机电一体化是在微型计算机为代表的微电子技术.ppt

1、第一章 引 论,1.1.1 引言 机电一体化是在微型计算机为代表的微电子技术、信息技术迅速发展，向机械上业领 域迅猛渗透，机械电子技术深度结合的现代工业的基础上，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，从系统的观点出发，根据系统功能目标和优化组织结构目标，以智能、动力、结 构、运动和感知组成要素为基础，对各组成要素及其间的信息处理、接口平台、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 微电子电路的有序信息流控制下，形成物质和能量的有规则运动，在高功能、高质量、高精 度

2、、高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值系统I程技术。 “机电一体化”根源于“Meckantronics”，它是一个新兴的边缘学科，国内外处于发展阶 段，代表着机械工业技术革命的前沿方向。 进入20世纪60年代以来，大批逐步形成的高技术群体，如微电子技术、信息技术、 自动化技术、生物技术、,第一章 引 论,新材料技术、新能源技术、空间技术、海洋开发技术、激光与红外技 术、光纤通信技术等等，已经且继续向经济、军事和社会生活的各个领域渗透，以空前的规 模向现实生产迅速转化。 高新技术向产业转移，推动生产力的革命性发展，对人类社会的经济、政治结构。对国 家、民族的命运和前途，对企业

3、的生存兴衰具有决定性的作用。 微电子技术及信息技术是这次新技术革命的主导。 微电子技术直接推动微型计算机的急剧发展o 1990年11月，日本日立公司宣称，它 已经研制成功世界上最快的神经网络计算机，运算速度仅23亿分之一秒，微型计算机几 乎以每3年更换一代的速度发展。微电子技术和微型计算机技术带动整个高新技术群体 飞速发展，迅速转化为巨大的经济效益。事实上，高技术竞争和突破正在创造着新的生产 方式和经济秩序，新技术革命打开了所有国家的大门，现代经济日益表现出强烈的世界经 济特征，国家和企业受到世界经济形势的严重影响，高新技术渗透到传统产业，引起传统 产业的深刻改变。机电一体化正是在这场新技术革

4、命中,第一章 引 论,产生的新兴领域。微电子技术、 微型计算机使信息与智能机械装置 与动力设备有机结合，使得产品结构和生产系统发 生了质的飞跃。 机电一体化产品的功能，除了精度、动力、快速性外，更需要自动 化、柔性 化、信息化、智能化，逐步实现自适应、自控制、自组织 、自管理，向智能化过渡。因此，机电 一体化产品或设备机械类模 块，电脑类模块、电子类模块、电力电子类模块等集成融合成 一体 化。从典型的机电一体化产品来看，如数控机床、加工中心、机器 人以至战斗机等，都无一不包含这些模块的集成与融合。可以预料，在数控机床、机器人、汽车电子 化、微型机械、录像机SMT设备、现代制造系统等产品及领域。

5、机电一体化技术将得到更 加蓬勃的发展。,第一章 引 论,1.1.2 机电一体化系统的基本组成要素一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素： 机械本体、动力与驱动部 分、执行机构、传感测试部分、控制及信 息处理部分。我们将这些部分归纳为：结构组成要 素、动力组成要 素、运动组成要素、感知组成要素、智能组成要素；这些组成要素 内部及其 之间，通过接口耦合、运动传递、物质流动、信息控制、 能量转换有机融合集成一个完整系 统。1机械本体 系统所有功能元素的机械支持结构，包括机身、框架、联接等。由于机电一体化产品 技术性能、水平和功能的提高，机械本体要在机械结构、材料、加工工艺性以及几何尺寸等

6、 方面适应产品高效、多功能、可靠和节能、小型、轻量、美观等要求。,第一章 引 论,2动力部分 按照系统控制要求，为系统提供能量和 动力使系统正常运行。用尽可能小的动力输 入获得尽可 能大的功能输出，是机电一体化产品的显著特征之一。驱动部分在控制信息作用下，提供动力、驱动各执行机 构完成各种动作和功能。机电 一体化系统一方面要求驱 动的高效率和快速响应特件同时要求对水、油、温度、 尘埃等外 部环境的适应性和可靠性。由于几何尺寸上的 限制，动作范围狭窄，还需考虑维修和实行 标准化。由 于电力电子技术的高度发展，高性能少进驱动、直流和交 流伺服驱动大量应用 于机电一体系统。 3测试传感部分 对系统运

