机电一体化技术概论

第1章引论

1.1概述1.2机电一体化系统的设计1.3机电一体化的发展趋势

1.1概述

1.1.1引言 机电一体化技术综合应用了机械技术、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,接口技术及系统总体技术等群体技术,从系统的观点出发,根据系统功能目标和优化组织结构目标,以智能、动力、结构、运动和感知等组成要素为基础,对各组成要素及相互之间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究,使得整个系统有机结合与综合集成,并在系统程序和微电子电路的有序信息流控制下,形成物质和能量的有规则运动,在高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值的系统工程技术。 “机电一体化”一词的英文名词是“Mechatronics”,它是取Mechanics（机械学）的前半部分和Electronics（电子学）的后半部分拼合而成的。 现代高新技术（如微电子技术、生物技术、新材料技术、新能源技术、空间技术、海洋开发技术、光纤通信技术及现代医学等）的发展需要具有智能化、自动化和柔性化的机械设备,机电一体化正是在这种巨大的需求推动下产生的新兴技术。微电子技术、微计算机使信息与智能和机械装置与动力设备有机结合,使得产品结构和生产系统发生了质的飞跃。

由于机电一体化技术对现代工业和技术的发展具有巨大的推动力,因此世界各国均将其作为工业技术发展的重要战略之一。

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）。 机电一体化技术是其他高新技术发展的基础,机电一体化的发展依赖于其他相关技术的发展。

1.1.2机电一体化系统的基本组成要素 一个典型的机电一体化系统应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。我们将这些部分归纳为：结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、智能组成要素；这些组成要素内部及其之间,形成通过接口耦合来实现运动传递、信息控制、能量转换等有机融合的一个完整系统。 机电一体化系统的组成要素及功能如图1-1所示。

图1-1机电一体化系统的组成要素及功能(a）

机电一体化系统的组成要素;(b）

机电一体化系统的功能

3.传感测试部分 传感测试部分的功能是对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测,生成相应的可识别信号,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。这一功能一般由专门的传感器及转换电路完成。

4.执行机构

执行机构的功能是根据控制信息和指令,完成要求的动作。执行机构是运动部件,一般采用机械、电磁、电液等机构。

5.控制及信息单元 控制及信息单元的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、储存、分析、加工,根据信息处理结果,按照一定的程序和节奏发出相应的指令,控制整个系统有目的地运行。

6.接口耦合与能量转换 （1）变换。两个需要进行信息交换和传输的环节之间,由于信息的模式不同（数字量与模拟量、串行码与并行码、连续脉冲与序列脉冲等等）,无法直接实现信息或能量的交流,需要通过接口完成信息或能量的统一。

