机械专业讲座

1、LOGO机械专业讲座机械专业讲座第一讲第一讲杜家熙杜家熙机械工程是人类进步的动力机械工程是人类进步的动力v机械工程的历史和发展机械工程的历史和发展v现代机械工程的内容和主要任务现代机械工程的内容和主要任务v先进制造技术带来的革命先进制造技术带来的革命v机械工程人才的基本素质机械工程人才的基本素质机械工程与制造业机械工程与制造业v制造活动是人类的主要活动之一制造活动是人类的主要活动之一 1/41/4的人口从事各种形式的制造活动的人口从事各种形式的制造活动 在非制造业部门，在非制造业部门，1/21/2的人口的工作与制造业的人口的工作与制造业有关有关 v创造价值、生产物质财富和新的知识创造价值、生产

2、物质财富和新的知识 美国美国 68%68%的财富来自制造业的财富来自制造业 日本日本 49%49%的国民经济总产值的国民经济总产值 中国中国 40%40%的工业总产值的工业总产值 （19951995） v机械工程为国民经济各个部门（包括国防和科机械工程为国民经济各个部门（包括国防和科学技术的进步与发展）提供先进手段和装备学技术的进步与发展）提供先进手段和装备v中国的制造业面临从制造大国向制造强国发展中国的制造业面临从制造大国向制造强国发展的挑战的挑战 机械发展的历史回顾机械发展的历史回顾n1797年，莫兹年，莫兹利利 首创螺纹车床。首创螺纹车床。n1914年，福特年，福特流水生产线，大量流水生

3、产线，大量生产汽车。生产汽车。n19世纪末，泰勒世纪末，泰勒 “科学管理法科学管理法”的出的出现现摩登时代：人是机器的奴隶？摩登时代：人是机器的奴隶？科学发展观科学发展观以人为本，可持续发展以人为本，可持续发展 传统的机械加工传统的机械加工 数控加工中心数控加工中心现代机械工程的内容和任务现代机械工程的内容和任务 n建立和发展应用了机械工程的基础理论及利用新建立和发展应用了机械工程的基础理论及利用新技术改造传统技术技术改造传统技术n机械产品的正规生产，包括设计、生产准备、加机械产品的正规生产，包括设计、生产准备、加工、计划调度、装配调试、包装运输及质量控制等工、计划调度、装配调试、包装运输及质

4、量控制等n各类机械系统的运行，包括设备的选购、安装、各类机械系统的运行，包括设备的选购、安装、调试、操作、监控、诊断、以至整个企业经营管理调试、操作、监控、诊断、以至整个企业经营管理n机械对自然环境的污染、自然资源的过度消耗、机械对自然环境的污染、自然资源的过度消耗、社会安全等问题的预防和处理社会安全等问题的预防和处理n研究开发新的机械产品及制造装备满足人们当前研究开发新的机械产品及制造装备满足人们当前和将来的需要和将来的需要机械工程应用领域机械工程应用领域v 动力机械（风、水、热、电、化学、原子能等）动力机械（风、水、热、电、化学、原子能等）v 交通运输（汽车、轮船、飞机及相应设施、仓储交通

5、运输（汽车、轮船、飞机及相应设施、仓储物流等）物流等）v 装备技术（农、林、矿山、冶金、化工、纺织、装备技术（农、林、矿山、冶金、化工、纺织、食品、印刷等制造设备）食品、印刷等制造设备）v 工作母机、仪表仪器等工作母机、仪表仪器等v 通风取暖、医疗器械、家用器械、环保设备等民通风取暖、医疗器械、家用器械、环保设备等民生机械生机械v 国防武器等国防武器等科学技术的发展不断给机械科技提出新课题科学技术的发展不断给机械科技提出新课题机械科技的发展成为科学技术发展的基础机械科技的发展成为科学技术发展的基础 运用数学、物理等基础理论和运用数学、物理等基础理论和有关机械方面的专门知识，结合生有关机械方面的

