第一章機電(jīdiàn)一體化技術概論吉林大學(jílíndàxué)機械電子工程學科趙丁選精品資料一、引言(yǐnyán)新技術革命：以信息技術為中心，提高工作效率為目標。信息技術三大支柱，即：測量與控制技術、計算機技術、通信技術。在這種新技術革命的影響和沖擊下，使機電(jīdiàn)工業發生了極大變化。定義：機械技術與微電子技術、信息技術相結合，通稱"機電(jīdiàn)一體化"。精品資料例：機床，純機械時，其加工精度、加工能力較低，數控機床后，使其功能增強、性能提高(tígāo)，而且成為可以代替人工操作的自動化機床。微電子技術與信息技術的引入，將使機械工業煥發青春機械向機電一體化方向發展，不但是機械本身的需要，而且是現代化生產裝備向大型化、高效化方向發展的客觀需要。機電一體化技術是保證科學操作和科學管理的有效工具。精品資料 二、發展史六十年代，日本通產省為擴大機械功能，在機械上采用電氣和電子技術，曾結合數控機床做過不少實驗，但末能獲得成功。七十年代，微電子技術成熟，微機商品化，大規模集成電路問世，構成微機的基本單元CPU、ROM、RAM和接口電路已經模塊化，自己"制造"計算機成為(chéngwéi)可能。機電一體化得以現實。71年，日刊工業新聞社發行《機電一體化入門》和《機電一體化》月刊，專門刊載機電一體化的新產品。精品資料76年，機電一體化正式名字"メカトロニケス"(英文名字是Mechatronics，是由Mechanism的前半部和Electronics后半部縮合而成)，我國現譯為"機電一體化"。71到78年日本政府頒發(bānfā)"機電法"和"機信法"，對機電一體化的發展起到積極推動作用，這個時期稱之為萌芽時期。八十年代，在"機信法"指導下，機電一體化的產品如雨后春筍不斷涌現，這個時期可稱之為成長時期。九十年代，集成度提高，價格下降，機電一體化技術在世界范圍內得到迅猛發展，機電一體化技術遍及社會各個領域。全盛時期開始。精品資料三、現狀(xiànzhuàng)我國，目前"機電一體化"技術還相當落后，機械系統有５萬個品種，約有２萬個品種需要實現程度不同的機電一體化。但是從目前生產的機電產品來看，實現機電一體化的還比較少。例如：國內數控機床在機床中總擁有量較少，國外數控機床已占機床總擁有量的30~80％；國內柔性制造系統、工業(gōngyè)機器人等還處于研制階段。3.1國內情況精品資料國外大型電站大都已實現計算機控制，汽車工業已大量應用微機點火控制、安全報警、制動控制等，在這些方面我國還有較大差距，甚至近于空白。其它如家用電器、電子醫療機械、電氣傳動調速系統、低壓電器、印刷機械、照相機械等，國外已普遍實現了機電一體化，我國大多(dàduō)還處于起步階段。國此在我國機電產品中實現機電一體化，大力推廣機電一體化技術，是我國四化建設中的一個重要課題，是振興我國機電工業的一項戰略決策。精品資料3.2產品(chǎnpǐn)范圍在新技術革命的浪潮中，自動化技術已深入到社會的各個方面，有人稱之為"全盤自動化"。在這些自動化的系統中，主要是由很多種機電一體化產品所構成。從我國將要發展的機械工業產品來分析(fēnxī)主要由以下產品需要實現程度不同的機電一體化。具體地說，包括:精品資料1._大型成套設備2._數控機床3._儀器儀表電子化4._自動化管理系統5._電子化量具量儀6._工業機器人7._電子化家用電器8._電子化電機傳動與調整系統9._電子化電站自動裝置與開關(kāiguān)板10._電子醫療器械11._電子化低壓電器12._微電腦控制加熱爐精品資料13._電子控制(kòngzhì)汽車或內燃機14._微電腦控制(kòngzhì)印刷機械15._微電腦控制(kòngzhì)食品機械或包裝機械16._微電腦控制(kòngzhì)辦公機械17._電子式照相機18._電子控制(kòngzhì)農業機械19._電子控制(kòngzhì)塑料加工機械20._電子控制(kòngzhì)電焊機21._計算機輔助設計系統(CAD)22._計算機輔助制造系統(CAM)23._計算機集成制造系統(CIM)精品資料四、幾個(jǐɡè)技術問題機械與電子的溶合方式(fāngshì)機械電子的技術構成機電一體化的效果精品資料1、機械(jīxiè)與電子的溶合方式在機械(jīxiè)本體上采用電子控制設備實現高性能和多功能。如數控機床用電子技術部分地代替原來由機械(jīxiè)組成的控制部分，機械(jīxiè)技術與電子技術最佳結合。如電子照相機以電子技術幾乎全部代替機械(jīxiè)式的信息處理機構，例如：電子表、按扭式電話機。機械(jīxiè)部分比較簡單，以電子部分開發為主的電子與機械(jīxiè)共存的產品，使機械(jīxiè)結構大為簡化。如復印機械(jīxiè)等。精品資料2、機械電子(diànzǐ)的技術構成機電一體化系統的構成可以由右圖形象地表示出來。廣義構成：硬件與軟件硬件：機械(jīxiè)本體、傳感器、信息處理單元和驅動單元傳感器執行機構動力人機交互設備計算機精品資料A、機械(jīxiè)本體為了發揮機電一體化的特長，機械本體必須改善(gǎishàn)性能、減輕重量和提高精度。