机电一体化.docx

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机电一体化

机电一体化

机电一体化又称机械电子学，英语称为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年日本杂志《机械设计》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我们广泛接受和普遍应用。

随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用,机电一体化技术获得前所未有的发展。

现在的机电一体化技术，是机械和微电子技术紧密集合的一门技术，他的发展使冷冰冰的机器有了人性化，智能化。

　　机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息

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技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合，并综合应用到实际中去的综合技术。

是现代化的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化的设备。

　　中国机电设计迈入PLM全新阶段，正挑战着了前所未有的，不可预测的难题，一个个久战沙场经久不衰精兵良将正褪去了昨日英雄的光环，唯有CAMELVIEW能够胜任军统三国，光复旧业的重任，此时数系科技与德国iXtronicsGmbH公司携手共同开拓机电设计领域的新篇章，CAMELVIEW作为机电一体化设计系统，从产品的概念设计到产品性能的测试、验证、通过都是一体化的，流程化的、规范化的，在满足用户设计的前提下，数值实验的仿真与结果的验证无不精确化，支持复杂环境下，多工况，多耦合场设计。

　　研究将电子器件的信息处理和控制功能附加或融合在机械装置中的一种复合化技术。

俗称机电一体化。

机械电子学（mechatronics）是由机械学（mechanics）和电子学（electronics）两个词结合而成的新词。

其全称为机械电子工程学，英语为mechanicalandelectronicalengineering。

机

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械电子学主要研究目的是把机械技术与微电子技术和信息技术有机地结合为一体，实现整个系统的最优化。

机械电子学可以充分发挥机械技术、微电子技术和信息技术的各自的长处和特点，促进机械产品的更新换代。

机械电子学系统主要由机械主体、传感器、信息处理和执行机构等部分组成。

较高级的系统不但有硬件，而且还有相应的软件,利用软件技术可以实现硬件难以实现的功能,使机械系统增加柔性。

典型的机械电子系统有数控机床、加工中心、工业机器人等。

机械电子学技术除用于单个机器、设备或一般的生产系统的技术改造之外，还用于柔性制造系统、计算机集成制造系统、工厂自动化、办公自动化、家庭自动化等方面。

具体内容

（1）机械技术

　　机械技术是机电一体化的基础，机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技

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术相适应，利用其它高、新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上的变更，满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能的要求。

在机电一体化系统制造过程中，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。

（2）计算机与信息技术

　　其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。

（3）系统技术

　　系统技术即以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，接口技术是系统技术中一个重要方面，它是实现系统各部分有机连接的保证。

（4）自动控制技术

　　其范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。

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（5）传感检测技术

　　传感检测技术是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。

其功能越强，系统的自动化程序就越高。

现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证。

（6）伺服传动技术

　　包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。

模型阶段

　　模型阶段，所有的系统组件都能够被最优化；

　　在仿真计算的帮助下，可以测试和分析这些组件的适用性；监测响应频率；

　　对模型进行分析。

此外，还能够生成一个物理/拓扑系统模型，包括机械、液压和控制导向组件。

有必要有一个模型工具，这个工具支持机电一体化系统的物理模型，即当有实物和节点时，这些模型能够以1：

1来测试，并且原型设计研究阶段可以在严酷的实时条件下进行。

测试阶段

　　在系统运行完模型阶段之后，所产生的具体的性能数据可以通过试验台验证。

这

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样就可以测试和检验该系统有关参数波动的鲁棒性，功率储备及连续运行的特征。

这样做的话，用户可以进行测试或者使用CAMeL-ViewTestRig进行硬件在回路（的测试）。

要进行硬件在回路测试，相关装置的物理特性需要详细确认，这些装置必须是建立在测试平台的基础之上。

识别经过测试平台上测试过的组件，容许这些组件在模型中被识别，并确保整个以系统为基础的仿真分析布局。

原型阶段

　　成功的测试之后，就会建立一个原型。

这里要特别关注的是模型特性，这些特性特指通过特别费力的仿真所决定的特性，比如组件损耗（性能）。

这些数据结果，为模型基础性分析提供服务，同时为进一步研发提供知识基础。

编辑本段组成要素与四大原则

1.五大组成要素

　　一个机电一体化系统中一般由结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、职能组成要素五大组成要素有机结合而成。

机械本体（结构组成要素）是系统的所有功能要素的机械支持结构，一般包括有机身、框架、支撑、联接等。

动力驱动部分（动力组成要素）依据系统控制要求，为系统提供能量和动力以使系统正常运行。

测试传感部分（感知组成要素）对系统的运行

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所需要的本身和外部环境的各种参数和状态进行检测，并变成可识别的信号，传输给信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。

控制及信息处理部分（职能组成要素）将来之测试传感部分的信息及外部直接输入的指令进行集中、存储、分析、加工处理后，按照信息处理结果和规定的程序与节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的的运行。

