机械自动化概论课件

机械自动化概述参考参考书刘永贤刘永贤.机械工程概论机械工程概论.北京：机械工业出版社，北京：机械工业出版社，20102010于爱兵，马廉洁等于爱兵，马廉洁等.机电一体化概论机电一体化概论.北京：机械工业出版社，北京：机械工业出版社，20132013高森年高森年.机电一体化机电一体化.赵文珍译赵文珍译.北京：科学出版社，北京：科学出版社，20012001李云江李云江.机器人概论机器人概论.北京：机械工业出版社，北京：机械工业出版社，20112011讲授内容机械的机械的发展与机械自展与机械自动化化机械自机械自动化基化基础知知识机械自机械自动化相关概念化相关概念机械自机械自动化系化系统的的组成成机械自机械自动化的工作原理化的工作原理典型机械自典型机械自动化系化系统举例例机器人机器人数控机床数控机床机械自机械自动化相关核心化相关核心课程程机械自机械自动化化领域的常用域的常用软件工具件工具思考思考题机械的发展与机械自动化洗衣机洗衣机人力洗衣人力洗衣工具时代工具时代机械洗衣机械洗衣机械化时代机械化时代自动洗衣自动洗衣自动化时代自动化时代未来洗衣未来洗衣智能洗衣机智能洗衣机机械的发展与机械自动化车辆人力畜力时代人力畜力时代工具时代工具时代机械动力时代机械动力时代机械化时代机械化时代无人驾驶汽车无人驾驶汽车自动化时代自动化时代机械的发展与机械自动化机械加工机械加工人力畜力时代人力畜力时代工具时代工具时代机械动力时代机械动力时代机械化时代机械化时代数控机床数控机床自动化时代自动化时代机械自动化的基础知识机械自机械自动化相关概念化相关概念机械自机械自动化（化（mechanical automation)：指机器或者指机器或者装置在无人干装置在无人干预的情况下按照的情况下按照规定的程序或指令自定的程序或指令自动进行操作或运行。行操作或运行。数控车床数控车床自动泊车自动泊车全自动洗衣机全自动洗衣机机械自动化的基础知识机械自机械自动化相关概念化相关概念机机电一体化（一体化（Mechatronics）：在机械的主功能、：在机械的主功能、动力功能、信息力功能、信息处理与控制功能上引理与控制功能上引进微微电子技子技术，并将，并将机械装置与机械装置与电子装置用相关子装置用相关软件有机件有机结合而构成的系合而构成的系统。日本，日本，1971年。年。智能化智能化：是指在机器中引入人工智能（：是指在机器中引入人工智能（Artificial Intelligence）技）技术。所。所谓人工智能是指使用人工智能是指使用计算机来算机来模模拟人的某些思人的某些思维过程和智能行程和智能行为（如感知、推理与决（如感知、推理与决策、学策、学习等）的学科。等）的学科。人工智能机器人人工智能机器人机械自动化的基础知识机械自机械自动化系化系统的的组成成机器人足球机器人足球VS机械自动化的基础知识机械自机械自动化系化系统的的组成成足足球球运运动动员员的的组组成成其它：内分泌、生殖系统、免疫系统其它：内分泌、生殖系统、免疫系统运动系统运动系统手、足手、足躯干躯干肌肉肌肉神经系统神经系统感觉器官感觉器官神经系统神经系统大脑大脑能源系统能源系统消化系统消化系统呼吸系统呼吸系统循环系统循环系统泌尿系统泌尿系统运动、运动、作业及作业及支持支持控制及控制及协调协调提供提供能源能源机械自动化的基础知识机械自机械自动化系化系统的的组成成机器人足球机器人足球机机电电产产品品的的组组成成能源系统：电源、燃料供给等能源系统：电源、燃料供给等（类似人（类似人的消化、呼吸、循环、泌尿系统）的消化、呼吸、循环、泌尿系统）机械机械系统系统支撑单元支撑单元（类似人的躯体）（类似人的躯体）执行单元执行单元（类似人的手足）（类似人的手足）传动单元传动单元动力单元动力单元（类似人的肌肉）（类似人的肌肉）控制控制系统系统检测单元检测单元（