機(jī)電一體化講義

1、機(jī)電一體化技術(shù)及其應(yīng)用講義趙丁選編第一章總論1.1 “機(jī)電一體化”的由來及國內(nèi)外發(fā)展概況技術(shù)革命：以信息技術(shù)為中心，提高工作效率為目標(biāo)。信息技術(shù)三大支柱，即：測量與控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)。在這種新技術(shù)革命的影響和沖擊下，使機(jī)電工業(yè)發(fā)生了極大變化。定義：機(jī)械技術(shù)與微電子技術(shù)、信息技術(shù)相結(jié)合，通稱“機(jī)電一體化”。例：機(jī)床，純機(jī)械時(shí)，其加工精度、加工能力較低，數(shù)控機(jī)床后，使其功能增強(qiáng)、性能提高，而且成為可以 代替人工操作的自動(dòng)化機(jī)床。微電子技術(shù)與信息技術(shù)的引入，將使機(jī)械工業(yè)煥發(fā)青春機(jī)械向機(jī)電一體化方向發(fā)展，不但是機(jī)械本身的需要，而且是現(xiàn)代化生產(chǎn)裝備向大型化、高效化方向發(fā)展的 客觀需要。機(jī)電一

2、體化技術(shù)是保證科學(xué)操作和科學(xué)管理的有效工具。發(fā)展史：機(jī)電一體化的思想從電子計(jì)算機(jī)問世以來就開始醞釀六十年代，日本通產(chǎn)省為擴(kuò)大機(jī)械功能，在機(jī)械上采用電氣和電子技術(shù)，曾結(jié)合數(shù)控機(jī)床做 過不少實(shí)驗(yàn)，但末能獲得成功。七十年代，微電子技術(shù)成熟，微機(jī)商品化，大規(guī)模集成電路問世，構(gòu)成微機(jī)的基本單元CPU、ROM、RAM和接口電路已經(jīng)模塊化，自己“制造”計(jì)算機(jī)成為可能。機(jī)電一體化得以現(xiàn)實(shí)。71年，日刊工業(yè)新聞社發(fā)行機(jī)電一體化入門和機(jī)電一體化月刊，專門刊載機(jī)電一體 化的新產(chǎn)品。76年，機(jī)電一體化正式名字“力卜口二夕” 英文名字是Mechatronics，是由Mechanism 的前半部和Electronics后

3、半部縮合而成），我國現(xiàn)譯為“機(jī)電一體化”。71到78年日本政府頒發(fā)“機(jī)電法”和“機(jī)信法”，對機(jī)電一體化的發(fā)展起到積極推動(dòng)作用， 這個(gè)時(shí)期稱之為萌芽時(shí)期。八十年代，在“機(jī)信法”指導(dǎo)下，機(jī)電一體化的產(chǎn)品如雨后春筍不斷涌現(xiàn)，這個(gè)時(shí)期可稱之 為成長時(shí)期。九十年代，集成度提高，價(jià)格下降，機(jī)電一體化技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到迅猛發(fā)展，機(jī)電一體 化技術(shù)遍及社會各個(gè)領(lǐng)域。全盛時(shí)期開始。1。2機(jī)電一體化產(chǎn)品所包括的范圍我國，目前“機(jī)電一體化”技術(shù)還相當(dāng)落后，機(jī)械系統(tǒng)有5萬個(gè)品種，約有2萬個(gè)品種需要實(shí)現(xiàn)程度不同的 機(jī)電一體化。但是從目前生產(chǎn)的機(jī)電產(chǎn)品來看，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的還比較少。例如：國內(nèi)數(shù)控機(jī)床在機(jī)床中總擁有量較少

4、，國外數(shù)控機(jī)床已占機(jī)床總擁有量的3080% ；國內(nèi)柔性制造系 統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人等還處于研制階段。國外大型電站大都已實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，汽車工業(yè)已大量應(yīng)用微機(jī)點(diǎn)火控制、安全報(bào)警、制動(dòng)控制等，在這些 方面我國還有較大差距，甚至近于空白。其它如家用電器、電子醫(yī)療機(jī)械、電氣傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)、低壓電器、印刷機(jī)械、照相機(jī)械等，國外已普遍實(shí)現(xiàn) 了機(jī)電一體化，我國大多還處于起步階段。國此在我國機(jī)電產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化，大力推廣機(jī)電一體化技術(shù)，是我國四化建設(shè)中的一個(gè)重要課題，是振興我國機(jī)電工業(yè)的一項(xiàng)戰(zhàn)略決策。在新技術(shù)革命的浪潮中，自動(dòng)化技術(shù)已深入到社會的各個(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

