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1、机械专业讲座 第一讲,机械工程是人类进步的动力,机械工程的历史和发展 现代机械工程的内容和主要任务 先进制造技术带来的革命 机械工程人才的基本素质,机械工程与制造业,制造活动是人类的主要活动之一 1/4的人口从事各种形式的制造活动 在非制造业部门，1/2的人口的工作与制造业有关 创造价值、生产物质财富和新的知识 美国 68%的财富来自制造业 日本 49%的国民经济总产值 中国 40%的工业总产值 （1995） 机械工程为国民经济各个部门（包括国防和科学技术的进步与发展）提供先进手段和装备 中国的制造业面临从制造大国向制造强国发展的挑战,机械发展的历史回顾,1797年，莫兹利 首创螺纹车床。,1
2、914年，福特流水生产线，大量生产汽车。,19世纪末，泰勒 “科学管理法”的出现,从手工作坊到机械工厂,从单件小批到大量生产,分工可以提高工作效率,机械化生产可以实现零件互换,大量生产可以降低成本、提高质量,由集中动力源驱动的架空天轴,变速用的 多级带轮,带传动,工人操作车床,工人劳动强度大,工作环境不安全,拥挤、昏暗、嘈杂,带传动,架空天轴,车 床,砂轮机,锯 床,铣 床,直流发电机 -电动机组,将动力分配到不同设备,摩登时代：人是机器的奴隶？,科学发展观 以人为本，可持续发展,传统的机械加工,数控加工中心,现代机械工程的内容和任务,机械工程应用领域,动力机械（风、水、热、电、化学、原子能等
3、） 交通运输（汽车、轮船、飞机及相应设施、仓储物流等） 装备技术（农、林、矿山、冶金、化工、纺织、食品、印刷等制造设备） 工作母机、仪表仪器等 通风取暖、医疗器械、家用器械、环保设备等民生机械 国防武器等,科学技术的发展不断给机械科技提出新课题 机械科技的发展成为科学技术发展的基础,运用数学、物理等基础理论和有关机械方面的专门知识，结合生产实际经验，有判断地、经济有效地解决在设计、研究、制造和运行各种机械中遇到的实际问题。,对传统的机械工程的理解：,力学,经验,以信息为核心，以机电为基础，交叉融合材料、信息、计算机、自动化等领域的先进理论和技术。实现系统或产品在功能、质量、效率、成本等各方面整
4、体、最优的系统工程技术。,对现代机械工程的理解：,机械原理 电子电工原理 传感测试原理 微机原理 控制原理,现代先进技术,Contents,在机械技术中融合电子信息技术,1,现代机械的机电一体化创新方法,2,关于机电一体化技术,2,机械专业讲座 在机械技术中融合电子信息技术,在机械技术中融合电子信息技术,典型案例1：电子凸轮,典型案例2: 并联机床,典型案例3: 静电复印机,典型案例4: 误差分离技术,典型案例1：电子凸轮,传统凸轮及其局限性,1.制造和装配误差的调整比较困难，费时、费力。 2.高副点线接触，接触应力较大，无法传递较大的功率。高速运行中，磨损快，运动失真。 3.存在压力角的问题
5、，紧凑性不好。 4.一个凸轮只能固定实现一种预定运动规律，缺乏灵活性。,电子凸轮,什么是电子凸轮？ 电子凸轮(electronic camECAM)： 运动定义的计算机程序和高质量伺服执行机构的统一体。,控制系统+普通马达+凸轮机构,基于单片机的电子凸轮,EXAMPLE1 SHRINK PACKAGE,进瓶带分瓶器A,B分瓶杆(送纸板)送膜包膜加热收缩,EXAMPLE1,PACKAGE SYSTEM,SHRINK PACKAGE 薄膜包装机,Wrapping machines are deemed to be a focus amongst the abundance of different
