机电一体化讲义1

第一章机电(jīdiàn)一体化技术概论吉林大学(jílíndàxué)机械电子工程学科赵丁选精品资料一、引言(yǐnyán)新技术革命：以信息技术为中心，提高工作效率为目标。信息技术三大支柱，即：测量与控制技术、计算机技术、通信技术。在这种新技术革命的影响和冲击下，使机电(jīdiàn)工业发生了极大变化。定义：机械技术与微电子技术、信息技术相结合，通称"机电(jīdiàn)一体化"。精品资料例：机床，纯机械时，其加工精度、加工能力较低，数控机床后，使其功能增强、性能提高(tígāo)，而且成为可以代替人工操作的自动化机床。微电子技术与信息技术的引入，将使机械工业焕发青春机械向机电一体化方向发展，不但是机械本身的需要，而且是现代化生产装备向大型化、高效化方向发展的客观需要。机电一体化技术是保证科学操作和科学管理的有效工具。精品资料 二、发展史六十年代，日本通产省为扩大机械功能，在机械上采用电气和电子技术，曾结合数控机床做过不少实验，但末能获得成功。七十年代，微电子技术成熟，微机商品化，大规模集成电路问世，构成微机的基本单元CPU、ROM、RAM和接口电路已经模块化，自己"制造"计算机成为(chéngwéi)可能。机电一体化得以现实。71年，日刊工业新闻社发行《机电一体化入门》和《机电一体化》月刊，专门刊载机电一体化的新产品。精品资料76年，机电一体化正式名字"メカトロニケス"(英文名字是Mechatronics，是由Mechanism的前半部和Electronics后半部缩合而成)，我国现译为"机电一体化"。71到78年日本政府颁发(bānfā)"机电法"和"机信法"，对机电一体化的发展起到积极推动作用，这个时期称之为萌芽时期。八十年代，在"机信法"指导下，机电一体化的产品如雨后春笋不断涌现，这个时期可称之为成长时期。九十年代，集成度提高，价格下降，机电一体化技术在世界范围内得到迅猛发展，机电一体化技术遍及社会各个领域。全盛时期开始。精品资料三、现状(xiànzhuàng)我国，目前"机电一体化"技术还相当落后，机械系统有５万个品种，约有２万个品种需要实现程度不同的机电一体化。但是从目前生产的机电产品来看，实现机电一体化的还比较少。例如：国内数控机床在机床中总拥有量较少，国外数控机床已占机床总拥有量的30~80％；国内柔性制造系统、工业(gōngyè)机器人等还处于研制阶段。3.1国内情况精品资料国外大型电站大都已实现计算机控制，汽车工业已大量应用微机点火控制、安全报警、制动控制等，在这些方面我国还有较大差距，甚至近于空白。其它如家用电器、电子医疗机械、电气传动调速系统、低压电器、印刷机械、照相机械等，国外已普遍实现了机电一体化，我国大多(dàduō)还处于起步阶段。国此在我国机电产品中实现机电一体化，大力推广机电一体化技术，是我国四化建设中的一个重要课题，是振兴我国机电工业的一项战略决策。精品资料3.2产品(chǎnpǐn)范围在新技术革命的浪潮中，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"。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。从我国将要发展的机械工业产品来分析(fēnxī)主要由以下产品需要实现程度不同的机电一体化。具体地说，包括:精品资料1._大型成套设备2._数控机床3._仪器仪表电子化4._自动化管理系统5._电子化量具量仪6._工业机器人7._电子化家用电器8._电子化电机传动与调整系统9._电子化电站自动装置与开关(kāiguān)板10._电子医疗器械11._电子化低压电器12._微电脑控制加热炉精品资料13._电子控制(kòngzhì)汽车或内燃机14._微电脑控制(kòngzhì)印刷机械15._微电脑控制(kòngzhì)食品机械或包装机械16._微电脑控制(kòngzhì)办公机械17._电子式照相机18._电子控制(kòngzhì)农业机械19._电子控制(kòngzhì)塑料加工机械20._电子控制(kòngzhì)电焊机21._计算机辅助设计系统(CAD)22._计算机辅助制造系统(CAM)23._计算机集成制造系统(CIM)精品资料四、几个(jǐɡè)技术问题机械与电子的溶合方式(fāngshì)机械电子的技术构成机电一体化的效果精品资料1、机械(jīxiè)与电子的溶合方式在机械(jīxiè)本体上采用电子控制设备实现高性能和多功能。如数控机床用电子技术部分地代替原来由机械(jīxiè)组成的控制部分，机械(jīxiè)技术与电子技术最佳结合。如电子照相机以电子技术几乎全部代替机械(jīxiè)式的信息处理机构，例如：电子表、按扭式电话机。机械(jīxiè)部分比较简单，以电子部分开发为主的电子与机械(jīxiè)共存的产品，使机械(jīxiè)结构大为简化。如复印机械(jīxiè)等。精品资料2、机械电子(diànzǐ)的技术构成机电一体化系统的构成可以由右图形象地表示出来。