机电一体化cug(ch1_绪论)

1、主 讲： 吴来杰 邮 箱： 电 话： 02762003356 机电一体化技术课程内容n第一章 绪论n第二章 常用工业控制系统与接口电路n第三章 传感与检测技术n第四章 伺服驱动技术n第五章 机电一体化的自动控制技术n第六章 机电一体化的机械技术n第七章 机电一体化系统的电磁兼容技术n第八章 典型机电一体化系统实例分析n教材：机电一体化系统设计，补家武等编著，中国地质大学出 版社，2001年9月n主要参考书：机电一体化系统设计，张建民等编著，北京理工大学出 版社，2006年2月机电一体化系统设计，姜培刚等编著，机械工业出版社 ，2003年9月第一章 概论1.1 机电一体化基本概念 1.2 机电一体化发展概况 1.3 机电一体化系统的构成 1.4 机电一体化共性关键技术 1.5 机电一体化系统设计 1.6 机电一体化的发展趋势1.1 基本概念n机电一体化技术：从系统的观点出发，将机械技 术 、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 佳化的一门新科学技术。n机电一体化不是机械 与电子简单的叠加，而 是在信息论、控制论和 系统论的基础上建立起 来的

2、应用技术。机电一 体化信息科学机 械 学电子学n 机电一体化一般包含机电一体化产品( 系统)和机电一体化技术两层含义。n 典型的机电一体化产品(系统)有：数控 机床、机器人、地铁车辆、汽车电子化产 品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统 、CADCAM系统等。 n 机电一体化中包含的关键技术在第四节 中详细介绍。1.1 基本概念数 控 铣 床数控车床数控车床焊接机器人焊接机器人金刚石刀具烧结机金刚石刀具烧结典型工艺曲线n汽车防抱死系统(ABS)n机械手臂5-步进电机；6-谐波减速器；7-光电编码器nFMS（柔性制造系统）FMS集成：加工系统、物流系统、信息流系统DNC网络在企业信息化中的应用（管控一体化）DNC MESERPPDMCAMCAD加工程序的传输与管理 加工信息的采集与控制 设备报警采集与管理 生产任务和工艺派发生产加工 质量控制 设备维护 工具管理1.2 发展概况1. 20世纪60年代前为第一阶段，“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 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。2. 70年代到

3、80年代为第二阶段，“蓬勃发展阶” 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： mechatronics一词首先在日本被普遍接受，大约到20世纪 80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； 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。 n3.九十年代后期开始为第三阶段，“智能化阶段”n 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 一体化等新分支；n 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。n 由于人工智能技术、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 。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。 1.2 发展概况n1. 数控机床的问世，写下了“机电一体化”历史的 第一页。2. 微电子技术为“机电一体化带来勃勃生机。 3. 可编程序控制器、”电力电子“等的发展为”机 电一体化“提供了坚强基础。n 4. 激光

4、技术、模糊技术、信息技术等新技术使” 机电一体化“跃上新台阶。1.2 发展概况1.3 机电一体化系统的构成位置位置, ,速度速度 检测单元检测单元电机电机机械机械 部件部件位置位置, ,速速 度反馈度反馈CNCCNC数控机床伺服系统组成数控机床伺服系统组成1.3 机电一体化系统的构成轨道交通车辆组成电机电机电气控制系统电气控制系统接触网接触网速度速度传感器传感器轮对轮对驱驱 动动 力力1.3 机电一体化系统的构成执行机构执行机构控制控制 信息信息控制单元控制单元动力源动力源传感检传感检测单元测单元机械本体机械本体参数变参数变 化信息化信息驱驱 动动 力力能能 量量检测检测 参数参数组成要素：组成要素：( 1( 1）机械本体机械本体（2 2）动力单元）动力单元（3 3）执行机构）执行机构（4 4）传感检测单元）传感检测单元（5 5）控制单元）控制单元1.3 机电一体化系统的构成1.3 机电一体化系统的构成1 1、机械本体、机械本体机身、框架、机械联接等产品支持机机身、框架、机械联接等产品支持机构，构，实现实现构造功能构造功能。（相当于人的躯体）（相当于人的躯体）要求要求：新颖的结构、小体

5、积、轻重量、新颖的结构、小体积、轻重量、精度高、刚度大、动态性能好。精度高、刚度大、动态性能好。考虑考虑：静动态刚度、热变形、新型复合静动态刚度、热变形、新型复合材料、新型结构、新型制造工艺、新型工艺材料、新型结构、新型制造工艺、新型工艺 装配。装配。1.3 机电一体化系统的构成2 2、动力单元、动力单元提供能量，转换成需要的形式，实现提供能量，转换成需要的形式，实现动力动力 功能。功能。1.3 机电一体化系统的构成要求要求：效率高、可靠性好。效率高、可靠性好。考虑考虑：高效率的电源及驱动电路型式，高效率的电源及驱动电路型式，良好的电磁兼容特性。良好的电磁兼容特性。3 3、检测传感单元、检测传感单元检测产品内部状态和外部环境，实现检测产品内部状态和外部环境，实现计测计测 功能。功能。 （相当于人的（相当于人的眼、耳、舌）1.3 机电一体化系统的构成要求要求：体积小、精度高、抗干扰。体积小、精度高、抗干扰。考虑考虑：传感器的类型及工作参数、结构：传感器的类型及工作参数、结构及安装型式、工作环境要求等。及安装型式、工作环境要求等。4 4、控制单元、控制单元处理、运算、决策，实现处理、运算、

