機(jī)電一體化概論

1、第一章 機(jī)電一體化概述1.1機(jī)電一體化的定義和基本概念1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和功能 1.3機(jī)電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))的種類1.4機(jī)電一體化的發(fā)展概況1.1機(jī)電一體化的定義和基本概念(1)機(jī)電一體化是在機(jī)械主功能、動(dòng)力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子設(shè)備以及相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。機(jī)電一體化：機(jī)電一體化技術(shù)和機(jī)電一體化產(chǎn)品。機(jī)電體化技術(shù)主要是由多種技術(shù)的有機(jī)地融合。機(jī)電一體化產(chǎn)品：機(jī)電一體化裝置、機(jī)電一體化系統(tǒng)等。1.1機(jī)電一體化的定義和基本概念(1)機(jī)電一體化共性的關(guān)鍵技術(shù)：自動(dòng)化控制技術(shù)；計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)；檢測與傳感器技術(shù)；執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)技術(shù)；精密機(jī)

2、械技術(shù)；總體設(shè)計(jì)技術(shù)；接口技術(shù)。1.1機(jī)電一體化的定義和基本概念(2)機(jī)電一體化產(chǎn)品的主要特征：基礎(chǔ)-精密機(jī)械產(chǎn)品核心-微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)控制的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 整體結(jié)構(gòu)的最佳化 系統(tǒng)控制的智能化 操作性能的柔性化1.1機(jī)電一體化的定義和基本概念(2)例1-1機(jī)械手組織教學(xué)建議：參觀機(jī)械手及其動(dòng)作，結(jié)合講授。 重點(diǎn)介紹機(jī)電一體化共性的各關(guān)鍵技術(shù)及其含義。1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和功能(1)基本結(jié)構(gòu)：機(jī)械部分、控制及信息處理部分、動(dòng)力部分、傳感檢測部分、驅(qū)動(dòng)部分等五個(gè)部分(或系統(tǒng))。傳感檢測部分-對(duì)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的各種參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢測，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)?？刂萍靶畔⑻幚聿?將來自傳感檢測

3、部分的檢測信號(hào)和外部輸入的指令進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、運(yùn)算、處理等，并根據(jù)處理結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和功能(1)驅(qū)動(dòng)部分-根據(jù)控制及信息處理部分送來的控制信號(hào)或指令驅(qū)動(dòng)各種執(zhí)行元件完成所規(guī)定的動(dòng)作和功能。機(jī)械部分-機(jī)床本體在驅(qū)動(dòng)部分作用下，完成相應(yīng)的傳遞任務(wù)。 動(dòng)力部分-向系統(tǒng)提供能量和動(dòng)力以確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。 例1-2平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和功能(2)自由度的概念自由度-各轉(zhuǎn)動(dòng)部位即各關(guān)節(jié)。機(jī)電一體化的系統(tǒng)(或產(chǎn)品)的主要功能：主功能。檢測功能。控制功能。動(dòng)力功能。構(gòu)造功能。1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和功能(2)組織教學(xué)建議：結(jié)合例1-2平

4、面關(guān)節(jié)型機(jī)械手，重點(diǎn)掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。 結(jié)合實(shí)物-機(jī)械手，介紹機(jī)電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。1.3機(jī)電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))的種類按功能來劃分：數(shù)控機(jī)械類；電子設(shè)備類；機(jī)電結(jié)合類；信息處理類；其它類。按用途來劃分：生產(chǎn)用類；運(yùn)輸、包裝及工程用類；存儲(chǔ)、銷售用類；社會(huì)服務(wù)性用類；家庭用類；科研及過程控制用類；其它用類。組織教學(xué)建議：在教學(xué)中結(jié)合日常生活和工作的實(shí)際例子進(jìn)行講授。1.4機(jī)電一體化的發(fā)展概況機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展歷史：萌芽階段、蓬勃發(fā)展階段、智能化階段等三個(gè)階段。機(jī)電一體化技術(shù)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的影響機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢智能化、系統(tǒng)化、高性能化等。組織教學(xué)建議：可結(jié)合實(shí)際例子教學(xué)。第二章 機(jī)電一體

