機電一體化概論 1

1、跳轉(zhuǎn)到第一頁 機電一體化系統(tǒng)概論機電一體化系統(tǒng)概論 賈賈 茜茜 工工 業(yè)業(yè) 中中 心心 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics 第第1章章 緒緒 論論 1.1 機電一體化的概念機電一體化的概念 1.2 機電一體化的組成機電一體化的組成 1.3 機電一體化的應(yīng)用實例機電一體化的應(yīng)用實例 1.4 機電一體化的發(fā)展機電一體化的發(fā)展 1.5 本課程的學(xué)習方法本課程的學(xué)習方法 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics 1.1 機電一體化的概念機電一體化的概念 q“機電一體化機電一體化”的英文的英文“Mechatronics”,

2、”, 它是取自它是取自Mechanics（機械學(xué)）的前半部分（機械學(xué)）的前半部分 和和Electronics（電子學(xué)）的后半部分組合在電子學(xué)）的后半部分組合在 一起而創(chuàng)造出來的。一起而創(chuàng)造出來的。 q最早出現(xiàn)在最早出現(xiàn)在19711971年日本的年日本的機械設(shè)計機械設(shè)計雜志雜志 的副刊上，后來隨著機電一體化技術(shù)的發(fā)展的副刊上，后來隨著機電一體化技術(shù)的發(fā)展 而被廣泛用而被廣泛用 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics 1.1.1 機電一體化的定義機電一體化的定義 q日本日本 1 1）學(xué)者渡邊茂提出：機電一體化是機械工）學(xué)者渡邊茂提出：機電一體化是機械工 程中

3、采用微電子技術(shù)的體現(xiàn)。程中采用微電子技術(shù)的體現(xiàn)。 2 2）法納克公司的小島利夫認為：機電一體）法納克公司的小島利夫認為：機電一體 化是機械學(xué)與電子學(xué)有機結(jié)合而提供的更化是機械學(xué)與電子學(xué)有機結(jié)合而提供的更 為優(yōu)越的一種技術(shù)。為優(yōu)越的一種技術(shù)。 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics 3 3）19831983年，日本機械振興協(xié)會經(jīng)濟研究所年，日本機械振興協(xié)會經(jīng)濟研究所 提出：機電一體化乃是在機械的主功能、提出：機電一體化乃是在機械的主功能、 動力功能、信息與控制功能上引進微電子動力功能、信息與控制功能上引進微電子 技術(shù)，并將機械裝置與電子裝置用相關(guān)軟技術(shù)，并

4、將機械裝置與電子裝置用相關(guān)軟 件有機結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。該定義被件有機結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。該定義被 大家普遍接受。大家普遍接受。 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics q美國美國 19961996年，美國電年，美國電氣氣和電子工程師學(xué)會和電子工程師學(xué)會/ /機械機械 工程協(xié)會（工程協(xié)會（IEEE/ASMEIEEE/ASME）把機電一體化定義）把機電一體化定義 為：在工業(yè)產(chǎn)品和過程的設(shè)計和制造中，為：在工業(yè)產(chǎn)品和過程的設(shè)計和制造中， 機械工程和電子與智能計算機控制的協(xié)同機械工程和電子與智能計算機控制的協(xié)同 集成。集成。 機電一體化概論 An Intr

5、oduction to Mechatronics q中國中國 1 1）廣義上：機械工程與電子工程相結(jié)合的技）廣義上：機械工程與電子工程相結(jié)合的技 術(shù)，以及應(yīng)用這些技術(shù)的機械電子裝置。術(shù)，以及應(yīng)用這些技術(shù)的機械電子裝置。 2 2）狹義上：機械的電子化或者電子機械工程）狹義上：機械的電子化或者電子機械工程 q以上說法角度不同，側(cè)重點不同，但都強調(diào)以上說法角度不同，側(cè)重點不同，但都強調(diào) 機與電的有機結(jié)合的思想。機與電的有機結(jié)合的思想。 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics q機電一體化技術(shù)是一門跨學(xué)科的綜合性技術(shù)機電一體化技術(shù)是一門跨學(xué)科的綜合性技術(shù), 是一

