机电一体化1N讲解

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1、机 电 一 体 化 控 制 系 统 汤漾平 机械学院工艺设备及自动化系 教授 系主任 机电一体化控制系统 参考书 机电一体化控制技术与系统 周祖德.唐泳洪.武汉:华中理工大学出版社,1993. 机械电子学 刘政华.何将三.长沙:国防科技大学出版社,1999. 机电一体化设备结构与维修 宋福生.朱 江等.南京:东南大学出版社,2000. 前期课程及知识 大学物理、工程力学、 工程材料、机械制图与画 法几何、机械原理、机械 零件、互换性与技术测量、机械制造技术基础、成 型加工工艺、机械制造过程技术、机电传动控制、 微机原理等。 应经过金工实习、认识实习和生产实习，具备 必要的实践知识。 相 关 课

2、 程 机械加工自动化 机械制造系统 机械工艺装备设计 本 课 程 的 目 的 从基本知识入手，结合典型的系统学习，使 学生 1.对机电一体化技 术与系统有较全面 的认识， 2.基本掌握总体设 计的理论和方法， 3.掌握元部件的选 择和计算， 4.初步具备机电一 体化系统的开发能 力。 先进制造技术的层次及技术来源示意图 第二层新型的制造单单元技术术 第三层先进进制造集成技术术 第一层基础础技术术 制造资源计划 11 机电一体化技术的 产生与发展 12 机电一体化的 概念 13 机电一体化系统的 功能构成和组成要素 14 机电一体化系统的 共性关键技术 15 机电一体化技术与系统的 应用和发展

3、第一章 绪 论 机电一体化这个词（最早产生于日本） （mechatronics= mechanic + electronics） 机械电子学、我国习惯称之为 机电一体化 1.1机电一体化技术的产生与发展 根本原因 理论基础-方法论 技术基础 1.机电一体化技术产生与发展的根本原因 机 电 一 体 化 的 产 生 与 迅 速 发 展 的 根 本 原 因 在 于 社 会 的 发 展 和 科 学 的 进 步。 机电一体化是机械、电子、计算机和自动控制 等技术有机结合的一门复合技术，其产生与发展与 自动化技术的发展密切相关。 在工程技术和科学的发展过程中，自动化与自 动控制技术起着极其重要的作用。 自

4、动控制最早、最典型的应用航天、制导、 飞机驾驶不用说。冶金、电力、化工、练油、轧钢 。 进一步发展现代机械制造、电子化机械产 品。 锅炉供水的水位调节 18世纪 转速调解器 19世纪 单机、单个参数（温度T、压力P、流量Q） 的控制20世纪30年代 复杂生产过程、工段、车间的控制 40-50年代 电子计算机的发展与应用、单机自 动化和单个设备的自动化 60年代 系统自动化、自动生产线 70年代 后来，综合自动化、FMS与机电一体化产品 由此可见， 机电一体化技术实际上是自动化技术发展的 一个阶段和必然产物。 是自动化领域中机械技术与电子技术有机结合而产生的 新技术。 2.机电一体化技术的理论基

5、础（方法论） 系统工程、控制论和信息论是机电 一体化的理论基础，也 是机电一体化技术的 方法论 2.机电一体化的技术基础微电子技术 微 电 子 技 术 的 发 展， 半 导 体 大 规 模 和 超 大 规 模 集 成 电 路 制 造 技 术 的 发 展 和 进 步 为 机 电 一 体 化 奠 定 了 技 术 基 础。 第一只晶体管的诞生 1947年 集成电路 1959年 微处理芯片 70年代 微电子技术获得惊人的发展 intel 4004 1971 2000器件/片 时钟 1MHz 经过7次技术换代后 80586（奔腾） 1995 300万器件/片 时钟 133MHz 80686（高性能奔腾）