5、很多種機(jī)電一體化產(chǎn)品所構(gòu)成。從我國將要發(fā)展的機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品來分析主要由以下產(chǎn)品需要實(shí)現(xiàn)程度不同的機(jī)電一體化。1.3機(jī)械與電的溶合方式在機(jī)械本體上采用電子控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)高性能和多功能。如數(shù)控機(jī)床在機(jī)械本體上采用電子控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)高性能和多功能。如數(shù)控機(jī)床用電子技術(shù)部分地代替原來由機(jī)械組成的控制部分，機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)最佳結(jié)合。如電子照相機(jī) 以電子技術(shù)幾乎全部代替機(jī)械式的信息處理機(jī)構(gòu)，例如：電子表、按扭式電話機(jī)。機(jī)械部分比較簡單，以電子部分開發(fā)為主的電子與機(jī)械共存的產(chǎn)品，使機(jī)械結(jié)構(gòu)大為簡化。如復(fù)印機(jī)械等。1.4機(jī)電一體化的技術(shù)構(gòu)成圖1-3-1機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成可以由圖1-3-1圖1

6、-3-1機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成可以由圖1-3-1形象地表示出來。廣義構(gòu)成：硬件與軟件硬件：機(jī)械本體、傳感器、信息處理單元和驅(qū)動(dòng)單元1.機(jī)械本體為了發(fā)揮機(jī)電一體化的特長，機(jī)械本體必須改善性能、減輕重量和提高精度。（1）減輕重量（3）實(shí)現(xiàn)組件化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化（2）提高剛性（4 ）提高系統(tǒng)整體的可靠性2.傳感器分類：檢測自身內(nèi)部信息傳感器、檢測對象的外部信息傳感器。模擬系統(tǒng)、數(shù)字系統(tǒng)（包括混合系統(tǒng)）等。組成：由檢測、轉(zhuǎn)換、指示、信息處理、記錄等部分組成。傳感信息方式有：光、電、流體、機(jī)械等。評價(jià)指標(biāo)有：功能、范圍、靈敏度、分辨率、耐環(huán)境性、抗干擾性、可靠性等。傳感器的問題：集中在

7、提高可靠性，靈敏度和精確性方面。提高可靠性與抗干擾有直接關(guān)系。為了避免干擾，目前有采用光纖電纜傳感的趨勢。對外部信息傳感器來說，目前發(fā)展非接觸型檢測技術(shù)。傳感器向高級方向發(fā)展，主要實(shí)現(xiàn)功能元件化和智能化。所謂功能元件化，就是用一片集成電路功能元件，實(shí)現(xiàn)傳感與信息處理一體化。智能化就是發(fā)展具有自修功能的傳感器。信息處理技術(shù)信息處理設(shè)備：包括計(jì)算機(jī)主機(jī)或可編程控制器及其配套輸入輸出設(shè)備、顯示器和外部存儲器。存在問題：重量、處理速度、可靠性、抗干擾及標(biāo)準(zhǔn)化。驅(qū)動(dòng)技術(shù)動(dòng)力源：液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)三種前兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比較復(fù)雜。包括：泵、閥、油缸（氣缸X過濾器、管路等。目前存在著功能、可靠性、標(biāo)準(zhǔn) 化以及減輕重

8、量、減小體積等問題。電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)已被廣泛采用，但目前在快速響應(yīng)和效率等方面還存在一些問題，不能滿足要求。今后 有待于研制內(nèi)裝編碼器的電動(dòng)機(jī)以及控制專用組件、傳感器、電動(dòng)機(jī)三為一體的伺服驅(qū)動(dòng)單元。接口技術(shù)定義：將機(jī)電一體化產(chǎn)品各組成部分連接起來的元件就是接口。接口標(biāo)準(zhǔn)化：不僅給信息傳送和維修上帶來方便，而且可以簡化設(shè)計(jì)。今后方向：研制成本低、高速串行接口，解決信號電纜非接觸化，光導(dǎo)纖維以及光耦合器的大容量化、小型化、標(biāo)準(zhǔn)化等問題，積極引進(jìn)光信號傳輸技術(shù)。6.軟件與綜合技術(shù)軟件與硬件如同一輛車子的兩個(gè)輪子，必須協(xié)調(diào)一致地發(fā)展，如果失去平衡車子就無法前進(jìn)。軟件標(biāo)準(zhǔn)化：減少研制成本，提高維修效率

