第一章：概論(2學時)《機電一體化設(shè)計》

1、主講: 宋現(xiàn)春電話: 86361329郵箱：機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計2021-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束第一章第一章 概論概論知識點：知識點： 機電一體化系統(tǒng)的基本概念 機電一體化系統(tǒng)的關(guān)鍵共性技術(shù) 機電一體化系統(tǒng)的發(fā)展概況2021-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束 美國技術(shù)評論認為，有十種新興技術(shù)在不遠的將來會產(chǎn)生巨大影響：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；可注入組織工程；納米太陽能電池；機電一體化技術(shù)；分子成像；納米印刷刻蝕；軟件保證；糖原組學；量子密碼術(shù)。2021-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后

2、頁后頁 結(jié)束結(jié)束1.1 機電一體化的基本概念機電一體化的基本概念1.1.1機電一體化系統(tǒng)的功能構(gòu)成及定義機電一體化系統(tǒng)的功能構(gòu)成及定義 “機電一體化”一詞(Mechantronics)在20世紀70年代起源于日本。它取英語Mechanics(機械學)的前半部和Electronics（電子學）的后半部分拼成一個新詞，即機械電子學或機電一體化。 2021-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束“機電一體化”是機械技術(shù)、微電子技術(shù)相互交叉、融合的產(chǎn)物 機械技術(shù)（機械學機構(gòu)學）機電一體化技術(shù)領(lǐng)域微電子技術(shù)（半導(dǎo)體技術(shù)、計算機技術(shù)）2021-11-252021-11-25開

3、始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束機電一體化系統(tǒng)由機械本體（機構(gòu)）、信息處理與控制部分（計算機）、能源部分（動力源）、檢測部分（傳感器）、執(zhí)行元件部分（如電動機）等五個子系統(tǒng)組成 能源部分信息處理與控制信息輸入驅(qū)動部分執(zhí)行元件機械本體檢測部分2021-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束典型閉環(huán)控制系統(tǒng) 2021-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束1.1.2機電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要素機電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要素機電一體化系統(tǒng)是由若干具有特定功能的機械與微電子要素組成的有機整體，具有滿足人們使用要求的功能(目的功能)。根據(jù)不同的使用目

4、的，要求系統(tǒng)能對輸入的物質(zhì)、能量和信息(即工業(yè)三大要素)進行某一處理，輸出所需要的物質(zhì)、能量和信息。2021-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束因此，系統(tǒng)必須具有以下三大“目的功能”：變換(加工、處理)功能、傳遞(移動、輸送)功能和儲存(保持、積累、記錄)功能。2021-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束不管那類系統(tǒng)（或產(chǎn)品），其系統(tǒng)內(nèi)部必須具備如所示的五種內(nèi)部功能，即主動能、動力功能、檢測功能、控制功能、構(gòu)造功能。 2021-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束CNC機床內(nèi)部功能構(gòu)成實例 20

5、21-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的五大要素及其對應(yīng)的五大功能2021-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）各構(gòu)成要素之間的相互聯(lián)系 2021-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束1.1.3機電一體化產(chǎn)品的分類機電一體化產(chǎn)品的分類一部分機電一體化系統(tǒng)以能量轉(zhuǎn)換為主，輸入能量(或物質(zhì))和信息，輸出不同能量(或物質(zhì))的系統(tǒng)(或產(chǎn)品)，稱為動力機，其中輸出機械能的為原動機。也有機電一體化系統(tǒng)以信息處理為主，輸入信息量，輸出各種信息的系統(tǒng)，稱為信息機。20

6、21-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束機電一體化產(chǎn)品種類繁多，目前還在不斷擴展，但仍可以按產(chǎn)品的功能劃分為以下幾類。（1）數(shù)控機械類（2）電子設(shè)備類（3）機電結(jié)合類（4）電液伺服類（5）信息控制類2021-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束1.2 機電一體化的共性關(guān)鍵技術(shù)機電一體化的共性關(guān)鍵技術(shù)1.2.1機械設(shè)計技術(shù)機械設(shè)計技術(shù)機械技術(shù)是機電一體化的基礎(chǔ)。機電一體化產(chǎn)品中的主功能和構(gòu)造功能，往往是以機械技術(shù)為主實現(xiàn)的。特別是關(guān)鍵部件，如導(dǎo)軌、滾珠絲杠、軸承、傳動部件等的材料、精度對機電一體化產(chǎn)品的性能、控制精度等多方向的要求

