機(jī)電一體化技術(shù)概論

第1章引論

1.1概述1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.3機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì)

1.1概述

1.1.1引言 機(jī)電一體化技術(shù)綜合應(yīng)用了機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、電力電子技術(shù),接口技術(shù)及系統(tǒng)總體技術(shù)等群體技術(shù),從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā),根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)目標(biāo),以智能、動(dòng)力、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和感知等組成要素為基礎(chǔ),對(duì)各組成要素及相互之間的信息處理、接口耦合、運(yùn)動(dòng)傳遞、物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、能量變換機(jī)理進(jìn)行研究,使得整個(gè)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合與綜合集成,并在系統(tǒng)程序和微電子電路的有序信息流控制下,形成物質(zhì)和能量的有規(guī)則運(yùn)動(dòng),在高質(zhì)量、高精度、高可靠性、低能耗意義上實(shí)現(xiàn)多種技術(shù)功能復(fù)合的最佳功能價(jià)值的系統(tǒng)工程技術(shù)。 “機(jī)電一體化”一詞的英文名詞是“Mechatronics”,它是取Mechanics（機(jī)械學(xué)）的前半部分和Electronics（電子學(xué)）的后半部分拼合而成的。 現(xiàn)代高新技術(shù)（如微電子技術(shù)、生物技術(shù)、新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、空間技術(shù)、海洋開(kāi)發(fā)技術(shù)、光纖通信技術(shù)及現(xiàn)代醫(yī)學(xué)等）的發(fā)展需要具有智能化、自動(dòng)化和柔性化的機(jī)械設(shè)備,機(jī)電一體化正是在這種巨大的需求推動(dòng)下產(chǎn)生的新興技術(shù)。微電子技術(shù)、微計(jì)算機(jī)使信息與智能和機(jī)械裝置與動(dòng)力設(shè)備有機(jī)結(jié)合,使得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。

由于機(jī)電一體化技術(shù)對(duì)現(xiàn)代工業(yè)和技術(shù)的發(fā)展具有巨大的推動(dòng)力,因此世界各國(guó)均將其作為工業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略之一。

機(jī)電一體化技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用從一般的數(shù)控機(jī)床、加工中心和機(jī)械手發(fā)展到智能機(jī)器人、柔性制造系統(tǒng)（FMS）、無(wú)人生產(chǎn)車(chē)間和將設(shè)計(jì)、制造、銷(xiāo)售、管理集于一體的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）。 機(jī)電一體化技術(shù)是其他高新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ),機(jī)電一體化的發(fā)展依賴于其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

1.1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成要素 一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)應(yīng)包含以下幾個(gè)基本要素：機(jī)械本體、動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測(cè)試部分、控制及信息處理部分。我們將這些部分歸納為：結(jié)構(gòu)組成要素、動(dòng)力組成要素、運(yùn)動(dòng)組成要素、感知組成要素、智能組成要素；這些組成要素內(nèi)部及其之間,形成通過(guò)接口耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)傳遞、信息控制、能量轉(zhuǎn)換等有機(jī)融合的一個(gè)完整系統(tǒng)。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成要素及功能如圖1-1所示。

圖1-1機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成要素及功能(a）

機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成要素;(b）

機(jī)電一體化系統(tǒng)的功能

3.傳感測(cè)試部分 傳感測(cè)試部分的功能是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè),生成相應(yīng)的可識(shí)別信號(hào),傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?經(jīng)過(guò)分析、處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息。這一功能一般由專(zhuān)門(mén)的傳感器及轉(zhuǎn)換電路完成。

4.執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能是根據(jù)控制信息和指令,完成要求的動(dòng)作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是運(yùn)動(dòng)部件,一般采用機(jī)械、電磁、電液等機(jī)構(gòu)。

5.控制及信息單元 控制及信息單元的功能是將來(lái)自各傳感器的檢測(cè)信息和外部輸入命令進(jìn)行集中、儲(chǔ)存、分析、加工,根據(jù)信息處理結(jié)果,按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令,控制整個(gè)系統(tǒng)有目的地運(yùn)行。

6.接口耦合與能量轉(zhuǎn)換 （1）變換。兩個(gè)需要進(jìn)行信息交換和傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)之間,由于信息的模式不同（數(shù)字量與模擬量、串行碼與并行碼、連續(xù)脈沖與序列脈沖等等）,無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)信息或能量的交流,需要通過(guò)接口完成信息或能量的統(tǒng)一。

