机电一体化课程

机电一体化课程第1页/共65页本课程的考核闭卷平时（点名+作业）20%+期末考试80%；参考教材：1.机电一体化系统设计姜培刚，盖玉先，机工出版社2.机电一体化技术基础及应用黄筱调，机工出版社3.机电一体化机械系统设计赵松年，机工出版社4.机电一体化设计基础郑堤，唐可宏，机工出版社第2页/共65页

先修课程机械原理、机械设计电工学机械工程控制基础、机械工程测试技术PLC、微机原理与接口、单片机原理与接口电机拖动控制、机电传动控制数控技术、计算机控制技术

本课程在先修课程的基础上，从系统工程观点出发，综合运用各种专业知识，研究机电一体化产品的各组成要素之间的关系，实现系统要求的功能。第3页/共65页涉及的技术面广：涉及机械技术、微电子技术、信息处理技术、自动控制技术、检测技术、电力电子技术,接口技术及系统集成技术等群体技术。机电结合，综合应用：部分内容与其它课程有交叉应用广泛，实用性强：广泛应用于机械、家电、办公等领域。机电一体化系统设计特点如下：第4页/共65页第5页/共65页9轴5联动车铣复合加工中心第6页/共65页第7页/共65页第8页/共65页第9页/共65页（1)打印头驱动机构该机构利用步进电机及齿轮减速装置，由同步齿形带来带动打印头横向运动；(2)打印头打印头即印字机构，它是成字部件，由若干根打印针和相应数量的电磁铁组成，其中电磁铁可驱动打印针完成击打动作；第10页/共65页第11页/共65页机电液一体化、光机电一体化电液伺服第12页/共65页生机电一体化示教机械手第13页/共65页

内容简介

第一章绪论第二章机电一体化机械系统设计

第三章传感器检测与接口电路第四章控制电机及其选择第五章工业控制计算机与接口技术第六章机电一体化系统设计及应用举例第14页/共65页

第一章绪论

第一节机电一体化的定义第二节机电一体化系统的基本功能要素第三节机电一体化的相关技术第四节现代机械的机电一体化方法第五节本课程的目的和要求第15页/共65页第一章绪论第16页/共65页第一节机电一体化的定义

“机电一体化”一词的英文名词是“Mechatronics”,Mechatronics=Mechanics（机械学）+Electronics（电子学）在我国通常称为机电一体化或机械电子学。

机电一体化技术机械技术（机械学、机构学）微电子技术（半导体、IC、LSI）机电一体化一词最早起源于日本从字面上表示为机械学和电子学两个学科的综合。机电一体化并不是机械技术和电子技术的简单叠加，而是有着自身体系的新型学科。第17页/共65页定义：机电一体化技术是从系统工程观点出发，应用机械、电子、信息等有关技术，对它们进行有机的组织和综合，实现系统整体的最佳化。它不是机械与电子的简单的叠加，而是在信息论（利用传感技术）、控制论（利用控制理论）和系统论（“系统”整体筹划、融合，机械和电子只是“环节”）的基础上建立起来的应用技术。机电一体化定义第18页/共65页机电一体化定义机电一体化是机械技术、微电子技术、信息技术以及其它新技术的有机的结合或融合。机电一体化的主要目的主要目的：给传统机械加上大脑和神经，增加机械系统或装置的精度、自动化程度等附加值。与传统机械工业相比，机电一体化机械产品的加工精度、效率、稳定性、自动化程度都得到了很大提高。现在对机械电子系统的看法是：除了“块与块”之间的动力（肌肉）联系之外，还有信息（神经）之间的相互联系，并由具有数值运算和逻辑推理能力的计算机来对机械电子系统的所有信息进行智能处理。第19页/共65页

机电一体化技术在制造业的应用从一般的数控机床、加工中心和机械手发展到智能机器人、柔性制造系统（FMS）、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系统（CIMS）。第20页/共65页

