机电一体化概论

1、第一章 机电一体化概述1.1机电一体化的定义和基本概念1.2机电一体化系统的基本结构和功能 1.3机电一体化产品(系统)的种类1.4机电一体化的发展概况1.1机电一体化的定义和基本概念(1)机电一体化是在机械主功能、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：机电一体化技术和机电一体化产品。机电体化技术主要是由多种技术的有机地融合。机电一体化产品：机电一体化装置、机电一体化系统等。1.1机电一体化的定义和基本概念(1)机电一体化共性的关键技术：自动化控制技术；计算机与信息处理技术；检测与传感器技术；执行与驱动技术；精密机

2、械技术；总体设计技术；接口技术。1.1机电一体化的定义和基本概念(2)机电一体化产品的主要特征：基础-精密机械产品核心-微电子技术和计算机技术控制的伺服驱动系统。 整体结构的最佳化 系统控制的智能化 操作性能的柔性化1.1机电一体化的定义和基本概念(2)例1-1机械手组织教学建议：参观机械手及其动作，结合讲授。 重点介绍机电一体化共性的各关键技术及其含义。1.2机电一体化系统的基本结构和功能(1)基本结构：机械部分、控制及信息处理部分、动力部分、传感检测部分、驱动部分等五个部分(或系统)。传感检测部分-对系统在运行过程中的各种参数及状态进行检测，并转换成电信号。控制及信息处理部-将来自传感检测

3、部分的检测信号和外部输入的指令进行存储、分析、运算、处理等，并根据处理结果发出相应的控制信号。1.2机电一体化系统的基本结构和功能(1)驱动部分-根据控制及信息处理部分送来的控制信号或指令驱动各种执行元件完成所规定的动作和功能。机械部分-机床本体在驱动部分作用下，完成相应的传递任务。 动力部分-向系统提供能量和动力以确保系统正常运行。 例1-2平面关节型机械手1.2机电一体化系统的基本结构和功能(2)自由度的概念自由度-各转动部位即各关节。机电一体化的系统(或产品)的主要功能：主功能。检测功能。控制功能。动力功能。构造功能。1.2机电一体化系统的基本结构和功能(2)组织教学建议：结合例1-2平

4、面关节型机械手，重点掌握机电一体化系统的结构。 结合实物-机械手，介绍机电一体化系统的结构。1.3机电一体化产品(系统)的种类按功能来划分：数控机械类；电子设备类；机电结合类；信息处理类；其它类。按用途来划分：生产用类；运输、包装及工程用类；存储、销售用类；社会服务性用类；家庭用类；科研及过程控制用类；其它用类。组织教学建议：在教学中结合日常生活和工作的实际例子进行讲授。1.4机电一体化的发展概况机电一体化技术的发展历史：萌芽阶段、蓬勃发展阶段、智能化阶段等三个阶段。机电一体化技术对机械系统的影响机电一体化的发展趋势智能化、系统化、高性能化等。组织教学建议：可结合实际例子教学。第二章 机电一体

5、化的相关技术2.1自动化控制技术2.2检测与传感器技术2.3计算机与信息处理技术2.4执行及驱动技术2.7接口技术2.1自动化控制技术(1)概念主要部件-控制装置(控制器)常见的控制装置：继电器控制装置、半导体继电器控制装置、可编程控制器(计算机)、变频器等。2.1自动化控制技术(1)继电器控制继电器控制装-利用各种按钮开关和电磁继电器等元器件的触点来实现控制。半导体继电器控制半导体继电器-利用半导体器件(二极管、三极管、集成电路等)的特性和直流继电器等器件来实现无触点的控制。可编程控制器(工业计算机)可编程序控制器-综合了计算机技术和信息技术等多种技术的而专门应用于工业环境下的控制装置。2.

6、1自动化控制技术(2)变频器变频器是一种将固定频率的交流电变换成频率、电压均连续可调的交流电，以控制电动机运行的装置。变频器-采用电力半导体器件(电力晶体管、绝缘栅双极晶体管、智能功率模块等)来实现无触点的控制。2.1自动化控制技术(2)组织教学建议：通过例子和实物进行教学。 结合实际进行各种自动化控制技术的简单应用(实训)。 重点介绍各种自动化控制技术的主要部件。2.2检测与传感器技术(1)概念主要部件-传感器。传感器结构敏感元件、转换环节、输出电路等三个基本部分。2.2检测与传感器技术(1)常用的传感器：位置传感器-通过检测或感受以确定被测物体是否达到所需的位置并输出信号。位移传感器-是将

7、线位移或角位移变换成相应的信号输出。 速度传感器-将机械的旋转运动(即转速)转换成相应的电信号输出。 角度传感-将转角的变化(即角位移)转换成相应的信号输出。 温度传感器-将温度的变化转换成相应的信号输出。 光量传感器-将光的数量(光线、光亮等)转换成相应的信号输出。 其它传感器：力(压力)、流量、磁场(霍尔)、超声波、红外线等。2.2检测与传感器技术(2)组织教学建议:通过例子和实物进行教学。 重点介绍各种检测与传感器技术的主要部件。2.3计算机与信息处理技术(1)机电一体化系统的控制核心-计算机。计算机：工业控制计算机、可编程控制器、单片微型计算机等。工业控制计算机(工控机）-满足工业环境

