機(jī)電一體化講議-1

1、第一章第一章 機(jī)電一體化技術(shù)概論機(jī)電一體化技術(shù)概論吉林大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)科趙丁選一、引言n新技術(shù)革命：以信息技術(shù)為中心，提高工作效率為目標(biāo)。n信息技術(shù)三大支柱，即：測(cè)量與控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)。n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。n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。n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。n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n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

2、要。n機(jī)電一體化技術(shù)是保證科學(xué)操作和科學(xué)管理的有效工具。二、發(fā)展史n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(guò)不少實(shí)驗(yàn)，但末能獲得成功。n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(wèn)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)。n71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。n76年，機(jī)電一體化正式名字(英文名字是Mechatronics，是由Mechanism的前半部和Electronics后半部縮合而成)，我國(guó)現(xiàn)譯為機(jī)電一體化。n71到7

3、8年日本政府頒發(fā)機(jī)電法和機(jī)信法，對(duì)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。n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(zhǎng)時(shí)期。n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(huì)各個(gè)領(lǐng)域。全盛時(shí)期開(kāi)始。三、現(xiàn)狀n我國(guó)，目前機(jī)電一體化技術(shù)還相當(dāng)落后，機(jī)械系統(tǒng)有萬(wàn)個(gè)品種，約有萬(wàn)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(lái)看，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的還比較少。n例如：國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床在機(jī)床中總擁有量較少，國(guó)外數(shù)控機(jī)床已占機(jī)床總擁有量的3080；國(guó)內(nèi)柔性制造系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人等還處于研制階段。3.1

4、 國(guó)內(nèi)情況n國(guó)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(guó)還有較大差距，甚至近于空白。n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(guó)外已普遍實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化，我國(guó)大多還處于起步階段。n國(guó)此在我國(guó)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(guó)四化建設(shè)中的一個(gè)重要課題，是振興我國(guó)機(jī)電工業(yè)的一項(xiàng)戰(zhàn)略決策。3.2 產(chǎn)品范圍n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。n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。n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

5、由以下產(chǎn)品需要實(shí)現(xiàn)程度不同的機(jī)電一體化。n具體地說(shuō)，包括:1._大型成套設(shè)備2._數(shù)控機(jī)床3._儀器儀表電子化4._自動(dòng)化管理系統(tǒng)5._電子化量具量?jī)x6._工業(yè)機(jī)器人7._電子化家用電器8._電子化電機(jī)傳動(dòng)與調(diào)整系統(tǒng)9._電子化電站自動(dòng)裝置與開(kāi)關(guān)板10._電子醫(yī)療器械11._電子化低壓電器12._微電腦控制加熱爐13._電子控制汽車或內(nèi)燃機(jī)14._微電腦控制印刷機(jī)械15._微電腦控制食品機(jī)械或包裝機(jī)械16._微電腦控制辦公機(jī)械17._電子式照相機(jī)18._電子控制農(nóng)業(yè)機(jī)械19._電子控制塑料加工機(jī)械20._電子控制電焊機(jī)21._計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)(CAD)22._計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)(CAM)23

6、._計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIM)四、幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題機(jī)械與電子的溶合方式機(jī)械電子的技術(shù)構(gòu)成機(jī)電一體化的效果1、 機(jī)械與電子的溶合方式在機(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)床用電子技術(shù)部分地代替原來(lái)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(jiǎn)單，以電子部分開(kāi)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(jiǎn)化。如復(fù)印機(jī)械等。2、機(jī)械電子的技術(shù)構(gòu)成n機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成可以由右圖形象地表示出來(lái)。n廣義構(gòu)成：硬件與軟件n硬件：機(jī)械本體、傳感器、信息處理單元和驅(qū)動(dòng)單元傳感器執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力人機(jī)

