《机械工程概论 教学课件 ppt 作者 刘永贤 蔡光起 主编 第五章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械工程概论 教学课件 ppt 作者 刘永贤 蔡光起 主编 第五章（170页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第5章 机械自动化技术,5.1 概述 5.2 机电一体化基础技术 5.3 数控系统 5.4 机器人技术 5.5 柔性制造技术,5.1 概述,所谓自动化,是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动地进行操作或运行。广义地讲，自动化还包括模拟或再现人的智能活动。自动化技术广泛用于工业、农业、国防、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务以及家庭等各方面。 科学技术的进步与工业的发展，对机械系统自动化提出更高的要求。例如，机械加工工业中，由于加工复杂工件的需要，一般机床已不能满足要求，因而出现了数控机床和加工中心，用于加工复杂型面和形状的工件；在有害工作环境情况下，就要求用机械手代替人工操作
2、，以改善工作条件；在铸造、锻造生产过程中，为摆脱繁重的体力劳动，提高产品质量，机械自动化是一个关键性的措施。其他如运输、上下料、检查作业中，实现自动化都是十分重要的。自动化技术的广泛应用，提高了产品质量，降低了成本，增加了产量，改善了劳动条件，减轻了劳动强度。机械自动化由单机自动化已经发展为制造过程自动化。,5.2 机电一体化基础技术,5.2.1 机电一体化的概念 5.2.2 驱动技术 5.2. 传感技术 5.2. 工业控制计算机 5.2.5 可编程序控制器,5.2.1 机电一体化的概念,机电一体化是随着生产和技术的发展，在以机械、电子技术为主的多学科相互渗透、相互结合的过程中逐渐形成和发展起
3、来的一门新兴学科。 日本于20世纪70年代初开始使用“机电一体化”这个名词。这个词的创造是根据英文Mechanics(机械学)的前半部和Electronics(电子学)的后半部而构成的，即 Mechatronics，用“机电一体化”来表示。“机电一体化”比较恰当地表述了一个新的概念，因而能迅速直接被我国接受和使用。1984年美国机械工程协会(ASME)的一个专家组在给美国国家科学基金会的报告中，明确地提出了现代机械系统的定义为：“由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统”。这一定义实质上是指机电一体化的机械系统。,5.2.2
4、 驱动技术,5.2.2.1 驱动元件的种类 5.2.2.2 液压、气动传动与控制 5.2.2.3 电动机传动系统及控制,5.2.2.1 驱动元件的种类,驱动装置就是按照电信号的指令，将来自电、液压和气压等各种能源的能量转换成旋转运动和直线运动等方式的机械能的装置。其分类如下：按利用的能源，可将执行装置分为电磁式驱动装置、液压式驱动装置和气动式驱动装置及其他装置。电磁式驱动装置中有电动机，包括直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机和直线电动机等，还有电磁铁及其他；液压式驱动装置靠压力油作为动力介质，有液压缸、液压马达等；气动式驱动装置靠压缩空气作为动力源，有气缸和气动马达等；其他装置有弹簧、
5、 双金属片、记忆合金、压电元件及光电马达等。,5.2.2.2 液压、气动传动与控制,1.液压、气动传动与控制过程 2.液压驱动装置 3.气压传动执行装置及控制阀,1.液压、气动传动与控制过程,图5-1 液压、气动传动与控制原理,2.液压驱动装置,图5-2 送料小车液压传动原理 1油箱 过滤器 液压泵 节流阀 回油管 换向阀 、油路 液压缸 电磁铁 溢流阀 油管,2.液压驱动装置,图5-3 液压系统组成框图,图5-4 开关型液压阀的计算机控制的原理框图,2.液压驱动装置,图5-5 模拟量型液压阀的计算机控制的原理框图,3.气压传动执行装置及控制阀,图5-6 气压传动系统基本构成示意图 电动机 空
