机电一体化概论课件.pptx
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1、主讲主讲:黄:黄平平四川省崇州市职业教育培训中心四川省崇州市职业教育培训中心 第第1章章 机电一体化的概述机电一体化的概述一、机电一体化的定义一、机电一体化的定义 机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合,并综合应用到实际中去的综合技术。是现代化的自动生产设备几乎合,并综合应用到实际中去的综合技术。是现代化的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化的设备。可以说都是机电一体化的设备。第一章第一章 机
2、电一体化概述机电一体化概述 机电一体化最早出现在机电一体化最早出现在19711971年日本杂志年日本杂志机械设计机械设计的副刊上,随的副刊上,随着机电一体化技术的快速发展,机电一体化的概念被我们广泛接受和普着机电一体化技术的快速发展,机电一体化的概念被我们广泛接受和普遍应用。随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用,机电一体化技术获得遍应用。随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用,机电一体化技术获得前所未有的发展。现在的机电一体化技术,是机械和微电子技术紧密集前所未有的发展。现在的机电一体化技术,是机械和微电子技术紧密集合的一门技术,他的发展使冷冰冰的机器有了人性化,智能化。合的一门技术,他的发展使冷冰
3、冰的机器有了人性化,智能化。Mechanics(机械学)Electronics(电子学)Mechatronics(机电一体化)+=第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述 机电一体化不是机械技术和电子技术的简单叠加,而是机电一体化不是机械技术和电子技术的简单叠加,而是将电子设备的信息处理功能和控制功能将电子设备的信息处理功能和控制功能“揉和揉和”到机械装到机械装置中去,从而达到扬长避短、互为补充的目的,使机电一置中去,从而达到扬长避短、互为补充的目的,使机电一体化产品更具有系统性、完整性和科学性。体化产品更具有系统性、完整性和科学性。 机电一体化又称机械电子学,英语称为机电一体化又称机械电子
4、学,英语称为MechatronicsMechatronics,它是由英文,它是由英文机械学机械学MechanicsMechanics的前半部分与电子学的前半部分与电子学ElectronicsElectronics的后半部分组合而成的后半部分组合而成, ,字面上表示机械学和电子学两个学科的综合,在我国通常称为机电一体字面上表示机械学和电子学两个学科的综合,在我国通常称为机电一体化或机械电子学。化或机械电子学。 机电一体化最本质的特性仍然是一个机械系统,其最主机电一体化最本质的特性仍然是一个机械系统,其最主要功能仍然是进行机械能和其他形式的能的互换,利用机械要功能仍然是进行机械能和其他形式的能的互
5、换,利用机械能实现物料搬移或形态变化以及实现信息传递和变换。机电能实现物料搬移或形态变化以及实现信息传递和变换。机电一体化系统与传统机械系统的不同之处是充分利用计算机技一体化系统与传统机械系统的不同之处是充分利用计算机技术、传感技术和可控驱动元件特性,实现机械系统的现代化、术、传感技术和可控驱动元件特性,实现机械系统的现代化、智能化、自动化。智能化、自动化。第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述 机电一体化是在机械主功能、动力功能、信息机电一体化是在机械主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术,并将机械装置功能和控制功能上引进微电子技术,并将机械装置与电子设备以及相关软件有机结
6、合而构成系统的总与电子设备以及相关软件有机结合而构成系统的总称。称。二、机电一体化的基本概念第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述“机电一体化机电一体化”也就是机械技术、微电子技术相互交叉、融也就是机械技术、微电子技术相互交叉、融合的产物。合的产物。机械技术机械技术(机械学、机构学(机械学、机构学)机电一体化机电一体化技术领域技术领域微电子技术微电子技术(半导体技术、计(半导体技术、计算机技术)算机技术)机电一体化:将多种技术融合为一体的产物机电一体化:将多种技术融合为一体的产物或者是将多种技术柔和地融合在一起的一门或者是将多种技术柔和地融合在一起的一门综合学科。综合学科。第一章第一章 机
