機(jī)械工程導(dǎo)論(機(jī)電)課件

機(jī)械工程導(dǎo)論

（機(jī)電工程）周軍機(jī)械工程是19世紀(jì)初期從民用工程中分離出來的一門工程學(xué)科。它的目標(biāo)是運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)理論和有關(guān)機(jī)械方面的專門知識，結(jié)合生產(chǎn)實際經(jīng)驗，有判斷地、經(jīng)濟(jì)有效地解決在設(shè)計、研究、制造和運(yùn)行各種機(jī)械中遇到的實際問題機(jī)械工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱工業(yè)之一機(jī)械工業(yè)是社會生產(chǎn)力發(fā)展水平的重要標(biāo)志1.1機(jī)電一體化的定義

一、機(jī)電一體化的定義定義：機(jī)電一體化技術(shù)是從系統(tǒng)工程觀點出發(fā)，應(yīng)用機(jī)械、電子、信息等有關(guān)技術(shù)，對它們進(jìn)行有機(jī)的組織和綜合，實現(xiàn)了整體的最佳化。它不是機(jī)械與電子的簡單的疊加，而是在信息論（利用傳感技術(shù)）、控制論（利用控制理論）和系統(tǒng)論（“系統(tǒng)”整體籌劃，機(jī)械和電子分別只是“環(huán)節(jié)”）的基礎(chǔ)上建立起來的應(yīng)用技術(shù)1.2機(jī)電一體化的基本功能要素三、傳感檢測單元主要功能是對系統(tǒng)運(yùn)行過程中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢測，并轉(zhuǎn)換成可識別信號，傳輸?shù)娇刂菩畔⑻幚韱卧?，?jīng)過分析、處理產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息由傳感器和儀器儀表組成。1.2機(jī)電一體化的基本功能要素四、執(zhí)行單元根據(jù)控制信息和指令完成所要求的動作。執(zhí)行單元是運(yùn)動部件，根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的匹配要求，需要改善執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作性能，如提高剛性，減輕重量，實現(xiàn)組件化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，以提高系統(tǒng)整體工作可靠性等。1.2機(jī)電一體化的基本功能要素五、驅(qū)動單元在控制信息的作用下，驅(qū)動各執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成各種動作和功能。機(jī)電一體化系統(tǒng)方面要求驅(qū)動單元具有高效率和快速響應(yīng)性等，同時又要求其對外部環(huán)境的適應(yīng)性和可靠性，還由于幾何上，動作范圍狹窄等限制，還需考慮維修方便和實行標(biāo)準(zhǔn)化等。1.2機(jī)電一體化的基本功能要素六、控制與信息處理單元控制與信息處理單元是機(jī)電一體化系統(tǒng)的核心單元。將來自各傳感器的檢測信息和外部輸入指令進(jìn)行集中、存儲、分析、加工。根據(jù)信息處理結(jié)果，按照一定的程序發(fā)出相應(yīng)的控制信號，通過輸出接口送往執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制整個系統(tǒng)有目的地運(yùn)行，并達(dá)到預(yù)期性能。一般由計算機(jī)，可編程序控制器，數(shù)控裝置等組成。1.3機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù)一、機(jī)械技術(shù)機(jī)電一體化的機(jī)械產(chǎn)品與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品的區(qū)別在于：機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡單、機(jī)械功能更強(qiáng)、性能更優(yōu)越。現(xiàn)代機(jī)械要求具有更新穎的結(jié)構(gòu)、更小的體積、更輕的重量，還要求精度更高、剛度更大、動態(tài)性能更好。在設(shè)計和制造機(jī)械系統(tǒng)時除了考慮靜態(tài)、動態(tài)剛度及熱變形等問題外，還應(yīng)考慮采用新型復(fù)合材料和新型結(jié)構(gòu)以及新型的制造工藝和工藝裝置。1.3機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù)二、傳感檢測技術(shù)傳感器檢測是實現(xiàn)自動控制和自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳感檢測技術(shù)的內(nèi)容包括兩方面，一是研究如何將各種被測量（包括物理量、化學(xué)量和生物量等）轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量；二是研究對轉(zhuǎn)換的電信號的加工處理，如放大、補(bǔ)償、標(biāo)度變換等。機(jī)電一體化系統(tǒng)要求傳感檢測裝置能快速、準(zhǔn)確、可靠的獲取信息。1.3機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù)三、信息處理技術(shù)計算機(jī)技術(shù)包括計算機(jī)的軟件技術(shù)、硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)和數(shù)據(jù)技術(shù)。機(jī)電一體化系統(tǒng)中主要采用工業(yè)控制機(jī)（包括可編程控制器，單、多回路調(diào)節(jié)器，單片微控制器，總線式工業(yè)控制機(jī)，分布式計算機(jī)測控系統(tǒng)）進(jìn)行信息處理。信息處理的發(fā)展方向是提高信息處理的速度、可靠性和智能化程度。人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等都屬于計算機(jī)信息處理技術(shù)的范疇。1.3機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù)四、自動控制技術(shù)自動控制所依據(jù)的理論是自動控制原理（包括經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論），自動控制技術(shù)就是在此理論的指導(dǎo)下對具體控制裝置或控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計；設(shè)計后進(jìn)行系統(tǒng)仿真，現(xiàn)場調(diào)試；最后使研制的系統(tǒng)可靠地投入運(yùn)行。機(jī)電一體化系統(tǒng)中的自動控制技術(shù)主要包括位置控制、速度控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制以及模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。

