1,.,機電一體化系統概論,.,2,機電一體化的概念,1971年，日本提出“機電一體化”新名詞機電一體化(Mechatronics)=機械學(Mechanics)+電子學(Electronics)定義：機電一體化技術是微電子技術、計算機技術、信息技術與機械技術相結合的新興的綜合性高技術，是機械技術與微電子技術的有機結合。,.,3,機電一體化目標,將機械技術與電子技術相結合，充分發揮各自的長處，彌補各自技術上的不足。機械的強度高，輸出功率大，可承受較大的載荷,但實現微小運動和復雜運動比較困難。電子領域，利用傳感器和計算機可實現復雜的檢測和控制。將機械技術和電子技術兩者結合，可在重載條件下實現微小運動和復雜運動。,.,4,機電一體化目標,機械的柔性化：使機械能夠像動物那樣動作靈活。機械的智能化：使機械能夠像人類那樣會思考與判斷。,.,5,機電一體化系統六大基本結構要素,機械本體：執行機構：驅動部分：測試傳感部分：控制及信息處理單元：能源：,.,6,機械本體,組成：機身、框架、機械聯接、機械傳動等作用：支撐系統中其它功能單元、傳遞運動和動力。要求：在機械結構、材料、加工工藝性及幾何尺寸等方面適應高效、多功能、可靠、節能、小型、輕量和美觀等要求。,.,7,執行機構,組成：通常采用電力驅動、氣壓驅動和液壓驅動等方式。要求：根據控制信息和指令，驅動機械部件的運動。作用：根據機電一體化系統的匹配性要求改善性能，如提高剛性、減輕重量、實現模塊化、標準化和系列化，提高系統可靠性。,.,8,驅動部分,組成：步進電機、直流電機、交流電機、液壓與氣壓伺服元件。作用：在滿足驅動力和速度的前提下，還應滿足高效率、快速響應、環境適應性和可靠性等要求。,.,9,測試傳感部分,組成：位移、速度、力、角度等各種類型的傳感器和儀表。作用：是對系統運行中所需要的本身和外界環境的各種參數及狀態進行檢測，轉換為可識別的信號，傳輸到信息處理單元，經分析處理后產生控制信息。要求：滿足快速、精確、穩定的工作要求，輸出信息便于傳輸與處理。,.,10,控制及信息處理單元,是機電一體化系統的核心。組成：控制計算機、控制軟件、硬件接口要求：負責把來自各傳感器的檢測信號和外部輸入命令進行集中、存儲、計算、分析，根據信息處理結果，按照一定的程度和節奏發出相應的指令，控制整個系統有目的地進行。作用：提高信息處理的速度、抗干擾能力和可靠性，完善系統的自診斷功能，實現信息處理的智能化、小型化、輕量和標準化等。,.,11,能源,能源是機電一體化產品能量供應部分組成：電能、氣能和液壓能，以電能為主。作用：按照系統控制要求向機械系統提供能量和動力使系統正常運行。要求：用盡可能小的輸入獲得盡可能大的功率輸出，工作效率高，符合使用環境和結構尺寸的要求。,.,12,機電一體化技術分類,生產過程的機電一體化：實例：械制造過程、冶金生產、化工生產、糧食及食品加工過程、紡織工業、排版與印刷等分類：離散制造過程的機電一體化：機械制造業連續生產過程的機電一體化：化工生產流程,.,13,機電一體化技術分類,機電產品的機電一體化：傳統的機電產品微機控制特點：功能強、性能好、精度高、重量輕、體積小、更可靠、更方便、經濟效益高。,.,14,機電一體化產品,定義：機電一體化產品是新型機械與微電子器件，特別是微處理器、微型計算機相結合而開發出來的新一代電子化機械產品。機電儀一體化產品，機電液一體化產品，光機電一體化產品統等稱為機電一體化產品。,.,15,機械產品到機電一體化產品的個階段,.,16,機電一體化產品的分類,按發展水平分類：功能附加型初級系統功能代替型中級系統機電融合型高級系統,.,17,機電一體化產品的分類,按應用分類：民生機電產品：微電腦洗衣機、電子照相機辦公機電產品：復印機、打字機產業機電產品：數控機床、工業機器人,.,18,判斷機電一體化產品？,機器人、數控機床、自動行李輸送機、自動對焦照相機、自動對焦防顫型攝像機、裝有微型計算機的電視機、自動電飯煲、打印機、復印機、微機控制縫紉機、洗衣機、掃描儀、傳真機、電子表判斷依據：工作原理在本質上是否運動？無運動的則不屬于機電一體化產品。