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1、第 一 章 機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 概 論吉林大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)科趙丁選 一 、 引 言n 新 技 術(shù) 革 命 ： 以 信 息 技 術(shù) 為 中 心 ， 提 高 工 作 效率 為 目 標(biāo) 。n 信 息 技 術(shù) 三 大 支 柱 ， 即 ： 測 量 與 控 制 技 術(shù) 、 計(jì)算 機(jī) 技 術(shù) 、 通 信 技 術(shù) 。n 在 這 種 新 技 術(shù) 革 命 的 影 響 和 沖 擊 下 ， 使 機(jī) 電 工業(yè) 發(fā) 生 了 極 大 變 化 。n 定 義 ： 機(jī) 械 技 術(shù) 與 微 電 子 技 術(shù) 、 信 息 技 術(shù) 相 結(jié)合 ， 通 稱 機(jī) 電 一 體 化 。 n 例 ： 機(jī) 床 ， 純 機(jī) 械 時 ， 其
2、加 工 精 度 、 加工 能 力 較 低 ， 數(shù) 控 機(jī) 床 后 ， 使 其 功 能 增強(qiáng) 、 性 能 提 高 ， 而 且 成 為 可 以 代 替 人 工操 作 的 自 動 化 機(jī) 床 。n 微 電 子 技 術(shù) 與 信 息 技 術(shù) 的 引 入 ， 將 使 機(jī)械 工 業(yè) 煥 發(fā) 青 春n 機(jī) 械 向 機(jī) 電 一 體 化 方 向 發(fā) 展 ， 不 但 是 機(jī)械 本 身 的 需 要 ， 而 且 是 現(xiàn) 代 化 生 產(chǎn) 裝 備向 大 型 化 、 高 效 化 方 向 發(fā) 展 的 客 觀 需 要 。n 機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 是 保 證 科 學(xué) 操 作 和 科 學(xué)管 理 的 有 效 工 具 。 二 、
3、發(fā) 展 史n 六 十 年 代 ， 日 本 通 產(chǎn) 省 為 擴(kuò) 大 機(jī) 械 功 能 ， 在 機(jī)械 上 采 用 電 氣 和 電 子 技 術(shù) ， 曾 結(jié) 合 數(shù) 控 機(jī) 床 做過 不 少 實(shí) 驗(yàn) ， 但 末 能 獲 得 成 功 。n 七 十 年 代 ， 微 電 子 技 術(shù) 成 熟 ， 微 機(jī) 商 品 化 ， 大規(guī) 模 集 成 電 路 問 世 ， 構(gòu) 成 微 機(jī) 的 基 本 單 元 CPU、ROM、 RAM和 接 口 電 路 已 經(jīng) 模 塊 化 ， 自 己 制 造 計(jì) 算 機(jī) 成 為 可 能 。 機(jī) 電 一 體 化 得 以 現(xiàn) 實(shí) 。n 71年 ， 日 刊 工 業(yè) 新 聞 社 發(fā) 行 機(jī) 電 一 體
4、化 入 門 和 機(jī) 電 一 體 化 月 刊 ， 專 門 刊 載 機(jī) 電 一 體 化的 新 產(chǎn) 品 。 n 76年 ， 機(jī) 電 一 體 化 正 式 名 字 (英 文 名 字 是 Mechatronics， 是 由 Mechanism的 前 半 部 和 Electronics后 半 部 縮 合 而 成 )， 我國 現(xiàn) 譯 為 機(jī) 電 一 體 化 。n 71到 78年 日 本 政 府 頒 發(fā) 機(jī) 電 法 和 機(jī) 信 法 ，對 機(jī) 電 一 體 化 的 發(fā) 展 起 到 積 極 推 動 作 用 ， 這 個時 期 稱 之 為 萌 芽 時 期 。n 八 十 年 代 ， 在 機(jī) 信 法 指 導(dǎo) 下 ， 機(jī) 電
