機電一體化講議

第 一 章 機 電 一 體 化 技 術 概 論吉林大學 機械電子工程學科趙丁選 一 、 引 言n 新 技 術 革 命 ： 以 信 息 技 術 為 中 心 ， 提 高 工 作 效率 為 目 標 。n 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 。n 在 這 種 新 技 術 革 命 的 影 響 和 沖 擊 下 ， 使 機 電 工業(yè) 發(fā) 生 了 極 大 變 化 。n 定 義 ： 機 械 技 術 與 微 電 子 技 術 、 信 息 技 術 相 結合 ， 通 稱 機 電 一 體 化 。 n 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 ， 而 且 成 為 可 以 代 替 人 工操 作 的 自 動 化 機 床 。n 微 電 子 技 術 與 信 息 技 術 的 引 入 ， 將 使 機械 工 業(yè) 煥 發(fā) 青 春n 機 械 向 機 電 一 體 化 方 向 發(fā) 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(fā) 展 的 客 觀 需 要 。n 機 電 一 體 化 技 術 是 保 證 科 學 操 作 和 科 學管 理 的 有 效 工 具 。 二 、 發(fā) 展 史n 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 。n 七 十 年 代 ， 微 電 子 技 術 成 熟 ， 微 機 商 品 化 ， 大規(guī) 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 可 能 。 機 電 一 體 化 得 以 現 實 。n 71年 ， 日 刊 工 業(yè) 新 聞 社 發(fā) 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 。 n 76年 ， 機 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 譯 為 機 電 一 體 化 。n 71到 78年 日 本 政 府 頒 發(fā) 機 電 法 和 機 信 法 ，對 機 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 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 。n 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(fā) 展 ， 機 電 一 體化 技 術 遍 及 社 會 各 個 領 域 。 全 盛 時 期 開 始 。 三 、 現 狀n 我 國 ， 目 前 機 電 一 體 化 技 術 還 相 當 落 后 ， 機械 系 統(tǒng) 有 萬 個 品 種 ， 約 有 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 。n 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 3080 ；國 內 柔 性 制 造 系 統(tǒng) 、 工 業(yè) 機 器 人 等 還 處 于 研 制階 段 。 3.1 國 內 情 況 n 國 外 大 型 電 站 大 都 已 實 現 計 算 機 控 制 ， 汽 車 工業(yè) 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 。n 其 它 如 家 用 電 器 、 電 子 醫(yī) 療 機 械 、 電 氣 傳 動 調速 系 統(tǒng) 、 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 還 處于 起 步 階 段 。n 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(yè) 的 一 項 戰(zhàn) 略決 策 。 3.2 產 品 范 圍n 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 。n 在 這 些 自 動 化 的 系 統(tǒng) 中 ， 主 要 是 由 很 多 種 機 電一 體 化 產 品 所 構 成 。n 從 我 國 將 要 發(fā) 展 的 機 械 工 業(yè) 產 品 來 分 析 主 要 由以 下 產 品 需 要 實 現 程 度 不 同 的 機 電 一 體 化 。n 具 體 地 說 ， 包 括 : 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(tǒng)5._電 子 化 量 具 量 儀6._工 業(yè) 機 器 人7._電 子 化 家 用 電 器8._電 子 化 電 機 傳 動 與 調 整 系 統(tǒng)9._電 子 化 電 站 自 動 裝 置 與 開 關 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 燃 機14._微 電 腦 控 制 印 刷 機 械15._微 電 腦 控 制 食 品 機 械 或 包 裝 機 械16._微 電 腦 控 制 辦 公 機 械17._電 子 式 照 相 機18._電 子 控 制 農 業(yè) 機 械19._電 子 控 制 塑 料 加 工 機 械20._電 子 控 制 電 焊 機21._計 算 機 輔 助 設 計 系 統(tǒng) (CAD)22._計 算 機 輔 助 制 造 系 統(tǒng) (CAM)23._計 算 機 集 成 制 造 系 統(tǒng) (CIM) 四 、 幾 個 技 術 問 題1.機械與電子的溶合方式2.機械電子的技術構成3.機電一體化的效果 1、 機 械 與 電 子 的 溶 合 方 式1. 在 機 械 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2. 用 電 子 技 術 部 分 地 代 替 原 來 由 機 械 組 成 的 控制 部 分 ， 機 械 技 術 與 電 子 技 術 最 佳 結 合 。 如電 子 照 相 機3. 以 電 子 技 術 幾 乎 全 部 代 替 機 械 式 的 信 息 處 理機 構 ， 例 如 ： 電 子 表 、 按 扭 式 電 話 機 。4. 機 械 部 分 比 較 簡 單 ， 以 電 子 部 分 開 發(fā) 為 主 的電 子 與 機 械 共 存 的 產 品 ， 使 機 械 結 構 大 為 簡化 。 如 復 印 機 械 等 。 2、 機 械 電 子 的 技 術 構 成n機電一體化系統(tǒng)的構成可以由右圖形象地表示出來。n廣義構成：硬件與軟件n硬件：機械本體、傳感器、信息處理單元和驅動單元傳感器執(zhí)行機構動力人機交互設備計算機 A、 機 械 本 體n 為 了 發(fā) 揮 機 電 一 體 化 的 特 長 ， 機 械 本 體必 須 改 善 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(tǒng) 整 體 的 可 靠 性 B、 傳 感 器n 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(tǒng) 、 數 字 系 統(tǒng) （ 包 括混 合 系 統(tǒng) ） 等 。