第一章_機(jī)電一體化技術(shù)_2010_.ppt

機(jī)電一體化技術(shù) 什么是機(jī)電一體化技術(shù) 日本企業(yè)界在1970年左右最早提出 機(jī)電一體化技術(shù) 這一概念 當(dāng)時(shí)他們?nèi)∶麨?Mechatronics 即結(jié)合應(yīng)用機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)于一體 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用 機(jī)電一體化技術(shù)獲得前所未有的發(fā)展 成為一門(mén)融合計(jì)算機(jī)與信息 自動(dòng)控制 傳感檢測(cè) 伺服傳動(dòng)和機(jī)械等學(xué)科交叉的系統(tǒng)技術(shù) 目前正向光機(jī)電一體化技術(shù) Opto mechatronics 方向發(fā)展 應(yīng)用范圍愈來(lái)愈廣 機(jī)電一體化技術(shù)具體包括以下內(nèi)容 機(jī)械技術(shù)機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化的基礎(chǔ) 機(jī)械技術(shù)的著眼點(diǎn)在于如何與機(jī)電一體化技術(shù)相適應(yīng) 利用其它高 新技術(shù)來(lái)更新概念 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上 材料上 性能上的變更 滿足減小重量 縮小體積 提高精度 提高剛度及改善性能的要求 在機(jī)電一體化系統(tǒng)制造過(guò)程中 經(jīng)典的機(jī)械理論與工藝應(yīng)借助于計(jì)算機(jī)輔助技術(shù) 同時(shí)采用人工智能與專(zhuān)家系統(tǒng)等 形成新一代的機(jī)械制造技術(shù) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)其中信息交換 存取 運(yùn)算 判斷與決策 人工智能技術(shù) 專(zhuān)家系統(tǒng)技術(shù) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)均屬于計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù) 系統(tǒng)技術(shù)系統(tǒng)技術(shù)即以整體的概念組織應(yīng)用各種相關(guān)技術(shù) 從全局角度和系統(tǒng)目標(biāo)出發(fā) 將總體分解成相互關(guān)聯(lián)的若干功能單元 接口技術(shù)是系統(tǒng)技術(shù)中一個(gè)重要方面 它是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部分有機(jī)連接的保證 自動(dòng)控制技術(shù)其范圍很廣 在控制理論指導(dǎo)下 進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)仿真 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試 控制技術(shù)包括如高精度定位控制 速度控制 自適應(yīng)控制 自診斷校正 補(bǔ)償 再現(xiàn) 檢索等 傳感檢測(cè)技術(shù)傳感檢測(cè)技術(shù)是系統(tǒng)的感受器官 是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制 自動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 其功能越強(qiáng) 系統(tǒng)的自動(dòng)化程序就越高 現(xiàn)代工程要求傳感器能快速 精確地獲取信息并能經(jīng)受?chē)?yán)酷環(huán)境的考驗(yàn) 它是機(jī)電一體化系統(tǒng)達(dá)到高水平的保證 伺服傳動(dòng)技術(shù)包括電動(dòng) 氣動(dòng) 液壓等各種類(lèi)型的傳動(dòng)裝置 伺服系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到機(jī)械動(dòng)作的轉(zhuǎn)換裝置與部件 對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能 控制質(zhì)量和功能有決定性的影響 機(jī)電一體化技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展 極大地推動(dòng)了不同學(xué)科的交叉與滲透 導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造 在機(jī)械工程領(lǐng)域 由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機(jī)械工業(yè)的滲透所形成的機(jī)電一體化 使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu) 產(chǎn)品jie構(gòu) 功能與構(gòu)成 生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化 使工業(yè)生產(chǎn)由 機(jī)械電氣化 邁入了 機(jī)電一體化 為特征的發(fā)展階段 機(jī)電一體化是指在機(jī)構(gòu)的主功能 動(dòng)力功能 信息處理功能和控制功能上引進(jìn)電子技術(shù) 將機(jī)械裝置與電子化設(shè)計(jì)及軟件結(jié)合起來(lái)所構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱(chēng) 機(jī)電一體化發(fā)展至今也已成為一門(mén)有著自身體系的新型學(xué)科 隨著科學(xué)技術(shù)的不但發(fā)展 還將被賦予新的內(nèi)容 但其基本特征可概括為 機(jī)電一體化是從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā) 