5、一 體 化 的產(chǎn) 品 如 雨 后 春 筍 不 斷 涌 現(xiàn) ， 這 個 時 期 可 稱 之 為成 長 時 期 。n 九 十 年 代 ， 集 成 度 提 高 ， 價 格 下 降 ， 機(jī) 電 一 體化 技 術(shù) 在 世 界 范 圍 內(nèi) 得 到 迅 猛 發(fā) 展 ， 機(jī) 電 一 體化 技 術(shù) 遍 及 社 會 各 個 領(lǐng) 域 。 全 盛 時 期 開 始 。 三 、 現(xiàn) 狀n 我 國 ， 目 前 機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 還 相 當(dāng) 落 后 ， 機(jī)械 系 統(tǒng) 有 萬 個 品 種 ， 約 有 萬 個 品 種 需 要 實(shí)現(xiàn) 程 度 不 同 的 機(jī) 電 一 體 化 。 但 是 從 目 前 生 產(chǎn) 的機(jī) 電 產(chǎn) 品
6、 來 看 ， 實(shí) 現(xiàn) 機(jī) 電 一 體 化 的 還 比 較 少 。n 例 如 ： 國 內(nèi) 數(shù) 控 機(jī) 床 在 機(jī) 床 中 總 擁 有 量 較 少 ，國 外 數(shù) 控 機(jī) 床 已 占 機(jī) 床 總 擁 有 量 的 3080 ；國 內(nèi) 柔 性 制 造 系 統(tǒng) 、 工 業(yè) 機(jī) 器 人 等 還 處 于 研 制階 段 。 3.1 國 內(nèi) 情 況 n 國 外 大 型 電 站 大 都 已 實(shí) 現(xiàn) 計(jì) 算 機(jī) 控 制 ， 汽 車 工業(yè) 已 大 量 應(yīng) 用 微 機(jī) 點(diǎn) 火 控 制 、 安 全 報(bào) 警 、 制 動控 制 等 ， 在 這 些 方 面 我 國 還 有 較 大 差 距 ， 甚 至近 于 空 白 。n 其 它
7、如 家 用 電 器 、 電 子 醫(yī) 療 機(jī) 械 、 電 氣 傳 動 調(diào)速 系 統(tǒng) 、 低 壓 電 器 、 印 刷 機(jī) 械 、 照 相 機(jī) 械 等 ，國 外 已 普 遍 實(shí) 現(xiàn) 了 機(jī) 電 一 體 化 ， 我 國 大 多 還 處于 起 步 階 段 。n 國 此 在 我 國 機(jī) 電 產(chǎn) 品 中 實(shí) 現(xiàn) 機(jī) 電 一 體 化 ， 大 力推 廣 機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) ， 是 我 國 四 化 建 設(shè) 中 的 一個 重 要 課 題 ， 是 振 興 我 國 機(jī) 電 工 業(yè) 的 一 項(xiàng) 戰(zhàn) 略決 策 。 3.2 產(chǎn) 品 范 圍n 在 新 技 術(shù) 革 命 的 浪 潮 中 ， 自 動 化 技 術(shù) 已 深 入
8、到社 會 的 各 個 方 面 ， 有 人 稱 之 為 全 盤 自 動 化 。n 在 這 些 自 動 化 的 系 統(tǒng) 中 ， 主 要 是 由 很 多 種 機(jī) 電一 體 化 產(chǎn) 品 所 構(gòu) 成 。n 從 我 國 將 要 發(fā) 展 的 機(jī) 械 工 業(yè) 產(chǎn) 品 來 分 析 主 要 由以 下 產(chǎn) 品 需 要 實(shí) 現(xiàn) 程 度 不 同 的 機(jī) 電 一 體 化 。n 具 體 地 說 ， 包 括 : 1._大 型 成 套 設(shè) 備2._數(shù) 控 機(jī) 床3._儀 器 儀 表 電 子 化4._自 動 化 管 理 系 統(tǒng)5._電 子 化 量 具 量 儀6._工 業(yè) 機(jī) 器 人7._電 子 化 家 用 電 器8._電 子 化
