绪论——机电一体化设备的组成.ppt

机电设备故障 诊断与维修 主讲教师：黄伯勇 138 1541 7227 南京信息职业技术学院机电学院 本课程组成部分 机电一体化设备原理知识 故障诊断维修知识 维修案例 第一节第一节 机电一体化设备的组成机电一体化设备的组成 一、 基本概念 机电一体化技术：机电一体化技术： 从系统的观点出发，将机械技术从系统的观点出发，将机械技术 、微电子技术、信、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，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。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 机电一 体化 信息科学 机 械 学 电子学 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、CADCAM系统 等。 数 控 铣 床 数控车床数控车床 焊接机器人焊接机器人 清洗飞机的机器人 景 观 电 梯 制动鼓镗床 OTIS电梯立式主机 4杆并联运动机床 二、二、 发展概况发展概况 1. 201. 20世纪世纪6060年代前为第一阶段，年代前为第一阶段，“ “萌芽阶段萌芽阶段” ” 工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相 结合，以提高机械产品的性能。但是由于电子技术的发展结合，以提高机械产品的性能。但是由于电子技术的发展 相对落后，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用相对落后，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用 。 计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一 体化的发展奠定了技术基础这个时期的特点是：体化的发展奠定了技术基础这个时期的特点是： mechatronicsmechatronics一词首先在日本被普遍接受，大约到一词首先在日本被普遍接受，大约到 2020世纪世纪8080年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认； 机电一体化技术和产品得到了极大发展；机电一体化技术和产品得到了极大发展； 各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和 支持。支持。 2. 702. 70年代到年代到8080年代为第二阶段，年代为第二阶段，“ “蓬勃发展阶蓬勃发展阶” ” 3. 903. 90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” ” 光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在 机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一 体化等新分支； 对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一 体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。 由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得 的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。 这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐 渐形成完整的科学体系。 4. 激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使“机电一 体化”跃上新台阶。 1. 1. 数控机床的问世，写下了数控机床的问世，写下了“ “机电一体化机电一体化” ”历史的第一页。历史的第一页。 2. 2. 微电子技术为微电子技术为“ “机电一体化机电一体化” ”带来勃勃生机。带来勃勃生机。 3. 3. 可编程序控制器、电力电子等的发展为可编程序控制器、电力电子等的发展为“ “机电一体化机电一体化” ” 提供了坚强基础。提供了坚强基础。 三、 机电一体化系统的构成 位置位置, ,速度速度 检测单元检测单元 电机电机 机械机械 部件部件 位置位置, ,速速 度反馈度反馈 CNCCNC 数控机床伺服系统组成数控机床伺服系统组成 执行器执行器 控制控制 信息信息 电子控制单元电子控制单元 动力源动力源 检测传检测传 感部分感部分 机械本体机械本体 参数变参数变 化信息化信息 驱驱 动动 力力 能能 量量 检测检测 参数参数 1 1、机械本体、机械本体 机身、框架、机械联接等产品支持机机身、框架、机械联接等产品支持机 构，构，实现实现构造功能构造功能。 要求：可靠、小型、美观要求：可靠、小型、美观 2 2、动力部分、动力部分 提供能量，转换成需要的形式，实现提供能量，转换成需要的形式，实现动力动力 功能。功能。 要求：效率高、可靠性好要求：效率高、可靠性好 3 3、检测传感装置、检测传感装置 检测产品内部状态和外部环境，实现检测产品内部状态和外部环境，实现计测计测 功能。功能。 要求：体积小、精度高、抗干扰要求：体积小、精度高、抗干扰 4 4、控制器、控制器 处理、运算、决策，实现处理、运算、决策，实现控制功能控制功能。 要求：高可靠性、柔性、智能化要求：高可靠性、柔性、智能化 5 5、执行机构、执行机构 包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成 要求的动作，实现要求的动作，实现主功能。主功能。 要求：高性能、高精度、高效率要求：高性能、高精度、高效率 动力部分 执行机构检测部分 机械本体 控制器 四、 共性关键技术 1 1 检测传感技术检测传感技术 2 2 信息处理技术信息处理技术 4 4 伺服驱动技术伺服驱动技术 5 5 机械技术机械技术 6 6 系统总体技术系统总体技术 1 1、检测传感技术、检测传感技术 作用：作用：感受器官、反馈环节。感受器官、反馈环节。 研究对象：研究对象：传感器及其信号检测装置（即变送器传感器及其信号检测装置（即变送器 ） 要求：要求：能快速、精确地获得信息并在相应的应能快速、精确地获得信息并在相应的应 用环境中具有高可靠性。用环境中具有高可靠性。 2 2、信息处理技术、信息处理技术 主要完成信息的交换、存取、运算、判断主要完成信息的交换、存取、运算、判断 和决策等和决策等. .其主要工具是计算机。其主要工具是计算机。 