01机电一体化系统设计绪论.pptx

机电一体化机电一体化MechatronicsMechatronics绪 论问题一：问题一：什么是机电一体化？什么是机电一体化？问题二：问题二：机电一体化技术与传统机电技机电一体化技术与传统机电技术区别和联系？术区别和联系？问题三：问题三：哪些产品应用了机电一体化技哪些产品应用了机电一体化技术？术？请思考几个问题实例一：海尔法反坦克导弹实例一：海尔法反坦克导弹海尔法反坦克导海尔法反坦克导弹弹是美国研制的是美国研制的一种直升机发射一种直升机发射的近程空对地导的近程空对地导弹，主要用来攻弹，主要用来攻击坦克，也用于击坦克，也用于攻击地面其它小攻击地面其它小型目标。型目标。海尔法反坦海尔法反坦克导弹攻击克导弹攻击目标的模拟目标的模拟过程。过程。海尔法反坦克导弹结构图海尔法反坦克导弹结构图检测技术检测技术机械技术机械技术计算机技术计算机技术激光导引头激光导引头自动驾驶仪自动驾驶仪实例二：无人驾驶车辆实例二：无人驾驶车辆无人驾驶车辆是未来陆无人驾驶车辆是未来陆军的重要力量，是实现军的重要力量，是实现战争信息化、无人化的战争信息化、无人化的重要载体，通过装载不重要载体，通过装载不同的装备，可以代替人同的装备，可以代替人在核生化、辐射和爆炸在核生化、辐射和爆炸物等危险复杂战场环境物等危险复杂战场环境中完成各种各样的军事中完成各种各样的军事任务任务。美国美国“粗齿锯粗齿锯”无人车无人车 96公里公里/小时小时 重重4吨吨可爬上可爬上45的山的山坡坡 配备了一挺遥配备了一挺遥控机关枪控机关枪 美国美国“粗齿锯粗齿锯”无人车无人车 实例三：五坐标数控加工中心实例三：五坐标数控加工中心 东芝事件l 床身及五个坐标轴的机械运动机构l 五个坐标轴的直线或回转运动检测传感器l 五个坐标轴的电机与电机驱动器l 五坐标联动数控系统-中心计算机其它先进制造机床：激光切割加工机精密车削加工机数控冲床数控等离子切割加工机实例分析结论：实例分析结论：l l系统综合性强，涉及知识面广，且有深度系统综合性强，涉及知识面广，且有深度l l机械机构（设计、制造工艺）是基础机械机构（设计、制造工艺）是基础l l传感器测试、电机驱动技术是关键传感器测试、电机驱动技术是关键l l计算机（硬件、软件）是核心计算机（硬件、软件）是核心l l系统设计方法是桥梁系统设计方法是桥梁语言：英语汉语人文社会科学 基 础:政治,历史,管理,经济,法律,文 学 艺术类课自然科学与数学：高等数学工程数学大学物理普通化学军事与体育：军人思想品德军事战略军事地形学军队基层管理武器装备概论体育计算机：计算机导论语言设计PC机原理基基础础课课程程体体系系机械制造工程学1机械设计几何量公差与检测机械原理生产实习画法几何及机械制图机械制造工程学2理论力学材料力学工程材料与热处理金工实习液压传动与控制电机与电力电子学机械控制工程测试技术与信号处理单片机原理与应用电工技术，电子技术机械设计机械设计工程力学工程力学机械制造机械制造测控测控机电一体化主主干干技技术术基基础础课课程程系系列列毕毕业业设设计计机机械械工工程程及及其其自自动动化化课课程程体体系系一、机电一体化的含义微电子技术向传统机械工业的渗透，使得机械工业出现两个明显变化：变化一变化一使传统机械使传统机械产品的结构产品的结构发生了根本发生了根本变化。变化。普通车床普通车床数控车床数控车床变化二变化二使生产体系使生产体系结构（企业结构（企业组织形式）组织形式）发生了根本发生了根本变化。变化。柔性制造系统柔性制造系统结果：结果：大大提高了产品大大提高了产品和企业的竞争能力。和企业的竞争能力。机电一体化技术领域机械技术机电一体化微电子技术计算机引导的机电一体化革命21机电一体化就是微电子技术向传统机机电一体化就是微电子技术向传统机械技术渗透过程中逐渐形成的一个新械技术渗透过程中逐渐形成的一个新技术，是机械技术、计算机技术和微技术，是机械技术、计算机技术和微电子技术等相互融合的产物。