機(jī)電一體化概論 1

機(jī)電一體化系統(tǒng)概論賈茜工業(yè)中心第1章 緒論1.1機(jī)電一體化的概念1.2機(jī)電一體化的組成1.3機(jī)電一體化的應(yīng)用實(shí)例1.4機(jī)電一體化的發(fā)展1.5本課程的學(xué)習(xí)方法

1.1機(jī)電一體化的概念“機(jī)電一體化”的英文“Mechatronics”,它是取自Mechanics（機(jī)械學(xué)）的前半部分和Electronics（電子學(xué)）的后半部分組合在一起而創(chuàng)造出來(lái)的。最早出現(xiàn)在1971年日本的《機(jī)械設(shè)計(jì)》雜志的副刊上，后來(lái)隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展而被廣泛用1.1.1機(jī)電一體化的定義日本1）學(xué)者渡邊茂提出：機(jī)電一體化是機(jī)械工程中采用微電子技術(shù)的體現(xiàn)。2）法納克公司的小島利夫認(rèn)為：機(jī)電一體化是機(jī)械學(xué)與電子學(xué)有機(jī)結(jié)合而提供的更為優(yōu)越的一種技術(shù)。3）1983年，日本機(jī)械振興協(xié)會(huì)經(jīng)濟(jì)研究所提出：機(jī)電一體化乃是在機(jī)械的主功能、動(dòng)力功能、信息與控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱(chēng)。該定義被大家普遍接受。美國(guó)1996年，美國(guó)電氣和電子工程師學(xué)會(huì)/機(jī)械工程協(xié)會(huì)（IEEE/ASME）把機(jī)電一體化定義為：在工業(yè)產(chǎn)品和過(guò)程的設(shè)計(jì)和制造中，機(jī)械工程和電子與智能計(jì)算機(jī)控制的協(xié)同集成。中國(guó)1）廣義上：機(jī)械工程與電子工程相結(jié)合的技術(shù)，以及應(yīng)用這些技術(shù)的機(jī)械電子裝置。2）狹義上：機(jī)械的電子化或者電子機(jī)械工程以上說(shuō)法角度不同，側(cè)重點(diǎn)不同，但都強(qiáng)調(diào)機(jī)與電的有機(jī)結(jié)合的思想。機(jī)電一體化技術(shù)是一門(mén)跨學(xué)科的綜合性技術(shù),是一門(mén)獨(dú)立的交叉學(xué)科。機(jī)電一體化是動(dòng)力、傳動(dòng)、控制、信息等技術(shù)有機(jī)結(jié)合的系統(tǒng)集成。簡(jiǎn)單地說(shuō)，機(jī)電一體化就是機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是機(jī)械裝置與電子裝置的軟硬件集成。原來(lái)僅由機(jī)械機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的裝置，通過(guò)與電子技術(shù)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)同樣運(yùn)動(dòng)的新裝置。發(fā)條式鐘表->石英鐘表

手動(dòng)照相機(jī)->自動(dòng)照相機(jī)

