机电一体化教(学)案-概论部分

安徽工贸职业技术学院《机电一体化系统》教案授课学时分配表课程名称机电一体化系统课程代码授课教师陈其祥职称高工授课学期2009—2010学年第二学期计划学时第1周——第10周；共80学时;其中理论70学时实验8学时,习题2学时,等学时分配章节名称学时其中理论学时习题学时第一章概论22第二章系统中的机械结构44第三章检测环节55第四章控制系统761第五章常用控制方式871第六章执行装置及其控制77第七章工业机器人技术44第八章一体化产品实例55章节名称第1章概论第1节机电一体化的概念教学目标1．理解机电一体化的基本概念2．了解机电一体化的典型应用——数控技术3．了解柔性制造技术概念4．了解FMS、CIMS概念课程重点难点1.机电一体化技术的概念2.FMS、CIMS概念教学方法及手段1．课堂理论课讲授2．多媒体教学课件播放辅助教学机电一体化基本概念1。机电一体化的历史机电一体化又称机械电子学，英文称为Mechatronics，它是由英文机械学Mechanics的前半部分与电子学Electronics的后半部分组合而成。机电一体化最早出现在1971年日本《机械设计》杂志的副刊上，随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化的概念被人们广泛接受和普遍使用。1996年出版的WEBSTER大词典收录了这个日本造的英文单词，这不仅意味着“Mechatronics”这个单词得到了世界各国学术界和企业界的认可，而且还意味着“机电一体化”的哲理和思想为世人所接受。2。机电一体化的定义机电一体化信息科学机械学电子学图1-1机电一体化与其它学科的关系到目前为止，就机电一体化这一概念的内涵国内外学术界还没有一个完全统一的表述。一般认为，3。定义机电一体化是以机械学、电子学和信息科学为主的多门技术学科在机电产品发展过程中相互交叉、相互渗透而形成的一门新兴边缘性技术学科。4。定义的三重含义：（1）机电一体化是机械学、电子学与信息科学等学科相互融合而形成的学科。图1-1形象地表达了机电一体化与机械学、电子学和信息科学之间的相互关系；（2）机电一体化是一个发展中的概念，早期的机电一体化就像其字面所表述的那样，主要强调机械与电子的结合，即将电子技术“溶入”到机械技术中而形成新的技术与产品。随着机电一体化技术的发展，以计算机技术、通信技术和控制技术为特征的信息技术（即所谓的“3C”技术：Computer、Communication和ControlTechnology）“渗透”到机械技术中，丰富了机电一体化的含义，现代的机电一体化不仅仅指机械、电子与信息技术的结合，还包括光（光学）机电一体化、机电气（气压）一体化、机电液（液压）一体化、机电仪（仪器仪表）一体化等；（3）机电一体化表达了技术之间相互结合的学术思想，强调各种技术在机电产品中的相互协调，以达到系统总体最优。换句话说，机电一体化是多种技术学科有机结合的产物，而不是它们的简单叠加。从概念的外延来看，机电一体化包括机电一体化技术和机电一体化产品两个方面。机电一体化技术是从系统工程的观点出发，将机械、电子和信息等有关技术有机结合起来，以实现系统或产品整体最优的综合性技术。机电一体化技术主要包括技术原理和使机电一体化产品（或系统）得以实现、使用和发展的技术。机电一体化技术是一个技术群（族）的总称，包括检测传感技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、机械技术及系统总体技术等。机电一体化产品有时也称为机电一体化系统，它们是两个相近的概念，通常机电一体化产品指独立存在的机电结合产品，而机电一体化系统主要指依附于主产品的部件系统，这样的系统实际上也是机电一体化产品。机电一体化产品是由机械系统（或部件）与电子系统（或部件）及信息处理单元（硬件和软件）有机结合、而赋予了新功能和新性能的高科技产品。由于在机械本体中“溶入”了电子技术和信息技术，与纯粹的机械产品相比，机电一体化产品的性能得到了根本的提高，具有满足人们使用要求的最佳功能。5。