9、 電 機(jī) 傳 動 與 調(diào) 整 系 統(tǒng)9._電 子 化 電 站 自 動 裝 置 與 開 關(guān) 板10._電 子 醫(yī) 療 器 械11._電 子 化 低 壓 電 器12._微 電 腦 控 制 加 熱 爐 13._電 子 控 制 汽 車 或 內(nèi) 燃 機(jī)14._微 電 腦 控 制 印 刷 機(jī) 械15._微 電 腦 控 制 食 品 機(jī) 械 或 包 裝 機(jī) 械16._微 電 腦 控 制 辦 公 機(jī) 械17._電 子 式 照 相 機(jī)18._電 子 控 制 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械19._電 子 控 制 塑 料 加 工 機(jī) 械20._電 子 控 制 電 焊 機(jī)21._計(jì) 算 機(jī) 輔 助 設(shè) 計(jì) 系 統(tǒng) (CAD)22._計(jì)
10、 算 機(jī) 輔 助 制 造 系 統(tǒng) (CAM)23._計(jì) 算 機(jī) 集 成 制 造 系 統(tǒng) (CIM) 四 、 幾 個 技 術(shù) 問 題1.機(jī)械與電子的溶合方式2.機(jī)械電子的技術(shù)構(gòu)成3.機(jī)電一體化的效果 1、 機(jī) 械 與 電 子 的 溶 合 方 式1. 在 機(jī) 械 本 體 上 采 用 電 子 控 制 設(shè) 備 實(shí) 現(xiàn) 高 性 能和 多 功 能 。 如 數(shù) 控 機(jī) 床2. 用 電 子 技 術(shù) 部 分 地 代 替 原 來 由 機(jī) 械 組 成 的 控制 部 分 ， 機(jī) 械 技 術(shù) 與 電 子 技 術(shù) 最 佳 結(jié) 合 。 如電 子 照 相 機(jī)3. 以 電 子 技 術(shù) 幾 乎 全 部 代 替 機(jī) 械 式 的 信
11、 息 處 理機(jī) 構(gòu) ， 例 如 ： 電 子 表 、 按 扭 式 電 話 機(jī) 。4. 機(jī) 械 部 分 比 較 簡 單 ， 以 電 子 部 分 開 發(fā) 為 主 的電 子 與 機(jī) 械 共 存 的 產(chǎn) 品 ， 使 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 大 為 簡化 。 如 復(fù) 印 機(jī) 械 等 。 2、 機(jī) 械 電 子 的 技 術(shù) 構(gòu) 成n機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成可以由右圖形象地表示出來。n廣義構(gòu)成：硬件與軟件n硬件：機(jī)械本體、傳感器、信息處理單元和驅(qū)動單元傳感器執(zhí)行機(jī)構(gòu)動力人機(jī)交互設(shè)備計(jì)算機(jī) A、 機(jī) 械 本 體n 為 了 發(fā) 揮 機(jī) 電 一 體 化 的 特 長 ， 機(jī) 械 本 體必 須 改 善 性 能 、 減 輕 重 量 和
