機(jī)電一體化原理及應(yīng)用第一章課件

1、機(jī)電一體化原理及應(yīng)用第一章課件機(jī)電一體化原理及應(yīng)用第一章課件第一章 機(jī)電一體化系統(tǒng)的概論 機(jī)電一體化系統(tǒng)的概念 機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要組成部分 機(jī)電一體化共性關(guān)鍵技術(shù) 機(jī)電一體化應(yīng)用及發(fā)展前景第一章 機(jī)電一體化系統(tǒng)的概論 機(jī)電一體化系統(tǒng)的概念1 機(jī)電一體化的基本概念簡(jiǎn)單地講：機(jī)電一體化是機(jī)械與電子技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。機(jī)電一體化是一個(gè)新興的邊緣學(xué)科，代表著機(jī)械工業(yè)技術(shù)革命的前沿方向機(jī)電一體化是以機(jī)械學(xué)為基礎(chǔ)，利用微電子、計(jì)算機(jī)、傳感器、控制理論等眾多相關(guān)學(xué)科的理論和技術(shù)而形成的一門新的學(xué)科。主要研究機(jī)械電子的理論和技術(shù)應(yīng)用。1 機(jī)電一體化的基本概念簡(jiǎn)單地講：1 機(jī)電一體化的基本概念機(jī)電一體化的發(fā)展

2、根本原因，在于生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)起了重要作用。系統(tǒng)工程、控制論、信息論 這三門學(xué)科的誕生為機(jī)電一體化技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)和方法論。 微電子技術(shù)的發(fā)展為機(jī)電一體化技術(shù)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。1 機(jī)電一體化的基本概念機(jī)電一體化的發(fā)展根本原因，在“機(jī)電一體化”起源： 最早，1971年日本“機(jī)械設(shè)計(jì)”雜志副刊提出了Mechatronics (Mechanics + Electronics),日本人造的英語(yǔ)單詞，目前已被普遍接受和承認(rèn)。幾種描述：1983年日本振興協(xié)會(huì)提出： 機(jī)械電子乃是在機(jī)械的主功能、動(dòng)力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)

3、軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱?！皺C(jī)電一體化”起源： 最早，1971年日本“機(jī)械1984年美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)的一個(gè)專家組在給美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金的報(bào)告中提出現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)的定義： 由計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)與控制的，用于完成包括機(jī)械系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)和能量流等動(dòng)力學(xué)任務(wù)的機(jī)械（或機(jī)電部件）相互聯(lián)系的系統(tǒng)，這實(shí)質(zhì)上就是機(jī)電一體化的機(jī)械系統(tǒng)。90年代國(guó)際機(jī)器和機(jī)械理論研究會(huì)（IFTMM）成立了機(jī)電一體化技術(shù)委員會(huì)，給出了以下的定義： 機(jī)電一體化是精密機(jī)械工程、電子控制和系統(tǒng)思想在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中的協(xié)同結(jié)合。1984年美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)的一個(gè)專家組在給美國(guó)1991年英國(guó)創(chuàng)刊了國(guó)際性期刊Mech

4、atronics，在其刊物的編輯方針提出： 機(jī)電一體化的基本形式可以視為在現(xiàn)代工程技術(shù)中機(jī)械與電氣科學(xué)的結(jié)合。 它是一種相對(duì)新的概念，涉及系統(tǒng)、部件和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，其次目的是在基本機(jī)械結(jié)構(gòu)及其總體控制之間求得最佳平衡。1996年3月，國(guó)際電氣與電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）與美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)（ASME）聯(lián)合創(chuàng)刊機(jī)電一體化學(xué)報(bào)，在第一期編者的話中將機(jī)電一體化定義為： 在工業(yè)產(chǎn)品和過(guò)程的設(shè)計(jì)制造中，機(jī)械工程與電子和智能計(jì)算機(jī)控制的協(xié)同集成。描述不盡相同，概述一起應(yīng)該是：1991年英國(guó)創(chuàng)刊了國(guó)際性期刊Mechatronics，機(jī)電一體化技術(shù)是以系統(tǒng)論、控制論和信息論為理論基礎(chǔ)和方法論，在機(jī)械技術(shù)、微電子

