1機(jī)電一體化技術(shù)概論

機(jī)電一體化技術(shù)概論一、引言新技術(shù)革命：以信息技術(shù)為中心，提高工作效率為目標(biāo)。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，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"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(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)展起到積極推動作用，這個時期稱之為萌芽時期。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)，這個時期可稱之為成長時期。九十年代，集成度提高，價格下降，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)遍及社會各個領(lǐng)域。全盛時期開始。三、現(xiàn)狀3.1國內(nèi)情況我國，目前"機(jī)電一體化"技術(shù)還相當(dāng)落后，機(jī)械系統(tǒng)有５萬個品種，約有２萬個品種需要實(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，國外數(shù)控機(jī)床已占機(jī)床總擁有量的30~80％；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)中的一個重要課題，是振興我國機(jī)電工業(yè)的一項(xiàng)戰(zhàn)略決策。3.2產(chǎn)品范圍在新技術(shù)革命的浪潮中，自動化技術(shù)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(jī)電一體化產(chǎn)品所構(gòu)成。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。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。具體地說，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._自動化管理系統(tǒng)5._電子化量具量儀6._工業(yè)機(jī)器人7._電子化家用電器8._電子化電機(jī)傳動與調(diào)整系統(tǒng)9._電子化電站自動裝置與開關(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._計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIM)四、機(jī)械電子的技術(shù)構(gòu)成機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成可以由右圖形象地表示出來。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)動單元A、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(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、驅(qū)動技術(shù)動力源：液壓、氣動、電動三種前兩種驅(qū)動系統(tǒng)比較復(fù)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(biāo)準(zhǔn)化以及減輕重量、減小體積等問題。電動機(jī)作為驅(qū)動機(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)裝編碼器的電動機(jī)以及控制專用組件、傳感器、電動機(jī)三為一體的伺服驅(qū)動單元。C: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。D: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。

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(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。

① 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。

② 智能化就是發(fā)展具有自修功能的傳感器。E、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（運(yùn)動組成要素）根據(jù)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(jī)、液壓傳動機(jī)構(gòu)和氣壓傳動機(jī)構(gòu)。3、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，性能價格比大大改善。A、性能提高、功能增強(qiáng)①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)到前所未有的高精度。②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。③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。B、結(jié)構(gòu)簡化因采用微處理機(jī)、集成電路、新型傳動技術(shù)，代替電氣控制柜和傳動裝置，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(jī)，采用微型計(jì)算機(jī)對交流異步電動機(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)。C、可靠性提高性在電子元件質(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。機(jī)電一體化產(chǎn)品具有自動監(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

D、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。E、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)練操作人員時間。F、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)用戶多樣化的要求，是當(dāng)代新技術(shù)革命的一大趨向。例如，柔性制造系統(tǒng)，和工業(yè)機(jī)器人對于多品種小批量生產(chǎn)特別能發(fā)揮它的優(yōu)越性。二、機(jī)電一體化系統(tǒng)實(shí)例1、數(shù)控機(jī)床隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜。產(chǎn)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(jìn)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(jī)床進(jìn)行加工（精度低、效率低、勞動度大）已無法滿足生產(chǎn)要求，從而一種新型的用數(shù)字程序控制的機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)控機(jī)床數(shù)控機(jī)床是一種裝有程序控制系統(tǒng)（數(shù)控系統(tǒng)）的自動化機(jī)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(shù)字化了的刀具移動軌跡的信息輸入到數(shù)控裝置，經(jīng)過譯碼、運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)控制刀具與工件相對運(yùn)動，加工出所需要的零件的機(jī)床，即為數(shù)控機(jī)床。開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)是最簡單的進(jìn)給伺服系統(tǒng)，無位置反饋環(huán)節(jié)。伺服驅(qū)動裝置主要是步進(jìn)電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)、電液脈沖電機(jī)等。由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率放大后，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過齒輪副與滾珠絲杠螺母副驅(qū)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(qū)動裝置主要是直流或交流伺服電機(jī)以及電液伺服閥—液壓馬達(dá)。與開環(huán)進(jìn)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(shí)際位移量并轉(zhuǎn)換成電脈沖，反饋到輸入端并與輸人位置指令信號進(jìn)行比較，求得誤差，依此構(gòu)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(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的全部誤差，而半閉環(huán)系統(tǒng)只能補(bǔ)償系統(tǒng)環(huán)路內(nèi)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(jié)構(gòu)與調(diào)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(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._計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIM)機(jī)械電子的技術(shù)構(gòu)成機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成可以由右圖形象地表示出來。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)動單元A、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(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、驅(qū)動技術(shù)動力源：液壓、氣動、電動三種前兩種驅(qū)動系統(tǒng)比較復(fù)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(biāo)準(zhǔn)化以及減輕重量、減小體積等問題。電動機(jī)作為驅(qū)動機(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)裝編碼器的電動機(jī)以及控制專用組件、傳感器、電動機(jī)三為一體的伺服驅(qū)動單元。C: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。D: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。

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(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。

① 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。

② 智能化就是發(fā)展具有自修功能的傳感器。3、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，性能價格比大大改善。A、性能提高、功能增強(qiáng)①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)到前所未有的高精度。②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。③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。B、結(jié)構(gòu)簡化因采用微處理機(jī)、集成電路、新型傳動技術(shù)，代替電氣控制柜和傳動裝置，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(jī)，采用微型計(jì)算機(jī)對交流異步電動機(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)。C、可靠性提高性在電子元件質(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。機(jī)電一體化產(chǎn)品具有自動監(jiān)視診斷、安全聯(lián)鎖控制、過負(fù)荷及失控保護(hù)、停電