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1、机械及电气 自动化基础,主讲内容,机械及电气自动化基础一,1.自动化定义及相关述语,2.自动化发展简史,3.自动化科技发展趋势,4.生产过程自动化内容,5.机电一体化概念,1.自动化定义及相关术语,Add your title in here,1.1 什么是自动控制？,机器设备或系统在无人直接参与下;,自动地按预先要求或既定的程序运行;,完成任务，实现预定目标。,自动控制特征：信息检测、信息处理、分析判断、操作控制整个过程由自动化装置完成,无人直接参与：人不用直接操作，只需确定控制要求和程序.,1.自动化定义及相关术语,Add your title in here,1.2 什么是自动化？,一个
2、或多个自动控制系统或装置所构成，没有人直接干预的工作过程。,控制软件,自动控制理论,信号处理,控制装置,自动控制方法及工程实现技术,现场总线和以太网,1.自动化定义及相关术语,系统,信息,控制,若干子系统相互依存，相互作用的部分，达到特定目的所组成的完整综合体。,是指为某种规定的预期目标，而对过程变化施加的干预。,人类对自然和人类自身能量变换状态的描述。注意：信息与数据的概念是不同的。信息是对事物运动状态和特征的描述，是经过加工处理后能够对接受者行为产生影响的数据。而数据是信息的载体，是把客观事物记录下来，可以鉴别的符号。,反馈,是指将系统的实际输出与期望输出做比较，产生偏差，从而为控制器确定
3、下一步的控制行为提供依据。,1.3术语,1.自动化定义及相关术语,调节,管理,决策,是指通过系统的反馈信息自动校正系统的误差，使一些参数在一定精度范围内按照要求的规律变化。调节须以反馈为基础。,是指为了获得最佳方案，对若干准备行动方案进行选择。,指为了充分利用各种资源来达到一定目标，而对社会或其组成部分施加的一种控制,1.3术语,2.自动化发展简史,自动化装置,自动化技术,自动化理论,自动化科学,自动化发展史，是一个需求驱动型的过程，基本经历如下：,1942,19271932,17881868,17世纪以来,H.哈利斯引入了函数概念，用方框图、环节、输入和输出等信息传输的概念来描述系统和性能的
4、关系，从而把对系统的描述，统一用传递函数，频率响应等抽象的概念来描述.,闭环控制系统的形成,在贝尔实验室，美国电气工程师和其同事们应用负反馈原理解决电子管放大器失真问题。后来概念引入自动调节系统，形成了现在的闭环控制。1932.同在贝尔实验室的H。奈奎斯特建立了稳定判据.,自动调节系统的稳定性,1.英国已有7500台蒸汽机在工作，但转速不稳定，系统发生振荡。2.1868年，英国物理学家麦克斯威尔用线性微分方程研究调节系统不稳定现象。,自动化技术形成,1.荷兰机械师C.惠更斯发明了钟，俄国机械师H.波尔祖诺夫发明了保持蒸汽锅炉水位恒定的浮子式水位调节器;2.18世纪末20世纪30年代初，1788
5、年，英国机械师J。互特发明了蒸汽机。3.1868年，法国工程师J.法尔科发明了反馈调节器;4.20世纪30年代初,美国开始使用PID调节器,模拟式调节器,2.自动化发展简史,自动化发展至今，所经历的各时期发展阶段主要为三个阶段：1.自动化形成与应用;2.局部自动化;3.综合自动化。,1阶段自动化的形成与应用,2.自动化发展简史,惠更斯和他的摆钟,2.自动化发展简史,蒸汽机转速的闭环自动调速系统,基本原理:当负载或蒸汽供给量发生变化时，离心调速器能够自动调节自动阀门的开度，从而控制蒸汽机的转速,2.自动化发展简史,2阶段局部自动化,Step 1,Step 2,Step 3,20世纪50年代形成经
6、典控制理论单变量控制理论。经典控制理论研究对象是具有单输入，单输出的单变量系统，而且多数是线性定常数系统。,局部自动化的广泛应用 由于第二次世界大战军事技术的发展，以及战后把这些技术向机械，航空和化工等领域推广，使工业广泛应用了PID，并用电子模拟计算机设计自动控制系统，工业实现了局部自动化。,电子数字计算机的发明19431946，美国电气工程师J.埃克脱和物理学家J.莫奇利研制成功第一台以电子管为基础的电子数字计算机。,20世纪4050年代，进入局部自动化时期。在第二次世界大战期间，针对防空火力控制系统和飞机自动导航系统等军事技术问题，各国科学家设计出各种自动调节装置，控制装置用于解决局部问
7、题，开创了防空火力系统和控制这一新的研究领域。,2.自动化发展简史,6.模式识别,5.综合自动化,4.遥感、遥测和遥控,3.自适应控制理论,2.最优控制理论,7.智能控制,1.建模和系统辩识,3阶段综合自动化,3.自动化科学技术的发展趋势,1.信息网络环境下的自动化理论,2.智能自动化技术,3.微机电系统与传感 技术。（MEMS）,绿色自动化技术,指微型化器件或器件组合，把电子功能和机械的、光学的或其他的功能相结合的综合集成系统。,因特网 通信技术 计算机技术 海量信息处理技术多模式人机交互技术等。,以人工生命为主题的研究将给智能自动化技术带来深远影响。,绿色自动化技术就是要通过生产过程设计和