,.,19,人體是機電一體化系統,.,20,機電一體化發展的技術基礎,核心技術：機械技術、電子技術機械技術的4大支柱學科：力學:有限元分析機械學:優化設計CAD制造工藝學:數控技術CAM控制:手動繼電器邏輯控制自動控制智能控制典型機械產品：自行車,.,21,.,22,機電一體化的6大相關技術,機械技術計算機及信息處理技術系統技術自動控制技術傳感與檢測技術伺服驅動技術,.,23,機械技術,機械技術是機電一體化系統的基礎，影響機電一體化系統的結構、重量、體積、剛度、耐用性等。利用高新技術實現結構上、材料上、性能上的變更，滿足減小重量、縮小體積、提高精度、提高剛度及改善性能的要求。制造過程的機電一體化系統中，經典的機械理論與工藝應借助于計算機輔助技術，采用人工智能與專家系統等，形成新一代的機械制造技術。,.,24,計算機及信息處理技術,決定系統的運行速度和控制性能，影響系統智能化和自動化水平、工作質量、工作效率等。信息交換、存取、運算、判斷與決策、人工智能技術、專家系統技術、神經網絡技術均屬于計算機信息處理技術。,.,25,系統技術,決定系統的綜合水平和成本。以整體的概念組織應用相關技術，深入了解系統內部結構和相互關系，把握系統的外部聯系，從系統角度最優設計機電一體化系統，充分發揮各個結構要素的能力。總體:概念單元(1,2,3)子功能單元（）接口技術：實現各部分有機連接的保證。電氣接口、機械接口、人機接口,.,26,自動控制技術,自動控制技術范圍很廣，在控制理論指導下進行系統設計，設計后的系統仿真，現場調試，控制技術包括如高精度定位控制、速度控制、自適應控制、自診斷校正、補償、示教再現控制等。控制系統類型：閉環、半閉環、開環等控制方法：順序控制、反饋控制影響系統的控制水平、精度、響應速度和穩定性。,.,27,傳感與檢測技術,是系統的感受器官，是實現自動控制、自動調節的關鍵環節。其功能越強，系統的自動化程序就越高。要求傳感器能快速、精確地獲取信息并能經受嚴酷環境的考驗。傳感器主要指標是分辨率和精度。決定系統精度的上限，影響系統智能化程度和可靠性。,.,28,伺服驅動技術,包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置，伺服系統是實現電信號到機械動作的轉換裝置與部件。決定系統的驅動能力和控制性能，影響系統的動態性能、控制質量和環境適應性。變頻技術、交流伺服驅動技術促進了機電一體化技術的發展。,.,29,實例分析,試說明圖中數控系統的各個部分分別屬于機電一體化系統的哪一個基本結構要素。,.,30,分析實例的基本結構要素,控制及信息處理單元：鍵盤、計算機、顯示測試傳感部分：光電編碼器、信號處理能源：電源驅動部分：功放、電機執行機構：聯軸器、齒輪減速器、絲杠螺母機構、工作臺,.,31,機電一體化系統的技術、經濟和社會效益,提高精度增強功能提高效率、降低成本節約能源、降低消耗提高安全性和可靠性,.,32,機電一體化系統的技術經濟和社會效益,改善操作性和使用性減輕勞動強度，改善勞動條件簡化結構，減輕重量降低成本增強柔性,.,33,提高精度,機電一體化技術使機械傳動部分減少，因而使機械磨損，配合間隙及受力變形等所引起的誤差大大減少;采用電子技術實現自動檢測，控制，補償和校正因各種干擾因素造成的誤差，從而可以達到單純機械系統所不能達到的工作精度。圓度儀精度：0.025m0.01m鏜床加工精度：0.006mm0.002mm,.,34,增強功能,高新技術的引入，改變了機械工業產品的面貌，具備多種復合功能。加工中心：多道工序在一次裝夾中完成加工，刀具磨損自動補償激光加工中心（配機器人）：自動完成焊接、劃線、切割、鉆孔、熱處理等操作,.,35,提高生產效率、降低成本,減少生產準備時間和輔助時間，縮短新產品開發周期，提高產品合格率、減少操作人員。數控機車生產效率比普通機床提高56倍；柔性制造系統（FMS）可使生產周期縮短40%,生產成本降低50%。,.,36,節約能源、降低消耗,采用低能耗的驅動結構、最佳的調節時間、提高設備的能源利用率。汽車點火器：控制最佳點火時間和狀態，節省汽車的耗油量風機、水泵的變速運行，平均節電30%工業鍋爐：微機控制燃料與空氣的混合比，可節煤5%20%,.,37,提高安全性和可靠性,具有自動檢測監控、自動保護措施大型火力發電設備的全自動控制大型軋機多級計算機分散控制系統集成電路的集成度提高，使機電產品故障率極低,.,38,改善操作性和使用性,采用計算機程序控制實現操作自動化、具有良好的人機界面，改善操作性能。電梯示教再現工業機器人機電一體化系統的先進性是和技術密集性與操作使用的簡易性和方便性聯系在一起。