第一章机电一体化概述

1、机电一体化概论机电一体化概论试想一下什么是机电一体化？试想一下什么是机电一体化？ 机电一体化是利用计算机的信息处理功能对机械进行各机电一体化是利用计算机的信息处理功能对机械进行各种控制的技术种控制的技术 发展趋势：智能型发展趋势：智能型 模块型模块型 系统型系统型内容框架l基本概念、基本构成、发展前景l分类l相关技术 即：机械技术、传感器技术、信息处理技术、接口技术、伺服驱动技术l应用实例第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述 1、了解机电一体化的基本概念、了解机电一体化的基本概念2、了解机电一体化的发展历程、了解机电一体化的发展历程3、了解机电一体化的功能及其组、了解机电一体化的功能及其

2、组成成 2020世纪世纪6060年代，美国的科技人员就发明了年代，美国的科技人员就发明了世界上第一台机器人，接着他们又发明了数控机世界上第一台机器人，接着他们又发明了数控机床和用于小型汽车的电子燃油喷射装置等自动化床和用于小型汽车的电子燃油喷射装置等自动化产品和设备。这些自动化产品或设备都是典型的产品和设备。这些自动化产品或设备都是典型的机电一体化的产品或设备，但是美国的工程技术机电一体化的产品或设备，但是美国的工程技术人员始终没有为自己发明的新技术取个名字。人员始终没有为自己发明的新技术取个名字。1.1.1 机电一体化的产生机电一体化的产生 2020世纪世纪7070年代初，日本人率先将英语词

3、汇年代初，日本人率先将英语词汇MechanicsMechanics（机械学）的前半部和（机械学）的前半部和ElectronicsElectronics（电子（电子学）的后半部拼在一起，构成了学）的后半部拼在一起，构成了MechatronicsMechatronics。MechanicsElectronicsMechatronics机械学机械学电子学电子学机电一体化机电一体化基本概念：l定义：l在机械的主功能、动力功能、信息处理功能与控制功能上引进电子技术，并将机械装置与电子设备以及软件等有机结合起来而构成的系统。l区别：l传统的电气机械是不同的l并行工程不同（机械、微电子、计算机、控制和电工）

4、l区别于自动控制 l技术特点：l1、体积小、重量轻l2、速度快、精度高l3、可靠性高l4、柔性好 （扩展性好 多样化）1.1.2 机电一体化的发展机电一体化的发展机电一体化的发展大体可以分为三个阶段：机电一体化的发展大体可以分为三个阶段：1.初级阶段：初级阶段： 20世纪世纪60年代以前，人们自觉地年代以前，人们自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。 2.蓬勃发展阶段：蓬勃发展阶段：20世纪世纪70至至80年代，计算机技术、年代，计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术

5、基础。奠定了技术基础。 光学、通信技术等进入了机电一体化，微光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头角，出现了细加工技术也在机电一体化中崭露头角，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；对机电光机电一体化和微机电一体化等新分支；对机电一体化系统得建模设计、分析和集成方法及机电一体化系统得建模设计、分析和集成方法及机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究；一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究；人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了

6、发展的广阔天地。的广阔天地。3.深入发展时期：深入发展时期：20世纪世纪90年代后期。年代后期。1.1.3 机电一体化的发展趋势机电一体化的发展趋势1.智能化智能化2.模块化模块化3.网络化网络化数控机床网络化数控机床网络化4.微型化微型化微电子机械系统微电子机械系统美国美国IC Sensors4000型加速度计型加速度计 5.绿色化绿色化 绿色家电绿色家电6.系统化系统化共享总线结构共享总线结构6.系统化系统化人格化人格化仿生机器人仿生机器人1.2 机电一体化的定义和内涵机电一体化的定义和内涵3、了解机电一体化所涉及的相关技术、了解机电一体化所涉及的相关技术教学目标教学目标1、了解机电一体化

7、的含义、了解机电一体化的含义2、了解机电一体化的内涵、了解机电一体化的内涵1.2.1 机电一体化的基本含义机电一体化的基本含义 机电一体化一词（机电一体化一词（Mechatronics）最早（）最早（1971年）起源于日本，它取英语年）起源于日本，它取英语Mechanics（机械学）的（机械学）的前半部和前半部和Electronics（电子学）的后半部拼合而成，（电子学）的后半部拼合而成，字面上表示机械学和电子学两个学科的综合，在我国字面上表示机械学和电子学两个学科的综合，在我国通常称为机电一体化或机械电子学。通常称为机电一体化或机械电子学。 目前世界上普遍认为机电一体化有两大分支，目前世界上

