1機電一體化技術概論

機電一體化技術概論一、引言新技術革命：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"機電一體化"。例：機床，純機械時，其加工精度、加工能力較低，數控機床后，使其功能增強、性能提高，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。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。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)"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。三、現(xiàn)狀3.1國內情況我國，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：國內數控機床在機床中總擁有量較少，國外數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)機器人等還處于研制階段。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。3.2產品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。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。從我國將要發(fā)展的機械工業(yè)產品來分析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:1._大型成套設備2._數控機床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._電子控制汽車或內燃機14._微電腦控制印刷機械15._微電腦控制食品機械或包裝機械16._微電腦控制辦公機械17._電子式照相機18._電子控制農業(yè)機械19._電子控制塑料加工機械20._電子控制電焊機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)四、機械電子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：機械本體、傳感器、信息處理單元和驅動單元A、機械本體為了發(fā)揮機電一體化的特長，機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)實現(xiàn)組件化、標準化和系列化(4)提高系統(tǒng)整體的可靠性B、驅動技術動力源：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。C:信息處理技術信息處理設備：包括計算機主機或可編程控制器及其配套輸入輸出設備、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。D: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。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。E、執(zhí)行機構（運動組成要素）根據控制及信息處理部分發(fā)出的指令，完成規(guī)定的動作和功能。各種伺服電機、液壓傳動機構和氣壓傳動機構。3、機電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，性能價格比大大改善。A、性能提高、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)在數控機床，可克服隨機誤差和系統(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。B、結構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％。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、效率高等優(yōu)點。C、可靠性提高性在電子元件質量可靠性高的前提下，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

D、節(jié)約能源機電一體化的產品，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。E、改善操作機電一體化產品采用計算機控制，具有數字顯示，減少了操作按扭及手柄，具有程序控制等功能，因而可以改善設備操作性能，減少訓練操作人員時間。F、提高靈活性（柔性）機電一體化產品具有更大的靈活性，可以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。二、機電一體化系統(tǒng)實例1、數控機床隨著科學技術的發(fā)展，機電產品日趨精密復雜。產品的精度要求越來越高、更新?lián)Q代的周期也越來越短，從而促進了現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展。尤其是宇航、軍工、造船、汽車和模具加工等行業(yè)，用普通機床進行加工（精度低、效率低、勞動度大）已無法滿足生產要求，從而一種新型的用數字程序控制的機床應運而生。數控機床數控機床是一種裝有程序控制系統(tǒng)（數控系統(tǒng)）的自動化機床。該系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有使用號碼，或其他符號編碼指令（刀具移動軌跡信息）規(guī)定的程序。具體地講，把數字化了的刀具移動軌跡的信息輸入到數控裝置，經過譯碼、運算，從而實現(xiàn)控制刀具與工件相對運動，加工出所需要的零件的機床，即為數控機床。開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)是最簡單的進給伺服系統(tǒng)，無位置反饋環(huán)節(jié)。伺服驅動裝置主要是步進電機、功率步進電機、電液脈沖電機等。由數控系統(tǒng)發(fā)出的指令脈沖，經驅動電路控制和功率放大后，使步進電機轉動，通過齒輪副與滾珠絲杠螺母副驅動執(zhí)行部件。開環(huán)伺服系統(tǒng)示意圖閉環(huán)伺服系統(tǒng)

閉環(huán)伺服系統(tǒng)所用的伺服驅動裝置主要是直流或交流伺服電機以及電液伺服閥—液壓馬達。與開環(huán)進給系統(tǒng)最主要的區(qū)別是：安裝在執(zhí)行部件上的位置檢測裝置，測量執(zhí)行部件的實際位移量并轉換成電脈沖，反饋到輸入端并與輸人位置指令信號進行比較，求得誤差，依此構成閉環(huán)位置控制。由于采用了位置檢測反饋裝置，所以閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位移精度主要取決于檢測裝置的精度。閉環(huán)伺服系統(tǒng)示意圖半閉環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)是將檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執(zhí)行部件的位置。閉環(huán)系統(tǒng)可以消除機械傳動機構的全部誤差，而半閉環(huán)系統(tǒng)只能補償系統(tǒng)環(huán)路內部分元件的誤差。半閉環(huán)系統(tǒng)的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度要低一些，但是它的結構與調試都比較簡單。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)示意圖2、指針式石英鐘13._電子控制汽車或內燃機14._微電腦控制印刷機械15._微電腦控制食品機械或包裝機械16._微電腦控制辦公機械17._電子式照相機18._電子控制農業(yè)機械19._電子控制塑料加工機械20._電子控制電焊機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)機械電子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：機械本體、傳感器、信息處理單元和驅動單元A、機械本體為了發(fā)揮機電一體化的特長，機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)實現(xiàn)組件化、標準化和系列化(4)提高系統(tǒng)整體的可靠性B、驅動技術動力源：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。C:信息處理技術信息處理設備：包括計算機主機或可編程控制器及其配套輸入輸出設備、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。D: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。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。3、機電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，性能價格比大大改善。A、性能提高、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)在數控機床，可克服隨機誤差和系統(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。B、結構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％。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、效率高等優(yōu)點。C、可靠性提高性在電子元件質量可靠性高的前提下，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