执行机构（运动组成要素）
根据控制及信息处理部分发出的指令，完成规定的动作和功能。

2.四大原则

　　构成机电一体化系统的五大组成要素其内部及相互之间都必须遵循结构耦合、运动传递、信息控制与能量转换四大原则。

　接口耦合：

两个需要进行信息交换和传递的环节之间，由于信息模式不同（数字量与模拟量，串行码与并行码，连续脉冲与序列脉冲等）无法直接传递和交换，必须通过接口耦合来实现。

而两个信号强弱相差悬殊的环节之间，也必须通过接口耦合后，才能匹配。

变换放大后的信号要在两个环节之间可靠、快速、准确的交换、传递，必须遵循一致的时序、信号格式和逻辑规范才行，因此接口耦合时就必须具有保证信息的逻辑控制功能，使信息按规定的模式进行交换与传递。

　　能量转换：

　　两个需要进行传输和交换的环节之间，由于模式不同而无法直接进行能量的转换和交流，必须进行能量的转换，能量的转换包括执行器，驱动器和他们的不同类型能量的最优转换方法及原理。

　　信息控制：

在系统中，所谓智能组成要素的系统控制单元，在软、硬件的保证下，完成信息的采集、传输、储存、分析、运算、判断、决策，以达到信息控制的目的。

对于智能化程度高

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的信息控制系统还包含了知识获得、推理机制以及自学习功能等知识驱动功能。

　　运动传递：

运动传递使构成机电一体化系统各组成要素之间，不同类型运动的变换与传输以及以运动控制为目的的优化。

　　三、自动化技术：

　　所谓自动化技术，是指人类利用各种技术手段和方法来代替人去完成各种测试、分析、判断和控制工作，以现实预期的目标、功能。

一个自动化系统通常由多个环节要素组成，以完成信息的获取、信息的传递、信息的转换、信息的处理及信息的执行等功能，最后实现自动运行目标。

编辑本段选型与设计

　　控制系统各功能元件的选型与设计：

　　1、单片机选用INTEL公司生产的8031单片机

　　单片机

　　，它主要通过并行8255口担负控制系统的信号处理：

接收系统对转矩、阀门开

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启、关闭及阀门开度等设定信号，并提供三相PWM波发生器所需要的控制信号；处理IPM发出的故障信号和报警信号；处理通过模拟输入口接收的电流、电压、位置等检测信号；提供显示电动执行机构的工作状态信号；执行控制系统来的控制信号，向控制系统反馈信号；

　　2、三相PWM波发生器PWM波的产生通常有模拟和数字两种方法。

模拟法电路复杂，有温漂现象，精度低，限制了系统的性能；数字法是按照不同的数字模型用计算机算出各切换点，并存入内存，然后通过查表及必要的计算产生PWM波，这种方法占用的内存较大，不能保证系统的精度。

为了满足智能功率模块所需要的PWM波控制信号，保证微处理器有足够的时间进行整个系统的检测、保护、控制等功能，文中选用MITEL公司生产的SA8282作为三相PWM发生器。

SA8282是专用大规模集成电路，具有独立的标准微处理器接口，芯片内部包含了波形、频率、幅值等控制信息。

　　3、智能逆变模块IPM为了满足执行机构体积小，可靠性高的要求，电机电源采用智能功率模块IPM。

该执行机构主要适用功率小于5．5kW的三相异步电机，其额定电压为380V，功率因数为0．75。

经计算可知，选用日本产的智能功率模块PM50RSA120可以满足系统要求。

该功率模块集功率开关和驱动电路、制动电路于一体，并内置过电流、短路、欠电压和过热保护以及报警输出，是一种高性能的功率开关器件。

　　4、位置检测电路位置检测电路是执行机构的重要组成部分，它的功能是提供准确的

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位置信号。

关键问题是位置传感器的选型。

在传统的电动执行机构中多采用绕线电位器、差动变压器、导电塑料电位器等。

绕线电位器寿命短被淘汰。

差动变压器由于线性区太短和温度特性不理想而受到限制。

导电塑料电位器目前较为流行，但它是有触点的，寿命也不可能很长，精度也不高。

笔者采用的位置传感器为脉冲数字式传感器，这种传感器是无触点的，且具有精度高、无线性区限制、稳定性高、无温度限制等特点。

5、电压、电流及检测检测电压、电流主要是为了计算电机的力矩，以及变频器输出回路短路、断相保护和逆变模块故障诊断。

由于变频器输出的电流和电压的频率范围为0～50Hz，采用常规的电流、电压互感器无法满足要求。

为了快速反映出电流的大小，采用霍尔型电流互感器检测IPM输出的三相电流，对于IPM输出电压的检测采用分压电路。

　　6）、通讯接口为了实现计算机联网和远程控制，选用MAX232作为系统的串行通讯接口，MAX232内部有两个完全相同的电平转换电路，可以把8031串行口输出的TTL电平转换为RS－232标准电平，把其它微机送来的RS－232标准电平转换成TTL电平给8031，实现单片机与其它微机间的通讯。

