機電一體化講義1

第一章機電(jīdiàn)一體化技術概論吉林大學(jílíndàxué)機械電子工程學科趙丁選精品資料一、引言(yǐnyán)新技術革命：以信息技術為中心，提高工作效率為目標。信息技術三大支柱，即：測量與控制技術、計算機技術、通信技術。在這種新技術革命的影響和沖擊下，使機電(jīdiàn)工業(yè)發(fā)生了極大變化。定義：機械技術與微電子技術、信息技術相結合，通稱"機電(jīdiàn)一體化"。精品資料例：機床，純機械時，其加工精度、加工能力較低，數(shù)控機床后，使其功能增強、性能提高(tígāo)，而且成為可以代替人工操作的自動化機床。微電子技術與信息技術的引入，將使機械工業(yè)煥發(fā)青春機械向機電一體化方向發(fā)展，不但是機械本身的需要，而且是現(xiàn)代化生產裝備向大型化、高效化方向發(fā)展的客觀需要。機電一體化技術是保證科學操作和科學管理的有效工具。精品資料 二、發(fā)展史六十年代，日本通產省為擴大機械功能，在機械上采用電氣和電子技術，曾結合數(shù)控機床做過不少實驗，但末能獲得成功。七十年代，微電子技術成熟，微機商品化，大規(guī)模集成電路問世，構成微機的基本單元CPU、ROM、RAM和接口電路已經模塊化，自己"制造"計算機成為(chéngwéi)可能。機電一體化得以現(xiàn)實。71年，日刊工業(yè)新聞社發(fā)行《機電一體化入門》和《機電一體化》月刊，專門刊載機電一體化的新產品。精品資料76年，機電一體化正式名字"メカトロニケス"(英文名字是Mechatronics，是由Mechanism的前半部和Electronics后半部縮合而成)，我國現(xiàn)譯為"機電一體化"。71到78年日本政府頒發(fā)(bānfā)"機電法"和"機信法"，對機電一體化的發(fā)展起到積極推動作用，這個時期稱之為萌芽時期。八十年代，在"機信法"指導下，機電一體化的產品如雨后春筍不斷涌現(xiàn)，這個時期可稱之為成長時期。九十年代，集成度提高，價格下降，機電一體化技術在世界范圍內得到迅猛發(fā)展，機電一體化技術遍及社會各個領域。全盛時期開始。精品資料三、現(xiàn)狀(xiànzhuàng)我國，目前"機電一體化"技術還相當落后，機械系統(tǒng)有５萬個品種，約有２萬個品種需要實現(xiàn)程度不同的機電一體化。但是從目前生產的機電產品來看，實現(xiàn)機電一體化的還比較少。例如：國內數(shù)控機床在機床中總擁有量較少，國外數(shù)控機床已占機床總擁有量的30~80％；國內柔性制造系統(tǒng)、工業(yè)(gōngyè)機器人等還處于研制階段。3.1國內情況精品資料國外大型電站大都已實現(xiàn)計算機控制，汽車工業(yè)已大量應用微機點火控制、安全報警、制動控制等，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)療機械、電氣傳動調速系統(tǒng)、低壓電器、印刷機械、照相機械等，國外已普遍實現(xiàn)了機電一體化，我國大多(dàduō)還處于起步階段。國此在我國機電產品中實現(xiàn)機電一體化，大力推廣機電一體化技術，是我國四化建設中的一個重要課題，是振興我國機電工業(yè)的一項戰(zhàn)略決策。精品資料3.2產品(chǎnpǐn)范圍在新技術革命的浪潮中，自動化技術已深入到社會的各個方面，有人稱之為"全盤自動化"。在這些自動化的系統(tǒng)中，主要是由很多種機電一體化產品所構成。從我國將要發(fā)展的機械工業(yè)產品來分析(fēnxī)主要由以下產品需要實現(xiàn)程度不同的機電一體化。