6、門獨立是一門獨立 的交叉學(xué)科。的交叉學(xué)科。 q機電一體化是動力、傳動、控制、信息等技術(shù)有機結(jié)合的機電一體化是動力、傳動、控制、信息等技術(shù)有機結(jié)合的 系統(tǒng)集成。簡單地說，系統(tǒng)集成。簡單地說，機電一體化就是機械技術(shù)與電子技機電一體化就是機械技術(shù)與電子技 術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是機械裝置與電子裝置的軟硬件集成術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是機械裝置與電子裝置的軟硬件集成。 機電一體化 機 械 電 子 控 制 信 息 力學(xué) 材料學(xué) 液壓與氣動 機械制造 機械設(shè)計 生產(chǎn)工藝 電子電路 電氣工程學(xué) 微電子 光學(xué) 機器人學(xué) 測試技術(shù) 傳感技術(shù) 系統(tǒng)工程 計算機技術(shù) 信息技術(shù) 通信工程 機電一體化概論 An Introducti

7、on to Mechatronics 1.原來原來僅由機械機構(gòu)僅由機械機構(gòu)實現(xiàn)運動的裝置，通過與實現(xiàn)運動的裝置，通過與 電子技術(shù)相結(jié)合來實現(xiàn)同樣運動的新裝置。電子技術(shù)相結(jié)合來實現(xiàn)同樣運動的新裝置。 發(fā)條式鐘表發(fā)條式鐘表 - 石英鐘表石英鐘表 手動照相機手動照相機 - 自動照相機自動照相機 機械水龍頭機械水龍頭 - 電子感應(yīng)水龍頭電子感應(yīng)水龍頭 機械調(diào)速器機械調(diào)速器 - 電子調(diào)速器電子調(diào)速器 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics 2.原來原來由人來判斷和操作由人來判斷和操作的設(shè)備，變?yōu)橛傻脑O(shè)備，變?yōu)橛?機器進行判斷實現(xiàn)無人操作的設(shè)備。機器進行判斷實現(xiàn)無人

8、操作的設(shè)備。 售貨員售貨員 - 自動售貨機自動售貨機 出納員出納員 - 自動柜員機自動柜員機(ATM) 售票員售票員 - IC卡讀卡機卡讀卡機 檢票員檢票員 - 自動檢票機自動檢票機 加油員加油員 -自動加油機自動加油機 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics 3.原來由人工值守操作，改為按照原來由人工值守操作，改為按照程序程序?qū)崿F(xiàn)實現(xiàn) 靈活運動的設(shè)備。靈活運動的設(shè)備。 人工電話接轉(zhuǎn)人工電話接轉(zhuǎn) - 程控電話程控電話 普通機床普通機床 - 數(shù)控機床數(shù)控機床 q現(xiàn)代化的自動生產(chǎn)設(shè)備幾乎都是機電一體化現(xiàn)代化的自動生產(chǎn)設(shè)備幾乎都是機電一體化 的設(shè)備。機電一體化

9、技術(shù)使的設(shè)備。機電一體化技術(shù)使冷冰冰的機器有冷冰冰的機器有 了人性化、智能化。了人性化、智能化。 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics 機電一體化的應(yīng)用機電一體化的應(yīng)用 q人們生活的人們生活的吃、穿、住、用、行吃、穿、住、用、行都離不開機電都離不開機電 一體化。一體化。 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics 采棉機采棉機 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics q機電一體化技術(shù)在機電一體化技術(shù)在制造業(yè)制造業(yè)的應(yīng)用從一般的數(shù)的應(yīng)用從一般的數(shù) 控機床、機械手，發(fā)展到智能機器人

