机电一体化概论.pptx

主讲：黄平四川省崇州市职业教育培训中心 第1章 机电一体化的概述一、机电一体化的定义机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合，并综合应用到实际中去的综合技术是现代化的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化的设备第一章 机电一体化概述机电一体化最早出现在1971年日本杂志《机械设计》的副刊上，随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化的概念被我们广泛接受和普 遍应用随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，机电一体化技术获得 前所未有的发展现在的机电一体化技术，是机械和微电子技术紧密集 合的一门技术，他的发展使冷冰冰的机器有了人性化，智能化Mechanics(机械学）Electronics（电子学）Mechatronics（机电一体化 ）+=第一章 机电一体化概述机电一体化不是机械技术和电子技术的简单叠加，而是 将电子设备的信息处理功能和控制功能“揉和”到机械装置 中去，从而达到扬长避短、互为补充的目的，使机电一体 化产品更具有系统性、完整性和科学性机电一体化又称机械电子学，英语称为Mechatronics，它是由英文机械学Mechanics的前半部分与电子学Electronics的后半部分组合而成,字面上表示机械学和电子学两个学科的综合，在我国通常称为机电一体化或机械电子学。

机电一体化最本质的特性仍然是一个机械系统，其最主要功能仍然是进行机械能和其他形式的能的互换，利用机械 能实现物料搬移或形态变化以及实现信息传递和变换机电 一体化系统与传统机械系统的不同之处是充分利用计算机技 术、传感技术和可控驱动元件特性，实现机械系统的现代 化、智能化、自动化第一章 机电一体化概述机电一体化是在机械主功能、动力功能、信息 功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置 与电子设备以及相关软件有机结合而构成系统的总 称二、机电一体化的基本概念第一章 机电一体化概述“机电一体化”也就是机械技术、微电子技术相互交叉、融合 的产物机械技术 （机械学、机构学）机电一体化 技术领域微电子技术 （半导体技术、计 算机技术）机电一体化：将多种技术融合为一体的产物 或者是将多种技术柔和地融合在一起的一门 综合学科第一章 机电一体化概述机电一体化是以微型计算机为代表的微电子技术和 信息技术迅速发展，并向机械工业领域迅猛渗透，与机 械电子技术深度结合的现代工业基础上，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、运动和感知等组成 要素为基础，对各组成要素及其间的信息处理、接口耦 合、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 子电路的信息流有序控制下，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、低消耗 意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值系统工程 技术。

三、机电一体化的基本涵义第一章 机电一体化概述目前世界上普遍认为机电一体化有两大分支，即生产过程的机电一体化和机电产品的机电一体化生产过程的机电一体化意味着整个工业体系得机电一体化，如机械制造过程机电一体化、冶金生产的机电一体化、化工生产的机电一体化、粮食及食品加工过程的机电一体化、纺织工业的机电一体化、排版与印刷的机电一体化等 生产过程的机电一体化根据生产过程的特点（如生产设备和生产工艺是否连续）又可划分为离散制造过程的机电一体化和连续生产过程的机电一体化前者以机械制造业为代表，后者以化工生产流程为代表 第一章 机电一体化概述机电产品的机电一体化是机电一体化的核心，是生产过程机电一体化的物质基础传统的机电产品加上微机控制即可转变为新一代的产品，而新产品较之旧产品功能强、性能好、精度高、体积小、重量轻、更可靠、更方便，具有明显的经济效益机电一体化产品销到儿童玩具、家用电器、办公设备、大到数控机床、机器人、自动生产线等第一章 机电一体化概述四、机电一体化的组成第一章 机电一体化概述机电一体化的组成机电一体化系统的形式多种多样，其功能也各不相同，一个较完善的机电 一体化系统应包括以下几个基本要素：机械本体、动力单元、传感检测单 元、执行单元、驱动单元、控制及信息处理单元，各要素之间通过接口相联 系，这些基本要素的关系及功能如图下所示，这是与人体的五大要素进行对 比，从而得到启发的。

五、机电一体化系统的基本要素（五大要素）机电一体化系统的组成及工作原理 a)人的五大要素 b)机电一体化系统的要素 c)机电一体化系统的功能第一章 机电一体化概述第一章 机电一体化概述第一章 机电一体化概述各要素间联系1、机械本体机械本体包括机械传动装置和机械结构装置其主要功能是将构造系统的各子系统、零部件按照一定的空间和时间关系安置在一定的位置上，并保持特定的关系随着机电一体化产品技术性能、水平和功能的提高，机械本体需在机械结构、材料、加工工艺以及几何尺寸等方面都适应产品高效、多功能、可靠、节能、小型、轻量、美观等要求第一章 机电一体化概述2、动力单元动力单元的功能是按照机电一体化系统的控制要求，为系统提供能量和动力以保证系统正常运行机电一体化的显著特征之一是用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出第一章 机电一体化概述3、传感检测单元传感检测单元的功能是对系统进行运行过程中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，并转换成可识别信号，传输到控制信息处理单元，经过分析、处理产生相应的控制信息传感器检测单元通常由专门的传感器和仪器仪表组成第一章 机电一体化概述4、执行单元执行单元的功能是根据控制信息和指令完成所要求的动作。

