机电一体化原理及应用-绪论

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1、课程介绍l总学时：42学时 理论课：34学时（117周） 实验课：8学时l学分：2.5l成绩：期末考试（50%）+平时成绩（50%）考勤（ 40%）课课堂互 动动（ 20%）课课后作 业业（ 40%）平时时成 绩绩课程介绍概念 第一章 引论关键 问题 第二章 机电一体化系统数学建模（难点） 第三章 机电一体化系统检测 与转换技术（ 重点） 第四章 机电一体化系统驱动 技术与执行装 置（重点） 第五章 机电一体化中的计算机系统（重点） 第六章 机电一体化系统常见控制技术实例 第七章 机电一体化系统设计 及实例第一章 引论l1.1机电一体化基本概念l1.2机电一体化的理论基础与共性关键技术l1.3

2、现代制造业中的机电一体化技术l1.4机电一体化发展趋势返回1.1机电一体化基本概念l1.1.1机电一体化的起源l1.1.2机电一体化的发展l1.1.3机电一体化的范畴l1.1.4机电一体化系统的基本组成要素返回1.1.1 机电一体化的起源最早起源于日本(新兴的边缘学科)机械学（Mechanics）+电子学（Electronics）=机电 一体化或机械电子工程（Mechatronics）定义：在机械主功能、动力功能、信息功能和控制 功能基础上引进微电子技术，并将机械装置与电子 装置用相关软件有机结合所构成系统总称。1.1.2机电一体化的发展萌芽阶段 20世纪60年代 前蓬勃发展阶段 70年代到8

3、0年代智能化阶段 90年代后期无意识应用 阶段，应用 少获得普遍认 可和支持， 产品得到极 大发展出现光机电 一体化和微 机电一体化 等新分支； 理论体系逐 步完善机电电一体化工程和技术术销销售 市场调查场调查 用户户需求 信息 产产品说说明设计设计制造 制造策略 全面质质量管理1.1.3机电一体化的范畴数控机床加工中心机器人数控机械手 包装机1.1.4机电一体化系统的基本组成要素信息输输入控制及信 息处处理部 分驱动驱动 部分执执行机构机械本体动动力部分传传感测测 试试部分结构组 成要素动力组 成要素运动组 成要素感知组 成要素智能组 成要素五大组组 成要素：1.1.4机电一体化系统的基本组

4、成要素l这些组成要素内部及其相互之间，通过接口耦 合、运动传递、物质流动、信息控制、能量转换 有机融合集成一个完整系统。1.机械本体 系统所有功能元素的机械支持结构 组成：如机身、框架、机械联接等结构 要求：高效、多功能、可靠和节能、小型、轻量、美 观等要求1.1.4机电一体化系统的基本组成要素2.动力与驱动部分 按照系统的功能要求，为系统提供能量和动力使系 统正常运行。 组成：气动、电动和液压不同的驱动方式 要求：高效率（最小动力输入最大功能输出）和快速 响应、可靠性好、便于维修和实行标准化1.1.4机电一体化系统的基本组成要素3. 测试传感部分检测系统内部和外部环境及状态，变成可识别信号

5、，传输到信息处理单元 组成：专门传感器、仪器仪表1.1.4机电一体化系统的基本组成要素4. 执行机构l根据控制信息和指令，驱动对象完成要求的动作 组成：机械、电磁、电液等机构 要求：提高刚性，减轻重量，实现组件化、标准化和 系列化，提高系统整体可靠性1.1.4机电一体化系统的基本组成要素5. 控制及信息单元l进行信息处理与控制的核心 组成：计算机、可编程控制器（PLC）、数控装置及逻 辑电路、A/D与D/A转换、I/O接口和计算机外部设备 等 要求：高处理速度、高可靠性、强抗干扰能力、智能 化、小型、轻量、标准化1.1.4机电一体化系统的基本组成要素机电电一体化系统统控制及信息单元测试传 感部

