第一章 机电一体化技术概论吉林大学 机械电子工程学科 赵丁选一、引言n新技术革命：以信息技术为中心，提高工作 效率为目标。n信息技术三大支柱，即：测量与控制技术、 计算机技术、通信技术。n在这种新技术革命的影响和冲击下，使机电 工业发生了极大变化。n定义：机械技术与微电子技术、信息技术相 结合，通称“机电一体化“。n例：机床，纯机械时，其加工精度、加 工能力较低，数控机床后，使其功能增 强、性能提高，而且成为可以代替人工 操作的自动化机床。n微电子技术与信息技术的引入，将使机 械工业焕发青春n机械向机电一体化方向发展，不但是机 械本身的需要，而且是现代化生产装备 向大型化、高效化方向发展的客观需要 。n机电一体化技术是保证科学操作和科学 管理的有效工具。二、发展史n六十年代，日本通产省为扩大机械功能，在 机械上采用电气和电子技术，曾结合数控机 床做过不少实验，但末能获得成功。n七十年代，微电子技术成熟，微机商品化， 大规模集成电路问世，构成微机的基本单元 CPU、ROM、RAM和接口电路已经模块化，自己 “制造“计算机成为可能。机电一体化得以现 实。n71年，日刊工业新闻社发行机电一体化入 门和机电一体化月刊，专门刊载机电 一体化的新产品。n76年，机电一体化正式名字“ “(英文名字是Mechatronics，是由Mechanism 的前半部和Electronics后半部缩合而成)， 我国现译为“机电一体化“。n71到78年日本政府颁发“机电法“和“机信法“ ，对机电一体化的发展起到积极推动作用， 这个时期称之为萌芽时期。n八十年代，在“机信法“指导下，机电一体化 的产品如雨后春笋不断涌现，这个时期可称 之为成长时期。n九十年代，集成度提高，价格下降，机电一 体化技术在世界范围内得到迅猛发展，机电 一体化技术遍及社会各个领域。全盛时期开 始。三、现状n我国，目前“机电一体化“技术还相当落后， 机械系统有万个品种，约有万个品种需 要实现程度不同的机电一体化。但是从目前 生产的机电产品来看，实现机电一体化的还 比较少。n例如：国内数控机床在机床中总拥有量较少 ，国外数控机床已占机床总拥有量的3080 ；国内柔性制造系统、工业机器人等还处于 研制阶段。3.1 国内情况n国外大型电站大都已实现计算机控制，汽车 工业已大量应用微机点火控制、安全报警、 制动控制等，在这些方面我国还有较大差距 ，甚至近于空白。n其它如家用电器、电子医疗机械、电气传动 调速系统、低压电器、印刷机械、照相机械 等，国外已普遍实现了机电一体化，我国大 多还处于起步阶段。n国此在我国机电产品中实现机电一体化，大 力推广机电一体化技术，是我国四化建设中 的一个重要课题，是振兴我国机电工业的一 项战略决策。3.2 产品范围n在新技术革命的浪潮中，自动化技术已深入 到社会的各个方面，有人称之为“全盘自动化 “。n在这些自动化的系统中，主要是由很多种机 电一体化产品所构成。n从我国将要发展的机械工业产品来分析主要 由以下产品需要实现程度不同的机电一体化 。n具体地说，包括:1._大型成套设备 2._数控机床 3._仪器仪表电子化 4._自动化管理系统 5._电子化量具量仪 6._工业机器人 7._电子化家用电器 8._电子化电机传动与调整系统 9._电子化电站自动装置与开关板 10._电子医疗器械 11._电子化低压电器 12._微电脑控制加热炉13._电子控制汽车或内燃机 14._微电脑控制印刷机械 15._微电脑控制食品机械或包装机械 16._微电脑控制办公机械 17._电子式照相机 18._电子控制农业机械 19._电子控制塑料加工机械 20._电子控制电焊机 21._计算机辅助设计系统(CAD) 22._计算机辅助制造系统(CAM) 23._计算机集成制造系统(CIM)四、几个技术问题机械与电子的溶合方式机械电子的技术构成机电一体化的效果1、 机械与电子的溶合方式在机械本体上采用电子控制设备实现高性能 和多功能。