10、、柔性控機床、機械手，發(fā)展到智能機器人、柔性 制造系統(tǒng)制造系統(tǒng)(FMS)(FMS)、無人生產(chǎn)車間和將設(shè)計、制、無人生產(chǎn)車間和將設(shè)計、制 造、銷售、管理集于一體的計算機集成制造造、銷售、管理集于一體的計算機集成制造 系統(tǒng)系統(tǒng)(CIMS)(CIMS)。 q機電一體化技術(shù)是其他高新技術(shù)發(fā)展的機電一體化技術(shù)是其他高新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)基礎(chǔ), , 機電一體化的發(fā)展機電一體化的發(fā)展依賴依賴于其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)于其他相關(guān)技術(shù)的發(fā) 展。展。 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics 1.1.2 機電一體化的分類機電一體化的分類 q1. 1. 按產(chǎn)品的按產(chǎn)品的功能原理功能原理:

11、: （1 1）數(shù)控機械類）數(shù)控機械類 （機械裝置機械裝置） （2 2）電子設(shè)備類）電子設(shè)備類 （電子裝置電子裝置） （3 3）機電結(jié)合類）機電結(jié)合類 CT （機械、電子相結(jié)合機械、電子相結(jié)合） （4 4）電液伺服類）電液伺服類 （液壓驅(qū)動的機械裝置液壓驅(qū)動的機械裝置） （5 5）信息控制類）信息控制類 (動作由所接收的信息控制動作由所接收的信息控制) ) 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics q2. 2. 按產(chǎn)品技術(shù)的按產(chǎn)品技術(shù)的系統(tǒng)化程度系統(tǒng)化程度: : （1 1）大型成套設(shè)備）大型成套設(shè)備 （2 2）數(shù)控機械）數(shù)控機械 （3 3）儀器儀表）儀器儀表

12、 （4 4）辦公自動化系統(tǒng)）辦公自動化系統(tǒng) 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics q3.3.按產(chǎn)品的按產(chǎn)品的服務(wù)對象領(lǐng)域服務(wù)對象領(lǐng)域: : 工業(yè)生產(chǎn)類、運輸包裝類、儲存銷售類、工業(yè)生產(chǎn)類、運輸包裝類、儲存銷售類、 社會服務(wù)類、家庭日用類、科研儀器類、社會服務(wù)類、家庭日用類、科研儀器類、 國防武器類等。國防武器類等。 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics q4.4.按按機電技術(shù)的結(jié)合程度機電技術(shù)的結(jié)合程度: : （1 1）功能附加型）功能附加型 （2 2）功能替代型）功能替代型 （3 3）機電融合型）機電融合型

13、機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics 1.1.3 機電一體化的特點機電一體化的特點 q結(jié)構(gòu)簡單，操作方便結(jié)構(gòu)簡單，操作方便 q速度快、精度高速度快、精度高 q可靠性高可靠性高 q柔性好柔性好 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics 1.2 機電一體化的組成機電一體化的組成 q并非有了電氣電子之后才發(fā)展了控制技術(shù)。并非有了電氣電子之后才發(fā)展了控制技術(shù)。 q機械傳動機構(gòu)發(fā)明應(yīng)用的同時，控制技術(shù)就產(chǎn)生了，如機械傳動機構(gòu)發(fā)明應(yīng)用的同時，控制技術(shù)就產(chǎn)生了，如:漏漏 壺、指南車等。壺、指南車等。 單只及多級單只及多級漏壺漏壺

14、 指南車指南車 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics 機械機械/ /氣動氣動/ /液壓傳動與控制液壓傳動與控制 機械傳動與控制機械傳動與控制 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics 現(xiàn)代系統(tǒng)現(xiàn)代系統(tǒng) 早期系統(tǒng)早期系統(tǒng) 早期的電氣控制就是在電路當中增加了電器開關(guān)或繼電器等，來控早期的電氣控制就是在電路當中增加了電器開關(guān)或繼電器等，來控 制電機或液壓、氣動元件的電路，使其產(chǎn)生相應(yīng)的動作。制電機或液壓、氣動元件的電路，使其產(chǎn)生相應(yīng)的動作。 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics

