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1、第一章第一章 机电一体化技术概论机电一体化技术概论吉林大学 机械电子工程学科赵丁选一、引言n新技术革命：以信息技术为中心，提高工作效率为目标。n信息技术三大支柱，即：测量与控制技术、计算机技术、通信技术。n在这种新技术革命的影响和冲击下，使机电工业发生了极大变化。n定义：机械技术与微电子技术、信息技术相结合，通称机电一体化。n例：机床，纯机械时，其加工精度、加工能力较低，数控机床后，使其功能增强、性能提高，而且成为可以代替人工操作的自动化机床。n微电子技术与信息技术的引入，将使机械工业焕发青春n机械向机电一体化方向发展，不但是机械本身的需要，而且是现代化生产装备向大型化、高效化方向发展的客观需
2、要。n机电一体化技术是保证科学操作和科学管理的有效工具。二、发展史n六十年代，日本通产省为扩大机械功能，在机械上采用电气和电子技术，曾结合数控机床做过不少实验，但末能获得成功。n七十年代，微电子技术成熟，微机商品化，大规模集成电路问世，构成微机的基本单元CPU、ROM、RAM和接口电路已经模块化，自己制造计算机成为可能。机电一体化得以现实。n71年，日刊工业新闻社发行机电一体化入门和机电一体化月刊，专门刊载机电一体化的新产品。n76年，机电一体化正式名字(英文名字是Mechatronics，是由Mechanism的前半部和Electronics后半部缩合而成)，我国现译为机电一体化。n71到7
3、8年日本政府颁发机电法和机信法，对机电一体化的发展起到积极推动作用，这个时期称之为萌芽时期。n八十年代，在机信法指导下，机电一体化的产品如雨后春笋不断涌现，这个时期可称之为成长时期。n九十年代，集成度提高，价格下降，机电一体化技术在世界范围内得到迅猛发展，机电一体化技术遍及社会各个领域。全盛时期开始。三、现状n我国，目前机电一体化技术还相当落后，机械系统有万个品种，约有万个品种需要实现程度不同的机电一体化。但是从目前生产的机电产品来看，实现机电一体化的还比较少。n例如：国内数控机床在机床中总拥有量较少，国外数控机床已占机床总拥有量的3080；国内柔性制造系统、工业机器人等还处于研制阶段。3.1
4、 国内情况n国外大型电站大都已实现计算机控制，汽车工业已大量应用微机点火控制、安全报警、制动控制等，在这些方面我国还有较大差距，甚至近于空白。n其它如家用电器、电子医疗机械、电气传动调速系统、低压电器、印刷机械、照相机械等，国外已普遍实现了机电一体化，我国大多还处于起步阶段。n国此在我国机电产品中实现机电一体化，大力推广机电一体化技术，是我国四化建设中的一个重要课题，是振兴我国机电工业的一项战略决策。3.2 产品范围n在新技术革命的浪潮中，自动化技术已深入到社会的各个方面，有人称之为全盘自动化。n在这些自动化的系统中，主要是由很多种机电一体化产品所构成。n从我国将要发展的机械工业产品来分析主要
5、由以下产品需要实现程度不同的机电一体化。n具体地说，包括:1._大型成套设备2._数控机床3._仪器仪表电子化4._自动化管理系统5._电子化量具量仪6._工业机器人7._电子化家用电器8._电子化电机传动与调整系统9._电子化电站自动装置与开关板10._电子医疗器械11._电子化低压电器12._微电脑控制加热炉13._电子控制汽车或内燃机14._微电脑控制印刷机械15._微电脑控制食品机械或包装机械16._微电脑控制办公机械17._电子式照相机18._电子控制农业机械19._电子控制塑料加工机械20._电子控制电焊机21._计算机辅助设计系统(CAD)22._计算机辅助制造系统(CAM)23
6、._计算机集成制造系统(CIM)四、几个技术问题1.机械与电子的溶合方式2.机械电子的技术构成3.机电一体化的效果1、机械与电子的溶合方式1.在机械本体上采用电子控制设备实现高性能和多功能。如数控机床2.用电子技术部分地代替原来由机械组成的控制部分，机械技术与电子技术最佳结合。如电子照相机3.以电子技术几乎全部代替机械式的信息处理机构，例如：电子表、按扭式电话机。4.机械部分比较简单，以电子部分开发为主的电子与机械共存的产品，使机械结构大为简化。如复印机械等。2、机械电子的技术构成n机电一体化系统的构成可以由右图形象地表示出来。n广义构成：硬件与软件n硬件：机械本体、传感器、信息处理单元和驱动