8、普遍认为机电一体化有两大分支，即生产过程的机电一体化和机电产品的机电一体即生产过程的机电一体化和机电产品的机电一体化。化。 生产过程的机电一体化意味着整个工业体系生产过程的机电一体化意味着整个工业体系的机电一体化，机电产品的机电一体化是机电一的机电一体化，机电产品的机电一体化是机电一体化的核心，是生产过程机电一体化的物质基础。体化的核心，是生产过程机电一体化的物质基础。1.2.2 机电一体化的相关技术机电一体化的相关技术 与一般的同类机械与一般的同类机械装置相比，机电一体化装置相比，机电一体化系统中的机械部分精度系统中的机械部分精度要求更高，结构更简单，要求更高，结构更简单，功能更强大，性能更

9、优功能更强大，性能更优越。越。1.机械技术机械技术高精度齿轮高精度齿轮2.传感检测技术传感检测技术 传感检测装置是传感检测装置是机电一体化系统的机电一体化系统的感觉器官，它可从感觉器官，它可从待测对象那里获取待测对象那里获取能反映待测对象特能反映待测对象特征与状态的信息。征与状态的信息。传感器传感器3.信息处理技术信息处理技术可编程控制器可编程控制器单片机单片机工控机工控机 自动控制技术包括高精度位置控制、速度控制、自动控制技术包括高精度位置控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、检索等技术。自自适应控制、自诊断、校正、补偿、检索等技术。自动控制技术是机电一体化技术中十分重要的关键技术

10、。动控制技术是机电一体化技术中十分重要的关键技术。4.自动控制技术自动控制技术伺服驱动技术就是在伺服驱动技术就是在控制指令的指挥下，控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机控制驱动元件，使机械的运动部件按照指械的运动部件按照指令的要求进行运动，令的要求进行运动，并具有良好的动态性并具有良好的动态性能。能。5、伺服驱动技术、伺服驱动技术伺服油缸伺服油缸 常见的伺服驱动系统主要有液压和电气伺服系常见的伺服驱动系统主要有液压和电气伺服系统。统。优点优点缺点缺点液压伺服系统液压伺服系统 工作稳定、工作稳定、响应速度快、输响应速度快、输出力矩大，在低出力矩大，在低速运行时其性能速运行时其性能更突出。更突出。

11、 需要增加液需要增加液压泵等动力源，压泵等动力源，设备复杂、体积设备复杂、体积大、维修难及污大、维修难及污染环境。染环境。电气伺服系统电气伺服系统 控制灵活、控制灵活、费用小、可靠性费用小、可靠性高等。高等。 低速时输出低速时输出力矩不够大。力矩不够大。系统系统优缺点优缺点 系统总体技术是一种从整体目标出发，用系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，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，再将各个功能找出能完成各个功能的技术方案，再将各个功能与技术方案组进行分析、评价、优选的综合应用与技术方案组进行分析、评价、优选的综合

12、应用技术。它通过所用技术的协调一致来保证在给定技术。它通过所用技术的协调一致来保证在给定环境条件下经济、可靠、高效地实现目标，并使环境条件下经济、可靠、高效地实现目标，并使其操作和维修更加方便。其操作和维修更加方便。6、系统总体技术、系统总体技术1.3 机电一体化系统的构成要素机电一体化系统的构成要素3、了解、了解YL-235的组成的组成教学目标教学目标1、了解机电一体化的构成要素、了解机电一体化的构成要素2、了解机电一体化的各构成要素的功能、了解机电一体化的各构成要素的功能 一个较完善的机电一体化系统应包括以下几个一个较完善的机电一体化系统应包括以下几个基本要素：基本要素：1.3.1 机电一

13、体化系统的基本要素机电一体化系统的基本要素 图图1-1 1-1 机电一体化系统的组成及工作原理机电一体化系统的组成及工作原理a)a)人的五大要素人的五大要素 b)b)机电一体化系统的要素机电一体化系统的要素 c)c)机电一体化系统的功能机电一体化系统的功能abc 机械本体包括机械传动装置和机械结构装置。机械本体包括机械传动装置和机械结构装置。1、机械本体、机械本体机械传动装置机械传动装置机械结构装置机械结构装置 动力单元的功能是按照机电一体化系统的控制动力单元的功能是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。要求，为系统提供能量和动力以保证系统正常运行。2、动力单元

