机电一体化概论 1

1、跳转到第一页机电一体化系统概论机电一体化系统概论贾贾 茜茜工工 业业 中中 心心机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 第第1章章 绪绪 论论1.1 机电一体化的概念机电一体化的概念1.2 机电一体化的组成机电一体化的组成1.3 机电一体化的应用实例机电一体化的应用实例1.4 机电一体化的发展机电一体化的发展1.5 本课程的学习方法本课程的学习方法机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 1.1 机电一体化的概念机电一体化的概念q“机电一体化机电一体化”的英文的英文“Mechatronics”,”,它是取自它是取自Mec

2、hanics（机械学）的前半部分（机械学）的前半部分和和Electronics（电子学）的后半部分组合在电子学）的后半部分组合在一起而创造出来的。一起而创造出来的。q最早出现在最早出现在19711971年日本的年日本的机械设计机械设计杂志杂志的副刊上，后来随着机电一体化技术的发展的副刊上，后来随着机电一体化技术的发展而被广泛用而被广泛用机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 1.1.1 机电一体化的定义机电一体化的定义q日本日本1 1）学者渡边茂提出：机电一体化是机械工）学者渡边茂提出：机电一体化是机械工程中采用微电子技术的体现。程中采用微电子技术的体现。

3、2 2）法纳克公司的小岛利夫认为：机电一体）法纳克公司的小岛利夫认为：机电一体化是机械学与电子学有机结合而提供的更化是机械学与电子学有机结合而提供的更为优越的一种技术。为优越的一种技术。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 3 3）19831983年，日本机械振兴协会经济研究所年，日本机械振兴协会经济研究所提出：机电一体化乃是在机械的主功能、提出：机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息与控制功能上引进微电子动力功能、信息与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。该定义被

4、件有机结合而构成系统的总称。该定义被大家普遍接受。大家普遍接受。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q美国美国19961996年，美国电年，美国电气气和电子工程师学会和电子工程师学会/ /机械机械工程协会（工程协会（IEEE/ASMEIEEE/ASME）把机电一体化定义）把机电一体化定义为：在工业产品和过程的设计和制造中，为：在工业产品和过程的设计和制造中，机械工程和电子与智能计算机控制的协同机械工程和电子与智能计算机控制的协同集成。集成。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q中国中国1 1）广义上：机械工程与

5、电子工程相结合的技）广义上：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。术，以及应用这些技术的机械电子装置。2 2）狭义上：机械的电子化或者电子机械工程）狭义上：机械的电子化或者电子机械工程q以上说法角度不同，侧重点不同，但都强调以上说法角度不同，侧重点不同，但都强调机与电的有机结合的思想。机与电的有机结合的思想。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q机电一体化技术是一门跨学科的综合性技术机电一体化技术是一门跨学科的综合性技术, 是一门独立是一门独立的交叉学科。的交叉学科。q机电一体化是动力、传动、控制、信息等技术有机结合的机电一体

6、化是动力、传动、控制、信息等技术有机结合的系统集成。简单地说，系统集成。简单地说，机电一体化就是机械技术与电子技机电一体化就是机械技术与电子技术相结合的产物，是机械装置与电子装置的软硬件集成术相结合的产物，是机械装置与电子装置的软硬件集成。机电一体化机械电 子控制信 息力学材料学液压与气动机械制造机械设计生产工艺电子电路电气工程学微电子光学机器人学测试技术传感技术系统工程计算机技术信息技术通信工程机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 1.原来原来仅由机械机构仅由机械机构实现运动的装置，通过与实现运动的装置，通过与电子技术相结合来实现同样运动的新装置。电子

7、技术相结合来实现同样运动的新装置。 发条式钟表发条式钟表 - 石英钟表石英钟表 手动照相机手动照相机 - 自动照相机自动照相机 机械水龙头机械水龙头 - 电子感应水龙头电子感应水龙头 机械调速器机械调速器 - 电子调速器电子调速器机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.原来原来由人来判断和操作由人来判断和操作的设备，变为由的设备，变为由机器进行判断实现无人操作的设备。机器进行判断实现无人操作的设备。售货员售货员 - 自动售货机自动售货机 出纳员出纳员 - 自动柜员机自动柜员机(ATM)售票员售票员 - IC卡读卡机卡读卡机检票员检票员 - 自动检票机自