7.信息爬控制在系無(wú)統(tǒng)中,作為赴智能施組成祥要素倒的系沙統(tǒng)控時(shí)制單臨元,在軟狼、硬以件的泛保證嘴下,完成雖數(shù)據(jù)語(yǔ)采集涼、分析塵、判很斷、益決策瞎功能,以達(dá)亮到信抹息控框制的嶺目的適。8.運(yùn)動(dòng)晴傳遞運(yùn)動(dòng)犬傳遞吼是指升運(yùn)動(dòng)晌各組報(bào)成環(huán)止節(jié)之摩間的固不同萄類(lèi)型念運(yùn)動(dòng)跳的變喜換與后傳輸,如位防移變筋換、懶速度繩變換稍、加浮速度離變換陡及直包線運(yùn)戒動(dòng)和污旋轉(zhuǎn)么運(yùn)動(dòng)徹變換口等。逐運(yùn)動(dòng)已傳遞潔還包貿(mào)括以顯運(yùn)動(dòng)眾控制祥為目槍的的宰運(yùn)動(dòng)哈優(yōu)化設(shè)洲計(jì),目的役是提尼高系糠統(tǒng)的由伺服貼性能傳。3.自動(dòng)災(zāi)控制鵝技術(shù)自動(dòng)永控制誕技術(shù)基范圍母很廣,機(jī)電轟一體春化的乏系統(tǒng)克設(shè)計(jì)竊在基水本控獅制理蔥論指踩導(dǎo)下,對(duì)具遺體控宏制裝呈置或淺控制賽系統(tǒng)孕進(jìn)行泊設(shè)計(jì)亭；豪對(duì)設(shè)嗓計(jì)后暗的系涂統(tǒng)進(jìn)錢(qián)行仿僵真和束現(xiàn)場(chǎng)叨調(diào)試?yán)粡V最后側(cè)使研各制的亡系統(tǒng)晃可靠哲地投入蜓運(yùn)行睛。4.傳感蟻與檢障測(cè)技倚術(shù)傳感碗與檢狼測(cè)裝餐置是蒙系統(tǒng)鮮的感考受器輕官,它與懷信息陰系統(tǒng)級(jí)的輸筍入端思相連遷并將程檢測(cè)書(shū)到的鴉信息塌輸送罵到信屬息處膏理部謎分。踏傳感且與檢莫測(cè)是陸實(shí)現(xiàn)候自動(dòng)懶控制想、自悟動(dòng)調(diào)國(guó)節(jié)的鼻關(guān)鍵圈環(huán)節(jié),它的否功能丹越強(qiáng),系統(tǒng)自的自凱動(dòng)化傷程度場(chǎng)就越柔高。拖傳感主與檢狀測(cè)的耳關(guān)鍵冬元件常是傳所感器刷。5.伺服昂傳動(dòng)尖技術(shù)伺服堡傳動(dòng)唱包括偏電動(dòng)豬、氣棕動(dòng)、火液壓撫等各蚊種類(lèi)眨型的多驅(qū)動(dòng)蜘裝置,由微逐型計(jì)撲算機(jī)當(dāng)通過(guò)攻接口錢(qián)與這爹些傳昌動(dòng)裝談置相慢連接,控制服它們慈的運(yùn)躺動(dòng),帶動(dòng)巷工作蜘機(jī)械身作回博轉(zhuǎn)、今直線愧以及維其他用各種訓(xùn)復(fù)雜柳的運(yùn)動(dòng)。6.系統(tǒng)尋總體僅技術(shù)劑系統(tǒng)掘總體遭技術(shù)脾是一絞種從級(jí)整體每目標(biāo)飽出發(fā),用系挑統(tǒng)的爸觀點(diǎn)恰和全淘局角功度,將總恩體分傅解成泛相互丘有機(jī)鏡聯(lián)系嬸的若頁(yè)干單研元,找出懷能完浮成各齡個(gè)功籠能的冊(cè)技術(shù)做方案,再把遲功能膝和技叢術(shù)方偉案組或成方獄案組金進(jìn)行編分析鑼、評(píng)調(diào)價(jià)和吉優(yōu)選足的綜盼合應(yīng)思用技翅術(shù)。撫系統(tǒng)謎總體帳技術(shù)舞解決垃的是餐系統(tǒng)種的性腳能優(yōu)谷化問(wèn)暗題和怨組成炭要素咽之間亞的有繁機(jī)聯(lián)靈系問(wèn)鴉題,即使膀各個(gè)襲組成滲要素局的性竭能和虎可靠預(yù)性很襲好,但如注果整伙個(gè)系寬統(tǒng)不慕能很糞好協(xié)依調(diào),系統(tǒng)忽也很挽難正子常運(yùn)硬行。舌1.露2機(jī)電炎一體毀化系啞統(tǒng)的測(cè)設(shè)計(jì)密1.憶2.邪1機(jī)電錯(cuò)一體肅化系暮統(tǒng)的桂分類(lèi)艘從控苦制的午角度迎來(lái)講,機(jī)電喂一體靠化系慌統(tǒng)可譜分為兇開(kāi)環(huán)已控制販系統(tǒng)證和閉安環(huán)控腿制系莖統(tǒng)。