教学课件 机电一体化导论(封士彩)

第1章 绪论
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教学目标
• 知识目标：
1.熟练掌握机电一体化含义； 2.了解机电一体化组成要素； 3.了解机电一体化的发展趋势。
• 能力目标：
1. 概括总结所学知识的能力； 2.分析问题、解决问题的能力。
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教学重、难点
• 教学重点：
1.机电一体化含义 2.机电一体化产品组成要素 3.机电一体化系统的设计方法
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机电一体化虽然是一个独立的科学 门类，但依然和其他的学科有着千 丝万缕的关系，和工业4.0及中国制 造2025紧密相连， 它是其他学科技 术优势的整合体，是建立在其他学 科技术的基础上发展的
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机械工程科学发展的特点及趋势
多学科深度交叉
纳米科技
•纳米材料 •微型机械 •纳米器件
信息科技
•光子、量子、 生物计算机；
•网络技术
生命科技
•人类基因组 •基因工程 •生物芯片
机械工程科学
•微光机电系统 •纳米机械学 •纳米加工测量
电子制造。e-制造、 数字制造、虚拟 制造；网络制造；
•微操作系统 •机械仿生 •仿生制造
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● 制造业竞争战略的变迁
传统经济
新Hale Waihona Puke Baidu济
21世纪 技术创新
90年代 响应速度
80年代 产品质量
70年代 生产成本
60年代 生产规模
当前制造业存在的主要问题
技术创新能力比较
美国等发达国家
典型产品中技术 源于本国
制造业新产品 贡献率
98.4% 52%
产品开发周期
3~6个月
主导产品平均 生命周期
3年
中国
43% 5.9% 12~24个月 10.5年
本课程的重要专业课程
• 机械工程设计基础 • 液压与气压传动 • 机电创新设计 • 电路与电机 • 电子技术 • 单片机原理与接口技术 • 电气控制与PLC应用 • 传感器应用
能。 要求：高性能、高精度、高效率
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1.3 共性关键技术
• 1 检测传感技术 • 2 信息处理技术 • 3 自动控制技术 • 4 伺服驱动技术 • 5 机械技术 • 6 系统总体技术
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共性关键技术
1、检测传感技术 研究对象：传感器及其信号检测装置（即变送器） 作用：感受器官、反馈环节。 要求：能快速、精确地获得信息并在相应的应 用环境中具有高可靠性。
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共性关键技术
2、信息处理技术 主要完成信息的交换、存取、运算、判断
和决策等，其主要工具是计算机。
传感 A/ 计算 D/ 执行装
器
D机
A置
3、控制技术
关于软件方面的技术，主要以控制理论为
指导，对控制系统设计、仿真、现场调试、可
靠运行等。
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共性关键技术
4、伺服驱动技术 研究对象：执行元件及其驱动装置
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CNC
位置,速 度反馈
位置,速度 检测单元
电机
机械 部件
数控机床伺服系统组成
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电子控制单元
参数变 化信息
检测传 感部分
控制 信息
执行器 能 量
检测 参数
驱 动 力
机械本体
动力源
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1.2 机电一体化系统的构成
1、机械本体 机身、框架、机械联接等产品支持机
构，实现构造功能。 要求：可靠、小型、美观
2、能源 提供能量，转换成需要的形式，实现
动力功能。 要求：效率高、可靠性好
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3、检测传感装置 检测产品内部状态和外部环境，实现计
测功能。 要求：体积小、精度高、抗干扰
4、电子控制单元 处理、运算、决策，实现控制功能。 要求：高可靠性、柔性、智能化
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5、执行机构 包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成要求的动作，实现主功
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• 机电一体化技术：从系统的观点出发，将机械技 术 、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统
工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最 佳化的一门新科学技术。
• 机电一体化不是机械 与电子简单的叠加，而 是在信息论、控制论和 系统论的基础上建立起 来的应用技术。
电子学
机
械 机电一
学
体化
信息科学
执行元件种类：电动、液压、气压
驱动装置：各种电动机的驱动电源电路 5、机械技术
实现机电一体化产品的主功能和构造功能， 影响系统的结构、重量、体积、刚性、可靠 性等。
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共性关键技术
• 6、系统总体技术 • 系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统工
程的观点和方法，将系统各个功能模块有机的结合起 来，以实现整体最优。其重要内容为接口技术。接口 包括电气接口、机械接口、人机接口。
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• 市场调研 • 总体方案设计 • 详细设计 • 样机试制与试验 • 小批量生产 • 大批量生产
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一、市场调研
• 市场调研包括市场调查和市场预测。所谓市场调查， 就是运用科学的方法，系统、全面地收集所设计产品 市场需求和经销方面的情况和资料，分析研究产品在 供需双方之间进行转移的状况和趋势，而市场预测就 是在市场调查的基础上，运用科学方法和手段，根据 历史资料和现状，通过定性的经验分析或定量的科学 计算，对市场未来的不确定因素和条件作出预计、测 算和判断，为产品的方案设计提供依据。
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机电一体化技术特点
• 简化结构，提高精度 • 易于实现多功能和柔性自动化 • 产品开发周期缩短、竞争能力增强 • 生产方式向高柔性、综合自动化方向发展 • 促进经营管理体制发生根本性的变化
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1.2机电一体化系统的设计
• 机电一体化产品的分类 • 设计类型：开发性、适应性、变参数 • 设计方法：取代法、整体法、组合法 • 设计程序 • 设计途径 • 设计过程
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• 机电一体化一般包含机电一体化产品(系统)和 机电一体化技术两层含义。
• 典型的机电一体化产品(系统)有：数控机床、 机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电 子排版印刷系统、CAD／CAM系统等。
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数 控 铣 床
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数控车床
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焊接机器人
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机械手臂
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• 汽车防抱死系统(ABS)
• 教学难点：
1.机电一体化组成要素的作用 2.机电一体化系统的含义及设计流程
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本章主要内容
1.1 机电一体化系统概述 1.2 机电一体化系统的设计 1.3 机电一体化的发展趋势
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1.1 机电一体化系统概述
德国工业4.0和中国制造2025强调加 快发展智能制造装备和产品；组织研 发具有深度感知、智慧决策、自动执 行功能的高档数控机床、工业机器人、 增材制造装备等智能制造装备以及智 能化生产线；突破新型传感器、智能 测量仪表、工业控制系统、伺服电机 及驱动器和减速器等智能核心装置； 推进工程化和产业化。
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出色的机电一体化案例：
1.异步电动机控制机床进给→用计算机控制伺服电 机控制机床进给;
2.机床主轴的反转制动→现代数控机床的主轴准停 和主轴进给;
3.机床内链环的螺纹加工→具有编码器的数控螺纹 加工；
4.汽车发动机化油器供油→电子燃油喷射； 5.纺织工业的有梭织机→喷气、喷水无梭织机; 6.纹板笼头控制提花方式→电子计算机提花方式的 转变。