8、使用要求及与工业过程控制相联系并可编程的数字计算机。工控机的特点。可编程控制器(PLC-)-专为在工业环境下应用而设计的数字逻辑运算操作系统或工业用计算机。PLC的特点。单片微型计算机(单片机-在一块芯片上集中了一台计算机所具有基本部分(CPU、ROM、RAM、I/O接口、时钟发生器等)的计算机。单片机的特点。2.3计算机与信息处理技术(2)三种控制系统和控制方式的比较。信息处理技术和过程。例2-12组织教学建议:实物配合进行教学。 重点介绍各种控制系统和控制方式的特点。2.4执行及驱动技术(1)概念驱动执行形式：电动式、液压式、气动式和其它等。电动式(电磁式）-利用电磁线圈将电能转换成电磁力

9、，再通过电磁力做功带动负载，从而使电能变换成机械运动。主要部件：伺服电动机、步进电动机、力矩电动机等。2.4执行及驱动技术(1)各部件的基本原理、作用和特点。液压式-利用电磁线圈(液压泵)将电能变换成液压能，再利用电磁阀(控制阀)来控制液压的换向、压力、流量等，进而推动负载，使液压能量变换成机械运动(直线运动或旋转运动)。 液压式的特点。 主要部件：动力部件、执行部件、控制部件、辅助部件等。 各部件的作用2.4执行及驱动技术(2)气动式-利用电磁线圈将电能变换成气压，再通过电磁阀来控制气压的换向、压力等，然后推动负载，从而使气压变换成机械运动。气动式的特点。主要部件：动力部件、执行部件、控制部

10、件、辅助部件等。 各部件的作用。 组织教学 建议：通过例子和实物进行教学。 结合模拟系统进行各种驱动执行系统的工作过程和操作。 重点介绍各种驱动执行系统的主要部件及其作用。*2.5精密机械技术概念主要部件-传动机构、导向机构、执行器等。传动机构作用和功能-传递转矩和转速(动力和运动)。常用的传动机构：滚珠丝杠、同步带、棘轮、谐波齿轮等。 导向机构*2.5精密机械技术作用和功能-支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。常用的导向机构：滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨等。执行器作用和功能-根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的操作。常用的执行器：机械夹持器、灵巧手、特种

11、末端执行器。组织教学建议：在教学中尽量结合日常生活和工作的实际例子进行讲授。*2.6总体设计技术总体设计要求总体设计步骤动态设计组织教学建议：在教学中尽量结合日常生活或工作中的一个实际例子进行讲授。2.7接口技术(1)概念：接口-指将机电一体化系统的各部分连接起来的连接电路。 设置接口电路的原因。 接口电路的主要作用、功能。 接口电路的类型：人机接口与机电接口两大类。2.7接口技术(1)人机接口-指人与计算机之间建立联系、实现交换、传输信息的输入/输出设备的控制电路。两个任务：信息形式的转换和信息传输的控制。机电接口-指计算机与机械装置或设备之间联系的控制电路。作用：进行电平转换和功率放大。

12、抗干扰隔离。 进行A/D或D/A转换。2.7接口技术(2)其它接口(开关信号通道接口)DI接口。DO接口。组织教学建议：在教学中结合日常生活和工作的实际例子进行讲授。第三章 机电一体化的应用举例3.1工业机器人3.2数控设备3.3自动生产流水线3.4自动扶梯3.5全自动洗衣机3.6柔性制造系统(FMS)3.1工业机器人概念：工业机器人是一个涉及多种技术的典型机电一体化产品。工业机器人就是拥有能够自动控制的手控功能和移动功能，可以按照程序执行各项作业的机器。结构：控制装置、驱动装置和操作系统等。3.1工业机器人基本类型：组装机器人/搬运机器人/码垛机器人/热切割机器人/导轨机器人/焊接机器人等。

13、组织教学建议：在教学中尽量多结合实际例子或实物进行讲授。3.2数控设备概念：数控设备(数控机床)-又称为CNC机床。CNC机床-一种解决复杂形、面的零件的自动化和一体化的生产设备。结构组成：程序、输入/输出设备、CNC(计算机数字控制)装置、PLC(可编程序控制器)、主轴控制系统、进给伺服控制系统、位置检测器及机床本体等。3.2数控设备种类：数控车床/数控铣床/数控磨床/数控镗床/数控钻床/数控加工中心/数控线切割机床/数控电火花加工机床等。组织教学建议：在教学中尽量多结合实际例子或实物进行讲授。3.3自动生产流水线概念自动生产线-由零件或工件传送系统和控制系统及将一组自动机床和辅助设备按照工

14、艺顺序联结起来，自动地完成产品全部或部分制造过程的生产系统。种类 不同的工作性质有不同的自动生产线。3.3自动生产流水线特例-模块化生产加工系统(MPS系统)MPS系统-是集机械、电子、传感器、气动、通信为一体高度集成的机电一体化装置。MPS系统的结构：工作站、检测装置、控制装置、执行机构等。 组织教学 建议：在教学中尽量多结合实际例子或实物进行讲授。3.4自动扶梯简介：自动扶梯是一种设置在建筑物楼层之间或层面间连续运载人员的运输工具。由于其结构组成是机电一体化的系统，所以属于典型的机电一体化设备。结构：带式输送机构、控制装置、驱动装置和保护装置等。组织教学建议：在教学中尽量多结合实际例子或实物或通过参观现场进行讲授。3.5全自动洗衣机简介：全自动洗衣机是广泛应用于家用电器中典型的机电一体化设备。种类：波轮式、滚筒式、搅拌式等。洗衣基本原理基本结构：洗涤系统、给排水系统、脱水系统、电动机与传动系统、控制系统、箱体与支撑机构等。3.5全自动洗衣机新型洗衣机-模糊洗衣机几个概念：模糊逻辑、控制原理、模糊控制推理系统、推理规则等。组织教学建议：在教学中尽量多结合实际例子或实物进行讲授。3.6柔性制造系统(FMS)概念：FMS是由一组数字控制加工设备(数控机床)和计算机信息控