机电一体化技术课件.ppt
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1、过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1章章 机电一体化技术机电一体化技术主讲 张博2015.12第第一部分一部分 机电一体化技术简介机电一体化技术简介过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1章章n机电一体化系统的基本概念机电一体化系统的基本概念n机电一体化系统的发展过程机电一体化系统的发展过程n机电一体化系统的关键性技术机电一体化系统的关键性技术n机电一体化产品的设计机电一体化产品的设计 主要内容主要内容过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1章章第一节第一节 机电一体化机电一体化(Mechatronics)的基本概念)的基本概念l机电一体化是微电子技术向机械工业渗透过程中逐渐机
2、电一体化是微电子技术向机械工业渗透过程中逐渐形成的一个新概念,是各相关技术有机结合的一种新形成的一个新概念,是各相关技术有机结合的一种新形式。关于机电一体化(形式。关于机电一体化(Mechatronics)这个名词的)这个名词的起源,说法很多。早在起源,说法很多。早在1971,日本,日本机械设计机械设计杂志杂志副刊就提出了副刊就提出了“Mechatronics”这一名词,这一名词,1976年以年以广告为主的日本杂志广告为主的日本杂志Mechatronics Design News开开始使用,其中的始使用,其中的“Mechatronics”是由是由“Mechanics”的前半部和的前半部和“El
3、ectronics”的后半部组合而成。翻译的后半部组合而成。翻译为机电一体化或机械电子学。为机电一体化或机械电子学。l一、一、MechatronicsMechatronics的基本含义的基本含义过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1章章“机电一体化机电一体化”是机械技术、微电子技术相互交叉、是机械技术、微电子技术相互交叉、融合的产物。融合的产物。机械机械技术技术(机(机械学械学机构机构学)学)机电一机电一体化技体化技术领域术领域微电子微电子技术技术(半导(半导体技术、体技术、计算机计算机技术)技术)过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1章章机电一体化技术的发展大体上可分为三个阶段机
4、电一体化技术的发展大体上可分为三个阶段2020世纪世纪7070年代至年代至8080年代为第二阶段。年代为第二阶段。“蓬勃发展阶段蓬勃发展阶段”从从2020世纪世纪9090年代后期开始为第三阶段。年代后期开始为第三阶段。“智能化阶段智能化阶段”2020世纪世纪6060年代以前为第一阶段。年代以前为第一阶段。“萌芽阶段萌芽阶段”机电一体化技术发展史机电一体化技术发展史过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1章章1 1、六十年代,日本通产省为扩大机械功能,在机械、六十年代,日本通产省为扩大机械功能,在机械上采用电气和电子技术,曾结合数控机床做过不少上采用电气和电子技术,曾结合数控机床做过不少实验
5、,但末能获得成功。实验,但末能获得成功。2 2、七十年代,微电子技术成熟,微机商品化,大规模、七十年代,微电子技术成熟,微机商品化,大规模集成电路问世,构成微机的基本单元集成电路问世,构成微机的基本单元CPUCPU、ROMROM、RAMRAM和和接口电路已经模块化,自己接口电路已经模块化,自己 制造制造 计算机成为可能。计算机成为可能。机电一体化得以现实。机电一体化得以现实。3 3、19711971年,日刊工业新闻社发行年,日刊工业新闻社发行机电一体化入门机电一体化入门和和机电一体化机电一体化月刊,专门刊载机电一体化新产品。月刊,专门刊载机电一体化新产品。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表
6、第第1章章4 4、19761976年,机电一体化正式命名年,机电一体化正式命名 “”(Mechatronics(Mechatronics、机电一体化)。、机电一体化)。5 5、19711971到到19781978年日本政府颁发年日本政府颁发“机电法机电法”和和“机信法机信法”,对机电一体化的发展起到积极推动作用。,对机电一体化的发展起到积极推动作用。6 6、八十年代,在、八十年代,在“机信法机信法”指导下,机电一体化的产指导下,机电一体化的产品如雨后春笋不断涌现。品如雨后春笋不断涌现。7 7、九十年代,集成度提高,价格下降,机电一体化技、九十年代,集成度提高,价格下降,机电一体化技术在世界范围
7、内得到迅猛发展,机电一体化技术遍及术在世界范围内得到迅猛发展,机电一体化技术遍及社会各个领域。全盛时期开始。社会各个领域。全盛时期开始。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1章章l机电一体化的定义在日本多种多样。但机电一体化的定义在日本多种多样。但最具有指导性的定义是日本机械振兴协最具有指导性的定义是日本机械振兴协会经济研究所提出的。会经济研究所提出的。1、日本关于、日本关于Mechatronics的定义的定义n“机电一体化这个词乃是在机构的主功能、机电一体化这个词乃是在机构的主功能、动力功能、信息与控制功能上引进了电子动力功能、信息与控制功能上引进了电子技术,并将机械装置与电子设备以及
8、软件技术,并将机械装置与电子设备以及软件等有机结合而成的系统的总称等有机结合而成的系统的总称”。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1章章l美国是机电一体化产品开发和应用的最早的国美国是机电一体化产品开发和应用的最早的国家。如世界上第一台数控机床家。如世界上第一台数控机床(1952)、第一个)、第一个工业机器人(工业机器人(1962)。)。2、美国关于现代机械系统的定义、美国关于现代机械系统的定义“由计算机信息网络协调与控制的由计算机信息网络协调与控制的,用于完成包用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和和(或或)机电部件相互联系的系统
