机电一体化是在微型计算机为代表的微电子技术

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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、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。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 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,(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。,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“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