传感传感 器器 A/A/ D D 计算计算 机机 D/D/ A A 执行装执行装 置置 3 3、控制技术、控制技术 关于软件方面的技术，主要以控制理论为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、可指导，对控制系统设计、仿真、现场调试、可 靠运行等。靠运行等。 4 4、伺服驱动技术、伺服驱动技术 执行元件种类：执行元件种类：电电动动、液压液压、气压气压 研究对象：研究对象：执行元件执行元件及其及其驱动装置驱动装置 驱动装置：驱动装置：各种电动机的驱动电源电路各种电动机的驱动电源电路 实现机电一体化产品的实现机电一体化产品的主功能主功能和和构造功能构造功能 ，影响系统的结构、重量、体积、刚性、可，影响系统的结构、重量、体积、刚性、可 靠性等。靠性等。 5 5、机械技术、机械技术 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 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 6 6、系统总体技术、系统总体技术 五、 机电一体化对机械工业的影响 1 1、提高性能、扩展功能、提高性能、扩展功能 今日的数控机床充分发挥计算机的威力，运用时间序今日的数控机床充分发挥计算机的威力，运用时间序 列分析和精度创成等理论建立数学模型。列分析和精度创成等理论建立数学模型。 已有可能实时预报包括随机误差在内的机床误差，然已有可能实时预报包括随机误差在内的机床误差，然 后自动校正，从而达到前所未有的精度。后自动校正，从而达到前所未有的精度。 采用对阻尼进行预报，一旦接近临界值时就自动调整采用对阻尼进行预报，一旦接近临界值时就自动调整 切削用量，这又可能出现永不颤振的机床，保证很高的生切削用量，这又可能出现永不颤振的机床，保证很高的生 产率和良好的加工表面。产率和良好的加工表面。 2 2、简化结构、简化结构 3 3、提高可靠性与安全性能、提高可靠性与安全性能 在提高电子元件质量、可靠性的前提下，机电一体在提高电子元件质量、可靠性的前提下，机电一体 化产品可以提高耐久性，减少故障率。化产品可以提高耐久性，减少故障率。 另一方面由于赋予其自动监视诊断功能，并采取安全另一方面由于赋予其自动监视诊断功能，并采取安全 联锁控制，过负荷和失控保护、停联锁控制，过负荷和失控保护、停 电对策，提高了设电对策，提高了设 备的安全可靠性。备的安全可靠性。 4 4、具有柔性、具有柔性 产品的大批量少品种到多品种小批量的转变。有效产品的大批量少品种到多品种小批量的转变。有效 降低成本。降低成本。 5 5、操作性能改变、操作性能改变 数显、触摸屏、数显、触摸屏、 监控软件监控软件 6 6、节约能源、节约能源 例如目前我国各类电风扇年产量在200万台 左右，如每台电扇的调速器和定时器(现常用电磁 机械式)用电子调速器和定时器代替，估计每台风 扇可节电5W以上，全年以用扇100天，每天开 扇6h计，则每年可节约用电量600万kWh，还 可节省大批铜材和钢材。 再如传统的电焊机以电磁原理和手工操作为 基础，即使是一般的自动电焊机，其动作过程也 仅为简单的机械动作和相应的控制。这类电焊机 耗能多、效率低、质量不易保证。采用微型机技 术后，发展新颖的电子控制电源以取代传统的焊 接电源，实现焊接电源的节能、高效、小型化、 多样化。 电拖机床零件加工 5 5、操作性能改善、操作性能改善 六、 机电一体化的发展趋势 智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发 展方向。人工智能在机电一体化建设者的研究日益得 到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。 这里所说的“智能化”是对机器行为的描述，是在 控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机 科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新 思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、 逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目 标。 1 1、智能化、智能化 机电一体化的智能化趋势包括以下几个方面： （1）诊断过程的智能化。诊断功能的强弱是评价一个 系统性能的重要智能指标之一。 （2）人机接口的智能化。智能化的人机接口,可以大大简 化操作过程,这里包含多媒体技术在人机接口智能化中的 有效应用。 （3）自动编程的智能化。操作者只需输入加工工件素材 的形状和需加工形状的数据,加工程序就可全部自动生成, 这里包含： 素材形状和加工形状的图形显示； 自动 工序的确定； 使用刀具、切削条件的自动确定； 刀 具使用顺序的变更； 任意路径的编辑； 加工过程干 涉校验等。 （4）加工过程的智能化。 由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和 开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、 环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂 但又是非常重要的事。 这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和 接口。由于利益冲突，近期很难制定国际或国内 这方面的标准，但可以通过组建一些大企业逐渐 形成。显然，从电气产品的标准化、系列化带来 的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化 单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业， 规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。 2 2、模块化、模块化 20世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网 络技术。机电一体化新产品一旦研制出来，只要其 功能独到，质量可靠，很快就会畅销全球。 由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视 技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是 机电一体化产品。因此，机电一体化产品无疑朝 着网络化方向发展。 3 3、网络化、网络化 微型化兴起于20世纪80年代末，指的是机电 一体化向微型机器和微观领域发展的趋势 。国外称其为微电子机械系统（MEMS）， 泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品 ，并向微米、纳米级