15、1.2.1 機電一體化系統(tǒng)的基本組成及功能機電一體化系統(tǒng)的基本組成及功能 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics (1)(1)機械單元機械單元 包括包括機械傳動裝置機械傳動裝置和和機械結(jié)構(gòu)裝置機械結(jié)構(gòu)裝置，相當于人，相當于人 體的體的運動器官運動器官。主要功能：使系統(tǒng)各組成單元、零。主要功能：使系統(tǒng)各組成單元、零 部件按照一定的空間和時間關(guān)系安裝在一定位置上部件按照一定的空間和時間關(guān)系安裝在一定位置上 ，并保持特定的關(guān)系。，并保持特定的關(guān)系。 (2)(2)檢測單元檢測單元 包括各類包括各類傳感器、變送器傳感器、變送器，相當于人體的，相當于人體的感覺感覺

16、器官器官。主要功能：對系統(tǒng)所需的本身和外界的參數(shù)。主要功能：對系統(tǒng)所需的本身和外界的參數(shù) 及狀態(tài)進行檢查，送給控制單元。及狀態(tài)進行檢查，送給控制單元。 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics (3)(3)控制單元控制單元 包括包括微型計算機、微型計算機、PLCPLC、邏輯電路、接口、邏輯電路、接口 等，是機電一體化系統(tǒng)的核心部分，相當于人等，是機電一體化系統(tǒng)的核心部分，相當于人 體的體的大腦大腦。主要功能：采集傳感器數(shù)據(jù)，對外。主要功能：采集傳感器數(shù)據(jù)，對外 部輸入信息進行存儲、分析、判斷、決策，根部輸入信息進行存儲、分析、判斷、決策，根 據(jù)處理結(jié)果向執(zhí)

17、行元件及驅(qū)動單元發(fā)送控制指據(jù)處理結(jié)果向執(zhí)行元件及驅(qū)動單元發(fā)送控制指 令，實現(xiàn)人機交互。令，實現(xiàn)人機交互。 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics (4)(4)伺服與驅(qū)動單元伺服與驅(qū)動單元 包括包括伺服元件及其驅(qū)動伺服元件及其驅(qū)動，相當于人體的，相當于人體的肌肉肌肉。 主要功能：根據(jù)控制信息和指令完成要求的動作，主要功能：根據(jù)控制信息和指令完成要求的動作， 一般可采用位置、速度和力矩三種控制方式。一般可采用位置、速度和力矩三種控制方式。 接口接口是控制單元與外部設(shè)備的連接元件，是控是控制單元與外部設(shè)備的連接元件，是控 制單元與外部設(shè)備進行信息交換的中轉(zhuǎn)站。

18、主要功制單元與外部設(shè)備進行信息交換的中轉(zhuǎn)站。主要功 能：執(zhí)行控制單元命令、返回外設(shè)狀態(tài)、數(shù)據(jù)緩沖能：執(zhí)行控制單元命令、返回外設(shè)狀態(tài)、數(shù)據(jù)緩沖 、設(shè)備尋址、信號轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)寬度與格式轉(zhuǎn)換等。、設(shè)備尋址、信號轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)寬度與格式轉(zhuǎn)換等。 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics 1.2.2 機電一體化的相關(guān)技術(shù)機電一體化的相關(guān)技術(shù) q機械設(shè)計與制造技術(shù)機械設(shè)計與制造技術(shù) q計算機與信息處理技術(shù)計算機與信息處理技術(shù) q傳感器技術(shù)傳感器技術(shù) q軟件技術(shù)軟件技術(shù) q通信技術(shù)通信技術(shù) q驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動技術(shù) q自動控制技術(shù)自動控制技術(shù) q系統(tǒng)技術(shù)系統(tǒng)技術(shù) 機電一體化概論 A