9、机电部件相互联系的系统”。美国机械工程师协会的一个专家组于美国机械工程师协会的一个专家组于1984年年 在给美国国家科学基金会的报告中,提出了现在给美国国家科学基金会的报告中,提出了现 代机械系统的定义。代机械系统的定义。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1章章l3、我国对机电一体化的理解、我国对机电一体化的理解 机电一体化是机电一体化技术及其产品的统称机电一体化是机电一体化技术及其产品的统称,还将柔性制造系统还将柔性制造系统(FMS)(Flexible Manufacturing System)和计算机集成制造系统和计算机集成制造系统(CIMS)(Computer Integrate
10、d Manufacturing System)包括在内。包括在内。机电一体化是在机械产品中的机构主功能、动机电一体化是在机械产品中的机构主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术和计算机技术和计算机技术,并将机械装置和电子设备以及计算机并将机械装置和电子设备以及计算机软件等有机结合起来构成的系统总称。软件等有机结合起来构成的系统总称。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1章章二、机电一体化系统二、机电一体化系统1、定义:、定义:机电一体化系统是一种比较复杂的工程系统,它是机电一体化系统是一种比较复杂的工程系统,它是由相互关联的、若干
11、种类的元素由相互关联的、若干种类的元素(机械、流体、电、磁、机械、流体、电、磁、光、热、声等光、热、声等)组成的,具有特定目标的有机整体。组成的,具有特定目标的有机整体。整体性整体性(集合性集合性)、关联性、目的性和相对性。、关联性、目的性和相对性。1 1)属性)属性过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1章章系统系统控制控制物质物质能量能量信息信息物质物质能量能量信息信息(人)(人)工业三大工业三大要素要素具有所需具有所需特性特性2)系统目的功能)系统目的功能三大目三大目的功能的功能变换功能变换功能:加工、处理加工、处理传递功能传递功能:移动、输送移动、输送储存功能储存功能:保持、积蓄、
12、记录保持、积蓄、记录(变换、传递、储存)变换、传递、储存)过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1章章2、功能构成原理、功能构成原理1)系统框图)系统框图系统系统(特性)(特性)输入输入x外部环境外部环境直接输出直接输出y间接输出间接输出过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1章章2)系统结构框图)系统结构框图大系统大系统系统系统1分系统分系统1(单元)(单元)单元单元1(部件)(部件)元件元件1系统系统k分系统分系统h单元单元m元件元件n过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1章章主功能主功能(变换、传递、保存)(变换、传递、保存)动力功能动力功能控制功能控制功能输入输入输出输出
13、结结构构功功能能干扰干扰排放物排放物能量输入能量输入信息输入信息输入 信息输出信息输出物物质质能能量量信信息息物物质质能能量量信信息息3)机电一体化系统功能构成原理图)机电一体化系统功能构成原理图检测功能检测功能过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1章章CNC机床内部功能构成实例机床内部功能构成实例过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1章章结论:有五种内部功能。结论:有五种内部功能。主主 功功 能:实现系统目的功能直接必需的功能,主要是对物质、能: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、传递和存储。能量、信息或其相互结合进行变换、传递和存储。动
14、力功能:向系统提供动力、让系统得以运转的功能。动力功能:向系统提供动力、让系统得以运转的功能。检测功能:获取系统内、外部信息的功能。检测功能:获取系统内、外部信息的功能。控制功能:对整个系统进行控制,使系统正常运转,实施目的控制功能:对整个系统进行控制,使系统正常运转,实施目的 功能。功能。构造功能:使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和构造功能:使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和 空间上的相互关系所必须的功能。空间上的相互关系所必须的功能。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1章章4)系统数学模型)系统数学模型y=(x1、x2、xn,1、2、n,t)y系统目的或输出;系
15、统目的或输出;xi输入;输入;i环境或约束条件。环境或约束条件。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1章章l机械本体机械本体3、系统组成、系统组成n动力部分动力部分n测试传感部分测试传感部分n控制及信息处理单元控制及信息处理单元n执行机构执行机构n接口接口n驱动部分驱动部分过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1章章1)机械本体)机械本体 是所有功能元素的机械支持结构,包括机身、框架、机是所有功能元素的机械支持结构,包括机身、框架、机械连接、机械运动部件等。械连接、机械运动部件等。2)动力部分)动力部分 在控制系统的控制下,为系统提供能量和动力使系统正在控制系统的控制下,为系统提供能