如数控机床用电子技术部分地代替原来由机械组成的控 制部分，机械技术与电子技术最佳结合。如 电子照相机以电子技术几乎全部代替机械式的信息处理 机构，例如：电子表、按扭式电话机。机械部分比较简单，以电子部分开发为主的 电子与机械共存的产品，使机械结构大为简 化。如复印机械等。2、机械电子的技术构成n机电一体化系统 的构成可以由右 图形象地表示出 来。n广义构成：硬件 与软件n硬件：机械本体 、传感器、信息 处理单元和驱动 单元传感器执行机构动力人机交互设备计算机A、机械本体n为了发挥机电一体化的特长，机械本体 必须改善性能、减轻重量和提高精度。 (1)减轻重量 (2)提高刚性 (3)实现组件化、标准化和系列化 (4)提高系统整体的可靠性B、传感器n分类：检测自身内部信息传感器、检测对象 的外部信息传感器。模拟系统、数字系统（ 包括混合系统）等。n组成：由检测、转换、指示、信息处理、记 录等部分组成。n传感信息方式有：光、电、流体、机械等。n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。 n传感器的问题：集中在提高可靠性，灵敏度 和精确性方面。提高可靠性与抗干扰有直接 关系。 为了避免干扰，目前有采用光纤电缆传感 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。n传感器向高级方向发展，主要实现功能元件 化和智能化。 所谓功能元件化，就是用一片集成电路功 能元件，实现传感与信息处理一体化。 智能化就是发展具有自修功能的传感器。 C、信息处理技术n信息处理设备：包括计算机主机或可编 程控制器及其配套输入输出设备、显示 器和外部存储器。n存在问题：重量、处理速度、可靠性、 抗干扰及标准化。 D、驱动技术n动力源：液压、气动、电动三种n前两种驱动系统比较复杂。包括：泵、阀、 油缸（气缸）、过滤器、管路等。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。n电动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， 不能满足要求。今后有待于研制内装编码器 的电动机以及控制专用组件、传感器、电动 机三为一体的伺服驱动单元。E、接口技术n定义：将机电一体化产品各组成部分连 接起来的元件就是接口。n接口标准化：不仅给信息传送和维修上 带来方便，而且可以简化设计。n今后方向：研制成本低、高速串行接口 ，解决信号电缆非接触化，光导纤维以 及光耦合器的大容量化、小型化、标准 化等问题，积极引进光信号传输技术。F、软件与综合技术n软件与硬件如同一辆车子的两个轮子，必须 协调一致地发展，如果失去平衡车子就无法 前进。n软件标准化：减少研制成本，提高维修效率 。包括：子程序标准化、程序模块化、软件 程序的固化等。n应予以关注的的问题：数据库的建立，作业 描述语言的开发，语言理解、文字理解软件 等。n机电一体化产品是一个系统，存在着许 多综合技术问题。例如：由机械传动零件间隙造成的精度问题；机械零部件与电子元件相比响应速度慢 的问题；连接电缆与接线柱的可靠性问题；零件标准化、互换性、兼容性以及检测 自动化等问题。3、机电一体化的效果n机电一体化的效果：功能增多，体积减少，重量减轻，可靠性提高，性能价格比大大改善。A、性能提高、功能增强例如，过去精密机床采用的是机械校正，只能 校正机床的系统误差，现在数控机床，可克 服随机误差和系统误差，从而可以达到前所 未有的高精度。 调整切削阻尼，减少颤振，保证很高的生产率 与很高的加工表面光洁度。 粗加工与精加工工序集成，深刻地改变了传统 机床的结构布局，冲破了传统的机床按类别 的划分。B、结构简化n因采用微处理机、集成电路、新型传动技术 ，代替电气控制柜和传动装置，使产品体积 小，零部件数量减小，结构简化。例如：传统的电机控制靠用户，而实现机电一体化 后出现了无换向器电机，提高了电机寿命， 缩小了体积。