機(jī)電一體化典型設(shè)備簡介

Mechatronics=

Mechanics+Electronics

1.3.1機(jī)電一體化概述1、機(jī)電一體化名稱的由來

第一頁，共54頁。第一頁，共54頁。1971年，日本《機(jī)械設(shè)計》雜志副刊1976年，一種以廣告為主，專門刊載“機(jī)電一體化”新產(chǎn)品的雜志《MechatronicsDesignNews》在日本正式發(fā)行。80年代中期，“Mechatronics”開始在歐美各地使用，這個日本人創(chuàng)造的英文單詞開始在世界范圍內(nèi)得到普遍承認(rèn)和接受。第二頁，共54頁。第二頁，共54頁。1981年“日本機(jī)械振興協(xié)會經(jīng)濟(jì)研究所”對機(jī)電一體化的解釋：“機(jī)電一體化是在機(jī)械主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱”第三頁，共54頁。第三頁，共54頁。機(jī)電一體化是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，綜合運(yùn)用機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測試技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、信號變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)目標(biāo)，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實現(xiàn)特定功能價值并使整個系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術(shù)。

第四頁，共54頁。第四頁，共54頁。由此而產(chǎn)生的功能系統(tǒng)成為一個以微電子技術(shù)為主導(dǎo)，在現(xiàn)代高新技術(shù)支持下的機(jī)電一體化系統(tǒng)或機(jī)電一體化產(chǎn)品。機(jī)電一體化涵蓋“技術(shù)”和“產(chǎn)品”兩個方面。第五頁，共54頁。第五頁，共54頁。根本區(qū)別:機(jī)電一體化技術(shù)是基于各種群體技術(shù)有機(jī)融合的一種綜合性技術(shù)，而不是機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)以及其它新技術(shù)的簡單組合、拼湊。機(jī)電一體化技術(shù)機(jī)電一體化與機(jī)械電氣化的區(qū)別？第六頁，共54頁。第六頁，共54頁。

主要區(qū)別為:①電氣機(jī)械在設(shè)計過程中不考慮或少考慮電器與機(jī)械的內(nèi)在聯(lián)系，基本上是根據(jù)機(jī)械的要求，選用相應(yīng)的驅(qū)動電機(jī)或電氣傳動裝置；

②機(jī)械和電氣裝置之間界限分明，它們之間的聯(lián)結(jié)以機(jī)械聯(lián)結(jié)為主，整個裝置是剛性的；

③裝置所需的控制以基于電磁學(xué)原理的各種電器，如接觸器、繼電器等來實現(xiàn)，屬強(qiáng)電范疇，其主要支撐技術(shù)是電工技術(shù)。機(jī)電一體化技術(shù)機(jī)電一體化與機(jī)械電氣化的區(qū)別？第七頁，共54頁。第七頁，共54頁。第八頁，共54頁。第八頁，共54頁。機(jī)電一體化產(chǎn)品不僅是人的體力放大，還是人的肢體和感官與頭腦的延伸，具有“智能化”的特征是機(jī)電一體化與機(jī)械電氣化在功能上的本質(zhì)差別。二、機(jī)電一體化產(chǎn)品及分類第九頁，共54頁。第九頁，共54頁。機(jī)電一體化產(chǎn)品既不同于傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品，也不同于普通的電子產(chǎn)品，它是機(jī)械系統(tǒng)和微電子系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，從而賦予新功能和性能的一種新產(chǎn)品。

機(jī)電一體化產(chǎn)品的特點是產(chǎn)品功能的實現(xiàn)是由所有功能單元共同作用的結(jié)果。第十頁，共54頁。第十頁，共54頁。1）按用途分類2）按執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同

數(shù)控機(jī)械類電子設(shè)備類機(jī)電結(jié)合類電液伺服類信息控制類第十一頁，共54頁。第十一頁，共54頁。①數(shù)控機(jī)械類

