第1章--机电一体化概述

机电一体化系统设计,第一讲概述,1.掌握机电一体化名称的产生及涵义；2.掌握机电一体化系统的功能构成、要素及接口；3.掌握机电一体化系统的分类方法；4.理解机电一体化技术的优点；5.掌握机电一体化系统理论基础、技术基础及其与系统理论的关系；6.了解机电一体化系统的发展状况和发展趋势；,主要要求,学习建议,结合对机电一体化发展背景、接合现实生活中的一体化产品，掌握机电一体化构成、要素和功能等知识。,重点难点及学习建议,机电一体化系统构成功能及各功能间的关系、构成要素及各要素之间的连接、机电一体化系统的理论基础。,重点难点,1.1机电一体化的产生及涵义,1、机械发展的三个阶段：机械化机械电气化机电一体化2、机电一体化（mechatronics）名称由来,一、机电一体化技术或系统的产生,首次出现在1971年日本的机械设计杂志副刊1996年版的“WEBSTER”大词典收录了该词。“mechatronics”目前已在世界范围内得到普遍承认和接受，已经成为一个正式的英文名词。,3、机电一体化发展历史,日本处于对机械发展新阶段的敏感，日本在1971年就提出一个新的英文集成名词“Mechatronics”我国通常译为机电一体化或机械电子学，实质上是机械工程与电子工程的综合集成，可称为机械电子工程学。机电一体化的定义在日本虽然是各种各样的，但对机电体化系统和单机柔性自动化来说，日本机械振兴协会经济研究所在1981年提出的定义具有普遍性，即：“机电一体化这个词乃是在机械的主功能、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系统,4、机电一体化定义,的总称”。这个定义体现了机电一体化系统的基本构成和特征，即将机械结构与运动、电子、信息获取与处理、控制及软件等技术学科交叉融合，组成功能完善的、柔性自动化乃至智能化的工程系统，为人类的生产和生活等各个领域的发展服务。日本对机电一体化的其他定义也对我们颇有启发。如：“凡是机械中可以用电子设备代替的装置统统用电子设备来代替”。这个定义更简单扼要地、突出地指明了机械发展的方向，是日本对机械发展新阶段的看法和概括。如果把其中的“电子设备”改为“更适用的物理量和先进技术”，其含义将更为深广。,德国在1981年德国工程师协会、德国电气工程技术人员协会共同组成的精密工程技术专家组提出的“关于大学精密工程技术专业的建议书”中，把精密工程技术定义为光机电一体化的综合技术，并用图11来说明其含义。它包括机械(含液压、气动及微机械)、电工与电子、光学等技术及其组合(电工与电子机械、光电子技术与光学机械)，其核心为精密工程技术。该建议书希望在培养精密工程技术工程师期间，强化训练跨学科的思维能力，虽然有可能使“单一化”各学科的训练有所削弱，但必须促进精密工程技术中各学科的相互渗透，培养复合型人才。这个建议包含了德国对机械发展新阶段的看法。在当前“信息爆炸”的形势下，相对于专门型人才来说，市场对复合型人才的需求更为迫切。,中国,我国认为机械发展新阶段是机电一体化阶段。机电一体化是机电一体化技术及其产品的统称，并把柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统(CIMS)等先进制造技术的生产线和制造过程也包括在内，发展了机电一体化的含义。机电体化包括六大共性关键技术：精密机械技术、伺服驱动技术、传感检测技术、信息处理技术、自动控制技术和系统总体技术。对机电一体化产品的一种认识是“在机械产品的基础上应用微电子技术和计算机技术产生出来的新一代的机电产品”。这种认识的核心是“机电一体化产品必须是由计算机控制的伺服系统”。,美国,1984年美国机械工程师协会(ASME)的一个专家组在给美国国家科学基金会的报告中，提出了“现代机械系统”的定义：“由计算机信息网络协调与控制的、用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机电部件相互联系的系统”。美国提出的这个定义，首先，划分了传统机械与现代机械的不同发展阶段，明确了当前机械发展的方向。其次，重新强调了传统意义(或狭义)上的机械的概念，即主要功能是在一定负载下作功、克服物质阻力、完成人力所难以完成的机械运动，从而消耗较大的能量并具有一定功率的装置，才称为机械。,但是，由于机械经过自英国工业革命起数百年的发展过程，对人类的生存和发展产生了如此巨大的作用和广泛而深刻的影响，以致于各种装置出现，都冠以“xx机”的名称。例如，传统照相机利用光化学原理完成主功能，计算机以信息为对象完成数字运算和转换功能。虽然机械装置是他们不可或缺的组成部分，但他们的主要功能并不合乎传统意义上机械功能，于是出现了“广义机械”的提法，即照相机属于“光学机械”，而计算机及其外围设备属于“信息处理机械”等。在这些机械中，使用的机械技术往往是精密机械技术，它是值得重视和借鉴的。,机电一体化是机械技术与电子技术有机结合的产物，是一个有着自身的新体系的新型学科。,5、机电一体化（mechatronics）涵义,“机电一体化乃是在机械的主功能、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装置用相关软件有机结合而构成的系统总称。”