光机电一体化技术电子教案.doc

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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。光机电一体化技术-光机电一体化技术引领机械发展作者：机械设计制造及其自动化，机自094班，冯上珏0前言光机电一体化技术是诸多高新技术产业和高新技术装备的基础，从机械加工到医疗仪器设备、从家用电器到军事装备都离不开它。信息、材料、能源、空间、海洋等高科技领域的技术发展和产业化，传统产业的技术升级改造，武器装备的现代化都离不开光机电一体化技术。光机电一体化产业由于其具有技术带动性、融合性和广泛适用性，在21世纪已经成为重要的战略性新兴产业。引起世界各主要发达国家和我国高度重视。因此，光机电一体化技术成为当今

2、机械工业技术发展的一个主要趋势。1 所学专业的基本情况1.1所学专业基本属性机械设计制造及其自动化是机械制造领域内的设计制造、科技开发、应用研究、以机械设计与制造为基础，融入计算机科学、信息技术、自动控制技术的交叉学科，主要任务是运用先进设计制造技术的理论与方法，解决现代工程领域中的复杂技术问题，以实现产品智能化的设计与制造。主干学科：力学、机械工程。主要课程：工程力学、机械设计基础、电工与电子技术、微型计算机原理应用、机械工程材料、制造技术基础。本专业设有计算机辅助设计与制造、设备工程和汽车服务三个专业方向。相近专业：材料成型及控制工程，车辆工程。1.2专业的地位、研究的对象及要解决的问题机

3、械类专业是为各行各业制造并提供机械设备和电气装置的部门，被誉为“国民经济的装备部”。经过数年的改革调整，我国的机械企业逐步摆脱了计划经济的束缚，确立了现代企业制度，机械行业逐步跟上市场经济和信息时代的步伐；而且，随着形势的发展，中国的制造业将得到较大的发展，有专家预测，21世纪的中国很可能成为全球的制造业和加工工业中心，在这种形势下，对机械的需求必将有较大的提升。行业得到发展，继而会对用人提出数量方面和质量方面的要求，因此专家预测，机械类专业人才的就业需求将得到改善，甚至有可能出现“热销”局面，高层次的技术人才将成为企业竞相争夺的对象。机械设计制造及其自动化专业作为机械类的一大专业，在机械领域

4、占据相当重要地位。本专业需研究及解决的问题如下：（1）机械设计与制造加工工艺规程的编制与实施；（2）机械、电气、液压、气压等控制设备的维护维修；（3）工艺工装的设计、制造；（4）数控机床、加工中心等高智能设备的编程及操作；（5）机械CAD/CAM技术的应用；（6）机械设计与制造的现场技术管理；（7）机电产品的销售和服务；（8）钳工、车工或电工的初级技能；（9）编制、实施机械设计与制造工艺规程的基本能力；（10）使用、保养、维修、管理机电设备的基本能力；（11）选用、设计制造、调试工艺工装的基本能力；（12）操作数控机床、加工中心等高智能设备的基本能力；（13）行机械设计与制造生产现场技术管理的

5、初步能力；（14）应用机械CAD/CAM的基本能力；（15）应用计算机处理文字、图表、数据和信息，设计机械和电气图样，编制数控加工程序的能力。2所学专业光机电一体化技术的应用情况现代工程机械设计制造及其自动化正处在一个光机电一体化的发展时代。引入光机电一体化技术，使机械、液压技术、电子控制技术和光电技术等有机的结合,可以极大地提高了工程机械的各种性能，如：体积小，适应性强，操作方便；功能增加，精度大幅提高；部分硬件实现软件化，智能化程度提高；产品可靠性得到提高，使用寿命增长；融合了多种学科新技术,衍生出许多功能更强，性能更好的新产品；技术层次高，应用范围广。光机电一体化系统包括以激光,电脑等现