7、行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，变成可识别信 号，,第一章 引 论,传输到信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制 信息。其功能一般由专门的 传感器和仪器仪表完成。 4执行机构 根据控制信息和指令，完成要求的动作。 执行机构是运动部件，一般采用机械、电磁、 电液等机 构。根据机电一体化系统的匹配性要求，需要考虑改善性 能，如提高刚性，减轻 重量，实现组件化、标准化和系 列化，提高系统整体可靠性等。5控制及信息单元 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，按照一定的程序和节奏发出相应的指令控制整个 系统有目的地运行。 一般采

8、用计 算机、可编程控制器,第一章 引 论,(PLC)、数控装置以及逻辑电路AD与DA转换、 IO(输入输出)接 口和计算机外部设备等组成。机电一体化系统对控制和信息处理单元的基本要求是：提 高信息处理速度，提高可靠性，增强抗干扰能力以及完善系统自诊断功能，实现信息处理 智能化相小型、轻量、标胖化等。 二、机电一体化的内涵 机电一体化一般包括技术和产品两个部分，从技术构 考虑，机电一体化主要包括五种技术。这就是：机械技 术；微电子技术；计算机技 术；自动控制技术； 电工技术。,第一章 引 论,检测,机电一体化的五大功能,运转,驱动,结构,控制,第一章 引 论,动力,执行机构,传感器,计算机,机械

9、结构,机电一体化的五大要素,第一章 引 论,三、机电一体化的相关技术机电一体化包括软件和硬件两方面技术。硬件是由机械本体、传感器、信息处理单元和驱动单元等部分组成。因此，为加速推进机电一休化的发展，必须从以下几方面着手。,(一)机械本体机械本体必须从改善性能、减轻重量和提高精度等几方面考虑。1减轻重量 现代机械产品一般都是采用钢铁材料为主制造的。为了减轻重量，除了在结构上加以改进外，主要应考虑利用非金属复合材料。只有机械本体减轻了重量，,第一章 引 论,才有可能实现驱动系统的小型化，在控制方面才能够改善快速响应 特性、减少消耗能量、提高效率。2提高刚度 包括静态刚度、动态刚度以及导向面、配合面

10、的刚 度问题，必须全面考虑。要保证在减轻重量的情况下，不降低刚度。3实现通用化、标准化和系列化 从改进组合单元结构设计和进 行性能分析入手，使零部件具有互换性，并提高使用和维修水平。 如在机械加工中，采用组合夹具、可调夹具等。4提高系统整体的可靠性 因为机电一体化产品不是普通的单一 产品，它构成个系统。 处出现故障，会造成整个系统停止运 行。因此必须形成维修和保养方便、出现问题时易于寻找故障部位 的系统。仅从机械方面来讲，开展可靠性设计及普及该项技术的应用； 加强对机电产品基础元器件的失效分析研究；并在提高元器件,第一章 引 论,可靠性水平的同时，开展对整机系统可靠性的研究。机电一体化 产品的

11、设计从静强度设计到动强度设计，同时采则损伤容限设计、 动力优化设计、摩擦学设计、防蚀设计、低噪声设计等。,(二) 传感技术根据用途可以分为检测自身内部信息的传感器和检测对象 的外部传感器。检测装置由检测、转换、指示、信息处理、记 录等部分组成。传感信息的方式有：光、电、流体、机械等。 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。此外，还有加工前、加工中、加工后检测等系 统化的问题，以及模拟系统、数字系统(包括混合系统)等统一化 的问题等。传感器的问题集中在提高可靠性、提高灵敏度和精确度方。 提高可靠性与防干扰有直接的关系。为了避免电子干扰，目前,第一章 引 论,有采用

12、光纤电缆传感器的趋势，对外部信息传感器来说，目前 发展非接触型检测技术。传感器向高级化发展，主要是实现元件化和智能化。所谓功能 元件，就是用一片集成电路实现传感器和信息处理一体化。进一 步建立起可以互换的传感器功能模块系列，建成传感器群的分级 结构。智能化就是发展具有自诊断、自修正功能的传感器，,(三)信息处理技术信息处理设备包括计算机主机或可编程控制器及与其配套的输 入输出设备、显示器和外部存储(磁盘等)。机电体化是与微电子 学的显著进步、信息处理设备(特别是微型计算机)的普及应用分不 开的。为进一步发展机电体化，必须提高信息处理设备的可靠性， 包括模数转换设备的可靠性和分时处理时输入输出可

