1、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 機械工業是國民經濟的支柱工業之一 機械工業是社會生產力發展水平的重要標志1.1 機電一體化的定義 一 、機電一體化的定義 1971年起源于日本。 機械學（Mechanics）+ 電子學（Electronics）=機電一體化 或 機械電子工程（Mechatronics） 從組合詞的構成，表達了“機械電子學”的意義機電一體化技術機械技術（機械學、機構學）微電子

2、技術（半導體、IC、LSI）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工程觀點出發，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）和系統論（“系統”整體籌劃，機械和電子分別只是“環節”）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一、機械本體 主要功能是使構造系統的各子系統、零部件按照一定的空間和時間關系安置在一定位置上，并保持特定的關系。包括機械結構裝置和傳動裝置。二、動力單元 按照機電一體化系統的控制要求，為系統提供動力和能

3、量以保證系統正常運行。用最小的動力輸入獲得盡可能大的功能輸出。1.2 機電一體化的基本功能要素三、傳感檢測單元 主要功能是對系統運行過程中所需要的本身和外界環境的各種參數及狀態進行檢測，并轉換成可識別信號，傳輸到控制信息處理單元，經過分析、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、執行單元 根據控制信息和指令完成所要求的動作。執行單元是運動部件，根據機電一體化系統的匹配要求，需要改善執行機構的工作性能，如提高剛性，減輕重量，實現組件化、標準化和系列化，以提高系統整體工作可靠性等。1.2 機電一體化的基本功能要素七、接口單元 接口的作用是將各要素或子系統

4、連接成為一個有機整體，使各個功能環節有目的地協調一致運動，從而完成機電一體化的系統工程。各個單元要完成物質，信息和能量的傳遞和交換，為此，各要素和子系統相接處必須具備一定的連接部件，這個部件就可稱為接口。 基本功能有三個：變換，放大，傳遞。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的機械產品的區別在于：機械結構更簡單、機械功能更強、性能更優越。現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、動態性能更好。 在設計和制造機械系統時除了考慮靜態、動態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

5、 機電一體化的相關技術二、傳感檢測技術 傳感器檢測是實現自動控制和自動調節的關鍵環節。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六、系統總體技術 系統總體技術是以整體的概念組織應用各種相關技術的技術，從全局的角度和系統的目標出發，將系統分解為若干個子系統，從實現整個系統技術協調的觀點來考慮每個子系統的技術方案。 機電一體化系統是一個技術綜合體，它利用系統總體技術將各有關技術協調

6、配合、綜合運用而達到整體系統的最佳化。 1.4 機電一體化（制造）系統一、數控機床 數控技術（numerical control，NC）以數字化的信息實現對設備進行控制的技術。 數控技術的典型應用 數控機床: 數控金屬切削加工機床數控車床經濟型數控車床車削加工中心鉆削加工中心二、柔性制造系統（FMS）（Flexible Manufacturing System）1、柔性制造系統的概念 美國出版的柔性制造系統手冊對柔性制造系統的定義比較簡明：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所組成的、能高效率地制造多品種、中小批量零件的系統。 1967年，英國莫林斯公司提出把多臺數控機床聯成

7、一體的柔性制造系統的設想。后來，美國K&I公司實現了用計算機控制的柔性制造系統。隨著電子技術和計算機技術的高速發展，從20世紀80年代初，柔性制造系統得到較快的發展（據1986年美國機械工程協會統計，當時已有370條柔性制造系統在運行中）柔性制造系統的組成 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實行監控 對數控機床或制造單元的加工數據實行控制 對夾具、工具實現集中管理和控制 協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

8、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。 5) 無人輸送臺車行走于機床之間、機床與自動化（零件）倉庫之間、機床與中央刀具庫之間的自動化（無人駕駛）臺車，可以是有軌的或無軌的。 6) 中央刀具庫刀具集中存儲區。 7) 夾具站及時實現對夾具的調整和維護。 8) 信息傳輸網絡FMS中的通訊系統。 9) 隨行工作臺（PS）實現從無人臺車到制造單元之間傳送的緩沖功能。 柔性制造系統的主要組成部分 對于一般的FMS，通常是由四大類設備組成：主機、聯線設備、控制系統和輔助設備。 1)主機 FMS的主機一般為數控機床，并且多為加工中心機床（多用臥式加工中心），也有數控車削加工中

9、心（可車、鉆、銑，有銑大螺旋升角的槽的功能）。 2)聯線設備（自動物料傳輸系統） 聯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。 （1）運輸托板 在專門的導軌上或在輥道上往返運動，一般配置在機床的出入工位之間。三、計算機集成制造系統（CIMS）（Computer Integrated Manufacturing System）1、 概念 1）自動化孤島（Islands of Automation） 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，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）發展是一必然方向

10、，也是制造業的一場深刻的變革。 2、CIMS定義 CIMS是建立在自動化孤島基礎上的復雜系統。CIMS將全部制造過程進行統一規劃，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。 CIMS是根據系統工程的觀點，將整個車間或工廠作為一個閉環系統，整個系統完全由計算機進行管理。該系統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，需要統一考慮；同時整個生產過程是信息的采集、傳送

11、和加工處理的過程，產品的尺寸不過是物化的數據。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系統的組成CIMS概況 CIMS系統分為三級： 1) 決策級 決策級是生產決策機構。決策級根據市場的需求、原材料供應情況，結合本企業的生產技術條件及財務狀況，作出生產產品的種類及規模的決策。 2) 經營管理級 經營管理級根據決策機構的決定、市場的銷售情況等方面的情況，決定產品的類型與產量，協調生產過程的各種活動，實現總體決策所提供的戰略目標（包括材料需求規劃、質量管理、計算機輔助經濟分析等）。同時在空間和時間上,協調物料的需求,實現現代管理思想的目標無庫存系統。 3) 制造級 制造級

12、是具體實施產品設計與制造的部分，其中包含制造系統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、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，還需要一個支撐環境，即分布式數據庫和計算機網絡。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 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 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程（CAPP）和計算機輔助制造（CAM）等。 3柔性自動化制造系統 其主要功能是在計算機調度和控制下，使加工設備完成由毛坯到