12、 提 高 精 度 。(1)減 輕 重 量(2)提 高 剛 性(3)實(shí) 現(xiàn) 組 件 化 、 標(biāo) 準(zhǔn) 化 和 系 列 化 (4)提 高 系 統(tǒng) 整 體 的 可 靠 性 B、 傳 感 器n 分 類 ： 檢 測 自 身 內(nèi) 部 信 息 傳 感 器 、 檢 測 對 象 的外 部 信 息 傳 感 器 。 模 擬 系 統(tǒng) 、 數(shù) 字 系 統(tǒng) （ 包 括混 合 系 統(tǒng) ） 等 。n 組 成 ： 由 檢 測 、 轉(zhuǎn) 換 、 指 示 、 信 息 處 理 、 記 錄等 部 分 組 成 。n 傳 感 信 息 方 式 有 ： 光 、 電 、 流 體 、 機(jī) 械 等 。n 評 價 指 標(biāo) 有 ： 功 能 、 范 圍 、
13、靈 敏 度 、 分 辨 率 、耐 環(huán) 境 性 、 抗 干 擾 性 、 可 靠 性 等 。 n 傳 感 器 的 問 題 ： 集 中 在 提 高 可 靠 性 ， 靈 敏 度 和精 確 性 方 面 。 提 高 可 靠 性 與 抗 干 擾 有 直 接 關(guān) 系 。 為 了 避 免 干 擾 ， 目 前 有 采 用 光 纖 電 纜 傳 感的 趨 勢 。 對 外 部 信 息 傳 感 器 來 說 ， 目 前 發(fā) 展 非 接 觸型 檢 測 技 術(shù) 。n 傳 感 器 向 高 級 方 向 發(fā) 展 ， 主 要 實(shí) 現(xiàn) 功 能 元 件 化和 智 能 化 。 所 謂 功 能 元 件 化 ， 就 是 用 一 片 集 成 電
14、路 功能 元 件 ， 實(shí) 現(xiàn) 傳 感 與 信 息 處 理 一 體 化 。 智 能 化 就 是 發(fā) 展 具 有 自 修 功 能 的 傳 感 器 。 C、 信 息 處 理 技 術(shù)n 信 息 處 理 設(shè) 備 ： 包 括 計(jì) 算 機(jī) 主 機(jī) 或 可 編程 控 制 器 及 其 配 套 輸 入 輸 出 設(shè) 備 、 顯 示器 和 外 部 存 儲 器 。n 存 在 問 題 ： 重 量 、 處 理 速 度 、 可 靠 性 、抗 干 擾 及 標(biāo) 準(zhǔn) 化 。 D、 驅(qū) 動 技 術(shù)n 動 力 源 ： 液 壓 、 氣 動 、 電 動 三 種n 前 兩 種 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 比 較 復(fù) 雜 。 包 括 ： 泵 、 閥 、
15、油缸 （ 氣 缸 ） 、 過 濾 器 、 管 路 等 。 目 前 存 在 著 功能 、 可 靠 性 、 標(biāo) 準(zhǔn) 化 以 及 減 輕 重 量 、 減 小 體 積等 問 題 。n 電 動 機(jī) 作 為 驅(qū) 動 機(jī) 構(gòu) 已 被 廣 泛 采 用 ， 但 目 前 在快 速 響 應(yīng) 和 效 率 等 方 面 還 存 在 一 些 問 題 ， 不 能滿 足 要 求 。 今 后 有 待 于 研 制 內(nèi) 裝 編 碼 器 的 電 動機(jī) 以 及 控 制 專 用 組 件 、 傳 感 器 、 電 動 機(jī) 三 為 一體 的 伺 服 驅(qū) 動 單 元 。 E、 接 口 技 術(shù)n 定 義 ： 將 機(jī) 電 一 體 化 產(chǎn) 品 各 組
16、成 部 分 連接 起 來 的 元 件 就 是 接 口 。n 接 口 標(biāo) 準(zhǔn) 化 ： 不 僅 給 信 息 傳 送 和 維 修 上帶 來 方 便 ， 而 且 可 以 簡 化 設(shè) 計(jì) 。n 今 后 方 向 ： 研 制 成 本 低 、 高 速 串 行 接 口 ，解 決 信 號 電 纜 非 接 觸 化 ， 光 導(dǎo) 纖 維 以 及光 耦 合 器 的 大 容 量 化 、 小 型 化 、 標(biāo) 準(zhǔn) 化等 問 題 ， 積 極 引 進(jìn) 光 信 號 傳 輸 技 術(shù) 。 F、 軟 件 與 綜 合 技 術(shù)n 軟 件 與 硬 件 如 同 一 輛 車 子 的 兩 個 輪 子 ， 必 須 協(xié)調(diào) 一 致 地 發(fā) 展 ， 如 果
