機電一體化技術一

1、袁中凡 主 編李彬彬 陳 爽 副主編冼 進 審郵箱：機電一體化技術 1第一章 概論知識點： 機電一體化系統(tǒng)的基本概念 機電一體化系統(tǒng)的關鍵共性技術 機電一體化系統(tǒng)的發(fā)展概況2 美國技術評論認為，有十種新興技術在不遠的將來會產(chǎn)生巨大影響：無線傳感器網(wǎng)絡；可注入組織工程；納米太陽能電池；機電一體化技術；分子成像；納米印刷刻蝕；軟件保證；糖原組學；量子密碼術。31.1 機電一體化的基本概念1.1.1機電一體化系統(tǒng)的功能構成及定義 “機電一體化”一詞(Mecharonics)在20世紀70年代起源于日本。它取英語Mechanics(機械學)的前半部和Electronics（電子學）的后半部分拼成一個新

2、詞，即機械電子學或機電一體化。 4“機電一體化”是機械技術、微電子技術相互交叉、融合的產(chǎn)物 機械技術（機械學機構學）機電一體化技術領域微電子技術（半導體技術、計算機技術）5機電一體化系統(tǒng)由機械本體（機構）、信息處理與控制部分（計算機）、能源部分（動力源）、檢測部分（傳感器）、執(zhí)行元件部分（如電動機）等五個子系統(tǒng)組成 能源部分信息處理與控制信息輸入驅(qū)動部分執(zhí)行元件機械本體檢測部分6典型閉環(huán)控制系統(tǒng) 71.1.2機電一體化系統(tǒng)的結構要素機電一體化系統(tǒng)是由若干具有特定功能的機械與微電子要素組成的有機整體，具有滿足人們使用要求的功能(目的功能)。根據(jù)不同的使用目的，要求系統(tǒng)能對輸入的物質(zhì)、能量和信息(

3、即工業(yè)三大要素)進行某一處理，輸出所需要的物質(zhì)、能量和信息。8因此，系統(tǒng)必須具有以下三大“目的功能”：變換(加工、處理)功能、傳遞(移動、輸送)功能和儲存(保持、積累、記錄)功能。9不管那類系統(tǒng)（或產(chǎn)品），其系統(tǒng)內(nèi)部必須具備如所示的五種內(nèi)部功能，即主動能、動力功能、檢測功能、控制功能、構造功能。 10CNC機床內(nèi)部功能構成實例 11機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的五大要素及其對應的五大功能12機電一體化系統(tǒng)內(nèi)部與外部接口 13機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）各構成要素之間的相互聯(lián)系 141.1.3機電一體化產(chǎn)品的分類一部分機電一體化系統(tǒng)以能量轉換為主，輸入能量(或物質(zhì))和信息，輸出不同能量(或物質(zhì))的系統(tǒng)(或產(chǎn)

4、品)，稱為動力機，其中輸出機械能的為原動機。也有機電一體化系統(tǒng)以信息處理為主，輸入信息量，輸出各種信息的系統(tǒng)，稱為信息機。15機電一體化產(chǎn)品種類繁多，目前還在不斷擴展，但仍可以按產(chǎn)品的功能劃分為以下幾類。（1）數(shù)控機械類（2）電子設備類（3）機電結臺類（4）電液伺服類（5）信息控制類161.2 機電一體化的共性關鍵技術1.2.1機械設計技術機械技術是機電一體化的基礎。機電一體化產(chǎn)品中的主功能和構造功能，往往是以機械技術為主實現(xiàn)的。特別是關鍵部件，如導軌、滾珠絲杠、軸承、傳動部件等的材料、精度對機電一體化產(chǎn)品的性能、控制精度等多方向的要求。171.2.2計算機與信息處理技術信息處理技術包括信息的