(1)減輕重量(2)提高剛性(3)實現組件化、標準化和系列化(4)提高系統整體的可靠性精品資料B、傳感器分類：檢測自身內部信息傳感器、檢測對象的外部信息傳感器。模擬系統、數字系統（包括混合系統）等。組成：由檢測、轉換、指示、信息處理、記錄(jìlù)等部分組成。傳感信息方式有：光、電、流體、機械等。評價指標有：功能、范圍、靈敏度、分辨率、耐環境性、抗干擾性、可靠性等。精品資料傳感器的問題：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系。 ① 為了避免干擾，目前有采用光纖電纜傳感的趨勢。 ② 對外部信息傳感器來說，目前發展非接觸型檢測技術。傳感器向高級方向發展，主要實現功能元件化和智能化。 ① 所謂(suǒwèi)功能元件化，就是用一片集成電路功能元件，實現傳感與信息處理一體化。 ② 智能化就是發展具有自修功能的傳感器。精品資料C、信息處理技術(jìshù)信息處理設備：包括計算機主機或可編程控制器及其配套(pèitào)輸入輸出設備、顯示器和外部存儲器。存在問題：重量、處理速度、可靠性、抗干擾及標準化。精品資料D、驅動(qūdònɡ)技術動力源：液壓、氣動、電動三種前兩種驅動系統比較復雜。包括：泵、閥、油缸（氣缸）、過濾器、管路等。目前存在(cúnzài)著功能、可靠性、標準化以及減輕重量、減小體積等問題。電動機作為驅動機構已被廣泛采用，但目前在快速響應和效率等方面還存在(cúnzài)一些問題，不能滿足要求。今后有待于研制內裝編碼器的電動機以及控制專用組件、傳感器、電動機三為一體的伺服驅動單元。精品資料E、接口技術定義：將機電一體化產品各組成部分連接起來的元件就是接口。接口標準化：不僅給信息傳送和維修上帶來方便，而且可以簡化設計。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，光導纖維以及光耦合器的大容量化、小型化、標準化等問題，積極引進(yǐnjìn)光信號傳輸技術。精品資料F、軟件(ruǎnjiàn)與綜合技術軟件與硬件如同一輛車子(chēzi)的兩個輪子，必須協調一致地發展，如果失去平衡車子(chēzi)就無法前進。軟件標準化：減少研制成本，提高維修效率。包括：子程序標準化、程序模塊化、軟件程序的固化等。應予以關注的的問題：數據庫的建立，作業描述語言的開發，語言理解、文字理解軟件等。精品資料機電一體化產品是一個系統，存在著許多(xǔduō)綜合技術問題。例如：由機械傳動零件間隙造成的精度問題；機械零部件與電子元件相比響應速度慢的問題；連接電纜與接線柱的可靠性問題；零件標準化、互換性、兼容性以及檢測自動化等問題。精品資料3、機電(jīdiàn)一體化的效果機電一體化的效果：功能增多，體積減少，重量減輕，可靠性提高，性能(xìngnéng)價格比大大改善。精品資料A、性能(xìngnéng)提高、功能增強①例如，過去精密機床采用的是機械校正，只能校正機床的系統誤差，現在數控機床，可克服(kèfú)隨機誤差和系統誤差，從而可以達到前所未有的高精度。②調整切削阻尼，減少顫振，保證很高的生產率與很高的加工表面光潔度。③粗加工與精加工工序集成，深刻地改變了傳統機床的結構布局，沖破了傳統的機床按類別的劃分。精品資料B、結構(jiégòu)簡化因采用微處理機、集成電路、新型傳動技術，代替電氣控制柜和傳動裝置，使產品體積小，零部件數量減小，結構簡化。例如：傳統的電機控制靠用戶，而實現機電一體化后出現了無換向器電機，提高了電機壽命，縮小了體積。“電腦”電動機用單片機控制電機的功率因素，根據負荷情況調節施加(shījiā)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30~40％，滿載提高10％。精品資料3.矢量控制異步電動機，采用微型計算機對交流異步電動機實現矢量控制，使異步電機既具有直流電機一樣的調節特性，而且還具有結構簡單、可靠、電機容量不受限制、機械慣性小、體積小、效率(xiàolǜ)高等優點。精品資料C、可靠性提高(tígāo)性在電子元件質量(zhìliàng)可靠性高的前提下，機電一體化可以改善耐久性，減少故障。機電一體化產品具有自動監視診斷、安全聯鎖控制、過負荷及失控保護、停電對策等，提高了安全可靠性

精品資料D、節約能源機電一體化的產品(chǎnpǐn)，可以節約材料、節約能源。例如：我國目前各類電風扇的調整器為電磁機械式，如果用電子式調整器每年全國可節約電600萬度；汽油機電子點火；液壓挖掘機電子節能。精品資料E、改善(gǎishàn)操作機電一體化產品采用計算機控制，具有數字顯示，減少了操作按扭及手柄，具有程序控制等功能，因而可以改善設備(shèbèi)操作性能，減少訓練操作人員時間。精品資料F、提高(tígāo)靈活性（柔性）機電一體化產品具有更大的靈活性，可以(kěyǐ)適應用戶多樣化的要求，是當代新技術革命的一大趨向。例如，柔性制造系統，和工業機器人對于多品種小批量生產特別能發揮它的優越性。精品資料五、先進械電系統