机电一体化概论-第1章课件

1、机电一体化原理第一篇 总论第二篇 机电一体化产品第三篇 机电一体化（制造）系统主要内容：机电一体化技术的概念、发展过程和相关技术 机电一体化技术的应用对象：机电一体化产品 机电一体化(制造)系统重点：应用机电一体化技术的基本原则与思想方法特点：案例教学（Case Study ) 目前，在书店能够买到的机电一体化方面的书籍大致可以分为两类： 机电一体化系统设计：主要介绍设计方法、机械和电子元器件及其选用方法。 机电一体化技术：主要介绍实现机电一体化技术经常应用的电子元器件或计算机类自动控制装置。注意：实际上，机电一体化技术的关键是： 机械技术与电子技术的结合应该怎样实现？ （机械技术与电子技术如

2、何有机地结合）？ There had never been any master plan on how the integration would be done. In the past, it had been done on a case-by-case basis.( Hunt V. Daniel, Mechatronics: Japans newest threat )目的： 建立概念什么是机电一体化； 开阔眼界机电一体化技术是怎样应用的； 掌握思想方法机电一体化技术应该怎样应用。考试方式： 1. 写一篇针对机电一体化产品的案例分析，内容是对某一机电一体化产品组成原理或实现方法的分

3、析。 2. 闭卷考试： 判断题、填空题、分析题第一篇 总 论第一章 机电一体化技术的概念及相关技术第一节 机电一体化的概念 机电一体化是一门跨学科的新兴边缘学科。在二十世纪七十年代，日本人首先提出机电一体化的概念。日本人通过他们所创造的一个英语词汇 Mechatronics 来表达这一概念。 Mechanics （机械学） Electronics （电子学） 从这个组合词的构成来说，表达了“机械电子学”的意义。 需要强调的是，Mechatronics表达的是“ 机械技术与（微）电子技术相结合”的概念，而不是机械与电气（控制）技术的结合。 注意：电气控制包括了强电和弱电（微电子）两种控制。 在二

4、十世纪七十年代，计算机技术从属于电子技术， 实际上Mechatronics包括机械、电子和计算机技术。 由于日本人用日语汉字機電一體化来表示这个组合词，因此在中文中常把这个组合词译为机电一体化（也称为机械电子工程）。注意：从概念来说，机电 机电一体化定义：机电一体化是在机械的主功能、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关软件有机结合而成系统的总称。 机械的主功能是指机械的结构功能、承载功能、传动功能。 “Mechatronics” is a term coined by the Japanese to describe the integration of

5、mechanical and electronic engineering. The concept may seem to be anything but new, since we can all look around us and see a myriad of products that utilize both mechanical and electronic disciplines. 机电一体化技术是一门新兴的综合性技术，它在技术上并没有什么新发明或新发现，而主要地是把机械、电子、计算机等有关技术综合应用。因此，机电一体化是一门跨学科的边缘学科，是在系统论、控制论和信息论基础上

6、建立起来的应用学科。 系统理论（包括系统论、信息论和控制论）是第二次世界大战后崛起的新兴科学技术。其中： 系统论的研究目标是要确立适用于系统的一般原则，找出适用于一切综合系统或子系统的模式、原则和规律。 信息论用来研究存在于通讯系统和控制系统中普遍存在着的信息传递的共同规律，以及如何提高各信息传递系统的有效性和可靠性，并且信息论是控制论的基础。 控制论则主要考察控制和通讯的规律。 关于机电一体化技术可以从以下几个方面去理解： 1机电一体化技术从硬件上是由机械装置、电子装置、计算机等组合而成。 2为获得最佳的技术效果，应从系统的观点出发，把机械部分和电子、计算机部分融合在一起，通盘考虑。 3通过

7、采用电子技术和计算机技术，易于实现对设备或系统的控制和管理。 4信息是实现控制和管理的基础。因此，信息在机电一体化技术应用的过程中具有非常重要的地位。第二节 机电一体化技术的应用对象 目前，机电一体化技术应用较为广泛，应用形式多种多样。归纳起来，机电一体化技术的应用对象主要为机电一体化产品和机电一体化（制造）系统。 一、机电一体化产品 机电一体化产品是指采用机械装置、电子装置或计算机等组合而成的产品，其主要目的是提高产品性能、增加产品的功能、减小产品的外形尺寸。 典型的机电一体化产品有数控机床、机器人、电子化的照相机、电子手表、电子化的洗衣机、变频式空调、微电脑控制的电冰箱、摄像机、录像机、按