　　7、时钟电路时钟电路主要用来提供采样与控

　　制周期、速度计算时所需要的时间以及日历。

文中选用时钟电路DS128

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87。

DS12887内部有114字节的用户非易失性RAM，可用来存入需长期保存的数据。

　　8、液晶显示单元为了实现人机对话功能，选用MGLS12832液晶显示模块组成显示电路。

采用组态显示方式。

通过菜单选择，可分别对阀门、力矩、限位、电机、通讯和参数等信号进行设置或调试。

并采用文字和图形相结合的方式，显示直观、清晰。

　　9、程序出格自恢复电路为了保证在强干扰下程序出格时系统能够自动地恢复正常，选用MAX705组成程序出格自恢复电路，监视程序运行。

如图2-3所示，该电路由MAX705、与非门及微分电路组成。

工作原理为：

一旦程序出格，WDO由高变低，由于微分电路的作用，由“与非”门输入引脚2变为高电平，引脚2电平的这种变化使“与非”门输出一个正脉冲，使单片机产生一次复位，复位结束后，又由程序通过P1．0口向MAX705的WDI引脚发正脉冲，使WDO引脚回到高电平，程序出格自恢复电路继续监视程序运行。

编辑本段课程简介

　　核心课程

　　机械制图（AutoCAD应用）、电工技术基础、工程力学、机械设计基础、机床概论、金属工艺学、单片机原理与应用、电子技术基础、传感器与检测技术、液压、气压转动、机床电器控制、数控机床编程、PLC、电力电子技术、数控机床与维修、机电一体化技术介绍等。

　　实训课程

　　电工技术基础实训、金工实习、电子技术基础实训、单片机原理与应用实训、液压传动实训、电力拖动控制线路实训、PLC编程实训、数控机床维修实训、毕业实训、职业生涯规划、大学生涯规划、职业环境认知、成功素养拓展、工作能力提升、激情自主创业、求职过程胜出、初涉职场转型等。

　　培养目标与就业方向

　　培养学生具有机、电、液一定的理论知识和较强的实践技能；具有机械加工设备的初步操作技能和数控加工、数控编程的能力；具备从事机电技术必需的理论知识和综合职业能力的机电设备、自动化设备和生产线的运行与维护人员，并具有设备改造能力的高等技术综合性应用型人才。

能在机电设备制造企业、从事机电产品设计与开发、企业与车间生产技术管理等工作，以及机电一体化设备的安装、调试、维修、销售及管理；普通机床的数控化改装等。

编辑本段发展方向

　　机电一体化向智能化方向迈进.20世纪90年代后期，各主要发达国家开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段。

一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面，对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。

同时，由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地，也为产业化发展提供了坚实的基础。

　　关注六个发展方向:

　　机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。

未来机电一体化的主要发展方向有：

　　1.智能化。

智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。

人工智能在机电一体化建设者的研究中日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。

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、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、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。

诚然，使机电一体化产品具有与人完全相同的智能，是不可能的，也是不必要的。

但是，高性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或人的部分智能，则是完全可能而必要的。

　　2.模块化。

模块化是一项重要而艰巨的工程。

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事。

如研制集减速、智能调速、电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产品，同时也可以扩大生产规模。

这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。

由于利益冲突，近期很难制定国际或国内这方面的标准，但可以通过组建一些大企业逐渐形成。

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，规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。

　　3.网络化。

20世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网络技术。

网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育及人们的日常生活都带来了巨大的变革。

各种网络将全球经济、生产连成一片，企业间的竞争也将全球化。

机电一体化新产品一旦研制出来，只要其功能独到，质量可靠，很快就会畅销全球。

由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。

现场总线和局域网技术是家用电器网络化已成大势，利用家庭网络（homenet）将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统（computerintegratedappliancesystem，CIAS），使人们在家里分享各种高技术带来的便利与快乐。

因此，机电一体化产品无疑将朝着网络化方向发展。

　　4.微型化。

微型化兴起于20世纪80年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。

国外称其为微电子机械系统（MEMS），泛指几何尺寸不超过1立方厘米的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。

微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。

微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术，微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。

　　5.绿色化。

工业的发达给人们生活带来了巨大变化。

一方面，物质丰富，生活舒适；另一方面，资源减少，生态环境受到严重污染。

于是，人们呼吁保护环境资源，回归自然。

绿色产品概念在这种呼声下应运而生，绿色化是时代的趋势。

绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中，符合特定的环境保护和人类健康的要求，对生态环境无害或危害极少，资源利用率极高。

设计绿色的机电一体化产品，具有远大的发展前途。

机电一体化产品的绿色化主要是指，使用时不污染生态环境，报废后能回收利用。

　　6.系统化。

系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。

系统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。

表现之二是通信功能的大大加强，特别是“人格化”发展引人注目，即未来的机电一体化更加注重产品与人的关系。

机电一体化的人格化有两层含义。

一是机电一体化产品的最终使用对象是人，如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越重要，特别是对家用机器人，其高层境界就是人机一体化。

另一层含义是模仿生物机理，研制各种机电一体化产品。