具體地說，包括:精品資料1._大型成套設備2._數(shù)控機床3._儀器儀表電子化4._自動化管理系統(tǒng)5._電子化量具量儀6._工業(yè)機器人7._電子化家用電器8._電子化電機傳動與調整系統(tǒng)9._電子化電站自動裝置與開關(kāiguān)板10._電子醫(yī)療器械11._電子化低壓電器12._微電腦控制加熱爐精品資料13._電子控制(kòngzhì)汽車或內燃機14._微電腦控制(kòngzhì)印刷機械15._微電腦控制(kòngzhì)食品機械或包裝機械16._微電腦控制(kòngzhì)辦公機械17._電子式照相機18._電子控制(kòngzhì)農業(yè)機械19._電子控制(kòngzhì)塑料加工機械20._電子控制(kòngzhì)電焊機21._計算機輔助設計系統(tǒng)(CAD)22._計算機輔助制造系統(tǒng)(CAM)23._計算機集成制造系統(tǒng)(CIM)精品資料四、幾個(jǐɡè)技術問題機械與電子的溶合方式(fāngshì)機械電子的技術構成機電一體化的效果精品資料1、機械(jīxiè)與電子的溶合方式在機械(jīxiè)本體上采用電子控制設備實現(xiàn)高性能和多功能。如數(shù)控機床用電子技術部分地代替原來由機械(jīxiè)組成的控制部分，機械(jīxiè)技術與電子技術最佳結合。如電子照相機以電子技術幾乎全部代替機械(jīxiè)式的信息處理機構，例如：電子表、按扭式電話機。機械(jīxiè)部分比較簡單，以電子部分開發(fā)為主的電子與機械(jīxiè)共存的產品，使機械(jīxiè)結構大為簡化。如復印機械(jīxiè)等。精品資料2、機械電子(diànzǐ)的技術構成機電一體化系統(tǒng)的構成可以由右圖形象地表示出來。廣義構成：硬件與軟件硬件：機械(jīxiè)本體、傳感器、信息處理單元和驅動單元傳感器執(zhí)行機構動力人機交互設備計算機精品資料A、機械(jīxiè)本體為了發(fā)揮機電一體化的特長，機械本體必須改善(gǎishàn)性能、減輕重量和提高精度。(1)減輕重量(2)提高剛性(3)實現(xiàn)組件化、標準化和系列化(4)提高系統(tǒng)整體的可靠性精品資料B、傳感器分類：檢測自身內部信息傳感器、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、轉換、指示、信息處理、記錄(jìlù)等部分組成。傳感信息方式有：光、電、流體、機械等。評價指標有：功能、范圍、靈敏度、分辨率、耐環(huán)境性、抗干擾性、可靠性等。精品資料傳感器的問題：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系。 ① 為了避免干擾，目前有采用光纖電纜傳感的趨勢。 ② 對外部信息傳感器來說，目前發(fā)展非接觸型檢測技術。傳感器向高級方向發(fā)展，主要實現(xiàn)功能元件化和智能化。 ① 所謂(suǒwèi)功能元件化，就是用一片集成電路功能元件，實現(xiàn)傳感與信息處理一體化。 ② 智能化就是發(fā)展具有自修功能的傳感器。精品資料C、信息處理技術(jìshù)信息處理設備：包括計算機主機或可編程控制器及其配套(pèitào)輸入輸出設備、顯示器和外部存儲器。存在問題：重量、處理速度、可靠性、抗干擾及標準化。精品資料D、驅動(qūdònɡ)技術動力源：液壓、氣動、電動三種前兩種驅動系統(tǒng)比較復雜。包括：泵、閥、油缸（氣缸）、過濾器、管路等。目前存在(cúnzài)著功能、可靠性、標準化以及減輕重量、減小體積等問題。電動機作為驅動機構已被廣泛采用，但目前在快速響應和效率等方面還存在(cúnzài)一些問題，不能滿足要求。今后有待于研制內裝編碼器的電動機以及控制專用組件、傳感器、電動機三為一體的伺服驅動單元。