機械工程導論(機電)課件

機械工程導論

（機電工程）周軍機械工程是19世紀初期從民用工程中分離出來的一門工程學科。它的目標是運用數(shù)學、物理等基礎理論和有關機械方面的專門知識，結合生產實際經驗，有判斷地、經濟有效地解決在設計、研究、制造和運行各種機械中遇到的實際問題機械工業(yè)是國民經濟的支柱工業(yè)之一機械工業(yè)是社會生產力發(fā)展水平的重要標志1.1機電一體化的定義

一、機電一體化的定義定義：機電一體化技術是從系統(tǒng)工程觀點出發(fā)，應用機械、電子、信息等有關技術，對它們進行有機的組織和綜合，實現(xiàn)了整體的最佳化。它不是機械與電子的簡單的疊加，而是在信息論（利用傳感技術）、控制論（利用控制理論）和系統(tǒng)論（“系統(tǒng)”整體籌劃，機械和電子分別只是“環(huán)節(jié)”）的基礎上建立起來的應用技術1.2機電一體化的基本功能要素三、傳感檢測單元主要功能是對系統(tǒng)運行過程中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進行檢測，并轉換成可識別信號，傳輸?shù)娇刂菩畔⑻幚韱卧涍^分析、處理產生相應的控制信息由傳感器和儀器儀表組成。1.2機電一體化的基本功能要素四、執(zhí)行單元根據(jù)控制信息和指令完成所要求的動作。執(zhí)行單元是運動部件，根據(jù)機電一體化系統(tǒng)的匹配要求，需要改善執(zhí)行機構的工作性能，如提高剛性，減輕重量，實現(xiàn)組件化、標準化和系列化，以提高系統(tǒng)整體工作可靠性等。1.2機電一體化的基本功能要素五、驅動單元在控制信息的作用下，驅動各執(zhí)行機構完成各種動作和功能。機電一體化系統(tǒng)方面要求驅動單元具有高效率和快速響應性等，同時又要求其對外部環(huán)境的適應性和可靠性，還由于幾何上，動作范圍狹窄等限制，還需考慮維修方便和實行標準化等。1.2機電一體化的基本功能要素六、控制與信息處理單元控制與信息處理單元是機電一體化系統(tǒng)的核心單元。將來自各傳感器的檢測信息和外部輸入指令進行集中、存儲、分析、加工。根據(jù)信息處理結果，按照一定的程序發(fā)出相應的控制信號，通過輸出接口送往執(zhí)行機構，控制整個系統(tǒng)有目的地運行，并達到預期性能。一般由計算機，可編程序控制器，數(shù)控裝置等組成。1.3機電一體化的相關技術一、機械技術機電一體化的機械產品與傳統(tǒng)的機械產品的區(qū)別在于：機械結構更簡單、機械功能更強、性能更優(yōu)越?，F(xiàn)代機械要求具有更新穎的結構、更小的體積、更輕的重量，還要求精度更高、剛度更大、動態(tài)性能更好。在設計和制造機械系統(tǒng)時除了考慮靜態(tài)、動態(tài)剛度及熱變形等問題外，還應考慮采用新型復合材料和新型結構以及新型的制造工藝和工藝裝置。1.3機電一體化的相關技術二、傳感檢測技術傳感器檢測是實現(xiàn)自動控制和自動調節(jié)的關鍵環(huán)節(jié)。傳感檢測技術的內容包括兩方面，一是研究如何將各種被測量（包括物理量、化學量和生物量等）轉換為與之成比例的電量；二是研究對轉換的電信號的加工處理，如放大、補償、標度變換等。機電一體化系統(tǒng)要求傳感檢測裝置能快速、準確、可靠的獲取信息。1.3機電一體化的相關技術三、信息處理技術計算機技術包括計算機的軟件技術、硬件技術、網絡與通訊技術和數(shù)據(jù)技術。機電一體化系統(tǒng)中主要采用工業(yè)控制機（包括可編程控制器，單、多回路調節(jié)器，單片微控制器，總線式工業(yè)控制機，分布式計算機測控系統(tǒng)）進行信息處理。信息處理的發(fā)展方向是提高信息處理的速度、可靠性和智能化程度。人工智能技術、專家系統(tǒng)技術、神經網絡技術等都屬于計算機信息處理技術的范疇。1.3機電一體化的相關技術四、自動控制技術自動控制所依據(jù)的理論是自動控制原理（包括經典控制理論和現(xiàn)代控制理論），自動控制技術就是在此理論的指導下對具體控制裝置或控制系統(tǒng)進行設計；設計后進行系統(tǒng)仿真，現(xiàn)場調試；最后使研制的系統(tǒng)可靠地投入運行。機電一體化系統(tǒng)中的自動控制技術主要包括位置控制、速度控制、最優(yōu)控制、自適應控制以及模糊控制、神經網絡控制等。