7、。2021-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束1.2.2計算機與信息處理技術(shù)計算機與信息處理技術(shù)信息處理技術(shù)包括信息的輸入、識別、變換、運算、存儲及格出技術(shù)，它們大都是依靠計算機來進行的，因此計算機技術(shù)與信息處理技術(shù)是密切相關(guān)的。信息處理技術(shù)包括信息的交換、存取、運算、判斷和決策等，實現(xiàn)信息處理的主要工具是計算機。計算機技術(shù)包括計算機硬件技術(shù)和軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。2021-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束1.2.3自動控制技術(shù)自動控制技術(shù)自動控制技術(shù)就是通過控制器使被控對象或過程自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。

8、自動控制技術(shù)范圍很廣，包括自動控制理論、控制系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)仿真、現(xiàn)場調(diào)試、可靠運行等從理論到實踐的整個過程。由于被控對象種類繁多，所以控制技術(shù)的內(nèi)容極其豐富，包括高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷、校正、補償、示教再現(xiàn)、檢索等控制技術(shù)。2021-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束1.2.4傳感與檢測技術(shù)傳感與檢測技術(shù)檢測傳感技術(shù)是機電一體化的關(guān)鍵技術(shù)，它將所測得的各種參量如位移、位置、速度、加速度、力、溫度、酸度和其他形式的信號等轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一規(guī)格的電信號輸入到信息處理系統(tǒng)中，并由此產(chǎn)生出相應(yīng)的控制信號以決定執(zhí)行機構(gòu)的運動形式和動作幅度。傳感器檢測的精度

9、、靈敏度和可靠性將直接影響到機電一體化的性能。2021-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束1.2.5執(zhí)行與驅(qū)動技術(shù)執(zhí)行與驅(qū)動技術(shù)伺服驅(qū)動技術(shù)的主要研究對象是執(zhí)行元件及其驅(qū)動裝置。執(zhí)行元件分為電動、氣動、液壓等多種類型，機電一體化產(chǎn)品中多采用電動式執(zhí)行元件驅(qū)動裝胃要是指各種電動機的驅(qū)動電源電路，目前多采用電力電子器件及集成化的功能電路構(gòu)成。2021-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束1.2.6機電一體化總體設(shè)計技術(shù)機電一體化總體設(shè)計技術(shù)系統(tǒng)總體技術(shù)是一種從整體目標出發(fā)，用系統(tǒng)工程的觀點和力法，將系統(tǒng)總體分解成相互有機聯(lián)系的若干功

10、能單元，并以功能單元為子系統(tǒng)繼續(xù)分解，直至找到可實現(xiàn)的技術(shù)方案，然后再把功能和技術(shù)方案組合成方案指進行分析、評價和優(yōu)選的綜合應(yīng)用技術(shù)。2021-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束1.3 機電一體化的發(fā)展概況機電一體化的發(fā)展概況1.3.1國內(nèi)外機電一體化發(fā)展狀況國內(nèi)外機電一體化發(fā)展狀況機電一體化技術(shù)的發(fā)展大體上可分為三個階段。20世紀60年代以前為第一階段，也可稱其為“萌芽階段”。70年代至80年代為第二階段。稱其為“蓬勃發(fā)展階段”。從上世紀90年代后期開始為第三階段，稱其為“智能化階段”，機電一體化技術(shù)向智能化新階段邁進。2021-11-252021-11-2

11、5開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束1.3.2機電一體化技術(shù)的理論的發(fā)展機電一體化技術(shù)的理論的發(fā)展因此，機電一體化的主要發(fā)展方向如下：（1）智能化（2）模塊化（3）網(wǎng)絡(luò)化（4）微型化（5）綠色化（6）人性化2021-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束 2機電一體化的智能化趨勢機電一體化的智能化趨勢 人工智能在機電一體化技術(shù)中的研究日益得到重視，機器人與數(shù)控機床的智能化就是重要應(yīng)用。智能機器人通過視覺、觸覺和聽覺等各類傳感器檢測工作狀態(tài)，根據(jù)實際變化過程反饋信息并做出判斷與決定。數(shù)控機床的智能化現(xiàn)在各類傳感器對切削加工前后和加工過程中的各種參數(shù)進行監(jiān)測，并通