6、1995。11月 550万器件/片 时钟 300MHz 其功能又翻了一番。 与此同时，能实现各种功能的那些专用的大规模集 成电路芯片层出不穷，大概现在每天都有新的问世。 MCT 8000 F8 运 动 控 制 器 MC 系 列 DSP 运 动 控 制 器 目前、机电一体化技术、产品和系统已经渗透 到国民经济、社会生活的各个领域： 大的： 机械制造装备、汽车、石 化装备、冶金装备、航空航 天、现代化武器 小的 ： 办公自动化设备、家用电器等 达到无孔不入的地步。 宇航员与机械手配合，在航天飞机上安装“任务专门仪” 12 机电一体化的概念 机电一体化的 定义 机电一体化的 研究内容 机电一体化的

7、特点和范畴 1机电一体化的定义（1） （1）定义1 是指在机械的主功能、动力功能、信息与控制功能上引进了 电子技术，并将机械装置与电子设备以及软件等有机结合而成的 系统的总称。 1981年，日本机械振兴协会经济研究所 （2）定义2 （系统）是由计算机信息网络协调与控制的，用于完成机械 力、运动和能量流等动力学任务的机械和（或）机电部件相互联 系的系统。 1984年，美国机械工程师协会（ASME） （3）定义3 是指在设计机械产品和生产过程的初始阶段就考虑将精密机 械技术和电子控制技术有机地结合的技术和系统。 欧洲经济共同体 1机电一体化的定义（2） 上述定义不尽相同，但其实质是一致的。 即：机

8、电一体化是机械技术与微电子技术、计算 机技术、自动控制技术有机结合的一门复合技术。 注意：这个有机结合不是简单的组合、拼合在一起，而是相 互融合。 技术上：体现为机械技术与微电子技术、计算机技术等 高新技术的横向交叉、渗透和综合集成，从而形成一种新的 学术思想和技术手段，各自单项技术是达不到的。 产品结构上：机械装置与电子设备、计算机硬件与软件 合理配置，形成一个相互联系的有机整体。 2机电一体化的研究内容 机电一体化的 原理、技术、 设计理论和 方法 （1）独特的机电一体化的基本技术体系 （2）高性能的机电一体化产品 （3）最优化的机电一体化设计方法 （1）独特的机电一体化的基本技术体系 （

9、2）高性能的机电一体化产品 1）机电一体化的产品应是富含高新技术的技术密集型产 品。应用系统工程的观点和方法来分析、研究机电一体 化的产品和系统。 2）在功能、性能、质量和效率等方面都有高水平的发展 。 3）内部合理配置、外部性能最佳。 表现出： 整体结构的最佳化； 系统控制的智能化； 操作性能的柔性化 数 控 机 床 工 业 机 器 人 我们最熟悉的家用电器：电子相机到数码相 机（理光） （从测光、测距、调光、调焦、曝光、卷片倒 片、闪光及其他附件的控制） 全自动洗衣机 微 波 炉 多功能喷墨一体机 打印机+扫描仪 办公自动化（电脑设备） 打印机 扫描仪 （3）最优化的机电一体化设计方法 突

10、出体现： 1）当产品的某一功能单靠某一种技术无法实现时 ，必须进行机械与电子及其它多种技术有机结合的一 体化设计； 2）当产品的某一功能有多种可行的技术方案时 ， 必须应用机电 一体化技术对 各种技术方案 进行分析和评 价。 电 脑 绣 花 机 3机电一体化的特点和范畴（1） （1)特点 从机电一体化的定义和技术体系可以看出如下特点： 机器的精密定位 传统机械技术通过提高齿轮和丝杆螺母等穿传动机 构的加工和安装精度实现，定位精度受机械传动精度限制 机电一体化用传感器实时地对定位误差进行检测， 把误差信号反馈给具有误差处理能力的控制器，利用控制手 段对定位误差进行修正和补偿，达到提高精度。 1）

11、机电 有机结合 机电一体化是机械技术和电子技术有机结合的的高级技术。 例如： 3机电一体化的特点和范畴（2） 2）计算机信息处理 计算机硬件和软件共同组成的信息处理系统是机电一体化不可 缺少的部分。 例如： CNC（计算机控制的数控机床），一种典型的 机电一体化产品。 CNC数控机床的CNC数控系统是其进行信息处 理的核心： 其作用： A）实现闭环控制和软件插补，并具有很强的自诊断功能； B）实现逻辑控制 C）系统设置有标准的数据传送通道和接口，可与上位计算机联机，进行程序传 输和管理，控制信息通信，以便于纳入计算机集成制造系统网络。 利用控制手段对定位误差进行修正和补偿，达到提高精度 3机电