5、化的相關(guān)技術(shù)2.1自動(dòng)化控制技術(shù)2.2檢測與傳感器技術(shù)2.3計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)2.4執(zhí)行及驅(qū)動(dòng)技術(shù)2.7接口技術(shù)2.1自動(dòng)化控制技術(shù)(1)概念主要部件-控制裝置(控制器)常見的控制裝置：繼電器控制裝置、半導(dǎo)體繼電器控制裝置、可編程控制器(計(jì)算機(jī))、變頻器等。2.1自動(dòng)化控制技術(shù)(1)繼電器控制繼電器控制裝-利用各種按鈕開關(guān)和電磁繼電器等元器件的觸點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)控制。半導(dǎo)體繼電器控制半導(dǎo)體繼電器-利用半導(dǎo)體器件(二極管、三極管、集成電路等)的特性和直流繼電器等器件來實(shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)的控制?？删幊炭刂破?工業(yè)計(jì)算機(jī))可編程序控制器-綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)等多種技術(shù)的而專門應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境下的控制裝置。2.

6、1自動(dòng)化控制技術(shù)(2)變頻器變頻器是一種將固定頻率的交流電變換成頻率、電壓均連續(xù)可調(diào)的交流電，以控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的裝置。變頻器-采用電力半導(dǎo)體器件(電力晶體管、絕緣柵雙極晶體管、智能功率模塊等)來實(shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)的控制。2.1自動(dòng)化控制技術(shù)(2)組織教學(xué)建議：通過例子和實(shí)物進(jìn)行教學(xué)。 結(jié)合實(shí)際進(jìn)行各種自動(dòng)化控制技術(shù)的簡單應(yīng)用(實(shí)訓(xùn))。 重點(diǎn)介紹各種自動(dòng)化控制技術(shù)的主要部件。2.2檢測與傳感器技術(shù)(1)概念主要部件-傳感器。傳感器結(jié)構(gòu)敏感元件、轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)、輸出電路等三個(gè)基本部分。2.2檢測與傳感器技術(shù)(1)常用的傳感器：位置傳感器-通過檢測或感受以確定被測物體是否達(dá)到所需的位置并輸出信號(hào)。位移傳感器-是將

7、線位移或角位移變換成相應(yīng)的信號(hào)輸出。 速度傳感器-將機(jī)械的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(即轉(zhuǎn)速)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)輸出。 角度傳感-將轉(zhuǎn)角的變化(即角位移)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信號(hào)輸出。 溫度傳感器-將溫度的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信號(hào)輸出。 光量傳感器-將光的數(shù)量(光線、光亮等)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信號(hào)輸出。 其它傳感器：力(壓力)、流量、磁場(霍爾)、超聲波、紅外線等。2.2檢測與傳感器技術(shù)(2)組織教學(xué)建議:通過例子和實(shí)物進(jìn)行教學(xué)。 重點(diǎn)介紹各種檢測與傳感器技術(shù)的主要部件。2.3計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)(1)機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制核心-計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)：工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程控制器、單片微型計(jì)算機(jī)等。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(工控機(jī)）-滿足工業(yè)環(huán)境

8、使用要求及與工業(yè)過程控制相聯(lián)系并可編程的數(shù)字計(jì)算機(jī)。工控機(jī)的特點(diǎn)?？删幊炭刂破?PLC-)-專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字邏輯運(yùn)算操作系統(tǒng)或工業(yè)用計(jì)算機(jī)。PLC的特點(diǎn)。單片微型計(jì)算機(jī)(單片機(jī)-在一塊芯片上集中了一臺(tái)計(jì)算機(jī)所具有基本部分(CPU、ROM、RAM、I/O接口、時(shí)鐘發(fā)生器等)的計(jì)算機(jī)。單片機(jī)的特點(diǎn)。2.3計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)(2)三種控制系統(tǒng)和控制方式的比較。信息處理技術(shù)和過程。例2-12組織教學(xué)建議:實(shí)物配合進(jìn)行教學(xué)。 重點(diǎn)介紹各種控制系統(tǒng)和控制方式的特點(diǎn)。2.4執(zhí)行及驅(qū)動(dòng)技術(shù)(1)概念驅(qū)動(dòng)執(zhí)行形式：電動(dòng)式、液壓式、氣動(dòng)式和其它等。電動(dòng)式(電磁式）-利用電磁線圈將電能轉(zhuǎn)換成電磁力