1.3機電一體化的相關技術五、伺服傳動技術伺服驅動技術就是在控制指令的指揮下，控制驅動元件，使機械的運動部件按照指令要求運動，并具有良好的動態(tài)性能。伺服傳動包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置。伺服驅動技術是直接執(zhí)行操作的技術，伺服系統(tǒng)是實現(xiàn)電信號到機械動作的轉換裝置和部件，對機電一體化系統(tǒng)的性能起決定性作用。常見的伺服驅動系統(tǒng)主要有電氣伺服（如步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機等）,液壓伺服（如液壓馬達、脈沖油缸等）和氣壓伺服三類。1.4機電一體化（制造）系統(tǒng)一、數(shù)控機床

數(shù)控技術（numericalcontrol，NC）――以數(shù)字化的信息實現(xiàn)對設備進行控制的技術。數(shù)控技術的典型應用數(shù)控機床:數(shù)控金屬切削加工機床數(shù)控車床經濟型數(shù)控車床數(shù)控鉆床數(shù)控銑床加工中心臥式加工中心立式加工中心二、柔性制造系統(tǒng)（FMS）（FlexibleManufacturingSystem）1、柔性制造系統(tǒng)的概念

美國出版的《柔性制造系統(tǒng)手冊》對柔性制造系統(tǒng)的定義比較簡明：由計算機控制的、由若干半獨立的工作站和一個物料傳送系統(tǒng)所組成的、能高效率地制造多品種、中小批量零件的系統(tǒng)。1967年，英國莫林斯公司提出把多臺數(shù)控機床聯(lián)成一體的柔性制造系統(tǒng)的設想。后來，美國K&I公司實現(xiàn)了用計算機控制的柔性制造系統(tǒng)。隨著電子技術和計算機技術的高速發(fā)展，從20世紀80年代初，柔性制造系統(tǒng)得到較快的發(fā)展（據(jù)1986年美國機械工程協(xié)會統(tǒng)計，當時已有370條柔性制造系統(tǒng)在運行中）柔性制造系統(tǒng)的組成1)中央管理與控制計算機功能：★接收工廠主計算機的指令★對整個FMS實行監(jiān)控★對數(shù)控機床或制造單元的加工數(shù)據(jù)實行控制★對夾具、工具實現(xiàn)集中管理和控制★協(xié)調各控制裝置之間的動作

2)制造單元――是FMS的基礎組成部分，由CNC機床和工業(yè)機器人組成。

3)物流控制裝置――對自動化（零件）倉庫、無人輸送臺車、加工的毛坯和成品、加工用的夾具等實行集中管理和控制。4)自動化（零件）倉庫――將毛坯、半成品和成品進行自動調用或儲存。

