東華大學(xué)機械專業(yè)導(dǎo)論-機電一體化成技術(shù)

1、東華大學(xué)機械專業(yè)導(dǎo)論機電一體化成技術(shù)知識點： 機電一體化系統(tǒng)的基本概念 機電一體化系統(tǒng)的關(guān)鍵共性技術(shù) 機電一體化系統(tǒng)的發(fā)展概況第一章 概 論 美國技術(shù)評論認(rèn)為，有十種新興技術(shù)在不遠(yuǎn)的將來會產(chǎn)生巨大影響：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；可注入組織工程；納米太陽能電池；機電一體化技術(shù)；分子成像；納米印刷刻蝕；軟件保證；糖原組學(xué)；量子密碼術(shù)。什么是機電一體化技術(shù)日本企業(yè)界在1970年左右最早提出“機電一體化技術(shù)”這一概念，當(dāng)時他們?nèi)∶麨椤癕echatronics”，即結(jié)合應(yīng)用機械技術(shù)和電子技術(shù)于一體。隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，機電一體化技術(shù)獲得前所未有的發(fā)展，成為一門融合計算機與信息、自動控制、傳感檢測、

2、伺服傳動和機械等學(xué)科交叉的系統(tǒng)技術(shù)，目前正向光機電一體化技術(shù)（Opto-mechatronics）方向發(fā)展，應(yīng)用范圍愈來愈廣。 機電一體化技術(shù)具體包括以下內(nèi)容： 機械技術(shù) 機械技術(shù)是機電一體化的基礎(chǔ)，機械技術(shù)的著眼點在于如何與機電一體化技術(shù)相適應(yīng)，利用其它高、新技術(shù)來更新概念，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上、材料上、性能上的變更，滿足減小重量、縮小體積、提高精度、提高剛度及改善性能的要求。在機電一體化系統(tǒng)制造過程中，經(jīng)典的機械理論與工藝應(yīng)借助于計算機輔助技術(shù)，同時采用人工智能與專家系統(tǒng)等，形成新一代的機械制造技術(shù)。 計算機與信息技術(shù) 其中信息交換、存取、運算、判斷與決策、人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)均

3、屬于計算機信息處理技術(shù)。 自動控制技術(shù) 其范圍很廣，在控制理論指導(dǎo)下，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計后的系統(tǒng)仿真，現(xiàn)場調(diào)試，控制技術(shù)包括如高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷校正、補償、再現(xiàn)、檢索等。 傳感檢測技術(shù) 傳感檢測技術(shù)是系統(tǒng)的感受器官，是實現(xiàn)自動控制、自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其功能越強，系統(tǒng)的自動化程序就越高。現(xiàn)代工程要求傳感器能快速、精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴(yán)酷環(huán)境的考驗，它是機電一體化系統(tǒng)達(dá)到高水平的保證。 機電一體化系統(tǒng)由機械本體（機構(gòu)）、信息處理與控制部分（計算機）、能源部分（動力源）、檢測部分（傳感器）、執(zhí)行元件部分（如電動機）等五個子系統(tǒng)組成 能源部分信息處理與控制信息輸入驅(qū)動部分

4、執(zhí)行元件機械本體檢測部分典型閉環(huán)控制系統(tǒng) 1.1.2機電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要素機電一體化系統(tǒng)是由若干具有特定功能的機械與微電子要素組成的有機整體，具有滿足人們使用要求的功能(目的功能)。根據(jù)不同的使用目的，要求系統(tǒng)能對輸入的物質(zhì)、能量和信息(即工業(yè)三大要素)進(jìn)行某一處理，輸出所需要的物質(zhì)、能量和信息。因此，系統(tǒng)必須具有以下三大“目的功能”：變換(加工、處理)功能、傳遞(移動、輸送)功能和儲存(保持、積累、記錄)功能。CNC機床內(nèi)部功能構(gòu)成實例 機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的五大要素及其對應(yīng)的五大功能機電一體化系統(tǒng)內(nèi)部與外部接口 機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）各構(gòu)成要素之間的相互聯(lián)系 1.1.3 機電一體化產(chǎn)品

