1、機(jī)械工程導(dǎo)論（機(jī)電工程）周 軍 機(jī)械工程是19世紀(jì)初期從民用工程中分離出來的一門工程學(xué)科。它的目標(biāo)是運用數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)理論和有關(guān)機(jī)械方面的專門知識，結(jié)合生產(chǎn)實際經(jīng)驗，有判斷地、經(jīng)濟(jì)有效地解決在設(shè)計、研究、制造和運行各種機(jī)械中遇到的實際問題 機(jī)械工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱工業(yè)之一 機(jī)械工業(yè)是社會生產(chǎn)力發(fā)展水平的重要標(biāo)志1.1 機(jī)電一體化的定義 一 、機(jī)電一體化的定義 1971年起源于日本。 機(jī)械學(xué)（Mechanics）+ 電子學(xué)（Electronics）=機(jī)電一體化 或 機(jī)械電子工程（Mechatronics） 從組合詞的構(gòu)成，表達(dá)了“機(jī)械電子學(xué)”的意義機(jī)電一體化技術(shù)機(jī)械技術(shù)（機(jī)械學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)）微電子

2、技術(shù)（半導(dǎo)體、IC、LSI）1.1 機(jī)電一體化的定義 一、 機(jī)電一體化的定義 定義：機(jī)電一體化技術(shù)是從系統(tǒng)工程觀點出發(fā)，應(yīng)用機(jī)械、電子、信息等有關(guān)技術(shù)，對它們進(jìn)行有機(jī)的組織和綜合，實現(xiàn)了整體的最佳化。 它不是機(jī)械與電子的簡單的疊加，而是在信息論（利用傳感技術(shù)）、控制論（利用控制理論）和系統(tǒng)論（“系統(tǒng)”整體籌劃，機(jī)械和電子分別只是“環(huán)節(jié)”）的基礎(chǔ)上建立起來的應(yīng)用技術(shù)1.2 機(jī)電一體化的基本功能要素一、機(jī)械本體 主要功能是使構(gòu)造系統(tǒng)的各子系統(tǒng)、零部件按照一定的空間和時間關(guān)系安置在一定位置上，并保持特定的關(guān)系。包括機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置和傳動裝置。二、動力單元 按照機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制要求，為系統(tǒng)提供動力和能

3、量以保證系統(tǒng)正常運行。用最小的動力輸入獲得盡可能大的功能輸出。1.2 機(jī)電一體化的基本功能要素三、傳感檢測單元 主要功能是對系統(tǒng)運行過程中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢測，并轉(zhuǎn)換成可識別信號，傳輸?shù)娇刂菩畔⑻幚韱卧?jīng)過分析、處理產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息 由傳感器和儀器儀表組成。1.2 機(jī)電一體化的基本功能要素四、執(zhí)行單元 根據(jù)控制信息和指令完成所要求的動作。執(zhí)行單元是運動部件，根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的匹配要求，需要改善執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作性能，如提高剛性，減輕重量，實現(xiàn)組件化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，以提高系統(tǒng)整體工作可靠性等。1.2 機(jī)電一體化的基本功能要素七、接口單元 接口的作用是將各要素或子系統(tǒng)

4、連接成為一個有機(jī)整體，使各個功能環(huán)節(jié)有目的地協(xié)調(diào)一致運動，從而完成機(jī)電一體化的系統(tǒng)工程。各個單元要完成物質(zhì)，信息和能量的傳遞和交換，為此，各要素和子系統(tǒng)相接處必須具備一定的連接部件，這個部件就可稱為接口。 基本功能有三個：變換，放大，傳遞。1.3 機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù)一、機(jī)械技術(shù) 機(jī)電一體化的機(jī)械產(chǎn)品與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品的區(qū)別在于：機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡單、機(jī)械功能更強(qiáng)、性能更優(yōu)越。現(xiàn)代機(jī)械要求具有更新穎的結(jié)構(gòu)、更小的體積、更輕的重量，還要求精度更高、剛度更大、動態(tài)性能更好。 在設(shè)計和制造機(jī)械系統(tǒng)時除了考慮靜態(tài)、動態(tài)剛度及熱變形等問題外，還應(yīng)考慮采用新型復(fù)合材料和新型結(jié)構(gòu)以及新型的制造工藝和工藝裝置。1.3