,.,39,減輕勞動強度，改善勞動條件,制造過程和生產過程中極為復雜的智力活動和資料數據記憶查找由計算機完成，遠離危險與有害環境，減少重復勞動、體力勞動。CAD/CAM、CAPP減輕了設計人員的勞動復雜性，焊接機器人、噴漆機器人深海機器人、太空機器人,.,40,簡化結構，減輕重量,用電力電子器件和新型傳動器件代替老式笨重電氣控制的復雜機械變速傳動機構，由集成電路、微處理器等完成過去由機械傳動鏈來實現的關聯運動。數控精密插齒機可節省齒輪傳動部件30%,.,41,降低成本,結構簡化、材料消耗減少，電子器件高速發展，功能增強、價格低廉，維修性能改善，壽命延長。,.,42,增強柔性,根據需求，通過編制用戶程序對產品的功能和工作過程進行調整和修改，滿足多樣化的使用要求。機械控制軟件化、智能化數控加工中心柔性制造系統工業機器人,.,43,機電一體化技術現狀,機床產業數控化制造系統自動化機器人產業,.,44,機床產業數控化,縮短新產品試制和生產周期,節約大量工裝，生產效率高，輔助生產時間少，減少人為誤差,加工精度顯著提高，零件互換性好。第一世界:德國、瑞士、美國等；第二世界:日本、俄羅斯、韓國、臺灣地區等；第三世界:中國、廣大的亞非地區。,.,45,機床產業數控化,美國：1948年美國空軍部門為制造飛機雜零件，提供設備研經費，由G先進制造技術。三個特征：反應的靈敏性、技術的先進性和資源的集成性。1992年美國政府將敏捷制造這種全新的制造模式作為21世紀制造企業的戰略。,.,65,制造系統自動化AM,敏捷制造企業特點：高度柔性：制造柔性和組織管理柔性先進的技術系統：領先的技術手段、技術的人員、可快速重組的、柔性的的加工設備、質量保證體系。高素質人員：主動性、創造性、協作精神用戶的參與：參入產品的設計過程、銷售服務,.,66,制造系統自動化AM,敏捷制造的現狀：80年代末在美國提出90年代美國在航空航天、機床和電子制造業分別建立了敏捷制造研究中心250個公司和組織參加了該敏捷制造協會美國已有上百家公司和企業在進行敏捷制造的實踐活動(IBM公司),.,67,制造系統自動化AM,敏捷制造的發展前景:美國汽車公司(USM)是一家以國防部為主要用戶的汽車公司。公司向用戶承諾：1)每輛汽車都按用戶要求制造；2)每輛汽車從訂貨起三天內交貨；3)在整個壽命周期內，有責任使用戶滿意，車能夠重新改造(更換某些模塊)，使用壽命長。,.,68,制造系統自動化AM,敏捷制造的發展前景:美國汽車公司(USM)成功的關鍵技術因素是設計與制造能力相匹配，產品設計與制造工藝設計并行進行，對整車的設計與制造工藝進行優化與仿真。敏捷制造支柱(CIMS、CE等)、保障條件(CAD/CAM等),.,69,機器人產業,1962年美國研制出世界上第一臺工業機器人。工業機器人主要由機械手臂、控制裝置、機座、能源裝置和驅動裝置等幾部分構成。機器人涉及到機械、電子、控制、計算機、人工智能、傳感器、通訊與網絡等多個學科和領域，是多種高新技術發展成果的綜合集成。,.,70,機器人產業,機器人主要進行焊接、裝配、搬運、加工、噴涂、碼垛等作業。2006年全球現役工業機器人83萬臺。機器人在制造業的應用范圍越來越廣闊，其標準化、模塊化、網絡化和智能化的程度也越來越高，功能越來越強，并向著成套技術和裝備的方向發展。,.,71,機器人產業,中國：1970年開始研究開發工作1985年列入國家有關計劃2000年，擁有量約為3500臺，以點焊、弧焊、噴漆、注塑、裝配、搬運、沖壓等各類機器人為主，銷售額為6.7億元。2010年擁有量為17300臺，年銷售額為93.1億元2015年中國機器人市場的容量約達十幾萬臺套。,.,72,機器人產業,美國工業機器人的產業現狀:至2003年末，在美國運行的機器人總量為112400套，比2002年增長7%。到2007年底，運行的機器人數量將達到145000套。美國汽車工業中每萬個產業工人擁有的工業機器人數量740個、日本（1400個）、意大利（1400個）和德國（1000個）。美國已經進入世界前十名相當于德國的43，意大利的54，歐盟的68。,.,73,機電一體化技術的發展趨勢,機電一體化技術的高性能化機電一體化技術的智能化機電一體化技術的系統化機電一體化技術的輕量化及微型化,.,74,機電一體化技術的高性能化,高性能化高速化、高精度、高效率、高可靠性計算機