配套课件-机电一体化导论.ppt
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- 配套 课件 机电 一体化 导论
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1、1第第1 1章章 绪论绪论2教学目标教学目标 知识目标:知识目标:1.熟练掌握机电一体化含义;2.了解机电一体化组成要素;3.了解机电一体化的发展趋势。能力目标能力目标:1.概括总结所学知识的能力;2.分析问题、解决问题的能力。3教学重、难点教学重、难点 教学重点:教学重点:1.机电一体化含义 2.机电一体化产品组成要素 3.机电一体化系统的设计方法 教学难点教学难点:1.机电一体化组成要素的作用 2.机电一体化系统的含义及设计流程4本章主要内容本章主要内容1.1 机电一体化系机电一体化系统概述统概述1.2 机电一体化系统的设计机电一体化系统的设计1.3 机电一体化的发展机电一体化的发展趋势趋
2、势5德国工业4.0和中国制造2025强调加快发展智能制造装备和产品;组织研发具有深度感知、智慧决策、自动执行功能的高档数控机床、工业机器人、增材制造装备等智能制造装备以及智能化生产线;突破新型传感器、智能测量仪表、工业控制系统、伺服电机及驱动器和减速器等智能核心装置;推进工程化和产业化。6机电一体化虽然是一个独立的科学门类,但依然和其他的学科有着千丝万缕的关系,和工业4.0及中国制造2025紧密相连,它是其他学科技术优势的整合体,是建立在其他学科技术的基础上发展的7 机械工程科学发展的特点及趋势机械工程科学发展的特点及趋势 多学科深度交叉多学科深度交叉机械工程科学机械工程科学微光机电系统微光机
3、电系统纳米机械学纳米机械学纳米加工测量纳米加工测量微操作系统微操作系统机械仿生机械仿生仿生制造仿生制造电子制造。电子制造。e-制造、制造、数字制造、虚拟数字制造、虚拟制造;网络制造;制造;网络制造;纳米科技纳米科技纳米材料纳米材料微型机械微型机械纳米器件纳米器件生命科技生命科技人类基因组人类基因组基因工程基因工程生物芯片生物芯片 信息科技信息科技光子、量子、光子、量子、生物计算机;生物计算机;网络技术网络技术 当前制造业存在的主要问题当前制造业存在的主要问题 技术创新能力比较技术创新能力比较10本课程的重要专业课程 机械工程设计基础 液压与气压传动 机电创新设计 电路与电机 电子技术 单片机原
4、理与接口技术 电气控制与PLC应用 传感器应用11 机电一体化技术:从系统的观点出发,将机械技机电一体化技术:从系统的观点出发,将机械技术术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合,以实现整个系统最工程基础上有机地加以综合,以实现整个系统最佳化的一门新科学技术。佳化的一门新科学技术。机电一体化不是机械机电一体化不是机械与电子简单的叠加,而与电子简单的叠加,而是在是在信息论、控制论和信息论、控制论和系统论系统论的基础上建立起的基础上建立起来的来的应用技术应用技术。机电一体化信息科学机械学电子学12 机电一体化一般包含机电一体化一般包
5、含机电一体化产品机电一体化产品(系统系统)和和机电一体化技术机电一体化技术两层含义。两层含义。典型的机电一体化产品典型的机电一体化产品(系统系统)有:数控有:数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、仪器仪表、电子排版印刷系统、CADCADCAMCAM系统等。系统等。13数数控控铣铣床床141516机械手臂机械手臂17 汽车防抱死系统汽车防抱死系统(ABS)18 出色的机电一体化案例:1.异步电动机控制机床进给用计算机控制伺服电机控制机床进给;2.机床主轴的反转制动现代数控机床的主轴准停和主轴进给;3.机床内链环的螺纹加工具有编码器
6、的数控螺纹加工;4.汽车发动机化油器供油电子燃油喷射;5.纺织工业的有梭织机喷气、喷水无梭织机;6.纹板笼头控制提花方式电子计算机提花方式的转变。1920212223241.3 共性关键技术共性关键技术 1 检测传感技术检测传感技术 2 信息处理技术信息处理技术 3 自动控制技术自动控制技术 4 伺服驱动技术伺服驱动技术 5 机械技术机械技术 6 系统总体技术系统总体技术25262728 6 6、系统总体技术、系统总体技术 系统总体技术是一种从整体目标出发,用系统总体技术是一种从整体目标出发,用系统工程的观点和方法,将系统各个功能模系统工程的观点和方法,将系统各个功能模块有机的结合起来,以实现
7、整体最优。其重块有机的结合起来,以实现整体最优。其重要内容为接口技术。接口包括电气接口、机要内容为接口技术。接口包括电气接口、机械接口、人机接口。械接口、人机接口。29机电一体化技术特点 简化结构,提高精度 易于实现多功能和柔性自动化 产品开发周期缩短、竞争能力增强 生产方式向高柔性、综合自动化方向发展 促进经营管理体制发生根本性的变化301.2机电一体化系统的设计机电一体化系统的设计 机电一体化产品的分类 设计类型:开发性、适应性、变参数 设计方法:取代法、整体法、组合法 设计程序 设计途径 设计过程31 市场调研市场调研 总体方案设计总体方案设计 详细设计详细设计 样机试制与试验样机试制与