8、自动化控制技术来达到生产过程对周围环境的污染和损害程度达到最小化。,21世纪的前沿科学仍是信息科学和生命科学，而信息科学和生命科学的交叉研究是未来几十年的大趋势，它必将直接影响自动化理论和装置的发展方向。,自动化发展主要关注内容,简而言之，综合化（CIMS+CIPS）、网络化(Internet)、人性化（AI+AP）和绿色化（洁净生产+绿色制造）是21世纪自动化技术的发展趋势。,4.生产过程自动化内容,指微型化器件或器件组合，把电子功能和机械的、光学的或其他的功能相结合的综合集成系统。,什么是生产自动化,自动化生产的目的,机械制造自动化经历的技术阶段,人们通过自动化技术手段来创造产品的过程。生
9、产过程包括多种形式，机械制造是各类生产过程 的主要形式。机械制造过程 的自动化主要指实现作业过程 的主动完成而无须或只需极少的人工参与。,刚性自动化 柔性自动化 综合自动化,最初为了省人省力。随着科学技术的进步，不仅仅是省，还为了产品质量的提高和生产率的提高，降低成本，缩短产品开发的生产周期，提高市场竞争力。,4.生产过程自动化内容,三种自动化方式的比较,4.生产过程自动化内容,1.信息网络环境下的自动化理论,绿色自动化技术,指微型化器件或器件组合，把电子功能和机械的、光学的或其他的功能相结合的综合集成系统。,FLV视频的研究将给智能自动化技术带来深远影响。,加工和装配作业是最基本的作业，也是
10、机械制造自动化中最基本和最重要的自动化内容。加工作业自动化的最基本要求是质量，效率和安全,1.加工作业自动化,2.物流作业自动化,4.管理自动化,3.信息流自动化,机械制造自动化技术内容.,物流：物料从输入自动化系统到制成产品的过程2.1 装卸自动化设备；工业机械手FLV视频2.2 传输自动化设备；自动引导小车FLV2.3 存储自动化设备；自动化立体仓库FLV,信息流自动化是指信息采集输入，信息处理，信息传输，信息存储和信息输出等各阶段的自动化。,管理自动化的核心是管理信息自动化。管理自动化的软件主要有决策支持系统（DSS）和制造资源计划（MRPII）两大部分。,实现加工自动化步骤是作业过程的
11、简化和标准化！,4.生产过程自动化内容,信息流自动化.,管理自动化.,管理自动化的基础是基层作业自动化（办公自动化）。办公自动化所需的硬件设备有个人计算机、传真机、打印机、复印机、录音电话等通用设备和CAM、CAD等设计专用设备。,5.机电一体化,1.美国人最早发明了机器人、数控机床等机电一体化设备。-但并未给这一新兴技术赋予新的 词技术名2.日本人于1971年创造和使用了“机电一体化”这一术语。-mechatronics=mechanics(前半部分）+Electronics（后半部分）-片假名机电一体化，被中国工程界所接受,机电一体化的来历,5.机电一体化,从广义上讲可概括为“机械工程与电
12、子工程相结合的技术及应用这些技术的机械电子装置”,机电一体化的概念,一般理解为：“在机械的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，并将机械装置和电子设备软件等有机结合起来构成的系统总称。”,5.机电一体化,5.机电一体化,构成机电一体化的学科和技术,机械工程学科和电子工程学科是两个支柱学科和技术。此外，机电一体化还是控制工程和信息工程学科等多学科综合技术。,5.机电一体化,机电一体化的组成,包括硬件和软件,用于完成被控信号的采集、转换功能,产生与传递动力,起支承和基准作用,完成特定指令的末端,构成机电一体化的要素归纳起来主要有5大要素。具有智能功能是机电一体化产品的显著特点，机
13、电一体化系统组成要素要像人体组成要素那样完整方向发展。,5.机电一体化,机电一体化的组成,机电一体化五大要素,5.机电一体化,机电一体化的组成,5.机电一体化,1.机械主体,2.传动系统,3.检测装置,机体包括：机壳，框架，起支承和基准作用。对于高精密机器来说，要求机体长期不变形。在结构上，机体常设备有水平，减振装置。,任何机电一体化设备都需要从被控现场获得各种信号，供控制器分析、判断和决策。检测装置用于完成被控信号的采集、转换功能。它像人的五官，具有感觉识别，语言识别，图像识别，气味识别等功能。,传动系统就像人体内脏产生能量去维持人的生命和运动一样，为系统提供动力，去驱动各执行机构，使系统正
14、常运行。传动系统产生与传递动力。传动有机械传、电机传动、液压传动、气压传动和电磁传动。,检测装置的结构框图,5.机电一体化,4.执行机构,5.控制系统,执行机构通常处于传动系统的末端，是指能根据特定指令完成特定动作的末端部件。对自动化生产设备而言，是指自动上料，自动加工，自动检测等电磁动，气动或液压执行装置。对于工业机器人，是指手指，手腕，手臂和行走机构。,最常见的控制装置有：计算机，可编程控制器，单片机等。,5.机电一体化,机电一体化设备的特点,机械及电气自动化基础二,1.机械传动的类型、特点和应用,2.滚动螺旋传动机构,3.同步带传动,4.行星齿轮传动,5.谐波齿轮传动,机械及电气自动化基础二,本章重点讲述同步带传动、滚动螺旋传动、行星齿轮传动及谐波齿轮传动等自动化领域的传动机构的功用和类型、特点及应用。,2.1 机械传动的类型、特点及应用,2.1 机械传动的类型、特点及应用,常见机械传动的形式,2.1 机械传动的类型、特点及应用,常机械传动的特点和应用,2.1 机械传动的类型、特点及应用,常机械传动的特点和应用,
