機電一體化技術 第一章概論 1 1機電一體化基本概念1 2機電一體化發(fā)展概況1 3機電一體化系統(tǒng)的構成1 4機電一體化共性關鍵技術1 5機電一體化系統(tǒng)設計1 6機電一體化對機械工業(yè)的影響1 7機電一體化的發(fā)展 1 1基本概念 機電一體化技術 從系統(tǒng)的觀點出發(fā) 將機械技術 微電子技術 信息技術 控制技術等在系統(tǒng)工程基礎上有機地加以綜合 以實現(xiàn)整個系統(tǒng)最佳化的一門新科學技術 機電一體化不是機械與電子簡單的疊加 而是在信息論 控制論和系統(tǒng)論的基礎上建立起來的應用技術 機電一體化一般包含機電一體化產(chǎn)品 系統(tǒng) 和機電一體化技術兩層含義 典型的機電一體化產(chǎn)品 系統(tǒng) 有 數(shù)控機床 機器人 汽車電子化產(chǎn)品 智能化儀器儀表 電子排版印刷系統(tǒng) CAD CAM系統(tǒng)等 機電一體化中包含的關鍵技術在第四節(jié)中詳細介紹 1 1基本概念 數(shù)控銑床 數(shù)控車床 焊接機器人 汽車防抱死系統(tǒng) ABS 1 2發(fā)展概況 1 20世紀60年代前為第一階段 萌芽階段 工程師們自覺或者不自覺地把機械產(chǎn)品和電子技術相結合 以提高機械產(chǎn)品的性能 但是由于電子技術的發(fā)展相對落后 使得機械與電子的結合還沒有得到廣泛的應用 2 70年代到80年代為第二階段 蓬勃發(fā)展階 計算機技術 控制技術 通信技術的發(fā)展 為機電一體化的發(fā)展奠定了技術基礎這個時期的特點是 mechatronics一詞首先在日本被普遍接受 大約到20世紀80年代末期在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認 機電一體化技術和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展 各國均開始對機電一體化技術和產(chǎn)品給以很大的關注和支持 3 90年代后期開始為第三階段 智能化階段 光學 通信技術等進入了機電一體化 微細加工技術也在機電一體化中嶄露頭腳 出現(xiàn)了光機電一體化和微機電一體化等新分支 對機電一體化系統(tǒng)的建模設計 分析和集成方法 機電一體化的學科體系和發(fā)展趨勢都進行了深入研究 由于人工智能技術 神經(jīng)網(wǎng)絡技術及光纖技術等領域取得的巨大進步 為機電一體化技術開辟了發(fā)展的廣闊天地 這些研究 將促使機電一體化進一步建立完整的基礎和逐漸形成完整的科學體系 1 2發(fā)展概況 1 數(shù)控機床的問世 寫下了 機電一體化 歷史的第一頁 2 微電子技術為 機電一體化 帶來勃勃生機 3 可編程序控制器 電力電子 等的發(fā)展為 機電一體化 提供了堅強基礎 4 激光技術 模糊技術 信息技術等新技術使 機電一體化 躍上新臺階 1 2發(fā)展概況 1 3機電一體化系統(tǒng)的構成 1 3機電一體化系統(tǒng)的構成 1 機械本體 機身 框架 機械聯(lián)接等產(chǎn)品支持機構 實現(xiàn)構造功能 要求 可靠 小型 美觀 2 能源 提供能量 轉(zhuǎn)換成需要的形式 實現(xiàn)動力功能 要求 效率高 可靠性好 1 3機電一體化系統(tǒng)的構成 3 檢測傳感裝置 檢測產(chǎn)品內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境 實現(xiàn)計測功能 要求 體積小 精度高 抗干擾 4 電子控制單元 處理 運算 決策 實現(xiàn)控制功能 要求 高可靠性 柔性 智能化 1 3機電一體化系統(tǒng)的構成 5 執(zhí)行機構 包括機械傳動與操作機構 接收控制信息 完成要求的動作 實現(xiàn)主功能 要求 高性能 高精度 高效率 1 3機電一體化系統(tǒng)的構成 1 4共性關鍵技術 1檢測傳感技術2信息處理技術3自動控制技術4伺服驅(qū)動技術5機械技術6系統(tǒng)總體技術 1 檢測傳感技術 作用 感受器官 反饋環(huán)節(jié) 研究對象 傳感器及其信號檢測裝置 即變送器 要求 能快速 精確地獲得信息并在相應的應用環(huán)境中具有高可靠性 1 4共性關鍵技術 2 信息處理技術 主要完成信息的交換 存取 運算 判斷和決策等 其主要工具是計算機 3 控制技術 關于軟件方面的技術 