典型的机电一体化系统

以六足爬虫机器人的设计来介绍典型的机电一体化系统姓名：朱尧班级：给排委培13-1学号：13238101222机电一体化系统的简介一、机电一体化的概念和内涵“机电一体化”是新生事物,由日本造英语Mechatronics(Mechanics和Electronics)翻译而来，关于它的确切含义，各国专家、学者的论点也各不相同，迄今国际上尚无统一标准。较为人们接受的是由日本机械振兴协会经济研究所1981年提出的解释：1.机电一体化的概念机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。（如机床电器化不能称为机电一体化）2.机电一体化的内涵机电一体化的内涵包括产品和技术。典型机电一体化产品：BKX-I并联机床二、机电一体化产品的分类1.生产用：数控机床、机器人、FMC、FMS、CIMS2.运输包装用：电梯、数控包装机械、数控运输机械3.销售及银行用：自动称量机、自动售货机、自动取款机4.家庭用：录音机、CD/VCD/DVD、全自动洗衣机、微波炉、儿童玩具5.办公用：打印机、复印机、传真机、磁盘驱动器36.医疗用：X-射线机此外，还有航空、航天、国防、天文等及其他民用机电一体化产品，如雷达跟踪系统、射电望远镜.机电一体化产品的分类并没有统一的标准，一件产品是否属于机电一体化产品应根据前述机电一体化定义来判断。尽管机电一体化产品（系统）中引入了微电子（计算机）技术，但其中的机械本体仍然是主体，产品（系统）的主要功能必须由机械来完成，否则就不能称其为机电一体化产品。如电子计算器，非指针式电子表等，其主要功能是由电子器件和电路等完成，机械退居次要地位，这类产品应归属于电子产品，而不是机电一体化产品。三、机电一体化相关技术1.基础技术：机械技术（包括机械学、机械加工技术和精密机械技术）电工电子技术：逻辑代数技术、计算机技术（软/硬件，操作系统）、电路原理、电子技术。2.机电结合共性技术：系统技术、控制技术（电液气伺服技术）、计算机控制技术、顺序控制技术、接口技术和传感器技术4四、机电一体化系统的功能构成及组成要素1.机电一体化系统的功能构成（1）主功能：对输入的物质、能量和信息进行预定的变换(含加工、处理)、传递(含移动、输送)和保存(含保持、存储、记录)），这些变换及其组合就构成了系统的主功能，它表明了系统的主要特征。（2）动力功能：为系统的正常运行提供能量。（3）计测功能：采集系统内部和外部信息。（4）控制功能：将来自传感器的检测信息和外部输入命令进行处理并发出指令控制整个系统有目的运行。（5）构造功能：将系统各要素进行空间配置，形成统一整体。从系统的输入／输出来看，除有主功能的输入／输出之外，还需要有动力输入和控制信息的输入／输出。此外，还有因外部环境引起的干扰输入以及非目的性输出(如废弃物等)。例如汽车的废气和噪音对外部环境影响，这在系统设计中需要特别注意。2.机电一体化系统的组成要素机电一体化系统本身都是一个完整的系统，通常有以下五大要素组成：（1）机械系统（机构）即机械结构部分，如数控车床的机械系统包括——床身、主轴箱、尾架以及连接等。机电一体化系统对其基本要求是轻、薄、短、小、可靠等。5（2）电子信息处理系统（计算机）一般由计算机、可编程序控制器（PLC）、数控装置及计算机外围设备组成，如数控车床中的CPU板、CRT显示器、键盘等。机电一体化系统对其基本要求是：高速、可靠、智能、标准化、抗干扰能力强、自诊断功能丰富等。（3）动力系统（动力源）通常有电力、液压和气压三种动力源，如数控车床用的是电能。机电一体化系统对该部分的要求是：效率高、响应快，同时要求对水、油、温度、尘埃等外部环境有较强的适应性和可靠性。（4）传感检测系统（传感器）主要由传感器和仪器仪表构成，用于检测系统内、外部的参数及状态，以进行显示或位置反馈。如数控车床用直线感应同步器检测刀具的位置状态。