8、键式电话机、传真机、复印机、磁盘驱动器、打印机、绘图机等。由以上列举的机电一体化产品可以看出，许多家用电器和办公设备都属于机电一体化产品。 二、机电一体化（制造）系统 机电一体化（制造）系统是由机械设备、电子设备或计算机等组成的制造系统，用来高效、优质、低耗地生产产品。 典型的机电一体化系统主要用于机械制造行业，例如： 计算机辅助设计与辅助制造（CAD/CAM）系统 Computer Aided Design / Computer Aided Manufacturing 柔性制造系统（FMS） Flexible Manufacturing System 计算机集成制造系统（CIMS） Comp

9、uter Integrated Manufacturing System 尽管我们把机电一体化技术的应用划分为机电一体化产品和机电一体化（制造）系统，但用系统论的观点来看，它们都属于完整的独立系统，在思想方法和技术运用方面存在许多共性。第三节 机电一体化技术的相关技术 机电一体化技术是由多种学科综合交叉而形成的新兴技术。在其应用过程中，涉及到多种技术。 一、机械技术 机械技术是机电一体化技术发展的基础。 在机电一体化产品中，机械技术在产品的结构、强度、刚度、运动、传动、重量和体积等方面影响极大。因此，机械技术必须适应机电一体化产品的特点，并利用其它高、新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能

10、上的变更，满足机电一体化产品在减少重量、缩小体积、提高精度、改善性能等方面的要求。 在制造技术方面，传统的机械制造理论与工艺技术借助于计算机辅助技术，形成了新一代的机械制造系统，在提高生产效率、缩短加工周期、降低产品成本、提高产品精度和改善产品性能等方面取得了明显的效果，并把这一新的制造系统和思想推广到其它制造行业。 二、检测技术 在机电一体化技术中，检测技术的作用相当于人的感受器官。 检测技术通过传感器将被测量（各种物理量、化学量和生物量等）变换成与被测量有确定对应关系的有用电信号，输送到系统的信息处理部分，为系统的自动调节和自动控制提供依据。被检测的物理量：力、位移、加速度、温度等；被检测

11、的化学量：气体的化学成分、液体中的某种成分的含量等；被检测的生物量：酶、抗菌素等。 因此，检测技术的水平决定了机电一体化产品和机电一体化（制造）系统的自动化程度。 三、电子技术 电子技术在机电一体化技术的发展过程中发挥了重要作用。早期的机电一体化技术就是由机械技术与电子技术结合而成。 目前，在机电一体化技术中，电子技术通常以集成电路或模块电路的形式加以应用，其主要作用是： （2）对测得的信号作信号调理，对信号进行放大、转换、滤波等。 （1）对计算机处理的数字量与被检测或被控制的模拟量进行匹配，实现A/D和D/A转换。 信号放大： mV V 作用：1） 提高信号抗干扰能力； 2）满足计算机或仪表

12、采集数据的精度要求。 以05V输入信号电压为例，对于12位A/D，最小有效位的 1 代表 1.22 mV；硬件滤波： 低通滤波、高通滤波、带通滤波、带阻滤波 滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种筛选作用，可以滤除干扰信号。 （1）低通滤波 从 0f2 频率之间为通频带，可以使信号中低于 f2 的频率成分通过，而高于 f2 的频率极大地衰减。 （2）高通滤波 从 f1 频率之间为通频带，可以使信号中高于 f1 的频率成分通过，而低于f1 的频率极大地衰减。 （3）带通滤波 从 f1f2 频率之间为通频带，可以使信号中高于

13、f1 并低于 f2 的频率成分通过，而其它频率极大地衰减。 （4）带阻滤波 从 f1f2 频率之间为阻频带，可以使信号中高于 f1 并低于 f2 的频率成分极大地衰减，而其它频率通过。信号转换： 1）mV mA（420 mA） 作用：提高信号抗干扰能力，信号可以长距离传输。 2）mA V 作用：适应计算机采集数据的需要。 举例： 420 mA 转换为 15 V 3） f V 作用：易于测量和A/D转换。 4）阻抗转换 作用：用于测试系统中两个相连接环节的阻抗匹配。 为了减小信号传输过程中的误差，一般要求前一环节的输出阻抗要小，后一环节的输入阻抗要大。 前一环节的输出阻抗大，输出信号能量小。后一

