《機(jī)電一體化導(dǎo)論》課件-第1章 緒論

1第1章緒論2教學(xué)目標(biāo)知識目標(biāo)：

1.熟練掌握機(jī)電一體化含義；

2.了解機(jī)電一體化組成要素；

3.了解機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢。能力目標(biāo)：

1.概括總結(jié)所學(xué)知識的能力；

2.分析問題、解決問題的能力。3教學(xué)重、難點教學(xué)重點：

1.機(jī)電一體化含義

2.機(jī)電一體化產(chǎn)品組成要素

3.機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計方法教學(xué)難點：

1.機(jī)電一體化組成要素的作用

2.機(jī)電一體化系統(tǒng)的含義及設(shè)計流程4本章主要內(nèi)容1.1機(jī)電一體化系統(tǒng)概述1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計1.3機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢5德國工業(yè)4.0和中國制造2025強(qiáng)調(diào)加快發(fā)展智能制造裝備和產(chǎn)品；組織研發(fā)具有深度感知、智慧決策、自動執(zhí)行功能的高檔數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、增材制造裝備等智能制造裝備以及智能化生產(chǎn)線；突破新型傳感器、智能測量儀表、工業(yè)控制系統(tǒng)、伺服電機(jī)及驅(qū)動器和減速器等智能核心裝置；推進(jìn)工程化和產(chǎn)業(yè)化。1.1機(jī)電一體化系統(tǒng)概述6

機(jī)電一體化雖然是一個獨立的科學(xué)門類，但依然和其他的學(xué)科有著千絲萬縷的關(guān)系，和工業(yè)4.0及中國制造2025緊密相連，它是其他學(xué)科技術(shù)優(yōu)勢的整合體，是建立在其他學(xué)科技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展的7

機(jī)械工程科學(xué)發(fā)展的特點及趨勢

多學(xué)科深度交叉機(jī)械工程科學(xué)微光機(jī)電系統(tǒng)納米機(jī)械學(xué)納米加工測量微操作系統(tǒng)機(jī)械仿生仿生制造電子制造。e-制造、數(shù)字制造、虛擬制造；網(wǎng)絡(luò)制造；納米科技納米材料微型機(jī)械納米器件生命科技人類基因組基因工程生物芯片信息科技光子、量子、生物計算機(jī)；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)●制造業(yè)競爭戰(zhàn)略的變遷60年代生產(chǎn)規(guī)模

70年代生產(chǎn)成本

80年代產(chǎn)品質(zhì)量

90年代響應(yīng)速度傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)

21世紀(jì)技術(shù)創(chuàng)新新經(jīng)濟(jì)當(dāng)前制造業(yè)存在的主要問題

美國等發(fā)達(dá)國家中國典型產(chǎn)品中技術(shù)源于本國98.4%43%制造業(yè)新產(chǎn)品貢獻(xiàn)率52%5.9%產(chǎn)品開發(fā)周期3~6個月12~24個月主導(dǎo)產(chǎn)品平均生命周期3年10.5年技術(shù)創(chuàng)新能力比較10本課程的重要專業(yè)課程機(jī)械工程設(shè)計基礎(chǔ)液壓與氣壓傳動機(jī)電創(chuàng)新設(shè)計電路與電機(jī)電子技術(shù)單片機(jī)原理與接口技術(shù)電氣控制與PLC應(yīng)用傳感器應(yīng)用11機(jī)電一體化技術(shù)：從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，將機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)等在系統(tǒng)工程基礎(chǔ)上有機(jī)地加以綜合，以實現(xiàn)整個系統(tǒng)最佳化的一門新科學(xué)技術(shù)。機(jī)電一體化不是機(jī)械與電子簡單的疊加，而是在信息論、控制論和系統(tǒng)論的基礎(chǔ)上建立起來的應(yīng)用技術(shù)。機(jī)電一體化信息科學(xué)機(jī)械學(xué)電子學(xué)12機(jī)電一體化一般包含機(jī)電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))和機(jī)電一體化技術(shù)兩層含義。典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))有：數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、汽車電子化產(chǎn)品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統(tǒng)、CAD／CAM系統(tǒng)等。13數(shù)控銑床14數(shù)控車床15焊接機(jī)器人16

