機電一體化導論[1]

第1章引論,1.1概述1.2機電一體化系統(tǒng)的設計1.3機電一體化的發(fā)展趨勢,1.1概述,1.1.1引言機電一體化技術(shù)綜合應用了機械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、檢測技術(shù)、電力電子技術(shù),接口技術(shù)及系統(tǒng)總體技術(shù)等群體技術(shù),從系統(tǒng)的觀點出發(fā),根據(jù)系統(tǒng)功能目標和優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)目標,以智能、動力、結(jié)構(gòu)、運動和感知等組成要素為基礎,對各組成要素及相互之間的信息處理、接口耦合、運動傳遞、物質(zhì)運動、能量變換機理進行研究,使得整個系統(tǒng)有機結(jié)合與綜合集成,并在系統(tǒng)程序和微電子電路的有序信息流控制下,形成物質(zhì)和能量的有規(guī)則運動,在高質(zhì)量、高精度、高可靠性、低能耗意義上實現(xiàn)多種技術(shù)功能復合的最佳功能價值的系統(tǒng)工程技術(shù)。,“機電一體化”一詞的英文名詞是“Mechatronics”,它是取Mechanics（機械學）的前半部分和Electronics（電子學）的后半部分拼合而成的?，F(xiàn)代高新技術(shù)（如微電子技術(shù)、生物技術(shù)、新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、空間技術(shù)、海洋開發(fā)技術(shù)、光纖通信技術(shù)及現(xiàn)代醫(yī)學等）的發(fā)展需要具有智能化、自動化和柔性化的機械設備,機電一體化正是在這種巨大的需求推動下產(chǎn)生的新興技術(shù)。微電子技術(shù)、微計算機使信息與智能和機械裝置與動力設備有機結(jié)合,使得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。,由于機電一體化技術(shù)對現(xiàn)代工業(yè)和技術(shù)的發(fā)展具有巨大的推動力,因此世界各國均將其作為工業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略之一。機電一體化技術(shù)在制造業(yè)的應用從一般的數(shù)控機床、加工中心和機械手發(fā)展到智能機器人、柔性制造系統(tǒng)（FMS）、無人生產(chǎn)車間和將設計、制造、銷售、管理集于一體的計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）。機電一體化技術(shù)是其他高新技術(shù)發(fā)展的基礎,機電一體化的發(fā)展依賴于其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。,1.1.2機電一體化系統(tǒng)的基本組成要素一個典型的機電一體化系統(tǒng)應包含以下幾個基本要素：機械本體、動力與驅(qū)動部分、執(zhí)行機構(gòu)、傳感測試部分、控制及信息處理部分。我們將這些部分歸納為：結(jié)構(gòu)組成要素、動力組成要素、運動組成要素、感知組成要素、智能組成要素；這些組成要素內(nèi)部及其之間,形成通過接口耦合來實現(xiàn)運動傳遞、信息控制、能量轉(zhuǎn)換等有機融合的一個完整系統(tǒng)。機電一體化系統(tǒng)的組成要素及功能如圖1-1所示。,圖1-1機電一體化系統(tǒng)的組成要素及功能(a）機電一體化系統(tǒng)的組成要素;(b）機電一體化系統(tǒng)的功能,1.機械本體機電一體化系統(tǒng)的機械本體包括機身、框架、連接等。2.動力與驅(qū)動動力部分的功能是按照系統(tǒng)控制要求,為系統(tǒng)提供能量和動力,使系統(tǒng)正常運行。用盡可能小的動力輸入獲得盡可能大的功能輸出,是機電一體化產(chǎn)品的顯著特征之一。驅(qū)動部分的功能是在控制信息作用下提供動力,驅(qū)動各執(zhí)行機構(gòu)完成各種動作和功能。,3.傳感測試部分傳感測試部分的功能是對系統(tǒng)運行中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進行檢測,生成相應的可識別信號,傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?經(jīng)過分析、處理后產(chǎn)生相應的控制信息。這一功能一般由專門的傳感器及轉(zhuǎn)換電路完成。4.執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)的功能是根據(jù)控制信息和指令,完成要求的動作。