機(jī)電一體化緒論 (2)課件

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)第1章緒論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(jì)1.6機(jī)電一體化對(duì)機(jī)械工業(yè)的影響1.7機(jī)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(jī)電一體化：在機(jī)械的主功能、動(dòng)力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。體現(xiàn)了一體化、柔性化及智能化特征。機(jī)電一體化不是機(jī)械與電子簡(jiǎn)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(lái)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)電一體化技術(shù)的內(nèi)容

:關(guān)鍵技術(shù)有：檢測(cè)傳感、信息處理、伺服驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)控制、機(jī)械和系統(tǒng)總體技術(shù)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(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(duì)落后，使得機(jī)械與電子的結(jié)合還沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。2.70年代到80年代為第二階段，“蓬勃發(fā)展階段”

計(jì)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(gè)時(shí)期的特點(diǎn)：①日本人把“mechanic”和“electronics”組合在一起發(fā)明了“mechatronics”這個(gè)單詞，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(guó)開始對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品給以很大的關(guān)注和支持。

1.數(shù)控機(jī)床的問(wèn)世，寫下了“機(jī)電一體化”歷史的第一頁(yè)。

2.微電子技術(shù)為“機(jī)電一體化”帶來(lái)勃勃生機(jī)。

3.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(jiān)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(tái)階。1.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成

位置,速度檢測(cè)單元電機(jī)機(jī)械部件位置,速度反饋CNC數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)組成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?jiǎng)恿υ礄z測(cè)傳感部分機(jī)械本體參數(shù)變化信息驅(qū)動(dòng)力能量檢測(cè)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(shí)現(xiàn)構(gòu)造功能。要求：可靠、小型、美觀、經(jīng)濟(jì)2、能源（動(dòng)力）提供能量，轉(zhuǎn)換成需要的形式，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力功能。要求：效率高、可靠性好、經(jīng)濟(jì)1.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成3、檢測(cè)傳感裝置（傳感器檢測(cè)）檢測(cè)產(chǎn)品內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境，實(shí)現(xiàn)計(jì)測(cè)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(yùn)算、決策，實(shí)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)（執(zhí)行元件）包括機(jī)械傳動(dòng)與操作機(jī)構(gòu)，接收控制信息，完成要求的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)主功能。要求：高性能、高精度、高效率1、檢測(cè)傳感技術(shù)作用：感受器官、反饋環(huán)節(jié)。研究對(duì)象：傳感器及其信號(hào)檢測(cè)裝置（包括變送器）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(jì)算機(jī)。傳感器A/D計(jì)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(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、可靠運(yùn)行等。1.4共性關(guān)鍵技術(shù)4、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)執(zhí)行元件種類：電動(dòng)、液壓、氣壓

研究對(duì)象：執(zhí)行元件及其驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)裝置：各種電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源電路

實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的主功能和構(gòu)造功能，影響系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、重量、體積、剛性、可靠性等。

5、機(jī)械技術(shù)1.4共性關(guān)鍵技術(shù)1.5機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、市場(chǎng)調(diào)研二、總體方案設(shè)計(jì)三、詳細(xì)設(shè)計(jì)四、樣機(jī)試制與試驗(yàn)五、小批量生產(chǎn)六、大批量生產(chǎn)一、市場(chǎng)調(diào)研

市場(chǎng)調(diào)研包括市場(chǎng)調(diào)查和市場(chǎng)預(yù)測(cè)。所謂市場(chǎng)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(jì)產(chǎn)品市場(chǎng)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(shì)，而市場(chǎng)預(yù)測(cè)就是在市場(chǎng)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(guò)定性的經(jīng)驗(yàn)分析或定量的科學(xué)計(jì)算，對(duì)市場(chǎng)未來(lái)的不確定因素和條件做出預(yù)計(jì)、測(cè)算和判斷，為產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。1.5機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)四、樣機(jī)試制與試驗(yàn)

完成產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計(jì)后，即可進(jìn)入樣機(jī)試制與試驗(yàn)階段。根據(jù)制造的成本和性能試驗(yàn)的要求，一般制造幾臺(tái)樣機(jī)供試驗(yàn)使用。樣機(jī)的試驗(yàn)分為實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和實(shí)際工況試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)考核樣機(jī)的各種性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)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(jì)要求，則要修改設(shè)計(jì)，重新制造樣機(jī)，重新試驗(yàn)。如果樣機(jī)的性能指標(biāo)和可靠性滿足設(shè)計(jì)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(jì)五、小批量生產(chǎn)

