机电一体化概论ppt课件.ppt
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1、1董长双2013.12机械工程学院机械工程学院2 机电一体化系统的基本概念机电一体化系统的基本概念 机电一体化系统的关键性技术机电一体化系统的关键性技术 机电一体化产品的设计机电一体化产品的设计 机电一体化技术概论机电一体化技术概论3 机电一体化(机电一体化(Mechatronics)的基本概念)的基本概念 机电一体化是微电子技术向机械工业渗透过程中逐渐机电一体化是微电子技术向机械工业渗透过程中逐渐形成的一个新概念,是各相关技术有机结合的一种形成的一个新概念,是各相关技术有机结合的一种新形式。机电一体化(新形式。机电一体化(Mechatronics)这个名词的)这个名词的起源于日本,在起源于日
2、本,在1971,日本,日本机械设计机械设计杂志副刊杂志副刊就提出了就提出了“Mechatronics”这一名词,这一名词,1976年以广年以广告为主的日本杂志告为主的日本杂志Mechatronics Design News开始使用,其中的开始使用,其中的“Mechatronics”是由是由“Mechanics”的前半部和的前半部和“Electronics”的后半部的后半部组合而成。翻译为机电一体化或机械电子学。组合而成。翻译为机电一体化或机械电子学。一、一、Mechatronics Mechatronics 的基本含义的基本含义4“机电一体化机电一体化”是机械技术、微电子技术相互交是机械技术、
3、微电子技术相互交叉、融合的产物。叉、融合的产物。机械技术机械技术(机械学(机械学机构学)机构学)机电一体化机电一体化技术领域技术领域微电子技术微电子技术(半导体技(半导体技术、计算机术、计算机技术)技术)5机电一体化技术的发展大体上可分为三个阶段机电一体化技术的发展大体上可分为三个阶段2020世纪世纪7070年代至年代至8080年代为第二阶段。年代为第二阶段。 “蓬勃发展阶段蓬勃发展阶段”从从2020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。 “智能化阶段智能化阶段”2020世纪世纪6060年代以前为第一阶段。年代以前为第一阶段。 “萌芽阶段萌芽阶段”机电一体化技术发展史
4、机电一体化技术发展史61 1、六十年代,日本通产省为扩大机械功能,在机械、六十年代,日本通产省为扩大机械功能,在机械上采用电气和电子技术,曾结合数控机床做过不少上采用电气和电子技术,曾结合数控机床做过不少实验,但末能获得成功。实验,但末能获得成功。2 2、七十年代,微电子技术成熟,微机商品化,大规模、七十年代,微电子技术成熟,微机商品化,大规模集成电路问世,构成微机的基本单元集成电路问世,构成微机的基本单元CPUCPU、ROMROM、RAMRAM和和接口电路已经模块化,自己接口电路已经模块化,自己 制造制造 计算机成为可能。计算机成为可能。机电一体化得以现实。机电一体化得以现实。3 3、197
5、11971年,日刊工业新闻社发行年,日刊工业新闻社发行机电一体化入门机电一体化入门和和机电一体化机电一体化月刊,专门刊载机电一体化新产品。月刊,专门刊载机电一体化新产品。74 4、19761976年,机电一体化正式命名年,机电一体化正式命名 “” ” (Mechatronics(Mechatronics、机电一体化)。、机电一体化)。5 5、19711971到到19781978年日本政府颁发年日本政府颁发“机电法机电法”和和“机信机信法法”,对机电一体化的发展起到积极推动作用。,对机电一体化的发展起到积极推动作用。6 6、八十年代,在、八十年代,在“机信法机信法”指导下,机电一体化的指导下,机
6、电一体化的产品如雨后春笋不断涌现。产品如雨后春笋不断涌现。7 7、九十年代,集成度提高,价格下降,机电一体化技、九十年代,集成度提高,价格下降,机电一体化技术在世界范围内得到迅猛发展,机电一体化技术遍及术在世界范围内得到迅猛发展,机电一体化技术遍及社会各个领域。全盛时期开始。社会各个领域。全盛时期开始。8 机电一体化的定义在日本多种多样。但机电一体化的定义在日本多种多样。但最具有指导性的定义是日本机械振兴协最具有指导性的定义是日本机械振兴协会经济研究所提出的。会经济研究所提出的。1、日本关于、日本关于Mechatronics的定义的定义 “机电一体化这个词乃是在机械的主功能、机电一体化这个词乃
