机电一体化技术机电一体化技术第第1章章 绪论绪论 1.1 机电一体化的基本概念机电一体化的基本概念 •日本机械振兴协会1981年给出定义是“机电一体化是指在机械的主功能、动力功能和信息处理功能与控制功能的基础上引进了微电子技术，并将机械装置和电子设备及软件等有机结合的系统的总称”•美国机械工程师协会在1984年给出的定义是“由计算机信息网络协调与控制的，用于完成机械力、运动和能量流等任务的机械和机电部件相互联系的系统”•通常来说，机电一体化是指在机械的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设备及软件结合起来所构成的系统的总称如图1-1所示为机电一体化技术图1-1 机电一体化技术 1.1 机电一体化的基本概念机电一体化的基本概念•机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感器检测技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并保证整个系统最优化运行的系统工程技术。
由此而产生的功能系统，称为机电一体化系统或机电一体化产品 1.2.1 机电一体化系统的组成机电一体化系统的组成 •机电一体化系统的组成可归纳为机械本体、动力单元、控制和信息处理单元、传感器检测单元和执行单元及其驱动5部分这些单元的功能和关系如图1-2所示图1-2 机电一体化系统组成 1.2.2 机电一体化系统的实例机电一体化系统的实例• 1.数控机床数控机床•数控机床是机械制造设备，其种类很多，但是所有数控机床的组成有很多共同点数控机床一般由输入/输出（I/O）装置、计算机控制装置、可编程逻辑控制器、伺服驱动系统、检测装置和机床本体等组成，其中I/O装置、计算机控制装置、可编程逻辑控制器组成了系统的控制和数据处理单元，如图1-3所示图1-3 数控机床的组成 1.2.2 机电一体化系统的实例机电一体化系统的实例• 2.指针式石英钟指针式石英钟•如图1-4所示为指针式石英钟的组成框图接通电源后，电流通过集成电路流入石英晶体由于石英晶体的压电效应，使其开始出现机械变形，产生32768 Hz的振荡信号该信号经过缓冲器缓冲后，驱动能力增强然后进行16级二分频，即65536 Hz分频，输出0.5 Hz的频率。
窄脉冲形成电路主要是将1 s的脉冲宽度变窄为31.25 ms，使脉冲能量减小，节约电能该窄脉冲通过功率放大器后驱动步进电动机运行而步进电机则通过机械装置（齿轮）使指针运行，实现时间的指示功能图1-4 指针式石英钟的组成框图 机电一体化系统的实例机电一体化系统的实例• 指针式石英钟的步进电动机，它由定子线圈、永磁式转子和铁芯组成，其原理如图1-5所示为了防止转子反转或者转向不定，在铁芯或者转子上采用了非直线对称磁场，从而在转子置入未通电线圈的定子中时，形成了一个启动角度当功率脉冲加到线圈上时，在铁芯上便产生磁场，磁场的极性随着脉冲极性的变化而交替发生变化，转子随着脉冲极性的变化以π的步距角运转图图1 1- -5 5 指针式石英钟步进电动机原理图指针式石英钟步进电动机原理图 1.3 机电一体化相关技术及特点机电一体化相关技术及特点•精密机械技术精密机械技术•传感器检测技术传感器检测技术 •伺服驱动技术伺服驱动技术 •信息处理技术信息处理技术 •自动控制技术自动控制技术 •接口技术接口技术 1.3.1 机电一体化相关技术机电一体化相关技术• 1.精密机械技术精密机械技术•精密机械技术是机电一体化的基础。
精密机械在满足强度、刚度和抗振性的基础上，要能实现很好的控制，因此，在结构、材料和性能上与传统机械有所不同• • 2. 2.传感器检测技术传感器检测技术• •传感器检测技术是系统实现自动控制和调节的重要环节传感器检测的精度和分辨力直接决定系统所能达到的最高精度，其检测的信息全面与否决定着系统的自动化程度，而检测信息的准确度和灵敏度直接影响系统的精度 3. 3.伺服驱动技术伺服驱动技术伺服驱动技术根据电动机和机械系统的特性来实现高品质的控制，它必须能快速准确地实现信号的跟踪、误差的调整等，同时须具有一定的抗干扰能力，并且能够稳定地工作 1.3.1 机电一体化相关技术机电一体化相关技术• 4.信息处理技术信息处理技术• •信息处理技术主要是根据各种理论和算法，通过计算机对信息进行运算、判断与决策• 5.自动控制技术自动控制技术• •自动控制技术包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等各种内容。
• 6.接口技术接口技术•接口技术是系统中相当重要的部分，它实现了各种相互关联的若干功能单元之间的有机连接，因此，也有人将机电一体化技术称为接口技术 1.3.2 机电一体化特点和发展趋势机电一体化特点和发展趋势 •1.1.机电一体化特点机电一体化特点 •1））综合性与系统性 •2））层次多，覆盖面广 •3））体小量轻，结构简化，方便操作 •4））高速度，高精度 •5））高可靠性，高稳定性 •6））柔性化和智能化 1.3.2 机电一体化特点和发展趋势机电一体化特点和发展趋势•2.机电一体化的机电一体化的发展趋势发展趋势 1）微型化）微型化•随着集成电路制造技术及工艺的深入发展，微机械和微机电工艺取得了很大的进展，它们不仅将数微米至数百微米的机构集成在芯片中，而且同时集成了计算机、驱动器和微执行器件 2）模块化）模块化•机电一体化系统是由各种单元组成的，如驱动单元、控制单元等但是目前各单元之间并没有完全标准化，从而使机电一体化系统的设计和各种单元的选用受到了很大的限制，成本也很高 3）智能化）智能化 目前人工智能的应用还在实验阶段，随着控制理论的发展，机电一体化产品将跟多地应用各种先进的控制理论，使产品智能程度更高。
4 ）网络化）网络化•工业现场在地域上具有很大的分散性，如高速公路的隧道设备控制、发电厂的各个系统的控制和信息采集以及化工企业的各种阀门控制等它们均有多个控制对象，并且对象之间有一定的距离随着技术的发展和各种标准的统一，各类单一控制对象和系统经过网络连接后可以实现远距离整体控制，网络化是机电一体化系统发展的一个趋势1.3.2 机电一体化特点和发展趋势机电一体化特点和发展趋势 。