应用概况现实生活中的机电一体化产品比比皆是。我们日常生活中使用的全自动洗衣机、空调及全自动照相机，都是典型的机电一体化产品；在机械制造领域中广泛使用的各种数控机床、工业机器人、三坐标测量仪及全自动仓储，也是典型的机电一体化产品；而汽车更是机电一体化技术成功应用的典范，目前汽车上成功应用和正在开发的机电一体化系统达数十种之多，特别是发动机电子控制系统、汽车防抱死制动系统、全主动和半主动悬架等机电一体化系统在汽车上的应用，使得现代汽车的乘坐舒适性、行驶安全性及环保性能都得到了很大的改善；在农业工程领域，机电一体化技术也在一定范围内得到了应用，如拖拉机自动驾驶系统、悬挂式农具的自动调节系统、联合收获机工作部件（如脱粒清选装置）的监控系统、温室环境自动控制系统等。作业：1．简述机电一体化技术的定义2．简述机电一体化技术定义的三重含义章节名称第1章第2节教学名称机电一体化系统的组成教学时数教学目标1．一般掌握述机电一体化技术组成的概念2．理解主要组成部分的基本内容3．重点理解控制信息处理单元，接口单元和执行机构课程重点难点1.控制信息处理单元的基本概况2.接口单元的作用和意义教学方法1．课堂理论课讲授及手段2．多媒体教学课件播放辅助教学机电一体化系统的组成1。一般概念传统的机械产品一般由动力源、传动机构和工作机构等组成。机电一体化系统是在传统机械产品的基础上发展起来的，是机械与电子、信息技术结合的产物，它除了包含传统机械产品的组成部分以外，还含有与电子技术和信息技术相关的组成要素。一般而言，一个较完善的机电一体化系统包括以下几个基本要素：（1）机械本体，（2）检测传感部分、（3）电子控制单元、（4）执行器和动力源，（5）各要素之间通过接口相联系（见图1-2）。执行器控制信息电子控制单元动力源检测传感部分机械本体参数变化信息驱动力能量检测参数(1)机械本体机械本体包括机架、机械连接、机械传动等。所有的机电一体化系统都含有机械部分，它是机电一体化系统的基础，起着支撑系统中其它功能单元，传递运动和动力的作用。与纯粹的机械产品相比，机电一体化系统的技术性能得到提高、功能得到增强，这就要求机械本体在机械结构、材料、加工工艺性以及几何尺寸等方面能够与之相适应，具有高效、多功能、可靠和节能、小型、轻量、美观的特点。(2)检测传感部分检测传感部分包括各种传感器及其信号检测电路，其作用就是监测机电一体化系统工作过程中本身和外界环境有关参量的变化，并将信息传递给电子控制单元，电子控制单元根据检测到的信息向执行器发出相应的控制指令。机电一体化系统要求传感器精度、灵敏度、响应速度和信噪比高；漂移小、稳定性高；可靠性好；不易受被测对象特征（如电阻、导磁率等）的影响；对抗恶劣环境条件（如油污、高温、泥浆等）的能力强；体积小、重量轻、对整机的适应性好；不受高频干扰和强磁场等外部环境的影响；操作性能好，现场维修处理简单；价格低廉。图1-2机电一体化系统的构成(3)电子控制单元电子控制单元又称ECU(ElectricalControlUnit),是机电一体化系统的核心，负责将来自各传感器的检测信号和外部输入命令进行集中、存储、计算、分析，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。电子控制单元由硬件和软件组成，系统硬件一般由计算机、可编程控制器(PLC)、数控装置以及逻辑电路、A／D与D／A转换、I／0接口和计算机外部设备等组成；系统软件为固化在计算机存储器内的信息处理和控制程序，根据系统正常工作的要求编写。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和小型、轻量、标准化等。(4)执行器执行器的作用是根据电子控制单元的指令驱动机械部件的运动。执行器是运动部件，通常采用电力驱动、气压驱动和液压驱动几种方式。机电一体化系统一方面要求执行器效率高、响应速度快，同时要求对水、油、温度、尘埃等外部环境的适应性好，可靠性高。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。