类似人的感官（类似人的感官及感觉神经）及感觉神经）控制单元控制单元（类似人的大脑）（类似人的大脑）驱动单元（类似人控制驱动单元（类似人控制肌肉运动的神经元）肌肉运动的神经元）机械自动化的基础知识机械自机械自动化系化系统的工作原理的工作原理控制系统的工作原理眼、耳、皮肤等感觉器官环境等外界信息大脑判断决策肌肉动作手脚等执行机构动作人对机器的操作过程躯体等支撑结构身体内部信息传感检测单元环境、工作状况等信息控制单元驱动单元动力单元控制系统传动单元执行单元支撑单元机械系统能源系统机械自动化的基础知识机械自机械自动化系化系统的的组成工作原理成工作原理举例：无人驾驶汽车举例：无人驾驶汽车典型机械自典型机械自动化系化系统举例例机器人机器人机器人的用途与定机器人的用途与定义一种模仿人或动物的自动化机器，用以代替人完成各种工作（日本，1967）。机器人是一种自自动化的机器化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物类似的智能能力智能能力，如感知能力、规划决策能力、动作能力和协同交互能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器（我国科学家）。国国际标准化准化组织(ISO)的定的定义具有类似于人或其它生物某种器官（肢体、感官等）的功能；具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活多变；具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推理、决策、学习等；具有独立性，在工作时可以不依赖于人类的干预。典型机械自典型机械自动化系化系统举例例机器人机器人机器人的功能机器人的功能动作功能：操作功能、行走功能作功能：操作功能、行走功能感知、决策、控制功能感知、决策、控制功能人机交互功能人机交互功能典型机械自典型机械自动化系化系统举例例机器人机器人机器人的分机器人的分类：工工业机器人机器人面向工业领域的喷漆、焊接、喷丸、打磨、装配、搬运等作业一般为多关节机械手。典型机械自典型机械自动化系化系统举例例机器人机器人机器人的分机器人的分类：工工业机器人机器人机器人车身焊接机器人车身焊接机器人车身喷漆机器人车身喷漆典型机械自典型机械自动化系化系统举例例机器人机器人机器人的分机器人的分类：工工业机器人机器人机器人切割太阳能板机器人切割太阳能板机器人雕刻机器人雕刻典型机械自典型机械自动化系化系统举例例机器人机器人机器人的分机器人的分类：工工业机器人机器人机器人装配飞机部件机器人装配飞机部件机器人打包包装机器人打包包装典型机械自典型机械自动化系化系统举例例机器人机器人机器人的分机器人的分类：农业机器人机器人各种插秧播种、收各种插秧播种、收获、喷药、除草、除草、动物物饲养、屠宰养、屠宰分解机器人等分解机器人等由机械手、移由机械手、移动机构、机构、传感控制系感控制系统、动力源等力源等组成。成。黄瓜收获机器人黄瓜收获机器人日本研制的插秧机器人日本研制的插秧机器人典型机械自典型机械自动化系化系统举例例机器人机器人机器人的分机器人的分类：服服务机器人机器人大楼清洗、病人护理、生活服务、汽车加油、刀削面、导游、医用手术、娱乐机器人等具有更高的感觉与决策能力。