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1、机电一体化概论作者：第一章 机电一体化概述1.1 机电一体化的产生和发展教学目标：1、了解机电一体化的产生；2、了解机电一体化的发展历程3、了解机电一体化的发展趋势；人类已进入一个新的世纪21世纪，回顾过去的20世纪，人类的经济和科学技术发展成果超过了过去所有世纪的总和。传统的学科正在脱胎换骨，新的学科不断问世，技术的融合程度比任何一次技术革命都高。机电一体化技术产生于这一背景下，自然符合科技的规律，也是机械学科发展的必然结果。它使古老的机械工业焕发青春，也对社会的发展产生着极为深刻的影响。擅长引进、吸收和消化国外先进技术日本工程技术人员，在推广机电一体化先进技术的同时还大力宣传机电一体化的技
2、术，并在机电一体化方面进行了许多专题研究。因此，日本机电一体化产品很快就接近了世界一流水平。此外，20世纪70年代初，日本人率先将英语词汇Mechanics（机械学）的前半部和Electronics（电子学）的后半部拼在一起，构成了Mechatronics。这个由日本人创造的日式英语词，现已被正式采用。在中国，Mechatronics被译成机电一体化，这个术语比较恰当地描绘了这一新技术的含义，因而很快被广大工程技术人员所接受。由于科学技术在不断地发展，机电一体化产品或设备的内容也在不断地更新，并不断地采用先进的技术，因此在理解机电一体化的含义时，可以将“机电”一词模糊为“先进技术”。这样，机电
3、技术应用就意味着先进技术的应用。1.1.2 机电一体化的发展 机电一体化的产生和迅速发展的根本原因在于社会的发展和科学技术的进步。系统工程、控制论和信息论是机电一体化的理论基础，也是机电一体化技术的方法论。目前，机电一体化技术已广泛应用于机械、建筑、农业、医疗等行业，并正向具有自适应性的智能化发展。目前，有自适应性的智能系统已进入采用模糊理论和模糊计算机的研制阶段。系统中配有模糊传感器和其他各种传感器，可以根据菜单的要求自动地完成一系列操作。80年代以来，世界各国的汽车制造业正处于从传统的“大批量、少品种”的生产方式，向着“多品种、中小批量”的生产方式转变，以适应现代社会对产品品种规格越来越多
4、样化的要求。为满足市场的需要，制造厂家必须不断增加产品的品种、提高产品的质量和降低制造成本。为此，在汽车工业中开始使用柔性制造系统（FMS Flexible Manufacturing System），并和CAD/CAPP/CAM及生产管理经营决策系统进行集成，把管理信息和制造活动借助计算机技术和网络技术有机联系起来，向计算机集成制造系统（CIMS Computer Integrated Manufacturing System）发展。机电一体化的发展大体可以分为三个阶段。20世纪60年代以前为第一阶段，这一阶段称为初级阶段。在这一时期，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。2
5、0世纪70至80年代为第二阶段，可称为蓬勃发展阶段。这一时期，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奠定了技术基础。这个时期的特点，一是“机电一体化”一词首先在日本被普遍接受，大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；二是机电一体化技术和产品得到了极大发展；三是各国均开始对机电一体化技术和产品给予很大关注和支持。1.1.3 机电一体化的发展趋势机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此，机电一体化的主要发展方向如下：1、智能化 智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人
6、工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。4、微型化 微型化兴起于20世纪80年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统（MEMS），泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术，微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。5、绿色化 工业的发达给人们生活带来了巨大变化。一方面，物质丰富，生活舒适；另一方面，资源减少，生态环境受到严