6、 parceling machines offered on the market. Wrapping machines wrap the goods or stacks to be packed either completely or partially with flexible packing material. The general language usage differentiates between wrap-around machines and foil/paper wrapping machines.,PACKAGE,EXAMPLE1 外观图,EXAMPLE1,EXA
7、MPLE1 工作流程,多列瓶子进来,经过分瓶器分成3*3一组作为一个包装个体,纸板弹出并嵌入瓶底,EXAMPLE1,EXAMPLE1工作流程,送膜并剪切，然后膜包杆牵引膜进行环包,进入烘炉进行加 热收缩,EXAMPLE1,EXAMPLE1 系统配置图,EXAMPLE1,传统机床和并联运动机床,Stewart 运动平台,动平台,固定平台,球铰链,伸缩杆,球铰链,Stewart 平台是 6 根可伸缩的杆件 通过12个球铰链连接 固定平台和动平台的 空间并联机构,全自动洁净操作,特点,并联运动机床与传统的以笛卡尔坐标为基础的串联运动机床,有很大不同：,其具有结构简单、刚度高、动态性能好、速度快、可重
8、构等优点,易于实现较复杂的空间运动，适用于加工复杂零件,并联运动机床以空间并联机构为基础，充分利用计算机数字控制的潜力， 以软件代替部分硬件，以电气装置和电子器件取代部分机械传动,并联机床的数控系统,传统机床加工轨迹控制概念是以直线运动和某一坐标上的 微小增量来逼近曲线和曲面的。,而并联机床的轨迹控制是由若干杆件空间运动综合的。,线性直接驱动技术,线性直接驱动技术 采用沿直线导轨移动的直线电动机直接驱动固定或可变长度的杆件,可以减少传动的惯性矩，提高系统的运动速度、加速度和精度，避免振动的产生,机械执行机构和联轴器的误差、间隙和柔性，使伺服轴产生成带状分布的运 动误差和失动，而不是一个恒值，严
9、重影响伺服轴的运动精度和系统快速性。,把伺服电机直接耦合或融入到负载上，即直接驱动技术，以消除间隙、 柔性和其它与机械传送相关的问题，以满足超高精度的数控系统对精度和快 速性的要求。,直线运动部件,球铰,电主轴,其电动机转子与主轴是一体的，无需任何机械连接。改变供电的频率，就可实现主轴调速。,应用领域,应用领域,模具制造,汽缸体和传动箱体,飞机零件，特别是大型结构零件,应用于工业领域,从目前情况来看，并联运动机床最适合于高速切削加工：,并联机构应用前景广泛,运动模拟器 工业机器人 医用机器人 微定位机器人 天文望远镜 绳索机器人吊车飞毯 并联运动机床,运动模拟器,飞机驾驶员模拟器,高速列车驾驶
10、员 培训模拟器,驾驶座椅模拟器 （坦克、军舰等）,骑马师培训模拟器,赛车运动员培训模拟器,医用机器人,并联机器人,并联机器人,德国洪堡大学医学院手术室,医用机器人模型,并联机器人,内窥镜,患 者,患 者,并联机器人,医用机器人的动画仿真,Delta机器人,天文望远镜,绳索机器人吊车,动平台,操作器,典型案例3: 静电复印机,复印机的历史,模拟复印与数码复印,914型复印机-卡尔松,热敏复印机,活字印刷术、复印纸,静电复印机基本原理,模拟,充电,嚗光,显影,转印,定影,定影,复印机的转印过程,(1)充电,(2)曝光,(4)转印,(5)放电,(3)上炭粉,数码复印机基本原理,CCD读取,数码的转换
