项目一 机电一体化技术概述.docx

1、项目一 机电一体化技术概述项目一 机电一体化概述项目导入通过多媒体课件，展示机器人、自动化生产线的工作过程，引入任务：这些产品设备是机械和电子的完美结合，属于机电一体化产品，是机电一体化技术的具体应用，什么是机电一体化技术？机电一体化技术的基本组成是什么？其关键技术是什么？以及机电一体化技术的发展现状和发展前景如何？项目要求通过观看机器人工作过程以及自动化生产线的生产流程，了解机电一体化产品的主要组成及特点；通过小组讨论，分析机电一体化产品的功能组成及关键技术，在分析机电一体化系统关键技术时，引导学生分析工作过程中的物质形态的变化、能量的输入输出以及控制信号的产生、存储、传递，引入物质流、能量

2、流和信息流的概念；通过对几代机器人的发展历程展望机器人的未来，最后以四自由度机器人作为实训项目，加深学生对机电一体化技术的认识。能力目标1. 能够协作分析、讨论机电一体化设备的特点、组成及关键技术；2. 能够机电一体化的发展历程展望其发展趋势。知识目标1. 掌握机电一体化定义；2. 掌机电一体化系统的基本组成；3. 理解机电一体化系统的关键技术4. 了解机电一体化技术的现状和发展前景。素质目标1. 具有团队协作分析、解决问题的能力；2. 动手能力、讨论合作能力。1.1机电一体化技术的基本概念现代科学技术的发展，极大地推动了不同学科的相互交叉和渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域

3、。由于微电子技术和计算机技术的飞速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了以“机电一体化”为特征的发展阶段。“机电一体化”成为机械技术与其他领域的先进技术特别是微电子技术有机结合的新领域。1.1.1 机电一体化的定义伴随生产活动和科学技术的快速发展，机电一体化技术的具体内容不断发展与更新，人们观察问题的角度不同，对“机电一体化”的理解也就有所差异。迄今为止，机电一体化尚没有明确的统一定义。关于“机电一体化”概念的提法，1981年日本机械振兴协会对此做出解释：“机电一体化是在机械主功

4、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。”随着科学技术的发展，“机电一体化”不断被赋予新的内涵，但日前一般可认为“机电一体化”是微电子技术向机械工业渗透过程中逐步形成的一个新概念，是从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、信息技术等多门技术学科在系统工程的基础上相互渗透、有机结合而形成和发展起来的一门新的边缘技术学科。1.1.2 机电一体化的产生科技进步和社会需求是任何事物产生和发展的前提，机电一体化这一新事物的产生和发展也不例外。机械技术、计算机技术、微电子技术等的发展为机电一体化的产生奠定了良好的基础，而人类社会对生产和

5、生活产品在质量和品种上的要求不断提高是机电一体化蓬勃发展的动力。机电一体化经历了长期的产生和发展过程。早在机电一体化这一概念形成之自前，世界各地的科技人员已为机械与电子技术的有机结合做了大量工作，研究和开发了很多机电一体化产品，例如电子工业领域内的雷达伺服系统，机械工业领域内的数控机床、工业机器人等，这一切都为机电一体化这一概念的形成奠定了基础。1971年，日本机械设计杂志副刊正式提出了“Mechatronics”这一名词，它是取Mechanics（机械学）的前半部分和Electronics（电子学）的后半部分组合而成，即机械电子学或机电一体化。在日本提出这一术语后，日、美、英等国先后有一些专

6、著问世。国际自动控制联合会(IFAC)、美国电气和电子工程师协会(IFFF)先后创办了名为Mechanics的期刊，近年来，国内也有不少教科书和期刊出版。机电一体化作为一门新兴的边缘学科，始于二十世纪八十年代，日前它已经逐渐成为机械工程的重要研究领域，代表着机械工业技术革命的前沿方向。1.1.3 机电一体化的内容机电一体化包含了技术和产品两方面的内容，首先是指机电一体化技术，其次是指机电一体化产品。机电一体化技术是指包括技术基础、技术原理在内的使机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术。机电一体化产品是指随着机械系统和微电子系统的有机结合，被赋予新功能和新性能的产品。机电一体化技术在制造业的应

7、用从一般的数控机床、加工中心、机械手发展到智能机器人、柔性制造系统(FMS)、无人生产车间和将设计、制造、销售、管理集为一体的计算机集成制造系统(CIMS)，并扩展到目前的汽车、电站、仪表、化工、通信、冶金等行业。此外，对传统机电设备的改造也属于机电一体化的范畴。机电一体化产品涉及工业生产、科学研究、人民生活、医疗卫生等各个领域，如：集成电路自动生产线、激光切割设备、印刷设备、家用电器、汽车电子化、微型机械、飞机、雷达、医学仪器、环境监测等。1.1.4 机电一体化的特点我们可以从汽车工业的发展过程为例来观察机电一体化产品的特点。在很长一段时间内，汽车是作为一项机械方面的奇迹，它只有少量的电子附