13、靠性，提高,第一章 引 论,处理速度，并解决抗干扰及标准化问题。在研制小型、大容量、高速处理计算机同时还需要开发高速， 小功率运算部件。实现复杂的多信息联机处理，使硬件快速动作， 则主要依赖于信息处理部分的高速处理功能。,(四)驱动技术驱动方式按动力源的不同可分成：液压、气动、电动三种。前 两种驱动系统比较复杂，包括泵、阀、液压缸(气缸)、过滤器、管 径等。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。电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面还存在一些问题。目前正在积极发展内装有编码器的电机，以及控制专用组们：传感器电机三位一体的伺服驱动单元。,第一章 引 论,

14、(五)接口技术将组成机电一体化产品各部分连接起来的元件就是接口。如在 机械设备与微型机的连接中，由于机械动作相对微型机工作速度是 极其缓慢，微型机输出的信号是以并行方式传递脉冲数字代码，输 入的信号足以数字脉冲形式，而机械设备所接受的电流或电平形式 的信号， 以及传感器从机械设备所检测并反馈给微型机的信号，都 与微型机输出和输入信号存在很大的差别；这都要求解决两者间的 接口电路。接口电路要完成两个作用，其一是信息交换，指 的是 工作速度快的计算机与工作速度慢的外围设备之间进行信息交换时 所需要的接口。另一种接口是指电平转换电路，指的是同类型元器 件之间进行连接时所需要的接口。接口采用同一标准规

15、格，不仅给信息传递和维修带来方便，,第一章 引 论,而且可以简化设计。采用通用接口可使成本下降，起码的要求是输 入/输出接口要标准化。为了与计算机连接，必须使数据传送的格式 标准化、规格化。目前正致力于发展低成本、高速中行接口，解决信号电缆非接 触化，光导纤维以及光耦器的大容量化、小型化、标准化等问题。,(六)软件技术软件与硬件必须协调一致地发展。为了减少软件的研制成本， 提高生产维修的效率，要逐步推行软件标准化，包括：子程序标准 化，程序模块化，软件程序的固化，推行软件上程等。此外，数据库的建立，作业描述语言的开发，语言理解、文字,第一章 引 论,理解等软件问题，也是机电体化中应予关注的问题

16、。,第三节 机电一体化的发展前景,一、机械技术发展的总趋势关于机械技术的发展，可以概括四个阶段。在这四个阶段中分 别赋予机械不同的功能。进入机电一体化阶段，就是使机械技术智 能化，更好地代替人进行各项工作。,第一阶段 机构的发明 凸轮、齿轮、联轴节、轴承、传动带、螺钉、螺母等 作业功能 第二阶段 使作业机构动作的动力机械 水力、风力、蒸汽 动力、内燃机、电动机等 动力功能,第一章 引 论,第三阶段 自动控制技术的发明 传感器、伺服系统等 测定功能第四阶段 微电子学的发明 大规模集成电路、微型计 算机、各种接口等 智能功能,二、机电一体化技术的发展方向,研究机电一体化技术的先驱者波边茂先生在以“

17、机电一体化技 术的将来”为题所发去的特别讲演中，指出了以下七个方面的发展 方向：1)复合化；2)小型化和轻量化；3)高速化；4)移动化；5)智能 化；6)层次化和系统化；7)全盘化。,第一章 引 论,()复合化关于复合化，如在FMS基础上发展起来的FMC就是以这种复合 化概念作为系统设计的基本条件，并且可在同地点、同时处理加 工、装配、检测等两种以上的工作。通过这种复合处理，便可在同 空间内将工件的停留和搬运空间压缩到最低限度，以期实现多品 种小批量生产的自动化和高效率化，,(二)小型化和轻量化小型、轻量化是指与微细加工技术相类似的一种表现。由于引 进微电子技术，实现机电一体化，对提高机械的精