6、代技术集成开发的自动化,智能化机构设备,仪器仪表和元器件。电子技术的采用使得反馈控制水平提高,运算速度加快,通过电子自动控制系统可按预设动作,其自行诊断,校正,补偿功能可减少误差,达到光靠单纯机械方式所不能实现的工作精度。同时,由于机械传动部件减机械磨损及配合间隙等引起的误差也大大减小。传统机械设备一般不具有维修诊断功能，而光机电一体化技术使得电子装置能按照人的意图进行自动控制，自动检测，信息采集及处理，调节、修正、补偿、自诊断，自动保护直至自动记录，显示，打印工作结果。通过改变程序，指令等软件内容而无需改动硬件部分就可变换产品的功能，是机械控制内容的确定和变化趋向“软件化”和“智能化”。3介

7、绍的光机电一体化设备的结构及工作原理数控机床是数字控制机床（Computernumericalcontrolmachinetools）的简称，是一种用数字化信息对其运动及加工过程进行控制的自动化机床。数控机床数字控制与机床制造技术相结合的产物，是集现代机械制造技术、自动控制技术、在线检测技术、计算机信息技术于一体的高效率、高精度和高自动化的现代机械加工设备，属于典型的机电一体化产品。在数控加工中，数控铣削加工最为复杂，需解决的问题也最多。除数控铣削加工之外的数控线切割、数控电火花成型、数控车削、数控磨削等的数控编程各有其特点，伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动。一

8、具体有以下部分构成：主机：他是数控机床的主体，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。数控装置：是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。驱动装置：他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。辅助装置：指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，

9、如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。编程及其他附属设备：可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。二数控机床的工作原理：数控机床在加工零件时，是先将被加工零件的加工顺序、工艺参数和机床运动要求用数控语言编制出加工程序，然后输入到CNC装置；CNC装置对加工程序进行一系列处理后，再向伺服系统驱动机床移动部件运动，从而自动完成零件的加工步骤。现代计算机数控机床由控制介质、输入输出设备、计算机数控装置、伺服系统及机床本体组成。数控机床工作原理图1、控制介质控制介质又称为信息载体，是人与数控机床之间联系的中间媒介

10、物质，反映了数控加工中的全部信息。目前常用的有穿孔带、磁带或磁盘等。2、输入、输出装置是CNC系统与外部设备进行交互的装置。交互的信息通常是零件加工程序。即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。3、数控装置CNC装置是数控机床实现自动加工的核心，主要由计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件等组成。作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内

11、硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。4、伺服系统它是数控系统与机床本体之间的电传动联系环节，主要由伺服电动机、驱动控制系统以及位置检测反馈装置组成。伺服电机是系统的执行元件，驱动控制系统则是伺服电机的动力源。数控系统发出的指令信号与位置反馈信号比较后作为位移指令，再经过驱动系统的功率放大后，带动机床移动部件作精确定位或按照规定的轨迹和进给速度运动，使机床加工出符合图样要求的零件。5、检测反馈系统测量反馈系统由检测元件和相应的电路组成，其作用是检测机床的实际位置、速度等信息，并将其反馈给数控装置与指令信息进行比较和校正，构成系统的闭环控制。6、机床本体机床本体指的是数控

12、机床机械机构实体，包括床身、主轴、进给机构等机械部件。由于数控机床是高精度和高生产率的自动化机床，它与传统的普通机床相比，应具有更好的刚性和抗振性，相对运动摩擦系数要小，传动部件之间的间隙要小，而且传动和变速系统要便于实现自动化控制。三数控车床的结构有以下特点：（1）由于数控车床刀架的两个方向运动分别由两台伺服电动机驱动，所以它的传动链短。不必使用挂轮、光杠等传动部件，用伺服电动机直接与丝杠联结带动刀架运动。伺服电动机丝杠间也可以用同步皮带副或齿轮副联结。（2）多功能数控车床是采用直流或交流主轴控制单元来驱动主轴，按控制指令作无级变速，主轴之间不必用多级齿轮副来进行变速。为扩大变速范围，现在一

13、般还要通过一级齿轮副，以实现分段无级调速，即使这样，床头箱内的结构已比传统车床简单得多。数控车床的另一个结构特点是刚度大，这是为了与控制系统的高精度控制相匹配，以便适应高精度的加工。（3）数控车床的第三个结构特点是轻拖动。刀架移动一般采用滚珠丝杠副。滚珠丝杠副是数控车床的关键机械部件之一，滚珠丝杠两端安装的滚动轴承是专用铀承，它的压力角比常用的向心推力球轴承要大得多。这种专用轴承配对安装，是选配的，最好在轴承出厂时就是成对的。（4）为了拖动轻便，数控车床的润滑都比较充分，大部分采用油雾剂自动润滑。（5）由于数控机床的价格较高、控制系统的寿命较长，所以数控车床的滑动导轨也要求耐磨性好。数控车床一