n 組 成 ： 由 檢 測 、 轉 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 械 等 。n 評 價 指 標 有 ： 功 能 、 范 圍 、 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 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 。n 傳 感 器 向 高 級 方 向 發(fā) 展 ， 主 要 實 現 功 能 元 件 化和 智 能 化 。 所 謂 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 。 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n 信 息 處 理 設 備 ： 包 括 計 算 機 主 機 或 可 編程 控 制 器 及 其 配 套 輸 入 輸 出 設 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 準 化 。 D、 驅 動 技 術n 動 力 源 ： 液 壓 、 氣 動 、 電 動 三 種n 前 兩 種 驅 動 系 統(tǒng) 比 較 復 雜 。 包 括 ： 泵 、 閥 、 油缸 （ 氣 缸 ） 、 過 濾 器 、 管 路 等 。 目 前 存 在 著 功能 、 可 靠 性 、 標 準 化 以 及 減 輕 重 量 、 減 小 體 積等 問 題 。n 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 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 。 E、 接 口 技 術n 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 。n 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 。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 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 光 信 號 傳 輸 技 術 。 F、 軟 件 與 綜 合 技 術n 軟 件 與 硬 件 如 同 一 輛 車 子 的 兩 個 輪 子 ， 必 須 協(xié)調 一 致 地 發(fā) 展 ， 如 果 失 去 平 衡 車 子 就 無 法 前 進 。n 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 。n 應 予 以 關 注 的 的 問 題 ： 數 據 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 電 一 體 化 產 品 是 一 個 系 統(tǒng) ， 存 在 著 許多 綜 合 技 術 問 題 。 例 如 ：1. 由 機 械 傳 動 零 件 間 隙 造 成 的 精 度 問 題 ；2. 機 械 零 部 件 與 電 子 元 件 相 比 響 應 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 準 化 、 互 換 性 、 兼 容 性 以 及 檢 測自 動 化 等 問 題 。 3、 機 電 一 體 化 的 效 果n 機 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 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(tǒng) 誤 差 ， 現 在 數 控 機 床 ， 可 克 服隨 機 誤 差 和 系 統(tǒng) 誤 差 ， 從 而 可 以 達 到 前 所 未 有的 高 精 度 。 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 。 粗 加 工 與 精 加 工 工 序 集 成 ， 深 刻 地 改 變 了 傳 統(tǒng)機 床 的 結 構 布 局 ， 沖 破 了 傳 統(tǒng) 的 機 床 按 類 別 的劃 分 。 B、 結 構 簡 化n 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 ：1. 傳 統(tǒng) 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 。2. “ 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(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 ， 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(jié) 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 率高 等 優(yōu) 點 。 C、 可 靠 性 提 高 性n 在 電 子 元 件 質 量 可 靠 性 高 的 前 提 下 ， 機電 一 體 化 可 以 改 善 耐 久 性 ， 減 少 故 障 。n 機 電 一 體 化 產 品 具 有 自 動 監(jiān) 視 診 斷 、 安全 聯(lián) 鎖 控 制 、 過 負 荷 及 失 控 保 護 、 停 電對 策 等 ， 提 高 了 安 全 可 靠 性 D、 節(jié) 約 能 源n 機 電 一 體 化 的 產 品 ， 可 以 節(jié) 約 材 料 、 節(jié)約 能 源 。 例 如 ：n 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(jié) 約 電 600萬 度 ；n 汽 油 機 電 子 點 火 ；n 液 壓 挖 掘 機 電 子 節(jié) 能 。 E、 改 善 操 作n 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 備操 作 性 能 ， 減 少 訓 練 操 作 人 員 時 間 。 F、 提 高 靈 活 性 （ 柔 性 ）n 機 電 一 體 化 產 品 具 有 更 大 的 靈 活 性 ， 可以 適 應 用 戶 多 樣 化 的 要 求 ， 是 當 代 新 技術 革 命 的 一 大 趨 向 。n 例 如 ， 柔 性 制 造 系 統(tǒng) ， 和 工 業(yè) 機 器 人 對于 多 品 種 小 批 量 生 產 特 別 能 發(fā) 揮 它 的 優(yōu)越 性 。 五、先進械電系統(tǒng)舉例n 觀 看 錄 相 片 ：1. 救 火 機 器 人 系 統(tǒng) （ PAL， 5分 鐘 ）2. 機 器 人 足 球 （ NTSC ， 45分 鐘 ）3. 具 有 臨 場 感 提 示 的 遠 距 離 操 縱 工 程機 器 人 系 統(tǒng) （ NTSC ， 15分 鐘 ） 思 考 題1. 什 么 是 機 電 一 體 化 ？ 以 打 夯 機 為 例 ， 內 含機 械 與 電 氣 ， 問 這 是 不 是 機 電 一 體 化 產 品 ？2. 機 電 一 體 化 產 品 由 哪 五 部 分 構 成 ？3. 機 電 一 體 化 的 技 術 構 成 是 什 么 ？4. 機 電 一 體 化 技 術 中 ， 機 與 電 有 幾 種 溶 合 方 式 ？5. 產 品 實 現 機 電 一 體 化 后 ， 可 以 取 得 哪 些 成 效 ？