由于电工电子技术的高度发展，高性能步进驱动、直流和交流伺服驱动电机已大量应用于机电一体化系统。(5)动力源动力源是机电一体化产品能量供应部分，其作用就是按照系统控制要求向机器系统提供能量和动力使系统正常运行。提供能量的方式包括电能、气能和液压能，以电能为主。除了要求可靠性好以外，机电一体化产品还要求动力源的效率高，即用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功率输出。机电一体化产品的五个基本组成要素之间并非彼此无关或简单拼凑、叠加在一起，工作中它们各司其职，互相补充、互相协调，共同完成所规定的功能，即在机械本体的支持下，由传感器检测产品的运行状态及环境变化，将信息反馈给电子控制单元，电子控制单元对各种信息进行处理，并按要求控制执行器的运动，执行器的能源则由动力部分提供。在结构上，各组成要素通过各种接口及相关软件有机地结合在一起，构成一个内部合理匹配、外部效能最佳的完整产品。例如，我们日常使用的全自动照相机就是典型的机电一体化产品，其内部装有测光测距传感器，测得的信号由微处理器进行处理，根据信息处理结果控制微型电动机，由微型电动机驱动快门、变焦及卷片倒片机构，从测光、测距、调光、调焦、曝光到卷片、倒片、闪光及其它附件的控制都实现了自动化。又如，汽车上广泛应用的发动机燃油喷射控制系统也是典型的机电一体化系统。分布在发动机上的空气流量计、水温传感器、节气门位置传感器、曲轴位置传感器、进气歧管绝对压力传感器、爆燃传感器、氧传感器等连续不断地检测发动机的工作状况和燃油在燃烧室的燃烧情况，并将信号传给电子控制装置ECU，ECU首先根据进气歧管绝对压力传感器或空气流量计的进气量信号及发动机转速信号，计算基本喷油时间，然后再根据发动机的水温、节气门开度等工作参数信号对其进行修正，确定当前工况下的最佳喷油持续时间，从而控制发动机的空燃比。此外，根据发动机的要求，ECU还具有控制发动机的点火时间、怠速转速、废气再循环率、故障自诊断等功能。作业：1．简述机电一体化系统的主要组成部分2．简述机电一体化系统的主要组成部分的基本功能章节名称第1章第3节教学名称机电一体化个功能组成部件的关系及作用教学时数学时0.5教学目标1．理解机电一体化系统的主要应用技术2．基本掌握计算机信息技术伺服传动技术相关概念3．理解传感检测，自动控制技术精密机械技术系统技术概念4．了解上述应用技术的基本内容课程重点难点1.计算机信息技术伺服传动技术相关概念2.传感检测技术，自动控制技术精密机械技术系统技术概念教学方法及手段1．课堂理论课讲授2．多媒体教学课件播放辅助教学概述机电一体化是在传统技术的基础上由多种技术学科相互交叉、渗透而形成的一门综合性边缘性技术学科，所涉及的技术领域非常广泛。要深入进行机电一体化研究及产品开发，就必须了解并掌握这些技术。机电一体化共性关键技术主要有：①检测传感技术、②信息处理技术、③控制技术、④伺服驱动技术、⑤机械技术⑥系统总体技术。一、检测传感技术1。作用：检测与传感技术指与传感器及其信号检测装置相关的技术。在机电一体化产品中，传感器就像人体的感觉器官一样，将各种内、外部信息通过相应的信号检测装置感知并反馈给控制及信息处理装置。因此检测与传感是实现自动控制的关键环节。2。要求：机电一体化要求传感器能快速、精确地获取信息并经受各种严酷环境的考验。但是由于目前检测与传感技术还不能与机电一体化的发展相适应，使得不少机电一体化产品不能达到满意的效果或无法实现设计。因此，大力开展检测与传感技术的研究对发展机电一体化具有十分重要的意义。二、信息处理技术1。内容信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策等，实现信息处理的主要工具是计算机,因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。计算机技术包括计算机硬件技术和软件技术、网络与通信技术、数据库技术等。2。作用与要求在机电一体化产品中，计算机与信息处理装置指挥整个产品的运行，信息处理是否正确、及时，直接影响到产品工