6、专门知识，结合生产实际经验，有判断地、经济有效产实际经验，有判断地、经济有效地解决在设计、研究、制造和运行地解决在设计、研究、制造和运行各种机械中遇到的实际问题。各种机械中遇到的实际问题。对传统的机械工程的理解：对传统的机械工程的理解：力学力学经验经验 以信息为核心，以机电为基础，以信息为核心，以机电为基础，交叉融合材料、信息、计算机、交叉融合材料、信息、计算机、自动化等领域的先进理论和技术。自动化等领域的先进理论和技术。实现系统或产品在功能、质量、实现系统或产品在功能、质量、效率、成本等各方面整体、最优效率、成本等各方面整体、最优的系统工程技术。的系统工程技术。对现代机械工程的理解对现代机械

7、工程的理解：机械原理机械原理电子电工原理电子电工原理传感测试原理传感测试原理微机原理微机原理控制原理控制原理现代先进技术现代先进技术Contents在机械技术中融合电子信息技术在机械技术中融合电子信息技术1现代机械的机电一体化创新方法现代机械的机电一体化创新方法 2关于机电一体化技术关于机电一体化技术2LOGO机械专业讲座机械专业讲座在机械技术中融合电子信息技术在机械技术中融合电子信息技术 在机械技术中融合电子信息技术在机械技术中融合电子信息技术典型案例典型案例1：电子凸轮：电子凸轮 典型案例典型案例2: 并联机床并联机床 典型案例典型案例3: 静电复印机静电复印机 典型案例典型案例4: 误差

8、分离技术误差分离技术 典型案例典型案例1：电子凸轮：电子凸轮 传统凸轮及其局限性传统凸轮及其局限性v 1.制造和装配误差的调整制造和装配误差的调整比较困难，费时、费力。比较困难，费时、费力。v 2.高副点线接触，接触应高副点线接触，接触应力较大，无法传递较大的力较大，无法传递较大的功率。高速运行中，磨损功率。高速运行中，磨损快，运动失真。快，运动失真。v 3.存在压力角的问题，紧存在压力角的问题，紧凑性不好。凑性不好。v 4.一个凸轮只能固定实现一个凸轮只能固定实现一种预定运动规律，缺乏一种预定运动规律，缺乏灵活性。灵活性。 电子凸轮电子凸轮 什么是电子凸轮？什么是电子凸轮？电子凸轮电子凸轮(

9、electronic camECAM)：运动定义的计算机程序和高质量伺服执行运动定义的计算机程序和高质量伺服执行机构的统一体。机构的统一体。 控制系统+普通马达+凸轮机构基于单片机的电子凸轮EXAMPLE1 SHRINK PACKAGE进瓶带进瓶带分瓶器分瓶器A,B分瓶杆分瓶杆(送纸板送纸板)送膜送膜包膜包膜加热收缩加热收缩 EXAMPLE1 PACKAGE SYSTEMSHRINK PACKAGE 薄膜包装机薄膜包装机Wrapping machines are deemed to be a focus amongst the abundance of different parceling

10、machines offered on the market. Wrapping machines wrap the goods or stacks to be packed either completely or partially with flexible packing material. The general language usage differentiates between wrap-around machines andfoil/paper wrapping machines.PACKAGEEXAMPLE1 外观图外观图主传输主传输分瓶器分瓶器B传送膜传送膜推杆推杆送

11、纸板送纸板包膜杆包膜杆进瓶瓶带进瓶瓶带分瓶器分瓶器A烘炉烘炉 EXAMPLE1 EXAMPLE1 工作流程工作流程多列瓶子进来多列瓶子进来经过分瓶器分成经过分瓶器分成3*3一一组作为一个包装个体组作为一个包装个体纸板弹出并嵌入瓶底纸板弹出并嵌入瓶底 EXAMPLE1 EXAMPLE1工作流程工作流程送膜并剪切，然送膜并剪切，然后膜包杆牵引膜后膜包杆牵引膜进行环包进行环包进入烘炉进行加进入烘炉进行加 热收缩热收缩 EXAMPLE1 EXAMPLE1 系统配置图系统配置图123456789101112141315 EXAMPLE1 典型案例典型案例3:传统机床和并联运动机床传统机床和并联运动机床P