电子技术等相互融合的产物。目前尚无确切的定义。目前尚无确切的定义。机电一体化含义日本：日本：MechatronicsMechatronics是在机械的主功是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。系统的总称。美美国国：MechatronicsMechatronics是是机机械械工工程程、电电子子工工程程和和计计算算机机智智能能控控制制技技术术的的充充分分集成。集成。中国：中国：机电一体化是从机电一体化是从系统系统的观点出发，的观点出发，将机械技术、微电子技术、计算机信息技将机械技术、微电子技术、计算机信息技术、自动控制技术术、自动控制技术等等在系统工程的基础上在系统工程的基础上有机的综合，实现整个机械系统有机的综合，实现整个机械系统最优化最优化而而建立起来的一门新兴学科。建立起来的一门新兴学科。国际上流行的说法日本：机械电子学 Mechatronics=Mechanics+Electronics美国：机电系统 Mechatronic System中国：机电一体化对含义的理解I.机电一体化的产生有其历史背景和条件 社会的需求 机械的发明与发展机械的发明与发展:延伸人的体力延伸人的体力 计算机的发明与发展计算机的发明与发展:延伸人的智力延伸人的智力技术的可能II.机电一体化所研究的内容是确定的 机电一体化技术 机电一体化产品 机电一体化技术的发展状况机电一体化技术的发展状况阶段阶段年份年份微电子技术微电子技术计算机技术计算机技术机电一体化技术机电一体化技术萌芽萌芽阶段阶段19471947半导体晶体管半导体晶体管1950195019601960半导体集成电半导体集成电路路数控机床数控机床可编程机器人可编程机器人快速发快速发展阶段展阶段19701970大规模集成电大规模集成电路路4 4位微处理器位微处理器1616位微处理器位微处理器19801980超大规模集成超大规模集成电路电路3232位微处理器位微处理器数控机床数控机床工业机器人工业机器人航空航天航空航天武器系统武器系统智能化智能化阶段阶段19901990巨大规模集成巨大规模集成电路电路6464位微处理器位微处理器各领域渗透各领域渗透微机械电子微机械电子二、机电一体化产品的作用与特点 什么样的产品是 机电一体化产品机电一体化技术的作用 最大限度地改善产品的性能最大限度地改善产品的性能最大限度地改善产品的性能最大限度地改善产品的性能,同时降低产品造价及缩同时降低产品造价及缩同时降低产品造价及缩同时降低产品造价及缩短制造周期。短制造周期。短制造周期。短制造周期。在汽车中的应用在汽车中的应用 数控机床数控机床,机器人机器人 消费电子产品消费电子产品:微波炉微波炉,洗衣机洗衣机,照相机照相机,VCD,VCD机等机等 U.S.News1996U.S.News1996年的统计年的统计,美国人每天遇到的美国人每天遇到的Microcontroller的数的数量的变化量的变化:1985 1985年年:3 1990:3 1990年年:10 1995:10 1995年年:50:50 机电一体化的特征机电一体化的特征 特征一：整体结构最优化特征一：整体结构最优化特征二：系统控制智能化特征二：系统控制智能化特征三：操作性能柔性化特征三：操作性能柔性化绪论绪论 特征一：整体结构最优化特征一：整体结构最优化最优：以能最优：以能满足使用满足使用要求要求为标准。为标准。实质：从系统的观点实质：从系统的观点出发，应用机械技术出发，应用机械技术和微电子技术等进行和微电子技术等进行有机有机的综合，以实现的综合，以实现系统性能的最优化。系统性能的最优化。