7、重污染。绿色产品概念在这种呼声下应运而生，绿色化是时代的趋势。设计绿色的机电一体化产品，具有远大的发展前途。机电一体化产品的绿色化主要是指，使用时不污染生态环境，报废后能回收利用。1.2 机电一体化的定义和内涵教学目标：1、了解机电一体化的含义；2、了解机电一体化的内涵3、了解机电一体化所涉及的相关技术1.2.1 机电一体化的基本涵义 机电一体化是以微型计算机为代表的微电子技术和信息技术迅速发展，并向机械工业领域迅猛渗透，与机械电子技术深度结合的现代工业基础上，综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术及软件编程技术等群体技术，从系统观点出发，根
8、据系统功能目标和优化组织结构目标，以智能、动力、结构、运动和感知等组成要素为基础，对各组成要素及其间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究，使得整个系统有机结合与综合集成，并在系统程序和微电子电路的信息流有序控制下，形成物质和能量的有规则运动，在高功能、高质量、高精度、高可靠性、低消耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值系统工程技术。机电一体化一词（Mechatronics）最早（1971年）起源于日本，它取英语Mechanics（机械学）的前半部和Electronics（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，在我国通常称为机电一体化或机
9、械电子学。机电一体化最本质的特性仍然是一个机械系统，其最主要功能仍然是进行机械能和其他形式的能的互换，利用机械能实现物料搬移或形态变化以及实现信息传递和变换。机电一体化系统与传统机械系统的不同之处是充分利用计算机技术、传感技术和可控驱动元件特性，实现机械系统的现代化、智能化、自动化。机电一体化不是机械技术和电子技术的简单叠加，而是将电子设备的信息处理功能和控制功能“揉和”到机械装置中去，从而达到扬长避短、互为补充的目的，使机电一体化产品更具有系统性、完整性和科学性。目前世界上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化。生产过程的机电一体化意味着整个工业体系得机电
10、一体化，如机械制造过程机电一体化、冶金生产的机电一体化、化工生产的机电一体化、粮食及食品加工过程的机电一体化、纺织工业的机电一体化、排版与印刷的机电一体化等。生产过程的机电一体化根据生产过程的特点（如生产设备和生产工艺是否连续）又可划分为离散制造过程的机电一体化和连续生产过程的机电一体化。前者以机械制造业为代表，后者以化工生产流程为代表。1.2.2 机电一体化的相关技术 机电一体化是多学科领域技术综合交叉的技术密集型系统工程，其主要相关技术可以归纳成六个方面，即：机械技术、传感检测技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术和系统总体技术。因此机械技术的出发点在于如何与机电一体化技术相适应，
11、利用其他高新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上以及功能上的变革。2、传感检测技术 传感检测装置是机电一体化系统的感觉器官，它可从待测对象那里获取能反映待测对象特征与状态的信息。它是实现自动控制、自动调节的关键环节，其功能越强，系统的自动化程度就越高。传感检测技术的研究内容包括两方面：一是研究如何将各种被测量（包括物理量、化学量和生物量等）转换为与之成比例的电量；二是研究如何对转换后的电信号进行加工处理，如放大、补偿、标定、变换等。传感器是检测部分的核心。3、信息处理技术 信息技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策。实现信息处理的主要工具是计算机，它相当于人的大脑，指挥整个系统的运行
12、。计算机技术包括计算机软件技术、硬件技术和网络与通信技术等。机电一体化系统中主要采用工业控制机（包括可编程序控制器、单片微控制器、总线式工业空驶机等）进行信息处理。计算机应用及信息处理技术已成为机电一体化技术发展和变革的最重要因素。4、自动控制技术 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。在急电一体化技术中，自动控制主要是解决如何提高产品的精度、提高加工效率、提高设备的有效利用率，从而实现机电一体化系统在设计之后进行系统仿真，现场调试，最后使研制的系统可靠地投入运行，尤其是计算机技术高速发展，使得自动控制技术与计算机技术的结合越趋密切，因此自动控制
