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1、机 电 一 体 化 专 业 英 语 （ 中 文 译 文） 宋主民 主编 机械工业出版社 作者：宋主民 第一章 机电一体化简述1.1 引言 机电一体化（Mechatronics）是机械的（Mechaical）和电子学（Electronics）的缩写形式，它是日本人创造的但你在字典里是找不到的。机电一体化也是机械工程科学和电子学的结合。欧洲经济共同体（EEC）将机电一体化定义为“在设计产品和制造系统中的精密机械工程、电子控制和系统技术的最佳合作的结合”。 机电一体化系统包括机电一体化产品和机电一体化的生产系统（模式）。一般地，机电一体化产品被认为是“一个包含机械部件、电子器件和软件的系统，其中电子
2、技术被引用到主要工作功能，驱动功能，信息和控制功能等各个方面”。现代开发的机电一体化制造系统的目的在于实现制造的柔性自动化，提高设计产品的效率和产品质量，以适应快速变化的市场需求以及提高在市场竞争中的能力。 本书将向你提供机电一体化产品的基本知识以及现代机电一体化制造系统的简要描述。编者旨在满足对机械工程专业学生的“机电一体化专业英语”这门课程的教学需要。你将会发现当你学习技术英语的同时，你已学到了许多关于机电一体化产品和现代制造技术的领域知识。1.2 机电一体化产品 一个典型的机电一体化产品如数控（NC）机床或工业机器人是由机构部分和以微处理器为主的电子线路所组成，后者包括信号采样、数据获取
3、和处理以及计算机控制。与传统的机械产品相较，机电一体化产品的优点是具有更高的精度、更高的生产效率、更高的可靠性和更低的能量、材料和劳动力方面的消耗。1.2.1 机电一体化产品的组成图1.1是机电一体化产品组成的方块图，各方块的功能如下： 1机械系统 机械系统包括机构和工作过程，它有多种输入和输出变量。输入变量也称控制变量，而输出变量也称被控变量。例如，图1.2所示的在车床上的车削过程就有包括主轴转速、进给速度和切削深度的输入变量；其输出变量则有粗糙度、切削力、振动水平、加工精度、温度、噪声、金属切除率以及能耗等。一些输出变量可以在线测量，但有些则必须离线测量。 图2.2 车削过程的输入、输出变
4、量2传感器 传感器是用于测量输出变量并将它由机械信号转换为电量的一种仪表。例如，热电偶用于将温度转换为电压；应变计将应变转换为电阻的变化，以及加速度计将加速度信号转换为电荷的变化等。 3. 测量仪器 传感器通常被称为是一次仪表，它所产生的信号被传送到被称之为二次仪表的测量仪器中，在那里信号经信号处理电路处理以适合于在刻度表、LCD（液晶显示）或CRT（阴极射线管）上显示。这种测量仪器能定量地记录被测的机器和过程的输出信号，在某种意义上来说，它是一种用于监视机器和过程的状况的机电一体化产品，并可归类为第一类机电一体化产品。 4数据获取 除了被传送到测量仪器供显示外，传感器输出的电信号还通过数据获
5、取系统传送到微机作进一步处理。数据获取系统包括调制解调器（MODEM）、滤波、采样、A/D（模/数）转换和PIO（外部输入和输出）接口电路。MODEM简单地说就是一种电路，用以将微弱和缓变的非周期信号通过调制和解调进行传送。滤波器是用于消除或减弱混杂在信号中的干扰和噪声，它也是一种能允许或阻止具有一定带宽的信号通过的装置。采样电路是一个将连续输出信号按一定的时间间隔切割成离散脉冲的电路。A/D转换器是一个标记为ADC的电路。它将离散的模拟量转换为数字量，使之能被传送至计算机并被其接受。最后，PIO接口是一种电路，它能提供信号输入/出计算机的通道。 5. 信号分析 在计算机机内所作的信号分析也称
