机电一体化原理及应用第一章机电一体化系统的概论

1、机电一体化原理及应用机电一体化的相关主要课程：u机械工程设计基础u液压与气压传动u械创新设计u电路与电机u电子技术u单片机原理与接口技术u电气控制与plc应用u传感器应用讲述人：王德堂第一章 机电一体化系统的概论 机电一体化系统的概念 机电一体化系统的主要组成部分 机电一体化共性关键技术 机电一体化应用及发展前景1 机电一体化的基本概念机电一体化的基本概念简单地讲：l机电一体化是机械与电子技术有机结合的产物。l机电一体化是一个新兴的边缘学科，代表着机械工业技术革命的前沿方向l机电一体化是以机械学为基础，利用微电子、计算机、传感器、控制理论等众多相关学科的理论和技术而形成的一门新的学科。主要研究

2、机械电子的理论和技术应用。1 机电一体化的基本概念机电一体化的基本概念l机电一体化的发展根本原因，在于生产的发展和科学技术机电一体化的发展根本原因，在于生产的发展和科学技术的进步，尤其是自动化技术和计算机科学起了重要作用。的进步，尤其是自动化技术和计算机科学起了重要作用。l系统工程、控制论、信息论系统工程、控制论、信息论 这三门学科的诞生为机电一体化技术提供了理论基础这三门学科的诞生为机电一体化技术提供了理论基础和方法论。和方法论。 微电子技术的发展为机电一体化技术奠定了物质基础。微电子技术的发展为机电一体化技术奠定了物质基础。l“机电一体化机电一体化”起源：起源： 最早，1971年日本“机械

3、设计”杂志副刊提出了mechatronics (mechanics + electronics),日本人造的英语单词，目前已被普遍接受和承认。l几种描述：几种描述：l1983年日本振兴协会提出：年日本振兴协会提出： 机械电子乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和机械电子乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。关软件有机结合而构成系统的总称。l1984年美国机械工程师协会年美国机械工程师协会(asme)的一个专家组在给美国的一个专家组在给美国国家科学基金的报告

4、中提出现代机械系统的定义：国家科学基金的报告中提出现代机械系统的定义： 由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械系由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械系统、运动和能量流等动力学任务的机械（或机电部件）相互统、运动和能量流等动力学任务的机械（或机电部件）相互联系的系统，这实质上就是机电一体化的机械系统。联系的系统，这实质上就是机电一体化的机械系统。l90年代国际机器和机械理论研究会（年代国际机器和机械理论研究会（iftmm）成立了机电）成立了机电一体化技术委员会，给出了以下的定义：一体化技术委员会，给出了以下的定义： 机电一体化是精密机械工程、电子控制和系统思想在产机电一体化是精

5、密机械工程、电子控制和系统思想在产品设计和制造过程中的协同结合。品设计和制造过程中的协同结合。l1991年英国创刊了国际性期刊年英国创刊了国际性期刊mechatronics，在其刊物，在其刊物的编辑方针提出的编辑方针提出： 机电一体化的基本形式可以视为在现代工程技术中机械与电气科学的结合。 它是一种相对新的概念，涉及系统、部件和产品的设计，其次目的是在基本机械结构及其总体控制之间求得最佳平衡。l1996年年3月，国际电气与电子工程师学会（月，国际电气与电子工程师学会（ieee）与美国机）与美国机械工程师学会（械工程师学会（asme）联合创刊）联合创刊机电一体化学报机电一体化学报，在，在第一期编

6、者的话中将机电一体化定义为：第一期编者的话中将机电一体化定义为： 在工业产品和过程的设计制造中，机械工程与电子和智能计算机控制的协同集成。l描述不尽相同，概述一起应该是：描述不尽相同，概述一起应该是：l机电一体化技术是以系统论、控制论和信息论机电一体化技术是以系统论、控制论和信息论为理论基础和方法论，在机械技术、微电子技为理论基础和方法论，在机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术等现代高新技术群术、计算机和信息处理技术等现代高新技术群体基础上发展起来的一种高新技术。体基础上发展起来的一种高新技术。l机电一体化包括的内容非常广泛，表现为一种机电一体化包括的内容非常广泛，表现为一种崭新的学术思

7、想，它除了强调机与电的有机结崭新的学术思想，它除了强调机与电的有机结合外，还具有更深刻、更广泛的涵义。合外，还具有更深刻、更广泛的涵义。l按照机电一体化的思想，凡是由各种现代高新按照机电一体化的思想，凡是由各种现代高新技术与机械和电子技术相互结合而形成的各种技术与机械和电子技术相互结合而形成的各种技术、产品（或系统）都属于机电一体化的范技术、产品（或系统）都属于机电一体化的范畴。畴。 因此，人们常说的机电液一体化、光机因此，人们常说的机电液一体化、光机电一体化、机电仪一体化及机电信一体化，实电一体化、机电仪一体化及机电信一体化，实质上都可归结为机电一体化。质上都可归结为机电一体化。l机械本体l

