机电一体化教案概论部分.docx
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机电一体化教案概论部分
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
2
2
第二章
系统中的机械结构
4
4
第三章
检测环节
5
5
第四章
控制系统
7
6
1
第五章
常用控制方式
8
7
1
第六章
执行装置及其控制
7
7
第七章
工业机器人技术
4
4
第八章
一体化产品实例
5
5
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。
图1-1机电一体化与其它学科的关系
2。
机电一体化的定义
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
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）。
（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。
（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，直接影响到产品工作的质量和效率。
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和产品发展的最活跃的因素。
人工智能、专家系统、神经网络技术等都属于计算机与信息处理技术。
三、自动控制技术
1。
内容及作用
自动控制技术范围很广，包括自动控制理论、控制系统设计、系统仿真、现场调试、可靠运行等从理论到实践的整个过程。
由于被控对象种类繁多，所以控制技术的内容极其丰富，包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、示教再现、检索等控制技术，自动控制技术的难点在于自动控制理论的工程化与实用化，这是由于现实世界中的被控对象往往与理论上的控制模型之间存在较大差距，使得从控制设计到控制实施往往要经过多次反复调试与修改，才能获得比较满意的结果。
2。
意义
由于微型机的广泛应用，自动控制技术越来越多地与计算机控制技术联系在一起，成为机电一体化中十分重要的关键技术。
四、伺服驱动技术
1。
基本内容
伺服驱动技术的主要研究对象是执行元件及其驱动装置。
执行元件有电动、气动、液压等多种类型，机电一体化产品中多采用电动式执行元件，其驱动装置主要是指各种电动机的驱动电源电路，目前多采用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电气接口向上与微型机相联，以接受微型机的控制指令，另一方面又通过机械接口向下与机械传动和执行机构相联，以实现规定的动作。
2。
作用域地位
因此伺服驱动技术是直接执行操作的技术，对机电一体化产品的动态性能、稳态精度、控制质量等具有决定性的影响。
常见的伺服驱动有电液马达、脉冲液压缸、步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。
由于变频技术的进步，交流伺服驱动技术取得突破性进展，为机电一体化系统提供高质量的伺服驱动单元，极大地促进了机电一体化技术的发展。
五、机械技术
1。
新的要求：
机械技术是机电一体化的基础。
机电一体化产品中的主功能和构造功能往往是以机械技术为主实现的。
在机械与电子相互结合的实践中，不断对机械技术提出更高的要求，使现代机械技术相对于传统机械技术而发生了很大变化。
新机构、新原理、新材料、新工艺等不断出现，现代设计方法不断发展和完善，以满足机电一体化产品对减轻重量、缩小体积、提高精度和刚度、改善性能等多方面的要求。
2。
发展趋势
在制造过程的机电一体化系统中，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，是任何其它技术代替不了的。
如计算机辅助工艺规程编制（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。
六、系统总体技术（含接口技术）
1。
概述
系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统工程的观点和方法，将系统总体分解成相互有机联系的若干功能单元，并以功能单元为子系统继续分解，直至找到可实现的技术方案，然后再把功能和技术方案组合成方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。
2。
基本内容及发展
系统总体技术所包含的内容很多，接口技术是其重要内容之一，机电一体化产品的各功能单元通过接口联接成一个有机的整体。
接口包括电气接口、机械接口、人—机接口。
电气接口实现系统间电信号连接；机械接口则完成机械与机械部分、机械与电气装置部分的连接；人—机接口提供了人与系统间的交互界面。
系统总体技术是最能体现机电一体化设计特点的技术，其原理和方法还在不断地发展和完善之中。
作业：
1．简述机电一体化技术包含的主要技术种类
2．简述机电一体化技术中系统技术和接口技术的关系