1.3機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù)五、伺服傳動技術(shù)伺服驅(qū)動技術(shù)就是在控制指令的指揮下，控制驅(qū)動元件，使機(jī)械的運(yùn)動部件按照指令要求運(yùn)動，并具有良好的動態(tài)性能。伺服傳動包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置。伺服驅(qū)動技術(shù)是直接執(zhí)行操作的技術(shù)，伺服系統(tǒng)是實現(xiàn)電信號到機(jī)械動作的轉(zhuǎn)換裝置和部件，對機(jī)電一體化系統(tǒng)的性能起決定性作用。常見的伺服驅(qū)動系統(tǒng)主要有電氣伺服（如步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)等）,液壓伺服（如液壓馬達(dá)、脈沖油缸等）和氣壓伺服三類。1.4機(jī)電一體化（制造）系統(tǒng)一、數(shù)控機(jī)床

數(shù)控技術(shù)（numericalcontrol，NC）――以數(shù)字化的信息實現(xiàn)對設(shè)備進(jìn)行控制的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)的典型應(yīng)用數(shù)控機(jī)床:數(shù)控金屬切削加工機(jī)床數(shù)控車床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床數(shù)控鉆床數(shù)控銑床加工中心臥式加工中心立式加工中心二、柔性制造系統(tǒng)（FMS）（FlexibleManufacturingSystem）1、柔性制造系統(tǒng)的概念

美國出版的《柔性制造系統(tǒng)手冊》對柔性制造系統(tǒng)的定義比較簡明：由計算機(jī)控制的、由若干半獨(dú)立的工作站和一個物料傳送系統(tǒng)所組成的、能高效率地制造多品種、中小批量零件的系統(tǒng)。1967年，英國莫林斯公司提出把多臺數(shù)控機(jī)床聯(lián)成一體的柔性制造系統(tǒng)的設(shè)想。后來，美國K&I公司實現(xiàn)了用計算機(jī)控制的柔性制造系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，從20世紀(jì)80年代初，柔性制造系統(tǒng)得到較快的發(fā)展（據(jù)1986年美國機(jī)械工程協(xié)會統(tǒng)計，當(dāng)時已有370條柔性制造系統(tǒng)在運(yùn)行中）柔性制造系統(tǒng)的組成1)中央管理與控制計算機(jī)功能：★接收工廠主計算機(jī)的指令★對整個FMS實行監(jiān)控★對數(shù)控機(jī)床或制造單元的加工數(shù)據(jù)實行控制★對夾具、工具實現(xiàn)集中管理和控制★協(xié)調(diào)各控制裝置之間的動作

2)制造單元――是FMS的基礎(chǔ)組成部分，由CNC機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人組成。

3)物流控制裝置――對自動化（零件）倉庫、無人輸送臺車、加工的毛坯和成品、加工用的夾具等實行集中管理和控制。4)自動化（零件）倉庫――將毛坯、半成品和成品進(jìn)行自動調(diào)用或儲存。

柔性制造系統(tǒng)的主要組成部分對于一般的FMS，通常是由四大類設(shè)備組成：主機(jī)、聯(lián)線設(shè)備、控制系統(tǒng)和輔助設(shè)備。

1)主機(jī)

FMS的主機(jī)一般為數(shù)控機(jī)床，并且多為加工中心機(jī)床（多用臥式加工中心），也有數(shù)控車削加工中心（可車、鉆、銑，有銑大螺旋升角的槽的功能）。

2)聯(lián)線設(shè)備（自動物料傳輸系統(tǒng)）聯(lián)線設(shè)備是指在機(jī)床之間、倉庫與機(jī)床之間、托板存放站之間輸送和搬運(yùn)工件、工具的設(shè)備。

（2）叉車式吊車主要用于自動化倉庫。

（3）運(yùn)輸小車1)有軌小車―沿導(dǎo)軌運(yùn)動。

2)無軌小車（以蓄電池為能源）★電磁引導(dǎo)式―由無線探測埋在地面下的電纜導(dǎo)向?！锕鈱W(xué)反射式―用白色或能反射光線的線條制導(dǎo)小車行走。