8、件。最初是启动电机，后来是发电机，每种附件都使原先产品的性能比过去提高一点。随着半导体和微电子学的出现，今天的汽车由微处理器控制，机器人制造，并可通过计算机进行故障分析，从而使机械奇迹变成了机械电子奇迹。随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化产品有逐步取代传统机电产品的趋势。与传统的机电产品相比，机电一体化产品具有高的功能水平和附加值及明显的技术、经济、社会效益，这完全是由机电一体化技术的特点决定的。机电一体化通过综合利用现代高新技术的优势，在提高产品精度、增强功能、改善操作性和使用性、提高生产率、降低成本、节约能源、降低消耗、减轻劳动强度、改善劳动条件、提高安全性和可靠性、简化结构、减轻质

9、量、增强柔性和智能化程度、降低价格等诸多方面都取得了显著成效。机电一体化产品的显著特点是多功能、高效率、高智能、高可靠性，同时又具有轻、薄、细、小、巧的优点，其目的是不断满足人们生产生活的多样性和省时、省力、方便的需求。综上所述可以看出，机电一体化的本质是机械与电子技术的规划应用和有效结合，以构成一个最优的产品或系统。机电一体化课程的特点首先是涉及的知识面广，且大多为正在发展的新知识；其次，机电结合，综合应用；第三，部分内容与其他课程有交叉。1.2 机电一体化系统的基本组成1.2.1 机电一体化系统的功能组成传统的机械产品主要是解决物质流和能量流的问题，而机电一体化产品除了解决物质流和能量流以

10、外，还要解决信息流的问题。机电一体化系统的主要功能就是对输入的物质、能量与信息（即所谓工业三大要素）按照要求进行处理，输出具有所需特性的物质、能量与信息。任何一个产品都是为满足人们的某种需求而开发和生产的，因而都具有相应的目的功能。机电一体化系统的主功能包括变换（加工、处理）、传递（移动、输送）、储存（保持、积蓄、记录）三个目的功能。主功能也称为执行功能，是系统的主要特征部分，完成对物质、能量、信息的交换、传递和储存。机电一体化系统除了具备主功能外，还应具备动力功能、检测功能、控制功能、构造功能等其他功能。加工机是以物料搬运、加工为主，输入物质（原料、毛坯等）、能量（电能、液能、气能等）和信息

11、（操作及控制指令等），经过加工处理，主要输出改变了位置和形态的物质的系统（或产品）。如各种机床、交通运输机械、食品加工机械、起重机械、纺织机械、印刷机械、轻工机械等。动力机，其中输出机械能的为原动机，是以能量转换为主，输入能量（或物质）和信息，输出不同能量（或物质）的系统（或产品）。如电动机、水轮机、内燃机等。信息机是以信息处理为主，输入信息和能量，主要输出某种信息（如数据、图像、文字、声音等）的系统（或产品）。如各种仪器、仪表、计算机、传真机以及各种办公机械等。图1-1CNC机床内部功能构成图1-1以典型机电一体化产品数控机床(CNC)为例，说明其内部功能构成。其中切削加工是CNC机床的主功

12、能，是实现其目的所必需的功能。电源通过电动机驱动机床，向机床提供动力，实现动力功能。位置检测装置和CNC装置分别实现计测功能和控制功能，其作用是实时检测机床内部和外部信息，据此对机床实施相应控制。机械结构所实现的是构造功能，使机床各功能部件保持规定的相互位置关系，构成一台完整的CNC机床。1.2.2 机电一体化系统的构成要素Figure 1图1-3 机电一体化系统五大要素实例图1.2 机电一体化系统的构成要素及实现功能机电一体化系统一般由机械本体、传感检测、执行机构、控制及信息处理、动力系统等五部分组成，各部分之间通过接口相联系。从机电一体化系统的功能看，人体是机电一体化系统理想的参照物。构成

