模块一 绪论教学课件 机电一体化技术应用.ppt

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1、机电一体化技术应用绪绪 论论 机电一体化是涉及机械、电气、电子、控制工程、信息和计算机技术等多学科的综合性学科，是工业技术的重要发展方向。许多领域通过应用机电一体化技术，取得了技术和产品更新的显著效果。机电一体化(mechatronics)一词起源于日本的安川电机，是由机械和电子的两个英语单词合成的一个新的专有名词。其定义一般以日本机械振兴协会经济研究所1981年提出的观点为准，即机电一体化是在机构的主功能、动力功能、信息与控制功能上引入了电子技术，并将机械装置与电子设备以及软件等有机结合而成的系统的总称。它体现了机电一体化产品及其技术的基本内容和特征，具有指导性意义。绪绪 论论绪绪 论论 机

2、电一体化是将机械、电子、信息处理和控制以及软件等现有技术进行综合集成的一种技术群体概念，体现了学科融合的思想。一般研究怎样将机械装置、电子设备和软件等组成一个功能完善且具有柔性化的工程系统，从而为人类的生产和生活等各个领域的自动化服务。机电一体化技术的重要性与发展趋势 一、产品开发周期短、竞争力强易于实现柔性化和多功能生产方式向高柔性、综合自动化发展促进经营管理体制发生根本性变化简化机械结构，提高精度1 12 23 34 45 5绪绪 论论（1）智能化（2）模块化（3）网络化（4）微型化（5）绿色化（6）系统化未来机电一体化的发展趋势绪绪 论论三菱三菱FXFX2N2N可编程控制器的外形可编程控

3、制器的外形 机电一体化系统的组成 二、绪绪 论论机械本体机械本体1.机械本体包括机架、机械连接、机械传动等。所有的机电一体化系统都含有机械本体，它是机电一体化系统的基础，起着支撑系统中其他功能单元、传递运动和动力的作用。与纯粹的机械产品相比，机电一体化系统的技术性能得到提高，功能得到增强，这就要求机械本体在机械结构、材料、加工工艺以及几何尺寸等方面能够与之相适应，具有高效、多功能、可靠和节能、小型、轻量、美观的特点。绪绪 论论检测传感部分检测传感部分2.检测传感部分包括各种传感器及其信号检测电路，其作用就是监测机电一体化系统工作过程中有关参量的变化，并将信息传递给电子控制单元，电子控制单元根据

4、检测到的信息向执行器发出相应的控制指令。机电一体化系统要求传感器精度、灵敏度、响应速度和信噪比高；漂移小、稳定性高；可靠性好；不易受被测对象特征(如电阻、磁导率等）的影响；对抗恶劣环境条件(如油污、高温、泥浆等）的能力强；体积小、重量轻、对整机的适应性好；不受高频干扰和强磁场等外部环境的影响；操作性能好，现场维修处理简单；价格低廉。绪绪 论论电子控制单元电子控制单元3.电子控制单元(electrical control unit,ECU)是机电一体化系统的核心，负责将来自各传感器的检测信号和外部输入命令进行集中、存储、计算、分析，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令，控制整个系

5、统有目的地运行。电子控制单元由硬件和软件组成，系统硬件一般由计算机、可编程控制器(PLC)、数控装置以及逻辑电路、AD与DA转换、IO 接口和计算机外部设备等组成；系统软件为固化在计算机存储器内的信息处理和控制程序，根据系统正常工作的要求编写。绪绪 论论执行器执行器4.执行器的作用是根据电子控制单元的指令驱动机械部件运动。执行器是运动部件，通常采用电力驱动、气压驱动和液压驱动等方式。机电一体化系统一方面要求执行器效率高、响应速度快；另一方面要求对水、油、温度等外部环境的适应性好、可靠性高。由于尺寸上的限制，执行器的动作范围狭窄，还需考虑维修和实行标准化。由于电工电子技术的快速发展，高性能步进驱

6、动、直流和交流伺服驱动电机已大量应用于机电一体化系统。绪绪 论论动力源动力源5.动力源是机电一体化产品的能量供应部分，其作用是按照系统控制要求向系统提供能量和动力使系统正常运行。提供能量的方式包括电能、气能和液压能，以电能为主。除了要求可靠性好，机电一体化产品还要求动力源的效率高，即用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功率输出。绪绪 论论 如前所述，机电一体化是在传统技术的基础上由多种技术学科相互交叉、渗透而形成的一门综合性技术学科，所涉及的技术领域非常广泛。要深入进行机电一体化研究及产品开发，就必须了解并掌握这些技术。绪绪 论论（1）检测与传感技术 检测与传感技术指与传感器及其信号检测装置相关

7、的技术。在机电一体化产品中，传感器就像人体的感觉器官，将各种信息通过相应的信号检测装置感知并反馈给控制及信息处理装置。因此，检测与传感是实现自动控制的关键环节。机电一体化要求传感器能快速、精确地获取信息并经受各种严酷环境的考验。但是由于目前检测与传感技术还不能与机电一体化的发展相适应，不少机电一体化产品不能达到满意的效果或无法实现设计功能。因此，大力开展检测与传感技术的研究对发展机电一体化具有十分重要的意义。绪绪 论论（2）信息处理技术 信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策等，实现信息处理的主要工具是计算机，因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。计算机技术包括计算机硬件技术和

