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1、青岛科技大学机电学院机电一体化原理与应用李向荣第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 机电一体化基本概念机电一体化基本概念1.2 1.2 现代制造业中的机电一现代制造业中的机电一体化体化技术技术 1.3 1.3 机电一体化发展趋势机电一体化发展趋势1.1 1.1 机电一体化基本概念机电一体化基本概念v1.1.1 引言引言v1.1.2 机电一体化系统的基机电一体化系统的基本组成要素本组成要素1.1.1 引言引言v1、基本概念v机电一体化vMechatronicsvMechanics+Electronicsv80年代，在日本首先被提出，交叉学科，一门综合性学科交叉学科，一门综合性学科v2、相关知识、
2、相关知识 v 机械技术机械技术 v 电子技术电子技术 v 计算机技术计算机技术 微电子技术微电子技术自动化技术自动化技术信息技术信息技术传感器技术传感器技术硬件：微处理器技术硬件：微处理器技术软件：汇编、软件：汇编、C、C、VC设计、设计、 仿真仿真加工、制造、装配加工、制造、装配1.1.2 机电一体化系统的基本组成要素机电一体化系统的基本组成要素u1.1.2.1 机电一体化系统的构成机电一体化系统的构成u1.1.2.2 机电一体化系统构成原则机电一体化系统构成原则1.1.2.1 机电一体化系统的构成机电一体化系统的构成1、机械部分、机械部分机机械械本本体体是是任任何何机机电电一一体体化化产产
3、品品必必不不可可少少的的一一部分。部分。如外壳体、机身、框架、联接等。如外壳体、机身、框架、联接等。2、动力部分、动力部分动力部分：为系统提供能量和动力，使系统正动力部分：为系统提供能量和动力，使系统正常运行。常运行。如步进电机、伺服电机等各种电机等如步进电机、伺服电机等各种电机等3、测试传感部分、测试传感部分将系统自身和外界环境的各种参数及状态将系统自身和外界环境的各种参数及状态（物理量或者化学量），变成可识别信号。（物理量或者化学量），变成可识别信号。由各种传感器及相应处理电路等实现。由各种传感器及相应处理电路等实现。五大组成部分4、执行机构、执行机构运动部件运动部件根据控制信息和指令，完
4、成要求的动作。根据控制信息和指令，完成要求的动作。如传动机构、导向机构等如传动机构、导向机构等5、控制及信息处理单元、控制及信息处理单元 将来自各传感器的检测信息和外部输入命将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工。根据信息处令进行集中、储存、分析、加工。根据信息处理结果按照一定的程序和节奏发出相应的指令理结果按照一定的程序和节奏发出相应的指令控制整个系统有目的地运行。控制整个系统有目的地运行。构成：构成：单片机单片机/PLC/工控机、输入和输出接口工控机、输入和输出接口等等1.1.2.2机电一体化系统构成原则机电一体化系统构成原则1、接口耦合、接口耦合变换：变换：数字
5、量与模拟量转换，如数字量与模拟量转换，如A/D， D / A、串行与并行转换、连续脉冲与序列脉冲、串行与并行转换、连续脉冲与序列脉冲的转换的转换放大：放大：微弱信号、电机、电磁继电器等。微弱信号、电机、电磁继电器等。耦合：耦合：变换和放大后的信号在环节间能可靠、变换和放大后的信号在环节间能可靠、快速、准确的交换，必须遵循一致的时序、快速、准确的交换，必须遵循一致的时序、信号格式和逻辑规范。信号格式和逻辑规范。四大原则：2、运动传递、运动传递旋转运动转变为直线运动；旋转运动的减旋转运动转变为直线运动；旋转运动的减速速3、信息控制、信息控制机电一体化系统之所以能按照用户的要求机电一体化系统之所以能
6、按照用户的要求完成既定的功能，离不开信息的控制。完成既定的功能，离不开信息的控制。4、能量转换、能量转换系统正常运行，必然需要能量，如电能系统正常运行，必然需要能量，如电能到机械能的转换。到机械能的转换。 1.1.3机电一体化中共性关键技术机电一体化中共性关键技术1、机械技术、机械技术机械技术是机电一体化的基础。传统机械技术是机电一体化的基础。传统的机械技术面临挑战和变革，出现了的机械技术面临挑战和变革，出现了许多新兴的、先进的机械技术，如许多新兴的、先进的机械技术，如先先进的进的设计、设计、 仿真、加工、制造、装配仿真、加工、制造、装配技术技术！六项技术六项技术2、计算机与信息处理技术、计算