主要產(chǎn)品為數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)和自動洗衣機(jī)等。其特點為執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)械裝置。第十二頁，共54頁。第十二頁，共54頁。電子設(shè)備類主要產(chǎn)品為電火花加工機(jī)床、線切割加工機(jī)床、超聲波縫紉機(jī)和激光測量儀等。其特點為執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電子裝置。第十三頁，共54頁。第十三頁，共54頁。機(jī)電結(jié)合類主要產(chǎn)品為自動探傷機(jī)、形狀識別裝置和CT掃描儀、自動售貨機(jī)等。其特點為執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)械和電子裝置的有機(jī)結(jié)合。第十四頁，共54頁。第十四頁，共54頁。電液伺服類主要產(chǎn)品為機(jī)電一體化的伺服裝置。其特點為執(zhí)行機(jī)構(gòu)是液壓驅(qū)動的機(jī)械裝置，控制機(jī)構(gòu)是接受電信號的液壓伺服閥。第十五頁，共54頁。第十五頁，共54頁。信息控制類主要產(chǎn)品為電報機(jī)、磁盤存儲器、磁帶錄像機(jī)、錄音機(jī)以及復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等辦公自動化設(shè)備。其主要特點為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作完全由所接收的信息類控制。第十六頁，共54頁。第十六頁，共54頁。3）按機(jī)電結(jié)合程度

功能附加型功能替代型機(jī)電融合型第十七頁，共54頁。第十七頁，共54頁。①功能附加型主要特征是在原有機(jī)械產(chǎn)品基礎(chǔ)上，采用微電子技術(shù)，使產(chǎn)品功能增加和增強(qiáng)，性能得到適當(dāng)提高

比如經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床、電子秤、數(shù)顯量具、全自動洗衣機(jī)第十八頁，共54頁。第十八頁，共54頁。主要特征是在采用微電子技術(shù)及裝置取代原產(chǎn)品中的機(jī)械式控制功能、信息處理功能或主功能，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡化，性能提高，柔性增加。比如電子縫紉機(jī)、自動照相機(jī)、電子石英鐘、電子式電話交換機(jī)、線切割加工機(jī)床、激光手術(shù)器等。第十九頁，共54頁。第十九頁，共54頁。主要特征是根據(jù)產(chǎn)品的功能和性能要求及技術(shù)規(guī)范，采用專門設(shè)計的或具有特定用途的集成電路來實現(xiàn)產(chǎn)品中的控制和信息處理等功能，因而使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計靈活、成本降低。比如傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、攝像機(jī)、磁盤驅(qū)動器、CNC數(shù)控機(jī)床第二十頁，共54頁。第二十頁，共54頁。

一個較完善的機(jī)電一體系統(tǒng)一般包括以下五大基本要素：機(jī)械本體動力系統(tǒng)傳感檢測單元執(zhí)行裝置傳感與檢測系統(tǒng)信息處理及控制系統(tǒng)第二十一頁，共54頁。第二十一頁，共54頁。第二十二頁，共54頁。第二十二頁，共54頁。第二十三頁，共54頁。第二十三頁，共54頁。(內(nèi)臟)(手足)(骨骼)(感官)(大腦)第二十四頁，共54頁。第二十四頁，共54頁。用于支撐和連接其他要素，是機(jī)電系統(tǒng)必要的組成部分。包括機(jī)身、床身、殼體等。追求目標(biāo)：通過采用新工藝、新材料、新結(jié)構(gòu)，達(dá)到高效、可靠、節(jié)能、小型、輕量、美觀等要求。機(jī)械系統(tǒng)開發(fā)的重點是模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化第二十五頁，共54頁。第二十五頁，共54頁。動力系統(tǒng)按照系統(tǒng)控制要求，為系統(tǒng)提供能量和動力，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成預(yù)定主功能。根據(jù)動力源的不同，可分為液壓式、氣壓式、電氣式等類型。追求目標(biāo)：高效率、快速響應(yīng)特性、高適應(yīng)性和可靠性。第二十六頁，共54頁。第二十六頁，共54頁。在系統(tǒng)運(yùn)行中對系統(tǒng)本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢測，并把被檢測信號轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號（電壓、電流、頻率和脈沖等），為信息處理及控制系統(tǒng)提供所需信息。組成：傳感器和信號檢測電路。追求目標(biāo)：高精度、抗干擾、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、體積小、安裝維護(hù)容易。第二十七頁，共54頁。第二十七頁，共54頁。接受傳感與檢測系統(tǒng)反饋的信息，并對其進(jìn)行相應(yīng)處理、運(yùn)算、決策，根據(jù)處理結(jié)果，按照一定的規(guī)則發(fā)出相應(yīng)的控制信號，控制整個系統(tǒng)按要求實現(xiàn)有序地運(yùn)行。它是機(jī)電一體化系統(tǒng)的核心單元，由硬件和軟件及相應(yīng)接口組成。追求目標(biāo)：高可靠性、高速、抗干擾能力強(qiáng)第二十八頁，共54頁。第二十八頁，共54頁。根據(jù)控制系統(tǒng)的控制信息和指令，實現(xiàn)產(chǎn)品的主功能。執(zhí)行裝置一般是運(yùn)動部件，常采用機(jī)、電、液、氣動等機(jī)構(gòu)。執(zhí)行裝置因機(jī)電一體化產(chǎn)品的種類和作業(yè)對象不同而有較大的差異。第二十九頁，共54頁。第二十九頁，共54頁。機(jī)電一體化產(chǎn)品的五大構(gòu)成要素在工作中各司其職，互相補(bǔ)充、互相協(xié)調(diào)，共同完成所規(guī)定的功能。在結(jié)構(gòu)上，各組成要素通過各種接口及相關(guān)軟件有機(jī)地結(jié)合在一起，構(gòu)成一個內(nèi)部合理匹配、外部效能最佳的完整產(chǎn)品。第三十頁，共54頁。第三十頁，共54頁。機(jī)電一體化系統(tǒng)是比較復(fù)雜的，有時某些構(gòu)成要素是復(fù)合在一起的。構(gòu)成機(jī)電一體化系統(tǒng)的幾個部分并不是并列的：首先，機(jī)械部分是主體其次，機(jī)電一體化的核心是電子技術(shù)（微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)）第三十一頁，共54頁。第三十一頁，共54頁。機(jī)電一體化技術(shù)的共性關(guān)鍵技術(shù):1.精密機(jī)械技術(shù)2.傳感檢測技術(shù)