电子调速装置电子调速装置绪论绪论 特征二：系统控制智能化特征二：系统控制智能化这是机电一体这是机电一体化技术与传统化技术与传统的工业自动化的工业自动化最主要的区别最主要的区别之一。之一。绪论绪论 特征三：操作性能柔性化特征三：操作性能柔性化柔性：从柔性：从技术技术角度讲，角度讲，即为软件。即为软件。计算机软件技术的引计算机软件技术的引入，使机电一体化系入，使机电一体化系统各个传动机构的动统各个传动机构的动作通过预定的程序由作通过预定的程序由电子系统协调完成。电子系统协调完成。机电一体化是一种观念的变革，设计思想的变革机电一体化是一种观念的变革，设计思想的变革柔性制造系统柔性制造系统绪论绪论 机电一体化产品是富含高技术的技术密集型产品。产品表现出整体结构最佳化、系统控制智能化、操作性能柔性化。但实际产品大致可归纳为两类：第一类属于机械电子化产品，是机电一体化的初级产品表现形式，即原有的机械产品采用了微电子技术之后，其性能和功能都有了提高，甚至在结构上也发生了变化。它们又可细分成：1）机械本身的主要功能被电子取代，如采用微机与激光连续加工代替线切割机床；电子照相机的电子快门、自动曝光、自动调焦等代替传统的机械式照相机等。2）机械式信息处理机构被电子元件代替，如电子表、电子计算器、电子交换机、电子秤等。3）机械式控制机构被电子式的代替，如缝纫机的凸轮机构被微机控制系统代替；汽车发动机的燃油喷射装置，采用电子控制喷油等。4）采用微电子技术增加了控制功能，如数控机床（NC）、汽车防滑制动装置（ABS）、微机控制的电机调速装置、微机控制的播种机、微机控制的联合收割机、微机控制的孵化器等。第二类属于机械与电子融合的产品，是机电一体化的高级产品表现形式，如工业机器人、传真复印机、自动售货机、自动取款机、计算机断层摄影装置（CT）、数码照相机、数码摄像机、高级门禁识别系统等。这些产品单靠机械或电子都是无法实现的，必须依靠机械与电子进行有机的结合才能完成。三、机电一体化系统的功能构成与组成物质、能量、信息物质、能量、信息物质、能量、信息物质、能量、信息系系统统 变换变换 传递传递 储存储存控制控制具有所需特性具有所需特性工业三大要素工业三大要素（人）（人）系统的目的功能图系统的目的功能图主功能主功能三大三大“目的功能目的功能”（1）变换（加工、处理）功能（2）传递（移动、输送）功能（3）储存（保持、积蓄、记录）功能机电一体化系统的功能构成构构造造功功能能主功能主功能变换、传递、储存变换、传递、储存计测功能计测功能动力功能动力功能控制功能控制功能物质物质能量能量信息信息物质物质能量能量信息信息输输入入输输出出干扰干扰废弃物输出废弃物输出动力动力输入输入(能量能量)输入输入控制控制输出输出控制控制(信息信息)（原）（原）（新）（新）人或其他系统人或其他系统机电一体化系统的功能构成机电一体化系统的功能构成主主主主功功功功能能能能：是实现系统目的功能直接必需的功能，主要是对物质、能量、信息或其相互结合进行变换、传递和储存。动动动动力力力力功功功功能能能能：给系统提供动力，使系统得以运转五大功能模块计计计计测测测测功功功功能能能能和和和和控控控控制制制制功功功功能能能能：根据系统的内部、外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转，实施目的功能。结结结结构构构构功功功功能能能能：使构成系统的各个子系统及元部件维持时间和空间上的相互关系所必需的功能。