19、n Introduction to Mechatronics 1.3 機電一體化的應(yīng)用實例機電一體化的應(yīng)用實例 1.3.1 自控式恒溫箱自控式恒溫箱 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics 1.3.2 電子燃油噴射系統(tǒng)電子燃油噴射系統(tǒng) 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics q針對針對降低燃料費用和減少廢氣降低燃料費用和減少廢氣排放而開發(fā)應(yīng)排放而開發(fā)應(yīng) 用的用的發(fā)動機微機控制系統(tǒng)發(fā)動機微機控制系統(tǒng)進行介紹進行介紹。 q 空氣空氣燃料比的

20、控制燃料比的控制 q當空氣燃料比增大時，燃料稀薄，點火困難當空氣燃料比增大時，燃料稀薄，點火困難 ；反之，由于氧氣不足，所排放的氣體中沒；反之，由于氧氣不足，所排放的氣體中沒 有充分燃燒的碳化氫（有充分燃燒的碳化氫（HCHC）和一氧化碳（）和一氧化碳（COCO ）含量增加，既浪費燃料又污染環(huán)境。因此）含量增加，既浪費燃料又污染環(huán)境。因此 ，將空氣燃料比控制在最佳狀態(tài)非常重要。，將空氣燃料比控制在最佳狀態(tài)非常重要。 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics 汽車發(fā)動機電子控制系統(tǒng)原理簡圖汽車發(fā)動機電子控制系統(tǒng)原理簡圖 廢氣廢氣 再循再循 環(huán)環(huán) 機電一體化概論

21、 An Introduction to Mechatronics q從各個傳感器得到的模擬電壓信號和從發(fā)從各個傳感器得到的模擬電壓信號和從發(fā) 動機輸出軸得到的脈沖信號都輸入發(fā)動機動機輸出軸得到的脈沖信號都輸入發(fā)動機 控制單元（控制單元（ECUECU）。以這些信息為基礎(chǔ)，在）。以這些信息為基礎(chǔ)，在 ECUECU內(nèi)對最佳空氣燃料比、點火時間、排氣內(nèi)對最佳空氣燃料比、點火時間、排氣 再循環(huán)率等進行計算，結(jié)果作為控制再循環(huán)率等進行計算，結(jié)果作為控制燃料燃料 噴射閥噴射閥和和點火裝置點火裝置等的驅(qū)動信號輸出。等的驅(qū)動信號輸出。 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronic

22、s 1.3.3 ETC1.3.3 ETC不停車收費系統(tǒng)不停車收費系統(tǒng) 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics 電子標簽讀寫天線通電子標簽讀寫天線通 過過RS232RS232串口電纜連串口電纜連 接到位于收費亭的車接到位于收費亭的車 道計算機上。其他設(shè)道計算機上。其他設(shè) 備如自動欄桿、費額備如自動欄桿、費額 顯示器、車道通行燈顯示器、車道通行燈 等則通過車道控制器等則通過車道控制器 與車道計算機連接。與車道計算機連接。 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics qETCETC系統(tǒng)工作流程系統(tǒng)工作流程 (1)(1)車輛進

23、入通訊范圍，首先壓到車輛進入通訊范圍，首先壓到觸發(fā)線圈觸發(fā)線圈，啟，啟 動讀寫天線；動讀寫天線； (2)(2)讀寫天線讀寫天線與電子標簽通訊與電子標簽通訊，判別車輛電子標，判別車輛電子標 簽是否有效，有效則進行交易；無效則報警簽是否有效，有效則進行交易；無效則報警 并保持車道封閉，直到車輛離開電子線圈；并保持車道封閉，直到車輛離開電子線圈； (3)(3)如如交易成功交易成功，系統(tǒng)控制欄桿抬升，通行信號，系統(tǒng)控制欄桿抬升，通行信號 燈變綠，費額顯示牌上顯示交易信息；燈變綠，費額顯示牌上顯示交易信息； 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics (4)(4)車輛