7、机与信息处理技术计算机技术包括计算机的软件技术和硬计算机技术包括计算机的软件技术和硬件技术、网络与通信技术等。件技术、网络与通信技术等。信息处理技术包括信息的交换、存取、信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策运算、判断和决策实现信息处理的工具是计算机，因此计实现信息处理的工具是计算机，因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。算机技术与信息处理技术是密切相关的。3、系统技术模块化技术、系统技术模块化技术 系统技术是以整体的概念组织应用各种相关技系统技术是以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解总体分解成相互有机联系的成相
8、互有机联系的若干功能单元若干功能单元，以功能单元，以功能单元为为子系统子系统进行进行二次分解二次分解，生成功能更为单一和，生成功能更为单一和具体的具体的子功能单元子功能单元。4、自动控制技术、自动控制技术 自动控制技术主要包括：基本控制理论，自动控制技术主要包括：基本控制理论，在此理论指导下，对具体控制装置或控制系统在此理论指导下，对具体控制装置或控制系统的设计；设计后的系统仿真，现场调试；最后的设计；设计后的系统仿真，现场调试；最后使研制的系统可靠地投入运行。使研制的系统可靠地投入运行。5、传感与检测技术、传感与检测技术传感与检测的关键元件是传感与检测的关键元件是传感器传感器。传感。传感器是
9、将被测量（包括各种物理量、化学器是将被测量（包括各种物理量、化学量和生物量等）变换成系统可识别的，量和生物量等）变换成系统可识别的，与被测量有确定对应关系的电信号的一与被测量有确定对应关系的电信号的一种装置。种装置。6、伺服传动技术、伺服传动技术伺服传动包括电动、气动、液压等各种伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，由微型计算机通过接类型的传动装置，由微型计算机通过接口与这些传动装置相连接，控制它们的口与这些传动装置相连接，控制它们的运动，带动工作机械作回转、直线以及运动，带动工作机械作回转、直线以及其他各种复杂的运动。其他各种复杂的运动。常见的伺服驱动有电液马达、脉冲油缸、常见的
10、伺服驱动有电液马达、脉冲油缸、直流伺服电机和交流伺服电机等。直流伺服电机和交流伺服电机等。1.2 现代制造业中的机电一体现代制造业中的机电一体化技术化技术1.2.1 现代制造系统与新生产方式现代制造系统与新生产方式1.2.2 机床产业数控化机床产业数控化1.2.3 机器人技术机器人技术1.2.1 现代制造系统与新生产方式现代制造系统与新生产方式1、MRPII制造资源计划（manufacturing resource planning 简称MRPII）是基于物料需求计划（Material Requirement Planning）扩展而成的，它把生产、库存、采购、销售、财务、成本等系统都联系起来
11、，发展成为一个覆盖企业全部生长资源的管理信息系统。MRPII系统是一种计算机辅助生产管理的有效手段，能够完成数据信息处理，报表生成，结果测定；它不能对生产效率、产品质量与成本直接进行控制。2 、JIT准时化生产方式（Just In Time）由日本丰田公司创立的一种精益生产方式，它包括经营理念、生产组织、物流控制、现场管理、质量管理和库存管理在内的较为先进的生产管理技术与方法体系。3、CE 并行工程（Concurrent Engineering）是一种集成地、并行地设计产品及相关过程地系统化方法。4、 FMS 柔性制造系统（Flexible Manufacturing System）最初在英国
12、被提出，它是在数控基础上发展起来地一种适用于多品种小批量地自动化加工形式。柔性制造系统是在计算机地统一控制下，由自动装卸与输送系统将若干台NC（数控机床或加工中心）连接起来而组成的制造系统。FMS构成：加工系统、物料运输系统、控制系统5、CIMS定义1：计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System）是研究从定货到设计、制造、检查、搬运、市场分配、计划决策、销售经营等整个企业自动化的一种技术，也是一种适于多品种、中小批量生产的高效益、高柔性的智能制造系统。定义2：CIMS是通过计算机软硬件，并综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化
13、技术、系统工程技术。将企业生产全部过程中有关的人、技术、经营管理三要素及其信息与物流有机集成并优化运行的复杂的大系统。6、LAF精良敏捷柔性生产系统1.2.2 机床产业数控化机床产业数控化1、数控机床的优点、数控机床的优点 缩短产品试制和生产周期，节约大量工缩短产品试制和生产周期，节约大量工装；装； 辅助生产时间少，生产效率高；辅助生产时间少，生产效率高； 减少人为误差，加工精度稳定性显著提减少人为误差，加工精度稳定性显著提高，零件互换性好；高，零件互换性好； 能加工普通机床很难甚至无法加工的大能加工普通机床很难甚至无法加工的大型复杂零件，如型复杂零件，如凸轮凸轮等等2、数控机床的发展、数控机