由此而产生的功能系统，则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。首先是指机电一体化技术，其次是指机电一体化产品,日本机械振兴协会经济研究所”于1981年对机电一体化概念所做的解释-,机械工程技术由纯机械发展到机械电气化，仍属传统机械，主要功能依然是代替和放大人的体力。体现为省力不省事。,6、机电一体化技术与传统机械工程技术的区别,机电一体化技术不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的延伸，具有“智能化”的特征，是机电一体化与机械电气化在功能上的本质差别。即既省力又省事。“机器智能化”。如数控机床，柔性生产线。,1.2机电一体化系统的基本组成,机电一体化系统的五大功能：主功能：系统的主要加工目的；动力功能：给系统提供动力、能量检测功能：测量监测系统运行情况控制功能：控制调整系统的动作流程等构造功能：提供系统支撑、传动等。概括性质，对具体设计无实质性帮助,一、系统主功能及机电一体化系统的分类,1、系统主功能与工业三大要素间关系,2.主功能的三大目的功能与一体化系统的分类：变换(加工、处理)功能加工机传递(移动、输送)功能动力机储存(保持、积蓄、记录)功能信息机,二、系统的主功能与内部功能,图1-3CNC机床的内部功能构成,1.2.2机电一体化系统的构成要素,一、机电一体化系统的五大构成要素：机械本体、动力系统、传感检测系统、执行部件、信息处理及控制系统，各要素和环节之间通过接口联系。1、机械本体用于支撑和连接其他要素，并把这些要素合理地结合起来，形成有机的整体。,2、动力系统按照系统控制要求，为机电一体化产品提供能量和动力功能，去驱动执行机构工作以完成预定的主功能。3、传感与检测系统将机电一体化产品在运行过程中所需要的自身和外界环境的各种参数及状态转换成可以测定的物理量，同时利用检测系统的功能对这些物理量进行测定，为机电一体化产品提供运行控制所需的各种信息。,4、信息处理及控制系统信息处理及控制系统接收传感与检测系统反馈的信息，并对其进行相应的处理、运算和决策，以对产品的运行施以按照要求的控制，实现控制功能。5、执行部件在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。,五大构成要素：机械系统(机构)电子信息处理系统(计算机)动力系统(动力源)传感检测系统(传感器)执行元件系统(如电动机),二、人体与机电一体化系统组成要素,三、机电一体化系统五大要素实例,四、机电一体化系统构成要素间关系,（1）以产品和过程为基础的技术（2）机械为主体（3）微电子技术，特别是计算机控制技术为核心。（4）将工业产品和过程都作为一个完整的系统来处理。（5）机电一体化贯穿于设计和制造的全过程中。,1.2.3机电一体化系统的接口,一、接口定义：接口各要素或各子系统相接处的联系条件。系统的性能在很大程度上取决于接口的性能。接口设计的总任务是解决功能模块间的信号匹配问题.,1.据变换/调整功能1)零接口2)被动（无源）接口3)主动（有源）接口4)智能接口,2.据输入输出功能1）机械接口2）物理接口3）信息接口4）环境接口,二、接口分类,3.据连接对象,1）人机接口2）机电接口,4.据系统,1）内部接口2）外部接口,1.3机电一体化系统的分类,（1）数控机械类:数控机床、工业机器人、发动机控制系统和自动洗衣机等,特点为执行机构是机械装置.,（2）电子设备类:电子设备类主要产品为电火花加工机床、线切割加工机床和激光测量仪等。其特点为执行机构是电子装置。,（3）机电结合类:机电结合类主要产品为自动探伤机、形状识别装置、CT扫描仪、自动售货机等。其特点为执行机构是机械和电子装置的有机结合。,（4）电液伺服类电液伺服类主要产品为机电一体化的伺服装置。其特点为执行机构是液压驱动的机械装置，控制机构是接受电信号的液压伺服阀。,（5）信息控制类信息控制类主要产品为电报机、磁盘存储器、磁带录像机、录音机、复印机以及传真机等办公自动化设备。其主要特点为执行机构的动作完全由所接收的信息控制。,1.4机电一体化系统的优点与效益,1、生产能力和工作质量提高数控机床生产效率比普通机床提高56倍柔性制造系统的生产设备利用率可提高1.53.5倍，机床数量可减少约50，节省操作人员数量约50，缩短生产周期40，使加工成本降低50左右可通过调整软件来适应需求的良好柔性，特别适合于多品种小批量产品的生产，是缩短产品开发周期、加速更新换代的重要途径。,2、使用安全性和可靠性提高,自动监视、报警、自动诊断、自动保护，故障时，能自动采取保护措施，避免和减少人身与设备事故，显著提高设备的使用安全性。机电一体化产品由于采用电子元器件，减少了机械产品中的可动构件和磨损部件，从而使其具有较高的灵敏度和可靠性，产品的故障率低，寿命得到了延长。,3、调整和维护方便，使用性能改善,可通过改变控制程序来实现工作方式的改变，以适应不同用户对象的需要以及现场参数变化的需要；自动化检验和自动监视功能可对工作过程中出现的故障自动采取措施，使工作恢复正常；程序控制和数字显示显著减少了操作按钮和手柄数量，大大简化操作；机电一体化产品的工作过程根据预设的程序逐步由电子控制系统指挥实现，系统可重复实现全部动作。高级的机电一体化产品可通过被控对象的数学模型以及外界参数的变化随机自寻最佳工作程序，实现自动最优化操作。