机器人服务员机器人服务员拉车机器人拉车机器人典型机械自典型机械自动化系化系统举例例机器人机器人机器人的分机器人的分类：服服务机器人机器人家用清扫机器人家用清扫机器人导盲犬机器人导盲犬机器人墙壁清洗机器人墙壁清洗机器人娱乐机器人娱乐机器人机器狗机器狗典型机械自典型机械自动化系化系统举例例机器人机器人机器人的分机器人的分类：服服务机器人机器人导游机器人导游机器人理发机器人理发机器人汽车加油机器人汽车加油机器人二师兄刀削面机器人二师兄刀削面机器人典型机械自典型机械自动化系化系统举例例机器人机器人机器人的分机器人的分类：服服务机器人机器人机器人假肢机器人假肢微创手术机器人微创手术机器人微型机器人微型机器人医用机器人医用机器人典型机械自典型机械自动化系化系统举例例机器人机器人机器人的分机器人的分类：军用机器人（特种机器人）用机器人（特种机器人）地面军用机器人：侦察、排爆、扫雷、消防、救援、保安、战斗机器人；仿生蚂蚱、仿生壁虎、仿生蛇等美军侦察机器人美军侦察机器人美军魔爪军用机器人美军魔爪军用机器人典型机械自典型机械自动化系化系统举例例机器人机器人机器人的分机器人的分类：地面地面军用机器人（特种机器人）用机器人（特种机器人）美军大狗机器人美军大狗机器人军用排爆机器人军用排爆机器人蛇形机器人蛇形机器人德国机器人扫雷车德国机器人扫雷车典型机械自典型机械自动化系化系统举例例机器人机器人机器人的分机器人的分类：地面地面军用机器人（特种机器人）用机器人（特种机器人）机械蜈蚣机械蜈蚣仿生蚂蚁仿生蚂蚁机器壁虎机器壁虎典型机械自典型机械自动化系化系统举例例机器人机器人机器人的分机器人的分类：军用机器人（特种机器人）用机器人（特种机器人）水下军用机器人（无人潜水艇、仿生鱼、仿生水母、仿生龙虾、仿生企鹅）自治水下机器人自治水下机器人螺旋桨推进水下机器人螺旋桨推进水下机器人典型机械自典型机械自动化系化系统举例例机器人机器人机器人的分机器人的分类：水下水下军用机器人用机器人仿生金枪鱼（MIT）仿生章鱼仿生龙虾仿生螃蟹仿生企鹅仿生水母典型机械自典型机械自动化系化系统举例例机器人机器人机器人的分机器人的分类：军用机器人（特种机器人）用机器人（特种机器人）空中空中军用机器人（无人机）用机器人（无人机）：固定翼无人侦察机、旋翼无人直升机、扑翼微型侦察机、仿生苍蝇、仿生雨燕等美军全球鹰无人机（机长美军全球鹰无人机（机长13.4m，翼展，翼展35.5m，有效，有效载荷载荷900kg，巡航速度，巡航速度635km/h，航程，航程26000km,续续航时间航时间42h）以色列苍鹭无人机（翼展以色列苍鹭无人机（翼展16.6m,速度速度225km/h，续，续航时间航时间30小时）小时）典型机械自典型机械自动化系化系统举例例机器人机器人机器人的分机器人的分类：空中空中军用机器人（无人机）用机器人（无人机）美军幻影雷微型无人机美军幻影雷微型无人机（波音公司，翼展（波音公司，翼展50英尺，英尺，速度速度614英里英里/小时）小时）手抛发射的小型无人机手抛发射的小型无人机典型机械自典型机械自动化系化系统举例例机器人机器人机器人的分机器人的分类：空中空中军用机器人（无人机）用机器人（无人机）瑞士小型无人机军用微型无人机军用微型无人机仿生蚊子（美国）机器人苍蝇（哈佛大学，翼展3cm,重60mg)仿生蜻蜓(德国费斯托公司）典型机械自典型机械自动化系化系统举例例机器人机器人机器人的分机器人的分类：军用机器人（特种机器人）用机器人（特种机器人）空空间机器人：机器人：空间机器人（负责空间站与航天器的建造、维护、维修、空间实验等）、星球探索机器人。美国勇气号火星车美国勇气号火星车美国好美国好奇号火奇号火星车星车太空组装双臂机器人太空组装双臂机器人（加拿大）（加拿大）腿式机器人腿式机器人典型机械自动化系统举例机器人机器人的机械系机器人的机械系统组成成典型机械自动化系统举例机器人机器人的机械系机器人的机械系统手部手部斜楔杠杆式手部斜楔杠杆式手部双支点连杆式手部双支点连杆式手部齿轮齿条杠杆式手部齿轮齿条杠杆式手部典型机械自动化系统举例机器人机器人的机械系机器人的机械系统手部手部直线平移型手部直线平移型手部四连杆平移式手部四连杆平移式手部气体吸附型手部气体吸附型手部典型机械自动化系统举例机器人机器人的机械系机器人的机械系统手部手部电磁吸附型手部电磁吸附型手部专用末端操作器专用末端操作器1铁心铁心 