14、、动力单元动力单元动力单元-用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出传感器检测单元通常由专门的传感器和仪器仪表传感器检测单元通常由专门的传感器和仪器仪表组成。组成。3、传感检测单元、传感检测单元称重传感称重传感器器显示仪表显示仪表 执行单元的功能是根据控制信息和指令完成执行单元的功能是根据控制信息和指令完成所要求的动作。所要求的动作。4、执行单元、执行单元气动执行单元气动执行单元电动执行单元电动执行单元 驱动单元的功能是在控制信息作用下，驱动各种驱动单元的功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。执行机构完成各种动作和功能。5、驱动

15、单元、驱动单元伺服电机及驱动器伺服电机及驱动器步进电机步进电机 控制与信息处理单元是机电一体化系统的控制与信息处理单元是机电一体化系统的。6、控制与信息处理单元、控制与信息处理单元PLC(可编程控制器）可编程控制器）数控装置数控装置 机电一体化系统由许多要素或子系统组成，机电一体化系统由许多要素或子系统组成，各子系统之间要能顺利地进行物质、能量和信息各子系统之间要能顺利地进行物质、能量和信息的传递和交换，必须在各要素或各子系统的相接的传递和交换，必须在各要素或各子系统的相接处具备一定的连接部件，这个连接部件称为接口。处具备一定的连接部件，这个连接部件称为接口。 7、接口、接口接口的基本功能主要

16、有三个：接口的基本功能主要有三个：1、变换。在需要进行信息交换和传输的环节之间，由于信号、变换。在需要进行信息交换和传输的环节之间，由于信号的模式不同无法直接实现信息或能量的交流，必须通过接口的模式不同无法直接实现信息或能量的交流，必须通过接口完成信号或能量的转换和统一。完成信号或能量的转换和统一。2、放大。在两个信号强度相差悬殊的环节间，经接口放大，、放大。在两个信号强度相差悬殊的环节间，经接口放大，达到能量匹配。达到能量匹配。3、传递。变换和放大后的信号要在环节间能可靠、快速、准、传递。变换和放大后的信号要在环节间能可靠、快速、准确地交换，必须遵循协调一致的时序、信号格式和逻辑规范。确地交

17、换，必须遵循协调一致的时序、信号格式和逻辑规范。1.3.2 典型机电一体化系统典型机电一体化系统图图1-2 YL235A光机电一光机电一体化培训装置实物图体化培训装置实物图 亚龙亚龙YL-235A 型光机电一体化实训装置由铝型光机电一体化实训装置由铝合金导轨式实训台、典型的机电一体化设备的机合金导轨式实训台、典型的机电一体化设备的机械部件、械部件、PLC 模块单元、触摸屏模块单元、变频模块单元、触摸屏模块单元、变频器模块单元、按钮模块单元、电源模块单元、模器模块单元、按钮模块单元、电源模块单元、模拟生产设备实训模块、接线端子排和各种传感器拟生产设备实训模块、接线端子排和各种传感器等组成。等组成

18、。表表1-1 YL235A光机电一体化实训装置配置清单光机电一体化实训装置配置清单序号序号名名 称称型号及规格型号及规格数数 量量1实训台实训台1190800840 mm1张张2电源模块单元电源模块单元三相电源总开关（带漏电和短路保护）三相电源总开关（带漏电和短路保护）1个，熔断个，熔断器器3只，单相电源插座只，单相电源插座2个，安全插座个，安全插座5个个1个个3按钮模块单元按钮模块单元24V/6A、12V/2A 插孔各一组，急停按钮插孔各一组，急停按钮1 只，转只，转换开关换开关2只，蜂鸣器只，蜂鸣器1只，复位按钮黄、绿、红各只，复位按钮黄、绿、红各1只，自锁按钮黄、绿、红各只，自锁按钮黄、

19、绿、红各1只，只，24V 指示灯黄、指示灯黄、绿、红各绿、红各2只只1个个4PLC 模块单元模块单元可编程控制器可编程控制器1只（型号可选），电源开关只（型号可选），电源开关1 个，个，220V插座插座1个个1个个5变频器模块单元变频器模块单元变频器（型号可选）变频器（型号可选）1只，可调电位器只，可调电位器1个，拨动开个，拨动开关若干关若干1个个6触摸屏模块单元触摸屏模块单元MT5000/4000触摸屏触摸屏1块块7物料传送部件物料传送部件直流减速电机（直流减速电机（24 V，输出转速，输出转速6r/min）1台，送台，送料盘料盘1个，光电开关个，光电开关1只，送料盘支架只，送料盘支架1组组