13、人体的五大要素分别是头脑、感官、四肢、内脏及躯干。内脏提供人体所需的能量（动力），维持人体活动；头脑处理各种信息并对其他要素实施控制；感官获取外界信息；四肢执行动作；躯干的功能是把人体各要素有机地联系为一体。可以看到，机电一体化系统内部的五大功能与人体的上述功能几乎是一样的。机电一体化系统的构成要素及实现功能如图1-2所示。机电一体化系统基本组成可用图1-3所示的实例进行描述。1.机械本体机械本体包括机械结构装置和机械传动装置。机械结构是机电一体化系统的机体，用于支撑和连接其他要素，并把这些要素合理地结合起来，形成有机的整体。机电一体他系统的机械结构包括：机身、框架、连接等。机电一体化系统中的

14、机械传动装置不再仅仅是转矩和转速的变换器，而已成为伺服系统的组成部分，必需根据伺服控制的要求进行选择和设计。由于机电一体化产品技术性能、水平和功能的提高，因而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率、多功能、高可靠性和节能、小型、轻量、美观等要求。2动力部分动力部分是按照系统控制要求，为系统提供能量和动力，去驱动执行机构工作以完成预定的主功能。动力系统包括电、液、气等多种动力源。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。3传感检测部分传感检测部分是对系统运行中所需要的自身和外界环境的各种参数及状态进行检测，然后变成可识别信号，传输

15、到信息处理单元，并且经过分析、处理后产生相应的控制信息。其功能一般由专门的传感器及转换电路完成，对其要求是体积小、便于安装与连接、检测精度高、抗干扰等。4执行机构执行机构是运动部件在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。执行机构将输入的各种形式的能量转换为机械能。执行机构主要由电、液、气等执行元件和机械传动装置等组成。执行机构按运动方式的不同可分为旋转运动元件和直线运动元件，各种电动机及液（气）压电机等是旋转运动执行元件，而丝杠和电磁铁、压电驱动器、液（气）压缸等是直线运动执行元件。执行机构因机电一体化产品的种类和作业对象不同而有较大的差异。执行机构是实现产品目的功能的直接执行者，

16、其性能好坏决定着整个产品的性能，因而是机电一体化产品中重要的组成部分。根据机电一体化系统的匹配性要求，需要考虑改善系统的动、静态性能，如提高刚性、减小质量和适当的阻尼，应尽量考虑组件化、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处理、运算和决策，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。信息处理及控制系统主要是由计算机的软件和硬件以及相应的接口组成。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/O（输入输出）接口和计算机外部设备等组成。机电一体化系

17、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。以上这五部分我们通常称为机电一体化的五大构成要素，而在实际中有时机电一体化系统的某些构成要素是复合在一起的。机电一体化产品的五大部分在工作时相互协调，共同完成所规定的目的功能。在结构上，各组成部分通过各种接口及其相应的软件有机地结合在一起，构成一个内部匹配合理、外部效能最佳的完整产品。1.2.3 机电一体化系统接口概述机电一体化系统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地进行物质、能量和信息的传递与交换。因此，各要素或各子系统相接处必须具备一定的联系条件，这

18、些联系条件称为接口。一方面，机电一体化系统通过输入输出接口将其与人、自然及其他系统相连；另一方面，机电一体化系统通过许多接口将系统构成要素联系为一体。因此，系统的性能在很大程度上取决于接口的性能。接口设计的总任务是解决功能模块间的信号匹配问题，根据划分出的功能模块，在分析研究各功能模块输入输出关系的基础上，计算制定出各功能模块相互连接时所必须共同遵守的电气和机械的规范和参数约定，使其在具体实现时能够“直接”相连。因此，把机电一体化产品可看成是由许多接口将组成产品各要素的输入输出联系为一体的系统。1接口的分类机电一体化系统中各要素和子系统之间，接口使得物质、能量、信息在连接要素的交界面上平稳地输

19、入输出，它是保证产品具有高性能、高质量的必要条件，有时会成为决定系统综合性能好坏的关键因素，这是机电一体化系统的复杂性决定的。接口的功能是由参数变换与调整和物质、能量、信息的输入输出两部分组成。（1）根据接口的变换和调整功能特征分类。零接口：不进行参数的变换与调整，即输入输出的直接接口，如联轴器、输送管、捅头、插座、导线、电缆等。被动接口：仅对被动要素的参数进行变换与调整，如齿轮减速器、进给丝杠、变压器、可变电阻以及光学透镜等。主动接口：含有主动因素、并能与被动要素进行匹配的接口，如电磁离合器、放大器、光电耦合器、A/D.D/A转换器等。智能接口：含有微处理器、可进行程序编制或适应条件变化的接