機(jī)械手臂

17汽車防抱死系統(tǒng)(ABS)18

出色的機(jī)電一體化案例：

1.異步電動機(jī)控制機(jī)床進(jìn)給→用計算機(jī)控制伺服電機(jī)控制機(jī)床進(jìn)給;

2.機(jī)床主軸的反轉(zhuǎn)制動→現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的主軸準(zhǔn)停和主軸進(jìn)給;

3.機(jī)床內(nèi)鏈環(huán)的螺紋加工→具有編碼器的數(shù)控螺紋加工；

4.汽車發(fā)動機(jī)化油器供油→電子燃油噴射；

5.紡織工業(yè)的有梭織機(jī)→噴氣、噴水無梭織機(jī);

6.紋板籠頭控制提花方式→電子計算機(jī)提花方式的轉(zhuǎn)變。

19位置,速度檢測單元電機(jī)機(jī)械部件位置,速度反饋CNC數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)組成20執(zhí)行器控制信息電子控制單元動力源檢測傳感部分機(jī)械本體參數(shù)變化信息驅(qū)動力能量檢測參數(shù)211、機(jī)械本體機(jī)身、框架、機(jī)械聯(lián)接等產(chǎn)品支持機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)構(gòu)造功能。要求：可靠、小型、美觀2、能源

提供能量，轉(zhuǎn)換成需要的形式，實現(xiàn)動力功能。要求：效率高、可靠性好1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成223、檢測傳感裝置

檢測產(chǎn)品內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境，實現(xiàn)計測功能。要求：體積小、精度高、抗干擾4、電子控制單元處理、運算、決策，實現(xiàn)控制功能。要求：高可靠性、柔性、智能化235、執(zhí)行機(jī)構(gòu)

包括機(jī)械傳動與操作機(jī)構(gòu)，接收控制信息，完成要求的動作，實現(xiàn)主功能。要求：高性能、高精度、高效率241.3共性關(guān)鍵技術(shù)1檢測傳感技術(shù)2信息處理技術(shù)3自動控制技術(shù)4伺服驅(qū)動技術(shù)5機(jī)械技術(shù)6系統(tǒng)總體技術(shù)251、檢測傳感技術(shù)作用：感受器官、反饋環(huán)節(jié)。研究對象：傳感器及其信號檢測裝置（即變送器）要求：能快速、精確地獲得信息并在相應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境中具有高可靠性。共性關(guān)鍵技術(shù)262、信息處理技術(shù)主要完成信息的交換、存取、運算、判斷和決策等，其主要工具是計算機(jī)。傳感器A/D計算機(jī)D/A執(zhí)行裝置3、控制技術(shù)

關(guān)于軟件方面的技術(shù)，主要以控制理論為指導(dǎo)，對控制系統(tǒng)設(shè)計、仿真、現(xiàn)場調(diào)試、可靠運行等。共性關(guān)鍵技術(shù)274、伺服驅(qū)動技術(shù)執(zhí)行元件種類：電動、液壓、氣壓

研究對象：執(zhí)行元件及其驅(qū)動裝置驅(qū)動裝置：各種電動機(jī)的驅(qū)動電源電路

實現(xiàn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的主功能和構(gòu)造功能，影響系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、重量、體積、剛性、可靠性等。

5、機(jī)械技術(shù)

共性關(guān)鍵技術(shù)286、系統(tǒng)總體技術(shù)系統(tǒng)總體技術(shù)是一種從整體目標(biāo)出發(fā)，用系統(tǒng)工程的觀點和方法，將系統(tǒng)各個功能模塊有機(jī)的結(jié)合起來，以實現(xiàn)整體最優(yōu)。其重要內(nèi)容為接口技術(shù)。接口包括電氣接口、機(jī)械接口、人機(jī)接口。

共性關(guān)鍵技術(shù)29機(jī)電一體化技術(shù)特點簡化結(jié)構(gòu)，提高精度易于實現(xiàn)多功能和柔性自動化產(chǎn)品開發(fā)周期縮短、競爭能力增強(qiáng)生產(chǎn)方式向高柔性、綜合自動化方向發(fā)展促進(jìn)經(jīng)營管理體制發(fā)生根本性的變化301.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計機(jī)電一體化產(chǎn)品的分類設(shè)計類型：開發(fā)性、適應(yīng)性、變參數(shù)設(shè)計方法：取代法、整體法、組合法設(shè)計程序設(shè)計途徑設(shè)計過程31市場調(diào)研總體方案設(shè)計詳細(xì)設(shè)計樣機(jī)試制與試驗小批量生產(chǎn)大批量生產(chǎn)32一、市場調(diào)研