產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)階段實(shí)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(chǎng)上的情況，收集用戶意見，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)和制造方面存在的問(wèn)題，并反饋給設(shè)計(jì)、制造和質(zhì)量控制部門。六、大批量生產(chǎn)

經(jīng)過(guò)小批量試生產(chǎn)和試銷售的考核，排除產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造中存在的各種問(wèn)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(jì)1.6機(jī)電一體化對(duì)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(jì)算機(jī)的威力，運(yùn)用時(shí)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(shí)時(shí)預(yù)報(bào)包括隨機(jī)誤差在內(nèi)的機(jī)床誤差，然后自動(dòng)校正，從而達(dá)到前所未有的精度。采用對(duì)阻尼進(jìn)行預(yù)報(bào)，一旦接近臨界值時(shí)就自動(dòng)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(duì)機(jī)械工業(yè)的影響2簡(jiǎn)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(dòng)監(jiān)視診斷功能，并采取安全聯(lián)鎖控制，過(guò)負(fù)荷和失控保護(hù)、停電對(duì)策，提高了設(shè)備的安全可靠性。

1.6機(jī)電一體化對(duì)機(jī)械工業(yè)的影響4節(jié)約能源例如目前我國(guó)各類電風(fēng)扇年產(chǎn)量在200萬(wàn)臺(tái)左右，如每臺(tái)電扇的調(diào)速器和定時(shí)器(原常用電磁機(jī)械式)用電子調(diào)速器和定時(shí)器代替，每臺(tái)風(fēng)扇可節(jié)電約5W以上，全年以用扇100天，每天開扇6h計(jì)，則每年可節(jié)約用電量600萬(wàn)kW·h，還可節(jié)省大批銅材和鋼材。再如傳統(tǒng)的電焊機(jī)以電磁原理和手工操作為基礎(chǔ)，即使是一般的自動(dòng)電焊機(jī)，其動(dòng)作過(guò)程也僅為簡(jiǎn)單的機(jī)械動(dòng)作和相應(yīng)的控制。這類電焊機(jī)耗能多、效率低、質(zhì)量不易保證。采用微型機(jī)技術(shù)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(shí)現(xiàn)焊接電源的節(jié)能、高效、小型化、多樣化。1.6機(jī)電一體化對(duì)機(jī)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(jī)電一體化對(duì)機(jī)械工業(yè)的影響1.7機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì)

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(gè)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(shuō)的“智能化”是對(duì)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(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動(dòng)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)。2模塊化由于機(jī)電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、電氣接口、動(dòng)力接口、環(huán)境接口的機(jī)電一體化產(chǎn)品單元是一項(xiàng)十分復(fù)雜但又是非常重要的事。這需要制定各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，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(guó)際或國(guó)內(nèi)這方面的標(biāo)準(zhǔn)，但可以通過(guò)組建一些大企業(yè)逐漸形成。顯然，從電氣產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化帶來(lái)的好處可以肯定，無(wú)論是對(duì)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)電一體化單元的企業(yè)還是對(duì)生產(chǎn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的企業(yè)，規(guī)?；瘜⒔o機(jī)電一體化企業(yè)帶來(lái)美好的前程。1.7機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì)3網(wǎng)絡(luò)化20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)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(lái)，只要其功能獨(dú)到，質(zhì)量可靠，很快就會(huì)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(wú)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(shì)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(shì)。國(guó)外稱其為微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS），泛指幾何尺寸不超過(guò)1cm3的機(jī)電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級(jí)發(fā)展。微機(jī)電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運(yùn)動(dòng)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(shì)。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)品的加工采用精細(xì)加工技術(shù)，即超精密技術(shù)，它包括光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)兩類。1.7機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì)MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)是微機(jī)電系統(tǒng)的縮寫。MEMS是美國(guó)的叫法，在日本被稱為微機(jī)械，在歐洲被稱為微系統(tǒng)。

MEMS主要包括微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路等幾部分，它是在融合多種微細(xì)加工技術(shù)，并應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)的最新成果的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的高科技前沿學(xué)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(jié)構(gòu)進(jìn)一步采用開放式和模式化的總線結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可以靈活組態(tài)，進(jìn)行任意剪裁和組合，同時(shí)尋求實(shí)現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和綜合管理。表現(xiàn)之二是通信功能的大大加強(qiáng)，一般除RS232外，還有RS485，RS422，現(xiàn)場(chǎng)總線等等。1.7機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì)1.8