20、口，如自动调速装置、通用输入输出芯片（如8255芯片）、RS232串行接口、通用接口总线等。(2) 根据接口的输入输出功能的性质分类。信息接口（软件接口）：受规格、标准、法律、语言、符号等逻辑、软件的约束，如GB、ISO标准、RS232C、ASCII码、C语言等。机械接口：根据输入输出部位的形状、尺寸、精度等进行机械联结，如联轴器、管接头、法兰盘等。物理接口：受通过接口部位的物质、能量与信息的具体形态和物理条件约束，如受电压、频率、电流、阻抗、传递扭矩的大小、气（液）体成分（压力或流量）约束的接口。环境接口：对周围的环境条件有具体保护作用和隔绝作用，如防尘过滤器、防水联结器、防爆开关等。(3)

21、 按照所联系的子系统不同分类。以控制微机（微电子系统）为出发点，将接口分为人机接口和机电接口两大类。机械系统与微电子系统之间的联系必须通过机电接口进行调整、匹配、缓冲，同时微电子系统的应用使机械系统具有“智能”，达到了较高的自动化程度，但该系统仍然离不开人的干预，必须在人的监控下进行，因此人机接口也是必不可少的。人机接口和机电接口将在项目5中重点训练。2接口设计的要求不同类型的接口，设计要求有所不同。在这里仅从系统设计的角度讨论微机接口和机械接口设计的各自要求。（1）微机接口。微机接口通常由接口电路和与之配套的驱动程序组成。能够使被传动的数据实现在电气上、时间上相互匹配的电路称为接口电路，它是

22、接口的骨架；能够完成这种功能的程序称为接口程序，它是完成接口预设值任务的中枢神经，主要完成数据的输入输出、传送以及可编程接口器件的方式设定，中断方式设定的初始化工作；两者融为一体构成了微机接口。由于微机接口负担着微机和设备之间传输信息的任务，因此，系统要求具有两大特点：一方面能够可靠地传送相应的控制信息，并能够输入相关的状态信息，另一方面能够进行相应的信息转换，以满足系统的输入输出要求。信息转换主要包括以下方面：数字量模拟量的转换(D/A)；模拟量数字量转换(A/D)；从数字量转换成脉冲量；电平转换；电量到非电量的转换；弱电到强电的转换以及功率匹配等。具体要求如下：传感器接口要求传感器与被测机

23、械量信号源具有直接关系，要使标度转换及数学建模精确、可行，传感器与机械本体的连接简单稳固，能克服机械谐波干扰，正确反映对象的被测参数。变送接口应满足传感器模块的输入信号与微机前向通道电气参数的匹配及远距离信号传输的要求，接口的信号传输要准确、可靠、抗干扰能力强，具有较低的噪声容限；接口的输入阻抗应与传感器的输出阻抗相匹配；接口的输出电平应与微机的电平相一致；接口的输入信号与输出信号的关系应是线性关系，以便于微机进行信号处理。驱动接口应满足传感器模块的输入信号与微机系统的后向通道在电平上一致，接口的输出端与功率驱动模块的输入端之间不仅电平要匹配还要在阻抗上匹配。另外接口必须采用有效的抗干扰措施，

24、防止功率驱动设备的强电信号窜入微机系统。（2）机械传动接口。机械传动接口，如减速器、丝杠螺母等，要求它的连接机构紧凑、轻巧，具有较高的传动精度和定位精度，安装、维修、调整简单方便，刚度好，响应快。1.3 机电一体化技术的理论基础与关键技术 系统论、信息论、控制论的建立，微电子技术，尤其是计算机技术的迅猛发展引起了科学技术的又一次革命，导致了机械工程的机电一体化。如果说系统论、信息论、控制论是机电一体化技术的理论基础，那么微电子技术、精密机械技术等就是它的技术基础。微电子技术，尤其是微型计算机技术的迅猛发展，为机电一体化技术的进步与发展提供了前提条件。1.3.1 理论基础系统论、信息论、控制论是

25、机电一体化技术的理论基础，也是机电一体化技术的方法论。开展机电一体化技术研究时，无论在工程的构思、规划、设计方面，还是在它的实施或实现方面，都不能只着眼于机械或电子，不能只看到传感器或计算机，而是要用系统的观点，合理解决信息流与控制机制问题，有效地综合各有关技术，才能形成所需要的系统或产品。给定机电一体化系统目的与规格后，机电一体化技术人员利用机电一体化技术进行设计、制造的整个过程称为机电一体化工程。实施机电一体化工程的结果，是新型的机电一体化产品。图1-4给出了机电一体化工程的构成因素。图1-4 机电一体化工程构成因素系统工程是系统科学的一个工作领域，而系统科学本身是一门关于“针对目的要求而