13、技术是机电一体化技术中十分重要的关键技术。5、伺服驱动技术“伺服”（Server）即“伺候服侍”的意思。伺服驱动技术就是在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械的运动部件按照指令的要求进行运动，并具有良好的动态性能。伺服驱动技术包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，这部分的功能相当于人的手足的功能，这些驱动装置通过接口与计算机相连接，在计算机控制下，带动机械部件作机械回转、直线或其他各种复杂运动。常见的伺服驱动系统主要有液压和电气伺服系统。液压伺服系统（如液压马达、脉冲液压缸等）具有工作稳定、响应速度快、输出力矩大等特点，特别是在低速运行时其性能更突出，但液压系统需要增加液压泵等动力源，设
14、备复杂、体积大、维修难及污染环境；而电气伺服系统（如步进电动机、直流伺服电动机等）具有控制灵活、费用小、可靠性高等优点，但低速时输出力矩不够大。6、系统总体技术 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，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，并使其操作和维修更加方便。以上概述了机电遗体化的相关技术，可以得出这样的结论：机电一体化技术是一种复合技术，它不是机械和电子的简单叠加，它需要很多部门、产业的配合和支持，才能取得满意的结果。我们
15、不仅要对机电遗体化的各项相关技术进行全面深入的了解，还要能从系统工程的概念入手，通过系统总体设计来使各个相关技术形成有机的结合，并且要注意研究和解决技术融合过程中所产生的新问题，只有这样才能满足机电一体化高速发展的需要。1.3 机电一体化系统的构成要素教学目标：1、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3、了解YL-235的组成；1.3.1 机电一体化系统的基本要素 机电一体化系统的形式多种多样，其功能也各不相同，一个较完善的机电一体化系统应包括以下几个基本要素：机械本体、动力单元、传感检测单元、执行单元、驱动单元、控制及信息处理单元，各要素之间通过接口相联系，这些基本
16、要素的关系及功能如图1.3.1所示，这是与人体的五大要素进行对比，从而得到启发的。图1.3.1 机电一体化系统的组成及工作原理a)人的五大要素 b)机电一体化系统的要素 c)机电一体化系统的功能a bc1、机械本体 机械本体包括机械传动装置和机械结构装置。其主要功能是将构造系统的各子系统、零部件按照一定的空间和时间关系安置在一定的位置上，并保持特定的关系。随着机电一体化产品技术性能、水平和功能的提高，机械本体需在机械结构、材料、加工工艺以及几何尺寸等方面都适应产品高效、多功能、可靠、节能、小型、轻量、美观等要求。2、动力单元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
17、证系统正常运行。机电一体化的显著特征之一是用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出。3、传感检测单元 传感检测单元的功能是对系统进行运行过程中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，并转换成可识别信号，传输到控制信息处理单元，经过分析、处理产生相应的控制信息。传感器检测单元通常由专门的传感器和仪器仪表组成。4、执行单元 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。执行单元是运动部件，一般采用机械、电磁、电液等方式将输入的各种形式的能量转换为机械能。根据机电一体化系统的匹配性要求，需要考虑改善执行机构的工作性能，如提高刚性，减轻重量，实现组件化、标准化和系列化，以提高系统整体工
18、作可靠性等。5、驱动单元 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。机电一体化技术一方面要求驱动单元具有高频率和快速响应等特性，同时又要求其对水、油、温度、尘埃等外部环境具有适应性和可靠性；另一方面由于受几何上动作范围狭窄等限制，还需考虑维修方便，并且尽可能实现标准化。随着电力电子技术的高度发展，高性能步进电动机、直流和交流伺服电动机将大量应用于机电一体化系统。6、控制与信息处理单元 控制与信息处理单元是机电一体化系统的核心单元，其功能是将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序发出相应的控制信号，通过输出接口
