第一章机电一体化技术导论

第一章机电一体化技术导论小型的生产、加工系统，即使是一台机器，也是有许多要素构成的，为了实现其“目的功能”，还需要从系统的角度出发，不拘泥于机械技术或电子技术，并寄希望于能够使各种功能要素构成最佳结合的柔性技术与方法，机电一体化工程就是这种技术和方法的统一。机电一体化系统是一个包括物质流、能量流和信息流的系统，要想有效的利用各种信号所携带的丰富的信息资源，则必须有赖于信号处理和信息识别技术。考察所有的机电一体化产品，就会看到准确的信息获取、处理和利用在系统中所起的实质性作用。1.5.2关键技术微电子技术、精密机械技术是机电一体化的技术基础。微电子技术的进步，尤其是微型计算机技术的迅速发展，为机电一体化技术的进步和发展创造了条件。机电一体化产品中的许多重要零部件都是利用超精密加工技术制造的，微电子技术本身的发展也离不开精密机械技术。例如，大规模集成电路（largescaleintegration，LSI）制造中的微细加工就是精密机械技术的进步成果。因此，精密机械技术促进了微电子技术的不断发展，微电子技术的不断发展又推动了精密机械技术中加工设备的不断更新。机电一体化的发展直接受以下共性关键技术及其发展的影响：传感检测技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、接口技术、精密机械技术及系统总体技术等，同时也要受到社会条件和经济基础的影响。1、传感检测技术在机电一体化产品中，工作过程的各种参数、工状态以及与工作过程有关的相应信息都要通过传感器进行接收，并通过相应的信号检测装置进行测量，然后送人信息处理装置，反馈给控制装置，以实现产品工作过程的自动控制。机电一体化产品要求传感器能快速、准确地获取信息并且不受外部工作条件和环境的影响，同时检测装置能不失真地对信息信号进行放大、输送和转换。在国际上。传感技术被列为六大核心技术(计算机、激光、通讯、半导体、超导和传感)和现代信息技术的三大基础(传感技术、通讯技术、计算机技术)之一。传感器技术的发展正进人集成化、智能化研究阶段。把传感器件与信号处理电路集成在一个芯片上，就形成了信息型传感器；若再把微处理器集成到信息型传感器的芯片上，就是所谓的智能型传感器。大力开展传感器研究，对于机电一体化技术的发展具有十重要的意义。2．信息处理技术信息处理技术是指在在机电一体化产品工作过程中,与工作过程各种参数和状态以及自动控制有关的信息输入、识别、变换、运算、存储、输出和决策等技术。在机电一体化产品中，实现信息处理技术的主要工具是计算机。计算机信息处理装置是产品的核心，它控制和指挥整个机电一体化产品的运行。信息处理是否正确、及时，将直接影响系统的工作质量和工作效率，因此，计算机应用及信息处理技术已成为促进机电一体化技术发展和变革最活跃的因素。人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等都属于计算机信息处理技术。3．自动控制技术自动控制是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。自动控制技术的广泛应用，不仅大大提高了劳动生产率和产品质量，改善了劳动条件，而且在人类征服大自然、探索新能源、发展空间技术与改善人类物质生活等方面起着极为重要的作用。机电一体化将自动控制作为重要的支撑技术，自动控制装置是它的重要组成部分。4．伺服驱动技术伺服驱动技术主要是指机电一体化产品中的执行元件和驱动装置设计中的技术问题，它涉及设备执行操作技术，对所加工产品的质量具有直接的影响。机电一体化产品中的执行元件有电动、气动和液压等类型，其中多采用电动式执行元件；驱动装置主要是各种电动机的驱动电源电路，目前多由电力电子器件及集成化的功能电路构成。执行元件一方面通过接口电路与计算机相连，接受控制系统的指令；另一方面通过机械接口与机械传动和执行机构相连，以实现规定的动作。因此，伺服驱动技术直接影响着机电一体化产品的功能执行和操作，对产品的动态性能、稳定性能、操作精度和控制质量等具有决定性的影响。5．接口技术机电一体化系统是机械、电子和信息等性能各异的技术融为一体的综合系统，其构成要索和子系统之间的接口极其重要。从系统外部看，输人／输出是系统与人、环境或其他系统之间的接口；从系统内部看，机电一体化系统是通过许多接口将各组成要素的输人／输出联系成一体的系统。因此，各要素及各子系统之间的接口性能就成为综合系统性能好坏的决定性因素。机电一体化系统最重要的设计任务之一往往就是接口设计。6．精密机械技术精密机械技术是机电一体化的基础，因为机电一体化产品的主功能和构造功能大都是以机械技术为主得以实现的。随着高新技术引人机械行业，机械技术面临着挑战和变革。在机电一体化产品中，机械系统不再是单一地完成系统问的连接，在系统结构、质量、体积、刚性与耐用性方面对机电一体化系统也有着重要的影响。机电一体化产品对机械部分零部件的静态刚度、动态剐度和热变形等机械性能有更高的要求，特别是关键零部件，如导轨、滚珠丝杠、轴承、传动部件等的材料、精度对机电一体化产品的性能、控制精度影响极大。在机电一体化系统的制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。这里原有的机械技术以知识和技能的形式存在，是任何其他技术代替不了的。如计算机辅助工艺规划(computerAidedProcessPlanning，cAPP)是目前cAD／cAM系统研究的瓶颈，其关键问题在于如何将广泛存在于各行业、企业、技术人员中的标准、习惯和经验进行表达和陈述，从而实现计算机的自动工艺设计与管理。7．系统总体技术系统总体技术就是从整体目标出发，用系统的观点和方法，将机电一体化产品的总体功能分解成若干功能单元，找出能够完成各个功能的可能技术方案，再把功能与技术方案组合成方案组进行分析、评价，综合优选出适宜的功能技术方案。系统总体技术是最能体现机电一体化设计特点的技术，也是保证其产品工作性能和技术指标得以实现的关键技术。