執(zhí)行機構(gòu)是運動部件,一般采用機械、電磁、電液等機構(gòu)。,5.控制及信息單元控制及信息單元的功能是將來自各傳感器的檢測信息和外部輸入命令進行集中、儲存、分析、加工,根據(jù)信息處理結(jié)果,按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應的指令,控制整個系統(tǒng)有目的地運行。6.接口耦合與能量轉(zhuǎn)換（1）變換。兩個需要進行信息交換和傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)之間,由于信息的模式不同（數(shù)字量與模擬量、串行碼與并行碼、連續(xù)脈沖與序列脈沖等等）,無法直接實現(xiàn)信息或能量的交流,需要通過接口完成信息或能量的統(tǒng)一。,（2）放大。在兩個信號強度相差懸殊的環(huán)節(jié)間,經(jīng)接口放大,達到能量的匹配。（3）耦合。變換和放大后的信號在各環(huán)節(jié)間能可靠、快速、準確地交換,必須遵循一致的時序、信號格式和邏輯規(guī)范。接口具有保證信息的邏輯控制功能,使信息按規(guī)定模式進行傳遞。（4）能量轉(zhuǎn)換。其執(zhí)行元件包含了執(zhí)行器和驅(qū)動器。該轉(zhuǎn)換涉及到不同類型能量間的最優(yōu)轉(zhuǎn)換方法與原理。,7.信息控制在系統(tǒng)中,作為智能組成要素的系統(tǒng)控制單元,在軟、硬件的保證下,完成數(shù)據(jù)采集、分析、判斷、決策功能,以達到信息控制的目的。8.運動傳遞運動傳遞是指運動各組成環(huán)節(jié)之間的不同類型運動的變換與傳輸,如位移變換、速度變換、加速度變換及直線運動和旋轉(zhuǎn)運動變換等。運動傳遞還包括以運動控制為目的的運動優(yōu)化設計,目的是提高系統(tǒng)的伺服性能。,1.1.3機電一體化系統(tǒng)的技術(shù)組成1.機械技術(shù)機械技術(shù)是機電一體化的基礎。2.計算機與信息處理技術(shù)信息處理技術(shù)包括信息的交換、存取、運算、判斷和決策,實現(xiàn)信息處理的工具是計算機,因此計算機技術(shù)與信息處理技術(shù)是密切相關(guān)的。計算機技術(shù)包括計算機的軟件技術(shù)和硬件技術(shù),網(wǎng)絡與通信技術(shù),數(shù)據(jù)技術(shù)等。,3.自動控制技術(shù)自動控制技術(shù)范圍很廣,機電一體化的系統(tǒng)設計在基本控制理論指導下,對具體控制裝置或控制系統(tǒng)進行設計；對設計后的系統(tǒng)進行仿真和現(xiàn)場調(diào)試；最后使研制的系統(tǒng)可靠地投入運行。4.傳感與檢測技術(shù)傳感與檢測裝置是系統(tǒng)的感受器官,它與信息系統(tǒng)的輸入端相連并將檢測到的信息輸送到信息處理部分。傳感與檢測是實現(xiàn)自動控制、自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),它的功能越強,系統(tǒng)的自動化程度就越高。傳感與檢測的關(guān)鍵元件是傳感器。,5.伺服傳動技術(shù)伺服傳動包括電動、氣動、液壓等各種類型的驅(qū)動裝置,由微型計算機通過接口與這些傳動裝置相連接,控制它們的運動,帶動工作機械作回轉(zhuǎn)、直線以及其他各種復雜的運動。6.系統(tǒng)總體技術(shù)系統(tǒng)總體技術(shù)是一種從整體目標出發(fā),用系統(tǒng)的觀點和全局角度,將總體分解成相互有機聯(lián)系的若干單元,找出能完成各個功能的技術(shù)方案,再把功能和技術(shù)方案組成方案組進行分析、評價和優(yōu)選的綜合應用技術(shù)。系統(tǒng)總體技術(shù)解決的是系統(tǒng)的性能優(yōu)化問題和組成要素之間的有機聯(lián)系問題,即使各個組成要素的性能和可靠性很好,但如果整個系統(tǒng)不能很好協(xié)調(diào),系統(tǒng)也很難正常運行。,1.1.4機電一體化技術(shù)與其他技術(shù)的區(qū)別1.機電一體化技術(shù)與傳統(tǒng)機電技術(shù)的區(qū)別傳統(tǒng)機電技術(shù)的操作控制主要通過具有電磁特性的各種電器來實現(xiàn),如繼電器、接觸器等,在設計中不考慮或很少考慮彼此間的內(nèi)在聯(lián)系；機械本體和電氣驅(qū)動界限分明,整個裝置是剛性的,不涉及軟件和計算機控制。機電一體化技術(shù)以計算機為控制中心,在設計過程中強調(diào)機械部件和電器部件間的相互作用和影響,整個裝置在計算機控制下具有一定的智能性。,2.機電一體化技術(shù)與并行工程的區(qū)別機電一體化技術(shù)將機械技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)和檢測技術(shù)在設計和制造階段就有機地結(jié)合在一起,十分注意機械和其他部件之間的相互作用。