（4）工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人用于小工件的裝卸和機(jī)床間的運(yùn)輸。

對于按集群式機(jī)床布置時，所有機(jī)床圍成圓形，一臺工業(yè)機(jī)器人可為多臺數(shù)控機(jī)床服務(wù)。

工業(yè)機(jī)器人常用于無夾具的回轉(zhuǎn)體零件的裝卸。目前已有用工業(yè)機(jī)器人和車削加工中心組成的車削生產(chǎn)單元。三、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）（ComputerIntegratedManufacturingSystem）1、概念1）自動化孤島（IslandsofAutomation）自動化孤島是指在一個工廠內(nèi)，能夠完成某種功能的自動化子系統(tǒng)，它在職能上是分布的，在地理上是分散的，在時間上是分割的。自動化孤島向集成化（一體化）發(fā)展是一必然方向，也是制造業(yè)的一場深刻的變革。

2、CIMS定義

CIMS是建立在自動化孤島基礎(chǔ)上的復(fù)雜系統(tǒng)。CIMS將全部制造過程進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，將一個工廠的設(shè)計、生產(chǎn)和經(jīng)營的各種分布的自動化孤島，通過要素化和標(biāo)準(zhǔn)化有機(jī)地集成起來，以獲得一個高效益和高柔性的智能化大系統(tǒng)。CIMS是根據(jù)系統(tǒng)工程的觀點，將整個車間或工廠作為一個閉環(huán)系統(tǒng)，整個系統(tǒng)完全由計算機(jī)進(jìn)行管理。該系統(tǒng)輸入的是產(chǎn)品需求的有關(guān)信息，輸出的為經(jīng)過檢驗的合格產(chǎn)品。

1974年，美國年輕學(xué)者哈靈頓博士首先提出“計算機(jī)集成制造”的概念，他認(rèn)為整個生產(chǎn)過程（從市場、設(shè)計制造到管理、售后服務(wù)等）是一個整體，需要統(tǒng)一考慮；同時整個生產(chǎn)過程是信息的采集、傳送和加工處理的過程，產(chǎn)品的尺寸不過是物化的數(shù)據(jù)。這一觀點為生產(chǎn)過程大量采用信息技術(shù)奠定了認(rèn)識上的基礎(chǔ)。3、CIMS系統(tǒng)的組成CIMS概況

CIMS系統(tǒng)分為三級：

1)決策級決策級是生產(chǎn)決策機(jī)構(gòu)。決策級根據(jù)市場的需求、原材料供應(yīng)情況，結(jié)合本企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)條件及財務(wù)狀況，作出生產(chǎn)產(chǎn)品的種類及規(guī)模的決策。

2)經(jīng)營管理級經(jīng)營管理級根據(jù)決策機(jī)構(gòu)的決定、市場的銷售情況等方面的情況，決定產(chǎn)品的類型與產(chǎn)量，協(xié)調(diào)生產(chǎn)過程的各種活動，實現(xiàn)總體決策所提供的戰(zhàn)略目標(biāo)（包括材料需求規(guī)劃、質(zhì)量管理、計算機(jī)輔助經(jīng)濟(jì)分析等）。同時在空間和時間上,協(xié)調(diào)物料的需求,實現(xiàn)現(xiàn)代管理思想的目標(biāo)――無庫存系統(tǒng)。

3)制造級制造級是具體實施產(chǎn)品設(shè)計與制造的部分，其中包含制造系統(tǒng)中各項自動化技術(shù)及其集成，即CAD/CAM、FMS、柔性檢驗、自動傳送系統(tǒng)、自動化倉庫等。

在CIMS內(nèi)，信息流占主導(dǎo)地位，信息的采集、交換與處理融合在一起，再由信息流控制物質(zhì)流，控制和指揮整個生產(chǎn)活動。CIMS的主要組成部分

CIMS包括了企業(yè)從市場預(yù)測到產(chǎn)品售后服務(wù)的全部生產(chǎn)活動。從功能角度看，CIMS包含了一個企業(yè)的設(shè)計、制造及經(jīng)營管理的三種主要功能。要使這三者集成起來，還需要一個支撐環(huán)境，即分布式數(shù)據(jù)庫和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。目前，一般認(rèn)為CIMS主要由四部分組成：1)管理與決策信息系統(tǒng)其主要功能是信息處理，包括收集、傳輸、加工、查詢等；一般分為輔助性經(jīng)營計劃管理、物料管理、生產(chǎn)管理、財務(wù)管理、人力資源管理和輔助決策。2)工程信息系統(tǒng)其主要功能模塊有計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）、計算機(jī)輔助工程（CAE）、成組技術(shù)（GT）、計算機(jī)輔助編制工藝規(guī)程（CAPP）和計算機(jī)輔助制造（CAM）等。

3．柔性自動化制造系統(tǒng)其主要功能是