在机电一体化产品中，机械、电气和电子是性能、规律截然不同的物理模型，因而存在匹配上的困难：电气、电子又有强电与弱电、模拟与数字之分，必然会遇到相互干扰与耦合的问题：系统的复杂性带来的可靠性问题；产品的小型化增加了状态监测与维修的困难；多功能化造成诊断技术的多样性等。因此就要考虑产品整个寿命周期的总体综合技术。为了开发出具有较强竞争能力的机电一体化产品，系统总体设计除考虑优化设计外，还包括可靠性设计、标准化设计、系列化设计以及造型设计。1.6机电一体化的发展1.6.1机电一体化的发展状况机电一体化及其周边技术的发展如表l一2所示。表中以下列技术为例，即作为机械技术代表的机械系统、作为电子技术代表的半导体技术、作为通信技术代表的网络技术、作为工程设计代表的cAD技术、作为生产制造技术代表的cAM(computerAicledManufacturing)技术等。表中分别列举了这些技术近50年的发展概况：20世纪50年代，基于晶体管技术的Nc技术诞生；20世纪60年代，基于Ic技术的机器人技术出现；20世纪70年代的LSI的FMS技术相继出现；20世纪80年代，基于VLSI(Verylarfescaleintegratedcircuit)技术并伴随着16位个人计算机普及化而逐渐发展起来了FA(Factoryautomation)技术；20世纪90年代，基于32～64位cPu的cIM(coraputerIntegratedManufacturing)技术出现；随着机械制造技术和电子技术的不断进步，2l世纪已经全面进入了IT(informationtechnology)时代。表1—2机电一体化及其周边技术的发展半导体技术的快速发展是机电一体化技术发展的基础。例如，计算机的性能随着半导体技术的进步而提高，CPU的性能每隔1.8～2年提高1倍。该规律在很大程度上推动着机电一体化的发展。机电一体化在日本比欧美发展得更快，主要原因在于日本的半导体技术20世纪80年代开始就处于世界前列，因而，在日本很容易买到LSI和VLSI等电子零部件，这些电子零部件也广泛应用于汽车、家用电器等领域。这些都成为了促进机电一体化技术快速发展的重要原因。随着半导体制造技术从量的扩大时代向着质的革新时代的转变，要求开发与半导体的微细化和高速、高密度化相适应的半导体制造装置，同时，要求进一步开发出高性能与经济性二者兼顾的、与地球环境相适应的新一代半导体产品。随着半导体技术的快速发展，过去只有借助于齿轮、连杆或凸轮等机械机构才能进行的作业，现在已经可以用LSI，IC或其组合的微型计算机来代替。半导体技术的发展加速了家用电器、精密机器等技术领域的机电一体化进程。其中具有代表性的产品有数字钟表、数码照相机等。具有微米精度的精密机械加工技术也已经实现了自动化或系统化，例如，CNC机床及加工中心等。随着用户需求的多样化，与产品多品种化相对应的、专门适应多品种小批量生产自FMS于20世纪70年代出现在生产现场。到了80年代，工厂和企业开始采用计算机管理从而进入了工厂自动化(即FA化)时代。图1—8所示为由FMS组成的FA实例。根据来自FA系统中枢的主计算机的指令，统一管理自动调整区、加工区、产品检查线以及自动仓库等各个部门。例如，在加工区对各种CNC机床、MC(MachiningCenter)和机器人等进行控制，使产品的零部件加工自动进行。图1—8中的装卸机器人和CNC机床以及小车转换等的一个组合称为机械单元。FMS可以认为是几个机械单元的组合。FA则由多个FMS组合而成，采用计算机进行控制、管理和运营整个工厂系统。当FMS和FA正常运行时，活跃着在焊接、热处理、化学处理、涂装、装配等各种工序下工作的机器人。20世纪90年代的CIM则是这种FA工厂与企业的企划、运营、销售以及售后服务等各部门的协同统合，在进行企业活动时，这是一种实现了具有必要的统一信息管理的规模更大的系统。1995年，随着作为个人计算机操作系统的Windows95的大量销售，个人计算机迅速普及。与此同时，由于Internet的软件Netseape的发行，使世界迅速实现了网络化，确立了全球信息化的基础。2000年，IT技术波及全世界，不仅涉及生活、经济、金融等领域，而且渗透到了物流、制造等领域，人类已经进入了信息时代．加工中心(MC)围1—8由FMS组成的FA实例进入21世纪后，机电一体化技术所涉及的关键词主要有：环境、信息、生命和纳米等，其中，纳米技术不仅是涉及信息通信、医疗、环境、能源等领域发展的基础技术，而且是涉及高分子、碳、金属、陶瓷等几乎所有材料的一个关键词。机电一体化技术将全面进人到纳米技术领域的控制技术、传感器技术及传动技术等各个方面。1.6.2机电一体化的发展趋势机电一体化是机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科交叉融合的综合性技术，其发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。凼此，机电一体化的主要发展方向有如下几方面。1、智能化智能化是2l世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。这里所说的“智能化”是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想与新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。2．模块化模块化是一项重要而又艰巨的工程。由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的工作，如研制集减速：智能调速、电动机于一体的动力单元，具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元，以及各种能完成典型操作的机械装置。这样，可利用标准单元迅速开发出新的产品，同时也可扩大生产规模。显然，从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业，模块化都将给机电一体化企业带来更大的收益。3．网络化加世纪90年代，计算机技术的突出成就是网络技术。各种网络将全球经济、生产连成一片，企业间的竞争也全球化。机电