主要功能模块机电一体化系统的组成(五大要素）动力源 检测和传感单元 控制和信息处理部分 执行单元 机械本体 传感器传感器计算机计算机执执 行行 件件操作操作执行元件执行元件动力源动力源机构机构计测计测控制控制执执 行行 件件操作操作执行执行动力动力结构结构机电一体化系统工程的五大要素与功能食物排泄排泄传感器传感器计算机计算机执执 行行 件件操作操作执行元件执行元件动力源动力源机构机构感官感官头脑头脑执执 行行 件件操作操作手足手足内脏内脏骨骼骨骼行行动动外外界界信信息息机电一体化产品五大要素（机电一体化产品五大要素（a）及与）及与人体要素（人体要素（b）的比较）的比较(a)(b)45决决 策策感感 知知执执 行行目标系统目标系统人与机电一体化系统的比较 反导弹系统反导弹系统 7.1 机电一体化概述机电一体化概述我国学者根据机电一体化的含义，就机电一体化的基本体系提出的框图 机电一体化的进一步发展就是人工智能技术在感知、识别、执行环节感知、识别、执行环节感知、识别、执行环节感知、识别、执行环节的深入应用。四、机械电子学相关技术 机械技术 计算机技术 自动控制技术 检测与传感技术 伺服驱动技术 系统总体技术机械技术：是基础。计算机与信息处理技术：是促进发展的最活跃因素。检测与传感器技术：是实现自动控制的关键环节。自动控制技术：与计算机联系起来便成为关键技术。伺服驱动技术：是不是机电一体化系统的区别，在于是否具有计算控制的驱动系统。系统总体技术：按照系统工程的观点和方法，以整体的概念组织应用各种相关技术，将系统总体分解成相互有机联系的若干功能单元，再以功能单元为子系统继续分解，直至找到可实现的技术方案，优化、优选后形成可执行的技术方案。总体设计的成败关系到整个系统的优劣与否。机电一体化系统的设计方法：机电一体化系统的设计方法：理论基础：理论基础：系统论、信息论、控制论系统论、信息论、控制论设计特点：设计特点：多目标、相关性、不确定性、多假定、多多目标、相关性、不确定性、多假定、多参数参数1、目的：、目的：综合运用机械技术和电子技术，设计制造经济、有效、方便、可靠、满足用户需求的系统。2、系统设计的原则：、系统设计的原则：（1）机电互补原则（2）功能优化原则（3）自动化、省力化原则（4）效益最大原则（5）开放性原则系统设计技术：系统设计技术：3、系统设计的类型：、系统设计的类型：（1）开放性设计 （2）适应性设计 （3）变异性设计4、系统设计方法：、系统设计方法：（1）纵向分层法（2）横向分块法 替代、融合、组合系统工程开发路线:主要分为五个阶段：可行性论证、初步设计、详细设计、实施和测试、运行和维护生命周期法：每个阶段结束时经过评审才能进入下一阶段机械电子学的应用与发展前景 机电一体化的效益和应用提高精度。增强功能和可用性。提高生产效率，降低成本。提高安全性和可靠性。减轻劳动强度，改善劳动条件。简化结构，减轻重量。增加系统的柔性和智能化。趋势一性能上向高精性能上向高精度、高效率、度、高效率、高性能、智能高性能、智能化方向发展的。化方向发展的。精度：精度：0.1m0.1m。进给速度：进给速度：24100m/min24100m/min。人机对话功能。人机对话功能。7.1 机电一体化概述机电一体化概述发展前景：趋势二功能上向微型化、功能上向微型化、轻型化、多功能轻型化、多功能化的方向发展。化的方向发展。通信和联网功能。通信和联网功能。图形功能。图形功能。刀具轨迹描述功能。刀具轨迹描述功能。CAD/CAMCAD/CAM一体化功能。一体化功能。7.1 机电一体化概述机电一体化概述趋势三层次上向系层次上向系统化、复合统化、复合集成化的方集成化的方向发展。向发展。柔性制造系统柔性制造系统7.1 机电一体化概述机电一体化概述我国对机电一体化技术的研究是以1986年制定的高技术研究发展计划纲要即“863”计划为起点。1989年12月原机电部组织完成了机电一体化发展纲要研究的课题报告。报告提出：坚持做好用电子技术改造传统产业和开发数字化、自动化、智能化的机电一体化产品两个层次的工作；抓紧数控系统、新型工控系统和电力电子系统三类共性基础产品的开发和应用；按照推广一批、投产一批、开发一批和掌握一批的顺序层层推进。