市場調(diào)研包括市場調(diào)查和市場預(yù)測。所謂市場調(diào)查，就是運用科學(xué)的方法，系統(tǒng)、全面地收集所設(shè)計產(chǎn)品市場需求和經(jīng)銷方面的情況和資料，分析研究產(chǎn)品在供需雙方之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移的狀況和趨勢，而市場預(yù)測就是在市場調(diào)查的基礎(chǔ)上，運用科學(xué)方法和手段，根據(jù)歷史資料和現(xiàn)狀，通過定性的經(jīng)驗分析或定量的科學(xué)計算，對市場未來的不確定因素和條件作出預(yù)計、測算和判斷，為產(chǎn)品的方案設(shè)計提供依據(jù)。33二、總體方案設(shè)計1．產(chǎn)品方案構(gòu)思產(chǎn)品方案構(gòu)思完成后，以方案圖的形式將設(shè)計方案表達(dá)出來。方案圖應(yīng)盡可能簡潔明了，反映機(jī)電一體化系統(tǒng)各組成部分的相互關(guān)系，同時應(yīng)便于后面的修改。2．方案的評價對多種構(gòu)思和多種方案進(jìn)行篩選，選擇較好的可行方案進(jìn)行分析組合和評價，從中再選幾個方案按照機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計評價原則和評價方法進(jìn)行深入的綜合分析評價，最后確定實施方案。34三、詳細(xì)設(shè)計詳細(xì)設(shè)計是根據(jù)綜合評價后確定的系統(tǒng)方案，從技術(shù)上將其細(xì)節(jié)逐層全部展開，直至完成產(chǎn)品樣機(jī)試制所需全部技術(shù)圖紙及文件的過程。

35四、樣機(jī)試制與試驗

完成產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計后，即可進(jìn)入樣機(jī)試制與試驗階段。根據(jù)制造的成本和性能試驗的要求，一般制造幾臺樣機(jī)供試驗使用。樣機(jī)的試驗分為實驗室試驗和實際工況試驗，通過試驗考核樣機(jī)的各種性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計要求，考核樣機(jī)的可靠性。如果樣機(jī)的性能指標(biāo)和可靠性不滿足設(shè)計要求，則要修改設(shè)計，重新制造樣機(jī)，重新試驗。如果樣機(jī)的性能指標(biāo)和可靠性滿足設(shè)計要求，則進(jìn)入產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)階段。36五、小批量生產(chǎn)

產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)階段實際上是產(chǎn)品的試生產(chǎn)試銷售階段。這一階段的主要任務(wù)是跟蹤調(diào)查產(chǎn)品在市場上的情況，收集用戶意見，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計和制造方面存在的問題，并反饋給設(shè)計、制造和質(zhì)量控制部門。六、大批量生產(chǎn)

經(jīng)過小批量試生產(chǎn)和試銷售的考核，排除產(chǎn)品設(shè)計和制造中存在的各種問題后，即可投入大批量生產(chǎn)。37機(jī)電一體化對機(jī)械工業(yè)的影響

1提高性能、擴(kuò)展功能

今日的數(shù)控機(jī)床充分發(fā)揮計算機(jī)的威力，運用時間序列分析和精度創(chuàng)成等理論建立數(shù)學(xué)模型。已有可能實時預(yù)報包括隨機(jī)誤差在內(nèi)的機(jī)床誤差，然后自動校正，從而達(dá)到前所未有的精度。采用對阻尼進(jìn)行預(yù)報，一旦接近臨界值時就自動調(diào)整切削用量，這又可能出現(xiàn)永不顫振的機(jī)床，保證很高的生產(chǎn)率和良好的加工表面。

382簡化結(jié)構(gòu)393提高可靠性在提高電子元件質(zhì)量、可靠性的前提下，機(jī)電一體化產(chǎn)品可以提高耐久性，減少故障率。另一方面由于賦予其自動監(jiān)視診斷功能，并采取安全聯(lián)鎖控制，過負(fù)荷和失控保護(hù)、停電對策，提高了設(shè)備的安全可靠性。

