1、1,机电一体化系统概论,2,机电一体化的概念,1971 年，日本提出 “机电一体化”新名词 机电一体化 (Mechatronics) =机械学(Mechanics) + 电子学(Electronics)定义：机电一体化技术是微电子技术、计算机技术、信息技术与机械技术相结合的新兴的综合性高技术，是机械技术与微电子技术的有机结合。,3,机电一体化目标,将机械技术与电子技术相结合，充分发挥各自的长处，弥补各自技术上的不足。机械的强度高，输出功率大，可承受较大的载荷,但实现微小运动和复杂运动比较困难。电子领域，利用传感器和计算机可实现复杂的检测和控制。将机械技术和电子技术两者结合，可在重载条件下实现微
2、小运动和复杂运动。,4,机电一体化目标,机械的柔性化：使机械能够像动物那样动作灵活。机械的智能化：使机械能够像人类那样会思考与判断。,5,机电一体化系统六大基本结构要素,机械本体：执行机构：驱动部分：测试传感部分：控制及信息处理单元：能源：,6,机械本体,组成 ：机身、框架、机械联接、机械传动等作用：支撑系统中其它功能单元、传递运动和动力。要求：在机械结构、材料、加工工艺性及几何尺寸等方面适应高效、多功能、可靠、节能、小型、轻量和美观等要求。,7,执行机构,组成 ：通常采用电力驱动、气压驱动和液压驱动等方式。要求：根据控制信息和指令，驱动机械部件的运动。作用：根据机电一体化系统的匹配性要求改善
3、性能，如提高刚性、减轻重量、实现模块化、标准化和系列化，提高系统可靠性。,8,驱动部分,组成 ：步进电机、直流电机、交流电机、液压与气压伺服元件。作用：在满足驱动力和速度的前提下，还应满足高效率、快速响应、环境适应性和可靠性等要求。,9,测试传感部分,组成：位移、速度、力、角度等各种类型的传感器和仪表。作用：是对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，转换为可识别的信号，传输到信息处理单元，经分析处理后产生控制信息。要求：满足快速、精确、稳定的工作要求，输出信息便于传输与处理。,10,控制及信息处理单元,是机电一体化系统的核心。组成：控制计算机、控制软件、硬件接口要求：负责把
4、来自各传感器的检测信号和外部输入命令进行集中、存储、计算、分析，根据信息处理结果，按照一定的程度和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地进行。作用：提高信息处理的速度、抗干扰能力和可靠性，完善系统的自诊断功能，实现信息处理的智能化、小型化、轻量和标准化等。,11,能源,能源是机电一体化产品能量供应部分组成 ：电能、气能和液压能，以电能为主。作用：按照系统控制要求向机械系统提供能量和动力使系统正常运行。要求：用尽可能小的输入获得尽可能大的功率输出，工作效率高，符合使用环境和结构尺寸的要求。,12,机电一体化技术分类,生产过程的机电一体化：实例：械制造过程、冶金生产、化工生产、粮食及食品加工过程
5、、纺织工业、排版与印刷等分类：离散制造过程的机电一体化：机械制造业连续生产过程的机电一体化：化工生产流程,13,机电一体化技术分类,机电产品的机电一体化：传统的机电产品微机控制特点：功能强、性能好、精度高、重量轻、体积小、更可靠、更方便、经济效益高。,14,机电一体化产品,定义：机电一体化产品是新型机械与微电子器件，特别是微处理器、微型计算机相结合而开发出来的新一代电子化机械产品。机电仪一体化产品，机电液一体化产品，光机电一体化产品统等称为机电一体化产品。,15,机械产品到机电一体化产品的个阶段,16,机电一体化产品的分类,按发展水平分类：功能附加型初级系统功能代替型中级系统机电融合型高级系统
6、,17,机电一体化产品的分类,按应用分类：民生机电产品：微电脑洗衣机、电子照相机办公机电产品：复印机、打字机产业机电产品：数控机床、工业机器人,18,判断机电一体化产品？,机器人、数控机床、自动行李输送机、自动对焦照相机、自动对焦防颤型摄像机、装有微型计算机的电视机、自动电饭煲、打印机、复印机、微机控制缝纫机、洗衣机、扫描仪、传真机、电子表判断依据：工作原理在本质上是否运动？无运动的则不属于机电一体化产品。,19,人体是机电一体化系统,20,机电一体化发展的技术基础,核心技术：机械技术、电子技术 机械技术的4大支柱学科：力学:有限元分析机械学:优化设计CAD制造工艺学:数控技术CAM控制:手动