26、进行合理的方法学处理”的边缘学科。系统工程的概念不仅包括“系统”，即具有特定功能的、相互之间具有有机联系的众多要素所构成的一个整体，也包括“工程”，即产生一定效能的方法。机电一体化技术是系统工程科学在机械电子工程中的具体应用。具体地讲，就是以机械电子系统或产品为对象，以数学方法和计算机等为工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目标，以便充分发挥人力、物力和财力，通过各种组织管理技术，使局部与整体之间协调配合，实现系统的综合最优化。机电一体化系统是一个包括物质流、能量流和信息流的系统，而有效地利用各种信号所携带

27、的丰富信息资源，则有赖于信号处理和信号识别技术。考察所有机电一体化产品，就会看到准确的信息获取、处理、利用在系统中所起的实质性作用。将工程控制论应用于机械工程技术而派生的机械控制工程，为机械技术引入了崭新的理论、思想和语言，把机械设计技术由原来静态的、孤立的传统设计思想引向动态的、系统的设计环境，使科学的辩证法在机械技术中得以体现，为机械设计技术提供了丰富的现代设计方法。1.3.2 关键技术发展机电一体化技术所面临的共性关键技术包括精密机械技术、传感检测技术、伺服驱动技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、接口技术和系统总体技术等。现代的机电一体化产品甚至还包含了光、声、化学、生物等技术的应

28、用。1机械技术机械技术是机电一体化的基础。随着高新技术引入机械行业，机械技术面临着挑战和变革。在机电一体化产品中，它不再是单一地完成系统间的连接，而是要优化设计系统结构、质量、体积、刚性和寿命等参数对机电一体化系统的综合影响。机械技术的着眼点在于如何与机电一体化的技术相适应，利用其他高、新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上以及功能上的变更，满足减少质量、缩小体积、提高精度、提高刚度、改善性能和增加功能的要求。尤其那些关键零部件，如导轨、滚珠丝杠、轴承、传动部件等的材料、精度对机电一体化产品的性能、控制精度影响很大。在制造过程的机电一体化系统，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，

29、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。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。2传感与检测技术传感与检测装置是系统的感受器官，它与信息系统的输入端相连并将检测到的信息输送到信息处理部分。传感与检测是实现自动控制、自动调节的关键环节，它的功能越强，系统的自动化程度就越高。传感与检测的关键元件是传感器。机电一体化系统或产品的柔性化、功能化和智能化都与传感器的品种多少、性能好坏密切相关。传感器的发

30、展正进入集成化、智能化阶段。传感器技术本身是一门多学科、知识密集的应用技术。传感原理、传感材料及加工制造装配技术是传感器开发的三个重要方面。传感器是将被测量（包括各种物理量、化学量和生物量等）变换成系统可识别的、与被测量有确定对应关系的有用电信号的一种装置。现代工程技术要求传感器能快速、精确地获取信息，并能经受各种严酷环境的考验。与计算机技术相比，传感器的发展显得缓慢，难以满足技术发展的要求。不少机电一体化装置不能达到满意的效果或无法实现设计的关键原因在于没有合适的传感器。因此大力开展传感器的研究，对于机电一体化技术的发展具有十分重要的意义。3伺服驱动技术伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装

31、置或部件，对系统的动态性能、控制质量和功能具有决定性的影响。伺服驱动技术主要是指机电一体化产品中的执行元件和驱动装置设计中的技术问题，它涉及设备执行操作的技术，对所加工产品的质量具有直接的影响。机电一体化产品中的伺服驱动执行元件包括电动、气动、液压等各种类型，其中电动式执行元件居多。驱动装置主要是各种电动机的驱动电源电路，目前多由电力电子器件及集成化的功能电路构成。在机电一体化系统中，通常微型计算机通过接口电路与驱动装置相连接，控制执行元件的运动，执行元件通过机械接口与机械传动和执行机构相连，带动工作机械作回转、直线以及其他各种复杂的运动。常见的伺服驱动有电液马达、脉冲油缸、步进电机、直流伺服

32、电机和交流伺服电机等。由于变频技术的发展，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了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。4. 信息处理技术信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策，实现信息处理的工具大都采用计算机，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的软件技术和硬件技术、网络与通信技术、数据技术等。机电一体化系统中主要采用工业控制计算机（包括单片机、可编程序控制器等）进行信息处理。人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等都属于计算机信息处理技术。在机电一体化系统中，计算机信息处理部分指挥整个系统的运行。信息处理是否正确、及时，直接影响到系统工作的质量和效率。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发展和变革的最活跃的因素。5. 自动控制技术自动控制技术范围很广，机电一体化的系统设计是在基本控制理论指导下，对具体控制装置或控制系统进行设计；对设计后的系统进行仿真，现场调试；最后使研制的系统可靠地投入运