面由于赋予其自动监视诊断功能，并采取安全联锁控制，过负荷和失控保护、停 电对策，提高了设备的安全可靠性。,1.6 机电一体化对机械工业的影响,4 节约能源 例如目前我国各类电风扇年产量在200万台左右，如每台电扇的调速器和定时器(现常用电磁机械式)用电子调速器和定时器代替，估计每台风扇可节电5W以上，全年以用扇100天，每天开扇6h计，则每年可节约用电量600万kWh，还可节省大批铜材和钢材。 再如传统的电焊机以电磁原理和手工操作为基础，即使是一般的自动电焊机，其动作过程也仅为简单的机械动作和相应的控制。这类电焊机耗能多、效率低、质量不易保证。采用微型机技术后，发展新颖的电子控制电源以取代传统的焊接电源，实现焊接电源的节能、高效、小型化、多样化。,1.6 机电一体化对机械工业的影响,5 操作改善 传统的车削 数控车削,1.6 机电一体化对机械工业的影响,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 绿色化 内涵：一体化产品使用时不污染生态环境，报废时能 回收利用 产生背景：工业发达的必然结果（物质丰富，生活舒适；资源减少，生态环境严重污染） 要求：绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中，符合特定的环境保护盒人类健康的要求，对生态环境无害或危害极少，资源利用率最高。 前景：具有远大的发展前途,1.7 机电一体化的发展趋势,6 人格化 内涵：一是如何赋予一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越重要，特别是家用机器人，最高境界是人机一体化；二是模仿生物机理，研制各种机电一体化产品。 事实上，许多机电一体化产品是受动物的启发研制出来的。,1.7 机电一体化的发展趋势,7 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,8 自适应化 内涵：一体化产品在启动后，不需要人的干预，就能够自动地完成指定的各项任务，且在整个过程中能够自动适应所处状态和环境的变化。,1.7 机电一体化的发展趋势,