7、交互設(shè)備計(jì)算機(jī)A、機(jī)械本體n為了發(fā)揮機(jī)電一體化的特長(zhǎng)，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(2)提高剛性(3)實(shí)現(xiàn)組件化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化 (4)提高系統(tǒng)整體的可靠性B、傳感器n分類：檢測(cè)自身內(nèi)部信息傳感器、檢測(cè)對(duì)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。n組成：由檢測(cè)、轉(zhuǎn)換、指示、信息處理、記錄等部分組成。n傳感信息方式有：光、電、流體、機(jī)械等。n評(píng)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。 n傳感器的問(wèn)題：集中在提高可靠性，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(shì)。 對(duì)外部信息

8、傳感器來(lái)說(shuō)，目前發(fā)展非接觸型檢測(cè)技術(shù)。n傳感器向高級(jí)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。 C、信息處理技術(shù)n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(chǔ)器。n存在問(wèn)題：重量、處理速度、可靠性、抗干擾及標(biāo)準(zhǔn)化。 D、驅(qū)動(dòng)技術(shù)n動(dòng)力源：液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)三種n前兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比較復(fù)雜。包括：泵、閥、油缸（氣缸）、過(guò)濾器、管路等。目前存在著功能、可靠性、標(biāo)準(zhǔn)化以及減輕重量、減小體積等問(wèn)題。n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

9、些問(wèn)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。E、接口技術(shù)n定義：將機(jī)電一體化產(chǎn)品各組成部分連接起來(lái)的元件就是接口。n接口標(biāo)準(zhǔn)化：不僅給信息傳送和維修上帶來(lái)方便，而且可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。n今后方向：研制成本低、高速串行接口，解決信號(hào)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(wèn)題，積極引進(jìn)光信號(hào)傳輸技術(shù)。F、軟件與綜合技術(shù)n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(wú)法前進(jìn)。n軟件標(biāo)準(zhǔn)化：減少研制成本，提高維修效率。包括：子程序標(biāo)準(zhǔn)化、程序模塊化、軟件程序的固化等。n應(yīng)予以關(guān)注的的問(wèn)題：數(shù)

10、據(jù)庫(kù)的建立，作業(yè)描述語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)，語(yǔ)言理解、文字理解軟件等。n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(wèn)題。例如：由機(jī)械傳動(dòng)零件間隙造成的精度問(wèn)題；機(jī)械零部件與電子元件相比響應(yīng)速度慢的問(wèn)題；連接電纜與接線柱的可靠性問(wèn)題；1.零件標(biāo)準(zhǔn)化、互換性、兼容性以及檢測(cè)自動(dòng)化等問(wèn)題。3、機(jī)電一體化的效果n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，1.性能價(jià)格比大大改善。A、性能提高、功能增強(qiáng)例如，過(guò)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)到前所未有的高精度。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

11、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。B、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化n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(jiǎn)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(wú)換向器電機(jī)，提高了電機(jī)壽命，縮小了體積。1.“電腦”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(wèn)題，在空載提高效率3040，滿載提高10。3. 矢量控制異步電動(dòng)機(jī)，采用微型計(jì)算機(jī)對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)矢量控制，使異步電機(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(jiǎn)單、可靠、電機(jī)容量不

12、受限制、機(jī)械慣性小、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)。C、可靠性提高性n在電子元件質(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。n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(guò)負(fù)荷及失控保護(hù)、停電對(duì)策等，提高了安全可靠性 D、節(jié)約能源n機(jī)電一體化的產(chǎn)品，可以節(jié)約材料、節(jié)約能源。例如：n我國(guó)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(guó)可節(jié)約電600萬(wàn)度；n汽油機(jī)電子點(diǎn)火；n液壓挖掘機(jī)電子節(jié)能。E、改善操作n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。 F、 提高靈活性（柔性）n機(jī)電一體化產(chǎn)品具有更大的靈活性，可以適應(yīng)用戶多樣化的要求，是當(dāng)代新技術(shù)革命的一大趨向。n例如，柔性制造系統(tǒng)，和工業(yè)機(jī)器人對(duì)于多品種小批量生產(chǎn)特別能發(fā)揮它的優(yōu)越性。