7、继电器逻辑控制自动控制智能控制 典型机械产品：自行车,21,22,机电一体化的6大相关技术,机械技术 计算机及信息处理技术 系统技术 自动控制技术 传感与检测技术 伺服驱动技术,23,机械技术,机械技术是机电一体化系统的基础，影响机电一体化系统的结构、重量、体积、刚度、耐用性等。利用高新技术实现结构上、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。制造过程的机电一体化系统中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。,24,计算机及信息处理技术,决定系统的运行速度和控制性能，影响系统智能化和自动化水平、工
8、作质量、工作效率等。信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。,25,系统技术,决定系统的综合水平和成本。以整体的概念组织应用相关技术，深入了解系统内部结构和相互关系，把握系统的外部联系，从系统角度最优设计机电一体化系统，充分发挥各个结构要素的能力。总体:概念单元(1,2,3) 子功能单元（）接口技术：实现各部分有机连接的保证。电气接口、机械接口、人机接口,26,自动控制技术,自动控制技术范围很广，在控制理论指导下进行系统设计，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、示教再现控制
9、等。 控制系统类型：闭环、半闭环、开环等控制方法：顺序控制、反馈控制影响系统的控制水平、精度、响应速度和稳定性。,27,传感与检测技术,是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强，系统的自动化程序就越高。要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验。传感器主要指标是分辨率和精度。决定系统精度的上限，影响系统智能化程度和可靠性。,28,伺服驱动技术,包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件。 决定系统的驱动能力和控制性能，影响系统的动态性能、控制质量和环境适应性。变频技术、交流伺服驱动技术促进了机电一体化技术的发展。
10、,29,实例分析,试说明图中数控系统的各个部分分别属于机电一体化系统的哪一个基本结构要素。,30,分析实例的基本结构要素,控制及信息处理单元：键盘、计算机、显示测试传感部分：光电编码器、信号处理能源：电源驱动部分：功放、电机执行机构：联轴器、齿轮减速器、丝杠螺母机构、工作台,31,机电一体化系统的技术、经济和社会效益,提高精度 增强功能提高效率、降低成本 节约能源、降低消耗 提高安全性和可靠性,32,机电一体化系统的技术经济和社会效益,改善操作性和使用性 减轻劳动强度，改善劳动条件 简化结构，减轻重量 降低成本 增强柔性,33,提高精度,机电一体化技术使机械传动部分减少，因而使机械磨损，配合间
11、隙及受力变形等所引起的误差大大减少;采用电子技术实现自动检测，控制，补偿和校正因各种干扰因素造成的误差，从而可以达到单纯机械系统所不能达到的工作精度。 圆度仪精度：0.025m 0.01m镗床加工精度：0.006mm 0.002mm,34,增强功能,高新技术的引入，改变了机械工业产品的面貌，具备多种复合功能。加工中心：多道工序在一次装夹中完成加工，刀具磨损自动补偿激光加工中心（配机器人）：自动完成焊接、划线、切割、钻孔、热处理等操作,35,提高生产效率、降低成本,减少生产准备时间和辅助时间，缩短新产品开发周期，提高产品合格率、减少操作人员。 数控机车生产效率比普通机床提高56倍；柔性制造系统（
12、FMS）可使生产周期缩短40%,生产成本降低50%。,36,节约能源、降低消耗,采用低能耗的驱动结构、最佳的调节时间、提高设备的能源利用率。汽车点火器：控制最佳点火时间和状态，节省汽车的耗油量 风机、水泵的变速运行，平均节电30%工业锅炉：微机控制燃料与空气的混合比，可节煤5%20%,37,提高安全性和可靠性,具有自动检测监控、自动保护措施大型火力发电设备的全自动控制大型轧机多级计算机分散控制系统集成电路的集成度提高，使机电产品故障率极低,38,改善操作性和使用性,采用计算机程序控制实现操作自动化、具有良好的人机界面，改善操作性能。电梯示教再现工业机器人机电一体化系统的先进性是和技术密集性与操