404節(jié)約能源例如目前我國各類電風(fēng)扇年產(chǎn)量在200萬臺左右，如每臺電扇的調(diào)速器和定時器(現(xiàn)常用電磁機(jī)械式)用電子調(diào)速器和定時器代替，估計每臺風(fēng)扇可節(jié)電5W以上，全年以用扇100天，每天開扇6h計，則每年可節(jié)約用電量600萬kW·h，還可節(jié)省大批銅材和鋼材。再如傳統(tǒng)的電焊機(jī)以電磁原理和手工操作為基礎(chǔ)，即使是一般的自動電焊機(jī)，其動作過程也僅為簡單的機(jī)械動作和相應(yīng)的控制。這類電焊機(jī)耗能多、效率低、質(zhì)量不易保證。采用微型機(jī)技術(shù)后，發(fā)展新穎的電子控制電源以取代傳統(tǒng)的焊接電源，實現(xiàn)焊接電源的節(jié)能、高效、小型化、多樣化。411.3發(fā)展概況及發(fā)展趨勢1.20世紀(jì)60年代前為第一階段，“萌芽階段”工程師們自覺或者不自覺地把機(jī)械產(chǎn)品和電子技術(shù)相結(jié)合，以提高機(jī)械產(chǎn)品的性能。但是由于電子技術(shù)的發(fā)展相對落后，使得機(jī)械與電子的結(jié)合還沒有得到廣泛的應(yīng)用。2.20世紀(jì)70年代到80年代為第二階段，“蓬勃發(fā)展階”

計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)這個時期的特點是：①mechatronics一詞首先在日本被普遍接受，大約到20世紀(jì)80年代末期在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認(rèn)；②機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展；③各國均開始對機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品給以很大的關(guān)注和支持。

423.20世紀(jì)90年代后期開始為第三階段，“智能化階段”

①光學(xué)、通信技術(shù)等進(jìn)入了機(jī)電一體化，微細(xì)加工技術(shù)也在機(jī)電一體化中嶄露頭腳，出現(xiàn)了光機(jī)電一體化和微機(jī)電一體化等新分支；②對機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計、分析和集成方法，機(jī)電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢都進(jìn)行了深入研究。③由于人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光纖技術(shù)等領(lǐng)域取得的巨大進(jìn)步，為機(jī)電一體化技術(shù)開辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，將促使機(jī)電一體化進(jìn)一步建立完整的基礎(chǔ)和逐漸形成完整的科學(xué)體系。

發(fā)展概況431.數(shù)控機(jī)床的問世，寫下了“機(jī)電一體化”歷史的第一頁。

2.微電子技術(shù)為“機(jī)電一體化”帶來勃勃生機(jī)。

3.可編程序控制器、“電力電子”等的發(fā)展為“機(jī)電一體化”提供了堅強(qiáng)基礎(chǔ)。

4.激光技術(shù)、模糊技術(shù)、信息技術(shù)等新技術(shù)使“機(jī)電一體化”躍上新臺階。44發(fā)展趨勢

1智能化智能化是21世紀(jì)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的一個重要發(fā)展方向。人工智能在機(jī)電一體化建設(shè)者的研究日益得到重視，機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的智能化就是重要應(yīng)用。這里所說的“智能化”是對機(jī)器行為的描述，是在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運籌學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動力學(xué)等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標(biāo)。452模塊化由于機(jī)電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、電氣接口、動力接口、環(huán)境接口的機(jī)電一體化產(chǎn)品單元是一項十分復(fù)雜但又是非常重要的事。這需要制定各項標(biāo)準(zhǔn)，以便各部件、單元的匹配和接口。由于利益沖突，近期很難制定國際或國內(nèi)這方面的標(biāo)準(zhǔn)，但可以通過組建一些大企業(yè)逐漸形成。顯然，從電氣產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化帶來的好處可以肯定，無論是對生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)電一體化單元的企業(yè)還是對生產(chǎn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的企業(yè)，規(guī)?；瘜⒔o機(jī)電一體化企業(yè)帶來美好的前程。發(fā)展趨勢463網(wǎng)絡(luò)化20世紀(jì)90年代，計算機(jī)技術(shù)等的突出成就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。機(jī)電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來，只要其功能獨到，質(zhì)量可靠，很快就會暢銷全球。由于網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾，而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本身就是機(jī)電一體化產(chǎn)品。因此，機(jī)電一體化產(chǎn)品無疑朝著網(wǎng)絡(luò)化