“电脑”电动机用单片机控制电机的功率因 素，根据负荷情况调节施加的电压，从而解 决了不少电气传动中的“大马拉小车”问题 ，在空载提高效率3040，满载提高10。3. 矢量控制异步电动机，采用微型计算 机对交流异步电动机实现矢量控制，使 异步电机既具有直流电机一样的调节特 性，而且还具有结构简单、可靠、电机 容量不受限制、机械惯性小、体积小、 效率高等优点。C、可靠性提高性n在电子元件质量可靠性高的前提下，机 电一体化可以改善耐久性，减少故障。n机电一体化产品具有自动监视诊断、安 全联锁控制、过负荷及失控保护、停电 对策等，提高了安全可靠性 D、节约能源n机电一体化的产品，可以节约材料、节 约能源。例如：n我国目前各类电风扇的调整器为电磁机 械式，如果用电子式调整器每年全国可 节约电600万度；n汽油机电子点火；n液压挖掘机电子节能。E、改善操作n机电一体化产品采用计算机控制，具有 数字显示，减少了操作按扭及手柄，具 有程序控制等功能，因而可以改善设备 操作性能，减少训练操作人员时间。 F、 提高灵活性（柔性）n机电一体化产品具有更大的灵活性，可 以适应用户多样化的要求，是当代新技 术革命的一大趋向。n例如，柔性制造系统，和工业机器人对 于多品种小批量生产特别能发挥它的优 越性。五、先进械电系统举例n观看录相片：救火机器人系统（PAL，5分钟）机器人足球（NTSC ，45分钟）具有临场感提示的远距离操纵工程 机器人系统（NTSC ，15分钟）思考题什么是“机电一体化“？以打夯机为例，内含 机械与电气，问这是不是机电一体化产品？机电一体化产品由哪五部分构成？机电一体化的技术构成是什么？机电一体化技术中，机与电有几种溶合方式 ？产品实现机电一体化后，可以取得哪些成效 ？第二章 传感器及测量系统(1)吉林大学 机械电子工程学科 赵丁选2.1 传感器及测量系统概述 n在机电一体化产品中，传感器及测量系统是一个十 分重要的环节n是获取信息与处理信息的手段n只有在获得既准确又可靠的信息基础上，才能实现 自动化，节省能源和原材料，提高机器效率。n 信息采集与处理：模拟量数字量。A/D转换器 、D/A转换器。n发展趋势： (1)集成化：集成（传感器、放大器、运算器、补偿器等） ；组合（不同功能的传感器）；排列（成矩阵）。 (2)多功能化：如温度与湿度、气敏与湿度、速度与长度等 多功能传感器。 (3)智能化：不但能对外界信号进行转换与测量，同时还具 有记忆存储、运算及数据处理等功能。 (4)数字化：数字显示与微处理机的应用，使传感器应用更 为方便，可提高稳定性及精度，简化结构。2.2 模拟量传感器及测量电路 n传感器及测量电路：物理量、化学性能电信号 F（U，I，f）n模拟量传感：(1)直接传感器； (2)差动传感器（信 号相加，干扰相减）；(3)补偿传感器（抗干扰）。n模拟量传感器性能指标：精确度、稳定性、输入/输 出特性。图2-2-1模拟量传感器及其测量电路结构2018/8/162.2 模拟量传感器及测量电路352.3 模拟量传感器性能指标2.3.1精确度n精确度指标：共有三个：精密度、准确度、精度。n在工程上常用精度等级来表示传感器的精度（相对误 差）。n传感器的精度等级一般分为： 0.001,0.002,0.005,0.02,0.05,1.5,2.5,4.0,5.0和6.0。 2018/8/162.3 模拟量传感器性能指标362.3.2稳定性n传感器的稳定性有两个方面： (1)稳定度： 传感器的输出在所有条件恒定的情况下，于规 定的时间内，维持其值不变的能力。如：3.454mV/h。 (2)影响量： 传感器的输出在外界条件变化的情况下而引起 输出的变化量。例0.002mV/。2018/8/162.3 模拟量传感器性能指标372.3.3输入输出特性n分类：静特性、动特性。 1、静特性n定义：静特性是指输入量不随时间而变化，只考虑它 们之间的静态关系n静特