19、送往执行机构，控制整个系统有目的地运行，并达到预期的性能。控制与信息处理单元一般由计算机、可编程控制器、数控装置以及逻辑电路等组成。7、接口 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。接口的作用是将各要素或子系统连接成为一个有机整体，使各个功能环节有目的地协调一致运动，从而形成机电一体化的系统工程。接口的基本功能主要有三个：一是变换。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（如数字量与模拟量、串行码与并行码、连续脉冲与序列脉冲等）无法直接实现信息或能量的交流
20、，必须通过接口完成信号或能量的转换和统一。二是放大。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。三是传递。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。接口具有保证信息传递的逻辑控制功能，使信息按规定模式进行传递。1.3.2 典型机电一体化系统图1.3.2 YL235A光机电一体化培训装置实物图 如图1.3.2所示，浙江亚龙公司YL-235A 型光机电一体化实训装置包含了机电一体化专业所涉及的诸如电机驱动、机械传动、气动、触摸屏控制、可编程控制器、传感器，变频调速等多项基础知识和专业知识，模拟了当前先进技术在企业中的实际应用。它
21、为学生提供了一个典型的、可进行综合训练的工程环境，为学生构建了一个可充分发挥学生潜能和创造力的实践平台。亚龙YL-235A 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械部件、PLC 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、模拟生产设备实训模块、接线端子排和各种传感器等组成。该装置各单元均采用标准结构和抽屉式模块放置架，还可以根据需要，配置不同品牌的（PLC）模块和变频器模块以及触摸屏模块，因此具有较强的互换性。其具体配置部件见表1.3.1。表1.3.1 YL235A 光机电一体化实训装置配置清单序号名 称 型号及规格 数 量1 实训台 1
22、190800840 mm 1张2 电源模块单元三相电源总开关（带漏电和短路保护）1个，熔断器3只，单相电源插座2个，安全插座5个1个3 按钮模块单元24V/6A、12V/2A 插孔各一组，急停按钮1 只，转换开关2只，蜂鸣器1只，复位按钮黄、绿、红各1只，自锁按钮黄、绿、红各1只，24V 指示灯黄、绿、红各2只1个4 PLC 模块单元可编程控制器1只（型号可选），电源开关1 个，220V插座1个1个5 变频器模块单元变频器（型号可选）1只，可调电位器1个，拨动开关若干1个6 触摸屏模块单元 MT5000/4000触摸屏 1块7 物料传送部件直流减速电机（24 V，输出转速6r/min）1台，送
23、料盘1个，光电开关1只，送料盘支架1组1套8 气动机械手部件双出杆气缸1只，单出杆气缸1只，气手爪1只，摆动气缸1只，电感式接近开关2只，磁性开关5只，缓冲器2只，双电控换向阀4只1套9 皮带输送部件三相减速电机（380V，输出转速40r/min）1台，平皮带1355492mm 1条，输送机构1套1套10 物件分拣部件单出杆气缸3只，金属传感器1只，光纤传感器2只，光电传感器1只，磁性开关6只，物件滑槽3个，单电控换向阀3只1套物料传送机构 物料传送机构用于将物料从储料盘中送到机械手下方，便于机械手的搬运。该机构主要由放料转盘、可调节支架、直流电机、出料口传感器、物料检测支架构成，具体位置如图
24、1.3.3所示。图1.3.3 物料传送机构实物图1-转盘 2-可调节支架 3-直流电机 4-物料 5-出料口传感器 6-物料检测支架 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；驱动电机则采用24V直流减速电机，额定转速为6r/min，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，用于检测物料检测支架的平台有无从转盘中送来的物料。气动机械手 气动机械手用于将在物料支架平台上的物料搬运到皮带输送机上，其主要由摆动气缸、气动手爪、提升气缸、伸缩气缸、缓冲器、限位器、节流阀、磁性开关、左右限位传感器和安装支