7、是在机械的主功能、动力功能、信息与控制功能上引进了电子动力功能、信息与控制功能上引进了电子技术,并将机械装置与电子设备以及软件技术,并将机械装置与电子设备以及软件等有机结合而成的系统的总称等有机结合而成的系统的总称”。9 美国是机电一体化产品开发和应用的最早的国美国是机电一体化产品开发和应用的最早的国家。如世界上第一台数控机床家。如世界上第一台数控机床(1952)、第一)、第一个工业机器人(个工业机器人(1962)。)。2、美国关于现代机械系统的定义、美国关于现代机械系统的定义“由计算机信息网络协调与控制的由计算机信息网络协调与控制的,用于完成包用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机
8、械括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和和(或或)机电部件相互联系的系统机电部件相互联系的系统” 。 美国机械工程师协会的一个专家组于美国机械工程师协会的一个专家组于1984年年 在给美国国家科学基金会的报告中,提出了现在给美国国家科学基金会的报告中,提出了现 代机械系统的定义。代机械系统的定义。10 113、我国对机电一体化的理解、我国对机电一体化的理解 机电一体化是机电一体化技术及其产品的统称机电一体化是机电一体化技术及其产品的统称,还将柔性制造系统还将柔性制造系统(FMS)(Flexible Manufacturing System)和计算机集成制造系统和计算机集成制造系统(CIMS
9、)(Computer Integrated Manufacturing System)包括在内。包括在内。 机电一体化是在机械产品中的机构主功能、动机电一体化是在机械产品中的机构主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术和计算机技术和计算机技术,并将机械装置和电子设备以及计算机并将机械装置和电子设备以及计算机软件等有机结合起来构成的系统总称。软件等有机结合起来构成的系统总称。 863863计划计划 机电一体化领导小组机电一体化领导小组数控技术数控技术 工业机器人工业机器人 计算机几集成制造系统计算机几集成制造系统12二、机电一体化系统二、
10、机电一体化系统1、定义:、定义: 机电一体化系统是一种比较复杂的工程系统,它是机电一体化系统是一种比较复杂的工程系统,它是由相互关联的、若干种类的元素由相互关联的、若干种类的元素(机械、流体、电、磁、机械、流体、电、磁、光、热、声等光、热、声等)组成的,具有特定目标的有机整体。组成的,具有特定目标的有机整体。整体性整体性(集合性集合性)、关联性、目的性和相对性。、关联性、目的性和相对性。1 1)属性)属性13系统系统控制控制物质物质能量能量信息信息物质物质能量能量信息信息(人)(人)工业三大工业三大要素要素具有所需具有所需特性特性2)系统目的功能)系统目的功能三大目三大目的功能的功能变换功能变
11、换功能:加工、处理加工、处理传递功能传递功能:移动、输送移动、输送 储存功能储存功能:保持、积蓄、记录保持、积蓄、记录(变换、传递、储存)变换、传递、储存)142、功能构成原理、功能构成原理1)系统框图)系统框图系统系统(特性)(特性)输入输入x外部环境外部环境直接输出直接输出y间接输出间接输出152)系统结构框图)系统结构框图大系统大系统系统系统1分系统分系统1(单元)(单元)单元单元1(部件)(部件)元件元件1系统系统k分系统分系统h单元单元m元件元件n16主功能主功能(变换、传递、保存)(变换、传递、保存)动力功能动力功能控制功能控制功能输入输入输出输出结构功能结构功能干扰干扰排放物排放