17、失 去 平 衡 車 子 就 無 法 前 進(jìn) 。n 軟 件 標(biāo) 準(zhǔn) 化 ： 減 少 研 制 成 本 ， 提 高 維 修 效 率 。包 括 ： 子 程 序 標(biāo) 準(zhǔn) 化 、 程 序 模 塊 化 、 軟 件 程 序的 固 化 等 。n 應(yīng) 予 以 關(guān) 注 的 的 問 題 ： 數(shù) 據(jù) 庫 的 建 立 ， 作 業(yè) 描述 語 言 的 開 發(fā) ， 語 言 理 解 、 文 字 理 解 軟 件 等 。 n 機(jī) 電 一 體 化 產(chǎn) 品 是 一 個 系 統(tǒng) ， 存 在 著 許多 綜 合 技 術(shù) 問 題 。 例 如 ：1. 由 機(jī) 械 傳 動 零 件 間 隙 造 成 的 精 度 問 題 ；2. 機(jī) 械 零 部 件 與
18、電 子 元 件 相 比 響 應(yīng) 速 度 慢的 問 題 ；3. 連 接 電 纜 與 接 線 柱 的 可 靠 性 問 題 ；4. 零 件 標(biāo) 準(zhǔn) 化 、 互 換 性 、 兼 容 性 以 及 檢 測自 動 化 等 問 題 。 3、 機(jī) 電 一 體 化 的 效 果n 機(jī) 電 一 體 化 的 效 果 ：1.功 能 增 多 ，2.體 積 減 少 ，3.重 量 減 輕 ，4.可 靠 性 提 高 ，5.性 能 價 格 比 大 大 改 善 。 A、 性 能 提 高 、 功 能 增 強(qiáng) 例 如 ， 過 去 精 密 機(jī) 床 采 用 的 是 機(jī) 械 校 正 ， 只 能校 正 機(jī) 床 的 系 統(tǒng) 誤 差 ， 現(xiàn) 在 數(shù)
19、 控 機(jī) 床 ， 可 克 服隨 機(jī) 誤 差 和 系 統(tǒng) 誤 差 ， 從 而 可 以 達(dá) 到 前 所 未 有的 高 精 度 。 調(diào) 整 切 削 阻 尼 ， 減 少 顫 振 ， 保 證 很 高 的 生 產(chǎn) 率與 很 高 的 加 工 表 面 光 潔 度 。 粗 加 工 與 精 加 工 工 序 集 成 ， 深 刻 地 改 變 了 傳 統(tǒng)機(jī) 床 的 結(jié) 構(gòu) 布 局 ， 沖 破 了 傳 統(tǒng) 的 機(jī) 床 按 類 別 的劃 分 。 B、 結(jié) 構(gòu) 簡 化n 因 采 用 微 處 理 機(jī) 、 集 成 電 路 、 新 型 傳 動 技 術(shù) ，代 替 電 氣 控 制 柜 和 傳 動 裝 置 ， 使 產(chǎn) 品 體 積 小 ，
20、零 部 件 數(shù) 量 減 小 ， 結(jié) 構(gòu) 簡 化 。 例 如 ：1. 傳 統(tǒng) 的 電 機(jī) 控 制 靠 用 戶 ， 而 實(shí) 現(xiàn) 機(jī) 電 一 體 化后 出 現(xiàn) 了 無 換 向 器 電 機(jī) ， 提 高 了 電 機(jī) 壽 命 ，縮 小 了 體 積 。2. “ 電 腦 ” 電 動 機(jī) 用 單 片 機(jī) 控 制 電 機(jī) 的 功 率 因素 ， 根 據(jù) 負(fù) 荷 情 況 調(diào) 節(jié) 施 加 的 電 壓 ， 從 而 解決 了 不 少 電 氣 傳 動 中 的 “ 大 馬 拉 小 車 ” 問 題 ，在 空 載 提 高 效 率 3040 ， 滿 載 提 高 10 。 3. 矢 量 控 制 異 步 電 動 機(jī) ， 采 用 微 型