12、rof. Shu ZhangInstitute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University全自动洁净操作全自动洁净操作特点特点并联运动机床与传统的以笛卡尔坐标为基础的串联运动机床并联运动机床与传统的以笛卡尔坐标为基础的串联运动机床,有有很大不同：很大不同：其具有结构简单、刚度高、动态性能好、速度快、可重构等优点其具有结构简单、刚度高、动态性能好、速度快、可重构等优点易于实现较复杂的空间运动，适用于加工复杂零件易于实现较复杂的空间运动，适用于加工复杂零件 并联运动机床以空间并联机构为基础，充分利用计算机数字控制的潜力，并联运动机

13、床以空间并联机构为基础，充分利用计算机数字控制的潜力，以软件代替部分硬件，以电气装置和电子器件取代部分机械传动以软件代替部分硬件，以电气装置和电子器件取代部分机械传动并联机床的数控系统并联机床的数控系统 传统机床加工轨迹控制概念是以直线运动和某一坐标上的传统机床加工轨迹控制概念是以直线运动和某一坐标上的微小增量微小增量来逼近曲线和曲面的。来逼近曲线和曲面的。 而并联机床的轨迹控制是由若干而并联机床的轨迹控制是由若干杆件空间运动杆件空间运动综合的。综合的。线性直接驱动技术线性直接驱动技术线性直接驱动技术线性直接驱动技术 采用沿直线导轨移动的采用沿直线导轨移动的直线电动机直直线电动机直接驱动接驱动

14、固定或可变长度的杆件固定或可变长度的杆件 可以可以减少减少传动的传动的惯性矩惯性矩，提，提高系统的运动速度、加速度和高系统的运动速度、加速度和精度，避免振动的产生精度，避免振动的产生 机械执行机构和联轴器的机械执行机构和联轴器的误差、间隙和柔性误差、间隙和柔性，使，使伺服轴产生伺服轴产生成带状分布的成带状分布的运运动误差和失动动误差和失动，而不是一个恒值，严重影响伺服轴的运动精度和系统快速性。，而不是一个恒值，严重影响伺服轴的运动精度和系统快速性。 把伺服电机直接耦合或融入到负载上，即直接驱动技术，以消除间隙、把伺服电机直接耦合或融入到负载上，即直接驱动技术，以消除间隙、柔性和其它与机械传送相

15、关的问题，以满足超高精度的数控系统对柔性和其它与机械传送相关的问题，以满足超高精度的数控系统对精度和快精度和快速性的要求速性的要求。直线运动部件直线运动部件球铰球铰电主轴电主轴其电动机转子与主轴是一体的，无需任何机械连接。其电动机转子与主轴是一体的，无需任何机械连接。改变供电的频率，就可实现主轴调速。改变供电的频率，就可实现主轴调速。 应用领域应用领域应用领域应用领域模具制造模具制造汽缸体和传动箱体汽缸体和传动箱体飞机零件，特别是大型结构零件飞机零件，特别是大型结构零件从目前情况来看，并联运动机床最适合于高速切削加工从目前情况来看，并联运动机床最适合于高速切削加工：运动模拟器医用机器人LOGO

16、Prof. Shu ZhangInstitute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University天文望远镜天文望远镜绳索机器人吊车绳索机器人吊车典型案例典型案例3: 静电复印机静电复印机 复印机的历史复印机的历史现代复印技术现代复印技术近代复印技术近代复印技术早期复印技术早期复印技术原始复印技术原始复印技术模拟复印与数码复印模拟复印与数码复印914型复印机型复印机-卡尔松卡尔松热敏复印机热敏复印机活字印刷术、复印纸活字印刷术、复印纸静电复印机基本原理静电复印机基本原理模拟充电嚗光显影转印定影定影定影复印机的转印过程复印机的转印过程