25、架等构成。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1个限位器、1个具有减速缓冲作用的缓冲器和1个检测气缸是否摆动到位的电感式接近传感器；机械手的伸缩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，用于检测伸缩动作是否完成；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，用于检测爪手升降动作是否完成；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；单向节流阀用于调节机械手各个动作的速度。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，手臂伸缩、手臂摆动、手爪升降、手爪
26、松紧。图1.3.4 气动机械手实物图1-摆动气缸 2-限位器 3-气动爪手 4-爪手闭合检测磁性开关 5-提升气缸 6-提升检测磁性开关 7-单向节流阀 8-伸缩气缸 9-伸缩检测磁性开关 10-左右限位传感器 11-缓冲器 12-安装支架皮带输送与物料分拣机构 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、落料口物料检测传感器、皮带输送机、推料气缸、单向节流阀、磁性开关、光纤传感器、电感传感器、滑槽、三相异步电动机等构成，具体位置如图1.3.5所示。落料孔用于机械手搬动来的物料落料位置
27、定位；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上；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；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送机运行。电源模块单元 电源模块单元用于整个实训装置的供电和漏电、短
28、路保护，它主要由一个三相电源总开关（带漏电和短路保护），3个熔断器和2个单相电源插座构成。单向电源插座用于向按钮模块单元和PLC模块单元供电，电源模块上的5个安全插座可以向变频器模块单元供电。具体位置如图1-3-6所示。图1.3.5 皮带输送与物料分拣机构实物图1-磁性开关 2-皮带输送机 3-物料检测传感器 4-落料口5-滑槽 6-电感传感器 7-光纤传感器 8-调压阀与过滤器 9-单向节流阀 10-三相异步电动机 11-光纤放大器 12-推料气缸图1.3.6 电源模块单元和按钮模块单元实物图按钮模块单元 按钮模块单元用于向PLC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
29、过内置的开关电源向实训装置中传感器、直流电机、电磁阀、PLC提供24V直流电源。它主要由一组24V/6A和12V/2A 插孔、急停按钮（1个）、转换开关（2个），蜂鸣器（1个），黄、绿、红自复位按钮（各1只），黄、绿、红自锁按钮（各1只）以及黄、绿、红 指示灯黄、绿、红（各2只）构成。具体位置如图1.3.6所示。PLC模块单元 PLC模块单元为实训装置控制核心，装置所有按钮信号、传感器信号均要通过其面板上的输入信号插线孔送给PLC；PLC发出的所有控制信号均通过输出信号插线孔送给直流电机、电磁阀、变频器或指示元件。PLC模块单元所有接口采用安全插连接。它由1个可编程控制器（型号可选），电源开关
30、，220V插座构成，具体位置如图1.3.7所示。变频器模块单元 变频器模块单元用于接受PLC的控制信号，驱动皮带输送机按要求完成物料输送动作，也可以根据要求产生输出信号用于指示。该单元由1个变频器（型号可选），可调电位器和拨动开关构成，具体位置如图1.3.7所示。图1.3.7 PLC模块单元和变频器模块单元实物图工作过程如下：由物料传送机构、气动机械手、皮带输送机和物料分拣机构构成的YL235A光机电一体实训装置的工作过程如图1.3.8所示。按下启动按扭（在触摸屏上或按钮单元模快上）后，实训装置在PLC控制上启动物料传送机构中的直流电机开始送料。电机驱动放料盘旋转，物料由送料盘在拨料杆的作用下
31、送至物料检测位置，当物料检测光电传感器检测到有从转盘中送来的物料，则直流电机停止工作，气动机械手开始搬运工作；如果在指定时间内物料检测光电传感器没有检测到物料，则说明送料机构已无物料或发生故障，则系统在PLC控制下停机报警。当物料检测传感器检测到物料时，机械手手臂伸出，手爪下降抓物，然后手爪提升臂缩回，并向右旋转到右限位。到达右限位后，手臂再次伸出，手爪下降将物料放入皮带输送机的落料口后上升缩回并返回左限位。皮带输送机落料口的物料检测传感器检测到机械手搬运来的物料后，变频器在PLC控制下启动电动机工作使传送带输送物料；电感传感器和光纤传感器在物料通过其下方对物料的材质和颜色进行检测，区分出金属、白色塑料和黑色塑料物料，它们发出的信号通过PLC 控制相应电磁换向阀工作，使推料气缸动作将不同材质的物料推入指定滑槽。图1.3.8YL-235A实训装置工作过程示意图