14、般采用镶钢导轨，这样机床精度保持的时间就比较长，其使用寿命也可延长许多。（6）数控车床还具有加工冷却充分、防护较严密等特点，自动运转时一般都处于全封闭或半封闭状态。（7）数控车床一般还配有自动排屑装置。四数控机床机械结构设计的特点数控机床虽然也有普通机床所具有的床身和立柱、导轨、工作台、刀架等部件。但为了与控制系统的高精度、高速度控制相匹配，对机床主机部分的结构设计还提出了高精度、高刚度、低惯量、低摩擦、无间隙、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。由于机械结构形式是体现其性能的具体手段，是实现性能的核心因素(当然结构也受材料和工艺的影响)，因此，数控机床的关键部件在结构设计中也有了重大变化。41基

15、础部件的结构特点：数控机床的基础件主要包括床身、立柱、工作台等支承件，它们的基本功能是支承承载和保持各执行器官的相对位置。数控机床集粗、精加工于一体，既要能够承受粗加工时大吃刀、大走刀的最大切削力、又要能够保证精加工时的高精度。因此，对基础件的结构设计在强度、刚度、抗振性、热变形和内应力等都提出了很高的要求。现行生产的数控机床采用的主要措施有：铸件采用全封闭截面，合理布置内部隔板和肋条，含砂造型或填充混凝土等材料，导轨面加宽，车床采用倾斜的床身和导轨还利于排屑，床身、立柱采用钢质焊接结构，可以明显提高其刚度，根据热对称原则布局还能增加散热隔热效果。4.2主传动系统的结构特点：主传动系统实现各种

16、刀具和工件所需的切削功率，且在尽可能大的转速范围内保证恒定功率输出，同时为使数控机床能获得最佳的切削速度，主传动须在较宽的范围内实现无级变速。现行数控机床采用高性能的直流或交流无级调速主轴电机，较普通机床的机械分级变速传动链大为简化。对加工精度有直接影响的主轴组件的精度、刚度、抗振性和热变形性能要求，可以通过主轴组件的结构设计和合理的轴承组合及选用高精度专用轴承加以保证。为提高生产率和自动化程度，主轴应有刀具或工件的自动夹紧、放松、切屑清理及主轴准停机构。最近日本又开发研制了新型的陶瓷主轴，重量轻，热膨胀率低，用在加工中心上，具有高的刚性和精度。4.3进给系统结构特点数控机床的进给系统是由伺服

17、电机驱动，通过滚珠丝杠带动刀具或工件完成各坐标方向的进给运动。为确定进给系统的传动精度和工作稳定性，在设计机械装置时，以“无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度”为原则，具体措施有：采用低摩擦、轻拖动、高效率的滚珠丝杠和直线滚动导轨;采用大扭矩、宽调速的伺服电机直接与丝杠相联接，缩短和简化进给传动链;通过消隙装置消除齿轮、丝杠、联轴器之间的传动间隙;对滚动导轨和丝杠预加载荷，预拉伸。4.4数控回转工作台和自动交换工作台数控镗、数控铣和加工中心，采用内部结构具有数控进给驱动机构特点的回转工作台，实现圆周任意角度的分度和进给运动。对多工序数控机床，配置自动交换工作台，进一步缩短辅助加工时间。4.5刀架系统

18、回转刀架，更换主轴换刀和带刀库的自动换刀系统及多刀架、多主轴布局对提高生产效率和自动化水平发挥了重要作用。为使刀具在机床上迅速定位、夹紧，普遍采用标准刀具系统和机夹刀。4.6数控附件机床附件的作用是配合机床实现自动化加工。数控机床专用的附件有：对刀仪，自动编程机，自动排屑器，物料储运及上下料装置，自动冷却、润滑及各种新型配套件如导轨防护罩等。4.7数控机床的外观造型特点数控机床的外观大都采用线型简洁的板块组合式全封闭安全防护罩，配备有现代特征的集操作、显示、控制于一体的操作面板，淘汰了普通机床各种操作手柄、手轮和线型复杂零散的多面型表面形态。安全防护罩可防止高压、大流量冷却液及铁屑飞溅，减少粉