9、，再通過電磁力做功帶動(dòng)負(fù)載，從而使電能變換成機(jī)械運(yùn)動(dòng)。主要部件：伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、力矩電動(dòng)機(jī)等。2.4執(zhí)行及驅(qū)動(dòng)技術(shù)(1)各部件的基本原理、作用和特點(diǎn)。液壓式-利用電磁線圈(液壓泵)將電能變換成液壓能，再利用電磁閥(控制閥)來控制液壓的換向、壓力、流量等，進(jìn)而推動(dòng)負(fù)載，使液壓能量變換成機(jī)械運(yùn)動(dòng)(直線運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))。 液壓式的特點(diǎn)。 主要部件：動(dòng)力部件、執(zhí)行部件、控制部件、輔助部件等。 各部件的作用2.4執(zhí)行及驅(qū)動(dòng)技術(shù)(2)氣動(dòng)式-利用電磁線圈將電能變換成氣壓，再通過電磁閥來控制氣壓的換向、壓力等，然后推動(dòng)負(fù)載，從而使氣壓變換成機(jī)械運(yùn)動(dòng)。氣動(dòng)式的特點(diǎn)。主要部件：動(dòng)力部件、執(zhí)行部件、控制部

10、件、輔助部件等。 各部件的作用。 組織教學(xué) 建議：通過例子和實(shí)物進(jìn)行教學(xué)。 結(jié)合模擬系統(tǒng)進(jìn)行各種驅(qū)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)的工作過程和操作。 重點(diǎn)介紹各種驅(qū)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)的主要部件及其作用。*2.5精密機(jī)械技術(shù)概念主要部件-傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、執(zhí)行器等。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作用和功能-傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速(動(dòng)力和運(yùn)動(dòng))。常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：滾珠絲杠、同步帶、棘輪、諧波齒輪等。 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)*2.5精密機(jī)械技術(shù)作用和功能-支承和限制運(yùn)動(dòng)部件按給定的運(yùn)動(dòng)要求和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)。常用的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)：滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌、流體介質(zhì)摩擦導(dǎo)軌等。執(zhí)行器作用和功能-根據(jù)操作指令的要求在動(dòng)力源的帶動(dòng)下，完成預(yù)定的操作。常用的執(zhí)行器：機(jī)械夾持器、靈巧手、特種

11、末端執(zhí)行器。組織教學(xué)建議：在教學(xué)中盡量結(jié)合日常生活和工作的實(shí)際例子進(jìn)行講授。*2.6總體設(shè)計(jì)技術(shù)總體設(shè)計(jì)要求總體設(shè)計(jì)步驟動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)組織教學(xué)建議：在教學(xué)中盡量結(jié)合日常生活或工作中的一個(gè)實(shí)際例子進(jìn)行講授。2.7接口技術(shù)(1)概念：接口-指將機(jī)電一體化系統(tǒng)的各部分連接起來的連接電路。 設(shè)置接口電路的原因。 接口電路的主要作用、功能。 接口電路的類型：人機(jī)接口與機(jī)電接口兩大類。2.7接口技術(shù)(1)人機(jī)接口-指人與計(jì)算機(jī)之間建立聯(lián)系、實(shí)現(xiàn)交換、傳輸信息的輸入/輸出設(shè)備的控制電路。兩個(gè)任務(wù)：信息形式的轉(zhuǎn)換和信息傳輸?shù)目刂?。機(jī)電接口-指計(jì)算機(jī)與機(jī)械裝置或設(shè)備之間聯(lián)系的控制電路。作用：進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和功率放大。

12、抗干擾隔離。 進(jìn)行A/D或D/A轉(zhuǎn)換。2.7接口技術(shù)(2)其它接口(開關(guān)信號(hào)通道接口)DI接口。DO接口。組織教學(xué)建議：在教學(xué)中結(jié)合日常生活和工作的實(shí)際例子進(jìn)行講授。第三章 機(jī)電一體化的應(yīng)用舉例3.1工業(yè)機(jī)器人3.2數(shù)控設(shè)備3.3自動(dòng)生產(chǎn)流水線3.4自動(dòng)扶梯3.5全自動(dòng)洗衣機(jī)3.6柔性制造系統(tǒng)(FMS)3.1工業(yè)機(jī)器人概念：工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)涉及多種技術(shù)的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品。工業(yè)機(jī)器人就是擁有能夠自動(dòng)控制的手控功能和移動(dòng)功能，可以按照程序執(zhí)行各項(xiàng)作業(yè)的機(jī)器。結(jié)構(gòu)：控制裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和操作系統(tǒng)等。3.1工業(yè)機(jī)器人基本類型：組裝機(jī)器人/搬運(yùn)機(jī)器人/碼垛機(jī)器人/熱切割機(jī)器人/導(dǎo)軌機(jī)器人/焊接機(jī)器人等。

