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1、2013 13 07 1 机电一体化系统设计 东北大学机械工程与自动化学院 机械电子工程研究所 宋伟刚 教授 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院 Tel 83684442Tel 83684442 宋伟刚宋伟刚 2 第1章 机电一体化概论 1 1 机电一体化的概念机电一体化的概念 1 2 机电一体化技术的分类机电一体化技术的分类 1 3 机电一体化的相关技术机电一体化的相关技术 1 4 机电一体化机电一体化设计方法设计方法 1 5 机电一体化产品的设计开发步骤机电一体化产品的设计开发步骤 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院 Tel 83684442Tel 83684442 宋伟刚宋伟
2、刚 3 1 1 机电一体化的概念 1 1 1机电一体化的概念 机电一体化技术 机械电子技术 Mechatronics 机械技术 电子技术 信息技术的结合 ionCommunicat ationComputeriz Control 3C 通讯技术 计算机技术 测量与控制技术 技术信息技术 微电子技术 机械技术 以机械为主体机电一体化 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院 Tel 83684442Tel 83684442 宋伟刚宋伟刚 4 发展的结果 ionCommunicat ationComputeriz Control 3C 通讯技术 计算机技术 测量与控制技术 技术信息技术 微电子技术
3、 机械技术 以机械为主体机电一体化 电子技术 分离电子元件 集成电路 IC 大规模集成电路 LSI 超大规模集成电路 VLSI 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院 Tel 83684442Tel 83684442 宋伟刚宋伟刚 5 从机械产品到机电一体化产品的4个阶段 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院 Tel 83684442Tel 83684442 宋伟刚宋伟刚 6 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院 Tel 83684442Tel 83684442 宋伟刚宋伟刚 7 机电一体化的概述机电一体化的概述 1971年日本 机械设计 副刊特集 Mchanics Electron
4、ics Mechatronics 机电一体化的基本含义 日本 将机械装置与电子设备以及软件等有机结合而 成系统 美国 由计算机信息网络协调与控制的 用于完成包 括机械力 运动和能量流等多动力学任务的机械和 或 机电部件相互联系的系统 德国 包括机械 含液压 气动及微机械 电工与电 子 光学及其不同技术的组合 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院 Tel 83684442Tel 83684442 宋伟刚宋伟刚 8 1 1 2 机电一体化技术的发展 1 微电子器件的发展 集成度越来越高 单片集成达 1 4亿个元器件 门阵列达200万 500万门阵列 可编程逻辑器件PLD 门阵列门阵列是指一种预
5、先在芯片上整齐地生成由 与非 门或者 或非 门等基本单元组成的基阵列 然后随时根据用户的需 要在各基本单元之间进行布线 以实现具有逻辑处理功能的集 成电路 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院 Tel 83684442Tel 83684442 宋伟刚宋伟刚 9 2 微控制器的发展 采用双CPU结构提高处理能力 增加数据总线的宽度 采用串行总线结构 采用流水线结构 双单片机结构 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院 Tel 83684442Tel 83684442 宋伟刚宋伟刚 10 3 先进制造技术 AMT Advanced Manufacturing Technology 先进制造技
6、术 是传统制造技术与信息 技术 综合自动化技术和现代企业管理技术 有机结合而产生的高技术群 先进制造技术的核心是制造系统集成技 术 它正在由企业内部信息的集成 计算机集 成制造系统CIMS 逐步向产品开发过程的集 成 并行工程 和企业间的集成 敏捷制造 AM Agile Manufacturing 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院 Tel 83684442Tel 83684442 宋伟刚宋伟刚 11 4 并行工程 CE Concurrent Engineering 在产品开发过程中传统的方式是串行方式 并行工程 CE 即并行设计 要求产品开发人 员在设计一开始就考虑到产品整个生命周期的
7、 各种因素 并行地集成地进行产品设计 使产 品设计一次成功 它包括产品设计 工艺设计 工装设计 装配设计 并强调各项设计是集成 设计 一体化设计 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院 Tel 83684442Tel 83684442 宋伟刚宋伟刚 12 并行设计的两种方法 1 小组化方法 成立由相关专业人员组成的并行设计小 组 在计算机集成环境下相互协作 共享信 息 2 计算机化方法 利用不同功能的一组应用程序 专家系统 来代替相应的专业人员 与设计者组成虚拟 的并行工作小组 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院 Tel 83684442Tel 83684442 宋伟刚宋伟刚 13 5
8、 计算机集成制造系统 CIMS CIMS 包含的内容 自动化技术 信息技术 计算机网络及数据库 完成的任务 全部生产活动所需要的各种分散自动化系统有机 地结合在一起 完成从采购原料到售出产品的一系列生产过程的 高效益 高柔性的制造系统 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院 Tel 83684442Tel 83684442 宋伟刚宋伟刚 14 6 微机械加工与微机械 微机械加工技术 容积硅微加工 金属电镀 立 体电沉积 电火花线切割 激光加工等 例如 美国加州大学的 60 m的静电马达 日本精工的小于1cm3的自行走机器人 包括97个 零件 重仅为1 5g 日本东芝的机器人1cm3 重仅为2