6、决策，实现控制功能控制功能。（相（相 当于人的当于人的大脑）1.3 机电一体化系统的构成要求要求：高可靠性、柔性、智能化。高可靠性、柔性、智能化。考虑考虑：足够的运算速度和能力，实时性足够的运算速度和能力，实时性合理，控制方法（算法）满足工艺要求等。合理，控制方法（算法）满足工艺要求等。5 5、执行机构、执行机构包括机械传动与操作机构，接收控制信息包括机械传动与操作机构，接收控制信息 ，完成要求的动作，实现，完成要求的动作，实现主功能。主功能。（相当于（相当于人的人的手、足）1.3 机电一体化系统的构成要求要求：高性能、高精度、高效率。高性能、高精度、高效率。考虑考虑：合理的执行机构及元件，运动精合理的执行机构及元件，运动精度、灵敏性等应满足工艺要求。度、灵敏性等应满足工艺要求。1.3 机电一体化系统的构成1.4 共性关键技术n1 检测传感技术n2 信息处理技术n3 自动控制技术n4 伺服驱动技术n5 机械技术n6 系统总体技术1 1、检测传感技术、检测传感技术作用：作用：感受器官、反馈环节。感受器官、反馈环节。研究对象：研究对象：传感器及其信号检测装置（即变送器传感器及其信号检测装置

7、（即变送器 ）要求：要求：能快速、精确地获得信息并在相应的应能快速、精确地获得信息并在相应的应 用环境中具有高可靠性。用环境中具有高可靠性。1.4 1.4 共性关键技术共性关键技术2 2、信息处理技术、信息处理技术主要完成信息的交换、存取、运算、判断主要完成信息的交换、存取、运算、判断和决策等和决策等. .其主要工具是计算机。其主要工具是计算机。传感传感 器器A/A/D D计算计算 机机D/D/A A执行装执行装 置置3 3、控制技术、控制技术关于软件方面的技术，主要以控制理论为关于软件方面的技术，主要以控制理论为指导，对控制系统设计、仿真、现场调试、可指导，对控制系统设计、仿真、现场调试、可 靠运行等。靠运行等。1.4 1.4 共性关键技术共性关键技术4 4、伺服驱动技术、伺服驱动技术执行元件种类：执行元件种类：电动电动、液压液压、气压气压研究对象：研究对象：执行元件执行元件及其及其驱动装置驱动装置驱动装置：驱动装置：各种电动机的驱动电源电路各种电动机的驱动电源电路实现机电一体化产品的实现机电一体化产品的主功能主功能和和构造功能构造功能 ，影响系统的结构、重量、体积、刚性、可，影响系

8、统的结构、重量、体积、刚性、可 靠性等。靠性等。5 5、机械技术、机械技术1.4 1.4 共性关键技术共性关键技术n6、系统总体技术n 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 块有机的结合起来，以实现整体最优。n 重要内容为接口技术，接口包括电气接口 、机械接口、人机接口等。 1.4 1.4 共性关键技术共性关键技术1.5 机电一体化系统设计n一、市场调研n二、总体方案设计n三、详细设计n四、样机试制与试验n五、小批量生产n六、大批量生产一、市场调研n 市场调研包括市场调查和市场预测。所谓 市场调查就是运用科学的方法，系统地、全面 地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 移的状况和趋势，而市场预测就是在市场调查 的基础上，运用科学方法和手段，根据历史资 料和现状，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做出预 计、测算和判断，为产品的方案设计提供依据 。1.5 机电一体化系统设计二、总体方案设计n1产品方案构思n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

9、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 于后面的修改。n2方案的评价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。 1.5 机电一体化系统设计三、详细设计n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 至完成产品样机试制所需全部技术图纸及 文件的过程。 1.5 机电一体化系统设计四、样机试制与试验n 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， 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 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 计要求，则要修改设计，重新制造样机，重新试 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。1.5 机电一体化系统设计n五、小批量生产n 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、 制造和质量控制部门。n六、大批量生产n 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 批量生产。1.6 机电一体化系统设计性能上：向高精度、高效率、高 性能、智能化方向发展；功能上：向小型化、轻型化、多功能方向发展；层次上：向系统化、复合集成化的方向发展。 1.5 机电一体化的发展趋势1.6 机电一体化的发展趋势 n1 智能化n 智能化是21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 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“智能化”是对机器 行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工 智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学 、生理学和混

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