12、一体化的特点和范畴（3） 3）系统工程的方法 系统工程的观点和方法是机电一体化的基本方法 。 系统是典型的高新技术的。 比较复杂的工程系统，具有系统的 集合性（整体性）、关联性、目的性和相对性等 四个基本属性。 因此，设计开发机电一体化系统，一开始就要运 用系统工程的观点和方法来进行分析。 3机电一体化的特点和范畴（4） （2）范畴 1）在工程技术（学科谱系）中，机电一体化属 于机械工程的范畴，是机械工程中新兴的一个学科 2）按前面的分析，凡是由各种现代高新技术与 机械和电子技术相结合而形成的各种技术、产品或 系统都属于机电一体化的范畴 如：CNC机床，MC（加工中心），FMS（柔性制 造系统

13、 ），CIMS（计算机集成制造系统）以及自动化生产工程等 都属于机电一体化的范畴。 13 机电一体化系统的功能构成和组成要素 功能构成 组成要素 1机电一体化系统的功能构成（1） 1机电一体化系统的功能构成（2） （1）切削加工是CNC机床的主功能； （2）电源通过电机驱动机床，实现动力功能； （3）位置检测和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 实施相应的控制。 （4）机械结构结构功能，使机床各功能部 件保持规定的相互位置关系。 传统的机械产品一般不完全具备以上5大内部功能。 可见，机电一体化产品功能齐全； 而实现其功能的形式更灵活，技术更先

14、进，效果更好 。 2机电一体化系统的组成要素（1） 2机电一体化系统的组成要素（2） 14 机电一体化系统的共性关键技术 （精密）机械技术 计算机和信息处理技术 检测与传感技术 自动控制技术 伺服驱动技术 系统总体技术 机电一体化系统的共性关键技术 1. （精密）机械技术(1) 机械技术是一门历史最久的应用技 术，是各个技术领域的基础，有一整套 完整的理论和实践规范。 1. （精密）机械技术(2) 机电一体化产品机械方面的要求： （1）为了充分发挥机电一体化产品的优点。 必须使其机械本体部分具有高精度、轻量化和高 可靠性； （2）内部结构和外部造型部局合理、操作方 便、美观协调。 2.计算机和

15、信息处理技术(1) （1）计算机自动控制技术包括 高精度定位控制、 速度控制、 力控制、 自适应控制、 以及自诊断、仿真、校正、补偿、再现、检索等。 经典控制理论和现代控制理论是自动控制技术的基础， 计算机的发展为控制理论的应用和实施提供了条件。 目前在机电一体化系统中广泛应用的计算机有那些： 可编程序控制器（PLC）、 单片机（单片微处理机）、 工业控制机等。 计算机和信息处理技术 目前在机电一体化系统中 广泛应用的计算机有那些： 可编程序控制器（PLC） 、 单片机（单片微处理机） 、 工业控制机等。 2.计算机和信息处理技术(2) （2）信息处理技术包括 信息输入、变换（A/D、D/A）

16、、运算、储存、判断 、决策和输出等技术。 信息处理技术的硬件包括 输入/输出设备、显示器、磁盘、 计算机、可编程控制器和数控装置等。 信息处理是否及时，处理结果是否正确和精确，将 直接影响产品的质量和数量。 3.检测与传感技术(1) （如何从 待测对象 那里获取能反映 待检 测对象特征与状态的 信号 取决于传感器技术 ； 而能否有效地利用这些信号所携带的丰富 信息则取决于检测技术。 在实际的机电一体化系统中，前者比后者 更为重要。 3.检测与传感技术(2) 随着测控技术的发展，对传感器的检测速度 、灵敏度和精度的要求越来越高，并推动了传感 器技术的发展。 传感器的发展方向是 集成化 智能化 3.检测与传感技