7、电一体化概述机电一体化概述 机电一体化是以微型计算机为代表的微电子技术和机电一体化是以微型计算机为代表的微电子技术和信息技术迅速发展,并向机械工业领域迅猛渗透,与机信息技术迅速发展,并向机械工业领域迅猛渗透,与机械电子技术深度结合的现代工业基础上,综合应用机械械电子技术深度结合的现代工业基础上,综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术及软件编程技术等群试技术、电力电子技术、接口技术及软件编程技术等群体技术,从系统观点出发,根据系统功能目标和优化组体技术,从系统观点出发,根据系统功能目标和优化组织结
8、构目标,以智能、动力、结构、运动和感知等组成织结构目标,以智能、动力、结构、运动和感知等组成要素为基础,对各组成要素及其间的信息处理、接口耦要素为基础,对各组成要素及其间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究,使合、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究,使得整个系统有机结合与综合集成,并在系统程序和微电得整个系统有机结合与综合集成,并在系统程序和微电子电路的信息流有序控制下,形成物质和能量的有规则子电路的信息流有序控制下,形成物质和能量的有规则运动,在高功能、高质量、高精度、高可靠性、低消耗运动,在高功能、高质量、高精度、高可靠性、低消耗意义上实现多种技术功能复合的
9、最佳功能价值系统工程意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值系统工程技术。技术。三、机电一体化的基本涵义三、机电一体化的基本涵义第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述 目前世界上普遍认为机电一体化有两大分支,即生产过程目前世界上普遍认为机电一体化有两大分支,即生产过程的机电一体化和机电产品的机电一体化。生产过程的机电一体的机电一体化和机电产品的机电一体化。生产过程的机电一体化意味着整个工业体系得机电一体化,如机械制造过程机电一化意味着整个工业体系得机电一体化,如机械制造过程机电一体化、冶金生产的机电一体化、化工生产的机电一体化、粮食体化、冶金生产的机电一体化、化工生产的机电一体化、粮食及食
10、品加工过程的机电一体化、纺织工业的机电一体化、排版及食品加工过程的机电一体化、纺织工业的机电一体化、排版与印刷的机电一体化等。与印刷的机电一体化等。 生产过程的机电一体化根据生产过程的特点(如生产设备生产过程的机电一体化根据生产过程的特点(如生产设备和生产工艺是否连续)又可划分为离散制造过程的机电一体化和生产工艺是否连续)又可划分为离散制造过程的机电一体化和连续生产过程的机电一体化。前者以机械制造业为代表,后和连续生产过程的机电一体化。前者以机械制造业为代表,后者以化工生产流程为代表。者以化工生产流程为代表。 第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述 机电产品的机电一体化是机电一体化的核心,
11、是生产过程机电产品的机电一体化是机电一体化的核心,是生产过程机电一体化的物质基础。传统的机电产品加上微机控制即可机电一体化的物质基础。传统的机电产品加上微机控制即可转变为新一代的产品,而新产品较之旧产品功能强、性能好、转变为新一代的产品,而新产品较之旧产品功能强、性能好、精度高、体积小、重量轻、更可靠、更方便,具有明显的经精度高、体积小、重量轻、更可靠、更方便,具有明显的经济效益。机电一体化产品销到儿童玩具、家用电器、办公设济效益。机电一体化产品销到儿童玩具、家用电器、办公设备、大到数控机床、机器人、自动生产线等。备、大到数控机床、机器人、自动生产线等。第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概
12、述机电一体化系统机电一体化装置机电一体化产品其他技术控制技术信息技术接口技术微电子技术电气技术机械技术机电一体化技术机电一体化四、机电一体化的组成四、机电一体化的组成第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述机电一体化的组成机电一体化的组成机电一体化系统的形式多种多样,其功能也各不相同,一个较完善的机电机电一体化系统的形式多种多样,其功能也各不相同,一个较完善的机电一体化系统应包括以下几个基本要素:机械本体、动力单元、传感检测单元、一体化系统应包括以下几个基本要素:机械本体、动力单元、传感检测单元、执行单元、驱动单元、控制及信息处理单元,各要素之间通过接口相联系,执行单元、驱动单元、控制及信息
13、处理单元,各要素之间通过接口相联系,这些基本要素的关系及功能如图下所示,这是与人体的五大要素进行对比,这些基本要素的关系及功能如图下所示,这是与人体的五大要素进行对比,从而得到启发的。从而得到启发的。五、机电一体化系统的基本要素(五大要素)五、机电一体化系统的基本要素(五大要素) 机电一体化系统的组成及工作原理a)人的五大要素 b)机电一体化系统的要素 c)机电一体化系统的功能第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述各要素间联系各要素间联系1 1、机械本体、机械本体 机械本体包括机械传动装置和机械结构装置。其