12、物能量输入能量输入信息输入信息输入 信息输出信息输出物质物质能量能量信息信息物质物质能量能量信息信息3)机电一体化系统功能构成原理图)机电一体化系统功能构成原理图检测功能检测功能17CNC机床内部功能构成实例机床内部功能构成实例18结论:有五种内部功能。结论:有五种内部功能。主主 功功 能:实现系统目的功能直接必需的功能,主要是对物质、能:实现系统目的功能直接必需的功能,主要是对物质、 能量、信息或其相互结合进行变换、传递和存储。能量、信息或其相互结合进行变换、传递和存储。动力功能:向系统提供动力、让系统得以运转的功能。动力功能:向系统提供动力、让系统得以运转的功能。检测功能:获取系统内、外部
13、信息的功能。检测功能:获取系统内、外部信息的功能。控制功能:对整个系统进行控制,使系统正常运转,实施目的控制功能:对整个系统进行控制,使系统正常运转,实施目的 功能。功能。构造功能:使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和构造功能:使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和 空间上的相互关系所必须的功能。空间上的相互关系所必须的功能。194)系统数学模型)系统数学模型y=(x1、x2、xn,1、2、n,t)y系统目的或输出;系统目的或输出;xi输入;输入;i环境或约束条件。环境或约束条件。20 机械本体机械本体3、系统组成、系统组成 动力部分动力部分 测试传感部分测试传感部分 控制及信息
14、处理单元控制及信息处理单元 执行机构执行机构 接口接口 驱动部分驱动部分211)机械本体)机械本体 是所有功能元素的机械支持结构,包括机身、框架、机是所有功能元素的机械支持结构,包括机身、框架、机械连接、机械运动部件等。械连接、机械运动部件等。 2)动力部分)动力部分 在控制系统的控制下,为系统提供能量和动力使系统正在控制系统的控制下,为系统提供能量和动力使系统正常运行。常运行。3)测试传感部分)测试传感部分 在系统运行中对系统本身和外界环境的各种参数及状态在系统运行中对系统本身和外界环境的各种参数及状态进行检测,变成可识别信号,传输到信息处理单元,经过分进行检测,变成可识别信号,传输到信息处
15、理单元,经过分析、处理后产生相应的控制信息。析、处理后产生相应的控制信息。224)执行机构)执行机构接收控制系统的控制信息和指令,完成要求的动作。接收控制系统的控制信息和指令,完成要求的动作。5)驱动部分)驱动部分 在控制信息作用下,提供动力并实现功率匹配,驱动在控制信息作用下,提供动力并实现功率匹配,驱动各执行机构完成各种动作和功能。各执行机构完成各种动作和功能。6)控制及信息处理单元)控制及信息处理单元 将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、存储、分析、加工,根据信息处理结果,按照一定中、存储、分析、加工,根据信息处理结果,按照一定的程
16、序和节奏发出相应的指令,控制整个系统按要求实的程序和节奏发出相应的指令,控制整个系统按要求实现有序地运行。现有序地运行。7)接口)接口 系统中各单元和环节之间进行物质、能量和信息交系统中各单元和环节之间进行物质、能量和信息交换的连接界面,是外部设备和数控装置之间的桥梁。换的连接界面,是外部设备和数控装置之间的桥梁。23内脏内脏手脚手脚五官五官骨骼骨骼动力动力系统系统控制控制系统系统执行执行机构机构检测检测部分部分机械机械本体本体大脑大脑24机电一体化系统各构成要素之间的相互联系机电一体化系统各构成要素之间的相互联系25第二节第二节 机电一体化产品机电一体化产品一、机电一体化产品的分类一、机电一
17、体化产品的分类(1)产业机械:用于生产的电子控制机械。)产业机械:用于生产的电子控制机械。1、按机电一体化产品的用途分类、按机电一体化产品的用途分类(2)信息机械:用于信息处理、存储的电子机械产品)信息机械:用于信息处理、存储的电子机械产品 。(3)民生机械:用于生活领域的电子机械产品或机械电子产品。)民生机械:用于生活领域的电子机械产品或机械电子产品。 262、按机电一体化产品的功能分类、按机电一体化产品的功能分类(1)在原有机械本体上采用微电子控制装置的产品。)在原有机械本体上采用微电子控制装置的产品。(2)用电子装置局部取代机械控制装置。)用电子装置局部取代机械控制装置。(3)用电子装置