18、度和功能处十分 有利的。进步来说，将机械的重量减轻到与人体重量相称的水平，,第一章 引 论,乃是今后机电一体化技术发展的基本要求,(二)高速化高速化是现在所有技术开发的基本目标，在机电一体化领域中 尤为重要，妨碍机电一体化产品实现高速化的原因有电子方面的， 也有机械方面的，例如工业机器人就有动作速度低和粗笨等问题， 其原因是计算机控制系统的速度低，或者为避免机械系统发生松动 或摩擦等问题而不得不采用低速机械结构。,(四)移动化移动化足指机械本身的移动。从历史的角度来看，现有的运输,第一章 引 论,机械已是古老的技术。可从机械进化的意义来说，过去直被固 定的机械，今后通过移动也能提高效率。十几年

19、前就有“能移动的 机器人”问世，最近又有自动搬运车在机械制造厂中进行着工件、 刀具和机械组件等的自动搬运或自动交换。在交通运输工具方面， 有无人驾驶的车辆，但其运行控制或信息传输以及计算机控制系 统等，乃是由于电子学的发展才得以实现的。,(五)智能化智能化就是把人的智慧纳入机械之中，使之发挥更好的作用。 由于微型机的普及，才有 可能在大型计算机的终端。为了分散处 理其主机功能而设置智能终端。这个终端大概就是智 能化的先驱,第一章 引 论,者，它的基础便是大容量存储元件的小型化和低价格。由于集成电 路特别是专用集成电路的发展，智能化将越来越向高级发展。在人与机器对话方面，需要有人机接口。由于计算

20、机技术的发 展，出现了能代替人的五 官功能的电于机械。与此同时，由于图 象认别技术的发展，以及通过声音输入输出实现与机器的对话，或 者为人眼服务的物体认别及文字认别技术的进步，即将出现能代替 多数人劳动的机械。机械制造厂通过采用这种智能化的电子技术， 便可逐步实现了厂的自动化和无人化。,(六)层次化和系统化层次(分级)化，在计算机词汇中是经常使用的，其原意是指“根据,第一章 引 论,不同内容将对系统各要素发出的指令和进行的监督分为若十层次， 使管理和控制功能与这些层次相对应的系统”而言的。在一般情况 下，如果系统变大，为了使系统具有柔性而且能够迅速地运行，则 将系统分为若干层次使系统功能分散外

21、来，能进行较好的过渡而 安全地运转。把层次化系统联结起来则是软件。,(七)全盘化全盘化，原文叫“全际化”，是十几年前在研究开发方面被称之 为“学际化”(学科边际之意，常译为边缘科学)的广义扩展。所谓边 缘科学是介于两种以上学科之间并把这些学科 结合起来的一种科学 。即由不同领域的专家、学者联合起来解决某些复杂问题。,第一章 引 论,三、机电一体化技术对机械工业的影响,机械零部件向电子元器件的过渡和转化化，以及机械 零部件与电子元器件的有机结合，给机械(或最终产品)本 身带来一场革命。小型、轻量和高可靠性的机械必将大量 涌现出来。 通过功能的复合还会出现过去只有机械零部 件所无法满足的各种新功能

22、和新性能，大大提高了机械的 性能价格比，更好地满足用户需要。同时还将开辟电子化 的机械设备或产品的新市场。 在这种情况下，机械加工将会大幅度地减小，生产组 织和劳动组织也要作相应地调整或改进。伴随机械产品电 子化的进展，机械工业领域里必然会有电子机器制造厂参,第一章 引 论,加，它们之间的关系不仅是生产上的协作关系，而且是密 切结合甚至形成整体的关系。即在一个工厂或公司系统中 ，既制造机械产品又生产电子器件，乃至两者结合的机电 一体化产品，,四、机电一体化技术对机械产品的影响,机电一体化技术改变了机械产品的面貌，达到功能增多、体积 减小、重量减轻、可靠性提高、件能价格比改善等目的。机电一体 化

23、技术对机械产品带来的影响可以具体归纳为以下几个方面。,()提高性能、扩展功能,第一章 引 论,机电一体化赋予机械产品多种功能，例如过去某些精密机床利用机 械校正机构，只能校正机床的系统误差。今日的数控机床充分发挥 计算机的威力，运用时间序列分析和精度创成等理论建立数学模型 ，已有可能实时预报包括随机误差在内的机床误差，然后自动校正 ，从而达到前所未有的精度。采用对阻尼进行预报，一旦接近临界 值时就自动调整切削用量，这又可能出现永小颤振的机床，保证很 高的生产率和良好的加了表面。在过去常由不同的机床分别进行粗 、精加工，而今日的数控机床，既可进行大功率的重切削，又能进 行高精度的精加工，从而保证