精品資料E、接口技術定義：將機電一體化產品各組成部分連接起來的元件就是接口。接口標準化：不僅給信息傳送和維修上帶來方便，而且可以簡化設計。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，光導纖維以及光耦合器的大容量化、小型化、標準化等問題，積極引進(yǐnjìn)光信號傳輸技術。精品資料F、軟件(ruǎnjiàn)與綜合技術軟件與硬件如同一輛車子(chēzi)的兩個輪子，必須協(xié)調一致地發(fā)展，如果失去平衡車子(chēzi)就無法前進。軟件標準化：減少研制成本，提高維修效率。包括：子程序標準化、程序模塊化、軟件程序的固化等。應予以關注的的問題：數(shù)據庫的建立，作業(yè)描述語言的開發(fā)，語言理解、文字理解軟件等。精品資料機電一體化產品是一個系統(tǒng)，存在著許多(xǔduō)綜合技術問題。例如：由機械傳動零件間隙造成的精度問題；機械零部件與電子元件相比響應速度慢的問題；連接電纜與接線柱的可靠性問題；零件標準化、互換性、兼容性以及檢測自動化等問題。精品資料3、機電(jīdiàn)一體化的效果機電一體化的效果：功能增多，體積減少，重量減輕，可靠性提高，性能(xìngnéng)價格比大大改善。精品資料A、性能(xìngnéng)提高、功能增強①例如，過去精密機床采用的是機械校正，只能校正機床的系統(tǒng)誤差，現(xiàn)在數(shù)控機床，可克服(kèfú)隨機誤差和系統(tǒng)誤差，從而可以達到前所未有的高精度。②調整切削阻尼，減少顫振，保證很高的生產率與很高的加工表面光潔度。③粗加工與精加工工序集成，深刻地改變了傳統(tǒng)機床的結構布局，沖破了傳統(tǒng)的機床按類別的劃分。精品資料B、結構(jiégòu)簡化因采用微處理機、集成電路、新型傳動技術，代替電氣控制柜和傳動裝置，使產品體積小，零部件數(shù)量減小，結構簡化。例如：傳統(tǒng)的電機控制靠用戶，而實現(xiàn)機電一體化后出現(xiàn)了無換向器電機，提高了電機壽命，縮小了體積。“電腦”電動機用單片機控制電機的功率因素，根據負荷情況調節(jié)施加(shījiā)的電壓，從而解決了不少電氣傳動中的“大馬拉小車”問題，在空載提高效率30~40％，滿載提高10％。精品資料3.矢量控制異步電動機，采用微型計算機對交流異步電動機實現(xiàn)矢量控制，使異步電機既具有直流電機一樣的調節(jié)特性，而且還具有結構簡單、可靠、電機容量不受限制、機械慣性小、體積小、效率(xiàolǜ)高等優(yōu)點。精品資料C、可靠性提高(tígāo)性在電子元件質量(zhìliàng)可靠性高的前提下，機電一體化可以改善耐久性，減少故障。機電一體化產品具有自動監(jiān)視診斷、安全聯(lián)鎖控制、過負荷及失控保護、停電對策等，提高了安全可靠性

精品資料D、節(jié)約能源機電一體化的產品(chǎnpǐn)，可以節(jié)約材料、節(jié)約能源。例如：我國目前各類電風扇的調整器為電磁機械式，如果用電子式調整器每年全國可節(jié)約電600萬度；汽油機電子點火；液壓挖掘機電子節(jié)能。精品資料E、改善(gǎishàn)操作機電一體化產品采用計算機控制，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，因而可以改善設備(shèbèi)操作性能，減少訓練操作人員時間。精品資料F、提高(tígāo)靈活性（柔性）機電一體化產品具有更大的靈活性，可以(kěyǐ)適應用戶多樣化的要求，是當代新技術革命的一大趨向。例如，柔性制造系統(tǒng)，和工業(yè)機器人對于多品種小批量生產特別能發(fā)揮它的優(yōu)越性。精品資料五、先進械電系統(tǒng)