广义构成：硬件与软件硬件：机械(jīxiè)本体、传感器、信息处理单元和驱动单元传感器执行机构动力人机交互设备计算机精品资料A、机械(jīxiè)本体为了发挥机电一体化的特长，机械本体必须改善(gǎishàn)性能、减轻重量和提高精度。(1)减轻重量(2)提高刚性(3)实现组件化、标准化和系列化(4)提高系统整体的可靠性精品资料B、传感器分类：检测自身内部信息传感器、检测对象的外部信息传感器。模拟系统、数字系统（包括混合系统）等。组成：由检测、转换、指示、信息处理、记录(jìlù)等部分组成。传感信息方式有：光、电、流体、机械等。评价指标有：功能、范围、灵敏度、分辨率、耐环境性、抗干扰性、可靠性等。精品资料传感器的问题：集中在提高可靠性，灵敏度和精确性方面。提高可靠性与抗干扰有直接关系。 ① 为了避免干扰，目前有采用光纤电缆传感的趋势。 ② 对外部信息传感器来说，目前发展非接触型检测技术。传感器向高级方向发展，主要实现功能元件化和智能化。 ① 所谓(suǒwèi)功能元件化，就是用一片集成电路功能元件，实现传感与信息处理一体化。 ② 智能化就是发展具有自修功能的传感器。精品资料C、信息处理技术(jìshù)信息处理设备：包括计算机主机或可编程控制器及其配套(pèitào)输入输出设备、显示器和外部存储器。存在问题：重量、处理速度、可靠性、抗干扰及标准化。精品资料D、驱动(qūdònɡ)技术动力源：液压、气动、电动三种前两种驱动系统比较复杂。包括：泵、阀、油缸（气缸）、过滤器、管路等。目前存在(cúnzài)着功能、可靠性、标准化以及减轻重量、减小体积等问题。电动机作为驱动机构已被广泛采用，但目前在快速响应和效率等方面还存在(cúnzài)一些问题，不能满足要求。今后有待于研制内装编码器的电动机以及控制专用组件、传感器、电动机三为一体的伺服驱动单元。精品资料E、接口技术定义：将机电一体化产品各组成部分连接起来的元件就是接口。接口标准化：不仅给信息传送和维修上带来方便，而且可以简化设计。今后方向：研制成本低、高速串行接口，解决信号电缆非接触化，光导纤维以及光耦合器的大容量化、小型化、标准化等问题，积极引进(yǐnjìn)光信号传输技术。精品资料F、软件(ruǎnjiàn)与综合技术软件与硬件如同一辆车子(chēzi)的两个轮子，必须协调一致地发展，如果失去平衡车子(chēzi)就无法前进。软件标准化：减少研制成本，提高维修效率。包括：子程序标准化、程序模块化、软件程序的固化等。应予以关注的的问题：数据库的建立，作业描述语言的开发，语言理解、文字理解软件等。精品资料机电一体化产品是一个系统，存在着许多(xǔduō)综合技术问题。例如：由机械传动零件间隙造成的精度问题；机械零部件与电子元件相比响应速度慢的问题；连接电缆与接线柱的可靠性问题；零件标准化、互换性、兼容性以及检测自动化等问题。精品资料3、机电(jīdiàn)一体化的效果机电一体化的效果：功能增多，体积减少，重量减轻，可靠性提高，性能(xìngnéng)价格比大大改善。精品资料A、性能(xìngnéng)提高、功能增强①例如，过去精密机床采用的是机械校正，只能校正机床的系统误差，现在数控机床，可克服(kèfú)随机误差和系统误差，从而可以达到前所未有的高精度。②调整切削阻尼，减少颤振，保证很高的生产率与很高的加工表面光洁度。③粗加工与精加工工序集成，深刻地改变了传统机床的结构布局，冲破了传统的机床按类别的划分。精品资料B、结构(jiégòu)简化因采用微处理机、集成电路、新型传动技术，代替电气控制柜和传动装置，使产品体积小，零部件数量减小，结构简化。例如：传统的电机控制靠用户，而实现机电一体化后出现了无换向器电机，提高了电机寿命，缩小了体积。“电脑”电动机用单片机控制电机的功率因素，根据负荷情况调节施加(shījiā)的电压，从而解决了不少电气传动中的“大马拉小车”问题，在空载提高效率30~40％，满载提高10％。精品资料3.矢量控制异步电动机，采用微型计算机对交流异步电动机实现矢量控制，使异步电机既具有直流电机一样的调节特性，而且还具有结构简单、可靠、电机容量不受限制、机械惯性小、体积小、效率(xiàolǜ)高等优点。精品资料C、可靠性提高(tígāo)性在电子元件质量(zhìliàng)可靠性高的前提下，机电一体化可以改善耐久性，减少故障。机电一体化产品具有自动监视诊断、安全联锁控制、过负荷及失控保护、停电对策等，提高了安全可靠性

精品资料D、节约能源机电一体化的产品(chǎnpǐn)，可以节约材料、节约能源。例如：我国目前各类电风扇的调整器为电磁机械式，如果用电子式调整器每年全国可节约电600万度；汽油机电子点火；液压挖掘机电子节能。精品资料E、改善(gǎishàn)操作机电一体化产品采用计算机控制，具有数字显示，减少了操作按扭及手柄，具有程序控制等功能，因而可以改善设备(shèbèi)操作性能，减少训练操作人员时间。精品资料F、提高(tígāo)灵活性（柔性）机电一体化产品具有更大的灵活性，可以(kěyǐ)适应用户多样化的要求，是当代新技术革命的一大趋向。例如，柔性制造系统，和工业机器人对于多品种小批量生产特别能发挥它的优越性。精品资料五、先进械电系统