19、尘入侵，隔声降噪，有利于机床的精度保持和环境保护，真正体现了机、电、液一体化的特点。依人机工程学宜人性原则设计的桌面式或悬挂式数控操作面版，是机床与操作者联系和信息交流的唯一界面，指示灯、按钮、按键的数量与排列及CRT的设计，既适合人的操作特性，又利于人机间的协调与交流，通过视觉良好的键面色彩，标准化的象形符号意象抽取，能准确反映和传递两者间的信息。4对所学专业光机电一体化技术应用的预测与展望机械设计制造及其自动化的未来的趋势光机电一体化光机电一体化技术是机械技术、微电子技术和光学技术，机械产品、微电子产品（含软件）和光学器件在系统中的集成和最佳组合。将光机电一体化技术运用到机械设计制造及其自

20、动化可产生出功能更强、性能更好的新一代技术装备，三大技术的优势集合可以提高多品种、小批量生产的自动化水平；可使工艺技术产生新的突破，可以组成对系统内、外部的信息检测，并分别具有对系统内部的自我诊断、自我修正功能和对系统外部的调节、控制功能，使智能化产品日益增多，可使产品的体积减小、重量减轻、适应性强；可靠性提高，产品具备良好的性能价格比。光机电一体化技术在机械设计制造及其自动化方面所涉及到的产品内容如下：数控机床,机器人,自动设备，生产用机电一体化产品和系统，FMS,无人化工厂,CIMS，微机控制汽车、机车等交通工具，数控包装机械及其系统运输,包装及工程用机电一体化产品，数控运输机械及工程机械

21、设备，自动仓库，字段能工空调与制冷系统及设备储存,自动化办公设备，微机或数控型耐用消费品，炊事自动化机械，家用机电一体化产品，服务设备，测试设备，控制设备，科研及过程控制用机电一体化产品，信息处理系统，机电一体化产品和系统，航空、航天、国防用武器装备等机电一体化产品，先进制造技术设备,机械设备,机电关键基础件,仪器仪表,监控设备及控制系统,高档医疗器械。将光机电一体化与机械设计制造及自动化结合在一起时科学技术发展的必然趋势和结果，二者的结合必然会引导科学技术进入新的阶段和高度，必然对人们的生产生活起到积极推进作用，进一步提高人们的生活水平。5感想与体会学习光机电一体化课程有助于我对所学专业知识

22、的进一步认识学习。这两个学科的综合将引领一个新的科学领域的发展。5.1通过本课程学习所得到体会与启示现代科技技术日新月异，高速发展，我们在学习专业知识的同时更应该适时的了解当代科技领域的新动态，将相关技术了解并运用到所学专业，达到相互融合，使机械制造趋于自动化、智能化和人性化。机械制造技术的发展如果光靠机械设计制造及其自动化的局限知识是不可能达到质的飞越，只能是闭门造车，固步自封，不能得到进步和发展。5.2对所学专业或所属学科应用光机电一体化技术的作用与意义的认识机械设计制造及其自动化技术是机电一体化的基础，机械设计制造及其自动化专业的着眼点在于如何与光机电一体化技术相适应，利用其它高、新技术

23、来更新概念，实现结构上、材料上、性能上的变更，满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能的要求。在光机电一体化系统制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。光机电一体化技术既是振兴传统机电工业的新鲜血液和源泉动力，又是开启机电行业产品结构、产业结构调整大门的钥匙。5.3对本课程教学的建议与期望学习光机电一体化技术导论以来，结合我们机械学院机械设计制造及其自动化专业的相关问题，使我们对我国的高新技术有了更进一步的认识和了解。光机电一体化技术是一个以实践为基础的技术领域，我希望老师能够给我们展示更多的光机电产品，如果有可能的话，可以在课余时间组织同学到光机电一体化的相关产品生产的企业考察、学习，亲自体会光机电产品的给我们生产和生活带来的深刻影响，而不仅仅是将这一印象建立在书本知识和老师口头及图片的展示。-