綜合運(yùn)用機(jī)械技術(shù) 微電子技術(shù) 自動(dòng)控制技術(shù) 計(jì)算機(jī)技術(shù) 信息技術(shù) 傳感測(cè)控技術(shù) 電力電子技術(shù) 接口技術(shù) 信息變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù) 根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織目標(biāo) 合理配置與布局各功能單元 在多功能 高質(zhì)量 高可靠性 低能耗的意義上實(shí)現(xiàn)特定功能價(jià)值 并使整個(gè)系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術(shù) 由此而產(chǎn)生的功能系統(tǒng) 則成為一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)或機(jī)電一體化產(chǎn)品 因此 機(jī)電一體化 涵蓋 技術(shù) 和 產(chǎn)品 兩個(gè)方面 只是 機(jī)電一體化技術(shù)是基于上述群體技術(shù)有機(jī)融合的一種綜合技術(shù) 而不是機(jī)械技術(shù) 微電子技術(shù)以及其它新技術(shù)的簡(jiǎn)單組合 拼湊 這是機(jī)電一體化與機(jī)械加電氣所形成的機(jī)械電氣化在概念上的根本區(qū)別 機(jī)械工程技術(shù)由純技術(shù)發(fā)展到機(jī)械電氣化 仍屬傳統(tǒng)機(jī)械 其主要功能依然是代替和放大的體力 但是發(fā)展到機(jī)電一體化后 其中的微電子裝置除可取代某些機(jī)械部件的原有功能外 還能賦予許多新的功能 如自動(dòng)檢測(cè) 自動(dòng)處理信息 自動(dòng)顯示記錄 自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制自動(dòng)診斷與保護(hù)等 即機(jī)電一體化產(chǎn)品不僅是人的手與肢體的延伸 還是人的感官與頭腦的延伸 具有智能化的特征是機(jī)電一體化與機(jī)械電氣化在功能上的本質(zhì)區(qū)別 一 機(jī)電一體化的發(fā)展?fàn)顩r 機(jī)電一體化的發(fā)展大體可以分為3個(gè)階段 20世紀(jì)60年代以前為第一階段 這一階段稱(chēng)為初級(jí)階段 在這一時(shí)期 人們自覺(jué)不自覺(jué)地利用電子技術(shù)的初步成果來(lái)完善機(jī)械產(chǎn)品的性能 特別是在第二次世界大戰(zhàn)期間 戰(zhàn)爭(zhēng)刺激了機(jī)械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結(jié)合 這些機(jī)電結(jié)合的軍用技術(shù) 戰(zhàn)后轉(zhuǎn)為民用 對(duì)戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)的恢復(fù)起了積極的作用 那時(shí)研制和開(kāi)發(fā)從總體上看還處于自發(fā)狀態(tài) 由于當(dāng)時(shí)電子技術(shù)的發(fā)展尚未達(dá)到一定水平 機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合還不可能廣泛和深入發(fā)展 已經(jīng)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品也無(wú)法大量推廣 20世紀(jì)70 80年代為第二階段 可稱(chēng)為蓬勃發(fā)展階段 這一時(shí)期 計(jì)算機(jī)技術(shù) 控制技術(shù) 通信技術(shù)的發(fā)展 為機(jī)電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ) 大規(guī)模 超大規(guī)模集成電路和微型計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展 為機(jī)電一體化的發(fā)展提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ) 這個(gè)時(shí)期的特點(diǎn)是 mechatronics一詞首先在日本被普遍接受 大約到20世紀(jì)80年代末期在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認(rèn) 機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展 各國(guó)均開(kāi)始對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品給以很大的關(guān)注和支持 20世紀(jì)90年代后期 開(kāi)始了機(jī)電一體化技術(shù)向智能化方向邁進(jìn)的新階段 機(jī)電一體化進(jìn)入深入發(fā)展時(shí)期 一方面 光學(xué) 通信技術(shù)等進(jìn)入了機(jī)電一體化 微細(xì)加工技術(shù)也在機(jī)電一體化中嶄露頭腳 出現(xiàn)了光機(jī)電一體化和微機(jī)電一體化等新分支 另一方面對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計(jì) 分析和集成方法 機(jī)電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢(shì)都進(jìn)行了深入研究 同時(shí) 由于人工智能技術(shù) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光纖技術(shù)等領(lǐng)域取得的巨大進(jìn)步 為機(jī)電一體化技術(shù)開(kāi)辟了發(fā)展的廣闊前景 我國(guó)是從20世紀(jì)80年代初才開(kāi)始在這方面研究和應(yīng)用 國(guó)務(wù)院成立了機(jī)電一體化領(lǐng)導(dǎo)小組并將該技術(shù)列為 863計(jì)劃 中 在制定 九五 