第二节基本功能要素

机电一体化系统的形式多种多样，其功能也各不相同。一个典型的机电一体化系统，应包括以下几个基本的功能要素：机械本体、动力单元、传感检测单元、执行单元、驱动单元、控制及信息处理单元

各要素和环节之间通过接口相联系，这些基本要素的关系及功能如图1-1所示。

第21页/共65页工作指令机械本体控制单元驱动单元动力单元传感单元执行单元外界信息如干扰所需的机械运动图1-1机电一体化系统的组成及工作原理目标当前状态第22页/共65页第23页/共65页机电一体化系统要素功能人体要素控制器（计算机）控制（信息存储、处理、传送）头脑网络信息传递神经检测、传感器计测（信息收集与变换）感官执行元件驱动（操作）肌肉手足动力源提供动力（能量）消化机械本体（机构）构造骨骼第24页/共65页

一、机械本体

机械本体包括机械传动装置和机械结构装置。其主要功能是使构造系统的各子系统、零部件按照一定的空间和时间关系安置（装配连接）在一定位置上，并保持特定的关系。由于机电一体化产品技术性能、水平和功能的提高，机械本体需在机械结构、材料、加工工艺性以及几何尺寸等方面适应产品高效、多功能、可靠和节能、小型、轻量、美观等要求。第25页/共65页

二、动力单元动力单元的功能是按照机电一体化系统的控制要求，为系统提供能量和动力以保证系统正常运行。机电一体化系统的显著特征之一，是用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出。动力源主要有电动、液压、气动。第26页/共65页

三、执行单元执行单元的功能是根据控制信息和指令在驱动单元的驱动下完成所要求的动作。执行单元是运动部件，它将输入的各种形式的能量转换为机械能，一般采用机械、电液、电磁等机构。根据机电一体化系统的匹配性要求，需要考虑改善执行机构的工作性能，提高系统整体可靠性等。第27页/共65页

四、驱动单元

驱动单元的功能是在控制信息作用下，在动力单元的支持下，驱动各种执行机构（执行单元）完成各种动作和功能。机电一体化系统一方面要求驱动的高效率和快速响应特性，同时要求对水、油、温度、尘埃等外部环境的适应性和可靠性。由于几何尺寸上的限制，动作范围狭窄，还需考虑维修方便和实行标准化。由于电力电子技术的高度发展，高性能的步进电机、直流和交流伺服电机大量用于机电一体化产品，相应的驱动器也不断的发展。第28页/共65页H型直流电机PWM驱动器动力源控制端控制端接直流电机输入为：控制+动力第29页/共65页

五、传感检测单元传感检测单元的功能是对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，并转换成可识别信号，传输到信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。其功能通常由专门的传感器和仪器仪表完成。

传感检测单元的精度和稳定性直接影响机电一体化系统的精度和稳定性。第30页/共65页

传感检测单元的精度和稳定性直接影响机电一体化系统的精度和稳定性。第31页/共65页

六、控制与信息处理单元控制与信息处理单元是机电一体化系统的核心单元。其功能是将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、存储、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序发出相应的控制信号，通过输出接口送往驱动单元和执行机构，控制整个系统有目的地运行。控制与信息处理单元一般由计算机、可编程控制器、数控装置以及逻辑电路、A/D与D/A转换器、I/O接口、各种控制算法等组成。第32页/共65页动力单元、控制单元、驱动单元、执行单元、传感检测单元间关系第33页/共65页

七、接口定义：将机电一体化产品各组成部分连接起来的元件就是接口。接口的作用是将各要素或子系统连接成为一个有机整体，使各个功能环节有目的地协调一致运动或工作，从而形成机电一体化的系统工程。各要素或各子系统相接处必须具备一定的连接部件，即接口。信息通信协议：RS232、USB2.0、TCP/IP接口的功能：连接-变换！运动变换、能量变换、信息变换第34页/共65页其基本功能主要有三个：