8、传感检测部分l执行部分l动力部分l驱动部分l信息处理及控制部分。l1 1、概念、概念l机械本体就是其机械结构部分。包括机械结构装置和机械传动装置，属于产品的基础部分。 机身、床身、框架、机械的联结和支承等均属于机械本体。l2 2、功能、功能l构造系统的各子系统，零部件按照一定的空间和时间的关系安置在一定的位置上，并保持特定的关系，形成最佳的匹配方式。l3 3、机械本体的发展、机械本体的发展l机电一体化的产品众多，多层次，繁简各异，其机械本体有机电一体化的产品众多，多层次，繁简各异，其机械本体有的很简单，有的很复杂。的很简单，有的很复杂。如电子表外壳、打印机外壳、支架、机床的床身，大型数控如电子

9、表外壳、打印机外壳、支架、机床的床身，大型数控支承体等。支承体等。l因此机械本体总的发展趋势是：因此机械本体总的发展趋势是：结构简单、加工制造方便、通用性强。结构简单、加工制造方便、通用性强。 当然，不怎么变，机械本体只会变更加合理，决不会消失。当然，不怎么变，机械本体只会变更加合理，决不会消失。l1 1、概念、概念l用于检测各部分的状态参数和环境参数的部分。主要用各种传感器及相应的检测及放大电路实现。l2 2、功能、功能l把系统运行过程中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，变为可识别的信号，再传递给信息处理和控制部分，经处理后产生响应的控制信息。l1 1、功能、功能l接收信息处理

10、部分发出的指令，完成所需要的动作。l执行机构是运动部件，将输入的各种形式的能量转换为机械能（如人的四肢）。例如：自动洗衣机完成洗涤、脱水、烘干等 自动机床自动换刀、切削量、工作台换向或更 换等 火箭发射的自动点火、自动定向、分级等 完成这些操作虽然需要组成部分的协调工作，但最终是通过执行机构来实现的，它直接和被控对象打交道，按照指令准确、迅速、可靠地实现对被控对象的调整和控制。没有它其它部分再好也等于零。l2 2、执行机构应具有的性能、执行机构应具有的性能l 可靠性高。 执行机构直接和被控对象打交道，一般地说说所处的环境比较恶劣。因此要求执行机构不能经常出故障。有的故障是一般性的，有的则是致命

11、的。如： 洗衣机不转。照相机快门不动作。 机床不换刀。 汽车煞车不动作。 火箭点火失灵。 导航失灵。l 响应迅速（动态性能好）。 响应迅速可以提高生产效率。另一方面有些执行机构的快速响应是必须的。 如导弹的方向修正。防空系统火力发射。汽车刹车。l 动作准确。 动作不准确可能会造成较大的误差，也可能造成致命的损失。如：进刀量的不准确可能造成废品。 洗衣机的排水阀的不准确可使排水不畅 导弹方向控制不准确可能会l 高效率。 执行机构应具有高效率，尽量减少能量的损失，这在大型机电设备尤为重要。l3 3、执行机构的分类、执行机构的分类l按执行机构的能源形式来分有三种： 电动式、气动式、液压式（液动式）执

12、行机构功能：功能： 驱动部分接受控制部分的指令，去驱动执行机构完成各种驱动部分接受控制部分的指令，去驱动执行机构完成各种 动作和功能。动作和功能。 动力部分为系统提供能量和动力。动力部分为系统提供能量和动力。（最初始的能量主要来源于电能，）（最初始的能量主要来源于电能，） 驱动部分是主要的能量消耗单元，放大是驱动部分的重要功驱动部分是主要的能量消耗单元，放大是驱动部分的重要功能，能， 因此有的就把这两部分合并成一部分因此有的就把这两部分合并成一部分动力源。动力源。q驱动部分的负载是执行机构，要把控制器送来的微小信号进驱动部分的负载是执行机构，要把控制器送来的微小信号进 行行放大放大。q驱动部分

13、应根据不同的对象采用不同的输出形式。如驱动部分应根据不同的对象采用不同的输出形式。如 步进电机：脉冲序列步进电机：脉冲序列 伺服电机：交、直流电流或电压伺服电机：交、直流电流或电压 液、气缸：一定的压力差。液、气缸：一定的压力差。q一般的控制器输出为一定的电平（或脉冲）信号。故有的信一般的控制器输出为一定的电平（或脉冲）信号。故有的信 号不仅需要放大，还需要进行必要的号不仅需要放大，还需要进行必要的变换变换，以适应不同的执，以适应不同的执 行机构。行机构。q有的闭环控制中，需要将执行机构的位移、速度、温度等信有的闭环控制中，需要将执行机构的位移、速度、温度等信 号作为反馈信号进行输入，这就要求