13、作使用的简易性和方便性联系在一起。,39,减轻劳动强度，改善劳动条件,制造过程和生产过程中极为复杂的智力活动和资料数据记忆查找由计算机完成，远离危险与有害环境，减少重复劳动、体力劳动。CAD/CAM、CAPP减轻了设计人员的劳动复杂性， 焊接机器人、喷漆机器人深海机器人、太空机器人,40,简化结构，减轻重量,用电力电子器件和新型传动器件代替老式笨重电气控制的复杂机械变速传动机构，由集成电路、微处理器等完成过去由机械传动链来实现的关联运动。数控精密插齿机可节省齿轮传动部件30%,41,降低成本,结构简化、材料消耗减少，电子器件高速发展，功能增强、价格低廉，维修性能改善，寿命延长。,42,增强柔性
14、,根据需求，通过编制用户程序对产品的功能和工作过程进行调整和修改，满足多样化的使用要求。机械控制软件化、智能化数控加工中心柔性制造系统工业机器人,43,机电一体化技术现状,机床产业数控化制造系统自动化机器人产业,44,机床产业数控化,缩短新产品试制和生产周期,节约大量工装，生产效率高，辅助生产时间少，减少人为误差,加工精度显著提高，零件互换性好。第一世界:德国、瑞士、美国等；第二世界:日本、俄罗斯、韩国、台湾地区等；第三世界:中国 、广大的亚非地区。,45,机床产业数控化,美国：1948年美国空军部门为制造飞机杂零件，提供设备研经费，由G&L公司与MIT合作研究四年，于1952年试制出世界第一
15、台数控铣床，立即生产100台交付军工使用。1958年研制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首创开放式数控系统 。,46,机床产业数控化,美国：美国机床工业的主要用户为汽车工业、航空工业、建筑业和医疗设备制造业。特点:网罗世界人才，特别讲究效率和创新，注重基础科研，但忽视应用技术。,47,机床产业数控化,德国:1956年研制出第一台数控机床后，一直坚持实事求是，讲求科学精神，不断稳步前进。 德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界。主要是大型、重型、精密数控机床。,48,机床产业数控化,德国:德国特别重视数控机床主机及配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具
16、、测量、数控系统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。如西门子公司的数控系统和Heidenhain公司之精密光栅，均为世界闻名，竞相采用。,49,机床产业数控化,日本:1958年研制出第一台数控机床後，1978年产量(7,342台)超过美国(5,688台)，产量、出口量一直居世界首位(2001年产量46,604台，出口27,409台，占59%)。战略上先仿后创，生产量大而广的中档数控机床，大量出口，世界市场占有率高。,50,机床产业数控化,日本:80年代开始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。日本FANUC公司，仿创结合，针对性地发展市场所需各种低中高档数控系统，在技术上领先，在产量上居
17、世界第一，月产能力7,000套，销售额在世界市场上占50%，在国内约占70% 。,51,机床产业数控化,中国：中国机床工业厂多人众。2000年，金切机床制造厂约358家(20.6万人)，成形机床制造厂191家(约6.5万人)，共计549家(27.1万人)。其中生产数控金切机床的约150家，生产数控成形机床的约30家，共计约180家，占厂家总数的1/3。2001年金切机床产量19.2万台，数控金切机床17,521台，约占9%。国产数控系统：广数、华中,52,中国数控机床发展之路,缺乏政府相关政策的引导：我国数控机床产业化低，与国外发达国家相比差距大。2004年，我国金属加工机床消费额达到了95亿
18、美元，占世界总量的1/5。其中，进口份额占63%，数控机床进口额34亿美元，占全部进口金属切削机床的78.6%。先进技术引进却未消化：对国外技术重引进、轻消化。韩国用1美元引进先进技术，用5美元进行消化吸收，而中国用1美元引进先进技术，用0.2美元进行消化吸收。,53,中国数控机床发展之路,缺乏高素质专家人才严重缺乏各方面专家人才和熟练技术工人；缺少深入系统的科研工作；缺乏吸引高层次、高素质人才创新创业的环境，造成数控机床领域共性关键技术的持续创新能力不足。产学研相结合体系未形成数控机床的机械结构设计、制造的配套环节、集成技术和制造工艺等方面比较落后。据统计，我国大型高性能超精机床每年生产不足