12、過計算機系統(tǒng)作出判斷，自動對異?，F(xiàn)象進行調(diào)整與補償，以保證加工過程的順利進行，并保證加工出合格產(chǎn)品。2021-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束目前，國外數(shù)控加工中心多具有以下智能化功能：對刀具長度、直徑補償和刀具破損監(jiān)測；切削過程的監(jiān)測；工件自動檢測與補償。隨著制造自動化程度的提高，信息量與柔性也同樣提高，出現(xiàn)智能制造系統(tǒng)(IMS)控制器來模擬人類專家的智能制造活動，對制造中的問題進行分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策，其目的在于取代或延伸制造工程中人的部分腦力勞動，并對人類專家的制造智能進行收集、存儲、完善、共享、繼承和發(fā)展。2021-11-252021-11-

13、25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束(1)診斷過程的智能化 診斷功能的強弱是評價一個系統(tǒng)性能的重要智能指標之一。INC引入了人工智能的故障診斷系統(tǒng)，采用了各種推理機制，能準確判斷故障所在，并具有自動檢錯、糾錯與系統(tǒng)恢復(fù)功能，從而大大提高了系統(tǒng)的有效度。 2021-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束(2)人一機接口的智能化 智能化的人一機接口，可以大大簡化操作過程，這里包含多媒體技術(shù)在人能化中的有效應(yīng)用。 2021-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束(3)自動編程的智能化 操作者只需輸入加工工件素材的形狀和需加工形狀的數(shù)據(jù)

14、，加工程序就可全部自動生成，這里包含：素材形狀和加工形狀的圖形顯示；自動工序的確定；使用刀具、切削條件的自動確定；刀具使用順序的變更；任意路徑的編輯；加工過程干涉校驗等。 2021-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束(4)加工過程的智能化 通過智能工藝數(shù)據(jù)庫的建立，系統(tǒng)根據(jù)加工條件的變更，自動設(shè)定加工參數(shù)。同時，將機床制造時的各種誤差預(yù)先存入系統(tǒng)中，利用反饋補償技術(shù)對靜態(tài)誤差進行補償。還能對加工過程中的各種動態(tài)數(shù)據(jù)進行采集，并通過專家系統(tǒng)分析進行實時補償或在線控制。此外，現(xiàn)代CNC系統(tǒng)大都具有學習與示教功能。 2021-11-252021-11-25開始開始

15、前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束1.3.3數(shù)控技術(shù)與機器人技術(shù)數(shù)控技術(shù)與機器人技術(shù)一、數(shù)控機床數(shù)控技術(shù)，簡稱數(shù)控（Numerical Control）。它是利用數(shù)字化的信息對機床運動及加工過程進行控制的一種方法。數(shù)控系統(tǒng)包括：數(shù)控裝置、可編程控制器、主軸驅(qū)動器及進給裝置等部分.數(shù)控機床是機、電、液、氣、光高度一體化的產(chǎn)品。2021-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束二、工業(yè)機器人機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術(shù)，是當代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標

16、志。工業(yè)機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。2021-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束1.3.4 新型的新型的MEMS系統(tǒng)系統(tǒng)微機電系統(tǒng)MEMS(Micro Electronic Mechanical Systems)是一種全新的必須同時考慮多種物理場混合作用的研發(fā)領(lǐng)域，相對于傳統(tǒng)的機械，它們的尺寸更小，最大的不超過一個厘米，甚至僅僅為幾個微米，其厚度就更加微小。2021-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束MEMS特點可以總結(jié)如下：（1） 微型化：MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時間短。 （2） 集成化：微傳感器、微執(zhí)行器和IC集成在一起可以制造出高可靠性和高穩(wěn)定性的智能化MEMS。（3） 多學科交叉：MEMS的制造涉及電子、機械、材料、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科。 2021-11-252021-11-25開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束本章小結(jié)本章小結(jié)機電一