机电一体化自学课件第一章

第一章引论•1.1.1引言机电一体化是在微型计算机为代表的微电子技术、信息技术迅速发展，向机械上业领域迅猛渗透，机械电子技术深度结合的现代工业的基础上，综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术及软件编程技术等群体技术，从系统的观点出发，根据系统功能目标和优化组织结构目标，以智能、动力、结构、运动和感知组成要素为基础，对各组成要素及其间的信息处理、接口平台、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究，使得整个系统有机结合与综合集成，并在系统程序和微电子电路的有序信息流控制下，形成物质和能量的有规则运动，在高功能、高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值系统I程技术。“机电一体化”根源于“Meckantronics”，它是一个新兴的边缘学科，国内外处于发展阶段，代表着机械工业技术革命的前沿方向。进入20世纪60年代以来，—大批逐步形成的高技术群体，如微电子技术、信息技术、自动化技术、生物技术、第一章引论新材料技术、新能源技术、空间技术、海洋开发技术、激光与红外技术、光纤通信技术等等，已经且继续向经济、军事和社会生活的各个领域渗透，以空前的规模向现实生产迅速转化。高新技术向产业转移，推动生产力的革命性发展，对人类社会的经济、政治结构。对国家、民族的命运和前途，对企业的生存兴衰具有决定性的作用。微电子技术及信息技术是这次新技术革命的主导。微电子技术直接推动微型计算机的急剧发展o1990年11月，日本日立公司宣称，它已经研制成功世界上最快的神经网络计算机，运算速度仅23亿分之一秒，微型计算机几乎以每3年更换一代的速度发展。微电子技术和微型计算机技术带动整个高新技术群体飞速发展，迅速转化为巨大的经济效益。事实上，高技术竞争和突破正在创造着新的生产方式和经济秩序，新技术革命打开了所有国家的大门，现代经济日益表现出强烈的世界经济特征，国家和企业受到世界经济形势的严重影响，高新技术渗透到传统产业，引起传统产业的深刻改变。机电一体化正是在这场新技术革命中第一章引论产生的新兴领域。微电子技术、微型计算机使信息与智能机械装置与动力设备有机结合，使得产品结构和生产系统发生了质的飞跃。机电一体化产品的功能，除了精度、动力、快速性外，更需要自动化、柔性化、信息化、智能化，逐步实现自适应、自控制、自组织、自管理，向智能化过渡。因此，机电一体化产品或设备机械类模块，电脑类模块、电子类模块、电力电子类模块等集成融合成一体化。从典型的机电一体化产品来看，如数控机床、加工中心、机器人以至战斗机等，都无一不包含这些模块的集成与融合。可以预料，在数控机床、机器人、汽车电子化、微型机械、录像机SMT设备、现代制造系统等产品及领域。机电一体化技术将得到更加蓬勃的发展。第一章引论•1.1.2机电一体化系统的基本组成要素一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。我们将这些部分归纳为：结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、智能组成要素；这些组成要素内部及其之间，通过接口耦合、运动传递、物质流动、信息控制、能量转换有机融合集成一个完整系统。1．机械本体系统所有功能元素的机械支持结构，包括机身、框架、联接等。由于机电一体化产品技术性能、水平和功能的提高，机械本体要在机械结构、材料、加工工艺性以及几何尺寸等方面适应产品高效、多功能、可靠和节能、小型、轻量、美观等要求。第一章引论2．动力部分按照系统控制要求，为系统提供能量和动力使系统正常运行。用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出，是机电一体化产品的显著特征之一。驱动部分在控制信息作用下，提供动力、驱动各执行机构完成各种动作和功能。机电一体化系统一方面要求驱动的高效率和快速响应特件．