14、主要功机械本体包括机械传动装置和机械结构装置。其主要功能是将构造系统的各子系统、零部件按照一定的空间和时间关能是将构造系统的各子系统、零部件按照一定的空间和时间关系安置在一定的位置上,并保持特定的关系。随着机电一体化系安置在一定的位置上,并保持特定的关系。随着机电一体化产品技术性能、水平和功能的提高,机械本体需在机械结构、产品技术性能、水平和功能的提高,机械本体需在机械结构、材料、加工工艺以及几何尺寸等方面都适应产品高效、多功能、材料、加工工艺以及几何尺寸等方面都适应产品高效、多功能、可靠、节能、小型、轻量、美观等要求。可靠、节能、小型、轻量、美观等要求。第一章第一章 机电一体化概述机电一体化
15、概述2 2、动力单元、动力单元 动力单元的功能是按照机电一体化系统的控制要求,为系动力单元的功能是按照机电一体化系统的控制要求,为系统提供能量和动力以保证系统正常运行。机电一体化的显著特征统提供能量和动力以保证系统正常运行。机电一体化的显著特征之一是用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出。之一是用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出。第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述3 3、传感检测单元、传感检测单元 传感检测单元的功能是对系统进行运行过程中所需要的本传感检测单元的功能是对系统进行运行过程中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测,并转换成可识别身和外界环境的各种参数及状
16、态进行检测,并转换成可识别信号,传输到控制信息处理单元,经过分析、处理产生相应信号,传输到控制信息处理单元,经过分析、处理产生相应的控制信息。传感器检测单元通常由专门的传感器和仪器仪的控制信息。传感器检测单元通常由专门的传感器和仪器仪表组成。表组成。第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述4 4、执行单元、执行单元 执行单元的功能是根据控制信息和指令完成所要求的动作。执行单元的功能是根据控制信息和指令完成所要求的动作。执行单元是运动部件,一般采用机械、电磁、电液等方式将输执行单元是运动部件,一般采用机械、电磁、电液等方式将输入的各种形式的能量转换为机械能。根据机电一体化系统的匹入的各种形式的
17、能量转换为机械能。根据机电一体化系统的匹配性要求,需要考虑改善执行机构的工作性能,如提高刚性,配性要求,需要考虑改善执行机构的工作性能,如提高刚性,减轻重量,实现组件化、标准化和系列化,以提高系统整体工减轻重量,实现组件化、标准化和系列化,以提高系统整体工作可靠性等。作可靠性等。第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述5 5、驱动单元、驱动单元 驱动单元的功能是在控制信息作用下,驱动各种执行机驱动单元的功能是在控制信息作用下,驱动各种执行机构完成各种动作和功能。机电一体化技术一方面要求驱动单元构完成各种动作和功能。机电一体化技术一方面要求驱动单元具有高频率和快速响应等特性,同时又要求其对水、
18、油、温度、具有高频率和快速响应等特性,同时又要求其对水、油、温度、尘埃等外部环境具有适应性和可靠性;另一方面由于受几何上尘埃等外部环境具有适应性和可靠性;另一方面由于受几何上动作范围狭窄等限制,还需考虑维修方便,并且尽可能实现标动作范围狭窄等限制,还需考虑维修方便,并且尽可能实现标准化。随着电力电子技术的高度发展,高性能步进电动机、直准化。随着电力电子技术的高度发展,高性能步进电动机、直流和交流伺服电动机将大量应用于机电一体化系统。流和交流伺服电动机将大量应用于机电一体化系统。第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述6 6、控制与信息处理单元、控制与信息处理单元 控制与信息处理单元是机电一体
19、化系统的核心单元,其控制与信息处理单元是机电一体化系统的核心单元,其功能是将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、功能是将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工,根据信息处理结果,按照一定的程序发出储存、分析、加工,根据信息处理结果,按照一定的程序发出相应的控制信号,通过输出接口送往执行机构,控制整个系统相应的控制信号,通过输出接口送往执行机构,控制整个系统有目的地运行,并达到预期的性能。控制与信息处理单元一般有目的地运行,并达到预期的性能。控制与信息处理单元一般由计算机、可编程控制器、数控装置以及逻辑电路等组成。由计算机、可编程控制器、数控装置以及逻辑电路等组