17、 (1)充电充电 (2)曝光曝光 (4)转印转印 (5)放电放电(3)上炭粉上炭粉数码复印机基本原理数码复印机基本原理CCD读取数码的转换数码信号的处理嚗光显影、转印、定影Charge Coupled Device （CCD） 电荷耦合器件。电荷耦合器件。一种半导体装置，能够把光学影像转化为数字信号。一种半导体装置，能够把光学影像转化为数字信号。模拟、数码复印机信息传递过程模拟、数码复印机信息传递过程原原 稿稿副副 本本感光鼓感光鼓聚焦镜聚焦镜反射反射镜镜反射反射镜镜曝光灯曝光灯影像处理部分影像处理部分激光二级管激光二级管硬盘硬盘接线板接线板打印接口打印接口传真卡传真卡原原 稿稿打印卡打印卡副

18、副 本本多边反射镜多边反射镜CCD记忆体记忆体感光鼓感光鼓反射反射镜镜聚焦镜聚焦镜曝光灯曝光灯原稿图像通过原稿图像通过 CCD CCD 被分解成很小的点，并被被分解成很小的点，并被转换成数码信号转换成数码信号, ,由此我们可以得到以下效果：由此我们可以得到以下效果：黑黑256256级灰度级灰度内置记忆体可内置记忆体可将数据整理及将数据整理及储存储存, ,令工作效令工作效率大大提高率大大提高! !3213232记忆体记忆体3页页X100份份3次次300 !典型案例典型案例4: 误差分离技术误差分离技术 工件圆度工件圆度 工作台不圆度工作台不圆度 偏心度偏心度S1S3S误差分离技术误差分离技术第第

19、1组数据为组数据为 S11W1E1B1 S21W4E4B1 S31W7E7B1第第2组数据为组数据为 S12W2 E2B2 S22W5E5B2 S31W8E8B2第第 3 组数据为组数据为 S13W3E3B3 S23W6E6B3 S33W9E9B3比较第比较第 3 组数据和起始位置组数据和起始位置P0的数据，可以得到：的数据，可以得到：S13S20S23S30B3B0在测量的起始位置在测量的起始位置P0，三个传感器的读数分别为三个传感器的读数分别为 S10W0E0B0S20W3E3B0S30W6E6B误差分离技术误差分离技术 假设假设1 1：在布置传感器时均需使某一或一些被测误差量，：在布置传

20、感器时均需使某一或一些被测误差量，在传感器中的反映可以借助于测量系统配置的几何特征，在传感器中的反映可以借助于测量系统配置的几何特征，表述为该被测误差量在测量空间中的表述为该被测误差量在测量空间中的“时延时延”。 假设假设2 2：根据几何量测量的：根据几何量测量的AbbeAbbe原理，传感器的测量方原理，传感器的测量方向应在被测误差量的延长线上，因此该误差量在传感器中向应在被测误差量的延长线上，因此该误差量在传感器中的传递是的传递是1 1：l l的。的。 假设假设3 3：其它诸项不能表述为测量空间的时延或相移的：其它诸项不能表述为测量空间的时延或相移的误差量，则通过处理测量系统的几何关系，使之

21、加权后反误差量，则通过处理测量系统的几何关系，使之加权后反映到不同位置的测量传感器中。这些误差量可以是确定性映到不同位置的测量传感器中。这些误差量可以是确定性的，也可以是随机性的。的，也可以是随机性的。 物连网物连网 物理系统物理系统传感器传感器信息中心信息中心物连网物连网基本技术：基本技术：物理系统的数学模型建立，物理系统的数学模型建立，传感器的小型化，传感器的小型化，信息的传递，信息的传递，系统分析技术。系统分析技术。 LOGO机械专业讲座机械专业讲座关于机电一体化技术关于机电一体化技术解读机电一体化解读机电一体化机电一体化内涵机电一体化内涵11，机电一体化技术（方法），机电一体化技术（方