5、 機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù)二、傳感檢測技術(shù) 傳感器檢測是實現(xiàn)自動控制和自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳感檢測技術(shù)的內(nèi)容包括兩方面，一是研究如何將各種被測量（包括物理量、化學(xué)量和生物量等）轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量；二是研究對轉(zhuǎn)換的電信號的加工處理，如放大、補(bǔ)償、標(biāo)度變換等。 機(jī)電一體化系統(tǒng)要求傳感檢測裝置能快速、準(zhǔn)確、可靠的獲取信息。 1.3 機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù)六、系統(tǒng)總體技術(shù) 系統(tǒng)總體技術(shù)是以整體的概念組織應(yīng)用各種相關(guān)技術(shù)的技術(shù)，從全局的角度和系統(tǒng)的目標(biāo)出發(fā)，將系統(tǒng)分解為若干個子系統(tǒng)，從實現(xiàn)整個系統(tǒng)技術(shù)協(xié)調(diào)的觀點來考慮每個子系統(tǒng)的技術(shù)方案。 機(jī)電一體化系統(tǒng)是一個技術(shù)綜合體，它利用系統(tǒng)總體技術(shù)將各有關(guān)技術(shù)協(xié)調(diào)

6、配合、綜合運用而達(dá)到整體系統(tǒng)的最佳化。 1.4 機(jī)電一體化（制造）系統(tǒng)一、數(shù)控機(jī)床 數(shù)控技術(shù)（numerical control，NC）以數(shù)字化的信息實現(xiàn)對設(shè)備進(jìn)行控制的技術(shù)。 數(shù)控技術(shù)的典型應(yīng)用 數(shù)控機(jī)床: 數(shù)控金屬切削加工機(jī)床數(shù)控車床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床車削加工中心鉆削加工中心二、柔性制造系統(tǒng)（FMS）（Flexible Manufacturing System）1、柔性制造系統(tǒng)的概念 美國出版的柔性制造系統(tǒng)手冊對柔性制造系統(tǒng)的定義比較簡明：由計算機(jī)控制的、由若干半獨立的工作站和一個物料傳送系統(tǒng)所組成的、能高效率地制造多品種、中小批量零件的系統(tǒng)。 1967年，英國莫林斯公司提出把多臺數(shù)控機(jī)床聯(lián)成

7、一體的柔性制造系統(tǒng)的設(shè)想。后來，美國K&I公司實現(xiàn)了用計算機(jī)控制的柔性制造系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，從20世紀(jì)80年代初，柔性制造系統(tǒng)得到較快的發(fā)展（據(jù)1986年美國機(jī)械工程協(xié)會統(tǒng)計，當(dāng)時已有370條柔性制造系統(tǒng)在運行中）柔性制造系統(tǒng)的組成 1) 中央管理與控制計算機(jī)功能：接收工廠主計算機(jī)的指令 對整個FMS實行監(jiān)控 對數(shù)控機(jī)床或制造單元的加工數(shù)據(jù)實行控制 對夾具、工具實現(xiàn)集中管理和控制 協(xié)調(diào)各控制裝置之間的動作 2) 制造單元是FMS的基礎(chǔ)組成部分，由CNC機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人組成。 3) 物流控制裝置對自動化（零件）倉庫、無人輸送臺車、加工的毛坯和成品、加工用的夾具等實行集中管

8、理和控制。4)自動化（零件）倉庫將毛坯、半成品和成品進(jìn)行自動調(diào)用或儲存。 5) 無人輸送臺車行走于機(jī)床之間、機(jī)床與自動化（零件）倉庫之間、機(jī)床與中央刀具庫之間的自動化（無人駕駛）臺車，可以是有軌的或無軌的。 6) 中央刀具庫刀具集中存儲區(qū)。 7) 夾具站及時實現(xiàn)對夾具的調(diào)整和維護(hù)。 8) 信息傳輸網(wǎng)絡(luò)FMS中的通訊系統(tǒng)。 9) 隨行工作臺（PS）實現(xiàn)從無人臺車到制造單元之間傳送的緩沖功能。 柔性制造系統(tǒng)的主要組成部分 對于一般的FMS，通常是由四大類設(shè)備組成：主機(jī)、聯(lián)線設(shè)備、控制系統(tǒng)和輔助設(shè)備。 1)主機(jī) FMS的主機(jī)一般為數(shù)控機(jī)床，并且多為加工中心機(jī)床（多用臥式加工中心），也有數(shù)控車削加工中