6、为数据处理。信号分析中有各种各样的工作，从获得最简单的统计值如均值、方差或均方根值到复杂的分析如相关分析、系统稳定性分析和谱分析等。有两种方法进行信号分析：一种是直接用输入数据进行信号分析；另一种是先用数据建立系统的数学模型，然后再根据所得到的模型参数进一步作建模后分析，它包括相关分析、系统稳定性分析、模态分析、谱分析和模式识别等。所有这些信号分析的结果被用于系统设计、分析、诊断和控制。信号分析可以在线或离线方式进行。在线分析是指可在机器工作时进行，而离线分析是指要将信号先记录在媒体内，然后将它传送到计算机内作分析。这种装备有在线数据处理的测量仪器可以划归为第二类机电一体化产品。 6. 计算机
7、控制 典型的机电一体化产品是一种机器和计算机控制系统的结合体。如图1.1所示，由传感器输出的电量通过采样反馈到计算机，然后在求和点（比较环节）处与某一被控变量R相比较以产生误差E，该E被送入校正控制器（一个计算机算法）处理以产生一个执行量M用以调节这个误差。数字量M由D/A转换器（DAC）转换为模拟量并被传送到伺服驱动系统，作为控制机器和过程的输入变量。 如图1.3所示，伺服驱动系统由伺服驱动电路、伺服驱动电机（对液压驱动系统则是伺服阀）以及机械执行件所组成。后者包括齿轮传动链、丝杠-螺母副和滑台-导轨副。这里所用的传感器则是位移传感器，它决定于控制系统是开环、半闭环或是闭环系统。以NC机床为
8、典型的具有计算机控制系统的机器可划归为第三类机电一体化产品。 图1.3 伺服驱动系统1.2.2 开发机电一体化产品中的共性关键技术在开发一种新的机电一体化产品中，无论它是一台数控机床，一台工业机器人或任何其他产品，都必须开发以下六种共性关键技术： 1 传感器和测试技术；2 数据获取技术。包括调制解调器、滤波、采样、模/数转换技术以及PIO接口技术；3 信号分析/数据处理。包括建立数学模型和建模后分析，以及设计控制器算法；4 伺服驱动系统。即按照由控制器提供的执行量驱动机械执行件；5 精密机械技术。包括设计、制造和装配精密机械技术；6 系统技术。从系统工程学科的观点去合理地组织和结合系统的软件和
9、硬件、机械部件和电子线路，以求得最大的性能/价格比。1.3 机电一体化的生产系统在回顾上世纪的自动化制造系统（其实也是机电一体化制造系统）的发展历史时，学者们将其划分为五个阶段，它们是： 1.3.1 工业化生产阶段 它以20世纪30年代的福特生产模式为代表，该生产模式采用了IDSIMSICAPPICAD快速原型制造并行工程JIT方式生产精良生产敏捷制造AMT 先进制造技术决策自动化阶段 智能制造 系统GT/CAPPCAD/CAM机电一体化80年代专家制造系统工程CIMS数据自动化JIT工业化生产60年代设备自动化阶段30年代动态信号分析RobotFMS70年代MRP（材料需求计划）CAEMRP
10、-2制造资源计划全面质量管理数据库管理系统通信协议计算机网络人工智能Fig. 1.4 制造自动化的发展历史互换性和流水作业的生产方式，并采用了自动化专机实现在大规模生产中的刚性自动化。 1.3.2 设备自动化阶段 这个阶级是在上世纪40至60年代之间，并以NC、CNC和DNC以及工业机器人为代表。由于NC机床采用了被加工另件的软程序载体，所以不再存在机床的通用性与自动性之间的矛盾，这就有可能实现小批量甚至一样一件生产的自动化，并由此推动产品的革新，使得人们的生活丰富多彩。 1.3.3 柔性自动化阶段 这个阶段开始于70年代，并以柔性制造单元（FMC）和柔性制造系统（FMS）为代表。FMS的目的