5、的分類一部分機電一體化系統(tǒng)以能量轉(zhuǎn)換為主，輸入能量(或物質(zhì))和信息，輸出不同能量(或物質(zhì))的系統(tǒng)(或產(chǎn)品)，稱為動力機，其中輸出機械能的為原動機。也有機電一體化系統(tǒng)以信息處理為主，輸入信息量，輸出各種信息的系統(tǒng)，稱為信息機。1.2 機電一體化的共性關(guān)鍵技術(shù)1.2.1機械設(shè)計技術(shù)機械技術(shù)是機電一體化的基礎(chǔ)。機電一體化產(chǎn)品中的主功能和構(gòu)造功能，往往是以機械技術(shù)為主實現(xiàn)的。特別是關(guān)鍵部件，如導(dǎo)軌、滾珠絲杠、軸承、傳動部件等的材料、精度對機電一體化產(chǎn)品的性能、控制精度等多方向的要求。1.2.2 計算機與信息處理技術(shù)信息處理技術(shù)包括信息的輸入、識別、變換、運算、存儲及格出技術(shù)，它們大都是依靠計算機來進(jìn)行

6、的，因此計算機技術(shù)與信息處理技術(shù)是密切相關(guān)的。信息處理技術(shù)包括信息的交換、存取、運算、判斷和決策等，實現(xiàn)信息處理的主要工具是計算機。計算機技術(shù)包括計算機硬件技術(shù)和軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。1.2.3 自動控制技術(shù)自動控制技術(shù)就是通過控制器使被控對象或過程自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。自動控制技術(shù)范圍很廣，包括自動控制理論、控制系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)仿真、現(xiàn)場調(diào)試、可靠運行等從理論到實踐的整個過程。由于被控對象種類繁多，所以控制技術(shù)的內(nèi)容極其豐富，包括高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷、校正、補償、示教再現(xiàn)、檢索等控制技術(shù)。1.2.4 傳感與檢測技術(shù)檢測傳感技術(shù)是機電一體化的關(guān)鍵技術(shù)

7、，它將所測得的各種參量如位移、位置、速度、加速度、力、溫度、酸度和其他形式的信號等轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一規(guī)格的電信號輸入到信息處理系統(tǒng)中，并由此產(chǎn)生出相應(yīng)的控制信號以決定執(zhí)行機構(gòu)的運動形式和動作幅度。傳感器檢測的精度、靈敏度和可靠性將直接影響到機電一體化的性能。1.2.5 執(zhí)行與驅(qū)動技術(shù)伺服驅(qū)動技術(shù)的主要研究對象是執(zhí)行元件及其驅(qū)動裝置。執(zhí)行元件分為電動、氣動、液壓等多種類型，機電一體化產(chǎn)品中多采用電動式執(zhí)行元件驅(qū)動裝胃要是指各種電動機的驅(qū)動電源電路，目前多采用電力電子器件及集成化的功能電路構(gòu)成。1.2.6 機電一體化總體設(shè)計技術(shù)系統(tǒng)總體技術(shù)是一種從整體目標(biāo)出發(fā)，用系統(tǒng)工程的觀點和力法，將系統(tǒng)總體分解成相互

8、有機聯(lián)系的若干功能單元，并以功能單元為子系統(tǒng)繼續(xù)分解，直至找到可實現(xiàn)的技術(shù)方案，然后再把功能和技術(shù)方案組合成方案指進(jìn)行分析、評價和優(yōu)選的綜合應(yīng)用技術(shù)。1.3 機電一體化的發(fā)展概況1.3.1國內(nèi)外機電一體化發(fā)展?fàn)顩r機電一體化技術(shù)的發(fā)展大體上可分為三個階段。20世紀(jì)60年代以前為第一階段，也可稱其為“萌芽階段”。70年代至80年代為第二階段。稱其為“蓬勃發(fā)展階段”。從上世紀(jì)90年代后期開始為第三階段，稱其為“智能化階段”，機電一體化技術(shù)向智能化新階段邁進(jìn)?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學(xué)科的交叉與滲透，導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展及