18、取代原来执行信息处理功能的机构。)用电子装置取代原来执行信息处理功能的机构。(4)用电子装置取代了机械的主功能的产品。)用电子装置取代了机械的主功能的产品。(5)信息设备和电子装置有机结合的信息电子设备。)信息设备和电子装置有机结合的信息电子设备。(6)检测装置、电子装置和机构有机结合的检测用电子机械设备。)检测装置、电子装置和机构有机结合的检测用电子机械设备。 27二、机电一体化产品的构成及特点二、机电一体化产品的构成及特点1、主要构成、主要构成1)机械系统)机械系统4)信息处理及控制系统)信息处理及控制系统3)传感与检测系统)传感与检测系统5)执行机构)执行机构2)动力系统)动力系统28
19、2、特点、特点1)安全性、可靠性高)安全性、可靠性高2)生产能力与工作质量高)生产能力与工作质量高3)使用性能好)使用性能好4)有复合功能)有复合功能5)便于调整和维护)便于调整和维护29第三节第三节 机电一体化的技术体系机电一体化的技术体系 机电一体化技术是系统技术、计算机与信息处机电一体化技术是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、伺服传动技术、电力电子理技术、自动控制技术、伺服传动技术、电力电子技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程的一种高新技术。密集型系统工程的一种高新技术。30一、机械技术一、机械技术1.内涵:指
20、机械结构的设计与制造。内涵:指机械结构的设计与制造。2.作用:完成机电一体化系统间的连接以及如何作用:完成机电一体化系统间的连接以及如何与机电一体化的其它技术相适应,并利用其它技与机电一体化的其它技术相适应,并利用其它技术来更新概念,从而实现在结构、材料、性能上术来更新概念,从而实现在结构、材料、性能上的最优化,以满足减少重量、缩小体积、提高精的最优化,以满足减少重量、缩小体积、提高精度、提高刚度、改善性能的要求。度、提高刚度、改善性能的要求。31二、信息处理技术二、信息处理技术(计算机与信息处理技术)(计算机与信息处理技术)1.内涵:信息的变换、存取、运算、判断和决策;内涵:信息的变换、存取
21、、运算、判断和决策;计算机的软件技术和硬件技术、网络与通信技计算机的软件技术和硬件技术、网络与通信技术、数据库技术等。此外,人工智能技术、专术、数据库技术等。此外,人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等也属于该范畴。家系统技术、神经网络技术等也属于该范畴。2.作用:是促进机电一体化技术发展和变革的作用:是促进机电一体化技术发展和变革的 最活跃的因素。最活跃的因素。 32三、检测与传感器技术三、检测与传感器技术1.内涵:研究如何将各种物理量转换成与之成比例内涵:研究如何将各种物理量转换成与之成比例的电量;研究对转换的电信号的加工处理。的电量;研究对转换的电信号的加工处理。2.作用:传感与检测
22、装置是机电一体化系统的作用:传感与检测装置是机电一体化系统的感觉器官,它与信息系统的输入端相连,并将感觉器官,它与信息系统的输入端相连,并将检测到的信号输送到信息处理部分,是实现自检测到的信号输送到信息处理部分,是实现自动控制、自动调节的关键环节。动控制、自动调节的关键环节。33四、自动控制技术四、自动控制技术1.内涵:基本控制理论,对具体控制装置或系统的内涵:基本控制理论,对具体控制装置或系统的设计,设计后的系统仿真、现场调试、投入运行。设计,设计后的系统仿真、现场调试、投入运行。2.作用:实现机电一体化系统的目标最优化,提作用:实现机电一体化系统的目标最优化,提高产品的精度、效率。高产品的
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