11、是要通过下列的活动使得制造系统最优化： 1FMS 是由一组机床所组成的。由于一种另件通常需要几道工序加工，而每道工序的时间是不同的，因此合理的办法是同时投入几种另件加工，使得昂贵的NC机床能借助于计算机调度达到均衡负荷而有效地工作。 2在FMS中装备一个材料处理系统（MHS），用以极大地减少制造中的停机时间，包括另件/工具预调、运输和安装的时间等。MHS包括另件/工具预备站、立体仓储、小车制导系统（VGS）、有轨或感应式轨道，以及自动托盘交换器（APC）和自动刀具交换器（ATC）等。3FMS的特点就是柔性，它要求系统能适应制造系统所发生的任何变化。例如，如果某一台机床出了问题，系统可以借助于计
12、算机的调度将原安排在这台机床上加工的另件转移到另一台机床去加工。1.3.4 数据自动化阶段 这一阶段开始于上世纪70-80年代，以CIMS（计算机集成制造系统）为代表。CIMS的目的是在计算机网络和数据库技术的支持下，构建一个数据集成系统，在这个系统中，企业的每一个部门，包括设计、制造、生产管理、质量控制、售购等，能彼此之间实现数据共享。这就使每个部门的正确数据能在正确的时间到达正确的地点/人，从而极大地帮助企业的决策者作出正确的决策。在图1.4中，所有在水平线以上的技术项目就是开发CIMS的基础，本书下文将对其作阐述。1.3.5 决策自动化阶段 ：智能制造和先进制造技术 从上世纪90年代起，
13、制造系统进入了决策自动化阶段，它是制造技术和计算机科学中的专家系统和人工智能技术的结合。在决策自动化阶段，用知识库存储各种领域专家的知识，包括总工、设计工程师、制造工程师和管理工程师的知识。当用户输入一个问题或要求时，专家系统逐步地搜索知识库和作推理，并通过人-机交互接口回答所提问题，一旦得到了满意的结果，就将它以事件或规则的形式作为一个新的知识存储在知识库内。 另一方面，在这一阶段，随着各种先进技术如集成的CAD/CAM技术，先进的管理系统如MRP-2系统，计算机网络技术和数据库系统，计算机通信协议及全面质量管理等的开发，先进制造模式正在实现，其中包括并行工程（CE），快速原型制造（RPM）
14、，按需准时制造（JIT），精良生产，敏捷制造，虚拟制造和绿色制造等，下文将对其作简单介绍。第2章 传感器2.1 引言 传感器和测量技术是机电一体化产品的关键技术和基本环节。传感器一般由敏感元件，转换元件和基本转换电路组成，如图2.1所示。敏感元件直接感受被测的机械信号并产生另一种物理量的输出，。例如，弹性敏感元件将力和力矩转换为位移或应变的输出，压电陶瓷将压力转换成电荷的输出等。转换元件将敏感元件的非电量输出如力，压力，力矩，位移，加速度，载荷，转速，速度，角速度，流量和位置等转换为电路参数如电阻，电感，电容，或电流，电压信号等。例如，热电偶将敏感元件的两种金属材料的温差转换为电压输出，然后再经转换电路转换成易于传送和处理的电量。通常敏感元件和转换元件做在一个机盒内称为一次仪表，而将转换电路装在另一机盒内。这两个机盒的结合体则称为二次仪表。图2.1 传感器的组成2.2 传感器的性能和评价指标 传感器的性能是指传感器的输入/输出关系，它包括静态和动态性能。静态性能是当输入量为常量或缓变量时，传感器的输入/输出关系。静态性能的评价指标包括线性度、灵敏度和重复性等。传感器的动态性能的评价指标包括传感器对于时变输入（信号）的响应特性，这种输入通常为正弦周期信号或阶跃信号，对应于它们的动态特性分别称为频率响应和阶跃响应。评价一个传感器的主要参数有