穗開(kāi)環(huán)娛控制放的機(jī)收電一蓋體化浴系統(tǒng)禍?zhǔn)菦](méi)青有反屑饋的糖控制怠系統(tǒng),這種葡系統(tǒng)嚼的輸佩入直洲接送愛(ài)給控卡制器,并通旬過(guò)控做制器代對(duì)受老控對(duì)龜象產(chǎn)肺生控辭制作估用。膏一些羅家用羨電器睬、簡(jiǎn)惹易NC機(jī)床揮和精食度要黑求不和高的綁機(jī)電吩一體奏化產(chǎn)史品都深采用宿開(kāi)環(huán)畫(huà)控制劑方式釋。開(kāi)坑環(huán)控讀制機(jī)蠟電一驕體化培系統(tǒng)厘的優(yōu)筋點(diǎn)是裳結(jié)構(gòu)陳簡(jiǎn)單,成本廊低,維修方臘便;缺點(diǎn)初是精岡度較援低,對(duì)輸餅出和遇干擾臉沒(méi)有宏診斷擁能力依。1.雅2.似2機(jī)電痰一體酷化系盯統(tǒng)（間產(chǎn)品溪）開(kāi)鍛發(fā)的器類(lèi)型1.開(kāi)發(fā)捷性設(shè)著計(jì)2.適應(yīng)跌性設(shè)臟計(jì)3.變參艷數(shù)設(shè)泰計(jì)1.宴2.炊3機(jī)電族一體絡(luò)化系爸統(tǒng)（穿產(chǎn)品趴）設(shè)補(bǔ)計(jì)方澆案的馬常用扒方法1.取代賄法取代巡壽法就白是用需電氣肢控制甚取代劇原系延統(tǒng)中狡的機(jī)懂械控顯制機(jī)建構(gòu)?？霸摲烬X法是滲改造蒼舊產(chǎn)輛品、度開(kāi)發(fā)細(xì)新產(chǎn)嘆品或?qū)幵禍y(tǒng)進(jìn)逼行技驚術(shù)改罰造常抖用的憤方法,也是燃改造懂傳統(tǒng)隙機(jī)械皆產(chǎn)品捷的常婆用方磚法。2.整體版設(shè)計(jì)使法整體蒜設(shè)計(jì)權(quán)法主爆要用垮于新犬產(chǎn)品隨的開(kāi)怪發(fā)設(shè)傅計(jì)。圓在設(shè)粘計(jì)時(shí)偶完全候從系浙統(tǒng)的規(guī)整體蛙目標(biāo)妹出發(fā),考慮塔各子膠系統(tǒng)的設(shè)遍計(jì)。3.組合仰法組合歷法就屑是選雄用各扶種標(biāo)坐準(zhǔn)功喬能模粥塊組酸合設(shè)撇計(jì)成貍機(jī)電步一體扣化系杯統(tǒng)。膨例如,設(shè)計(jì)宮一臺(tái)蓄數(shù)控欄機(jī)床,可以掛依據(jù)霸機(jī)床羞的性例能要歌求,通過(guò)窄對(duì)不法同廠闖家的閱計(jì)算順機(jī)控勺制單音元、閥伺服識(shí)驅(qū)動(dòng)紫單元下、位期移和童速度睜測(cè)試作單元蛾及主逗軸、絲式導(dǎo)軌憂、刀杏架、訓(xùn)傳動(dòng)塞系統(tǒng)區(qū)等產(chǎn)隔品的感評(píng)估年分析,研究淹各單雖元間自接口謊關(guān)系合和各掩單元暴對(duì)整機(jī)性籃能的詢影響,通過(guò)扒優(yōu)化鉤設(shè)計(jì)董確定斯機(jī)床旱的結(jié)都構(gòu)組伶成。1.制2.圈4機(jī)電鞋一體皺化系坐統(tǒng)設(shè)盲計(jì)所謂聞的系逐統(tǒng)設(shè)詠計(jì),就是立用系污統(tǒng)思圾維綜升合運(yùn)硬用各什有關(guān)氧學(xué)科蠢的知寸識(shí)、讀技術(shù)由和經(jīng)違驗(yàn),在系覽統(tǒng)分技析的尾基礎(chǔ)盤(pán)上,通過(guò)韻總體體研究借和詳撲細(xì)設(shè)熱計(jì),實(shí)現(xiàn)都滿足想設(shè)計(jì)鹿目標(biāo)腥的產(chǎn)音品研裹發(fā)過(guò)醉程。規(guī)系統(tǒng)毯設(shè)計(jì)癢的基盾本原旦則是驢使設(shè)用計(jì)工淹作獲壓得最獎(jiǎng)優(yōu)化炎效果,在保抹證目趙的功副能要黃求與管適當(dāng)蠟使用星壽命鳳的前疤提下貝不斷窩降低成本贏。系統(tǒng)槳設(shè)計(jì)逐的過(guò)晴程就咽是“涉目標(biāo)—功能—結(jié)構(gòu)—效果音”的起多次逃分析播與綜列合的夢(mèng)過(guò)程扒。綜厚合可植理解日為各構(gòu)種解府決問(wèn)微題要負(fù)素的敬拼合順的模逆型化紛過(guò)程,這是好一種款高度場(chǎng)的創(chuàng)幼造行外為。臣分析耳是綜習(xí)合的細(xì)反行蛾為，蹈也是提市高綜尚合水換平的跨必要華手段燃。決1.稻3機(jī)電五一體扇化的鼓發(fā)展寸趨勢(shì)1.均3.倘1機(jī)電功