7、单元传感器执行机构动力人机交互设备计算机A、机械本体n为了发挥机电一体化的特长，机械本体必须改善性能、减轻重量和提高精度。(1)减轻重量(2)提高刚性(3)实现组件化、标准化和系列化(4)提高系统整体的可靠性B、传感器n分类：检测自身内部信息传感器、检测对象的外部信息传感器。模拟系统、数字系统（包括混合系统）等。n组成：由检测、转换、指示、信息处理、记录等部分组成。n传感信息方式有：光、电、流体、机械等。n评价指标有：功能、范围、灵敏度、分辨率、耐环境性、抗干扰性、可靠性等。n传感器的问题：集中在提高可靠性，灵敏度和精确性方面。提高可靠性与抗干扰有直接关系。为了避免干扰，目前有采用光纤电缆传感
8、的趋势。对外部信息传感器来说，目前发展非接触型检测技术。n传感器向高级方向发展，主要实现功能元件化和智能化。所谓功能元件化，就是用一片集成电路功能元件，实现传感与信息处理一体化。智能化就是发展具有自修功能的传感器。C、信息处理技术n信息处理设备：包括计算机主机或可编程控制器及其配套输入输出设备、显示器和外部存储器。n存在问题：重量、处理速度、可靠性、抗干扰及标准化。D、驱动技术n动力源：液压、气动、电动三种n前两种驱动系统比较复杂。包括：泵、阀、油缸（气缸）、过滤器、管路等。目前存在着功能、可靠性、标准化以及减轻重量、减小体积等问题。n电动机作为驱动机构已被广泛采用，但目前在快速响应和效率等方
9、面还存在一些问题，不能满足要求。今后有待于研制内装编码器的电动机以及控制专用组件、传感器、电动机三为一体的伺服驱动单元。E、接口技术n定义：将机电一体化产品各组成部分连接起来的元件就是接口。n接口标准化：不仅给信息传送和维修上带来方便，而且可以简化设计。n今后方向：研制成本低、高速串行接口，解决信号电缆非接触化，光导纤维以及光耦合器的大容量化、小型化、标准化等问题，积极引进光信号传输技术。F、软件与综合技术n软件与硬件如同一辆车子的两个轮子，必须协调一致地发展，如果失去平衡车子就无法前进。n软件标准化：减少研制成本，提高维修效率。包括：子程序标准化、程序模块化、软件程序的固化等。n应予以关注的
10、的问题：数据库的建立，作业描述语言的开发，语言理解、文字理解软件等。n机电一体化产品是一个系统，存在着许多综合技术问题。例如：1.由机械传动零件间隙造成的精度问题；2.机械零部件与电子元件相比响应速度慢的问题；3.连接电缆与接线柱的可靠性问题；4.零件标准化、互换性、兼容性以及检测自动化等问题。3、机电一体化的效果n机电一体化的效果：1.功能增多，2.体积减少，3.重量减轻，4.可靠性提高，5.性能价格比大大改善。A、性能提高、功能增强例如，过去精密机床采用的是机械校正，只能校正机床的系统误差，现在数控机床，可克服随机误差和系统误差，从而可以达到前所未有的高精度。调整切削阻尼，减少颤振，保证很
11、高的生产率与很高的加工表面光洁度。粗加工与精加工工序集成，深刻地改变了传统机床的结构布局，冲破了传统的机床按类别的划分。B、结构简化n因采用微处理机、集成电路、新型传动技术，代替电气控制柜和传动装置，使产品体积小，零部件数量减小，结构简化。例如：1.传统的电机控制靠用户，而实现机电一体化后出现了无换向器电机，提高了电机寿命，缩小了体积。2.“电脑”电动机用单片机控制电机的功率因素，根据负荷情况调节施加的电压，从而解决了不少电气传动中的“大马拉小车”问题，在空载提高效率3040，满载提高10。3.矢量控制异步电动机，采用微型计算机对交流异步电动机实现矢量控制，使异步电机既具有直流电机一样的调节特
12、性，而且还具有结构简单、可靠、电机容量不受限制、机械惯性小、体积小、效率高等优点。C、可靠性提高性n在电子元件质量可靠性高的前提下，机电一体化可以改善耐久性，减少故障。n机电一体化产品具有自动监视诊断、安全联锁控制、过负荷及失控保护、停电对策等，提高了安全可靠性D、节约能源n机电一体化的产品，可以节约材料、节约能源。例如：n我国目前各类电风扇的调整器为电磁机械式，如果用电子式调整器每年全国可节约电600万度；n汽油机电子点火；n液压挖掘机电子节能。E、改善操作n机电一体化产品采用计算机控制，具有数字显示，减少了操作按扭及手柄，具有程序控制等功能，因而可以改善设备操作性能，减少训练操作人员时间。F、提高灵活性（柔性）n机电一体化产品具有更大的灵活性，可以适应用户多样化的要求，是当代新技术革命的一大趋向。n例如，柔性制造系统，和工业机器人对于多品种小批量生产特别能发挥它的优越性。五、先进械电系统举例n观看录相片：1.救火机器人系统（PAL，5分钟）2.机器人足球（NTSC，45分钟）3.具有临场感提示的远距离操纵工程机器人系统（NTSC，15分钟）思考题1.什么是机电一体化？以打夯机为例，内含机械与电气，问这是不是机电一体化产品？2.机电一体化产品由哪五部分构成？3.机电一体化的技术构成是什么？4.机电一体化技术中，机与电有几种溶合方式？5.产品实现机电一体化后，可以取得哪些成效？