5、技術(shù)、計(jì)算機(jī)和信息處理技術(shù)等現(xiàn)代高新技術(shù)群體基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種高新技術(shù)。機(jī)電一體化包括的內(nèi)容非常廣泛，表現(xiàn)為一種嶄新的學(xué)術(shù)思想，它除了強(qiáng)調(diào)機(jī)與電的有機(jī)結(jié)合外，還具有更深刻、更廣泛的涵義。按照機(jī)電一體化的思想，凡是由各種現(xiàn)代高新技術(shù)與機(jī)械和電子技術(shù)相互結(jié)合而形成的各種技術(shù)、產(chǎn)品（或系統(tǒng)）都屬于機(jī)電一體化的范疇。 因此，人們常說(shuō)的機(jī)電液一體化、光機(jī)電一體化、機(jī)電儀一體化及機(jī)電信一體化，實(shí)質(zhì)上都可歸結(jié)為機(jī)電一體化。機(jī)電一體化技術(shù)是以系統(tǒng)論、控制論和信息論為理論基礎(chǔ)和方法論，2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要組成部分（要素）機(jī)械本體傳感檢測(cè)部分執(zhí)行部分動(dòng)力部分驅(qū)動(dòng)部分信息處理及控制部分。2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的主

6、要組成部分（要素）機(jī)械本體一、機(jī)械本體1、概念機(jī)械本體就是其機(jī)械結(jié)構(gòu)部分。包括機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置和機(jī)械傳動(dòng)裝置，屬于產(chǎn)品的基礎(chǔ)部分。 機(jī)身、床身、框架、機(jī)械的聯(lián)結(jié)和支承等均屬于機(jī)械本體。2、功能構(gòu)造系統(tǒng)的各子系統(tǒng)，零部件按照一定的空間和時(shí)間的關(guān)系安置在一定的位置上，并保持特定的關(guān)系，形成最佳的匹配方式。一、機(jī)械本體1、概念3、機(jī)械本體的發(fā)展機(jī)電一體化的產(chǎn)品眾多，多層次，繁簡(jiǎn)各異，其機(jī)械本體有的很簡(jiǎn)單，有的很復(fù)雜。如電子表外殼、打印機(jī)外殼、支架、機(jī)床的床身，大型數(shù)控支承體等。因此機(jī)械本體總的發(fā)展趨勢(shì)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工制造方便、通用性強(qiáng)。 當(dāng)然，不怎么變，機(jī)械本體只會(huì)變更加合理，決不會(huì)消失。3、機(jī)械本體

7、的發(fā)展二、傳感檢測(cè)部分1、概念用于檢測(cè)各部分的狀態(tài)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)的部分。主要用各種傳感器及相應(yīng)的檢測(cè)及放大電路實(shí)現(xiàn)。2、功能把系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，變?yōu)榭勺R(shí)別的信號(hào)，再傳遞給信息處理和控制部分，經(jīng)處理后產(chǎn)生響應(yīng)的控制信息。二、傳感檢測(cè)部分1、概念三、執(zhí)行部分（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）1、功能接收信息處理部分發(fā)出的指令，完成所需要的動(dòng)作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是運(yùn)動(dòng)部件，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能（如人的四肢）。例如：自動(dòng)洗衣機(jī)完成洗滌、脫水、烘干等 自動(dòng)機(jī)床自動(dòng)換刀、切削量、工作臺(tái)換向或更 換等 火箭發(fā)射的自動(dòng)點(diǎn)火、自動(dòng)定向、分級(jí)等 完成這些操作雖然需要組成部分的協(xié)調(diào)工作，

8、但最終是通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它直接和被控對(duì)象打交道，按照指令準(zhǔn)確、迅速、可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的調(diào)整和控制。沒(méi)有它其它部分再好也等于零。三、執(zhí)行部分（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）1、功能2、執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)具有的性能 可靠性高。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接和被控對(duì)象打交道，一般地說(shuō)說(shuō)所處的環(huán)境比較惡劣。因此要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能經(jīng)常出故障。有的故障是一般性的，有的則是致命的。如： 洗衣機(jī)不轉(zhuǎn)。照相機(jī)快門不動(dòng)作。 機(jī)床不換刀。 汽車煞車不動(dòng)作。 火箭點(diǎn)火失靈。 導(dǎo)航失靈。 響應(yīng)迅速（動(dòng)態(tài)性能好）。 響應(yīng)迅速可以提高生產(chǎn)效率。另一方面有些執(zhí)行機(jī)構(gòu)的快速響應(yīng)是必須的。 如導(dǎo)彈的方向修正。防空系統(tǒng)火力發(fā)射。汽車剎車。2、執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)具有的性能 動(dòng)