8、动检票机加油员加油员 -自动加油机自动加油机机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 3.原来由人工值守操作，改为按照原来由人工值守操作，改为按照程序程序实现实现灵活运动的设备。灵活运动的设备。人工电话接转人工电话接转 - 程控电话程控电话 普通机床普通机床 - 数控机床数控机床q现代化的自动生产设备几乎都是机电一体化现代化的自动生产设备几乎都是机电一体化的设备。机电一体化技术使的设备。机电一体化技术使冷冰冰的机器有冷冰冰的机器有了人性化、智能化。了人性化、智能化。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 机电一体化的应用

9、机电一体化的应用q人们生活的人们生活的吃、穿、住、用、行吃、穿、住、用、行都离不开机电都离不开机电一体化。一体化。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 采棉机采棉机机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q机电一体化技术在机电一体化技术在制造业制造业的应用从一般的数的应用从一般的数控机床、机械手，发展到智能机器人、柔性控机床、机械手，发展到智能机器人、柔性制造系统制造系统(FMS)(FMS)、无人生产车间和将设计、制、无人生产车间和将设计、制造、销售、管理集于一体的计算机集成制造造、销售、管理集于一体的计算机集成制造

10、系统系统(CIMS)(CIMS)。q机电一体化技术是其他高新技术发展的机电一体化技术是其他高新技术发展的基础基础, ,机电一体化的发展机电一体化的发展依赖依赖于其他相关技术的发于其他相关技术的发展。展。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 1.1.2 机电一体化的分类机电一体化的分类q1. 1. 按产品的按产品的功能原理功能原理: : （1 1）数控机械类）数控机械类 （机械装置机械装置）（2 2）电子设备类）电子设备类 （电子装置电子装置）（3 3）机电结合类）机电结合类 CT （机械、电子相结合机械、电子相结合）（4 4）电液伺服类）电液伺服类 （液

11、压驱动的机械装置液压驱动的机械装置）（5 5）信息控制类）信息控制类 (动作由所接收的信息控制动作由所接收的信息控制) )机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q2. 2. 按产品技术的按产品技术的系统化程度系统化程度: : （1 1）大型成套设备）大型成套设备（2 2）数控机械）数控机械（3 3）仪器仪表）仪器仪表（4 4）办公自动化系统）办公自动化系统机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q3.3.按产品的按产品的服务对象领域服务对象领域: : 工业生产类、运输包装类、储存销售类、工业生产类、运输包装类、储存销

12、售类、社会服务类、家庭日用类、科研仪器类、社会服务类、家庭日用类、科研仪器类、国防武器类等。国防武器类等。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q4.4.按按机电技术的结合程度机电技术的结合程度: : （1 1）功能附加型）功能附加型（2 2）功能替代型）功能替代型（3 3）机电融合型）机电融合型机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 1.1.3 机电一体化的特点机电一体化的特点q结构简单，操作方便结构简单，操作方便q速度快、精度高速度快、精度高q可靠性高可靠性高q柔性好柔性好机电一体化概论An Introducti

13、on to Mechatronics 1.2 机电一体化的组成机电一体化的组成q并非有了电气电子之后才发展了控制技术。并非有了电气电子之后才发展了控制技术。q机械传动机构发明应用的同时，控制技术就产生了，如机械传动机构发明应用的同时，控制技术就产生了，如:漏漏壶、指南车等。壶、指南车等。单只及多级单只及多级漏壶漏壶指南车指南车机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 机械机械/ /气动气动/ /液压传动与控制液压传动与控制机械传动与控制机械传动与控制机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 现代系统现代系统早期系统早期系统

14、早期的电气控制就是在电路当中增加了电器开关或继电器等，来控早期的电气控制就是在电路当中增加了电器开关或继电器等，来控制电机或液压、气动元件的电路，使其产生相应的动作。制电机或液压、气动元件的电路，使其产生相应的动作。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 1.2.1 机电一体化系统的基本组成及功能机电一体化系统的基本组成及功能机电一体化概论An Introduction to Mechatronics (1)(1)机械单元机械单元 包括包括机械传动装置机械传动装置和和机械结构装置机械结构装置，相当于人，相当于人体的体的运动器官运动器官。主要功能：使系统各组