16、量和动力使系统正常运行。常运行。3)测试传感部分)测试传感部分 在系统运行中对系统本身和外界环境的各种参数及状态在系统运行中对系统本身和外界环境的各种参数及状态进行检测,变成可识别信号,传输到信息处理单元,经过分进行检测,变成可识别信号,传输到信息处理单元,经过分析、处理后产生相应的控制信息。析、处理后产生相应的控制信息。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1章章4)执行机构)执行机构接收控制系统的控制信息和指令,完成要求的动作。接收控制系统的控制信息和指令,完成要求的动作。5)驱动部分)驱动部分 在控制信息作用下,提供动力并实现功率匹配,驱动在控制信息作用下,提供动力并实现功率匹配,驱
17、动各执行机构完成各种动作和功能。各执行机构完成各种动作和功能。6)控制及信息处理单元)控制及信息处理单元 将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、存储、分析、加工,根据信息处理结果,按照一定中、存储、分析、加工,根据信息处理结果,按照一定的程序和节奏发出相应的指令,控制整个系统按要求实的程序和节奏发出相应的指令,控制整个系统按要求实现有序地运行。现有序地运行。7)接口)接口 系统中各单元和环节之间进行物质、能量和信息交系统中各单元和环节之间进行物质、能量和信息交换的连接界面,是外部设备和数控装置之间的桥梁。换的连接界面,是外部设备和数控装置之
18、间的桥梁。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1章章内脏内脏手脚手脚五官五官骨骼骨骼动力动力系统系统控制控制系统系统执行执行机构机构检测检测部分部分机械机械本体本体大脑大脑过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1章章机电一体化系统各构成要素之间的相互联系机电一体化系统各构成要素之间的相互联系过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1章章第二节第二节 机电一体化产品机电一体化产品一、机电一体化产品的分类一、机电一体化产品的分类(1)产业机械:用于生产的电子控制机械。)产业机械:用于生产的电子控制机械。1、按机电一体化产品的用途分类、按机电一体化产品的用途分类(2)信息机械:用于信息处
19、理、存储的电子机械产品)信息机械:用于信息处理、存储的电子机械产品。(3)民生机械:用于生活领域的电子机械产品或机械电子产品。)民生机械:用于生活领域的电子机械产品或机械电子产品。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1章章2、按机电一体化产品的功能分类、按机电一体化产品的功能分类(1)在原有机械本体上采用微电子控制装置的产品。)在原有机械本体上采用微电子控制装置的产品。(2)用电子装置局部取代机械控制装置。)用电子装置局部取代机械控制装置。(3)用电子装置取代原来执行信息处理功能的机构。)用电子装置取代原来执行信息处理功能的机构。(4)用电子装置取代了机械的主功能的产品。)用电子装置取代
20、了机械的主功能的产品。(5)信息设备和电子装置有机结合的信息电子设备。)信息设备和电子装置有机结合的信息电子设备。(6)检测装置、电子装置和机构有机结合的检测用电子机械设备。)检测装置、电子装置和机构有机结合的检测用电子机械设备。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1章章二、机电一体化产品的构成及特点二、机电一体化产品的构成及特点1、主要构成、主要构成1)机械系统)机械系统4)信息处理及控制系统)信息处理及控制系统3)传感与检测系统)传感与检测系统5)执行机构)执行机构2)动力系统)动力系统过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1章章l2、特点、特点1)安全性、可靠性高)安全性、可靠
21、性高2)生产能力与工作质量高)生产能力与工作质量高3)使用性能好)使用性能好4)有复合功能)有复合功能5)便于调整和维护)便于调整和维护过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1章章第三节第三节 机电一体化的技术体系机电一体化的技术体系 机电一体化技术是系统技术、计算机与信息处机电一体化技术是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、伺服传动技术、电力电子理技术、自动控制技术、伺服传动技术、电力电子技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程的一种高新技术。密集型系统工程的一种高新技术。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1
22、章章一、机械技术一、机械技术1.内涵:指机械结构的设计与制造。内涵:指机械结构的设计与制造。2.作作用用:完完成成机机电电一一体体化化系系统统间间的的连连接接以以及及如如何何与与机机电电一一体体化化的的其其它它技技术术相相适适应应,并并利利用用其其它它技技术术来来更更新新概概念念,从从而而实实现现在在结结构构、材材料料、性性能能上上的的变变更更,以以满满足足减减少少重重量量、缩缩小小体体积积、提提高高精精度、提高刚度、改善性能的要求。度、提高刚度、改善性能的要求。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第1章章二、信息处理技术二、信息处理技术(计算机与信息处理技术)(计算机与信息处理技术)1.
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