9、心（可車、鉆、銑，有銑大螺旋升角的槽的功能）。 2)聯(lián)線設(shè)備（自動物料傳輸系統(tǒng)） 聯(lián)線設(shè)備是指在機(jī)床之間、倉庫與機(jī)床之間、托板存放站之間輸送和搬運工件、工具的設(shè)備。 （1）運輸托板 在專門的導(dǎo)軌上或在輥道上往返運動，一般配置在機(jī)床的出入工位之間。三、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）（Computer Integrated Manufacturing System）1、 概念 1）自動化孤島（Islands of Automation） 自動化孤島是指在一個工廠內(nèi)，能夠完成某種功能的自動化子系統(tǒng)，它在職能上是分布的，在地理上是分散的，在時間上是分割的。 自動化孤島向集成化（一體化）發(fā)展是一必然方向

10、，也是制造業(yè)的一場深刻的變革。 2、CIMS定義 CIMS是建立在自動化孤島基礎(chǔ)上的復(fù)雜系統(tǒng)。CIMS將全部制造過程進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，將一個工廠的設(shè)計、生產(chǎn)和經(jīng)營的各種分布的自動化孤島，通過要素化和標(biāo)準(zhǔn)化有機(jī)地集成起來，以獲得一個高效益和高柔性的智能化大系統(tǒng)。 CIMS是根據(jù)系統(tǒng)工程的觀點，將整個車間或工廠作為一個閉環(huán)系統(tǒng)，整個系統(tǒng)完全由計算機(jī)進(jìn)行管理。該系統(tǒng)輸入的是產(chǎn)品需求的有關(guān)信息，輸出的為經(jīng)過檢驗的合格產(chǎn)品。 1974年，美國年輕學(xué)者哈靈頓博士首先提出“計算機(jī)集成制造”的概念，他認(rèn)為整個生產(chǎn)過程（從市場、設(shè)計制造到管理、售后服務(wù)等）是一個整體，需要統(tǒng)一考慮；同時整個生產(chǎn)過程是信息的采集、傳送

11、和加工處理的過程，產(chǎn)品的尺寸不過是物化的數(shù)據(jù)。這一觀點為生產(chǎn)過程大量采用信息技術(shù)奠定了認(rèn)識上的基礎(chǔ)。3、CIMS系統(tǒng)的組成CIMS概況 CIMS系統(tǒng)分為三級： 1) 決策級 決策級是生產(chǎn)決策機(jī)構(gòu)。決策級根據(jù)市場的需求、原材料供應(yīng)情況，結(jié)合本企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)條件及財務(wù)狀況，作出生產(chǎn)產(chǎn)品的種類及規(guī)模的決策。 2) 經(jīng)營管理級 經(jīng)營管理級根據(jù)決策機(jī)構(gòu)的決定、市場的銷售情況等方面的情況，決定產(chǎn)品的類型與產(chǎn)量，協(xié)調(diào)生產(chǎn)過程的各種活動，實現(xiàn)總體決策所提供的戰(zhàn)略目標(biāo)（包括材料需求規(guī)劃、質(zhì)量管理、計算機(jī)輔助經(jīng)濟(jì)分析等）。同時在空間和時間上,協(xié)調(diào)物料的需求,實現(xiàn)現(xiàn)代管理思想的目標(biāo)無庫存系統(tǒng)。 3) 制造級 制造級

12、是具體實施產(chǎn)品設(shè)計與制造的部分，其中包含制造系統(tǒng)中各項自動化技術(shù)及其集成，即CAD/CAM、FMS、柔性檢驗、自動傳送系統(tǒng)、自動化倉庫等。 在CIMS內(nèi)，信息流占主導(dǎo)地位，信息的采集、交換與處理融合在一起，再由信息流控制物質(zhì)流，控制和指揮整個生產(chǎn)活動。CIMS的主要組成部分 CIMS包括了企業(yè)從市場預(yù)測到產(chǎn)品售后服務(wù)的全部生產(chǎn)活動。從功能角度看，CIMS包含了一個企業(yè)的設(shè)計、制造及經(jīng)營管理的三種主要功能。要使這三者集成起來，還需要一個支撐環(huán)境，即分布式數(shù)據(jù)庫和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。目前，一般認(rèn)為CIMS主要由四部分組成：1)管理與決策信息系統(tǒng) 其主要功能是信息處理，包括收集、傳輸、加工、查詢等；一般分為輔助性經(jīng)營計劃管理、物料管理、生產(chǎn)管理、財務(wù)管理、人力資源管理和輔助決策。2)工程信息系統(tǒng) 其主要功能模塊有計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）、計算機(jī)輔助工程（CAE）、成組技術(shù)（GT）、計算機(jī)輔助編制工藝規(guī)程（CAPP）和計算機(jī)輔助制造（CAM）等。 3柔性自動化制造系統(tǒng) 其主要功能是在計算機(jī)調(diào)度和控制下，使加工設(shè)備完成由毛坯到