9、。包括：子程序標(biāo)準(zhǔn)化、程序模塊化、軟件程序的固化等。應(yīng)予以關(guān)注的的問題：數(shù)據(jù)庫的建立，作業(yè)描述語言的開發(fā)，語言理解、文字理解軟件等。機(jī)電一體化產(chǎn)品是一個(gè)系統(tǒng)，存在著許多綜合技術(shù)問題。例如：由機(jī)械傳動(dòng)零件間隙造成的精度問題；機(jī)械零部件與電子元件相比響應(yīng)速度慢的問題，連接電纜與接 線柱的可靠性問題；零件標(biāo)準(zhǔn)化、互換性、兼容性以及檢測自動(dòng)化等問題。1. 5機(jī)電一體化的效果機(jī)電一體化的效果：功能增多，體積減少，重量減輕，可靠性提高，性能價(jià)格比大大改善 歸納如下：性能提高、功能增強(qiáng)例如，過去精密機(jī)床采用的是機(jī)械校正，只能校正機(jī)床的系統(tǒng)誤差，現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床，可克服隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤 差，從而可以達(dá)到前所末有的

10、高精度。調(diào)整切削阻尼，減少顫振，保證很高的生產(chǎn)率與很高的加工表面光潔度。粗加工與精加工工序集成，深刻地改變了傳統(tǒng)機(jī)床的結(jié)構(gòu)布局，沖破了傳統(tǒng)的機(jī)床按類別的劃分。結(jié)構(gòu)簡化因采用微處理機(jī)、集成電路、新型傳動(dòng)技術(shù)，代替電氣控制柜和傳動(dòng)裝置，使產(chǎn)品體積小，零部件數(shù)量減小，結(jié) 構(gòu)簡化。例如，傳統(tǒng)的電機(jī)控制靠用戶，而實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化后出現(xiàn)了無換向器電機(jī)，提高了電機(jī)壽命，縮小了體積?！半娔X”電動(dòng)機(jī)用單片機(jī)控制電機(jī)的功率因素，根據(jù)負(fù)荷情況調(diào)節(jié)施加的電壓，從而解決了不少電氣傳動(dòng)中 的“大馬拉小車”問題，在空載提高效率3040%，滿載提高10%。矢量控制異步電動(dòng)機(jī)，采用微型計(jì)算機(jī)對交流異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)矢量控制，使異步電

11、機(jī)既具有直流電機(jī)一樣的 調(diào)節(jié)特性，而且還具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠、電機(jī)容量不受限制、機(jī)械慣性小、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)?？煽啃蕴岣咝栽陔娮釉|(zhì)量可靠性高的前提下，機(jī)電一體化可以改善耐久性，減少故障。機(jī)電一體化產(chǎn)品具有自動(dòng)監(jiān)視診斷、安全聯(lián)鎖控制、過負(fù)荷及失控保護(hù)、停電對策等，提高了安全可靠性節(jié)約能源機(jī)電一體化的產(chǎn)品，可以節(jié)約材料、節(jié)約能源。例如，我國目前各類電風(fēng)扇的調(diào)整器為電磁機(jī)械式，如果用電子式調(diào)整器每年全國可節(jié)約電600萬度汽油機(jī)電子點(diǎn)火，液壓挖掘機(jī)電子節(jié)能。改善操作機(jī)電一體化產(chǎn)品采用計(jì)算機(jī)控制，具有數(shù)字顯示，減少了操作按扭及手柄，具有程序控制等功能，因而可以改善 設(shè)備操作性能，減少訓(xùn)練操作人員時(shí)間。提高靈活性（柔性）機(jī)電一體化產(chǎn)品具有更大的靈活性，可以適應(yīng)