8、试验 小批量生产小批量生产 大批量生产大批量生产32一、市场调研一、市场调研 市场调研包括市场调研包括市场调查市场调查和和市场预测市场预测。所谓。所谓市市场调查场调查,就是运用科学的方法,系统、全面地,就是运用科学的方法,系统、全面地收集所设计产品市场需求和经销方面的情况和收集所设计产品市场需求和经销方面的情况和资料,分析研究产品在供需双方之间进行转移资料,分析研究产品在供需双方之间进行转移的状况和趋势,而的状况和趋势,而市场预测市场预测就是在市场调查的就是在市场调查的基础上,运用科学方法和手段,根据历史资料基础上,运用科学方法和手段,根据历史资料和现状,通过定性的经验分析或定量的科学计和现状
9、,通过定性的经验分析或定量的科学计算,对市场未来的不确定因素和条件作出预计、算,对市场未来的不确定因素和条件作出预计、测算和判断,为产品的方案设计提供依据。测算和判断,为产品的方案设计提供依据。33二、总体方案设计二、总体方案设计 1产品方案构思产品方案构思 产品方案构思完成后,以方案图的形式将设计方产品方案构思完成后,以方案图的形式将设计方案表达出来。方案图应尽可能简洁明了,反映机案表达出来。方案图应尽可能简洁明了,反映机电一体化系统各组成部分的相互关系,同时应便电一体化系统各组成部分的相互关系,同时应便于后面的修改。于后面的修改。2方案的评价方案的评价 对多种构思和多种方案进行筛选,选择较
10、好的可对多种构思和多种方案进行筛选,选择较好的可行方案进行分析组合和评价,从中再选几个方案行方案进行分析组合和评价,从中再选几个方案按照机电一体化系统设计评价原则和评价方法进按照机电一体化系统设计评价原则和评价方法进行深入的综合分析评价,最后确定实施方案。行深入的综合分析评价,最后确定实施方案。34三、详细设计三、详细设计 详细设计是根据综合评价后确定的系统方详细设计是根据综合评价后确定的系统方案,从技术上将其细节逐层全部展开,直案,从技术上将其细节逐层全部展开,直至完成产品样机试制所需全部技术图纸及至完成产品样机试制所需全部技术图纸及文件的过程。文件的过程。35四、样机试制与试验四、样机试制
11、与试验 完成产品的详细设计后,即可进入样机试制与完成产品的详细设计后,即可进入样机试制与试验阶段。根据制造的成本和性能试验的要求,试验阶段。根据制造的成本和性能试验的要求,一般制造几台样机供试验使用。样机的试验分为一般制造几台样机供试验使用。样机的试验分为实验室试验和实际工况试验,通过试验考核样机实验室试验和实际工况试验,通过试验考核样机的各种性能指标是否满足设计要求,考核样机的的各种性能指标是否满足设计要求,考核样机的可靠性。如果样机的性能指标和可靠性不满足设可靠性。如果样机的性能指标和可靠性不满足设计要求,则要修改设计,重新制造样机,重新试计要求,则要修改设计,重新制造样机,重新试验。如果
12、样机的性能指标和可靠性满足设计要求,验。如果样机的性能指标和可靠性满足设计要求,则进入产品的小批量生产阶段。则进入产品的小批量生产阶段。36 五、小批量生产五、小批量生产 产品的小批量生产阶段实际上是产品的试生产品的小批量生产阶段实际上是产品的试生产试销售阶段。这一阶段的主要任务是跟踪调查产试销售阶段。这一阶段的主要任务是跟踪调查产品在市场上的情况,收集用户意见,发现产品产品在市场上的情况,收集用户意见,发现产品在设计和制造方面存在的问题,并反馈给设计、在设计和制造方面存在的问题,并反馈给设计、制造和质量控制部门。制造和质量控制部门。六、大批量生产六、大批量生产 经过小批量试生产和试销售的考核
13、,排除产经过小批量试生产和试销售的考核,排除产品设计和制造中存在的各种问题后,即可投入大品设计和制造中存在的各种问题后,即可投入大批量生产。批量生产。37机电一体化对机械工业的影响机电一体化对机械工业的影响 1 提高性能、扩展功能提高性能、扩展功能 今日的数控机床充分发挥计算机的威力,运用今日的数控机床充分发挥计算机的威力,运用时间序列分析和精度创成等理论建立数学模型。时间序列分析和精度创成等理论建立数学模型。已有可能实时预报包括随机误差在内的机床误已有可能实时预报包括随机误差在内的机床误差,然后自动校正,从而达到前所未有的精度。差,然后自动校正,从而达到前所未有的精度。采用对阻尼进行预报,一
14、旦接近临界值时就自动采用对阻尼进行预报,一旦接近临界值时就自动调整切削用量,这又可能出现永不颤振的机床,调整切削用量,这又可能出现永不颤振的机床,保证很高的生产率和良好的加工表面。保证很高的生产率和良好的加工表面。38SKXT-1200铣镗钻机床 传 动系统图m=3 z=46m=3 z=23m=3 z=58p=12p=12m=3 z=55d=37变频调速电机d=71m=3 z=2388m=3 z=25 m=3 z=48交流伺服电机交流伺服电机8m=3 z=25 m=3 z=488交流伺服电机回转工作台m=3 z=4639 3 提高可靠性提高可靠性 在提高电子元件质量、可靠性的前提下,机电在提高