9、其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化，使機械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。 機電一體化是指在機構(gòu)的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進(jìn)電子技術(shù)，將機械裝置與電子化設(shè)計及軟件結(jié)合起來所構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱。 機電一體化發(fā)展至今也已成為一門有著自身體系的新型學(xué)科，隨著科學(xué)技術(shù)的不但發(fā)展，還將被賦予新的內(nèi)容。但其基本特征可概括為：機電一體化是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，綜合運用機械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測控技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、信息變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù)

10、等群體技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織目標(biāo)，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實現(xiàn)特定功能價值，并使整個系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術(shù)。由此而產(chǎn)生的功能系統(tǒng)，則成為一個機電一體化系統(tǒng)或機電一體化產(chǎn)品。 因此，“機電一體化”涵蓋“技術(shù)”和“產(chǎn)品”兩個方面。只是，機電一體化技術(shù)是基于上述群體技術(shù)有機融合的一種綜合技術(shù)，而不是機械技術(shù)、微電子技術(shù)以及其它新技術(shù)的簡單組合、拼湊。這是機電一體化與機械加電氣所形成的機械電氣化在概念上的根本區(qū)別。機械工程技術(shù)由純技術(shù)發(fā)展到機械電氣化，仍屬傳統(tǒng)機械，其主要功能依然是代替和放大的體力。但是發(fā)展到機電一體化后，其中的微電子裝置除可取代

11、某些機械部件的原有功能外，還能賦予許多新的功能，如自動檢測、自動處理信息、自動顯示記錄、自動調(diào)節(jié)與控制自動診斷與保護(hù)等。即機電一體化產(chǎn)品不僅是人的手與肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的眼神，具有智能化的特征是機電一體化與機械電氣化在功能上的本質(zhì)區(qū)別。 1.3.2 機電一體化技術(shù)的理論的發(fā)展趨勢因此，機電一體化的主要發(fā)展方向如下：（1）智能化（2）模塊化（3）網(wǎng)絡(luò)化（4）微型化（5）綠色化（6）系統(tǒng)化智能化 智能化是21世紀(jì)機電一體化技術(shù)發(fā)展的一個重要發(fā)展方向。人工智能在機電一體化建設(shè)者的研究日益得到重視，機器人與數(shù)控機床的智能化就是重要應(yīng)用。這里所說的“智能化”是對機器行為的描述，是在控制理論的

12、基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運籌學(xué)、計算機科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動力學(xué)等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標(biāo)。誠然，使機電一體化產(chǎn)品具有與人完全相同的智能，是不可能的，也是不必要的。但是，高性能、高速的微處理器使機電一體化產(chǎn)品賦有低級智能或人的部分智能，則是完全可能而又必要的。 模塊化 模塊化是一項重要而艱巨的工程。由于機電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機械接口、電氣接口、動力接口、環(huán)境接口的機電一體化產(chǎn)品單元是一項十分復(fù)雜但又是非常重要的事。如研制集減速、智能調(diào)速、電機于一體的動力單元，具有視覺、圖像處理、

13、識別和測距等功能的控制單元，以及各種能完成典型操作的機械裝置。這樣，可利用標(biāo)準(zhǔn)單元迅速開發(fā)出新產(chǎn)品，同時也可以擴大生產(chǎn)規(guī)模。這需要制定各項標(biāo)準(zhǔn)，以便各部件、單元的匹配和接口。由于利益沖突，近期很難制定國際或國內(nèi)這方面的標(biāo)準(zhǔn)，但可以通過組建一些大企業(yè)逐漸形成。顯然，從電氣產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化帶來的好處可以肯定，無論是對生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)機電一體化單元的企業(yè)還是對生產(chǎn)機電一體化產(chǎn)品的企業(yè)，規(guī)?；瘜⒔o機電一體化企業(yè)帶來美好的前程。 網(wǎng)絡(luò)化 20世紀(jì)90年代，計算機技術(shù)等的突出成就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起和飛速發(fā)展給科學(xué)技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)、政治、軍事、教育義舉人么日常生活都帶來了巨大的變革。各種網(wǎng)絡(luò)將全球經(jīng)濟、生