章节名称
第1章第4节
教学名称
机电一体化技术的特点
教学时数
学时
教学目标
1．理解机电一体化技术的主要技术特点
2．重点理解机电一体化技术高功能，高精度，高效率，高社会效益的基本内容
课程重点难点
1.机电一体化技术的主要技术特点的关键点
2.柔性功能的概念和理解
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
1.工作精度高：
传动简化，检测补偿，采用高精度工作部件
2.增强功能：
功能复合，工序复合，功能叠加，扩展
3.提高效率降低成本：
NC机床加工效率提高5-数十倍）
4.节约能源降低消耗：
最佳工作状态，高效率驱动部件等
5.提高系统的安全性和可靠性：
自动监测，诊断调节，决策和处理等
6.良好的操作性能：
人机界面友好，简化操作，自适应控制等
7.减轻劳动强度，改善工作条件：
系统的智能化和高效高精度工作特点
8.简化结构，减轻重量：
新材料，新型电力电子器件和机械部件等
9.良好的性价比：
功能提高加强，成本下降（例石英计时器）
10.柔性功能增强：
例数控机床，适应现代多品种小批量生产模式
作业：
1．简述机电一体化技术主要具有哪些技术特点
2．简述技术中的柔性功能的概念
章节名称
第1章第5节
教学名称
机电一体化技术在国民经济中的地位及作用
教学时数
学时0.25
教学目标
1．理解机床产业数控化的意义
2．了解机器人产业的现状
3．理解制造自动化的意义
课程重点难点
1.机床产业数控化的意义
2.加工系统柔性技术的概念和意义
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
1。
概述
与其它科学技术一样，机电一体化技术的发展也经历了一个较长期的过程。
有学者将这一过程划分为萌芽阶段、快速发展阶段和智能化阶段三个阶段，这种划分方法真实客观地反映了机电一体化技术的发展历程。
2。
发展历史
“萌芽阶段”指20世纪70年代以前的时期。
在这一时期，尽管机电一体化的概念没有正式提出来，但人们在机械产品的设计与制造过程中总是自觉或不自觉地应用电子技术的初步成果来改善机械产品的性能，特别是在第二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，出现了许多性能优良的军事用途的机电产品。
这些机电结合的军用技术在战后转为民用，对战后经济的恢复和技术的进步起到了积极的作用。
20世纪70年代到80年代为第二阶段，称之为“快速发展阶段”。
在这一时期，人们自觉地、主动地利用３Ｃ技术的成果创造新的机电一体化产品。
在这一阶段，日本在推动机电一体化技术的发展方面起了主导作用。
日本政府于1971年3月颁布了《特定电子工业和特定机械工业振兴临时措施法》，要求企业界“应特别注意促进为机械配备电子计算机和其他电子设备，从而实现控制的自动化和机械产品的其他功能”。
经过几年的努力，取得了巨大的成就，推动了日本经济的快速发展。
其它西方发达国家对机电一体化技术的发展也给予了极大的重视，纷纷制定了有关的发展战略、政策和法规。
3。
我国机电一体化技术现状
我国机电一体化技术的发展也始于这一阶段，从20世纪80年代开始，原国家科委和原机械电子工业部分别组织专家根据我国国情对发展机电一体化的原则、目标、层次和途径等进行了深入而广泛的研究，制订了一系列有利于机电一体化发展的政策法规，确定了数控机床、工业自动化控制仪表、工业机器人、汽车电子化等15个优先发展领域及6项共性关键技术的研究方向和课题，并明确提出要在2000年使我国的机电一体化产品产值比率（即机电一体化产品总产值占当年机械工业总产值的比值）达到15%～20%的发展目标。
从20世纪90年代开始的第三阶段，称之为“智能化阶段”。
在这一阶段，机电一体化技术向智能化方向迈进，其主要标志是模糊逻辑、人工神经网络和光纤通信等领域的研究成果应用到机电一体化技术中。
模糊逻辑与人的思维过程相类似，用模糊逻辑工具编写的模糊控制软件与微处理器构成的模糊控制器，广泛地应用于机电一体化产品中，进一步提高了产品的性能。
例如采用模糊逻辑的自动变速箱控制器，可使汽车性能与司机的感觉相适应，用发动机的噪声、道路的坡度、速度和加速度等作为输入量，控制器可以根据这些输入数据找出汽车行驶的最佳方案。
除了模糊逻辑理论外，人工神经网络（ArtificialNeuralNetwork简称“ANN”）也开始应用于机电一体化系统中。
“ANN”是研究了生物神经网络（BiologicalNeuralNetwork）的结果，是对人脑的部分抽象、简化和模拟，反映了人脑学习和思维的一些特点。
同时，“ANN”是一种信息处理系统，它可以完成一些计算机难以完成的工作，如模式识别、人工智能、优化等；也可以用于各种工程技术，特别适用于过程控制、诊断、监控、生产管理、质量管理等方面。
因此，“ANN”在机电一体化产品设计中也十分重要。
可以说，智能化将是本世纪机电一体化技术发展的方向。
作业：
1．简述数控技术发展对机械加工制造业的影响
2．简述柔性加工技术的特点
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