同时要求对水、油、温度、尘埃等外部环境的适应性和可靠性。由于几何尺寸上的限制，动作范围狭窄，还需考虑维修和实行标准化。由于电力电子技术的高度发展，高性能少进驱动、直流和交流伺服驱动大量应用于机电一体系统。3．测试传感部分对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，变成可识别信号，第一章引论传输到信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。其功能一般由专门的传感器和仪器仪表完成。4．执行机构根据控制信息和指令，完成要求的动作。执行机构是运动部件，一般采用机械、电磁、电液等机构。根据机电一体化系统的匹配性要求，需要考虑改善性能，如提高刚性，减轻重量，实现组件化、标准化和系列化，提高系统整体可靠性等。5．控制及信息单元将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令控制整个系统有目的地运行。一般采用计算机、可编程控制器第一章引论(PLC)、数控装置以及逻辑电路A／D与D／A转换、I／O(输入输出)接口和计算机外部设备等组成。机电一体化系统对控制和信息处理单元的基本要求是：提高信息处理速度，提高可靠性，增强抗干扰能力以及完善系统自诊断功能，实现信息处理智能化相小型、轻量、标胖化等。•二、机电一体化的内涵机电一体化一般包括技术和产品两个部分，从技术构考虑，机电一体化主要包括五种技术。这就是：①机械技术；②微电子技术；②计算机技术；④自动控制技术；⑤电工技术。第一章引论检测机电一体化的五大功能运转驱动结构控制第一章引论动力执行机构传感器计算机机械结构机电一体化的五大要素第一章引论三、机电一体化的相关技术机电一体化包括软件和硬件两方面技术。硬件是由机械本体、传感器、信息处理单元和驱动单元等部分组成。因此，为加速推进机电一休化的发展，必须从以下几方面着手。(一)机械本体机械本体必须从改善性能、减轻重量和提高精度等几方面考虑。1．减轻重量现代机械产品一般都是采用钢铁材料为主制造的。为了减轻重量，除了在结构上加以改进外，主要应考虑利用非金属复合材料。只有机械本体减轻了重量，第一章引论才有可能实现驱动系统的小型化，在控制方面才能够改善快速响应特性、减少消耗能量、提高效率。2．提高刚度包括静态刚度、动态刚度以及导向面、配合面的刚度问题，必须全面考虑。要保证在减轻重量的情况下，不降低刚度。3．实现通用化、标准化和系列化从改进组合单元结构设计和进行性能分析入手，使零部件具有互换性，并提高使用和维修水平。如在机械加工中，采用组合夹具、可调夹具等。4．提高系统整体的可靠性因为机电一体化产品不是普通的单一产品，它构成—个系统。—处出现故障，会造成整个系统停止运行。因此必须形成维修和保养方便、出现问题时易于寻找故障部位的系统。仅从机械方面来讲，开展可靠性设计及普及该项技术的应用；加强对机电产品基础元器件的失效分析研究；并在提高元器件第一章引论可靠性水平的同时，开展对整机系统可靠性的研究。机电一体化产品的设计从静强度设计到动强度设计，同时采则损伤容限设计、动力优化设计、摩擦学设计、防蚀设计、低噪声设计等。(二)传感技术根据用途可以分为检测自身内部信息的传感器和检测对象的外部传感器。检测装置由检测、转换、指示、信息处理、记录等部分组成。传感信息的方式有：光、电、流体、机械等。评价指标有：功能范围、灵敏度、分辨率、耐环境性、抗干扰性、可靠性等。此外，还有加工前、加工中、加工后检测等系统化的问题，以及模拟系统、数字系统(包括混合系统)等统一化的问题等。传感器的问题集中在提高可靠性、提高灵敏度和精确度方。提高可靠性与防干扰有直接的关系。为了避免电子干扰，目前第一章引论有采用光纤电缆传感器的趋势，对外部信息传感器来说，目前发展非接触型检测技术。传感器向高级化发展，主要是实现元件化和智能化。所谓功能元件，就是用一片集成电路实现传感器和信息处理一体化。进一步建立起可以互换的传感器功能模块系列，建成传感器群的分级结构。