14、床的发展1）中国数控机床的发展）中国数控机床的发展 第一阶段：第一阶段：在19581979年 第二阶段：第二阶段：1979年至今 不足之处：但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却不足之处：但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统较差。至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑，不能独立发展，基本上处於从仿制依靠国外技术支撑，不能独立发展，基本上处於从仿制走向自行开发阶段，与日本数控机床的水平差距很大。走向自行开发阶段，与日本数控机床的水平差距很大。 发展规模：发展规模：2001年金切机床产量年金切机床产量19.2万台，数控金切机床万
15、台，数控金切机床17,521台，约占台，约占9%。 2）工业发达国家数控机床发展）工业发达国家数控机床发展1.2.3 机器人技术机器人技术1、机器人发展三个阶段：第一代：固定程序型机器人、重复型机器人、示教再现机器人第二代：自适应机器人和服务性机器人第三代：智能机器人2、工业机器人的构成操作部分、主机部分、控制部分、检测部分3、机器人在各国的发展：机器人技术在美国、英国、法国、苏联、日本、中国的发展成都市公安消防支队从德国引进的“排烟消防机器人”成都市公安消防支队从德国引进的“排烟消防机器人” 。这种名为“陆虎60雪炮车”的消防工具可用排风机迅速排出隧道、地下建筑中的浓烟，1小时可以排出25万
16、立方米的浓烟，灭火时，还可以用喷嘴喷出水雾或泡沫。该机器人长2.316米、宽1.346米，时速可达40公里，最远遥控距离300米，配备的履带底盒可以保证机器人爬上大约30度斜角的楼梯或斜坡。同时，它还可以越过一些障碍物和沟渠进入火场。索尼机器人舞蹈表演索尼2003年5月31日在东京展示新一代机器狗,15万日圆(1300美元)电子宠物猫Near me日本东京理科大学2004年开发出人形解说机器人，这种机器人由多台计算机联合控制，能够一边介绍情况、解答疑问，一边做相应的动作。“大狗”(Big Dog)机器狗。这只机器狗与真狗一般大小，它能够在战场上发挥重要作用：为士兵运送弹药、食物和其它物品。1.
17、3机电一体化发展趋势机电一体化发展趋势1、机电一体化的高性能化、机电一体化的高性能化高性能化一般包含高速化、高精度、高效率高性能化一般包含高速化、高精度、高效率和高可靠性。和高可靠性。2、机电一体化的智能化趋势、机电一体化的智能化趋势高性能、高速度的高性能、高速度的微处理器微处理器的应用，使机电的应用，使机电产品向更加智能化的方向发展，如单片机从产品向更加智能化的方向发展，如单片机从4位到位到32位具有驱动、总线、位具有驱动、总线、USB、DSP。机器人与数控机床的智能化就是重要应用。机器人与数控机床的智能化就是重要应用。3、机电一体化的系统化发展趋势、机电一体化的系统化发展趋势系统化有两大表
18、现特征：系统化有两大表现特征：系统体系结构进一步采用开放式和模式系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构，即机电一体化的化的总线结构，即机电一体化的模块化模块化方向发展方向发展；通信功能的大大加强，一般除了通信功能的大大加强，一般除了RS232外，还有外，还有RS-422以及以及DNC(计算机分布计算机分布式控制技术式控制技术)等多种功能，实质是系统模等多种功能，实质是系统模块间的组网，机电一体化的块间的组网，机电一体化的网络化方向网络化方向发展。发展。4、机电一体化的轻量化及微型化发展趋、机电一体化的轻量化及微型化发展趋势势新型材料的应用使机电产品向着轻量化方向发展新型材料的应用使机电
19、产品向着轻量化方向发展;表明组装技术（表明组装技术（SMT）逐渐取代传统的通孔插装技）逐渐取代传统的通孔插装技术（术（THT），使电子设备小型化轻量化的方向发展，），使电子设备小型化轻量化的方向发展，如收音机的发展，手机的发展等如收音机的发展，手机的发展等微型化微型化20世纪世纪80年代末被提出，它是指机电一体年代末被提出，它是指机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统（微电子机械系统（MEMS），泛指几何尺寸不超过），泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术。