5、輸入、識別、變換、運算、存儲及格出技術，它們大都是依靠計算機來進行的，因此計算機技術與信息處理技術是密切相關的。信息處理技術包括信息的交換、存取、運算、判斷和決策等，實現(xiàn)信息處理的主要工具是計算機。計算機技術包括計算機硬件技術和軟件技術、網(wǎng)絡與通信技術、數(shù)據(jù)庫技術等。181.2.3自動控制技術自動控制技術就是通過控制器使被控對象或過程自動地按照預定的規(guī)律運行。自動控制技術范圍很廣，包括自動控制理論、控制系統(tǒng)設計、系統(tǒng)仿真、現(xiàn)場調(diào)試、可靠運行等從理論到實踐的整個過程。由于被控對象種類繁多，所以控制技術的內(nèi)容極其豐富，包括高精度定位控制、速度控制、自適應控制、自診斷、校正、補償、示教再現(xiàn)、檢索等控

6、制技術。191.2.4傳感與檢測技術檢測傳感技術是機電一體化的關鍵技術，它將所測得的各種參量如位移、位置、速度、加速度、力、溫度、酸度和其他形式的信號等轉換為統(tǒng)一規(guī)格的電信號輸入到信息處理系統(tǒng)中，并由此產(chǎn)生出相應的控制信號以決定執(zhí)行機構的運動形式和動作幅度。傳感器檢測的精度、靈敏度和可靠性將直接影響到機電一體化的性能。201.2.5執(zhí)行與驅(qū)動技術伺服驅(qū)動技術的主要研究對象是執(zhí)行元件及其驅(qū)動裝置。執(zhí)行元件分為電動、氣動、液壓等多種類型，機電一體化產(chǎn)品中多采用電動式執(zhí)行元件驅(qū)動裝胃要是指各種電動機的驅(qū)動電源電路，目前多采用電力電子器件及集成化的功能電路構成。211.2.6機電一體化總體設計技術系統(tǒng)

7、總體技術是一種從整體目標出發(fā)，用系統(tǒng)工程的觀點和力法，將系統(tǒng)總體分解成相互有機聯(lián)系的若干功能單元，并以功能單元為子系統(tǒng)繼續(xù)分解，直至找到可實現(xiàn)的技術方案，然后再把功能和技術方案組合成方案指進行分析、評價和優(yōu)選的綜合應用技術。221.3 機電一體化的發(fā)展概況1.3.1國內(nèi)外機電一體化發(fā)展狀況機電一體化技術的發(fā)展大體上可分為三個階段。20世紀60年代以前為第一階段，也可稱其為“萌芽階段”。70年代至80年代為第二階段。稱其為“蓬勃發(fā)展階段”。從上世紀90年代后期開始為第三階段，稱其為“智能化階段”，機電一體化技術向智能化新階段邁進。231.3.2機電一體化技術的理論的發(fā)展因此，機電一體化的主要發(fā)展

8、方向如下：（1）智能化（2）模塊化（3）網(wǎng)絡化（4）微型化（5）綠色化（6）人性化241.3.3數(shù)控技術與機器人技術一、數(shù)控機床數(shù)控技術，簡稱數(shù)控（Numerical Control）。它是利用數(shù)字化的信息對機床運動及加工過程進行控制的一種方法。數(shù)控系統(tǒng)包括：數(shù)控裝置、可編程控制器、主軸驅(qū)動器及進給裝置等部分.數(shù)控機床是機、電、液、氣、光高度一體化的產(chǎn)品。25二、工業(yè)機器人機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。工業(yè)機器人由操作機（機械本體）、

9、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設備。261.3.4 新型的MEMS系統(tǒng)微機電系統(tǒng)MEMS(Micro Electronic Mechanical Systems)是一種全新的必須同時考慮多種物理場混合作用的研發(fā)領域，相對于傳統(tǒng)的機械，它們的尺寸更小，最大的不超過一個厘米，甚至僅僅為幾個微米，其厚度就更加微小。27MEMS特點可以總結如下：（1） 微型化：MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應時間短。 （2） 集成化：微傳感器、微執(zhí)行器和IC集成在一起可以制造出高可靠性和高穩(wěn)定性的智能化MEMS。（3） 多學科交叉：MEMS的制造涉及電子、機械、材料、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科。 28本章小結機電一體化通過綜合利用現(xiàn)代高新技術的優(yōu)勢，在提高精度、增強功能、改善操作性和使用性、提高生產(chǎn)率和降低成本、節(jié)約能源和降低消耗、減輕勞動強度和改善勞動條件、提高安全性和可靠性、簡化結構和減輕