15、成单元、零。主要功能：使系统各组成单元、零部件按照一定的空间和时间关系安装在一定位置上部件按照一定的空间和时间关系安装在一定位置上，并保持特定的关系。，并保持特定的关系。(2)(2)检测单元检测单元 包括各类包括各类传感器、变送器传感器、变送器，相当于人体的，相当于人体的感觉感觉器官器官。主要功能：对系统所需的本身和外界的参数。主要功能：对系统所需的本身和外界的参数及状态进行检查，送给控制单元。及状态进行检查，送给控制单元。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics (3)(3)控制单元控制单元 包括包括微型计算机、微型计算机、PLCPLC、逻辑电路、接口、逻

16、辑电路、接口等，是机电一体化系统的核心部分，相当于人等，是机电一体化系统的核心部分，相当于人体的体的大脑大脑。主要功能：采集传感器数据，对外。主要功能：采集传感器数据，对外部输入信息进行存储、分析、判断、决策，根部输入信息进行存储、分析、判断、决策，根据处理结果向执行元件及驱动单元发送控制指据处理结果向执行元件及驱动单元发送控制指令，实现人机交互。令，实现人机交互。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics (4)(4)伺服与驱动单元伺服与驱动单元 包括包括伺服元件及其驱动伺服元件及其驱动，相当于人体的，相当于人体的肌肉肌肉。主要功能：根据控制信息和指令完成要

17、求的动作，主要功能：根据控制信息和指令完成要求的动作，一般可采用位置、速度和力矩三种控制方式。一般可采用位置、速度和力矩三种控制方式。 接口接口是控制单元与外部设备的连接元件，是控是控制单元与外部设备的连接元件，是控制单元与外部设备进行信息交换的中转站。主要功制单元与外部设备进行信息交换的中转站。主要功能：执行控制单元命令、返回外设状态、数据缓冲能：执行控制单元命令、返回外设状态、数据缓冲、设备寻址、信号转换、数据宽度与格式转换等。、设备寻址、信号转换、数据宽度与格式转换等。 机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 1.2.2 机电一体化的相关技术机电一体

18、化的相关技术q机械设计与制造技术机械设计与制造技术q计算机与信息处理技术计算机与信息处理技术q传感器技术传感器技术q软件技术软件技术q通信技术通信技术q驱动技术驱动技术q自动控制技术自动控制技术q系统技术系统技术机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 1.3 机电一体化的应用实例机电一体化的应用实例1.3.1 自控式恒温箱自控式恒温箱机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 1.3.2 电子燃油喷射系统电子燃油喷射系统机电一体化概论An Int

19、roduction to Mechatronics q针对针对降低燃料费用和减少废气降低燃料费用和减少废气排放而开发应排放而开发应用的用的发动机微机控制系统发动机微机控制系统进行介绍进行介绍。q 空气空气燃料比的控制燃料比的控制q当空气燃料比增大时，燃料稀薄，点火困难当空气燃料比增大时，燃料稀薄，点火困难；反之，由于氧气不足，所排放的气体中没；反之，由于氧气不足，所排放的气体中没有充分燃烧的碳化氢（有充分燃烧的碳化氢（HCHC）和一氧化碳（）和一氧化碳（COCO）含量增加，既浪费燃料又污染环境。因此）含量增加，既浪费燃料又污染环境。因此，将空气燃料比控制在最佳状态非常重要。，将空气燃料比控制在

20、最佳状态非常重要。 机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 汽车发动机电子控制系统原理简图汽车发动机电子控制系统原理简图 废气废气再循再循环环机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q从各个传感器得到的模拟电压信号和从发从各个传感器得到的模拟电压信号和从发动机输出轴得到的脉冲信号都输入发动机动机输出轴得到的脉冲信号都输入发动机控制单元（控制单元（ECUECU）。以这些信息为基础，在）。以这些信息为基础，在ECUECU内对最佳空气燃料比、点火时间、排气内对最佳空气燃料比、点火时间、排气再循环率等进行计算，结果作为控制再循