24、了工序的高度集中。由于其高性能和 多功能，深刻地改变了传统机床的结构布局，冲破了传统机床按类 别的划分。,第一章 引 论,(二)简化结构由于采用微处理机和集成电路以及新型的传动技术，代替了原 有笨重的电气控制柜和驱动装置，使机电一体化的产品体积减小、 零部件少而结构简化。例如传统的电机产品是基于电磁原理而设计 的，而且是以单个的电机供货，需要用户自行解决电机调速、控制 等问题。机电一体化的电机产品，有的是用微电子、微机技术与电 机相结合而开发的产品；有的是以微电子、微机技术为主，取代了 大部分电机的功能，是电子新产品。例如：无换向器电机将电子控 制部件与传统的电机结合，取消了传统的换向电刷，简

25、化了结构， 从而大大提高了电机寿命，并缩小了体积。在电机中采用单片微处 理机，控制电机的功率因数，根据负荷情况调节电压，解决电机的 “大马拉小车”的问题，在空载时可 提高效率3040，满载时可 提高效率最高达10。欠量控制异步电机，采用微型机对交流异步,电机实现矢量控制，既可使异步电机具有直流电机一样的调节特性 ，又具有结构简单可靠，电机存量不受限制，转动惯量小、体积小 、效率高等一系列优点。如固态自整角机和同态旋转变压器，就是 将微电机与微处理机紧密扪结合的产品。它既有原有自整角机和旋 转变压罪的坚固可靠，又能以数字量信息输出，改变了原有的模拟 量输出，开发了新型的 SD、RD转换技术及装置

26、；数字式测速 电机，已由传统的电机结构，改变为以直接提供数字信息的电机电 子组件为主的电子结构，可直接与计算机及各类数字控制系统相连 接。,(三)提高可靠性在提高电子元件质量、可靠性的前提下，机电一体化产品可以,第一章 引 论,第一章 引 论,提高耐久性，减少故障率。另一方面由于赋予其自动监视诊断功能 ，并采取安全联锁控制，过负荷和失控保护、停电对策，提高了设 备的安全可靠性。在火电设备中，锅炉汽轮机的协调控制系统、汽轮机的电液调 节系统、自启停系统、安全保护系统等，在采用计算机后，不仪提 高了机组运行的灵活性和经济性，而且使机组保护 功能发展为具 有预报警测、自动保护的功能，使火电设备控制逐

27、步走向全自动控 制。输电系统的继电保护系统采用微机后，解决了回电流互感器饱 利而引起的保护误动作，使之具有电压差保护、失步检查、自动电 合闸功能，大型轧机多级计算机分散控制系统，解决了对大型、高,第一章 引 论,速、冷热轧机的多参数测量、控制和保证系统可靠性的问题。晶闸 管直流传动装置使用了微机以后实现了包括晶闸管触发、触发失 效，故障自诊断，自复原逻辑限流等一系列综合功能。因而，机电 一体化的产品大大地提高了原机械产品的可靠性和耐久性。,(四) 节约能源 机电休化的产品，可以节约材料、节约能源，例如目前我国 各类电风扇年产量在200万台左右，如每台电扇的调速器和定时器 (现常用电磁机械式)用

28、电子调速器和定时器代替，估计每个风扇可 节电5W以上，全年以用扇100天，每天开扇6h计，则每年可节约用 电量600万kWh，还可节省大批铜材和钢材：再如传统的电焊机以 电磁原理和手工操作为甚础，即使是一般的自动电焊机，其动作,第一章 引 论,过程也仅为简单的机械动作和相应的控制、这类电焊机耗能多、效 率低、质量不易保证。采用微型机技术后，发展新颖的电子控制电 源以取代传统的焊接电源，实现焊接电源的节能、高效，小型化、 多样化。,第一章 引 论,(五)操作改善产品采用计算机等控制后，由于具有数字显示、多种信息的高 度集中显示，减少了操作按钮及手柄，带有程序控制功能等，因而 可以改善设备的操作性能，减少操作人员的训练时间，以达到任何 人均可使用的简单程度。,