6、气压缩机 气罐 压力控制阀 逻辑元件 方向控制阀 流量控制阀 行程阀 气缸 消声器 油雾器 过滤器,5.2.2.3 电动机传动系统及控制,1.步进电动机传动及控制 2.伺服电动机及控制,1.步进电动机传动及控制,(1)步进电动机的工作原理 步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移的执行器，分为反应式、永磁式、永磁感应式、直线式。 (2)步进电动机的运行性能 了解步进电动机的运行性能,对正确使用步进电动机和正确设计步进电动机都有着重要意义。,(1)步进电动机的工作原理,图5-7 三相反应式步进电动机结构,(2)步进电动机的运行性能,图5-8 步进电动机矩角特性,(2
7、)步进电动机的运行性能,图5-9 步进电动机驱动电源的组成框图,图5-10 步进电动机在机床进给系统,2.伺服电动机及控制,(1)直流伺服电动机 直流电动机是一种通过变换电动机所加电压使其在允许范围内能提供精确和连续速度控制的驱动元件，具有起动转矩大、体积小、重量轻、转矩和转速易于控制、效率高等许多突出的优点。 (2)交流伺服电动机 由于交流伺服电动机没有电刷和换向器而不需要维护，与直流电动机相比，输出相同功率，交流电动机重量轻，而且结构简单、坚固，适应的安装环境广，可以承受高速运转，因此，交流电动机被认为是一种理想的驱动元件。 (3)交流直线电动机 直线电动机可以认为是传统旋转电动机在结构上
8、的一种演变。,(1)直流伺服电动机,图5-11 直流伺服电动机结构示意图,(2)交流伺服电动机 由于交流伺服电动机没有电刷和换向器而不需要维护，与直流电动机相比，输出相同功率，交流电动机重量轻，而且结构简单、坚固，适应的安装环境广，可以承受高速运转，因此，交流电动机被认为是一种理想的驱动元件。,(3)交流直线电动机,图5-12 旋转电动机到直线电动机的演变 1定子 转子 初级 次级,(3)交流直线电动机,图5-13 直线电动机机构示意图 a)单边型 b)双边型,图5-14 直线电动机外形示意图 a)圆筒型 b)圆弧型 c)圆盘型,5.2. 传感技术,5.2.1 传感器 5.2.2 传感器与测量
9、系统的组成 5.2.3 各种传感器 5.2.4 输入输出接口及数据处理方法,5.2.1 传感器,要使机电一体化系统有效地发挥功能，必须首先获得各种各样的信息。其中检测起着重要的作用。机电一体化系统中涉及到诸如位移、角度、距离、速度、加速度、力和转矩等重要机械量的基本检测原理及检测数据的处理方法。各种物理量的检测信息是通过相应的传感器获得的。 传感器是一种以一定的精确度，将被测物理量转换为与之有确定对应关系的，易于测量、传输和处理的信号的测量部件或装置。由于电信号最便于处理、传输、显示和记录，因此，也可把传感器狭义地定义为：能把外界非电信号转换成电信号输出的器件或装置。,5.2.2 传感器与测量
10、系统的组成,图5-15 测量电路的组成,5.2.3 各种传感器,1.传感器的分类 2.传感器的主要特性和技术指标,1.传感器的分类,表5-1 机械工程中常用传感器,1.传感器的分类,表5-1 机械工程中常用传感器,2.传感器的主要特性和技术指标,(1)传感器的静态特性 (2)传感器的动态特性 传感器的动态特性取决于传感器本身及输入信号的形式。 (3)传感器的技术指标 传感器的主要技术指标见表5-2。,(1)传感器的静态特性,1)量程。传感器的输入与输出保持线性关系的最大量限。一般用传感器允许的测量上、下极限值的代数差表示。超量程范围使用时，传感器的灵敏度下降，性能变坏。 2)灵敏度。传感器输出
11、变化量与引起该变化量的输入变化量的比值。它表示传感器对测量参数微小变化的分辨能力。 3)线性度。传感器的输出与输入之间的关系曲线与选定的工作直线的偏离程度。一般用满量程的百分数表示。 4)迟滞。传感器在输入量增加(正行程)和减少(反行程)的过程中，同一输入量时其输出量的差别。 5)重复性。传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。 6)分辨力。传感器能够检测到的最小输入增量。分辨力可用绝对值表示，也可用满量程的百分数表示。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。 7)稳定性误差。传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化。稳定性误差可用相对误差表示，也可用绝对误差表