9、作準(zhǔn)確。 動(dòng)作不準(zhǔn)確可能會(huì)造成較大的誤差，也可能造成致命的損失。如：進(jìn)刀量的不準(zhǔn)確可能造成廢品。 洗衣機(jī)的排水閥的不準(zhǔn)確可使排水不暢 導(dǎo)彈方向控制不準(zhǔn)確可能會(huì) 高效率。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)具有高效率，盡量減少能量的損失，這在大型機(jī)電設(shè)備尤為重要。3、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分類按執(zhí)行機(jī)構(gòu)的能源形式來(lái)分有三種： 電動(dòng)式、氣動(dòng)式、液壓式（液動(dòng)式）執(zhí)行機(jī)構(gòu) 動(dòng)作準(zhǔn)確。 動(dòng)作不準(zhǔn)確可能會(huì)造四、驅(qū)動(dòng)部分、動(dòng)力部分功能： 驅(qū)動(dòng)部分接受控制部分的指令，去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成各種 動(dòng)作和功能。 動(dòng)力部分為系統(tǒng)提供能量和動(dòng)力。（最初始的能量主要來(lái)源于電能，） 驅(qū)動(dòng)部分是主要的能量消耗單元，放大是驅(qū)動(dòng)部分的重要功能， 因此有的就把這兩部分

10、合并成一部分動(dòng)力源。四、驅(qū)動(dòng)部分、動(dòng)力部分功能：驅(qū)動(dòng)部分的負(fù)載是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，要把控制器送來(lái)的微小信號(hào)進(jìn) 行放大。驅(qū)動(dòng)部分應(yīng)根據(jù)不同的對(duì)象采用不同的輸出形式。如 步進(jìn)電機(jī)：脈沖序列 伺服電機(jī)：交、直流電流或電壓 液、氣缸：一定的壓力差。一般的控制器輸出為一定的電平（或脈沖）信號(hào)。故有的信 號(hào)不僅需要放大，還需要進(jìn)行必要的變換，以適應(yīng)不同的執(zhí) 行機(jī)構(gòu)。有的閉環(huán)控制中，需要將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移、速度、溫度等信 號(hào)作為反饋信號(hào)進(jìn)行輸入，這就要求驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有反變換功 能。為了提高系統(tǒng)的效率，還應(yīng)考慮驅(qū)動(dòng)部件與控制器、與執(zhí)行 部件的匹配，使系統(tǒng)處于最佳的工作狀態(tài)。故：驅(qū)動(dòng)部件的主要功能有三個(gè)：放大、變換、匹配。

11、 驅(qū)動(dòng)部分的負(fù)載是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，要把控制器送來(lái)的微小信號(hào)進(jìn) 行五、信息處理及控制部分核心部分。各個(gè)部分能夠成為一個(gè)有機(jī)整體，協(xié)調(diào)工作，都是在控制 器的控制下進(jìn)行的。它們收集各種相關(guān)的信息或信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算、 分析，然后產(chǎn)生各種有用的控制信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控 制。主要組成：軟、硬件組成。是機(jī)電一體化產(chǎn)品的大腦。 五、信息處理及控制部分核心部分。3 機(jī)電一體化共性關(guān)鍵技術(shù)機(jī)械技術(shù)（基礎(chǔ)）計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)檢測(cè)與傳感技術(shù)自動(dòng)控制技術(shù)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)系統(tǒng)總線技術(shù)機(jī)電一體化是多種技術(shù)學(xué)科相互交叉、滲透而形成的一門綜合性的邊緣技術(shù)學(xué)科。其共性關(guān)鍵技術(shù)可以總結(jié)為以下幾個(gè)方面：3 機(jī)電一體化共性關(guān)鍵技術(shù)機(jī)