20、1套套8气动机械手部件气动机械手部件双出杆气缸双出杆气缸1只，单出杆气缸只，单出杆气缸1只，气手爪只，气手爪1只，摆只，摆动气缸动气缸1只，电感式接近开关只，电感式接近开关2只，磁性开关只，磁性开关5只，只，缓冲器缓冲器2只，双电控换向阀只，双电控换向阀4只只1套套9皮带输送部件皮带输送部件三相减速电机（三相减速电机（380V，输出转速，输出转速40r/min）1台，台，平皮带平皮带1355492mm 1条，输送机构条，输送机构1套套1套套10物件分拣部件物件分拣部件单出杆气缸单出杆气缸3只，金属传感器只，金属传感器1只，光纤传感器只，光纤传感器2只，只，光电传感器光电传感器1只，磁性开关只，

21、磁性开关6只，物件滑槽只，物件滑槽3个，单个，单电控换向阀电控换向阀3只只1套套 物料传送机构用于将物料传送机构用于将物料从储料盘中送到机械手物料从储料盘中送到机械手下方，便于机械手的搬运。下方，便于机械手的搬运。该机构主要由放料转盘、可该机构主要由放料转盘、可调节支架、直流电机、出料调节支架、直流电机、出料口传感器、物料检测支架构口传感器、物料检测支架构成。成。1.物料传送机构物料传送机构图图1-3 物料传送机构实物图物料传送机构实物图1-转盘转盘 2-2-可调节支架可调节支架 3-3-直流电机直流电机 4-4-物料物料 5-5-出料口传感器出料口传感器 6-6-物料检测支架物料检测支架 放

22、料转盘用于存放设备所提供的金属、白色塑放料转盘用于存放设备所提供的金属、白色塑料和黑色塑料三种物料。料和黑色塑料三种物料。 驱动电机则采用驱动电机则采用24V直流减速电机，额定转速直流减速电机，额定转速为为6r/min，用于驱动放料转盘的旋转。，用于驱动放料转盘的旋转。 物料检测支架可以将物料有效定位，并确保物料检测支架可以将物料有效定位，并确保其平台上每次只有一个物料。其平台上每次只有一个物料。 出料口传感器为漫反射型光电传感器，用于出料口传感器为漫反射型光电传感器，用于检测物料检测支架的平台有无从转盘中送来的物料。检测物料检测支架的平台有无从转盘中送来的物料。1.物料传送机构物料传送机构

23、气动机械手用于将气动机械手用于将在物料支架平台上的物料在物料支架平台上的物料搬运到皮带输送机上，其搬运到皮带输送机上，其主要由摆动气缸、气动手主要由摆动气缸、气动手爪、提升气缸、伸缩气缸、爪、提升气缸、伸缩气缸、缓冲器、限位器、节流阀、缓冲器、限位器、节流阀、磁性开关、左右限位传感磁性开关、左右限位传感器和安装支架等构成。器和安装支架等构成。2.气动机械手气动机械手图图1-4 1-4 气动机械手实物图气动机械手实物图1-1-摆动气缸摆动气缸 2-2-限位器限位器 3-3-气动爪手气动爪手 4-4-爪手闭合检测磁爪手闭合检测磁性开关性开关 5-5-提升气缸提升气缸 6-6-提升检测磁性开关提升检

24、测磁性开关 7-7-单向节流单向节流阀阀 8-8-伸缩气缸伸缩气缸 9-9-伸缩检测磁性开关伸缩检测磁性开关 10-10-左右限位传左右限位传感器感器 11-11-缓冲器缓冲器 12-12-安装支架安装支架 整个气动机械手利用摆动气缸、伸缩气缸、整个气动机械手利用摆动气缸、伸缩气缸、提升气缸和气动爪手可以实现四个自由度的动作，提升气缸和气动爪手可以实现四个自由度的动作，手臂伸缩、手臂摆动、手爪升降、手爪松紧。手臂伸缩、手臂摆动、手爪升降、手爪松紧。 摆动气缸在双电控电磁阀控制下可以实现机械摆动气缸在双电控电磁阀控制下可以实现机械手的左右摆动，其左右两侧各装有手的左右摆动，其左右两侧各装有1个限

25、位器、个限位器、1个个具有减速缓冲作用的缓冲器和具有减速缓冲作用的缓冲器和1个检测气缸是否摆个检测气缸是否摆动到位的电感式接近传感器。动到位的电感式接近传感器。 气动爪手用于物料的抓取，爪手的夹紧也是气动爪手用于物料的抓取，爪手的夹紧也是通过一个磁性开关来检测的；单向节流阀用于调通过一个磁性开关来检测的；单向节流阀用于调节机械手各个动作的速度。节机械手各个动作的速度。 伸缩气缸则通过一个双出杆气缸来实现，其缸伸缩气缸则通过一个双出杆气缸来实现，其缸体侧面的前端和后端各装有一个磁性开关，用于检体侧面的前端和后端各装有一个磁性开关，用于检测伸缩动作是否完成。测伸缩动作是否完成。 提升气缸用于实现爪