15、电子元件质量、可靠性的前提下,机电一体化产品可以提高耐久性,减少故障率。另一一体化产品可以提高耐久性,减少故障率。另一方面由于赋予其自动监视诊断功能,并采取安全方面由于赋予其自动监视诊断功能,并采取安全联锁控制,过负荷和失控保护、停电对策,提高联锁控制,过负荷和失控保护、停电对策,提高了设备的安全可靠性。了设备的安全可靠性。40 4 节约能源节约能源 例如目前我国各类电风扇年产量在例如目前我国各类电风扇年产量在200万台左右,万台左右,如每台电扇的调速器和定时器如每台电扇的调速器和定时器(现常用电磁机械式现常用电磁机械式)用电子调速器和定时器代替,估计每台风扇可节用电子调速器和定时器代替,估计
16、每台风扇可节电电5W以上,全年以用扇以上,全年以用扇100天,每天开扇天,每天开扇6h计,计,则每年可节约用电量则每年可节约用电量600万万kWh,还可节省大批,还可节省大批铜材和钢材。铜材和钢材。再如传统的电焊机以电磁原理和手工操作为基础,再如传统的电焊机以电磁原理和手工操作为基础,即使是一般的自动电焊机,其动作过程也仅为简即使是一般的自动电焊机,其动作过程也仅为简单的机械动作和相应的控制。这类电焊机耗能多、单的机械动作和相应的控制。这类电焊机耗能多、效率低、质量不易保证。采用微型机技术后,发效率低、质量不易保证。采用微型机技术后,发展新颖的电子控制电源以取代传统的焊接电源,展新颖的电子控制
17、电源以取代传统的焊接电源,实现焊接电源的节能、高效、小型化、多样化。实现焊接电源的节能、高效、小型化、多样化。411.3 发展概况及发展趋势发展概况及发展趋势1.201.20世纪世纪6060年代前为第一阶段,年代前为第一阶段,“萌芽阶段萌芽阶段”工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结合,以提高机械产品的性能。但是由于电子技术的发展相对合,以提高机械产品的性能。但是由于电子技术的发展相对落后,使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。落后,使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。2.202.20世纪世纪7070年代到年代到8080年代为
18、第二阶段,年代为第二阶段,“蓬勃发蓬勃发展阶展阶”计算机技术、控制技术、通信技术的发展,为机电一体计算机技术、控制技术、通信技术的发展,为机电一体化的发展奠定了技术基础这个时期的特点是:化的发展奠定了技术基础这个时期的特点是:mechatronicsmechatronics一词首先在日本被普遍接受,大约到一词首先在日本被普遍接受,大约到2020世纪世纪8080年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认;年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认;机电一体化技术和产品得到了极大发展;机电一体化技术和产品得到了极大发展;各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。各国均开始对机电一体化技术和产品
19、给以很大的关注和支持。42 3.203.20世纪世纪9090年代后期开始为第三阶段,年代后期开始为第三阶段,“智能化阶智能化阶段段”光学、通信技术等进入了机电一体化,微细加工技术也光学、通信技术等进入了机电一体化,微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚,出现了光机电一体化和微机电在机电一体化中崭露头脚,出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支;一体化等新分支;对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法,机电对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法,机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取由于人工
20、智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步,为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。得的巨大进步,为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究,将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐这些研究,将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。渐形成完整的科学体系。43 1.数控机床的问世,写下了数控机床的问世,写下了“机电一体化机电一体化”历史的历史的第一页。第一页。2.微电子技术为微电子技术为“机电一体化机电一体化”带来勃勃生机。带来勃勃生机。3.可编程序控制器、可编程序控制器、“电力电子电力电子”等的发展为等的发展为“机电机电一体化一体化”提供了坚强基础。提供了坚强