22、法） 从系统工程观点出发，应用机械、电子从系统工程观点出发，应用机械、电子等有关技术，使机械、电子有机结合，实等有关技术，使机械、电子有机结合，实现系统或产品整体最优的综合性技术。机现系统或产品整体最优的综合性技术。机电一体化技术，主要包括技术原理和使机电一体化技术，主要包括技术原理和使机电一体化产品电一体化产品( (或系统或系统) )得以实现、使用和得以实现、使用和发展的技术。机电一体化技术是一个技术发展的技术。机电一体化技术是一个技术群群( (族族) )的总称。的总称。 解读机电一体化解读机电一体化机电一体化内涵机电一体化内涵2，机电一体化系统（产品），机电一体化系统（产品） 由若干具有特

23、定功能的机械和电子要素由若干具有特定功能的机械和电子要素组成的有机整体，具有满足人们使用要求的组成的有机整体，具有满足人们使用要求的最佳功能。机电一体化系统最佳功能。机电一体化系统( (产品产品) )，主要是，主要是指机械系统指机械系统( (或部件或部件) )与微电子系统与微电子系统( (或部件或部件) )有机结合，从而赋予新的功能和性能的新一有机结合，从而赋予新的功能和性能的新一代产品，具有良好的人机协作关系。代产品，具有良好的人机协作关系。 解读机电一体化解读机电一体化机电一体化内涵机电一体化内涵3，机电一体化工程（机械电子工程），机电一体化工程（机械电子工程） 机械工程与电子工程的综合集

24、成。即为机械工程与电子工程的综合集成。即为给定机电一体化系统给定机电一体化系统( (或产品或产品) )“目的功能目的功能”与与“规格规格”后，机电一体化技术人员利用机后，机电一体化技术人员利用机电一体化技术进行设计、制造的整个过程体电一体化技术进行设计、制造的整个过程体系。机电一体化工程是系统工程在机电一体系。机电一体化工程是系统工程在机电一体化系统化系统( (产品产品) )的设计、制造中的具体应用。的设计、制造中的具体应用。 解读机电一体化解读机电一体化机电一体化内涵机电一体化内涵4，机电一体化思想，机电一体化思想 体现了体现了“系统设计原理系统设计原理”和和“综合集成综合集成技巧技巧”。系

25、统工程、控制论和信息论是机电。系统工程、控制论和信息论是机电一体化技术的方法论。从某种意义上讲，机一体化技术的方法论。从某种意义上讲，机电一体化的电一体化的“一体化一体化”思想，带来了诸如：思想，带来了诸如：光电机一体化、机电液一体化、科工贸一体光电机一体化、机电液一体化、科工贸一体化及人机一体化等。化及人机一体化等。 解读机电一体化解读机电一体化1一体化理论和设计思想一体化理论和设计思想 2 机电一体化原理机电一体化原理从一体化理论出发从一体化理论出发研究现代机械系统的组成原理和优化方法。研究现代机械系统的组成原理和优化方法。 1质、能、信息一体化设计质、能、信息一体化设计2功能结构一体化设

26、计功能结构一体化设计3广义机电一体化设计广义机电一体化设计4虚实一体化设计虚实一体化设计5人、机、环境一体化设计人、机、环境一体化设计解读机电一体化解读机电一体化11.现代机械的功能模块现代机械的功能模块2. 现代机械系统的组成要素现代机械系统的组成要素现代机械的构成现代机械的构成 解读机电一体化解读机电一体化1，现代机械的功能模块，现代机械的功能模块自动化轧钢系统自动化轧钢系统解读机电一体化解读机电一体化1，现代机械的功能模块，现代机械的功能模块主功能主功能控制功能控制功能动力功能动力功能输出输出结构结构功能功能输入输入控制信号控制信号显示输出显示输出废弃物废弃物干扰干扰环境界面人机界面技术技术系统系统LOGO机械专业讲座机械专业讲座现代机械的机电一体化创新方法现代机械的机电一体化创新方