14、驱动机构具有号作为反馈信号进行输入，这就要求驱动机构具有反变换反变换功功 能。能。q为了提高系统的效率，还应考虑驱动部件与控制器、与执行为了提高系统的效率，还应考虑驱动部件与控制器、与执行 部件的部件的匹配匹配，使系统处于最佳的工作状态。故：，使系统处于最佳的工作状态。故：q驱动部件的主要功能有三个：放大、变换、匹配。驱动部件的主要功能有三个：放大、变换、匹配。 q核心部分。核心部分。q各个部分能够成为一个有机整体，协调工作，都是在控制各个部分能够成为一个有机整体，协调工作，都是在控制 器的控制下进行的。器的控制下进行的。q它们收集各种相关的信息或信号，通过计算机进行运算、它们收集各种相关的信

15、息或信号，通过计算机进行运算、 分析，然后产生各种有用的控制信号输出，实现相应的控分析，然后产生各种有用的控制信号输出，实现相应的控 制。制。q主要组成：软、硬件组成。主要组成：软、硬件组成。是机电一体化产品的大脑。是机电一体化产品的大脑。 l机械技术（基础）l计算机与信息处理技术l检测与传感技术l自动控制技术l伺服驱动技术l系统总线技术机电一体化是多种技术学科相互交叉、渗透而形成的一门综合性的边缘技术学科。其共性关键技术可以总结为以下几个方面： 机电一体化的相关技术机械技术（驱体） 要求：新颖的结构、小体积、轻重量、精度高、刚度大、动态性能好。 考虑：静动态刚度、热变形、新型复合材料、新型结

16、构、新型制造工艺、新型工艺装配。传感检测技术（眼、耳、舌） 物理量转换成电量；转换成电量后的放大、补偿、标度换算。信息处理技术（大脑） 信息的变换、存取、运算、判断、决策。自动控制技术（神经系统） 研究单输入单输出、线性定常系统；高性能、高精度的多变量系统的最优控制。 伺服驱动技术（手、脚） 液压伺服系统、电气伺服系统。 系统总体技术（容貌、仪表、匀称、气质、本质、家族、学历、知识、文化、潮流） 机电一体化系统是一个技术综合体，利用系统总体技术将各种有关技术协调配合、综合运用达到整体系统的最佳化。 如：接插件、接口转换、软件开发、微机应用技术、控制系统的成套性、成套设备的自动技术。n在新技术革

17、命的浪潮中，自动化技术已深入到社会的各个方面，有人称之为全盘自动化。n在这些自动化的系统中，主要是由很多种机电一体化产品所构成。n从我国将要发展的机械工业产品来分析主要由以下产品需要实现程度不同的机电一体化。n具体地说，典型的机电一体化产品主要包括:大型成套设备；数控机床；仪器仪表电子化；自动化管理系统；电子化量具量仪；工业机器人；电子化家用电器；电子化电机传动与调整系统；电子化电站自动装置与开关板；电子医疗器械；电子化低压电器；微电脑控制加热炉；电子控制汽车或内燃机；微电脑控制印刷机械；微电脑控制食品机械或包装机械；微电脑控制办公机械；电子式照相机；电子控制农业机械；电子控制塑料加工机械；电

18、子控制电焊机；计算机辅助设计系统(cad)；计算机辅助制造系统(cam)；计算机集成制造系统(cim)。l机电一体化（产品）已经显示出强大的威力，并已渗透到国民机电一体化（产品）已经显示出强大的威力，并已渗透到国民经济、社会生活的各个领域。经济、社会生活的各个领域。 已经达到了已经达到了“无孔不入无孔不入”的地步。的地步。并以空前的速度和力度冲击着传统的技术思想、生产方式和方法，并以空前的速度和力度冲击着传统的技术思想、生产方式和方法，以及传统的机电产品和产业结构，使国民经济的各个领域产生深以及传统的机电产品和产业结构，使国民经济的各个领域产生深刻的变革。刻的变革。 典型的机电一体化产品代表:n机器人:组成：机械本体，控制系统，驱动器，传感器。发展：单一功能机器人向智能机器人发展。 观看录像。l综上所述，我们可以概括出以下几点基本认识：综上所述，我们可以概括出以下几点基本认识：l机电一体化是一种以实践，即产品和过程为基础的技术机电一体化是一种以实践，即产品和过程为基础的技术l机电一体化以机械为基础机电一体化