21、基础。4.激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使“机机电一体化电一体化”跃上新台阶。跃上新台阶。44发展趋势发展趋势 1 1 智能化智能化 智能化是智能化是2121世纪机电一体化技术发展的一个世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化建设者的重要发展方向。人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视,机器人与数控机床的智能化研究日益得到重视,机器人与数控机床的智能化就是重要应用。这里所说的就是重要应用。这里所说的“智能化智能化”是对机器是对机器行为的描述,是在控制理论的基础上,吸收人工行为的描述,是在控制理论的基础上,吸收人工智能、运筹
22、学、计算机科学、模糊数学、心理学、智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法,模拟人生理学和混沌动力学等新思想、新方法,模拟人类智能,使它具有判断推理、逻辑思维、自主决类智能,使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力,以求得到更高的控制目标。策等能力,以求得到更高的控制目标。452 模块化模块化 由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多,研由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多,研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重
23、要的事。这需要制定各项标准,复杂但又是非常重要的事。这需要制定各项标准,以便各部件、单元的匹配和接口。由于利益冲突,以便各部件、单元的匹配和接口。由于利益冲突,近期很难制定国际或国内这方面的标准,但可以近期很难制定国际或国内这方面的标准,但可以通过组建一些大企业逐渐形成。显然,从电气产通过组建一些大企业逐渐形成。显然,从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定,无论品的标准化、系列化带来的好处可以肯定,无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业,规模化将给机电一体化机电一体化产品的企业,规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。
24、企业带来美好的前程。463网络化网络化 20世纪世纪90年代,计算机技术等的突出成就是网年代,计算机技术等的突出成就是网络技术。机电一体化新产品一旦研制出来,只要其络技术。机电一体化新产品一旦研制出来,只要其功能独到,质量可靠,很快就会畅销全球。由于网功能独到,质量可靠,很快就会畅销全球。由于网络的普及,基于网络的各种远程控制和监视技术方络的普及,基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾,而远程控制的终端设备本身就是机电一体兴未艾,而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。因此,机电一体化产品无疑朝着网络化方化产品。因此,机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。向发展。47 4 4 微型化微型
25、化 微型化兴起于微型化兴起于2020世纪世纪8080年代末,指的是年代末,指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统趋势。国外称其为微电子机械系统(MEMSMEMS),泛指几何尺寸不超过),泛指几何尺寸不超过1cm1cm3 3的机电的机电一体化产品,并向微米、纳米级发展。微一体化产品,并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小机电一体化产品体积小 、耗能少、运动灵、耗能少、运动灵活,在生物医疗、军事、信息等方面具有活,在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶不可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶颈在于
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