一是交换，需要进行信息交换和传输的环节之间，因信号的模式不同，无法直接实现信息或能量的交流，通过接口完成；

二是放大，在两个信号强度相差悬殊的环节间，经接口放大，达到能量匹配。

三是传递，运动传递:是指运动各组成环节之间的不同类型运动的变换与传输,如位移变换、速度变换、加速度变换及直线运动和旋转运动变换等。第35页/共65页接口技术的作用：

为实现机械、电子、信息等各异技术在机电一体化系统中的物质、能源、信息的传递与转换，达到系统所需的目的功能。实际上，机电一体化设计是一个系统集成设计，需要解决的根本问题就是接口技术问题。第36页/共65页机电一体化技术的发展前景或趋势：

①性能上：向高精度、高效率、高性能、智能化方向发展；

②功能上：向小型化、轻型化、多功能方向发展；

③层次上：向系统化、复合集成化的方向发展。第37页/共65页

第三节机电一体化的相关技术

机电一体化是多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。其主要的相关技术可以归纳为六个方面：

机械技术、传感检测技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术和系统总体技术。第38页/共65页

一、机械技术

机械技术是机电一体化的基础。机电一体化的机械产品与传统的机械产品的区别在于：结构更简单、功能更强、性能更优越。现代机械要求具有更新颖的结构、更小的体积、更轻的重量，还要求精度更高、刚度更大、动态性能更好。机械技术的出发点：如何与机电一体化技术相适应，利用其它高、新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上以及功能上的变更。第39页/共65页

二、传感检测技术

传感与检测装置是系统的感受器官,它与信息系统的输入端相连并将检测到的信息输送到信息处理部分。传感与检测是实现自动控制、自动调节的关键环节,它的功能越强,系统的自动化程度就越高。传感与检测的关键元件是传感器。传感检测技术的研究内容，一是研究如何将各种被测量转换为与之成比例的电量；二是研究如何对转换的电信号的加工处理。机电一体化系统要求传感检测装置能快速、准确地获取信息。因此大力开展对传感检测技术的研究对于机电一体化技术的发展具有十分重要的意义。第40页/共65页三、信息处理技术

信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策，因此信息处理技术与计算机技术密切相关。计算机技术包括计算机的软、硬件技术、网络通讯和数据技术。机电一体化系统中主要采用工控机、单片机、PLC进行信息处理。计算机应用及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重要因素，信息处理的发展方向是提高信息处理的速度、可靠性和智能化程度。第41页/共65页四、自动控制技术自动控制技术就是在此理论的指导下对具体控制装置或控制系统进行设计；之后进行系统仿真，现场调试；最后使研制的系统可靠地投入运行。机电一体化系统中的自动控制技术主要包括位置控制、速度控制、最优控制、自适应控制以及模糊控制、神经网络控制等。自动控制技术的目的在于实现机电一体化系统的目标最佳化。自动控制所依据的理论是自动控制原理，

第42页/共65页五、伺服驱动技术

“伺服”(Serve)即“伺候服侍”的意思。伺服驱动技术就是在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使执行部件部件严格按照指令要求运动，并具有良好的动态性能。伺服驱动包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，这些传动装置通过接口与计算机相连。常见的主要有电气伺服（交流伺服）和液压伺服两类。第43页/共65页六、系统总体技术

系统总体技术是以整体的概念组织应用各种相关技术的应用技术。即从全局的角度和系统的目标出发，将系统分解为若干各子系统，从实现整个系统技术协调的观点来考虑每个子系统的技术方案。

