机电一体化技术：第1章 概论

1、机电一体化技术,教材及主要参考书,教材： 机电一体化技术，袁中凡，电子工业出版社 主要参考书： 机电一体化(第二版)，高 森年，科学出版社,目 录,第1章 概论 第2章 机械系统设计技术 第3章 检测与传感系统设计技术 第4章 接口设计概述 第5章 控制系统设计技术 第6章 系统的执行与驱动技术 第7章 多机与网络通信,第一章 概论,知识点： 机电一体化系统的基本概念 机电一体化系统的关键共性技术 机电一体化系统的发展概况,美国2006年技术评论认为，有十种新兴技术在不远的将来会产生巨大影响：无线传感器网络；可注入组织工程；纳米太阳能电池；机电一体化技术；分子成像；纳米印刷刻蚀；软件保证；糖原

2、组学；量子密码术,1.1 机电一体化的基本概念,1.1.1机电一体化系统的功能构成及定义 “机电一体化”一词(Mecharonics)在20世纪70年代起源于日本。它取英语Mechanics(机械学)的前半部和Electronics（电子学）的后半部分拼成一个新词，即机械电子学或机电一体化,1、机电一体化的定义,广义说：机械工程与电子工程相结合的技术，以及应用这些技术的机械电子装置。 简单说：机械的电子化或者机械电子工程,2、机械的电子化设备分类,a）原来仅由机械实现运动的装置，通过与电子技术相接合来实现同样运动的新的装置。 如：发条式钟表石英钟表。 （b）原来由人来判断和操作的设备，变为由机

3、器进行判断实现无人操作的设备。如：ATM（Automatic Teller Machine，自动出纳机）。 （c）按照人所编制的程序实现灵活运动的设备。如NC,1）、机械工程学 2）、电子工程学 3）、控制、信息工程学 上述三个学科的交集就是机电一体化。 其中每个学科又有许多具体的课程，因此从事机电一体化需要掌握多个学科的知识，科研中一般由多个学科的人员组成项目组开展科研工作,3、支撑机电一体化的学科与技术,3、支撑机电一体化的学科与技术,4. 机电一体化技术迅速发展的原因,1）、半导体和集成电路发展：集成度越来越高，价格越来越低； 2）、计算机及编程语言和应用技术的进步； 3）、控制技术和仿

4、真技术的不断发展（各种控制理论PID、ADRC；仿真工具Matlab）； 4）、小型化、功能强的传感器和执行装置的发展（智能传感器、微机械,5机电一体化的特点,1）、体积小、重量轻； 2）、速度快、精度高； 3）、可靠性高； 4）、柔性好（由于可编程，容易增加新的功能具有很好的扩展性,机电一体化系统由信息处理与控制部分（计算机）、能源（动力源）与执行元件（如电动机）部分、机械本体（机构）、检测部分（传感器）等四个子系统组成,6机电一体化系统的组成,6机电一体化系统的组成,1）、机械部分（机构要素）：不同设备机械部分差异很大。如机器人的机械手； 2）、执行装置（能量要素）：将信息转换为力和能量，

5、以驱动机械部分运动； 3）、传感器（检测要素）：对输出端的机械运动结果进行检测、监控和反馈； 4）、控制装置（控制要素）：对控制输入的信息和传感器反馈信息进行处理，向执行装置发出动作指令,6机电一体化系统的组成,运动副（pair）：两个物体互相接触并相对运动时，这两个物体称为“运动副”，运动副有：滑动副、转动副、螺旋副。 环（Link）：传递运动的机械零件称为“环”，如齿轮、带、带轮、链、链轮、凸轮等，可以说机构是由“环”连接而成的。 自由度：机构的运动功能是由一系列单元运动的组合来确定。基本的单元运动有“直线运动”、“旋转运动”和 “摆动”。运动系中单元运动的个数，称为自由度,1）、机械部分

6、（机构要素,2）、执行装置（能量转换要素,按照指令将电信号转换成流体或机械能，驱动机械部分进行运动。执行装置可分为电动、液压和气动执行装置三大类。 电动执行装置：各种电机； 液压执行装置：液压油缸、液压马达； 气动执行装置：气缸、气动马达,3）、传感器（检测要素,将被测对象的状态、性质等转化为一定的物理量或者化学量的装置。近年来传感器几乎都是将被测量转换为电信号，主要用于反馈控制,4）、控制装置（控制要素,为了达到一定目的而实行的适当的操作称为控制。控制系统一般可以分为开环控制系统和闭环控制系统，各种控制系统都充分应用了现代控制理论和技术,典型闭环控制系统,1.1.2机电一体化系统的结构要素,