規(guī)劃和2010年發(fā)展綱要時(shí)充分考慮了國(guó)際上關(guān)于機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向和由此可能帶來(lái)的影響 許多大專(zhuān)院校 研究機(jī)構(gòu)及一些大中型企業(yè)對(duì)這一技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用做了大量的工作 不取得了一定成果 但與日本等先進(jìn)國(guó)家相比仍有相當(dāng)差距 二 機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì) 機(jī)電一體化是集機(jī)械 電子 光學(xué) 控制 計(jì)算機(jī) 信息等多學(xué)科的交叉綜合 它的發(fā)展和進(jìn)步依賴(lài)并促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步 因此 機(jī)電一體化的主要發(fā)展方向如下 智能化智能化是21世紀(jì)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要發(fā)展方向 人工智能在機(jī)電一體化建設(shè)者的研究日益得到重視 機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的智能化就是重要應(yīng)用 這里所說(shuō)的 智能化 是對(duì)機(jī)器行為的描述 是在控制理論的基礎(chǔ)上 吸收人工智能 運(yùn)籌學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué) 模糊數(shù)學(xué) 心理學(xué) 生理學(xué)和混沌動(dòng)力學(xué)等新思想 新方法 模擬人類(lèi)智能 使它具有判斷推理 邏輯思維 自主決策等能力 以求得到更高的控制目標(biāo) 誠(chéng)然 使機(jī)電一體化產(chǎn)品具有與人完全相同的智能 是不可能的 也是不必要的 但是 高性能 高速的微處理器使機(jī)電一體化產(chǎn)品賦有低級(jí)智能或人的部分智能 則是完全可能而又必要的 模塊化模塊化是一項(xiàng)重要而艱巨的工程 由于機(jī)電一體化產(chǎn)品種類(lèi)和生產(chǎn)廠家繁多 研制和開(kāi)發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口 電氣接口 動(dòng)力接口 環(huán)境接口的機(jī)電一體化產(chǎn)品單元是一項(xiàng)十分復(fù)雜但又是非常重要的事 如研制集減速 智能調(diào)速 電機(jī)于一體的動(dòng)力單元 具有視覺(jué) 圖像處理 識(shí)別和測(cè)距等功能的控制單元 以及各種能完成典型操作的機(jī)械裝置 這樣 可利用標(biāo)準(zhǔn)單元迅速開(kāi)發(fā)出新產(chǎn)品 同時(shí)也可以擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模 這需要制定各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn) 以便各部件 單元的匹配和接口 由于利益沖突 近期很難制定國(guó)際或國(guó)內(nèi)這方面的標(biāo)準(zhǔn) 但可以通過(guò)組建一些大企業(yè)逐漸形成 顯然 從電氣產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化 系列化帶來(lái)的好處可以肯定 無(wú)論是對(duì)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)電一體化單元的企業(yè)還是對(duì)生產(chǎn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的企業(yè) 模塊化將給機(jī)電一體化企業(yè)帶來(lái)美好的前程 網(wǎng)絡(luò)化20世紀(jì)90年代 計(jì)算機(jī)技術(shù)等的突出成就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起和飛速發(fā)展給科學(xué)技術(shù) 工業(yè)生產(chǎn) 政治 軍事 教育義舉人么日常生活都帶來(lái)了巨大的變革 各種網(wǎng)絡(luò)將全球經(jīng)濟(jì) 生產(chǎn)連成一片 企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)也將全球化 機(jī)電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來(lái) 只要其功能獨(dú)到 質(zhì)量可靠 很快就會(huì)暢銷(xiāo)全球 由于網(wǎng)絡(luò)的普及 基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾 而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本身就是機(jī)電一體化產(chǎn)品 現(xiàn)場(chǎng)總線和局域網(wǎng)技術(shù)是家用電器網(wǎng)絡(luò)化已成大勢(shì) 利用家庭網(wǎng)絡(luò) Homenet 將各種家用電器連接成以計(jì)算機(jī)為中心的計(jì)算機(jī)集成家電系統(tǒng) ComputerIntegratedApplianceSystem CIAS 使人們?cè)诩依锓窒砀鞣N高技術(shù)帶來(lái)的便利與快樂(lè) 因此 機(jī)電一體化產(chǎn)品無(wú)疑朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展 微型化微型化興起于20世紀(jì)80年代末 指的是機(jī)電一體化向微型機(jī)器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì) 國(guó)外稱(chēng)其為微電子機(jī)械系統(tǒng) MEMS 