19、千台，不到德国、日本的1/20。,54,制造系统自动化FMS,FMS：柔性制造系统（Flexible Manufacturing System）FMS是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统。柔性制造系统由加工、物流、信息流三个子系统组成。FMS的工艺基础是成组技术，兼有加工制造和部分生产管理两种功能，能综合地提高生产效益。,55,制造系统自动化FMS,1967年，英国首次根据FMS基本概念，研制了“系统24”。主要设备是六台模块化结构的多工序数控机床，目标是在无人看管条件下，实现昼夜24小时连续加工，但最终由于经济和技术上的困难而
20、未全部建成。1967年，美国建成了柔性自动线 ，由八台加工中心和两台多轴钻床组成，工件被装在托盘上的夹具中，按固定顺序以一定节拍在各机床间传送和进行加工。日本、前苏联、德国等在60年代末至70年代初，先后开展了FMS的研制工作。,56,制造系统自动化FMS,FMS的主要技术经济效果是：能按装配作业配套需要，及时安排所需零件的加工，实现及时生产，从而减少毛坯和在制品的库存量，及相应的流动资金占用量，缩短生产周期；提高设备的利用率，减少设备数量和厂房面积；减少直接劳动力，在少人看管条件下可实现昼夜24小时的连续“无人化生产”；提高产品质量的一致性。,57,制造系统自动化FMC,柔性制造单元(FMC
21、)：由加工中心和工业机器人组成，一般由12台数控机床与物料传送装置组成，有独立的工件储存站和单元控制系统，能在机床上自动装卸工件，甚至自动检测工件，可实现有限工序的连续生产，适于多品种小批量生产应用。1982年，日本FANUC公司建成自动化电机加工车间，由60个柔性制造单元（包括50个工业机器人）和一个立体仓库组成，另有两台自动引导台车传送毛坯和工件，此外还有一个无人化电机装配车间，它们都能连续24小时运转。,58,制造系统自动化 CAPP,CAPP：计算机辅助工艺过程设计（Computer Aided Process Planning）CAPP是利用计算机技术辅助工艺人员设计零件从毛坯到成品
22、的制造方法，是将企业产品设计数据转换为产品制造数据的一种技术 。,59,制造系统自动化 CAPP,60年代末诞生 ，研发工作一直在国内外蓬勃发展，逐渐引起人们的重视。国内自80年代开始CAPP的应用研究 。CAPP系统的应用不仅可以提高工艺规程设计效率和设计质量，缩短技术准备周期，减少工艺人员的工作量，以保证工艺设计的一致性、规范化、标准化。,60,制造系统自动化 CIMS,CIMS：计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing Systems）CIMS 定义：是通过计算机硬软件、并综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术。将
23、企业生产全部过程中有关的人、技术、经营管理及其信息与物流有机集成并优化运行的复杂的大系统。,61,制造系统自动化 CIMS,CIMS 包含了一个工厂的从市场预测、产品设计、加工制造、经营管理到售后服务的全部活动。70年代，美、日、德、英、法等对CIMS 关键技术进行研究，80年代建成一批CIMS技术的自动化工厂。中国CIMS示范企业：成都飞机制造公司、沈阳鼓风机厂,62,制造系统自动化 CE,CE：并行工程（ Concurrent Engineering）CE的实质：在产品的设计阶段就充分地预报该产品在制造、装配、销售、使用、售后服务以及报废、回收等环节中的“表现”，发现可能存在的问题，及时进
24、行修改与优化。产品设计一次成功，是集成设计、一体化设计。CE使产品开发方式由传统的串行变为并行，开发的组织管理模式从严格分工的部门协作转变为项目团队方式。,63,制造系统自动化AM,AM:敏捷制造（Agile Manufacturing ） :指制造企业采用现代通信手段,通过快速配置各种资源(包括技术、管理和人) ,以有效和协调的方式响应用户需求,实现制造的敏捷性。敏捷性是核心,它是企业在不断变化、不可预测的经营环境中善于应变的能力,是企业在市场中生存和领先能力的综合表现,具体表现在产品的需求、设计和制造上具有敏捷性。,64,制造系统自动化AM,AM:敏捷制造（Agile Manufactur