主要以控制理論為指導 對控制系統(tǒng)設計 仿真 現(xiàn)場調(diào)試 可靠運行等 1 4共性關鍵技術 4 伺服驅(qū)動技術 執(zhí)行元件種類 電動 液壓 氣壓 研究對象 執(zhí)行元件及其驅(qū)動裝置 驅(qū)動裝置 各種電動機的驅(qū)動電源電路 實現(xiàn)機電一體化產(chǎn)品的主功能和構造功能 影響系統(tǒng)的結構 重量 體積 剛性 可靠性等 5 機械技術 1 4共性關鍵技術 6 系統(tǒng)總體技術系統(tǒng)總體技術是一種從整體目標出發(fā) 用系統(tǒng)工程的觀點和方法 將系統(tǒng)各個功能模塊有機的結合起來 以實現(xiàn)整體最優(yōu) 其重要內(nèi)容為接口技術 接口包括電氣接口 機械接口 人機接口 1 4共性關鍵技術 1 5機電一體化系統(tǒng)設計 一 市場調(diào)研二 總體方案設計三 詳細設計四 樣機試制與試驗五 小批量生產(chǎn)六 大批量生產(chǎn) 一 市場調(diào)研 市場調(diào)研包括市場調(diào)查和市場預測 所謂市場調(diào)查就是運用科學的方法 系統(tǒng)地 全面地收集所設計產(chǎn)品市場需求和經(jīng)銷方面的情況和資料 分析研究產(chǎn)品在供需雙方之間進行轉(zhuǎn)移的狀況和趨勢 而市場預測就是在市場調(diào)查的基礎上 運用科學方法和手段 根據(jù)歷史資料和現(xiàn)狀 通過定性的經(jīng)驗分析或定量的科學計算 對市場未來的不確定因素和條件做出預計 測算和判斷 為產(chǎn)品的方案設計提供依據(jù) 1 5機電一體化系統(tǒng)設計 二 總體方案設計 1 產(chǎn)品方案構思產(chǎn)品方案構思完成后 以方案圖的形式將設計方案表達出來 方案圖應盡可能簡潔明了 反映機電一體化系統(tǒng)各組成部分的相互關系 同時應便于后面的修改 2 方案的評價對多種構思和多種方案進行篩選 選擇較好的可行方案進行分析組合和評價 從中再選幾個方案按照機電一體化系統(tǒng)設計評價原則和評價方法進行深入的綜合分析評價 最后確定實施方案 1 5機電一體化系統(tǒng)設計 三 詳細設計 詳細設計是根據(jù)綜合評價后確定的系統(tǒng)方案 從技術上將其細節(jié)逐層全部展開 直至完成產(chǎn)品樣機試制所需全部技術圖紙及文件的過程 1 5機電一體化系統(tǒng)設計 四 樣機試制與試驗 完成產(chǎn)品的詳細設計后 即可進入樣機試制與試驗階段 根據(jù)制造的成本和性能試驗的要求 一般制造幾臺樣機供試驗使用 樣機的試驗分為實驗室試驗和實際工況試驗 通過試驗考核樣機的各種性能指標是否滿足設計要求 考核樣機的可靠性 如果樣機的性能指標和可靠性不滿足設計要求 則要修改設計 重新制造樣機 重新試驗 如果樣機的性能指標和可靠性滿足設計要求 則進入產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)階段 1 5機電一體化系統(tǒng)設計 五 小批量生產(chǎn)產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)階段實際上是產(chǎn)品的試生產(chǎn)試銷售階段 這一階段的主要任務是跟蹤調(diào)查產(chǎn)品在市場上的情況 收集用戶意見 發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設計和制造方面存在的問題 并反饋給設計 制造和質(zhì)量控制部門 六 大批量生產(chǎn)經(jīng)過小批量試生產(chǎn)和試銷售的考核 排除產(chǎn)品設計和制造中存在的各種問題后 即可投入大批量生產(chǎn) 1 5機電一體化系統(tǒng)設計 1 6機電一體化對機械工業(yè)的影響 1提高性能 擴展功能今日的數(shù)控機床充分發(fā)揮計算機的威力 運用時間序列分析和精度創(chuàng)成等理論建立數(shù)學模型 已有可能實時預報包括隨機誤差在內(nèi)的機床誤差 然后自動校正 從而達到前所未有的精度 采用對阻尼進行預報 一旦接近臨界值時就自動調(diào)整切削用量 這又可能出現(xiàn)永不顫振的機床 保證很高的生產(chǎn)率和良好的加工表面 1 6機電一體化對機械工業(yè)的影響 2簡化結構 3提高可靠性在提高電子元件質(zhì)量 可靠性的前提下 