2隔磁环隔磁环 3磁盘磁盘 4卡环卡环 5盖盖 6壳体壳体 7、8挡圈挡圈 9螺母螺母 10轴承轴承 11线圈线圈 12 接线螺钉接线螺钉1气路接口气路接口 2定位销定位销 3电接头电接头 4电磁吸盘电磁吸盘典型机械自动化系统举例机器人机器人的机械系机器人的机械系统手部手部柔性手部柔性手部多指灵巧手多指灵巧手典型机械自动化系统举例机器人机器人的机械系机器人的机械系统手腕手腕手腕的运动1手部驱动缸手部驱动缸 2回转液压缸回转液压缸 3腕架腕架 4通向手部的油管通向手部的油管 5左进油孔左进油孔 6通向摆动液压缸的油管通向摆动液压缸的油管 7右进油管右进油管 8固固定叶片定叶片 9缸体缸体 10回转轴回转轴 11回转叶片回转叶片 12手部手部典型机械自动化系统举例机器人机器人的机械系机器人的机械系统手臂手臂液压驱动的手臂运动液压驱动的手臂运动机构机构电机驱动的手臂运动电机驱动的手臂运动机构机构典型机械自动化系统举例机器人机器人的机械系机器人的机械系统行走机构行走机构自由运动的履带式机器人自由运动的履带式机器人具有良好适应能力的步行机器人具有良好适应能力的步行机器人轮腿机器人轮腿机器人典型机械自动化系统举例机器人人形机器人的控制要求人形机器人的控制要求行走控制身体的平衡控制行走步态的控制环境观察与决策作业控制人机交互（声音、表情等）典型机械自动化系统举例机器人机器人的控制系机器人的控制系统感知：感知：环境感知境感知视觉、接近、接近觉、听、听觉、触、触觉、味、味觉、嗅、嗅觉等等传感器；感器；视觉传感器视觉传感器动圈式听觉传感动圈式听觉传感器器研究前沿：机器视觉研究前沿：机器视觉研究前沿：研究前沿：语音识语音识别与理解别与理解接近传感器：激接近传感器：激光测距仪器光测距仪器嗅觉味觉传感器嗅觉味觉传感器（化学传感器）（化学传感器）研究前沿：人工研究前沿：人工鼻鼻典型机械自动化系统举例机器人机器人的控制系机器人的控制系统感知：感知：环境感知境感知视觉、听、听觉、触、触觉、味、味觉、嗅、嗅觉等等传感器；感器；基于微动开关的触觉基于微动开关的触觉传感器传感器基于压电效应的压觉传感器基于压电效应的压觉传感器基于压阻效应的压觉传感器基于压阻效应的压觉传感器研究前沿：人工皮肤研究前沿：人工皮肤典型机械自动化系统举例机器人 机器人的控制系机器人的控制系统感知感知本体感知本体感知关关节位置、速度、加速度、受力平衡位置、速度、加速度、受力平衡传感器感器。光电型关节光电型关节位置速位置速度传感器度传感器机器人手腕力觉传感器机器人手腕力觉传感器机器人姿态传感器机器人姿态传感器（陀螺仪）（陀螺仪）身体加速度传感身体加速度传感器器脚底力脚底力觉传感器觉传感器典型机械自动化系统举例机器人机器人的控制系机器人的控制系统控制控制计算机：包括控制算机：包括控制计算机和算机和软件等件等嵌入式控制系统嵌入式控制系统工业控制用计算机工业控制用计算机（IPC）可编程序控制器（可编程序控制器（PLC)典型机械自动化系统举例机器人机器人控制系机器人控制系统驱动伺服电动机伺服电动机及驱动器及驱动器液压驱动器液压驱动器摆动缸摆动缸典型机械自动化系统举例机器人机器人控制系机器人控制系统驱动液压缸驱动的机器人关节液压缸驱动的机器人关节气动人工气动人工肌肉驱动的肌肉驱动的机器人关节机器人关节典型机械自动化系统举例机器人机器人的能源系机器人的能源系统燃料化学能（活塞燃料化学能（活塞发动机、机、转子子发动机、机、喷气气发动机、燃料机、燃料电池等）池等）电能（有能（有线电缆、电池）池）太阳能太阳能核能核能典型机械自典型机械自动化系化系统举例例数控机床数控机床数控机床：由数控机床：由计算机控制机床运算机控制机床运动及其加及其加工工过程，从而自程，从而自动完成工件加工的机床。完成工件加工的机床。