14、环节的输入阻抗小，负载效应明显，测量误差大。 （3）根据被控制的元器件和设备的输入信号要求，对控制信号进行电平转换和功率放大（例如计算机板卡输出的TTL电平信号）。 （4）对控制装置与被控制设备之间进行必要的电气隔离，防止干扰信号串入，并避免被控制设备的高电平信号串入造成控制装置损坏。 1)开关量的隔离 通常用光电式隔离、晶体管式隔离。 2)模拟量的隔离 通常用光电式隔离、晶体管式隔离、变压器式隔离。 模拟量的隔离还有一个更重要的作用：抗共模干扰。信号1信号2A/D转换公共地信号1信号2A/D转换公共地隔离隔离（有源） 四、计算机及信息处理技术 计算机技术包括计算机硬件技术、软件技术、网络和通

15、讯技术、数据库技术等。 信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策。 在客观上，计算机是实现信息处理的最好工具。因此，计算机技术与信息处理技术密切相关。 在机电一体化技术中，信息处理是否正确、及时，直接影响到系统的工作质量和效率。计算机与信息处理技术已成为促进机电一体化技术发展和变革的最活跃的因素。 在机电一体化技术中常用的计算机类型的设备主要是：工业控制微机（工控机）、PLC（可编程控制器）、单片机。 工控机的特点 1. 耐恶劣工作环境 能够在高温、高湿度、多粉尘、振动、电压波动、电磁干扰等恶劣的工作条件下工作。 2. 能够长期稳定工作 一般的工控机可以连续工作几年。 3. 系统软件

16、与普通台式计算机相同 工控机的系统软件可以采用Windows系列的系统软件。 4. 编程用组态软件 常用的组态软件有Intouch、Fix、WinCC,、组态王、力控等。采用组态软件编制控制软件编程简单、界面美观、运行可靠。 5. 硬件配置落后于台式计算机，价格远高于台式计算机 6. 信号采集和控制一般通过板卡实现 7. 多用于控制系统的上位机 PLC的特点 1. 耐恶劣工作环境，能够长期稳定工作 2. 在控制系统中直接对设备进行控制 3. 信号（模拟量和开关量）输入和控制信号的输出用模块实现 4. 开关量输出模块可以取代继电器 单片机的特点 1. 体积小，便于做成嵌入式结构 2. 可以进行信

17、号的采集和数据处理，也能够实现控制功能 3. 在家用电器上被广泛应用 五、自动控制技术 在机电一体化产品和制造系统中，使用了多种自动控制技术，例如高精度位置控制、速度控制、自适应控制、自诊断、模糊控制、智能控制等控制技术。 由于采用了这些自动控制技术，使得机电一体化产品或制造系统的功能大大增强，性能和产品精度显著提高，制造系统的作业率和生产效率提高。因此，自动控制技术是机电一体化技术的一项重要相关技术。 六、接口技术 接口的作用是将机电一体化系统的各个组成部分进行连接，即接口技术是各组成部件之间的连接技术。 接口可分为机械接口、电气接口和人机接口。 机械接口可以实现机械部件与机械部件之间、机械

18、部件与电气装置之间的连接（如联轴器、法兰盘、轴承等）。 电气接口可实现系统内、外电信号的连接（如继电器、计算机接口等）。 人机接口提供了人与系统间的交互界面（如控制开关、键盘、鼠标等）。 七、伺服（Servo随动)传动技术 伺服传动技术是以快速响应的方式执行操作的技术。 伺服传动包括电动、气动、液压等类型的驱动装置，带动工作机构作回转、直线以及其它复杂运动。 伺服驱动装置是实现电信号到机械动作的转换装置，对系统的动态性能、控制质量和功能具有决定性的影响。 常见的伺服驱动装置有直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机、电液马达、脉冲油缸。 对于做直线运动的伺服装置（例如伺服液压缸），要求其运动部件的质量要较小，驱动力较大，能够实现快速启动和制动。 对于做回转运动的伺服装置（例如直流伺服电机、交流伺服电机），要求电机转子的转动惯量要较小，驱动力矩较大，能够具有快速启动和制动的能力。 直流伺服电机的控制技术比较简单，但是电机转子的转动惯量较大，维护工作量也较大。 与直流伺服电机相比，交流伺服电机的控制技术比较复杂，实现较为困难，但是其转子的转动惯量可以更小，