泛指幾何尺寸不超過(guò)1cm3的機(jī)電一體化產(chǎn)品 并向微米 納米級(jí)發(fā)展 微機(jī)電一體化產(chǎn)品體積小 耗能少 運(yùn)動(dòng)靈活 在生物醫(yī)療 軍事 信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì) 微機(jī)電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機(jī)械技術(shù) 微機(jī)電一體化產(chǎn)品的加工采用精細(xì)加工技術(shù) 即超精密技術(shù) 它包括光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)兩類(lèi) 綠色化工業(yè)的發(fā)達(dá)給人們生活帶來(lái)了巨大變化 一方面 物質(zhì)豐富 生活舒適 另一方面 資源減少 生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重污染 于是 人們呼吁保護(hù)環(huán)境資源 回歸自然 綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲下應(yīng)運(yùn)而生 綠色化是時(shí)代的趨勢(shì) 綠色產(chǎn)品在其設(shè)計(jì) 制造 使用和銷(xiāo)毀的生命過(guò)程中 符合特定的環(huán)境保護(hù)和人類(lèi)健康的要求 對(duì)生態(tài)環(huán)境無(wú)害或危害極少 資源利用率極高 設(shè)計(jì)綠色的機(jī)電一體化產(chǎn)品 具有遠(yuǎn)大的發(fā)展前途 機(jī)電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指 使用時(shí)不污染生態(tài)環(huán)境 報(bào)廢后能回收利用 系統(tǒng)化系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)一步采用開(kāi)放式和模式化的總線結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)可以靈活組態(tài) 進(jìn)行任意剪裁和組合 同時(shí)尋求實(shí)現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和綜合管理 表現(xiàn)之二是通信功能的大大加強(qiáng) 一般除RS232外 還有RS485 DCS人格化 未來(lái)的機(jī)電一體化更加注重產(chǎn)品與人的關(guān)系 機(jī)電一體化的人格化有兩層含義 一層是 機(jī)電一體化產(chǎn)品的最終使用對(duì)象是人 如何賦予機(jī)電一體化產(chǎn)品人的智能 情感 人性顯得越來(lái)越重要 特別是對(duì)家用機(jī)器人 其高層境界就是人機(jī)一體化 另一層是模仿生物機(jī)理 研制各種機(jī)電一體花產(chǎn)品 事實(shí)上 許多機(jī)電一體化產(chǎn)品都是受動(dòng)物的啟發(fā)研制出來(lái)的 Themostsignificantwordinthisdefinitionis synergistic 協(xié)同的 Synergy 最佳協(xié)同作用 iswhatcanprevailiftheconstituentpartsofanoveralldesignarechosenoptimallyandworktogethertobringoutthebestineachother Theresultingproductmaybegivenperformancecharacteristicswhichfaroutstripthosepreviouslyattainable Thewhole synergistically isgreater oftenbyordersofmagnitude thanthemeresumoftheparts 1 Whatismechatronics Mechatronicshasbeendefinedas Thesynergisticintegrationofmechanicalengineeringwithelectronicsandintelligentcomputercontrolinthedesignandmanufactureofproductsandprocesses AkeyfeatureofgoodMechatronicsdesignisteamwork Tobeabletogeneratesynergy tilemodemproductdesignteammustbecapableofmakingdesignchoicesfromtheentirerangeofpresentlyavailabletechnologies Laserscanprovidehighlyaccuratemeasurementsforinstrumentationandcontrol piezoelectricmaterialscanbeusedtomakeactuatorsofminiaturesize memoryalloysopenupthepossibilitiesofconstructing smart systemswhichcanmakeintelligentresponsestooperationalcontingencies andfastcheapmicroprocessorsallowtheeasyimplementationofcontrollerswithacomplexityunimaginableonlyafewyearsago TheMechatronicsdesigner whilemaintainingspecialisminoneormoreareas mustatthesametimekeepcontinuouslyincontactwiththewholespectrumoftoday sevolvingtechnology Theintegrationofelectronicengineering electricalengineering computertechnologyandcontrolengineeringwithmechanicalengineeringisincreasinglyformingacrucialpartinthedesign