9、g 长春光机所的 3mm微电机 上海交大的 2mm微电机 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院 Tel 83684442Tel 83684442 宋伟刚宋伟刚 15 7 虚拟现实技术 虚拟现实 Virtual Reality 是一种高级的人机交互 系统 它采用高性能的计算机和先进的电子技术产 生逼真的视 听 触 力环境 给人以身临其境的 感觉 采用计算机图形仿真技术或立体摄像技术产生 虚拟景物 用三维位置传感器跟踪人体的运动 用 数据手套感知虚拟物体的几何 物理性质 并对他 们进行操作 用立体声发声器产生虚拟声音 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院 Tel 83684442Tel 8
10、3684442 宋伟刚宋伟刚 16 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院 Tel 83684442Tel 83684442 宋伟刚宋伟刚 17 8 智能材料系统 智能结构 智能材料作为传感系统 信号处理与 控制系统 驱动系统 将其植入工程结 构 使设备具有智能功能 例如健康的 自诊断 环境的自适应 损伤的自修复 应用在大型空间结构振动主动控制 机敏自适应机翼形状控制 飞机与潜艇 结构声的主动控制 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院 Tel 83684442Tel 83684442 宋伟刚宋伟刚 18 机电一体化系统的构成 1 1 3 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院 Tel
11、83684442Tel 83684442 宋伟刚宋伟刚 19 机电一体化系统的构成机电一体化系统的构成 五块论 德国Drmstadt大学的Rolf Isermann 控制功能 动力功能 传感检测功能 操作功能 结构功 能等五大功能模块组成 三环论 丹麦理工大学的Jacob Baur等 机械 电子 软件三个相关圆环 以此表示了机电一体化 系统的组成和相互关联 两个系统 挪威科技大学的Bassam A Hussein 物理系统与控制系统两大子系统 物理系统包括各种驱动 装置 执行机构 传感器等 控制系统包括软 硬件 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院 Tel 83684442Tel 8368
12、4442 宋伟刚宋伟刚 20 1 1 4 机电一体化的意义 1 功能增强 2 提高精度 3 结构简化 4 可靠性提高 5 改善操作 6 提高柔性 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院 Tel 83684442Tel 83684442 宋伟刚宋伟刚 21 1 2 机电一体化技术的分类 1 2 1 机电一体化技术的分类 生产过程的机电一体化 连续生产过程的机电一体化 以化工生产流程为代表 离散制造过程的机电一体化 以机械制造为代表 机电产品的机电一体化 原机电产品的改造 用硬件和软件取代部分结构 设计全新的产品 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院 Tel 83684442Tel 8368
13、4442 宋伟刚宋伟刚 22 1 2 2 机械制造过程的机电一体化 机械制造过程的机电一体化 设计过程自动化 产品加工 装配 检验的自动化 生产经营管理的自动化等 高级形式是计算机集成制造系统 CIMS 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院 Tel 83684442Tel 83684442 宋伟刚宋伟刚 23 1 计算机辅助设计 CAD Computer Aided Design CAD是指用计算机进行产品设计的全过 程 他包括 资料检索 方案构思 计算分 析 工程绘图和编制文件等 计算分析的方法主要有 优化设计 有 限元分析 计算机仿真等 CAD的目的是设计过程的自动化 广义的CAD还包
14、括计算机辅助工艺设计 CAPP 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院 Tel 83684442Tel 83684442 宋伟刚宋伟刚 24 2 计算机辅助工艺过程设计 CAPP Computer Aided Process Planning CAPP是指在计算机系统的支持下 根据产 品设计要求选择加工方法 确定加工工序 分配加工设备 安排加工刀具的整个过程 CAPP的目的是实现生产准备工作的自动化 CAPP可看作CAM的一个组成部分 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院 Tel 83684442Tel 83684442 宋伟刚宋伟刚 25 3 计算机辅助制造 CAM Computer
15、Aided Manufacturing CAM是指在机械制造过程中利用计算机通 过各种设备 如数控机器人 加工中心 数控 机床 传送装置等 自动完成机械产品的加工 装配 检测和包装等制造过程 包括CAPP和 NC编程 狭义的CAM仅指NC编程 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院 Tel 83684442Tel 83684442 宋伟刚宋伟刚 26 4 CAD CAM集成系统 CAD CAPP CAM在网络 数据库环境 下相互结合 CAD CAPP CAM 查询和修改设计可以提高工效20 25倍 计算可以提高工效5 10倍 设计可以提高工效5倍以上 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院
16、 Tel 83684442Tel 83684442 宋伟刚宋伟刚 27 5 柔性制造系统 FMS Flexible Manufacturing System FMS是计算机化的制造系统 主要由计算机 数控机床 机器人 托盘 自动搬运小车和立体仓库等组成 可以随机地 实时地按照生产要求 在生产 能力范围内的任何任务 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院 Tel 83684442Tel 83684442 宋伟刚宋伟刚 28 6 柔性制造单元 FMC Flexible Manufacturing Call FMC是一种柔性加工生产设备 是FMS 向廉价化 小型化发展的产物 FMC至少由一台数控机床 加工中心 自动上 下料装置和刀具交换装置组成 它特别适合于中小型企业 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院 Tel 83684442Tel 83684442 宋伟刚宋伟刚 29 7 计算机集成制造系统 1 生产经营管理分系统 PBS 2 工程设计分系统 EDS 3 制造自动化分系统 MAS 4 计算机网络与数据库分系统 机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院 Tel 83684442Te