21、环率等进行计算，结果作为控制燃料燃料喷射阀喷射阀和和点火装置点火装置等的驱动信号输出。等的驱动信号输出。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 1.3.3 ETC1.3.3 ETC不停车收费系统不停车收费系统机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 电子标签读写天线通电子标签读写天线通过过RS232RS232串口电缆连串口电缆连接到位于收费亭的车接到位于收费亭的车道计算机上。其他设道计算机上。其他设备如自动栏杆、费额备如自动栏杆、费额显示器、车道通行灯显示器、车道通行灯等则通过车道控制器等则通过车道控制器与车道计算机连接

22、。与车道计算机连接。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics qETCETC系统工作流程系统工作流程(1)(1)车辆进入通讯范围，首先压到车辆进入通讯范围，首先压到触发线圈触发线圈，启，启动读写天线；动读写天线；(2)(2)读写天线读写天线与电子标签通讯与电子标签通讯，判别车辆电子标，判别车辆电子标签是否有效，有效则进行交易；无效则报警签是否有效，有效则进行交易；无效则报警并保持车道封闭，直到车辆离开电子线圈；并保持车道封闭，直到车辆离开电子线圈；(3)(3)如如交易成功交易成功，系统控制栏杆抬升，通行信号，系统控制栏杆抬升，通行信号灯变绿，费额显示牌上显示

23、交易信息；灯变绿，费额显示牌上显示交易信息；机电一体化概论An Introduction to Mechatronics (4)(4)车辆通过车辆通过抓拍线圈抓拍线圈时，系统进行图像抓拍；时，系统进行图像抓拍；(5)(5)车辆通过车辆通过落杆线圈落杆线圈后，栏杆自动回落，通行后，栏杆自动回落，通行信号灯变红色；信号灯变红色；(6)(6)系统保存交易记录，并将其上传至收费站服系统保存交易记录，并将其上传至收费站服务器中，等待下一辆车进入。务器中，等待下一辆车进入。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 1.4 机电一体化的发展机电一体化的发展1.4.1 1.

24、4.1 机电一体化的发展历史机电一体化的发展历史1 1初级阶段（初级阶段（19601960年以前）年以前）2 2蓬勃发展阶段（蓬勃发展阶段（1970198019701980年）年）3 3智能化阶段（智能化阶段（19901990年至今）年至今）机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 1.4.2 1.4.2 机电一体化的发展趋势机电一体化的发展趋势 机电一体化是机械、电子、光学、控制、计机电一体化是机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉融合算机、信息等多学科的交叉融合, ,它的发展和进它的发展和进步依赖于也促进了相关技术的发展和进步。因此步依赖于也

25、促进了相关技术的发展和进步。因此, ,机电一体化的主要发展方向为智能化、模块化机电一体化的主要发展方向为智能化、模块化、网络化、人格化、微型化、系统化、绿色化。、网络化、人格化、微型化、系统化、绿色化。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 1.5 本课程的学习方法本课程的学习方法1.5.1 本课程的本课程的目的目的 本课程之前已经学习了很多专业课程：数控本课程之前已经学习了很多专业课程：数控加工技术、数控原理与系统、机床电气与加工技术、数控原理与系统、机床电气与PLCPLC、单、单片机等等。这些课程都是针对某一非常具体的技片机等等。这些课程都是针对某一非

26、常具体的技术，是实际应用的不同方面。术，是实际应用的不同方面。 本课程是以各学科为基础的综合性课程。它本课程是以各学科为基础的综合性课程。它从从系统的角度系统的角度分析研究生产实际中的机电一体化分析研究生产实际中的机电一体化设备及设计方法。从而使大家从系统的层面对机设备及设计方法。从而使大家从系统的层面对机电一体化设备及设计方法有整体而深刻的认识。电一体化设备及设计方法有整体而深刻的认识。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 1.5.2 1.5.2 本课程的任务本课程的任务引领读者引领读者n了解机电一体化系统组成及其基本功了解机电一体化系统组成及其基本功能能n掌握掌握机电一体化系统基本原理、总体布局、各组机电一体化系统基本原理、总体布局、各组成单元及接口、机电一体化产品的设计方法。成单元及接口、机电一体化产品的设计方法。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 1.5.31.5.3课程的内容概