機(jī)械水龍頭->電子感應(yīng)水龍頭

機(jī)械調(diào)速器->電子調(diào)速器原來(lái)由人來(lái)判斷和操作的設(shè)備，變?yōu)橛蓹C(jī)器進(jìn)行判斷實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作的設(shè)備。售貨員->自動(dòng)售貨機(jī)出納員->自動(dòng)柜員機(jī)(ATM)售票員->IC卡讀卡機(jī)檢票員->自動(dòng)檢票機(jī)加油員->自動(dòng)加油機(jī)原來(lái)由人工值守操作，改為按照程序?qū)崿F(xiàn)靈活運(yùn)動(dòng)的設(shè)備。人工電話(huà)接轉(zhuǎn)->程控電話(huà)普通機(jī)床->數(shù)控機(jī)床現(xiàn)代化的自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備幾乎都是機(jī)電一體化的設(shè)備。機(jī)電一體化技術(shù)使冷冰冰的機(jī)器有了人性化、智能化。機(jī)電一體化的應(yīng)用人們生活的吃、穿、住、用、行都離不開(kāi)機(jī)電一體化。采棉機(jī)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、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(lài)于其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。1.1.2機(jī)電一體化的分類(lèi)1.按產(chǎn)品的功能原理:（1）數(shù)控機(jī)械類(lèi)<數(shù)控機(jī)床>（機(jī)械裝置）（2）電子設(shè)備類(lèi)<電子血壓計(jì)>（電子裝置）（3）機(jī)電結(jié)合類(lèi)<CT掃描儀>（機(jī)械、電子相結(jié)合）（4）電液伺服類(lèi)<電梯>（液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械裝置）（5）信息控制類(lèi)<復(fù)印機(jī)>(動(dòng)作由所接收的信息控制)2.按產(chǎn)品技術(shù)的系統(tǒng)化程度:（1）大型成套設(shè)備（2）數(shù)控機(jī)械（3）儀器儀表（4）辦公自動(dòng)化系統(tǒng)3.按產(chǎn)品的服務(wù)對(duì)象領(lǐng)域:工業(yè)生產(chǎn)類(lèi)、運(yùn)輸包裝類(lèi)、儲(chǔ)存銷(xiāo)售類(lèi)、社會(huì)服務(wù)類(lèi)、家庭日用類(lèi)、科研儀器類(lèi)、國(guó)防武器類(lèi)等。4.按機(jī)電技術(shù)的結(jié)合程度:（1）功能附加型（2）功能替代型（3）機(jī)電融合型1.1.3機(jī)電一體化的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便速度快、精度高可靠性高柔性好1.2機(jī)電一體化的組成并非有了電氣電子之后才發(fā)展了控制技術(shù)。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)明應(yīng)用的同時(shí)，控制技術(shù)就產(chǎn)生了，如:漏壺、指南車(chē)等。單只及多級(jí)漏壺指南車(chē)機(jī)械/氣動(dòng)/液壓傳動(dòng)與控制機(jī)械傳動(dòng)與控制現(xiàn)代系統(tǒng)早期系統(tǒng)早期的電氣控制就是在電路當(dāng)中增加了電器開(kāi)關(guān)或繼電器等，來(lái)控制電機(jī)或液壓、氣動(dòng)元件的電路，使其產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。1.2.1機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成及功能(1)機(jī)械單元

包括機(jī)械傳動(dòng)裝置和機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置，相當(dāng)于人體的運(yùn)動(dòng)器官。主要功能：使系統(tǒng)各組成單元、零部件按照一定的空間和時(shí)間關(guān)系安裝在一定位置上，并保持特定的關(guān)系。(2)檢測(cè)單元

包括各類(lèi)傳感器、變送器，相當(dāng)于人體的感覺(jué)器官。主要功能：對(duì)系統(tǒng)所需的本身和外界的參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢查，送給控制單元。(3)控制單元

包括微型計(jì)算機(jī)、PLC、邏輯電路、接口等，是機(jī)電一體化系統(tǒng)的核心部分，相當(dāng)于人體的大腦。主要功能：采集傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)外部輸入信息進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、判斷、決策，根據(jù)處理結(jié)果向執(zhí)行元件及驅(qū)動(dòng)單元發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。(4)伺服與驅(qū)動(dòng)單元

包括伺服元件及其驅(qū)動(dòng)，相當(dāng)于人體的肌肉。主要功能：根據(jù)控制信息和指令完成要求的動(dòng)作，一般可采用位置、速度和力矩三種控制方式。

接口是控制單元與外部設(shè)備的連接元件，是控制單元與外部設(shè)備進(jìn)行信息交換的中轉(zhuǎn)站。主要功能：執(zhí)行控制單元命令、返回外設(shè)狀態(tài)、數(shù)據(jù)緩沖、設(shè)備尋址、信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)寬度與格式轉(zhuǎn)換等。

1.2.2機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)傳感器技術(shù)軟件技術(shù)通信技術(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)自動(dòng)控制技術(shù)系統(tǒng)技術(shù)1.3機(jī)電一體化的應(yīng)用實(shí)例1.3.1自控式恒溫箱1.3.2電子燃油噴射系統(tǒng)針對(duì)降低燃料費(fèi)用和減少?gòu)U氣排放而開(kāi)發(fā)應(yīng)用的發(fā)動(dòng)機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

空氣燃料比的控制當(dāng)空氣燃料比增大時(shí)，燃料稀薄，點(diǎn)火困難；反之，由于氧氣不足，所排放的氣體中沒(méi)有充分燃燒的碳化氫（HC）和一氧化碳（CO）含量增加，既浪費(fèi)燃料又污染環(huán)境。因此，將空氣燃料比控制在最佳狀態(tài)非常重要。