26、手的上升和下降动作，其提升气缸用于实现爪手的上升和下降动作，其缸体上端和下端各固定了一个磁性开关，用于检测缸体上端和下端各固定了一个磁性开关，用于检测爪手升降动作是否完成。爪手升降动作是否完成。 皮带输送与物料分拣机构用于对气动机械手皮带输送与物料分拣机构用于对气动机械手搬运来的物料进行材质分拣并通过皮带输送机传送搬运来的物料进行材质分拣并通过皮带输送机传送至指定滑槽前，再由推料气缸推入滑槽。皮带输送至指定滑槽前，再由推料气缸推入滑槽。皮带输送与物料分拣机构主要由落料口、落料口物料检测传与物料分拣机构主要由落料口、落料口物料检测传感器、皮带输送机、推料气缸、单向节流阀、磁性感器、皮带输送机、推

27、料气缸、单向节流阀、磁性开关、光纤传感器、电感传感器、滑槽、三相异步开关、光纤传感器、电感传感器、滑槽、三相异步电动机等构成，具体位置如图电动机等构成，具体位置如图1-5所示。所示。3.皮带输送与物料分拣机构皮带输送与物料分拣机构图图1-5 1-5 皮带输送与物料分拣机构实物图皮带输送与物料分拣机构实物图1-1-磁性开关磁性开关 2-2-皮带输送机皮带输送机 3-3-物料检测传感器物料检测传感器 4-4-落料口落料口5-5-滑槽滑槽 6-6-电电感传感器感传感器 7-7-光纤传感器光纤传感器 8-8-调压阀与过滤器调压阀与过滤器 9-9-单向节流阀单向节流阀 10-10-三相异三相异步电动机步

28、电动机 11-11-光纤放大器光纤放大器 12-12-推料气缸推料气缸 落料孔用于机械手搬动来的物料落料位置定位。落料孔用于机械手搬动来的物料落料位置定位。 落料口物料检测传感器是一个漫反射式光电传落料口物料检测传感器是一个漫反射式光电传感器，用于检测是否有物料从落料口放置到传送带感器，用于检测是否有物料从落料口放置到传送带上。上。 皮带输送机可以在三相异步电动面驱动下正、皮带输送机可以在三相异步电动面驱动下正、反向运行，实现物料的输送。反向运行，实现物料的输送。 安装在传送带上方的光纤传感器、电感传感器安装在传送带上方的光纤传感器、电感传感器用来检测物料的材质和颜色，根据需要可以将其中用来检

29、测物料的材质和颜色，根据需要可以将其中的一个光纤传感器改为电容传感器。的一个光纤传感器改为电容传感器。 三个推料气缸在三个电控换向阀的控制下可三个推料气缸在三个电控换向阀的控制下可以将不同材质或颜色的物料推入指定滑槽，其推以将不同材质或颜色的物料推入指定滑槽，其推出速度和缩回速度均可以通过安装在气缸进、出出速度和缩回速度均可以通过安装在气缸进、出气口的单向节流阀进行调节。气口的单向节流阀进行调节。 安装在推料气缸前端和后端的磁性开关用安装在推料气缸前端和后端的磁性开关用于检测推料气缸的伸缩动作是否完成。于检测推料气缸的伸缩动作是否完成。 三相异步电动机通过一个联轴器驱动皮带输三相异步电动机通过

30、一个联轴器驱动皮带输送机运行。送机运行。 电源模块单元用于整个实训装置的供电和漏电源模块单元用于整个实训装置的供电和漏电、短路保护，它主要由一个三相电源总开关电、短路保护，它主要由一个三相电源总开关（带漏电和短路保护），（带漏电和短路保护），3个熔断器和个熔断器和2个单相电个单相电源插座构成。单向电源插座用于向按钮模块单元源插座构成。单向电源插座用于向按钮模块单元和和PLC模块单元供电，电源模块上的模块单元供电，电源模块上的5个安全插座个安全插座可以向变频器模块单元供电。具体位置如图可以向变频器模块单元供电。具体位置如图1-6所所示。示。4.电源模块单元电源模块单元图图1-6 1-6 电源模块单元和按钮模块单元实物图电源模块单元和按钮模块单元实物图 按钮模块单元用于向按钮模块单元用于向PLC提供各种按钮输入信提供各种按钮输入信号，多种颜色的输出指示灯和蜂鸣报警信号，并通号，多种颜色的输出指示灯和蜂鸣报警信号，并通过内置的开