机械制造及自动化专业讲座

机械制造及自动化专业讲座第1页，共87页，2023年，2月20日，星期五机械工程是人类进步的动力机械工程的历史和发展现代机械工程的内容和主要任务先进制造技术带来的革命机械工程人才的基本素质第2页，共87页，2023年，2月20日，星期五机械工程与制造业制造活动是人类的主要活动之一

1/4的人口从事各种形式的制造活动

在非制造业部门，1/2的人口的工作与制造业有关

创造价值、生产物质财富和新的知识

美国68%的财富来自制造业

日本49%的国民经济总产值

中国40%的工业总产值（1995）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中国的制造业面临从制造大国向制造强国发展的挑战

第3页，共87页，2023年，2月20日，星期五机械发展的历史回顾1797年，莫兹利首创螺纹车床。1914年，福特流水生产线，大量生产汽车。19世纪末，泰勒“科学管理法”的出现第4页，共87页，2023年，2月20日，星期五从手工作坊到机械工厂从单件小批到大量生产分工可以提高工作效率机械化生产可以实现零件互换大量生产可以降低成本、提高质量第5页，共87页，2023年，2月20日，星期五由集中动力源驱动的架空天轴变速用的多级带轮带传动工人操作车床工人劳动强度大工作环境不安全拥挤、昏暗、嘈杂第6页，共87页，2023年，2月20日，星期五带传动架空天轴车床砂轮机锯床铣床直流发电机--电动机组将动力分配到不同设备第7页，共87页，2023年，2月20日，星期五摩登时代：人是机器的奴隶？第8页，共87页，2023年，2月20日，星期五科学发展观

以人为本，可持续发展第9页，共87页，2023年，2月20日，星期五

传统的机械加工第10页，共87页，2023年，2月20日，星期五

数控加工中心第11页，共87页，2023年，2月20日，星期五现代机械工程的内容和任务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第12页，共87页，2023年，2月20日，星期五机械工程应用领域动力机械（风、水、热、电、化学、原子能等）交通运输（汽车、轮船、飞机及相应设施、仓储物流等）装备技术（农、林、矿山、冶金、化工、纺织、食品、印刷等制造设备）工作母机、仪表仪器等通风取暖、医疗器械、家用器械、环保设备等民生机械国防武器等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第13页，共87页，2023年，2月20日，星期五运用数学、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、制造和运行各种机械中遇到的实际问题。对传统的机械工程的理解：力学经验＋第14页，共87页，2023年，2月20日，星期五

以信息为核心，以机电为基础，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。实现系统或产品在功能、质量、效率、成本等各方面整体、最优的系统工程技术。对现代机械工程的理解：机械原理电子电工原理传感测试原理微机原理控制原理现代先进技术＋第15页，共87页，2023年，2月20日，星期五Contents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

2关于机电一体化技术2第16页，共87页，2023年，2月20日，星期五机械专业讲座

在机械技术中融合电子信息技术

第17页，共87页，2023年，2月20日，星期五

在机械技术中融合电子信息技术典型案例1：电子凸轮

典型案例2:并联机床

典型案例3:静电复印机

典型案例4:误差分离技术

第18页，共87页，2023年，2月20日，星期五典型案例1：电子凸轮

传统凸轮及其局限性1.制造和装配误差的调整比较困难，费时、费力。2.高副点线接触，接触应力较大，无法传递较大的功率。高速运行中，磨损快，运动失真。3.存在压力角的问题，紧凑性不好。4.一个凸轮只能固定实现一种预定运动规律，缺乏灵活性。第19页，共87页，2023年，2月20日，星期五

电子凸轮

什么是电子凸轮？电子凸轮(electroniccam—ECAM)：运动定义的计算机程序和高质量伺服执行机构的统一体。第20页，共87页，2023年，2月20日，星期五

控制系统+普通马达+凸轮机构第21页，共87页，2023年，2月20日，星期五基于单片机的电子凸轮第22页，共87页，2023年，2月20日，星期五EXAMPLE1SHRINKPACKAGE进瓶带→分瓶器A,B→分瓶杆(送纸板)→送膜→包膜→加热收缩EXAMPLE1

第23页，共87页，2023年，2月20日，星期五PACKAGESYSTEMSHRINKPACKAGE薄膜包装机Wrappingmachinesaredeemedtobeafocusamongsttheabundanceofdifferentparcelingmachinesofferedonthemarket.Wrappingmachineswrapthegoodsorstackstobepackedeithercompletelyorpartiallywithflexiblepackingmaterial.Thegenerallanguageusagedifferentiatesbetweenwrap-aroundmachinesandfoil/paperwrappingmachines.PACKAGE第24页，共87页，2023年，2月20日，星期五EXAMPLE1外观图主传输分瓶器B传送膜推杆送纸板包膜杆进瓶瓶带分瓶器A烘炉EXAMPLE1