机电一体化系统是一个技术综合体，它利用系统总体技术将各有关技术协调配合、综合运用而达到整体系统的最佳化。第44页/共65页1.机电一体化技术与传统机电技术的区别传统机电技术的操作控制主要通过具有电磁特性的各种电器来实现,如继电器、接触器等,在设计中不考虑或很少考虑彼此间的内在联系；机械本体和电气驱动界限分明,整个装置是刚性（物理）的,不涉及软件和计算机控制。机电一体化技术以计算机为控制中心,在设计过程中强调机械部件和电器部件间的相互作用和影响,整个装置在计算机控制下具有一定的智能性。早期的机电一体化产品主要强调的是物理上和动力上的联结，当前机电产品越来越强调基于传感器信息的驱动和控制，这样可以实现更加精准的动作。

机电一体化技术与其他技术的区别第45页/共65页2.机电一体化技术与自动控制技术的区别 自动控制技术的侧重点是讨论控制原理、控制规律、分析方法和自动系统的构造等。机电一体化技术将自动控制原理及方法作为重要支撑技术,将自控部件作为重要控制部件应用自控原理和方法,对机电一体化装置进行系统分析和性能测算

第46页/共65页3.机电一体化技术与计算机应用技术的区别

机电一体化技术只是将计算机作为核心部件应用,目的是提高和改善机械系统性能。计算机在机电一体化系统中的应用仅仅是计算机应用技术中的一部分,它还可以在办公、管理及图像处理等方面得到广泛应用。机电一体化技术研究的是机电一体化系统,而不是计算机应用本身。第47页/共65页

第四节现代机械的机电一体化方法

一、机电一体化产品和系统的分类机电一体化产品和系统种类繁多。按产品和系统的用途分类，有产业机械，信息机械，民生机械等；按机械和电子的功能和含量分类，有以机械装置为主体的机械电子产品和以电子装置为主体的电子产品；按机电结合的程度分类，有功能附加型、功能替代型和机电融合型。机电一体化产品和系统的分类如图1-2所示。

第48页/共65页图1-2机电一体化产品和系统分类第49页/共65页机电一体化产品的归类第50页/共65页现在机械的机电一体化目标是综合利用机、电、信息、控制等各种相关技术的优势，扬长避短，以达到系统优化效果，取得显著的社会效益和技术经济消息。二、机电一体化目标第51页/共65页现在机械机电一体化目标提高精度增强功能提高效率节约能源提高安全性改善操作性、实用性增加柔性降低价格第52页/共65页三、机电一体化技术方向1.机械的电子化（1）在原有机械系统的基础上采用微型计算机控制装置，使系统的性能提高，功能增强。例如，模糊控制洗衣机能根据衣物的洁净度自动控制洗涤过程，从而实现节水、节电、节时、节洗衣粉的功能；第53页/共65页1.机械的电子化（2）用电子装置局部替代机械传动装置和机械控制装置，简化结构，增强控制灵活性。例如，数控机床的进给系统采用伺服系统，简化了传动链，提高了进给系统的动态性能；将传统直流电机的电刷用电子装置替代形成的无刷电机，具有性能可靠、结构简单、尺寸减小等优点。第54页/共65页1.机械的电子化（3）用电子装置完全替代原来执行信息处理功能的机构，既减化了结构，又极大地丰富了信息传输的内容，提高了速度。例如，石英电子钟表、电子秤、按键式电话等。第55页/共65页1.机械的电子化

（4）用电子装置替代机械的主功能，形成特殊的加工能力。例如，电火花加工机床、线切割加工机床、激光加工机床等。第56页/共65页2.机电技术完全融合形成新型机电一体化产品

生产机械中的激光快速成形机；信息机械中的传真机、打印机、复印机；检测机械中的CT（计算机断层扫描诊断装置）扫描诊断仪、扫描隧道显微镜等。三、机电一体化技术方向第57页/共65页机电一体化系统（产品）设计方案的常用方法

1.取代法 取代法就是用电气控制取代原系统中的机械控制机构。该方法是改造旧产品、开发新产品或对原系统进行技术改造常用的方法,也是改造传统机械产品的常用方法。

如用电气调速系统取代机械式变速机构等第58页/共65页数控钻床立式钻床第59页/共65页2.