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1、机电一体化概论,作者：赵再军,责任编辑：石国华 出版日期：2008年9月 IDPN：308-2008-016 课件章数：14,第一章 机电一体化的基本概念,第一节 机电一体化的定义,一、机电一体化的基本涵义,机电一体化乃是机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术并将机械装置与电子设备以及相关软件有机结合而构成系统的总称。 机电一体化不是机械技术和电子技术的简单叠加，而是将电子设备的信息处理功能和控制功能“揉和”到机械装置中去 。,机电一体化的正确概念,机电一体化不是简单叠加，功能上1+110 ； 与一般机电产品的差异 ： 普通车床与数控车床的区别？,为什么机电一体化的发展前景
2、巨大？,机电一体化系统微电子装置取代了人对机械的绝大部分控制功能并加以延伸扩大，克服人体不足和弱点，另一方面节省能源材料消耗，体现出高性能化、智能化、资源化、轻薄短小化，对我国工业三大要素（物质：原料毛坯；能量：电、液、气能；信息：操作及控制指令）贡献大，与我国工业发展方向相一致。,什么是机电一体化技术？,包括机电一体化技术基础、技术原理在内，使机电一体化系统得以实现、使用发展技术。,机电一体化系统包含了什么？,1、机电一体化产品： 采用机电一体化技术在机械产品基础上创造出来的新一代产品或设备。,2、机电一体化生产系统： 运用机电一体化技术把各种机电一体化设备按目标要求组成一个高生产率、高柔性
3、、高质量、高可靠性、低能耗生产系统。,二、机电一体化系统的基本要素,机械本体 动力单元 传感检测单元 执行单元 驱动单元 控制及信息处理单元。,机电一体化要素：,1、机械本体,人的身体,骨骼,数控的工作台,丝杆等 。 功能是使构造系统的各子系统、零部件按照一定的空间和时间关系安置在一定的位置上，并保持特定的关系； 机械本体需在机械结构、材料、加工工艺性以及几何尺寸等方面适应产品高效、多功能、可靠和节能，小型、轻量、美观等要求。,2、动力单元,人的内脏,动力源 。 按照机电一体化系统的控制要求，为系统提供能量和动力以保证系统正常运行。 机电一体化的显著特征之一，是用尽可能小的动力输入获得尽可能大
4、的功能输出。,3、传感控制单元,人的五官,感应同步器,光栅 。 对系统运行过程中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，并转换成可识别信号，传输到控制信息处理单元，经过分析、处理产生相应的控制信息。 传感器检测单元通常由专门的传感器和仪器仪表组成 。,4、执行和驱动单元,人的肌肉,电动机 。 根据机电一体化系统的匹配性要求，需要考虑改善执行机构的工作性能 ； 是在控制信息作用下，驱动各种执行机构完成各种动作和功能。 机电一体化技术一方面要求驱动单元具有高频率和快速响应等特性，同时又要求其对水、油、温度、尘埃等外部环境的适应性和可靠性；另一方面由于受几何上动作范围狭窄等限制，还需考虑维修
5、方便，并且尽可能实行标准化。,5、控制与信息处理单元,人的大脑,计算机,信息处理系统 。 机电一体化系统的核心单元，其功能是将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、存储、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序发出相应的控制信号，通过输出接口送往执行机构，控制整个系统有目的地运行，并达到预期的性能。 控制与信息处理单元一般由计算机、可编程控制器、数控装置以及逻辑电路等组成。,第二节 机电一体化的相关技术,1、机械技术 精度要求更高，结构更简单，功能更强大，性能更优越，同时还要有更好的可靠性、维护性和更新颖的结构。 零部件要求模块化、标准化、规格化，对结构进行优化设计，采用新型复合材