智能化就是发展具有自诊断、自修正功能的传感器，(三)信息处理技术信息处理设备包括计算机主机或可编程控制器及与其配套的输入输出设备、显示器和外部存储(磁盘等)。机电—体化是与微电子学的显著进步、信息处理设备(特别是微型计算机)的普及应用分不开的。为进一步发展机电—体化，必须提高信息处理设备的可靠性，包括模／数转换设备的可靠性和分时处理时输入输出可靠性，提高第一章引论处理速度，并解决抗干扰及标准化问题。在研制小型、大容量、高速处理计算机同时还需要开发高速，小功率运算部件。实现复杂的多信息联机处理，使硬件快速动作，则主要依赖于信息处理部分的高速处理功能。(四)驱动技术驱动方式按动力源的不同可分成：液压、气动、电动三种。前两种驱动系统比较复杂，包括泵、阀、液压缸(气缸)、过滤器、管径等。目前存在着功能可靠性、标准化以及减轻重量、减小体积等问题。电机作为驱动机构已被广泛采用，但目前在快速响应和效率等方面还存在一些问题。目前正在积极发展内装有编码器的电机，以及控制专用组们：——传感器—电机三位一体的伺服驱动单元。第一章引论(五)接口技术将组成机电一体化产品各部分连接起来的元件就是接口。如在机械设备与微型机的连接中，由于机械动作相对微型机工作速度是极其缓慢，微型机输出的信号是以并行方式传递脉冲数字代码，输入的信号足以数字脉冲形式，而机械设备所接受的电流或电平形式的信号，以及传感器从机械设备所检测并反馈给微型机的信号，都与微型机输出和输入信号存在很大的差别；这都要求解决两者间的接口电路。接口电路要完成两个作用，其一是信息交换，指的是工作速度快的计算机与工作速度慢的外围设备之间进行信息交换时所需要的接口。另一种接口是指电平转换电路，指的是同类型元器件之间进行连接时所需要的接口。接口采用同一标准规格，不仅给信息传递和维修带来方便，第一章引论而且可以简化设计。采用通用接口可使成本下降，起码的要求是输入/输出接口要标准化。为了与计算机连接，必须使数据传送的格式标准化、规格化。目前正致力于发展低成本、高速中行接口，解决信号电缆非接触化，光导纤维以及光耦器的大容量化、小型化、标准化等问题。(六)软件技术软件与硬件必须协调一致地发展。为了减少软件的研制成本，提高生产维修的效率，要逐步推行软件标准化，包括：子程序标准化，程序模块化，软件程序的固化，推行软件上程等。此外，数据库的建立，作业描述语言的开发，语言理解、文字第一章引论理解等软件问题，也是机电—体化中应予关注的问题。第三节机电一体化的发展前景一、机械技术发展的总趋势关于机械技术的发展，可以概括四个阶段。在这四个阶段中分别赋予机械不同的功能。进入机电一体化阶段，就是使机械技术智能化，更好地代替人进行各项工作。第一阶段机构的发明凸轮、齿轮、联轴节、轴承、传动带、螺钉、螺母等作业功能第二阶段使作业机构动作的动力机械水力、风力、蒸汽动力、内燃机、电动机等动力功能第一章引论第三阶段自动控制技术的发明传感器、伺服系统等测定功能第四阶段微电子学的发明大规模集成电路、微型计算机、各种接口等智能功能二、机电一体化技术的发展方向研究机电一体化技术的先驱者波边茂先生在以“机电一体化技术的将来”为题所发去的特别讲演中，指出了以下七个方面的发展方向：1)复合化；2)小型化和轻量化；3)高速化；4)移动化；5)智能化；6)层次化和系统化；7)全盘化。第一章引论(—)复合化关于复合化，如在FMS基础上发展起来的FMC就是以这种复合化概念作为系统设计的基本条件，并且可在同—地点、同时处理加工、装配、检测等两种以上的工作。通过这种复合处理，便可在同—空间内将工件的停留和搬运空间压缩到最低限度，以期实现多品种小批量生产的自动化和高效率化，(二)小型化和轻量化小型、轻量化是指与微细加工技术相类似的一种表现。由于引进微电子技术，实现机电一体化，对提高机械的精度和功能处十分有利的。进—步来说，将机械的重量减轻到与人体重量相称的水平，第一章引论乃是今后机电一体化技术发展的基本要求(二)高速化高速化是现在所有技术开发的基本目标，在机电一体化领域中尤为重要，妨碍机电一体化产品实现高速化的原因有电子方面的，也有机械方面的，例如工业机器