12、械技術(shù)（基礎(chǔ)）機(jī)電一體化是 機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù)機(jī)械技術(shù)（驅(qū)體） 要求：新穎的結(jié)構(gòu)、小體積、輕重量、精度高、剛度大、動(dòng)態(tài)性能好。 考慮：靜動(dòng)態(tài)剛度、熱變形、新型復(fù)合材料、新型結(jié)構(gòu)、新型制造工藝、新型工藝裝配。傳感檢測(cè)技術(shù)（眼、耳、舌） 物理量轉(zhuǎn)換成電量；轉(zhuǎn)換成電量后的放大、補(bǔ)償、標(biāo)度換算。信息處理技術(shù)（大腦） 信息的變換、存取、運(yùn)算、判斷、決策。 機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù)自動(dòng)控制技術(shù)（神經(jīng)系統(tǒng)） 研究單輸入單輸出、線性定常系統(tǒng)；高性能、高精度的多變量系統(tǒng)的最優(yōu)控制。 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)（手、腳） 液壓伺服系統(tǒng)、電氣伺服系統(tǒng)。 系統(tǒng)總體技術(shù)（容貌、儀表、勻稱、氣質(zhì)、本質(zhì)、家族、學(xué)歷、知識(shí)、文化、潮流） 機(jī)

13、電一體化系統(tǒng)是一個(gè)技術(shù)綜合體，利用系統(tǒng)總體技術(shù)將各種有關(guān)技術(shù)協(xié)調(diào)配合、綜合運(yùn)用達(dá)到整體系統(tǒng)的最佳化。 如：接插件、接口轉(zhuǎn)換、軟件開(kāi)發(fā)、微機(jī)應(yīng)用技術(shù)、控制系統(tǒng)的成套性、成套設(shè)備的自動(dòng)技術(shù)。自動(dòng)控制技術(shù)（神經(jīng)系統(tǒng)） 研究單輸入單輸出、4 機(jī)電一體化應(yīng)用及發(fā)展前景在新技術(shù)革命的浪潮中，自動(dòng)化技術(shù)已深入到社會(huì)的各個(gè)方面，有人稱之為全盤自動(dòng)化。在這些自動(dòng)化的系統(tǒng)中，主要是由很多種機(jī)電一體化產(chǎn)品所構(gòu)成。從我國(guó)將要發(fā)展的機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品來(lái)分析主要由以下產(chǎn)品需要實(shí)現(xiàn)程度不同的機(jī)電一體化。具體地說(shuō)，典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品主要包括:大型成套設(shè)備；數(shù)控機(jī)床；儀器儀表電子化；自動(dòng)化管理系統(tǒng)；電子化量具量?jī)x；工業(yè)機(jī)器人；電子

14、化家用電器；電子化電機(jī)傳動(dòng)與調(diào)整系統(tǒng)；電子化電站自動(dòng)裝置與開(kāi)關(guān)板；電子醫(yī)療器械；電子化低壓電器；微電腦控制加熱爐；電子控制汽車或內(nèi)燃機(jī)；微電腦控制印刷機(jī)械；微電腦控制食品機(jī)械或包裝機(jī)械；微電腦控制辦公機(jī)械；電子式照相機(jī)；電子控制農(nóng)業(yè)機(jī)械；電子控制塑料加工機(jī)械；電子控制電焊機(jī)；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)(CAD)；計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)(CAM)；計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIM)。4 機(jī)電一體化應(yīng)用及發(fā)展前景在新技術(shù)革命的浪潮中，自動(dòng)機(jī)電一體化（產(chǎn)品）已經(jīng)顯示出強(qiáng)大的威力，并已滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。 已經(jīng)達(dá)到了“無(wú)孔不入”的地步。并以空前的速度和力度沖擊著傳統(tǒng)的技術(shù)思想、生產(chǎn)方式和方法，以及傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，使國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生深刻的變革。 典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品代表:機(jī)器人:組成：機(jī)械本體，控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)器，傳感器。發(fā)展：?jiǎn)我还δ軝C(jī)器人向智能機(jī)器人發(fā)展。 觀看錄像。4 機(jī)電一體化應(yīng)用及發(fā)展前景機(jī)電一體化（產(chǎn)品）已經(jīng)顯示出強(qiáng)大的威力，并已滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展前景： 性能上：向高精度、高效率、高性能、智能化方向發(fā)展； 功能上：向小型化、輕型化、多功能方向發(fā)展； 層次上：向系統(tǒng)化、復(fù)合集成化的方向發(fā)展。機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展前景： 性能上：向高精度綜上所述，我們可以概括出以下幾點(diǎn)基本認(rèn)識(shí)：機(jī)電一體化是一種以實(shí)踐，即產(chǎn)品和過(guò)程為基礎(chǔ)的技術(shù)機(jī)電一體化以機(jī)械為基礎(chǔ) 機(jī)