13、組織教學(xué)建議：在教學(xué)中盡量多結(jié)合實(shí)際例子或?qū)嵨镞M(jìn)行講授。3.2數(shù)控設(shè)備概念：數(shù)控設(shè)備(數(shù)控機(jī)床)-又稱為CNC機(jī)床。CNC機(jī)床-一種解決復(fù)雜形、面的零件的自動(dòng)化和一體化的生產(chǎn)設(shè)備。結(jié)構(gòu)組成：程序、輸入/輸出設(shè)備、CNC(計(jì)算機(jī)數(shù)字控制)裝置、PLC(可編程序控制器)、主軸控制系統(tǒng)、進(jìn)給伺服控制系統(tǒng)、位置檢測器及機(jī)床本體等。3.2數(shù)控設(shè)備種類：數(shù)控車床/數(shù)控銑床/數(shù)控磨床/數(shù)控鏜床/數(shù)控鉆床/數(shù)控加工中心/數(shù)控線切割機(jī)床/數(shù)控電火花加工機(jī)床等。組織教學(xué)建議：在教學(xué)中盡量多結(jié)合實(shí)際例子或?qū)嵨镞M(jìn)行講授。3.3自動(dòng)生產(chǎn)流水線概念自動(dòng)生產(chǎn)線-由零件或工件傳送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)及將一組自動(dòng)機(jī)床和輔助設(shè)備按照工

14、藝順序聯(lián)結(jié)起來，自動(dòng)地完成產(chǎn)品全部或部分制造過程的生產(chǎn)系統(tǒng)。種類 不同的工作性質(zhì)有不同的自動(dòng)生產(chǎn)線。3.3自動(dòng)生產(chǎn)流水線特例-模塊化生產(chǎn)加工系統(tǒng)(MPS系統(tǒng))MPS系統(tǒng)-是集機(jī)械、電子、傳感器、氣動(dòng)、通信為一體高度集成的機(jī)電一體化裝置。MPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：工作站、檢測裝置、控制裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。 組織教學(xué) 建議：在教學(xué)中盡量多結(jié)合實(shí)際例子或?qū)嵨镞M(jìn)行講授。3.4自動(dòng)扶梯簡介：自動(dòng)扶梯是一種設(shè)置在建筑物樓層之間或?qū)用骈g連續(xù)運(yùn)載人員的運(yùn)輸工具。由于其結(jié)構(gòu)組成是機(jī)電一體化的系統(tǒng)，所以屬于典型的機(jī)電一體化設(shè)備。結(jié)構(gòu)：帶式輸送機(jī)構(gòu)、控制裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和保護(hù)裝置等。組織教學(xué)建議：在教學(xué)中盡量多結(jié)合實(shí)際例子或?qū)嵨锘蛲ㄟ^參觀現(xiàn)場進(jìn)行講授。3.5全自動(dòng)洗衣機(jī)簡介：全自動(dòng)洗衣機(jī)是廣泛應(yīng)用于家用電器中典型的機(jī)電一體化設(shè)備。種類：波輪式、滾筒式、攪拌式等。洗衣基本原理基本結(jié)構(gòu)：洗滌系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、脫水系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、箱體與支撐機(jī)構(gòu)等。3.5全自動(dòng)洗衣機(jī)新型洗衣機(jī)-模糊洗衣機(jī)幾個(gè)概念：模糊邏輯、控制原理、模糊控制推理系統(tǒng)、推理規(guī)則等。組織教學(xué)建議：在教學(xué)中盡量多結(jié)合實(shí)際例子或?qū)嵨镞M(jìn)行講授。3.6柔性制造系統(tǒng)(FMS)概念：FMS是由一組數(shù)字控制加工設(shè)備(數(shù)控機(jī)床)和計(jì)算機(jī)信息控