14、產(chǎn)連成一片，企業(yè)間的競爭也將全球化。機電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來，只要其功能獨到，質(zhì)量可靠，很快就會暢銷全球。由于網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾，而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本身就是機電一體化產(chǎn)品。現(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術(shù)是家用電器網(wǎng)絡(luò)化已成大勢，利用家庭網(wǎng)絡(luò)(Homenet)將各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家電系統(tǒng)(Computer Integrated Appliance System, CIAS)，使人們在家里分享各種高技術(shù)帶來的便利與快樂。因此，機電一體化產(chǎn)品無疑朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。 微型化 微型化興起于20世紀(jì)80年代末，指的是機電一體化向微型機器和微觀領(lǐng)域發(fā)

15、展的趨勢。國外稱其為微電子機械系統(tǒng)（MEMS），泛指幾何尺寸不超過1cm3的機電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級發(fā)展。微機電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運動靈活，在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢。微機電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機械技術(shù)，微機電一體化產(chǎn)品的加工采用精細(xì)加工技術(shù)，即超精密技術(shù)，它包括光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)兩類。 綠色化 工業(yè)的發(fā)達(dá)給人們生活帶來了巨大變化。一方面，物質(zhì)豐富，生活舒適；另一方面，資源減少，生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重污染。于是，人們呼吁保護(hù)環(huán)境資源，回歸自然。綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲下應(yīng)運而生，綠色化是時代的趨勢。綠色產(chǎn)品在其設(shè)計、制造、使用和銷毀的生命過程中，符合特定的環(huán)境保護(hù)

16、和人類健康的要求，對生態(tài)環(huán)境無害或危害極少，資源利用率極高。設(shè)計綠色的機電一體化產(chǎn)品，具有遠(yuǎn)大的發(fā)展前途。機電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指，使用時不污染生態(tài)環(huán)境，報廢后能回收利用。 系統(tǒng)化 系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)一步采用開放式和模式化的總線結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可以靈活組態(tài)，進(jìn)行任意剪裁和組合，同時尋求實現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和綜合管理。表現(xiàn)之二是通信功能的大大加強，一般除RS232外，還有RS485、DCS人格化。未來的機電一體化更加注重產(chǎn)品與人的關(guān)系，機電一體化的人格化有兩層含義。一層是，機電一體化產(chǎn)品的最終使用對象是人，如何賦予機電一體化產(chǎn)品人的智能、情感、人性顯得越來越重要，特別是對家用

17、機器人，其高層境界就是人機一體化。另一層是模仿生物機理，研制各種機電一體花產(chǎn)品。事實上，許多機電一體化產(chǎn)品都是受動物的啟發(fā)研制出來的。 1.3.3 數(shù)控技術(shù)與機器人技術(shù)一、數(shù)控機床數(shù)控技術(shù)，簡稱數(shù)控（Numerical Control）。它是利用數(shù)字化的信息對機床運動及加工過程進(jìn)行控制的一種方法。數(shù)控系統(tǒng)包括：數(shù)控裝置、可編程控制器、主軸驅(qū)動器及進(jìn)給裝置等部分.數(shù)控機床是機、電、液、氣、光高度一體化的產(chǎn)品。二、工業(yè)機器人機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化

18、水平的重要標(biāo)志。工業(yè)機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。1.3.4 新型的MEMS系統(tǒng)微機電系統(tǒng)MEMS(Micro Electronic Mechanical Systems)是一種全新的必須同時考慮多種物理場混合作用的研發(fā)領(lǐng)域，相對于傳統(tǒng)的機械，它們的尺寸更小，最大的不超過一個厘米，甚至僅僅為幾個微米，其厚度就更加微小。MEMS特點可以總結(jié)如下：（1） 微型化：MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時間短。 （2） 集成化：微傳感器、微執(zhí)行器和IC集成在一起可以制造出高可靠性和高穩(wěn)定性的智能化MEMS。（3） 多學(xué)科交叉