而并行工程將上述各種技術(shù)盡量在各自范圍內(nèi)齊頭并進,只在不同技術(shù)內(nèi)部進行設計制造,最后通過簡單疊加完成整體裝置。3.機電一體化技術(shù)與自動控制技術(shù)的區(qū)別自動控制技術(shù)的側(cè)重點是討論控制原理、控制規(guī)律、分析方法和自動系統(tǒng)的構(gòu)造等。機電一體化技術(shù)將自動控制原理及方法作為重要支撐技術(shù),將自控部件作為重要控制部件應用自控原理和方法,對機電一體化裝置進行系統(tǒng)分析和性能測算,4.機電一體化技術(shù)與計算機應用技術(shù)的區(qū)別機電一體化技術(shù)只是將計算機作為核心部件應用,目的是提高和改善系統(tǒng)性能。計算機在機電一體化系統(tǒng)中的應用僅僅是計算機應用技術(shù)中的一部分,它還可以在辦公、管理及圖像處理等方面得到廣泛應用。機電一體化技術(shù)研究的是機電一體化系統(tǒng),而不是計算機應用本身。,1.2機電一體化系統(tǒng)的設計,1.2.1機電一體化系統(tǒng)的分類從控制的角度來講,機電一體化系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制的機電一體化系統(tǒng)是沒有反饋的控制系統(tǒng),這種系統(tǒng)的輸入直接送給控制器,并通過控制器對受控對象產(chǎn)生控制作用。一些家用電器、簡易NC機床和精度要求不高的機電一體化產(chǎn)品都采用開環(huán)控制方式。開環(huán)控制機電一體化系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,成本低,維修方便;缺點是精度較低,對輸出和干擾沒有診斷能力。,1.2.2機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）開發(fā)的類型1.開發(fā)性設計2.適應性設計3.變參數(shù)設計1.2.3機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）設計方案的常用方法1.取代法取代法就是用電氣控制取代原系統(tǒng)中的機械控制機構(gòu)。該方法是改造舊產(chǎn)品、開發(fā)新產(chǎn)品或?qū)υ到y(tǒng)進行技術(shù)改造常用的方法,也是改造傳統(tǒng)機械產(chǎn)品的常用方法。,2.整體設計法整體設計法主要用于新產(chǎn)品的開發(fā)設計。在設計時完全從系統(tǒng)的整體目標出發(fā),考慮各子系統(tǒng)的設計。3.組合法組合法就是選用各種標準功能模塊組合設計成機電一體化系統(tǒng)。例如,設計一臺數(shù)控機床,可以依據(jù)機床的性能要求,通過對不同廠家的計算機控制單元、伺服驅(qū)動單元、位移和速度測試單元及主軸、導軌、刀架、傳動系統(tǒng)等產(chǎn)品的評估分析,研究各單元間接口關(guān)系和各單元對整機性能的影響,通過優(yōu)化設計確定機床的結(jié)構(gòu)組成。,1.2.4機電一體化系統(tǒng)設計所謂的系統(tǒng)設計,就是用系統(tǒng)思維綜合運用各有關(guān)學科的知識、技術(shù)和經(jīng)驗,在系統(tǒng)分析的基礎上,通過總體研究和詳細設計,實現(xiàn)滿足設計目標的產(chǎn)品研發(fā)過程。系統(tǒng)設計的基本原則是使設計工作獲得最優(yōu)化效果,在保證目的功能要求與適當使用壽命的前提下不斷降低成本。系統(tǒng)設計的過程就是“目標功能結(jié)構(gòu)效果”的多次分析與綜合的過程。綜合可理解為各種解決問題要素的拼合的模型化過程,這是一種高度的創(chuàng)造行為。分析是綜合的反行為，也是提高綜合水平的必要手段。,隨著工業(yè)技術(shù)的高度發(fā)展和人民生活水平的提高,人們迫切要求大幅度提高機電一體化系統(tǒng)設計工作的質(zhì)量和速度,因此在機電一體化系統(tǒng)設計中推廣和運用現(xiàn)代設計方法,提高設計水平,是機電一體化系統(tǒng)設計發(fā)展的必然趨勢。依據(jù)的傳統(tǒng)方法不同,它是以計算機為手段,其設計步驟通常如下：設計預測信號分析科學類比系統(tǒng)分析設計創(chuàng)造設計選擇各種具體的現(xiàn)代設計方法（如相似設計法、模擬設計法、有限元法、可靠性設計法、動態(tài)分析法、優(yōu)化設計法、模糊設計法等）機電一體化系統(tǒng)設計質(zhì)量的綜合評價。