执行单元是运动部件，一般采用机械、电磁、电液等方式将输入的各种形式的能量转换为机械能根据机电一体化系统的匹配性要求，需要考虑改善执行机构的工作性能，如提高刚性，减轻重量，实现组件化、标准化和系列化，以提高系统整体工作可靠性等第一章 机电一体化概述5、驱动单元驱动单元的功能是在控制信息作用下，驱动各种执行机构完成各种动作和功能机电一体化技术一方面要求驱动单元具有高频率和快速响应等特性，同时又要求其对水、油、温度、尘埃等外部环境具有适应性和可靠性；另一方面由于受几何上动作范围狭窄等限制，还需考虑维修方便，并且尽可能实现标准化随着电力电子技术的高度发展，高性能步进电动机、直流和交流伺服电动机将大量应用于机电一体化系统第一章 机电一体化概述6、控制与信息处理单元控制与信息处理单元是机电一体化系统的核心单元，其功能是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，按照一定的程序发出相应的控制信号，通过输出接口送往执行机构，控制整个系统有目的地运行，并达到预期的性能控制与信息处理单元一般由计算机、可编程控制器、数控装置以及逻辑电路等组成第一章 机电一体化概述7、接口机电一体化系统由许多要素或子系统组成，各子系统之间要能顺利地进行物质、能量和信息的传递和交换，必须在各要素或各子系统的相接处具备一定的连接部件，这个连接部件称为接口。

接口的作用是将各要素或子系统连接成为一个有机整体，使各个功能环节有目的地协调一致运动，从而形成机电一体化的系统工程第一章 机电一体化概述接口的基本功能主要有三个：一是变换在需要进行信息交换和传输的环节之间，由于信号的模式不同（如数字量与模拟量、串行码与并行码、连续脉冲与序列脉冲等）无法直接实现信息或能量的交流，必须通过接口完成信号或能量的转换和统一二是放大在两个信号强度相差悬殊的环节间，经接口放大，达到能量匹配三是传递变换和放大后的信号要在环节间能可靠、快速、准确地交换，必须遵循协调一致的时序、信号格式和逻辑规范接口具有保证信息传递的逻辑控制功能，使信息按规定模式进行传递第一章 机电一体化概述构成机电一体化系统的五大组成要素其内部及相互 之间都必须遵循结构接口耦合、运动传递、信息控制与 能量转换四大原则 1.接口耦合：两个需要进行信息交换和传递的环节之间， 由于信息模式不同（数字量与模拟量，串行码与并行码，连续 脉冲与序列脉冲等）无法直接传递和交换，必须通过接口耦合 来实现而两个信号强弱相差悬殊的环节之间，也必须通过接 口耦合后，才能匹配变换放大后的信号要在两个环节之间可 靠、快速、准确的交换、传递，必须遵循一致的时序、信号格 式和逻辑规范才行，因此接口耦合时就必须具有保证信息的逻 辑控制功能，使信息按规定的模式进行交换与传递。

第一章 机电一体化概述六、机电一体化系统的四大原则2.能量转换：两个需要进行传输和交换的环节之间，由于模式不同而无法直接进行能量的转换和交流，必须进 行能量的转换，能量的转换包括执行器，驱动器和他们的 不同类型能量的最优转换方法及原理3.信息控制：在系统中，所谓智能组成要素的系统控制单元，在软、硬件的保证下，完成信息的采集、传输、 储存、分析、运算、判断、决策，以达到信息控制的目 的对于智能化程度高的信息控制系统还包含了知识获 得、推理机制以及自学习功能等知识驱动功能4.运动传递：运动传递使构成机电一体化系统各组成要素之间，不同类型运动的变换与传输以及以运动控制为 目的的优化 第一章 机电一体化概述七、机电一体化共性的关键技术①自动化控制技术; ② 计算机与信息处理技术; ③检测与传感器技术; ④执行与驱动技术; ⑤精密机械技术;⑥总体设计技术;⑦接口技术第一章 机电一体化概述机电一体化是多学科领域技术综合交叉的技术密集型系统工程，其主要相关技术可以归纳成六个方面，即：机械技术、传感检测技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术和系统总体技术1、机械技术与一般的同类机械装置相比，机电一体化系统中的机械部分精度要求更高，结构更简单，功能更强大，性能更优越，同时还要有更好的可靠性、维护性和更新颖的结构。

零部件要求模块化、标准化、规格 ，还有许多新的课题要加以研究和运用 八、机电一体化的相关技术第一章 机电一体化概述因此机械技术的出发点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其他高新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上以及功能上的变革 2、传感检测技术传感检测装置是机电一体化系统的感觉器官，它可从待测对象那里获取能反映待测对象特征与状态的信息它是实现自动控制、自动调节的关键环节，其功能越强，系统的自动化程度就越高传感检测技术的研究内容包括两方面：一是研究如何将各种被测量（包括物理量、化学量和生物量等）转换为与之成比例的电量；二是研究如何对转换后的电信号进行加工处理，如放大、补偿、标定、变换等传感器是检测部分的核心 第一章 机电一体化概述3、信息处理技术信息技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策实现信息处理的主要工具是计算机，它相当于人的大脑，指挥整个系统的运行计算机技术包括计算机软件技术、硬件技术和网络与通信技术等机电一体化系统中主要采用工业控制机（包括可编程序控制器、单片微控制器、总线式工业空驶机等）进行信息处理计算机应用及信息处理技术已成为机电一体化技术发展和变革的最重要因素。

第一章 机电一体化概述4、自动控制技术自动控制技术包括高精度位置控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、检索等技术在急电一体化技术中，自动控制主要是解决如何提高产品的精度、提高加工效率、提高设备的有效利用率，从而实现机电一体化系统在设计之后进行系统仿真，现场调试，最后使研制的系统可靠地投入运行，尤其是计算机技术高速发展，使得自动控制技术与计算机技术的结合越趋密切，因此自动控制技术是机电一体化技术中十分重要的关键技术第一章 机电一体化概述5、伺服驱动技术“伺服”（Server）即“伺候服侍”的意思伺服驱动技术就是在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械的运动部件按照指令的要求进行运动，并具有良好的动态性能。