6、分机械本体动力与驱动部分执行机构大脑五官、皮肤骨骼内脏手、足l以上基本要素通常称为机电一体化的五大组成要 素。系统中这些单元和它们各自内部各环节之间 都遵循接口耦合、能量转换、信息控制、运动传 递的原则，称为四大原则。 1、接口耦合、能量转换 1）变换：数字量 模拟量；串行码 并行码；电压 电 流；直流 交流 通过接口完成信息或能量的统一 2）放大：两个信号强度相差悬殊的环节间，经接口放大 ，达到能量匹配1.1.4机电一体化系统的基本组成要素3）耦合：变换和放大后的信号在环节间能可靠、快速、 准确的交换，必须遵循一致的时序、信号格式和逻辑规 范 4）能量转换还包含了执行器、驱动器的不同类型能量

7、的 最优转换方法与原理（电能到机械能） 2、信息控制在系统中，所谓智能组成要素的系统控制单元，在 软、硬件的保证下，完成数据采集、分析、判断、决策 ，以达到信息控制的目的。1.1.4机电一体化系统的基本组成要素3、运动传递各组成要素之间不同类型运动的变换与传 输以及以运动控制为目的的优化旋转运动到直线运动，旋转运动减速起源、发展、范畴、基本组成要素返回1.1.4机电一体化系统的基本组成要素1.2机电一体化的理论基础与共性关 键技术l1.2.1机电一体化的理论基础l1.2.2机电一体化的共性关键技术返回1.2.1 机电一体化的理论基础l理论基础（方法论）：系统论、信息论、控制论l机电一体化工程：

8、给定机电一体化系统目的功能 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l实施机电一体化工程的结果，是新型的机电一体 化产品l机电一体化技术：从系统工程观点出发，应用机 械、微电子等有关技术，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1.2.1 机电一体化的理论基础l机电一体化系统：一个包括物质流、能量流和信 息流的系统，有效地利用各种信息所携带的丰富 信息资源，则依赖于信号处理和信息识别技术1.2.2机电一体化的共性关键技术l技术基础：微电子技术、精密机械技术共性关键技 术机械技术计算机与信 息处理技术自动控制技 术传感与检 测技术伺服传动 技 术接

9、口技术系统技术1.2.2机电一体化的共性关键技术l1.机械技术l机电一体化的基础l如何与机电一体化技术相适应 利用现有高新技术实现结构上、材料上、性能上以及 功能上的变更 要求：减少质量、缩小体积、提高精度、提高刚度、 改善性能、增加功能1.2.2机电一体化的共性关键技术l2.计算机与信息处理技术l计算机技术包括：计算机的软件技术、硬件技 术、网络与通信技术、数据技术l信息处理技术包括：信息的交换、存取、运算、 判断和决策 实现信息处理的工具是计算机，因此计算机技术与信 息处理技术是密切相关的 计算机信息处理部分指挥整个系统的运行。信息处理 是否正确、及时，直接影响到系统工作和效率。1.2.2

10、机电一体化的共性关键技术l3.自动控制技术l主要包括： 基本控制理论，在此理论指导下，对具体控制装置或 控制系统进行设计 设计后的系统仿真，现场调试 使研制的系统可靠的投入运行l内容：高精度定位控制、速度控制、自适应控 制、自诊断控制、等等1.2.2机电一体化的共性关键技术l4.传感与检测技术l关键元件：传感器 传感器：将被测量（物理量、化学量、生物量）变换 成系统可识别的、与被测量有确定对应关系的有用电 信号的一种装置 要求：快速、精确地获取信息，并能经受各种严酷环 境的考验1.2.2机电一体化的共性关键技术l5.伺服传动技术l伺服传动技术：直接执行操作的技术 包括：电动、气动、液压等各种类

11、型的传动装置l伺服系统：实现电信号到机械动作的转换装置或 部件，对系统的动态性能、控制质量和功能具有 决定性的影响l伺服驱动包括：直流伺服驱动、交流伺服驱动、 步进电机、电液马达、气动马达1.2.2机电一体化的共性关键技术l6. 接口技术l定义：实现系统各部分有机连接的保证l包括：电气接口、机械接口、人机接口 电气接口：实现系统间电信号连接 机械接口：机械与机械部分连接，机械与电气装置部 分的连接 人机接口：提供了人与系统间的交互界面1.2.2机电一体化的共性关键技术l7.系统技术l以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角 度和系统目标出发，将总体分解成相互有机联系 的若干功能单元，以功能单