20、成。第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述7 7、接口、接口 机电一体化系统由许多要素或子系统组成,各子系统之间机电一体化系统由许多要素或子系统组成,各子系统之间要能顺利地进行物质、能量和信息的传递和交换,必须在各要要能顺利地进行物质、能量和信息的传递和交换,必须在各要素或各子系统的相接处具备一定的连接部件,这个连接部件称素或各子系统的相接处具备一定的连接部件,这个连接部件称为接口。为接口。 接口的作用是将各要素或子系统连接成为一个有机整体,接口的作用是将各要素或子系统连接成为一个有机整体,使各个功能环节有目的地协调一致运动,从而形成机电一体化使各个功能环节有目的地协调一致运动,从而形成机
21、电一体化的系统工程。的系统工程。第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述 接口的基本功能主要有三个:一是变换。在需要进行信息交接口的基本功能主要有三个:一是变换。在需要进行信息交换和传输的环节之间,由于信号的模式不同(如数字量与模拟量、换和传输的环节之间,由于信号的模式不同(如数字量与模拟量、串行码与并行码、连续脉冲与序列脉冲等)无法直接实现信息或串行码与并行码、连续脉冲与序列脉冲等)无法直接实现信息或能量的交流,必须通过接口完成信号或能量的转换和统一。二是能量的交流,必须通过接口完成信号或能量的转换和统一。二是放大。在两个信号强度相差悬殊的环节间,经接口放大,达到能放大。在两个信号强度相差
22、悬殊的环节间,经接口放大,达到能量匹配。三是传递。变换和放大后的信号要在环节间能可靠、快量匹配。三是传递。变换和放大后的信号要在环节间能可靠、快速、准确地交换,必须遵循协调一致的时序、信号格式和逻辑规速、准确地交换,必须遵循协调一致的时序、信号格式和逻辑规范。接口具有保证信息传递的逻辑控制功能,使信息按规定模式范。接口具有保证信息传递的逻辑控制功能,使信息按规定模式进行传递。进行传递。第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述 构成机电一体化系统的五大组成要素其内部及相互构成机电一体化系统的五大组成要素其内部及相互之间都必须遵循结构接口耦合、运动传递、信息控制与之间都必须遵循结构接口耦合、运动
23、传递、信息控制与能量转换四大原则。能量转换四大原则。 1. 1.接口耦合:两个需要进行信息交换和传递的环节之间,接口耦合:两个需要进行信息交换和传递的环节之间,由于信息模式不同(数字量与模拟量,串行码与并行码,连续由于信息模式不同(数字量与模拟量,串行码与并行码,连续脉冲与序列脉冲等)无法直接传递和交换,必须通过接口耦合脉冲与序列脉冲等)无法直接传递和交换,必须通过接口耦合来实现。而两个信号强弱相差悬殊的环节之间,也必须通过接来实现。而两个信号强弱相差悬殊的环节之间,也必须通过接口耦合后,才能匹配。变换放大后的信号要在两个环节之间可口耦合后,才能匹配。变换放大后的信号要在两个环节之间可靠、快速
24、、准确的交换、传递,必须遵循一致的时序、信号格靠、快速、准确的交换、传递,必须遵循一致的时序、信号格式和逻辑规范才行,因此接口耦合时就必须具有保证信息的逻式和逻辑规范才行,因此接口耦合时就必须具有保证信息的逻辑控制功能,使信息按规定的模式进行交换与传递。辑控制功能,使信息按规定的模式进行交换与传递。 第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述六、机电一体化系统的四大原则六、机电一体化系统的四大原则 2. 2.能量转换:两个需要进行传输和交换的环节之间,能量转换:两个需要进行传输和交换的环节之间,由于模式不同而无法直接进行能量的转换和交流,必须进由于模式不同而无法直接进行能量的转换和交流,必须进
25、行能量的转换,能量的转换包括执行器,驱动器和他们的行能量的转换,能量的转换包括执行器,驱动器和他们的不同类型能量的最优转换方法及原理。不同类型能量的最优转换方法及原理。 3.3.信息控制:在系统中,所谓智能组成要素的系统控信息控制:在系统中,所谓智能组成要素的系统控制单元,在软、硬件的保证下,完成信息的采集、传输、制单元,在软、硬件的保证下,完成信息的采集、传输、储存、分析、运算、判断、决策,以达到信息控制的目的。储存、分析、运算、判断、决策,以达到信息控制的目的。对于智能化程度高的信息控制系统还包含了知识获得、推对于智能化程度高的信息控制系统还包含了知识获得、推理机制以及自学习功能等知识驱动
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