機電一體化產(chǎn)品可以提高耐久性 減少故障率 另一方面由于賦予其自動監(jiān)視診斷功能 并采取安全聯(lián)鎖控制 過負荷和失控保護 停電對策 提高了設備的安全可靠性 1 6機電一體化對機械工業(yè)的影響 4節(jié)約能源例如目前我國各類電風扇年產(chǎn)量在200萬臺左右 如每臺電扇的調(diào)速器和定時器 現(xiàn)常用電磁機械式 用電子調(diào)速器和定時器代替 估計每臺風扇可節(jié)電5W以上 全年以用扇100天 每天開扇6h計 則每年可節(jié)約用電量600萬kW h 還可節(jié)省大批銅材和鋼材 再如傳統(tǒng)的電焊機以電磁原理和手工操作為基礎 即使是一般的自動電焊機 其動作過程也僅為簡單的機械動作和相應的控制 這類電焊機耗能多 效率低 質(zhì)量不易保證 采用微型機技術后 發(fā)展新穎的電子控制電源以取代傳統(tǒng)的焊接電源 實現(xiàn)焊接電源的節(jié)能 高效 小型化 多樣化 1 6機電一體化對機械工業(yè)的影響 5操作改善傳統(tǒng)的車削數(shù)控車削 1 6機電一體化對機械工業(yè)的影響 1 7機電一體化的發(fā)展趨勢 1智能化智能化是21世紀機電一體化技術發(fā)展的一個重要發(fā)展方向 人工智能在機電一體化建設者的研究日益得到重視 機器人與數(shù)控機床的智能化就是重要應用 這里所說的 智能化 是對機器行為的描述 是在控制理論的基礎上 吸收人工智能 運籌學 計算機科學 模糊數(shù)學 心理學 生理學和混沌動力學等新思想 新方法 模擬人類智能 使它具有判斷推理 邏輯思維 自主決策等能力 以求得到更高的控制目標 2模塊化由于機電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多 研制和開發(fā)具有標準機械接口 電氣接口 動力接口 環(huán)境接口的機電一體化產(chǎn)品單元是一項十分復雜但又是非常重要的事 這需要制定各項標準 以便各部件 單元的匹配和接口 由于利益沖突 近期很難制定國際或國內(nèi)這方面的標準 但可以通過組建一些大企業(yè)逐漸形成 顯然 從電氣產(chǎn)品的標準化 系列化帶來的好處可以肯定 無論是對生產(chǎn)標準機電一體化單元的企業(yè)還是對生產(chǎn)機電一體化產(chǎn)品的企業(yè) 規(guī)?；瘜⒔o機電一體化企業(yè)帶來美好的前程 1 7機電一體化的發(fā)展趨勢 3網(wǎng)絡化20世紀90年代 計算機技術等的突出成就是網(wǎng)絡技術 機電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來 只要其功能獨到 質(zhì)量可靠 很快就會暢銷全球 由于網(wǎng)絡的普及 基于網(wǎng)絡的各種遠程控制和監(jiān)視技術方興未艾 而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產(chǎn)品 因此 機電一體化產(chǎn)品無疑朝著網(wǎng)絡化方向發(fā)展 1 7機電一體化的發(fā)展趨勢 4微型化微型化興起于20世紀80年代末 指的是機電一體化向微型機器和微觀領域發(fā)展的趨勢 國外稱其為微電子機械系統(tǒng) MEMS 泛指幾何尺寸不超過1cm3的機電一體化產(chǎn)品 并向微米 納米級發(fā)展 微機電一體化產(chǎn)品體積小 耗能少 運動靈活 在生物醫(yī)療 軍事 信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢 微機電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機械技術 微機電一體化產(chǎn)品的加工采用精細加工技術 即超精密技術 它包括光刻技術和蝕刻技術兩類 1 7機電一體化的發(fā)展趨勢 5系統(tǒng)化系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結構進一步采用開放式和模式化的總線結構 系統(tǒng)可以靈活組態(tài) 進行任意剪裁和組合 同時尋求實現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和綜合管理 表現(xiàn)之二是通信功能的大大加強 一般除RS232外 還有RS485等等 1 7機電一體化的發(fā)展趨勢