25、ing ） :三个基石：有创新精神的管理结构与组织；懂技能、有知识的人;先进制造技术。三个特征：反应的灵敏性、技术的先进性和资源的集成性。1992年美国政府将敏捷制造这种全新的制造模式作为21世纪制造企业的战略。,65,制造系统自动化AM,敏捷制造企业特点：高度柔性：制造柔性和组织管理柔性 先进的技术系统： 领先的技术手段、技术的人员、可快速重组的、柔性的的加工设备、质量保证体系。高素质人员 ：主动性、创造性 、协作精神 用户的参与 ：参入产品的设计过程、销售服务,66,制造系统自动化AM,敏捷制造的现状 ：80年代末在美国提出90年代美国在航空航天、机床和电子制造业分别建立了敏捷制造研究中心
26、250个公司和组织参加了该敏捷制造协会美国已有上百家公司和企业在进行敏捷制造的实践活动(IBM公司),67,制造系统自动化AM,敏捷制造的发展前景 :美国汽车公司(USM)是一家以国防部为主要用户的汽车公司。公司向用户承诺：1)每辆汽车都按用户要求制造； 2) 每辆汽车从订货起三天内交货； 3)在整个寿命周期内，有责任使用户满意，车能够重新改造(更换某些模块)，使用寿命长。,68,制造系统自动化AM,敏捷制造的发展前景 :美国汽车公司(USM) 成功的关键技术因素是设计与制造能力相匹配，产品设计与制造工艺设计并行进行，对整车的设计与制造工艺进行优化与仿真。 敏捷制造支柱(CIMS、CE等)、保
27、障条件(CAD/CAM等),69,机器人产业,1962年美国研制出世界上第一台工业机器人 。工业机器人主要由机械手臂、控制装置、机座、能源装置和驱动装置等几部分构成。机器人涉及到机械、电子、控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。,70,机器人产业,机器人主要进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等作业。2006年全球现役工业机器人83万台。机器人在制造业的应用范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展。,71,机器人产业,中国：1970年开始研究开发工作1985年列入国家
28、有关计划 2000年，拥有量约为3500台，以点焊、弧焊、喷漆、注塑、装配、搬运、冲压等各类机器人为主，销售额为6.7亿元。2010年拥有量为17300台，年销售额为93.1亿元 2015年中国机器人市场的容量约达十几万台套。,72,机器人产业,美国工业机器人的产业现状 :至2003年末，在美国运行的机器人总量为112400套，比2002年增长7%。到2007年底，运行的机器人数量将达到145000套。美国汽车工业中每万个产业工人拥有的工业机器人数量740个、日本（1400个）、意大利（1400个）和德国（1000个）。美国已经进入世界前十名相当于德国的43，意大利的54，欧盟的68 。,73
29、,机电一体化技术的发展趋势,机电一体化技术的高性能化机电一体化技术的智能化机电一体化技术的系统化机电一体化技术的轻量化及微型化,74,机电一体化技术的高性能化,高性能化高速化、高精度、高效率、高可靠性计算机技术水平的提高传感器性能的提高：高精度传感器、智能传感器、组合传感器,75,机电一体化技术的智能化,机器人与数控机床的智能化智能制造系统（IMS)诊断过程的智能化人机接口的智能化自动编程的智能化,76,机电一体化技术的系统化,模块化:系统体系结构采用开放式和模块化的总线结构。网络化:通信功能大大加强，异型机异网互联及资源共享。,77,机电一体化技术的轻量化及微型化,电子设备的小型化、轻量化、
30、多功能、高可靠性：片式元器件(SMD),表面组装技术(SMT)取代通孔插装技术(THT)微型电子机械系统(MEMS)日本EPSON公司研制光导自行走机器人，97个零件，尺寸小于1cm, 移动速度1.411.3mm/s，爬坡能力30,质量1.8g。长春光机所：3mm的微电机；上海交大： 2mm的微电机,78,机电一体化技术的轻量化及微型化,微机械加工技术容积硅微加工、金属电镀、立体电沉积、电火化线切割、激光加工等微机电一体化产品体积小、能耗少、运动灵活、在生物医疗、军事、信息等方面的优越性，是近年和将来十大关键技术之一。,79,机电一体化技术的自带能源化,机电一体化产品自带能源，无需外部供电。太阳能电池、燃料电池、高性能大容量电池。,80,机电一体化技术的绿色化,工业发达： 物质丰富、生活舒适，资源结实，生态破坏严重。绿色产品：在设计、制造、使用、销毁过程中，符合环保和人类健康要求，资源利用率高。,