五、体系结构及教学安排 机电一体化机电一体化机械学机械学控控制制学学电电子子学学计算机科学计算机科学动动力力系系统统分分析析机机械械设设计计现现代代控控制制理理论论自自动动控控制制数数字字控控制制微处微处理器理器系统系统设计设计同分同分析析软软件件工工程程电电力力电电子子学学微处微处理器理器与电与电子器子器件件机电一体化主要内容机械系统设计-机械技术控制系统设计-自动控制技术检测系统设计-检测与传感技术伺服系统设计 伺服驱动技术 计算机控制机电系统设计电液控制系统设计 计算机技术63六、课堂教学的组织顺序绪论机械系统系统总体技术伺服系统检测系统控制系统典型系统及设计方法掌握机电产品及系统的特点及基本分析方法 熟悉机电产品及系统的设计制造过程知识面广,知识的综合运用能力强强的工程实践及动手能力具有集体意识和协作精神七、机电工程师应具备的能力适于学习本课程的素质及特点能够自己提出问题有追求完美的意识对现实世界中的问题感兴趣对人类的观察、分析、判断动作感兴趣对设计师在提高产品市场竞争力过程中的作用有一定了解能够与不同专业知识背景的人一起工作有明确的学习动机与目标不适于学习本课程的素质及特点希望由别人提出问题只满足于解决问题对理论和学术问题感兴趣只对技术本身感兴趣经过一些基础课程的学习，认为自己已经了解有关设计方面的知识自己的学习目标和机械电子学课程专业无关八、课程要求1.掌握机电一体化的基本概念、原理和基本知识。2.掌握常用元部件的原理、结构性能和应用。3.初步掌握系统设计原理和综合集成技术，进行总体方案的分析和设计。4.根据系统动力观点，对系统中的机电元部件的主要参数的匹配进行协调设计计算，以适应计算机控制系统和控制软件的需要。5.基本掌握系统的构成、原理、结构、性能和使用。如何学好本门课程上课要认真听讲。学习注意把握课程的体系结构和相互联系，能自己提出问题。学会取人之长为我所用。注重实践性环节，实验及课程设计一定要自己动手做。对设计师在提高产品市场竞争力过程中的作用有一定了解。参考教材1.1.机电一体化系统设计机电一体化系统设计,曾励，高等教育出版社，曾励，高等教育出版社，201020102.2.机电一体化系统设计，姜培刚，机械工业出版社，机电一体化系统设计，姜培刚，机械工业出版社，201120113.3.机电一体化系统设计，机电一体化系统设计，Shetty,D.Shetty,D.机械工业出版社，机械工业出版社，201620164.4.机械电子学，刘政华机械电子学，刘政华,国防科技大学出版社，国防科技大学出版社，20002000年年5.5.机电一体化系统设计，张建民等，北京理工大学出版社，机电一体化系统设计，张建民等，北京理工大学出版社，19951995年年6.ADesignandimplementationmethodologyforRealtimeControlsoftware，DavidAuslande,1998小 结1、机电一体化的含义、特点2、机电一体化系统的功能构成3、机电一体化系统的设计原则、方法问 题1、机电一体化的含义？2、机电一体化的特点是什么？3、机电一体化有哪六大共性关键技术？4、机电一体化的功能？5、机电一体化的组成要素？6、试列举10种常见的机电一体化产品作业：作业：请在下列的专题中选择一项，请在下列的专题中选择一项，查阅相关资料并写出读书报告：查阅相关资料并写出读书报告：1、机、机电一体化技术的发展趋势；电一体化技术的发展趋势；2、机电一、机电一体化技术在工业中的应用；体化技术在工业中的应用；3、国内外、国内外最新机电一体化设备。最新机电一体化设备。要求：要求：至少阅读至少阅读5篇篇2010年以后的文献年以后的文献资料，并在上交时附上相应的参考文资料，并在上交时附上相应的参考文献或网址。阅读报告的字数不得少于献或网址。阅读报告的字数不得少于2000汉字。汉字。