数控车削中心数控车削中心数控铣削中心数控铣削中心数控数控3D打印打印典型机械自典型机械自动化系化系统举例例数控机床数控机床数控机床工作原理数控机床工作原理加工程序：加工程序：用数控机床能够理解的语言对加工过程进行描述。用数控机床能够理解的语言对加工过程进行描述。数控装置：数控装置：专用计算机，对加工程序进行解释和翻译，对及其发出控制指令。专用计算机，对加工程序进行解释和翻译，对及其发出控制指令。伺服系统：伺服系统：接收数控装置位置信息，转换为机床的精确运动。接收数控装置位置信息，转换为机床的精确运动。电气控制：电气控制：实现对机床实现对机床IO量的控制。量的控制。机床本体：机床本体：机械部分，主要包括支撑部件、主运动部件、进给运动部件等。机械部分，主要包括支撑部件、主运动部件、进给运动部件等。典型机械自典型机械自动化系化系统举例例数控机床数控机床数控机床数控机床组成成机床本体（机械机床本体（机械结构）构）主轴主轴滚珠丝杠副滚珠丝杠副齿形带齿形带直线导轨直线导轨典型机械自典型机械自动化系化系统举例例数控机床数控机床数控机床数控机床组成成传感感检测系系统安全红外光栏圆光栅光电编码器光栅尺典型机械自典型机械自动化系化系统举例例数控机床数控机床数控机床数控机床组成成控制系控制系统数控系统的主要工作：数控系统的主要工作：1、加工程序与参数的输入、加工程序与参数的输入2、译码、译码3、刀具补偿、刀具补偿4、进给速度处理、进给速度处理5、插补、插补6、位置控制、位置控制7、I/O处理处理8、显示、显示9、诊断、诊断数控系统外形图数控系统外形图典型机械自典型机械自动化系化系统举例例数控机床数控机床数控机床数控机床组成成伺服与伺服与电气控制系气控制系统开环伺服驱动系统开环伺服驱动系统闭环伺服驱动系统闭环伺服驱动系统典型机械自典型机械自动化系化系统举例例数控机床数控机床数控机床数控机床组成成伺服与伺服与电气控制系气控制系统PLC控制系统控制系统电气控制系统电气控制系统电磁阀电磁阀机械自动化方面的核心课程基基础课程：程：电工工电子技子技术、微机原理微机原理理理论课程程传感与感与检测技技术：工程工程测试技技术控制技控制技术控制理控制理论：控制工程基控制工程基础控制系控制系统硬件硬件设计：微机控制技微机控制技术、伺服伺服驱动与与电器控制器控制（电器部分）器部分）软件系件系统设计：计算机算机语言言驱动技技术：伺服伺服驱动与与电器控制器控制（伺服（伺服驱动部分）、部分）、液液压传动与控制与控制机械自机械自动化中的化中的总体与机械体与机械设计：机机电系系统设计环节实践：践：自自动化基化基础实验、测试技技术课程程设计、机机电系系统设计课程程设计、毕业设计。机械自机械自动化化领域的常用域的常用软件工具件工具设计工具工具类软件：件：AutoCAD：绘制二制二维机械机械图Pro/Engineer,SolidWorks,UG:三三维实体建模体建模Protel,PSpice:绘制制电路原理路原理图、设计PCB板板工程分析工具工程分析工具Matlib:系系统仿真仿真ADAMS:机械系机械系统仿真仿真Ansys,ABAQUS:有限元分析有限元分析PSpice:电路系路系统仿真仿真20-sim：机：机电系系统仿真仿真机械自机械自动化化领域的常用域的常用软件工具件工具测控控软件开件开发工具：工具：单片机片机汇编语言，言，PLC编程程语言言C语言、言、C+语言言LabVIEW思考思考题什么是机械自什么是机械自动化，化，谈谈你你对它的理解和它的理解和认识。机械自机械自动化系化系统由哪些部分由哪些部分组成？各部分各有何成？各部分各有何作用？作用？我我们开开设的机械自的机械自动化方面的核心化方面的核心课程与机械自程与机械自动化系化系统组成之成之间是何关系？是何关系？谈谈你自己你自己对核心核心课程体系的程体系的认识。