3.信息處理技術(shù)

4.伺服驅(qū)動技術(shù)5.自動控制技術(shù)

6.接口技術(shù)

7.系統(tǒng)總體技術(shù)

四、機(jī)電一體化的共性關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展方向第三十二頁，共54頁。第三十二頁，共54頁。機(jī)械技術(shù)是關(guān)于機(jī)械機(jī)構(gòu)及利用機(jī)構(gòu)傳遞運(yùn)動的技術(shù)精密機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)機(jī)械技術(shù)的著眼點在于如何與機(jī)電一體化的技術(shù)相適應(yīng)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上、材料上、性能上的變更，滿足減輕重量、縮小體積、提高精度、提高剛度、改善性能的要求。第三十三頁，共54頁。第三十三頁，共54頁。在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，工作過程的各種參數(shù)、狀態(tài)以等都要通過傳感器進(jìn)行接收，并通過相應(yīng)的信號檢測裝置進(jìn)行測量，然后送入信息處理裝置以及反饋給控制裝置，以實現(xiàn)產(chǎn)品工作過程的自動控制。傳感原理、傳感材料、加工制造裝配技術(shù)是傳感器開發(fā)的三個重要方面。傳感器的發(fā)展進(jìn)入了集成化、智能化研究階段。第三十四頁，共54頁。第三十四頁，共54頁。信息處理技術(shù)是指信息的輸入、識別、變換、運(yùn)算、存儲、輸出和決策分析等技術(shù)。實現(xiàn)信息處理的主要工具是計算機(jī)。機(jī)電系統(tǒng)中主要采用：可編程控制器，單片機(jī)，總線式工業(yè)控制機(jī)，分布式計算機(jī)測控系統(tǒng)等進(jìn)行信息處理。第三十五頁，共54頁。第三十五頁，共54頁。伺服驅(qū)動技術(shù)主要是指機(jī)電一體化產(chǎn)品中的執(zhí)行元件和驅(qū)動裝置設(shè)計中的技術(shù)問題，它涉及設(shè)備執(zhí)行操作的技術(shù)，對所加工產(chǎn)品的質(zhì)量具有直接的影響。執(zhí)行元件有三大類：利用電能的電動機(jī)、利用液壓能的液壓驅(qū)動裝置和利用氣壓能的氣壓驅(qū)動裝置第三十六頁，共54頁。第三十六頁，共54頁。自動控制是在沒有人直接參與的情況下，通過控制器使被控對象或過程自動地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動控制理論基礎(chǔ)是自動控制原理（經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論）。自動控制技術(shù)就是在此理論指導(dǎo)下對具體控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，并進(jìn)行系統(tǒng)仿真及現(xiàn)場調(diào)試，使系統(tǒng)可靠地投入運(yùn)行。自動控制技術(shù)目的：實現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)的目標(biāo)最佳化由于控制對象種類繁多，所以控制技術(shù)的內(nèi)容極其豐富，如速度控制、位置控制、溫度控制、壓力控制和姿態(tài)控制等。第三十七頁，共54頁。第三十七頁，共54頁。從系統(tǒng)外部看，輸入/輸出是系統(tǒng)與人、環(huán)境或其它系統(tǒng)之間的接口；從系統(tǒng)內(nèi)部看，機(jī)電一體化系統(tǒng)是通過許多接口將各組成要素的輸入/輸出聯(lián)系成一體的系統(tǒng)。因此，各要素及各子系統(tǒng)之間的接口性能就成為綜合系統(tǒng)性能好壞的決定性因素。第三十八頁，共54頁。第三十八頁，共54頁。系統(tǒng)總體技術(shù)就是從整體目標(biāo)出發(fā)，用系統(tǒng)的觀點和方法，將機(jī)電一體化產(chǎn)品的總體功能分解成若干功能單元，找出能夠完成各個功能的可能技術(shù)方案，再把功能與技術(shù)方案組合成方案組進(jìn)行分析、評價，綜合優(yōu)選出適宜的功能技術(shù)方案。在系統(tǒng)總體技術(shù)中，對于子系統(tǒng)間的矛盾或子系統(tǒng)和系統(tǒng)整體之間的矛盾都要從總體協(xié)調(diào)的需要來選擇解決方案。系統(tǒng)總體技術(shù)除考慮優(yōu)化設(shè)計外，還包括可靠性設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、系列化設(shè)計、造型設(shè)計等。第三十九頁，共54頁。第三十九頁，共54頁。機(jī)電一體化是集機(jī)械、電子、光學(xué)、控制、計算機(jī)、信息等多學(xué)科的交叉融合，它的發(fā)展和進(jìn)步依賴并促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。因此，機(jī)電一體化的主要發(fā)展方向如下：