6、料使系统减轻重量，缩小体积，又不降低机械的静、动刚度，采用高精度导轨、精密滚珠丝杠、高精度主轴轴承和高精度齿轮等，以提高关键零部件的精度和可靠性；提高其互换性和维护性等。 开发新型复合材料以提高刀具、磨具的质量； 结论：机械技术的出发点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其他高新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上以及功能上的变更。,2、传感检测技术,内容包括两方面： （1）如何将各种被测量（包括物理量、化学量和生物量等）转换为与之成比例的电量； （2）如何将转化的电信号的加工处理如放大、补偿、标定变换等 。 系统的感觉器官，即从待测对象那里获取能反映待测对象特征与状态的信息。它是实现自
7、动控制、自动调节的关键环节，其功能越强，系统的自动化程度就越高,3、信息处理技术,信息的交换、存取、运算、判断和决策。它相当于人的大脑，指挥整个系统的运行。 计算机技术包括计算机的软件技术、硬件技术和网络与通信技术等，机电一体化系统中主要采用工业控制机（包括可编程序控制器、单片微控制器、总线式工业控制机等）进行信息处理。计算机应用及信息处理技术已成为机电一体化技术发展和变革的最重要因素，提高信息处理速度，如采用超级微机或超大规模集成技术；提高系统可靠性，如采用自诊断、自恢复和容错技术；加强智能化，如采用人工智能技术和专家系统，均为信息处理技术今后发展的方向。,4、自动控制技术,高精度定位控制、
8、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、检索等技术。 解决如何提高产品的精度，提高加工效率，提高设备的有效利用率，从而实现机电一体化系统的目标最佳化。系统仿真，现场调试，可靠地投入运行。 机电一体化技术中十分重要的关键技术 。,5、伺服驱动技术,在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械的运动部件按照指令的要求进行运动，并具有良好的动态性能。 是直接执行操作的技术，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置或部件，对机电一体化系统的动态性能、控制质量和功能具有决定性的作用。,6、系统总体技术,是一种从整体目标出发，用系统的观点和方法，将总体分解成若干功能单元，找出能完成各个功能的技术方案，再将各
9、个功能与技术方案组合成方案组进行分析、评价、优选的综合应用技术。它通过所用技术的协调一致来保证给定环境条件下经济、可靠、高效地实现目标，并使其操作和维修更加方便。,接插件、接口转换、软件开发、微机应用技术、控制系统的成套性和成套设备自动技术等。,结论，即：机电一体化技术是一种复合技术，它不是机械和电子的简单叠加，它需要很多部门、产业的配合和支持，才能取得满意的结果。,第三节 机电一体化技术发展前景,朝着高可靠性、高柔性化、高精度化、高速化、多功能复合化，制造系统自动化及采用CAD设计技术和宜人化方向发展，归纳起来，机电一体化的发展趋势应为：在性能上向高精度、高效率、高性能、智能化方向发展；功能
10、上向小型化、轻型化、多功能方向发展；层次上向系统化、复合集成化的方向发展。,1、从性能上看,高可靠性、高精度、高速化。 人工智能化。智能机器人通过视觉、触觉、听觉等各类传感器来检测工作状态，根据实际变化过程中的反馈信息作出判断与决定。,2、从功能上看,小型化、轻型化、多功能化是功能发展的主要特点 。 具有数据采集、检测、记忆、监控、执行、反馈、自适应、自学习等多种功能，甚至还要具有神经系统的功能，以便能实现整个系统的最佳化和智能化。,3、从层次上看,复合集成、系统化是层次发展的特征 。 复合集成，既包含各种分技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合，又包含在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。 为了实现多品种、小批量生产的自动化和高效率，应使系统具有更广泛的柔性。首先可将系统先分解为若干层次，使系统功能分散，并使各部分协调而又安全地运转，然后再通过硬、软件将各个层次有机地连接起来，使其性能最优、功能最强。柔性制造系统就是这种层次结构的典型。,机电一体化技术发展主要模式：,1、数字化： 2、智能化： 3、模块化： 4、网络化： 5、人性化： 6、微型化： 7、集成化： 8、带源化： 9、绿色化：,