12、元为子系统进行二次 分解，生成功能更单一和具体的子功能单元l理论基础、共性关键技术返回1.3现代制造业中的机电一体化技术l1.3.1现代制造系统与新生产方式l1.3.2机床产业数控化l1.3.3机器人产业的兴起l1.3.4未来的工厂返回1.3现代制造业中的机电一体化技术l制造技术：工程技术中最复杂、最重要的技术，已成 为机电一体化技术的重点l现代制造技术：制造业中已经或将要采用的各种先进 的设计技术、制造技术、管理技术和智能技术的总称l现代制造系统包含： 计算机辅助设计 计算机辅助制造 计算机辅助管理 人工智能 其他技术1.3.1现代制造系统与新生产方式l1. MRP l制造资源计划（ Man

13、ufacturing Resource Planning,简 称MRP ）是基本物 料需求计划（Material Requirement Planning, 简称MRP）扩展而来l管理信息系统生长长 资资源生 产产库库 存采 购购销销 售财财 务务成本1.3.1现代制造系统与新生产方式集成化生产产管理 功能信息处处理功能仿真功能基本功能1.3.1现代制造系统与新生产方式l2.JITl准时化生产方 式（Just In Time,简称JIT ）是由日本丰 田汽车公司创 立的一种精益 生产方式彻底排除浪费1.3.1现代制造系统与新生产方式l3.OPTl最优生产技术（Optimized Product

14、ion Technology ，简称OPT）是以物流平衡为目标，以对关键资 源的严格管理为核心的一种先进生产管理技术。l瓶颈资源、非瓶颈资源 瓶颈资源是限制工厂生产能力发展的那些资源 控制中心、关键环节1.3.1现代制造系统与新生产方式l4.CEl并行工程（Concurrent Engineering,简称CE）就是 一种集成、并行地设计产品及相关过程的系统化 方法。l5.LPl精益生产（Lean Production,简称LP）既是一种以 最大限度地减少企业生产所占用的资源和降低企 业管理和运营成本为主要目标的生产方式，也是 一种哲理 目标是：精益求精，追求尽善尽美，永无止境1.3.1现代制

15、造系统与新生产方式l6.AMl灵捷制造（Agile Manufacturing,简称AM）就是具 有灵捷性的制造战略、制造生产模式、体制和社 会技术群的集合 目标：建立一种对用户需求的产品和服务做出灵敏快 速反应的、市场竞争力强的制造组织和活动 动态公司或虚拟公司 三大基石：革新的组织和管理机构、柔性技术、有知 识和技术的工作人员1.3.1现代制造系统与新生产方式l7.FMSl柔性制造系统（ Flexible Manufacturing System,简称FMS ）是在直接数控 基础上发展起来 的一种适用于多 品种小批量的自 动化加工形式。自动动装 卸系统统输输送系 统统数控机 床西门子自动化

16、柔性制造系统1.3.1现代制造系统与新生产方式l优点： 提高机床利用率 减少直接和间接劳动 缩短生产周期 减少在制品库存量 减少刀具和夹具 柔性高1.3.1现代制造系统与新生产方式l构成柔性制造系 统加工系统物料运输系 统控制系统数控机床加工中心机械手托板转换装置工件及工具运输系 统铁屑处理系统仓库储运系统加工控制系统工件检测系统故障诊断系统仓库管理控制系统1.3.1现代制造系统与新生产方式 中小批量FMS 中大批量柔性生产线FML 加工一般零件的部分或全部工序柔性制造单元FMC柔性制造1.3.1现代制造系统与新生产方式l8.CIMSl计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System,简称CIMS）是研究从订货 到设计、制造、检查、搬运、市场分配、计划决 策、销售经营等整个企业自动化的一种技术，也 是一种适于多品种、中小批量生产的高效率、高 柔性的智