7、机电一体化系统是由若干具有特定功能的机械与微电子要素组成的有机整体，具有满足人们使用要求的功能(目的功能)。根据不同的使用目的，要求系统能对输入的物质、能量和信息(即工业三大要素)进行某一处理，输出所需要的物质、能量和信息,因此，系统必须具有以下三大“目的功能”：变换(加工、处理)功能、传递(移动、输送)功能和储存(保持、积累、记录)功能,不管那类系统（或产品），其系统内部必须具备如下图所示的五种内部功能，即主功能、动力功能、检测功能、控制功能、构造功能,CNC机床内部功能构成实例,机电一体化系统内部与外部接口,机电一体化系统（产品）各构成要素之间的相互联系,1.1.3机电一体化产品的分类,一

8、部分机电一体化系统以能量转换为主，输入能量(或物质)和信息，输出不同能量(或物质)的系统(或产品)，称为动力机，其中输出机械能的为原动机。 也有机电一体化系统以信息处理为主，输入信息量，输出各种信息的系统，称为信息机,机电一体化产品种类繁多，目前还在不断扩展，但仍可以按产品的功能划分为以下几类。 （1）数控机械类 （2）电子设备类 （3）机电结合类 （4）电液伺服类 （5）信息控制类,1.2 机电一体化的共性关键技术,1.2.1机械设计技术 机械技术是机电一体化的基础。机电一体化产品中的主功能和构造功能，往往是以机械技术为主实现的。特别是关键部件，如导轨、滚珠丝杠、轴承、传动部件等的材料、精度

9、对机电一体化产品的性能、控制精度等多方向的要求,1.2.2计算机与信息处理技术 信息处理技术包括信息的输入、识别、变换、运算、存储及输出技术，它们大都是依靠计算机来进行的，因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策等，实现信息处理的主要工具是计算机。计算机技术包括计算机硬件技术和软件技术、网络与通信技术、数据库技术等,1.2.3自动控制技术 自动控制技术就是通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。自动控制技术范围很广，包括自动控制理论、控制系统设计、系统仿真、现场调试、可靠运行等从理论到实践的整个过程。由于被控对象种类繁多，所以控制

10、技术的内容极其丰富，包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、示教再现、检索等控制技术,1.2.4传感与检测技术 检测传感技术是机电一体化的关键技术，它将所测得的各种参量如位移、位置、速度、加速度、力、温度、酸度和其他形式的信号等转换为统一规格的电信号输入到信息处理系统中，并由此产生出相应的控制信号以决定执行机构的运动形式和动作幅度。传感器检测的精度、灵敏度和可靠性将直接影响到机电一体化的性能,1.2.5执行与驱动技术 伺服驱动技术的主要研究对象是执行元件及其驱动装置。执行元件分为电动、气动、液压等多种类型，机电一体化产品中多采用电动式执行元件。驱动装置主要是指各种电动机的

11、驱动电源电路，目前多采用电力电子器件及集成化的功能电路构成,1.2.6机电一体化总体设计技术 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，将系统总体分解成相互有机联系的若干功能单元，并以功能单元为子系统继续分解，直至找到可实现的技术方案，然后再把功能和技术方案组合成方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术,1.3 机电一体化的发展概况,1.3.1国内外机电一体化发展状况 机电一体化技术的发展大体上可分为三个阶段。 20世纪60年代以前为第一阶段，也可称其为“萌芽阶段”。 70年代至80年代为第二阶段。称其为“蓬勃发展阶段”。 从上世纪90年代后期开始为第三阶段，称其为“智能化阶段

12、”，机电一体化技术向智能化新阶段迈进,1.3.2机电一体化技术的理论的发展 机电一体化是机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉融合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。 机电一体化的主要发展方向如下： （1）智能化 （2）模块化 （3）网络化 （4）微型化 （5）绿色化 （6）人性化,1.3.3数控技术与机器人技术 一、数控机床 数控技术，简称数控（Numerical Control）。它是利用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。 数控系统包括：数控装置、可编程控制器、主轴驱动器及进给装置等部分，数控机床是机、电、液、气、光高度一体化的产品,二、工业机器人

13、 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。 工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备,1.3.4 新型的MEMS系统 微机电系统MEMS(Micro Electronic Mechanical Systems)是一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域，相对于传统的机械，它们的尺寸更小，最大的不超过一个厘米，甚至仅仅

14、为几个微米，其厚度就更加微小,MEMS特点可以总结如下： （1） 微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。 （2） 集成化：微传感器、微执行器和IC集成在一起可以制造出高可靠性和高稳定性的智能化MEMS。 （3） 多学科交叉：MEMS的制造涉及电子、机械、材料、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科,1.4 机电一体化系统的实例,1.4.1 电子调速器 机械式调速器 电子式调速器,机械式调速器的控制简图,电子调速器系统的控制原理简图,1.4 机电一体化系统的实例,1.4.2 大射电望远镜50m实验模型,小口径望远镜,大射电望远镜,本章小结,机电一体化通过综合利用现代高新技术的优势，