机电一体化系统对其要求是能快速、精确地获取信息，并能经受各种严酷环境的考验。（5）执行元件系统（电动机等）工作方式有电动机、液压缸/马达、气压缸/马达三种。如数控车床刀具走刀运动就是利用步进电机驱动滚珠丝杠完成。机电一体化系统对其要求是：刚性高，重量轻，实现组件化，标准化和系列化，提高系统整体可靠性等。机电一体化系统的这五大要素是与其五大功能相对应的。从仿生学的角度来看，类似于人的构造和功能，但不一定是拟人形，如工业机器人和数控机械。从人的五大要素来说，内脏是吸收营养以维持人的生命和活动（动力），五官接受外界的信息（传感器），手脚与口作用于外界（执行器），头脑集中处理和协调全部信息，并对其他要素和它们之间的连接进行有机的统一控制（计算机），骨骼用来把人体连成一体，并规定其运动（机构）。6四、机电一体化系统构成要素的相互联接机电一体化系统是由许多要素或子系统构成，各要素或子系统之间必须能顺利进行物质、能量和信息的传递与交换，因此，在相互联接要素的交界面上必须具备一定的联系条件，这些联系条件就称为“接口”。在仅有机械或电子的系统中，接口概念并不突出，但机电一体化系统中既有机械，又有电子，由不同技术复合形成的接口通常被称为“广义接口”，并在机电一体化技术中占有极其重要的地位，接口性能的好坏直接影响系统性能的好坏。广义的接口功能有两种，一种是输入/输出功能，另一种是变换调整功能。1.按接口的输入/输出功能分（1）机械接口：对机械的输入/输出部分进行几何上（形状、尺寸、配合、精度等）的匹配，如管接头，法兰盘，联轴节，减速器（2）电气接口（物理接口）：对电气物理参数（电压，电流，阻抗等）进行匹配，如变压器（3）信息接口（软件接口）：对软件的I/O进行语言、格式、标准、符号等的规定。如GB，ISO，ASCII，TCP/IP，各种程序语言等（4）环境接口：对周围的环境条件（温度，湿度，电磁场，振动，水份，粉尘等）的保护作用和隔绝作用，如防尘过滤器，防水连接器，防爆开关等2.按输入/输出的变换与调整功能分（1）零接口：不进行任何参数变换和调整，输出即输入的接口。如机械接口中的管接头，法兰盘，联轴节等，但减速器不属于此类（2）无源接口：仅对无源要素的参数进行变换和调整，一般不改变参数的性质，如齿轮减速器，变压器，可变电阻器以及光学透镜等7（3）有源接口：含有有源要素，能与变换或调整的参数主动匹配，可以改变参数的性质，如电磁离合器，光电耦合器，A/D，D/A转换器等（4）智能接口：含有微处理器，可通过程序编制适应性地改变接口条件，如通用I/O芯片8255，Z80-PIO，RS232串行接口，STD总线等。下面以机器人为例来据介绍典型的机电一体化系统六足爬虫机器人设计（一）、机器人的大脑它可以有很多叫法，可以叫做：可编程控制器、微控制器，微处理器，处理器或者计算器等，不过这都不要紧，通常微处理器是指一块芯片，而其它的是一整套控制器，包括微处理器和一些别的元件。任何一个机器人大脑就必须要有这块芯片，不然就称不上机器人了。在选择微控制器的时候，主要要考虑：处理器的速度，要实现的功能，ROM和RAM的大小，I/O端口类型和数量，编程语言以及功耗等。其主要类型有：单片机、PLC、工控机、PC机等。单有这些硬件是不够的，机器人的大脑还无法运行。只有在程序的控制下，它才能按我们的要求去工作。可以说程序就是机器人的灵魂了。而程序是由编程语言所编写的。编程语言是一个控制器能够接受的语言类型，一般有C语言，汇编语言或者basic语言等，这些通常能被高级一点的控制器直接执行，因为在高级控制器里面内置了编译器能够直接把一些高级语言翻译成机器码。微处理器将执行这些机器码，并对机器人进行控制。8（二）、机器人的眼睛耳朵传感器，是机器人的感觉器官，是机器人和现实世界之间的纽带，使机器人能感知周围的环境情况。其主要有：光电传感器、红外传感器、力传感器、超声波传感器、位置和姿态传感器等等。下面我将就几种常用传感器进行介绍：1、光电传感器：光电传感器的原理是光电效应。