12、示。 8)零点漂移。传感器在零输入状态下，输出量的变化。零点漂移有时间零点漂移和温度零点漂移两种。 9)精确度。传感器测量结果与被测量真值接近的程度。精确度一般用极限误差表示，也可用极限误差与满量程之比的百分数表示。,(2)传感器的动态特性,传感器的动态特性取决于传感器本身及输入信号的形式。 传感器的动态特性与控制系统的性能分析方法相同，可以通过时域、频域以及试验分析的方法确定。有关系统分析的指标都可以作为传感器的动态参数，如最大超调量、上升时间、调整时间、稳态误差、频率响应范围、临界频率等。,(3)传感器的技术指标,表5-2 传感器的主要技术指标,5.2.4 输入输出接口及数据处理方法,图5
13、-16 机械系统测量控制系统的组成,5.2. 工业控制计算机,1.工控机的主要特点 2.工控机的组成,1.工控机的主要特点,1) 可靠性高。 2)实时性好。 3)环境适应性强。 4)过程输入和输出配套较好。 5)系统扩充性好。 6)系统开放性好。 7)有先进的系统软件和应用软件，控制软件包功能强。 8)系统通信功能强。 9)后备措施齐全。 10)具有冗余性。,2.工控机的组成,(1)工控机主机 由主板、显示板、磁盘驱动器、无源多槽ISA/PCI底板、电源和机箱等组成。 (2)工业输入/输出接口 它在计算机和工业生产过程之间起着桥梁作用，包括数字量(如拨码开关、数字显示器)、模拟量(如压力、温度
14、、行程等)、开关量(如开关、按钮、指示灯)的I/O接口。 (3)外设 外设包括计算机专用的I/O设备(键盘、显示器、磁盘驱动器、打印机等)，可以实现人机交互作用，并可以用来实现对生产过程的人工干预，如起停操作、查询结果、修改程序等。,2.工控机的组成,图5-17 工控机组成框图,(1)工控机主机,由主板、显示板、磁盘驱动器、无源多槽ISA/PCI底板、电源和机箱等组成。它是计算机控制系统的核心，其主要任务是：将由工业输入接口送来的生产过程工况参数和操作人员通过外设送来的控制信息按照预先确定的数学模型和控制算法，进行分析、计算和判断；然后将数学运算和逻辑运算结果向输出接口发出控制命令，以便控制工
15、业对象的生产过程，并向外设发出系统信息，与操作人员通信联系。,(2)工业输入/输出接口,它在计算机和工业生产过程之间起着桥梁作用，包括数字量(如拨码开关、数字显示器)、模拟量(如压力、温度、行程等)、开关量(如开关、按钮、指示灯)的I/O接口。它有两个功能：第一个为输入接口把生产过程的各种参数和执行机构的运行状态，转换成计算机能够识别和接受的信号，并输入给计算机，以便计算机进行运算处理；第二个为输出接口把计算机根据算术和逻辑运算的结果发出的各种控制命令，转换成操作执行机构的控制信号，以便通过执行机构去控制生产过程。,(3)外设,1)通信接口。 2)信号调理单元。,图5-18 工控机外观,3.工
16、控机的总线结构,(1)片总线 即元件级总线。 (2)内总线 又称系统总线或板级总线，也就是通常所说的微型机系统总钱。 (3)外总线 又称通信总线，用于各微机系统间的通信(如RS232C串行接口总线)，和微机与其他系统(仪器、设备等)之间的通信，如IEEB488总线。,(1)片总线,即元件级总线。如Z80系统中的地址总线、控制总线和数据总线就是片总线。,(2)内总线,又称系统总线或板级总线，也就是通常所说的微型机系统总钱。在微型计算机机箱中，除了一块主板(主要是CPU主板)外，往往还有一些插入主板扩展槽中的插件卡，如扩展存储器卡、CRT接口卡、磁盘驱动器接口卡、打印机接口卡等。为了通用及扩展方便，对这些插槽中每一个引脚的信号名称及电气特性都作了统一规定，即通常所说的总线标准。S100总线、STD 总线、IBMPC/XT总线及PC/AT总线等都属于这个类型。这种总线用于微机系统内各插件板之间的通信。由于连线数目多而且距离近，