第25页，共87页，2023年，2月20日，星期五EXAMPLE1工作流程多列瓶子进来经过分瓶器分成3*3一组作为一个包装个体纸板弹出并嵌入瓶底EXAMPLE1

第26页，共87页，2023年，2月20日，星期五EXAMPLE1工作流程送膜并剪切，然后膜包杆牵引膜进行环包进入烘炉进行加热收缩EXAMPLE1

第27页，共87页，2023年，2月20日，星期五EXAMPLE1系统配置图123456789101112141315EXAMPLE1

第28页，共87页，2023年，2月20日，星期五传统机床和并联运动机床第29页，共87页，2023年，2月20日，星期五Prof.ShuZhangInstituteonAdvancedManufacturingTechnology,TongjiUniversityStewart运动平台动平台固定平台球铰链伸缩杆球铰链Stewart平台是6根可伸缩的杆件通过12个球铰链连接固定平台和动平台的空间并联机构第30页，共87页，2023年，2月20日，星期五全自动洁净操作第31页，共87页，2023年，2月20日，星期五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,有很大不同：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，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第32页，共87页，2023年，2月20日，星期五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微小增量来逼近曲线和曲面的。

而并联机床的轨迹控制是由若干杆件空间运动综合的。第33页，共87页，2023年，2月20日，星期五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直线电动机直接驱动固定或可变长度的杆件

可以减少传动的惯性矩，提高系统的运动速度、加速度和精度，避免振动的产生

机械执行机构和联轴器的误差、间隙和柔性，使伺服轴产生成带状分布的运动误差和失动，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。

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关的问题，以满足超高精度的数控系统对精度和快速性的要求。

第34页，共87页，2023年，2月20日，星期五直线运动部件第35页，共87页，2023年，2月20日，星期五球铰第36页，共87页，2023年，2月20日，星期五电主轴 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。第37页，共87页，2023年，2月20日，星期五

应用领域第38页，共87页，2023年，2月20日，星期五应用领域模具制造汽缸体和传动箱体飞机零件，特别是大型结构零件应用于工业领域从目前情况来看，并联运动机床最适合于高速切削加工：第39页，共87页，2023年，2月20日，星期五并联机构应用前景广泛

运动模拟器工业机器人医用机器人微定位机器人天文望远镜绳索机器人吊车——飞毯并联运动机床第40页，共87页，2023年，2月20日，星期五运动模拟器飞机驾驶员模拟器高速列车驾驶员培训模拟器驾驶座椅模拟器（坦克、军舰等）骑马师培训模拟器赛车运动员培训模拟器第41页，共87页，2023年，2月20日，星期五医用机器人并联机器人并联机器人德国洪堡大学医学院手术室医用机器人模型并联机器人内窥镜患者患者并联机器人第42页，共87页，2023年，2月20日，星期五Prof.ShuZhangInstituteonAdvancedManufacturingTechnology,TongjiUniversity医用机器人的动画仿真Delta机器人第43页，共87页，2023年，2月20日，星期五天文望远镜第44页，共87页，2023年，2月20日，星期五绳索机器人吊车动平台操作器第45页，共87页，2023年，2月20日，星期五典型案例3:静电复印机

复印机的历史现代复印技术近代复印技术早期复印技术原始复印技术模拟复印与数码复印914型复印机-卡尔松热敏复印机活字印刷术、复印纸第46页，共87页，2023年，2月20日，星期五静电复印机基本原理模拟充电嚗光显影转印定影定影第47页，共87页，2023年，2月20日，星期五复印机的转印过程

(1)充电

(2)曝光

(4)转印

(5)放电(3)上炭粉第48页，共87页，2023年，2月20日，星期五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、定影第49页，共87页，2023年，2月20日，星期五ChargeCoupledDevice（CCD）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。第50页，共87页，2023年，2月20日，星期五模拟、数码复印机信息传递过程模拟机原稿副本感光鼓聚焦镜反射镜反射镜曝光灯影像处理部分激光二级管硬盘接线板打印接口传真卡数码机原稿打印卡副本多边反射镜CCD记忆体感光鼓反射镜聚焦镜曝光灯第51页，共87页，2023年，2月20日，星期五数码功能的说明原稿图像通过CCD被分解成很小的点，并被转换成数码信号,由此我们可以得到以下效果：高品质副本数码信号的处理记忆储存第52页，共87页，2023年，2月20日，星期五高品质副本超高解像度:

600dpi第53页，共87页，2023年，2月20日，星期五黑256级灰度白高品质副本第54页，共87页，2023年，2月20日，星期五具有X－Y独立变倍、正负反转、镜像等功能X-Y独立变倍数码信号的处理第55页，共87页，2023年，2月20日，星期五镜像效果数码信号的处理第56页，共87页，2023年，2月20日，星期五正向反向黑白反转数码信号的处理第57页，共87页，2023年，2月20日，星期五能实现一次扫描多次复印内置记忆体可将数据整理及储存,令工作效率大大提高!记忆体记忆的储存第58页，共87页，2023年，2月20日，星期五３２１32132１32１能实现一次扫描多次复印记忆体记忆的储存第59页，共87页，2023年，2月20日，星期五大幅减少噪音及能源消耗无需等候复印工作的完成双面复印时无需核对原稿数量3页扫描次数数码机模拟机原稿页数X复印份数100份3次300次!记忆的储存第60页，共87页，2023年，2月20日，星期五具有电子分页功能333222１１１３２１３２１32132１32１机械式分页电子分页模拟复印机记忆的储存第61页，共87页，2023年，2月20日，星期五交叉分页３２１３２１３２１记忆的储存第62页，共87页，2023年，2月20日，星期五典型案例4:误差分离技术

工件圆度工作台不圆度偏心度S1S3S2第63页，共87页，2023年，2月20日，星期五误差分离技术第1组数据为S11＝W1＋E1＋B1S21＝W4＋E4＋B1S31＝W7＋E7＋B1第2组数据为S12＝W2＋E2＋B2S22＝W5＋E5＋B2S31＝W8＋E8＋B2第3组数据为S13＝W3＋E3＋B3S23＝W6＋E6＋B3S33＝W9＋E9＋B3比较第3组数据和起始位置P0的数据，可以得到：S13—S20＝S23—S30＝B3—B0在测量的起始位置P0，三个传感器的读数分别为S10＝W0＋E0＋B0S20＝W3＋E3＋B0S30＝W6＋E6＋B0第64页，共87页，2023年，2月20日，星期五误差分离技术

假设1：在布置传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，表述为该被测误差量在测量空间中的“时延”。假设2：根据几何量测量的Abbe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的传递是1：l的。

假设3：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的，也可以是随机性的。第65页，共87页，2023年，2月20日，星期五物连网

物理系统——传感器——信息中心物连网基本技术：物理系统的数学模型建立，传感器的小型化，信息的传递，系统分析技术。

第66页，共87页，2023年，2月20日，星期五机械专业讲座

关于机电一体化技术

第67页，共87页，2023年，2月20日，星期五解读机电一体化

机电一体化内涵11，机电一体化技术（方法）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产品(或系统)得以实现、使用和发展的技术。机电一体化技术是一个技术群(族)的总称。

3第68页，共87页，2023年，2月20日，星期五解读机电一体化

机电一体化内涵2，机电一体化系统（产品）

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最佳功能。机电一体化系统(产品)，主要是指机械系统(或部件)与微电子系统(或部件)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。31第69页，共87页，2023年，2月20日，星期五

解读机电一体化

机电一体化内涵3，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成。即为给定机电一体化系统(或产品)“目的功能”与“规格”后，机电一体化技术人员利用机电一体化技术进行设计、制造的整个过程体系。机电一体化工程是系统工程在机电一体化系统(产品)的设计、制造中的具体应用。

31第70页，共87页，2023年，2月20日，星期五解读机电一体化

机电一体化内涵4，机电一体化思想

体现了“系统设计原理”和“综合集成技巧”。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，机电一体化的“一体化”思想，带来了诸如：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。31第71页，共87页，2023年，2月20日，星期五解读机电一体化

1一体化理论和设计思想

2

《机电一体化原理》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。

1．质、能、信息一体化设计2．功能结构一体化设计3．广义机电一体化设计4．虚实一体化设计5．人、机、环境一体化设计3第72页，共87页，2023年，2月20日，星期五解读机电一体化

11.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的构成

3第73页，共87页，2023年，2月20日，星期五解读机电一体化1，现代机械的功能模块自动化轧钢系统第74页，共87页，2023年，2月20日，星期五解读机电一体化1，现代机械的功能模块主功能控制功能动力功能输出结构功能输入控制信号显示输出废弃物干扰环境界面人机界面技术系统第75页，共87