8、软件技术、网络与通信技术、数据库技术等。在机电一体化产品中，计算机与信息处理装置指挥整个产品的运行，信息处理是否正确、及时，直接影响到产品工作的质量和效率。因此，计算机应用及信息处理技术已成为促进机电一体化技术和产品发展最重要的因素。人工智能、专家系统、神经网络技术等都属于计算机与信息处理技术。绪绪 论论（3）自动控制技术 自动控制技术范围很广，包括自动控制理论、控制系统设计、系统仿真、现场调试、可靠运行等从理论到实践的整个过程。由于被控对象种类繁多，所以控制技术的内容极其丰富，包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、示教再现、检索等，自动控制技术的难点在于自动控制理论的

9、工程化与实用化，这是由于现实世界中的被控对象往往与理论上的控制模型之间存在较大差距，从控制设计到控制实施往往要经过反复调试与修改，才能获得比较满意的结果。由于微型机的广泛应用，自动控制技术越来越多地与计算机控制技术联系在一起，成为机电一体化中十分重要的技术。绪绪 论论（4）伺服驱动技术 伺服驱动技术的主要研究对象是执行元件及其驱动装置。执行元件有电动、气动、液压等多种类型，机电一体化产品中多采用电动式执行元件，其驱动装置主要是指各种电动机的驱动电源电路，目前多采用电力电子器件及集成化的功能电路。执行元件一方面通过电气接口向上与微型机相连，以接受微型机的控制指令，另一方面又通过机械接口向下与机械

10、传动和执行机构相连，以实现规定的动作。因此，伺服驱动技术是直接执行操作的技术，对机电一体化产品的动态性能、稳态精度、控制质量等具有决定性的影响。绪绪 论论（5）机械技术 机械技术是机电一体化的基础。机电一体化产品中的主功能和构造功能是以机械技术为基础实现的。在机械与电子相互结合的实践中，不断对机械技术提出更高的要求，使现代机械技术相对于传统机械技术发生了很大变化。新机构、新原理、新材料、新工艺等不断出现，现代设计方法不断发展和完善，以满足机电一体化产品对减轻重量、缩小体积、提高精度和刚度、改善性能等多方面的要求。在制造过程的机电一体化系统中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用

11、人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。绪绪 论论（6）系统集成技术 系统集成技术是一种从整体目标出发，用系统工程的观点和方法，将系统集成分解成相互有机联系的若干功能单元，并以功能单元为子系统继续分解，直至找到可实现的技术方案，然后把功能和技术方案组合成方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。系统集成技术包含的内容很多，接口技术是其重要内容之一，机电一体化产品的各功能单元通过接口连接成一个有机整体。接口包括电气接口、机械接口、人机接口。电气接口实现系统间电信号的连接；机械接口则完成机械与机械部分、机械与电气装置部分的连接；人机接口提供了人与系统间的交互界面。绪绪 论论 机电一体化的常

12、用组件 三、（1）机械部件（2）传感部件（3）控制部件（4）执行器 机械部件主要完成定位的机械功能，如导轨、丝杆、电主轴、转台、变速箱等。机械部件主要完成定位的机械功能，如导轨、丝杆、电主轴、转台、变速箱等。传感部件主要完成信息采集功能，如位移/位置传感器、角度传感器、温度传感器、速度传感器、加速度传感器、机器视觉等。控制部件接收传感器部件传递的信息并进行计算后输出结果至执行器，如PLC、PAC、工业控制计算机、数控系统等。绪绪 论论信号信号1.机电一体化常用的名词术语 四、信号是运载消息的工具，是消息的载体。从广义上讲，它包含光信号、声信号和电信号等。信号存在于机电一体化系统的整个控制过程中

13、，大多数情况下为电信号。工业中经常使用的标准电信号包括420 mA电流信号、05 V电压信号、010 V电压信号。这些信号又称为模拟量信号，显然，这种信号大多数情况下是由传感器经过放大器后产生的，并不能直接送入控制器中，一般采用A/D(模拟/数字）转换器将模拟量信号转换为数字量信号传入控制器中进行运算和操作。绪绪 论论系统系统2.系统是由一些相互联系、相互制约的若干组成部分结合而成、具有特定功能的一个有机整体，是加工信号的机构。(3）系统有一定的功能，或者说系统要有一定的目的性。(2）系统有一定的结构。(1）系统是由若干要素组成的。绪绪 论论（1）稳定性评价系统的3个性能指标（2）快速性（3）

14、准确性绪绪 论论 传感器(transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器传感器3.绪绪 论论检测系统框图检测系统框图绪绪 论论 伺服是使物体的位置、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值）的任意变化而变化的自动控制系统，又称为随动控制。伺服的主要任务是按控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制起来非常灵活方便。伺服伺服4.绪绪 论论2 2）伺服系统的组成）

15、伺服系统的组成 伺服系统可分为开环、半闭环、闭环控制系统。具有反馈的闭环自动控制系统由位置检测部分、反馈、偏差比较部分、控制主体和受控主体(执行部分）及被控对象组成。开环和闭环控制系统示意图开环和闭环控制系统示意图绪绪 论论2 2）伺服系统的性能要求）伺服系统的性能要求 伺服系统必须具备可控性好、稳定性高和适应性强等基本性能。可控性好是指信号消失后，能立即自行停转；稳定性高是指转矩随转速的增加而均匀下降；适应性强是指反应快、灵敏、响态品质好。绪绪 论论3 3）伺服系统的种类）伺服系统的种类电气式油压式电气油压式计量伺服和功率伺服系统模拟伺服和功率伺服系统位置伺服和加速度伺服系统等DC直流伺服系统AC交流伺服系统按伺服驱动机的种类按功能根据电气信号不同绪绪 论论