柔性制造系統(tǒng)的主要組成部分對于一般的FMS，通常是由四大類設備組成：主機、聯(lián)線設備、控制系統(tǒng)和輔助設備。

1)主機

FMS的主機一般為數(shù)控機床，并且多為加工中心機床（多用臥式加工中心），也有數(shù)控車削加工中心（可車、鉆、銑，有銑大螺旋升角的槽的功能）。

2)聯(lián)線設備（自動物料傳輸系統(tǒng)）聯(lián)線設備是指在機床之間、倉庫與機床之間、托板存放站之間輸送和搬運工件、工具的設備。

（2）叉車式吊車主要用于自動化倉庫。

（3）運輸小車1)有軌小車―沿導軌運動。

2)無軌小車（以蓄電池為能源）★電磁引導式―由無線探測埋在地面下的電纜導向?！锕鈱W反射式―用白色或能反射光線的線條制導小車行走。

（4）工業(yè)機器人工業(yè)機器人用于小工件的裝卸和機床間的運輸。

對于按集群式機床布置時，所有機床圍成圓形，一臺工業(yè)機器人可為多臺數(shù)控機床服務。

工業(yè)機器人常用于無夾具的回轉體零件的裝卸。目前已有用工業(yè)機器人和車削加工中心組成的車削生產單元。三、計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）（ComputerIntegratedManufacturingSystem）1、概念1）自動化孤島（IslandsofAutomation）自動化孤島是指在一個工廠內，能夠完成某種功能的自動化子系統(tǒng)，它在職能上是分布的，在地理上是分散的，在時間上是分割的。自動化孤島向集成化（一體化）發(fā)展是一必然方向，也是制造業(yè)的一場深刻的變革。

2、CIMS定義

CIMS是建立在自動化孤島基礎上的復雜系統(tǒng)。CIMS將全部制造過程進行統(tǒng)一規(guī)劃，將一個工廠的設計、生產和經營的各種分布的自動化孤島，通過要素化和標準化有機地集成起來，以獲得一個高效益和高柔性的智能化大系統(tǒng)。CIMS是根據(jù)系統(tǒng)工程的觀點，將整個車間或工廠作為一個閉環(huán)系統(tǒng)，整個系統(tǒng)完全由計算機進行管理。該系統(tǒng)輸入的是產品需求的有關信息，輸出的為經過檢驗的合格產品。

1974年，美國年輕學者哈靈頓博士首先提出“計算機集成制造”的概念，他認為整個生產過程（從市場、設計制造到管理、售后服務等）是一個整體，需要統(tǒng)一考慮；同時整個生產過程是信息的采集、傳送和加工處理的過程，產品的尺寸不過是物化的數(shù)據(jù)。這一觀點為生產過程大量采用信息技術奠定了認識上的基礎。3、CIMS系統(tǒng)的組成CIMS概況

CIMS系統(tǒng)分為三級：

1)決策級決策級是生產決策機構。決策級根據(jù)市場的需求、原材料供應情況，結合本企業(yè)的生產技術條件及財務狀況，作出生產產品的種類及規(guī)模的決策。

2)經營管理級經營管理級根據(jù)決策機構的決定、市場的銷售情況等方面的情況，決定產品的類型與產量，協(xié)調生產過程的各種活動，實現(xiàn)總體決策所提供的戰(zhàn)略目標（包括材料需求規(guī)劃、質量管理、計算機輔助經濟分析等）。同時在空間和時間上,協(xié)調物料的需求,實現(xiàn)現(xiàn)代管理思想的目標――無庫存系統(tǒng)。

3)制造級制造級是具體實施產品設計與制造的部分，其中包含制造系統(tǒng)中各項自動化技術及其集成，即CAD/CAM、FMS、柔性檢驗、自動傳送系統(tǒng)、自動化倉庫等。

在CIMS內，信息流占主導地位，信息的采集、交換與處理融合在一起，再由信息流控制物質流，控制和指揮整個生產活動。CIMS的主要組成部分

CIMS包括了企業(yè)從市場預測到產品售后服務的全部生產活動。從功能角度看，CIMS包含了一個企業(yè)的設計、制造及經營管理的三種主要功能。要使這三者集成起來，還需要一個支撐環(huán)境，即分布式數(shù)據(jù)庫和計算機網絡。目前，一般認為CIMS主要由四部分組成：1)管理與決策信息系統(tǒng)其主要功能是信息處理，包括收集、傳輸、加工、查詢等；一般分為輔助性經營計劃管理、物料管理、生產管理、財務管理、人力資源管理和輔助決策。2)工程信息系統(tǒng)其主要功能模塊有計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助工程（CAE）、成組技術（GT）、計算機輔助編制工藝規(guī)程（CAPP）和計算機輔助制造（CAM）等。

3．柔性自動化制造系統(tǒng)其主要功能是