,4、具有复合功能，适用面广,具有复合技术和复合功能，使产品的功能水平和自动化程度大大提高。机电一体化产品一般具有自动化控制、自动补偿、自动校验、自动调节、自动保护和智能化等多种功能，能应用于不同的场合和不同领域，满足用户需求的应变能力较强。,5、改善劳动条件，利于自动化生产,机电一体化产品自动化程度高，是知识密集型和技术密集型产品，是将人们从繁重的体力劳动中解放出来的重要途径，可以加速工厂自动化、办公自动化、农业自动化、交通自动化甚至是家庭自动化。,6、节约能源，减少耗材,采用低能耗驱动机构，最佳的调节控制，以提高设备的能源利用率，可达到明显的节能效果；许多功能一方面从机械系统转移到了微电子、计算机等系统，另一方面从硬件系统转移到了软件系统，从而使得机电一体化系统朝着轻小型方向发展，减少了材料消耗。,1.5机电一体化的理论基础及共性关键技术,1.5.1机电一体化的理论基础理论基础系统论、信息论、控制论技术基础微电子技术、精密机械技术1.5.2机电一体化的共性关键技术用系统的观点，合理解决信息流与控制机制问题，有效地综合各有关技术，才能形成所需要的系统或产品。,机电一体化的所需的共性关键技术,发展机电一体化技术所面临的共性关键技术包括传感检测技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、接口技术、精密机械技术及系统总体技术等。,1、传感检测技术,工作过程的各种参数、工作状态以及与工作过程有关的相应信息都要通过传感器进行接收，并通过相应的信号检测装置进行测量，然后送入信息处理装置以及反馈给控制装置，以实现产品工作过程的自动控制。与计算机相比，传感器的发展显得缓慢，难以满足技术发展的要求。许多机电一体化装置不能达到满意的效果或无法实现设计的关键原因，在于没有合适的传感器,2、信息处理技术,信息处理技术是指在机电一体化产品工作过程中，与工作过程各种参数和状态以及自动控制有关的信息输入、识别、变换、运算、存储、输出和决策分析等技术。实现信息处理技术的主要工具是计算机。计算机技术包括硬件和软件技术、网络与通信技术、数据处理技术和数据库技术等。人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等都属于计算机信息处理技术。,3、自动控制技术,所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。自动控制技术这一学科主要讨论控制原理，包括控制规律、分析方法和系统构成等。机电一体化将自动控制作为重要的支撑技术，自动控制装置是它的重要组成部分。,4、伺服驱动技术,伺服驱动技术主要是指机电一体化产品中的执行元件和驱动装置设计中的技术问题，它涉及设备执行操作的技术，对所加工产品的质量具有直接的影响。机电一体化产品中的执行元件有电动、气动和液压等类型，其中多采用电动式执行元件，驱动装置主要是各种电动机的驱动电源电路，目前多由电力电子器件及集成化的功能电路构成。执行元件一方面通过接口电路与计算机相连，接受控制系统的指令；另一方面通过机械系统接口与机械传动和执行机构相连，以实现规定的动作。因此，伺服驱动技术直接影响着机电一体化产品的功能执行和操作，对产品的动态性能、稳定性能、操作精度和控制质量等产生决定性的影响。,5、接口技术,机电一体化系统是机械、电子和信息等性能各异的技术融为一体的综合系统，其构成要素和子系统之间的接口极其重要。从系统外部看，输入/输出是系统与人、环境或其他系统之间的接口；从系统内部看，机电一体化系统是通过许多接口将各组成要素的输入/输出联系成一体的系统。,6精密机械技术,精密机械技术是机电一体化的基础，因为机电一体化产品的主功能和构造功能大都以机械技术为主，来得以实现。,7系统总体技术,系统总体技术就是从整体目标出发，用系统的观点和方法，将机电一体化产品的总体功能分解成若干功能单元，找出能够完成各个功能的可能技术方案，再把功能与技术方案组合成方案组进行分析、评价，综合优选出适宜的技术方案。系统总体技术是最能体现机电一体化设计特点的技术，也是保证其产品工作性能和技术指标得以实现的关键技术。,1.6机电一体化的发展状况和发展趋势,机电一体化技术的三个发展阶段：初期阶段20世纪60年代以前，自发状态；蓬勃发展阶段20世纪7080年代，技术基础；深入发展阶段20世纪90年代后期，智能化,1.6.1机电一体化的发展状况,1.6.2机电一体化的发展趋势,1、智能化这里所说的“智能化”是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混饨动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。,2、模块化,由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多。研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。由于利益冲突，近期很难制定国际或国内这方面的标准，但可以通过组建一些大企业来逐渐形成。显然，从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业，模块化将给机电一体化企业带来美好的前程。,3、网络化,由于网络的普及，基于网络的各种远程控