,1.2.5機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的工程路線各種機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的研究、開發(fā)、生產(chǎn)及銷售的過程各自有其自身特點,歸納其基本規(guī)律,機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的工程路線如圖1-2所示。,1.3機電一體化的發(fā)展趨勢,1.3.1機電一體化的技術(shù)現(xiàn)狀機電一體化占據(jù)主導地位是制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢,而制造產(chǎn)業(yè)是整個科學技術(shù)和國家經(jīng)濟發(fā)展的基礎工業(yè),因而機電一體化在當前激烈的國際政治、軍事、經(jīng)濟競爭中起著舉足輕重的作用,受到各工業(yè)國家的極大重視。,日本將智能傳感器,計算機芯片制造技術(shù),具有視頻、觸覺和人機對話能力的人工智能工業(yè)機器人,柔性制造系統(tǒng)等,列為高技術(shù)領(lǐng)域的重大研究課題。西歐高技術(shù)發(fā)展規(guī)劃“尤里卡”計劃,提出五大關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域,其中包括研制可自由行動、決策并易于人機對話的歐洲第三代安全民用機器人,廣泛合作研究計算機輔助設計、制造、生產(chǎn)、管理的柔性系統(tǒng),實現(xiàn)工廠全面自動化等機電一體化研究方向。1991年3月,美國國家關(guān)鍵技術(shù)委員會在向總統(tǒng)提交的首份雙年度報告國家關(guān)鍵技術(shù)中,列舉了22項對于美國國家經(jīng)濟繁榮和國防安全至為關(guān)鍵的技術(shù),并對各項入選技術(shù)的內(nèi)容范圍,選擇依據(jù)和國際發(fā)展趨勢進行了評述,著重強調(diào)了技術(shù)的有效利用。,鑒于資金、技術(shù)密集型的高技術(shù)發(fā)展初期投資大、回收少的特點,多數(shù)國家政府給予資金支持和必要的政策優(yōu)惠。如前西德19841988年的五年計劃確定,提供5.3億馬克用于資助計算機輔助設計和制造的應用,擴大工業(yè)機器人、軟件操作系統(tǒng)和外圍設備的工業(yè)基礎等先進生產(chǎn)技術(shù)的應用。日本政府早在1971年制定的特定的電子工業(yè)和特定的機械工業(yè)臨時措施法中,已把數(shù)控機床作為重點扶植對象。,美國1983年制定的“星球大戰(zhàn)（SDI）”計劃投資1000億美元以發(fā)展高技術(shù),其中也包括發(fā)展空間機器人、核能機器人、軍事機器人及工業(yè)機器人等相關(guān)技術(shù)。美國國家科學基金會（NST）每年投資100萬美元,國家標準局（NBS）每年投資150萬美元用于發(fā)展相關(guān)技術(shù)。19851995年間,美國用于研制軍用機器人和智能機器人的經(jīng)費從1.86億美元增至9.75億美元。國家規(guī)劃和支持對美國機器人技術(shù)的發(fā)展起了很大的推動作用。我國是發(fā)展中國家,與發(fā)達國家相比工業(yè)技術(shù)水平存在一定差距,但有廣闊的機電一體化應用開拓領(lǐng)域和技術(shù)產(chǎn)品潛在市場。,近年來,我國已研制成功了用于噴漆、焊接、搬運以及能前后行走的、能爬墻、能上下臺階、能在水下作業(yè)的多種類型機器人。CIMS研究方面,我國已在清華大學建成國家CIMS工程研究中心（ERC）,在一些著名大學和研究單位建立了7個CIMS單元技術(shù)實驗室和8個CIMS培訓中心,在國家立項實施CIMS的企業(yè)已達70余家。1994年清華大學榮獲美國制造工程師協(xié)會（SME）頒發(fā)的CIMS研究“大學領(lǐng)先獎”。1995年北京第一機床廠榮獲SME頒發(fā)的“工業(yè)領(lǐng)先獎”。上述成果的取得使我國在制造業(yè)機電一體化的研究和應用方面積累了一定的經(jīng)驗,它必將推動機電一體化技術(shù)向更高層次縱深發(fā)展。,1.3.2機電一體化的發(fā)展趨勢1.機電一體化的高性能化高性能化一般包含高速化、高精度、高效率和高可靠性。2.機電一體化的智能化趨勢人工智能在機電一體化技術(shù)中的研究日益得到重視,機器人與數(shù)控機床的智能化就是其重要應用。,機電一體化的智能化趨勢包括以下幾個方面：（1）診斷過程的智能化。診斷功能的強弱是評價一個系統(tǒng)性能的重要智能指標之一。（2）人機接口的智能化。智能化的人機接口,可以大大簡化操作過程,這里包含多媒體技術(shù)在人機接口智能化中的有效應用。（3）自動編程的智能化。操作者只需輸入加工工件素材的形狀和需加工形狀的數(shù)據(jù),加工程序就可全部自動生成,這里包含：素材形狀和加工形狀的圖形顯示；自動