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖

廢氣再循環(huán)從各個(gè)傳感器得到的模擬電壓信號(hào)和從發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸得到的脈沖信號(hào)都輸入發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）。以這些信息為基礎(chǔ)，在ECU內(nèi)對(duì)最佳空氣燃料比、點(diǎn)火時(shí)間、排氣再循環(huán)率等進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果作為控制燃料噴射閥和點(diǎn)火裝置等的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出。1.3.3ETC不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)電子標(biāo)簽讀寫(xiě)天線(xiàn)通過(guò)RS232串口電纜連接到位于收費(fèi)亭的車(chē)道計(jì)算機(jī)上。其他設(shè)備如自動(dòng)欄桿、費(fèi)額顯示器、車(chē)道通行燈等則通過(guò)車(chē)道控制器與車(chē)道計(jì)算機(jī)連接。ETC系統(tǒng)工作流程(1)車(chē)輛進(jìn)入通訊范圍，首先壓到觸發(fā)線(xiàn)圈，啟動(dòng)讀寫(xiě)天線(xiàn)；(2)讀寫(xiě)天線(xiàn)與電子標(biāo)簽通訊，判別車(chē)輛電子標(biāo)簽是否有效，有效則進(jìn)行交易；無(wú)效則報(bào)警并保持車(chē)道封閉，直到車(chē)輛離開(kāi)電子線(xiàn)圈；(3)如交易成功，系統(tǒng)控制欄桿抬升，通行信號(hào)燈變綠，費(fèi)額顯示牌上顯示交易信息；(4)車(chē)輛通過(guò)抓拍線(xiàn)圈時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行圖像抓拍；(5)車(chē)輛通過(guò)落桿線(xiàn)圈后，欄桿自動(dòng)回落，通行信號(hào)燈變紅色；(6)系統(tǒng)保存交易記錄，并將其上傳至收費(fèi)站服務(wù)器中，等待下一輛車(chē)進(jìn)入。1.4機(jī)電一體化的發(fā)展1.4.1機(jī)電一體化的發(fā)展歷史1．初級(jí)階段（1960年以前）2．蓬勃發(fā)展階段（1970~1980年）3．智能化階段（1990年至今）1.4.2機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)電一體化是機(jī)械、電子、光學(xué)、控制、計(jì)算機(jī)、信息等多學(xué)科的交叉融合,它的發(fā)展和進(jìn)步依賴(lài)于也促進(jìn)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。因此,機(jī)電一體化的主要發(fā)展方向?yàn)橹悄芑?、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、人格化、微型化、系統(tǒng)化、綠色化。1.5本課程的學(xué)習(xí)方法1.5.1

本課程的目的

本課程之前已經(jīng)學(xué)習(xí)了很多專(zhuān)業(yè)課程：數(shù)控加工技術(shù)、數(shù)控原理與系統(tǒng)、機(jī)床電氣與PLC、單片機(jī)等等。這些課程都是針對(duì)某一非常具體的技術(shù)，是實(shí)際應(yīng)用的不同方面。本課程是以各學(xué)科為基礎(chǔ)的綜合性課程。它從系統(tǒng)的角度分析研究生產(chǎn)實(shí)際中的機(jī)電一體化設(shè)備及設(shè)計(jì)方法。從而使大家從系統(tǒng)的層面對(duì)機(jī)電一體化設(shè)備及設(shè)計(jì)方法有整體而深刻的認(rèn)識(shí)。1.5.2本課程的任務(wù)引領(lǐng)讀者了解機(jī)電一體化系統(tǒng)組成及其基本功能掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)基本原理、總體布局、各組成單元及接口、機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法。1.5.3課程的內(nèi)容概述第1章緒論

介紹了機(jī)電一體化的概念、特點(diǎn)；組成及相關(guān)技術(shù)、應(yīng)用實(shí)例；發(fā)展過(guò)程及趨勢(shì)。第2章機(jī)電一體化的系統(tǒng)組成介紹了機(jī)電一體化各組成單元的功能，機(jī)械系統(tǒng)、伺服與執(zhí)行系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等典型元件的結(jié)構(gòu)及工作原理，以及機(jī)電一體化的接口技術(shù)。第3章機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)介紹機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)類(lèi)型，機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的建模方法，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中常用的軟