manufactureandmaintenanceofawiderangeofengineeringproductsandprocesses Aconsequenceofthisisthustheneedforengineersandtechnicianstoadoptaninterdisciplinaryandintegratedapproachtoengineering Thetermmechatronicsisusedtodescribethisintegratedsubject Aconsequenceofthisapproachisthatengineersandtechnicansneedskillsandknowledgethatarenotconfinedtoasinglesubjectarea Theyneedtobecapableofoperatingandcommunicatingacrossarangeofengineeringdisciplinesandlinkingwiththosehavingmorespecialisedskills Thislectureisanattempttoprovideabasicbackgroundtomechatronicsandprovidelinksthroughtomorespecialisedskills Considerthemodernauto focus auto exposurecamera Tousethecameraallyouneedtodoispointitatthesubjectandpressthebuttontotakethepicture Thecameraautomaticallyadjuststhefocussothatthesubjectisinfocusandautomaticallyadjuststheapertureandshutterspeedsothatthecorrectexposureisgiven Consideratrucksmartsuspension Suchasuspensionadjuststounevenloadingtomaintainalevelplatform adjuststocornering movingacrossroughground etc tomaintainasmoothride Consideranautomatedproductionline Suchalinemayinvolveanumberofproductionprocesseswhichareallautomaticallycarriedoutinthecorrectsequenceandinthecorrectway Theautomaticcamera thetrucksuspension andtheautomaticproductionlineareexamplesofamarriagebetweenelectroniccontrolsystemsandmechanicalengineering Thetermmechatronicsisusedforthisintegrationofelectronics controlengineeringandmechanicalengineering Inthedesignnowofcars robots machinetools washingmachines cameras andverymanyothermachines suchanintegratedandinterdisciplinaryapproachtoengineeringdesignisincreasinglybeingadopted Theintegrationacrossthetraditionalboundariesofmechanicalengineering electronicsandcontrolengineeringhastooccurattheearlieststagesofthedesignprocessifcheaper morereliable moreflexiblesystemsaretobedeveloped Mechatronicsbringstogetherareasoftechnologyinvolvingsensorsandmeasurementsystems driveandactuationsystems analysisofthebehaviourofsystems controlsystems andmicroprocessorsystems Application 1 MechatronicsinManufacturing2 RoboticAspectsinMechatronics3 SensorsinMechatronics4 ActuatorsinMechatronics5 MechatronicalSystems Modelling Design Safety Reliability 6 AdvancedApproachesinMechatronics 1 MechatronicsinManufacturing CIM Logistics ModellingofamobilegantrycranesystemasabasisforcontrolComputercontrolandstoragelogisticalsystemOndesigningtoolwearmonitoringsystemsusingsupervisedandunsupervisedneuralnetworksMeasurementofhelicalsurfacesinCIM systemProfilingdevicesofgrindingwheelforgeometricallycorrectmanufacturingofhelicoidsurfacesComputeraidedmeasurementtechnicofexperimentsperformedbytoolswithdefinedgeometryThecontroloftensionintextilefilamentwindersCell controllerdesignforaflexiblePCBdrillingstationAdaptivecontrolofservo hydraulicmaterials testingmachinesApracticalsolutionfo