21、計(jì) 算 機(jī)對 交 流 異 步 電 動 機(jī) 實(shí) 現(xiàn) 矢 量 控 制 ， 使 異步 電 機(jī) 既 具 有 直 流 電 機(jī) 一 樣 的 調(diào) 節(jié) 特 性 ，而 且 還 具 有 結(jié) 構(gòu) 簡 單 、 可 靠 、 電 機(jī) 容 量不 受 限 制 、 機(jī) 械 慣 性 小 、 體 積 小 、 效 率高 等 優(yōu) 點(diǎn) 。 C、 可 靠 性 提 高 性n 在 電 子 元 件 質(zhì) 量 可 靠 性 高 的 前 提 下 ， 機(jī)電 一 體 化 可 以 改 善 耐 久 性 ， 減 少 故 障 。n 機(jī) 電 一 體 化 產(chǎn) 品 具 有 自 動 監(jiān) 視 診 斷 、 安全 聯(lián) 鎖 控 制 、 過 負(fù) 荷 及 失 控 保 護(hù) 、 停 電對
22、 策 等 ， 提 高 了 安 全 可 靠 性 D、 節(jié) 約 能 源n 機(jī) 電 一 體 化 的 產(chǎn) 品 ， 可 以 節(jié) 約 材 料 、 節(jié)約 能 源 。 例 如 ：n 我 國 目 前 各 類 電 風(fēng) 扇 的 調(diào) 整 器 為 電 磁 機(jī)械 式 ， 如 果 用 電 子 式 調(diào) 整 器 每 年 全 國 可節(jié) 約 電 600萬 度 ；n 汽 油 機(jī) 電 子 點(diǎn) 火 ；n 液 壓 挖 掘 機(jī) 電 子 節(jié) 能 。 E、 改 善 操 作n 機(jī) 電 一 體 化 產(chǎn) 品 采 用 計(jì) 算 機(jī) 控 制 ， 具 有數(shù) 字 顯 示 ， 減 少 了 操 作 按 扭 及 手 柄 ， 具有 程 序 控 制 等 功 能 ， 因
23、而 可 以 改 善 設(shè) 備操 作 性 能 ， 減 少 訓(xùn) 練 操 作 人 員 時 間 。 F、 提 高 靈 活 性 （ 柔 性 ）n 機(jī) 電 一 體 化 產(chǎn) 品 具 有 更 大 的 靈 活 性 ， 可以 適 應(yīng) 用 戶 多 樣 化 的 要 求 ， 是 當(dāng) 代 新 技術(shù) 革 命 的 一 大 趨 向 。n 例 如 ， 柔 性 制 造 系 統(tǒng) ， 和 工 業(yè) 機(jī) 器 人 對于 多 品 種 小 批 量 生 產(chǎn) 特 別 能 發(fā) 揮 它 的 優(yōu)越 性 。 五、先進(jìn)械電系統(tǒng)舉例n 觀 看 錄 相 片 ：1. 救 火 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) （ PAL， 5分 鐘 ）2. 機(jī) 器 人 足 球 （ NTSC ， 45分 鐘 ）3. 具 有 臨 場 感 提 示 的 遠(yuǎn) 距 離 操 縱 工 程機(jī) 器 人 系 統(tǒng) （ NTSC ， 15分 鐘 ） 思 考 題1. 什 么 是 機(jī) 電 一 體 化 ？ 以 打 夯 機(jī) 為 例 ， 內(nèi) 含機(jī) 械 與 電 氣 ， 問 這 是 不 是 機(jī) 電 一 體 化 產(chǎn) 品 ？2. 機(jī) 電 一 體 化 產(chǎn) 品 由 哪 五 部 分 構(gòu) 成 ？3. 機(jī) 電 一 體 化 的 技 術(shù) 構(gòu) 成 是 什 么 ？4. 機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 中 ， 機(jī) 與 電 有 幾 種 溶 合 方 式 ？5. 產(chǎn) 品 實(shí) 現(xiàn) 機(jī) 電 一 體 化 后 ， 可 以 取 得 哪 些 成 效 ？
機(jī)電一體化講議