24、通過車輛通過抓拍線圈抓拍線圈時，系統(tǒng)進行圖像抓拍；時，系統(tǒng)進行圖像抓拍； (5)(5)車輛通過車輛通過落桿線圈落桿線圈后，欄桿自動回落，通行后，欄桿自動回落，通行 信號燈變紅色；信號燈變紅色； (6)(6)系統(tǒng)保存交易記錄，并將其上傳至收費站服系統(tǒng)保存交易記錄，并將其上傳至收費站服 務(wù)器中，等待下一輛車進入。務(wù)器中，等待下一輛車進入。 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics 1.4 機電一體化的發(fā)展機電一體化的發(fā)展 1.4.1 1.4.1 機電一體化的發(fā)展歷史機電一體化的發(fā)展歷史 1 1初級階段（初級階段（19601960年以前）年以前） 2 2蓬勃發(fā)展

25、階段（蓬勃發(fā)展階段（1970198019701980年）年） 3 3智能化階段（智能化階段（19901990年至今）年至今） 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics 1.4.2 1.4.2 機電一體化的發(fā)展趨勢機電一體化的發(fā)展趨勢 機電一體化是機械、電子、光學(xué)、控制、計機電一體化是機械、電子、光學(xué)、控制、計 算機、信息等多學(xué)科的交叉融合算機、信息等多學(xué)科的交叉融合, ,它的發(fā)展和進它的發(fā)展和進 步依賴于也促進了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進步。因此步依賴于也促進了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進步。因此 , ,機電一體化的主要發(fā)展方向為智能化、模塊化機電一體化的主要發(fā)展方向為智能

26、化、模塊化 、網(wǎng)絡(luò)化、人格化、微型化、系統(tǒng)化、綠色化。、網(wǎng)絡(luò)化、人格化、微型化、系統(tǒng)化、綠色化。 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics 1.5 本課程的學(xué)習方法本課程的學(xué)習方法 1.5.1 本課程的本課程的目的目的 本課程之前已經(jīng)學(xué)習了很多專業(yè)課程：數(shù)控本課程之前已經(jīng)學(xué)習了很多專業(yè)課程：數(shù)控 加工技術(shù)、數(shù)控原理與系統(tǒng)、機床電氣與加工技術(shù)、數(shù)控原理與系統(tǒng)、機床電氣與PLCPLC、單、單 片機等等。這些課程都是針對某一非常具體的技片機等等。這些課程都是針對某一非常具體的技 術(shù)，是實際應(yīng)用的不同方面。術(shù)，是實際應(yīng)用的不同方面。 本課程是以各學(xué)科為基礎(chǔ)的綜合性

27、課程。它本課程是以各學(xué)科為基礎(chǔ)的綜合性課程。它 從從系統(tǒng)的角度系統(tǒng)的角度分析研究生產(chǎn)實際中的機電一體化分析研究生產(chǎn)實際中的機電一體化 設(shè)備及設(shè)計方法。從而使大家從系統(tǒng)的層面對機設(shè)備及設(shè)計方法。從而使大家從系統(tǒng)的層面對機 電一體化設(shè)備及設(shè)計方法有整體而深刻的認識。電一體化設(shè)備及設(shè)計方法有整體而深刻的認識。 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics 1.5.2 1.5.2 本課程的任務(wù)本課程的任務(wù) 引領(lǐng)讀者引領(lǐng)讀者 n了解機電一體化系統(tǒng)組成及其基本功了解機電一體化系統(tǒng)組成及其基本功能能 n掌握掌握機電一體化系統(tǒng)基本原理、總體布局、各組機電一體化系統(tǒng)基本原理、總體布局、各組 成單元及接口、機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計方法。成單元及接口、機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計方法。 機電一體化概論 An Introduction to Mechatronics 1.5.31.5.3課程的