1．智能化

2.模塊化

3．網(wǎng)絡(luò)化

4.微型化

5．綠色化

6．人格化7.自適應(yīng)化第四十頁，共54頁。第四十頁，共54頁。機(jī)電一體化產(chǎn)品舉例:1、機(jī)械制造及數(shù)控設(shè)備5、自動生產(chǎn)線2、辦公自動化設(shè)備6、汽車3、機(jī)器人7、醫(yī)療儀器及設(shè)備4、家用電器8、航空航天設(shè)備等1.3.2機(jī)電一體化典型設(shè)備簡介第四十一頁，共54頁。第四十一頁，共54頁。懸垂線夾直線桿型巡檢機(jī)器人避雷線絕緣子導(dǎo)線鋼筋混凝土電桿拉線橫擔(dān)拉線基礎(chǔ)桿塔基礎(chǔ)地?fù)?dān)防震錘耐張線夾耐張桿型跳線巡檢機(jī)器人運(yùn)行模擬圖地面基站第四十二頁，共54頁。第四十二頁，共54頁。第四十三頁，共54頁。第四十三頁，共54頁。第四十四頁，共54頁。第四十四頁，共54頁。GPS導(dǎo)航儀電動刮雨器汽車ABS系統(tǒng)電動門窗汽車配件生產(chǎn)設(shè)備等第四十五頁，共54頁。第四十五頁，共54頁。第四十六頁，共54頁。第四十六頁，共54頁。

用以升降、輸送物或人的機(jī)械設(shè)備的總稱

第四十七頁，共54頁。第四十七頁，共54頁。常用起重運(yùn)輸機(jī)械1.電動葫蘆第四十八頁，共54頁。第四十八頁，共54頁。2.橋式起重機(jī)大車、小車、橡膠帶、機(jī)頭和機(jī)尾卷筒及驅(qū)動裝置等第四十九頁，共54頁。第四十九頁，共54頁。3.帶式輸送機(jī)第五十頁，共54頁。第五十頁，共54頁。4.電梯其主要組成是：曳引機(jī)構(gòu)、轎廂、導(dǎo)軌、驅(qū)動控制系統(tǒng)和安全保護(hù)裝置。第五十一頁，共54頁。第五十一頁，共54頁。電梯分類：（1）按用途分有客梯、貨梯、客貨兩用梯、醫(yī)用梯、雜物梯、消防梯等。（2）按曳引電動機(jī)分有交流電梯、直流電梯和液壓電梯等。（3）按傳動機(jī)械