其主要用途是颜色识别（机器人就可以沿着地上的线条行进了）和光电编码等。2、红外传感器：红外传感器是用来测量距离和感知周围情况的。因为发射出去的红外信号在一定距离内遇到物体就会反射回来。通过发送红外线信号，并接收反射回来的信号，机器人就可以感知前方或身体周围的情况，做出相应的调整（如：倒退或绕行等）。3、力传感器：力传感器是用来检测碰撞或者接触信号的，比如机械手的应用，当你放一个东西到机械手的时候，机械手自动抓住它，它就需要力传感器检测东西抓的紧不紧。典型的力传感器是微动开关和压敏传感器。微动开关其实就是一个小开关，通过调节开关上的杠杆长短，能够调节触动开关的力的大小。用来做碰撞检测这是最好不过了。但是这种传感器必须事先确定好力的阀值，也就是说只能实现硬件控制（开还控制）。而压敏传感器是能根据受力大小，自动调节输出电压或者电流，从而可以实现软件控制（闭环控制）。4、超声波传感器：超声波传感器是从蝙蝠那里学来的，通过把发射出的信号与接收到的信号进行对比，就可以测定周围是否有障碍物，及障碍物的距离，也属于距离探测传感器，能提供交远的探测范围，而且还能提供在一个范围内的探测而不是一条线的探测。5、位置和姿态传感器：机器人在移动或者动作的时候必须时时刻刻知道自己的姿态动作，否则就会产生控制中的一个开环问题，没有反馈，无法获知运动是否正确。位置传感器和姿态传感器就是用来解决这个问题的。常用的有光电编码器，由于机器人的执行机构一般是电机驱动，通过计算电机转的圈数，可以得出电机带动部件的大致位置，编码器就是这样一种传感器，它一般和电机轴或者转动部件直接连接，电机或者转动部件转了多少圈或者角度能够通过编码器读9出，控制软件再根据读出数据进行位置估计计算。还有一种是陀螺仪，这是利用陀螺原理制作的传感器，主要可以测得移动机器人的移动加速度，转过的角度等信息。（三）、机器人的腿——驱动器与驱动轮驱动器就是驱动机器人的动的部件。最常用的是电机了。当然还有液压，气动等别的驱动方式。一个机器人最主要的控制量就是控制机器人的移动，无论是自身的移动还是手臂等关节的移动，所以机器人驱动器中最根本和本质的问题就是控制电机，控制电机转的圈数，就可以控制机器人移动的距离和方向，机械手臂的弯曲的程度或者移动的距离等。所以，第一个要解决的问题就是如何让电机能根据自己的意图转动。一般来说，有专门的控制卡和控制芯片来进行控制的。有了这些控制卡和芯片，我们所要做的就是把微控制器和这些连接起来，然后就可以用程序来控制电机了。第二个问题是控制电机的速度，在机器人上的实际表现就是机器人或者手臂的实际运动速度了，机器人走的快慢全靠电机的转速，这样，我们就要求控制卡对电机有速度控制。电机目前常用的有两种，步进电机和直流电机。下面我将就这两种电机进行介绍：1、直流电机：这是最最普通的电机了。直流电机最大的问题是你没法精确控制电机转的圈数，也就前面所说的位置控制。你必须加上一个编码盘，来进行反馈，来获得实际转的圈数。但是直流电机的速度控制相对就比较简单，用一种叫PWM（脉宽调速）的调速方法可以很轻松的调节电机速度。现在也有很多控制芯片带调速功能的。选购时要考虑的参数是电机的输出力矩，电机的功率，电机的最高转速。2、步进电机：看名字就知道了，它是一步一步前进的。也就是说，它可以一个角度一个角度旋转，不象直流电机，你可以很轻松的调节步进电机的转角位置，如果你发一个转10圈的指令，步进电机就不会转11圈，但是如果是直流电机，由于惯性作用，它可能转11圈半。步进电机的调速是通过控制电机的频率来获得的。一般控制信号频率越高，电机转的越快，频率越低，转的越慢。选购时要考虑的参数是电机的输出力矩，电机的功率，每个脉冲电机的最小转角。还有就是关于输出的动力，要说明一下：一般情况下，电机都没法直接带动10轮子或者手臂，因为速度过高力矩不够大，所以我们需要加上一个减速箱来增加电机的输出力矩，但是代价是电机速度的减小，比如一个1：250的齿轮箱，会让你电机的