11、,数码信号的处理,嚗光,显影、转印、定影,Charge Coupled Device （CCD） 电荷耦合器件。 一种半导体装置，能够把光学影像转化为数字信号。,模拟、数码复印机信息传递过程,数码功能的说明,原稿图像通过 CCD 被分解成很小的点，并被 转换成数码信号,由此我们可以得到以下效果：,高品质副本 数码信号的处理 记忆储存,高品质副本,超高解像度 : 600dpi,黑,高品质副本,具有XY独立变倍、正负反转、镜像等功能,X-Y独立变倍,数码信号的处理,镜像效果,数码信号的处理,黑白反转,数码信号的处理,能实现一次扫描多次复印,记忆体,记忆的储存,3,2,1,3,2,3,2,能实现一次
12、扫描多次复印,记忆体,记忆的储存,大幅减少噪音及能源消耗 无需等候复印工作的完成 双面复印时无需核对原稿数量,记忆的储存,具有电子分页功能,3,3,3,2,2,2,3,2,1,3,2,3,2,机械式分页,电子分页,模拟 复印机,记忆的储存,交叉分页,记忆的储存,典型案例4: 误差分离技术,工件圆度 工作台不圆度 偏心度,S1,S3,S2,误差分离技术,第1组数据为 S11W1E1B1 S21W4E4B1 S31W7E7B1 第2组数据为 S12W2 E2B2 S22W5E5B2 S31W8E8B2 第 3 组数据为 S13W3E3B3 S23W6E6B3 S33W9E9B3 比较第 3 组数据
13、和起始位置P0的数据，可以得到： S13S20S23S30B3B0,在测量的起始位置P0， 三个传感器的读数分别为 S10W0E0B0 S20W3E3B0 S30W6E6B0,误差分离技术,假设1：在布置传感器时均需使某一或一些被测误差量， 在传感器中的反映可以借助于测量系统配置的几何特征， 表述为该被测误差量在测量空间中的“时延”。 假设2：根据几何量测量的Abbe原理，传感器的测量方 向应在被测误差量的延长线上，因此该误差量在传感器中 的传递是1：l的。 假设3：其它诸项不能表述为测量空间的时延或相移的 误差量，则通过处理测量系统的几何关系，使之加权后反 映到不同位置的测量传感器中。这些误
14、差量可以是确定性 的，也可以是随机性的。,物连网,物理系统传感器信息中心 物连网基本技术： 物理系统的数学模型建立， 传感器的小型化， 信息的传递， 系统分析技术。,机械专业讲座 关于机电一体化技术,解读机电一体化,机电一体化内涵,1,1，机电一体化技术（方法） 从系统工程观点出发，应用机械、电子等有关技术，使机械、电子有机结合，实现系统或产品整体最优的综合性技术。机电一体化技术，主要包括技术原理和使机电一体化产品(或系统)得以实现、使用和发展的技术。机电一体化技术是一个技术群(族)的总称。,3,解读机电一体化,机电一体化内涵,2，机电一体化系统（产品） 由若干具有特定功能的机械和电子要素组成
15、的有机整体，具有满足人们使用要求的最佳功能。机电一体化系统(产品)，主要是指机械系统(或部件)与微电子系统(或部件)有机结合，从而赋予新的功能和性能的新一代产品，具有良好的人机协作关系。,3,1,解读机电一体化,机电一体化内涵,3，机电一体化工程（机械电子工程） 机械工程与电子工程的综合集成。即为给定机电一体化系统(或产品)“目的功能”与“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、制造的整个过程体系。机电一体化工程是系统工程在机电一体化系统(产品)的设计、制造中的具体应用。,3,1,解读机电一体化,机电一体化内涵,4，机电一体化思想 体现了“系统设计原理”和“综合集成技巧”。系统工程、控制论和信息论是机电一体化技术的方法论。从某种意义上讲，机电一体化的“一体化”思想，带来了诸如：光电机一体化、机电液一体化、科工贸一体化及人机一体化等。,3,1,解读机电一体化,1,一体化理论和设计思想,2,机电一体化原理从一体化理论出发 研究现代机械系统的组成原理和优化方法。 1质、能、信息一体化设计