7.信息爬控制在系无统中,作为赴智能施组成祥要素倒的系沙统控时制单临元,在软狼、硬以件的泛保证嘴下,完成虽数据语采集凉、分析尘、判很断、益决策瞎功能,以达亮到信抹息控框制的岭目的适。8.运动晴传递运动犬传递吼是指升运动晌各组报成环止节之摩间的固不同萄类型念运动跳的变喜换与后传输,如位防移变筋换、懒速度绳变换稍、加浮速度离变换陡及直包线运戒动和污旋转么运动彻变换口等。逐运动已传递洁还包贸括以显运动众控制祥为目枪的的宰运动哈优化设洲计,目的役是提尼高系糠统的由伺服贴性能传。3.自动灾控制鹅技术自动永控制诞技术基范围母很广,机电轰一体春化的乏系统克设计窃在基水本控狮制理葱论指踩导下,对具遗体控宏制装呈置或浅控制赛系统孕进行泊设计亭；豪对设嗓计后暗的系涂统进钱行仿僵真和束现场叨调试喇；广最后侧使研各制的亡系统晃可靠哲地投入蜓运行睛。4.传感蚁与检障测技倚术传感碗与检狼测装餐置是蒙系统鲜的感考受器轻官,它与怀信息阴系统级的输笋入端思相连迁并将程检测书到的鸦信息塌输送骂到信属息处膏理部谜分。踏传感且与检莫测是陆实现候自动懒控制想、自悟动调国节的鼻关键圈环节,它的否功能丹越强,系统自的自凯动化伤程度场就越柔高。拖传感主与检状测的耳关键冬元件常是传所感器刷。5.伺服昂传动尖技术伺服堡传动唱包括偏电动猪、气棕动、火液压抚等各蚊种类眨型的多驱动蜘装置,由微逐型计扑算机当通过攻接口钱与这爹些传昌动装谈置相慢连接,控制服它们慈的运躺动,带动巷工作蜘机械身作回博转、今直线愧以及维其他用各种训复杂柳的运动。6.系统寻总体仅技术剂系统掘总体遭技术脾是一绞种从级整体每目标饱出发,用系挑统的爸观点恰和全淘局角功度,将总恩体分傅解成泛相互丘有机镜联系婶的若页干单研元,找出怀能完浮成各龄个功笼能的册技术做方案,再把迟功能膝和技丛术方伟案组或成方狱案组金进行编分析锣、评调价和吉优选足的综盼合应思用技翅术。抚系统谜总体帐技术舞解决垃的是餐系统种的性脚能优谷化问暗题和怨组成炭要素咽之间亚的有繁机联灵系问鸦题,即使膀各个袭组成渗要素局的性竭能和虎可靠预性很袭好,但如注果整伙个系宽统不慕能很粪好协依调,系统忽也很挽难正子常运硬行。舌1.露2机电炎一体毁化系哑统的测设计密1.忆2.邪1机电错一体肃化系暮统的桂分类艘从控苦制的午角度迎来讲,机电喂一体靠化系慌统可谱分为凶开环已控制贩系统证和闭安环控腿制系茎统。穗开环娱控制放的机收电一盖体化浴系统祸是没青有反屑馈的糖控制怠系统,这种葡系统嚼的输佩入直洲接送爱给控卡制器,并通旬过控做制器代对受老控对龟象产肺生控辞制作估用。膏一些罗家用羡电器睬、简惹易NC机床挥和精食度要黑求不和高的绑机电吩一体奏化产史品都深采用宿开环画控制剂方式释。开坑环控读制机蜡电一骄体化培系统厘的优筋点是裳结构陈简单,成本廊低,维修方腊便;缺点初是精冈度较援低,对输饼出和遇干扰脸没有宏诊断拥能力依。1.雅2.似2机电痰一体酷化系盯统（间产品溪）开锻发的器类型1.开发捷性设着计2.适应跌性设脏计3.变参艳数设泰计1.宴2.炊3机电族一体络化系爸统（穿产品趴）设补计方浇案的马常用扒方法1.取代贿法取代巡寿法就白是用需电气肢控制甚取代剧原系延统中狡的机懂械控显制机建构。堪该方齿法是渗改造苍旧产辆品、度开发细新产叹品或对宁原系汤统进逼行技惊术改罚造常抖用的愤方法,也是燃改造懂传统隙机械皆产品捷的常婆用方砖法。2.整体版设计使法整体蒜设计权法主爆要用垮于新犬产品随的开怪发设傅计。圆在设粘计时偶完全候从系浙统的规整体蛙目标妹出发,考虑塔各子胶系统的设遍计。3.组合仰法组合历法就屑是选雄用各扶种标坐准功乔能模粥块组酸合设撇计成狸机电步一体扣化系杯统。膨例如,设计宫一台蓄数控栏机床,可以挂依据霸机床羞的性例能要歌求,通过窄对不法同厂闯家的阅计算顺机控勺制单音元、阀伺服识驱动紫单元下、位期移和童速度睁测试作单元蛾及主逗轴、丝式导轨忧、刀杏架、训传动塞系统区等产隔品的感评估年分析,研究淹各单虽元间自接口谎关系合和各掩单元暴对整机性篮能的询影响,通过扒优化钩设计董确定斯机床旱的结都构组伶成。1.制2.圈4机电鞋一体皱化系坐统设盲计所谓闻的系逐统设咏计,就是立用系污统思圾维综升合运硬用各什有关氧学科蠢的知寸识、读技术由和经违验,在系览统分技析的尾基础盘上,通过韵总体体研究借和详扑细设热计,实现都满足想设计鹿目标腥的产音品研裹发过醉程。规系统毯设计痒的基盾本原旦则是驴使设用计工淹作获压得最奖优化炎效果,在保抹证目赵的功副能要黄求与管适当蜡使用星寿命凤的前疤提下贝不断窝降低成本赢。系统桨设计逐的过晴程就咽是“涉目标—功能—结构—效果音”的起多次逃分析播与综列合的梦过程扒。综厚合可植理解日为各构种解府决问微题要负素的敬拼合顺的模逆型化纷过程,这是好一种款高度场的创幼造行外为。臣分析耳是综习合的细反行蛾为，蹈也是提市高综尚合水换平的跨必要华手段燃。决1.稻3机电五一体扇化的鼓发展寸趋势1.均3.倘1机电功