1、淮南聯合大學教師授課教案 機電一體化系統教案授課學時分配表課程名稱機電一體化系統課程代碼授課教師 職 稱高工授課學期200 9 2010 學年第 二 學期計劃學時第 1 周第 10 周；共 80學時;其中理論 70學時實驗 8學時,習題 2學時, 等學 時 分 配章節名稱學時其中理論學時習題學時第一章概論22第二章系統中的機械結構44第三章檢測環節55第四章控制系統761第五章常用控制方式871第六章執行裝置及其控制77第七章工業機器人技術44第八章一體化產品實例55章節名稱 第1 章 概論 第1節 機電一體化的概念教學目標1理解機電一體化的基本概念2了解機電一體化的典型應用數控技術3了解柔性

2、制造技術概念4了解fms、cims概念課程重點難點1.機電一體化技術的概念2. fms、cims概念教學方法及手段1課堂理論課講授2多媒體教學課件播放輔助教學機電一體化基本概念1。機電一體化的歷史機電一體化又稱機械電子學，英文稱為mechatronics，它是由英文機械學mechanics 的前半部分與電子學electronics 的后半部分組合而成。機電一體化最早出現在1971年日本機械設計雜志的副刊上，隨著機電一體化技術的快速發展，機電一體化的概念被人們廣泛接受和普遍使用。1996年出版的webster大詞典收錄了這個日本造的英文單詞，這不僅意味著 “mechatronics”這個單詞得到

3、了世界各國學術界和企業界的認可，而且還意味著“機電一體化”的哲理和思想為世人所接受。機電一體化信息科學機械學電子學圖1- 1機電一體化與其它學科的關系2。機電一體化的定義到目前為止，就機電一體化這一概念的內涵國內外學術界還沒有一個完全統一的表述。一般認為，3。定義機電一體化是以機械學、電子學和信息科學為主的多門技術學科在機電產品發展過程中相互交叉、相互滲透而形成的一門新興邊緣性技術學科。4。定義的三重含義：（1）機電一體化是機械學、電子學與信息科學等學科相互融合而形成的學科。圖1-1 形象地表達了機電一體化與機械學、電子學和信息科學之間的相互關系；（2）機電一體化是一個發展中的概念，早期的機電

4、一體化就像其字面所表述的那樣，主要強調機械與電子的結合，即將電子技術“溶入”到機械技術中而形成新的技術與產品。隨著機電一體化技術的發展，以計算機技術、通信技術和控制技術為特征的信息技術（即所謂的“3c”技術：computer、communication和 control technology）“滲透”到機械技術中，豐富了機電一體化的含義，現代的機電一體化不僅僅指機械、電子與信息技術的結合，還包括光（光學）機電一體化、機電氣（氣壓）一體化、機電液（液壓）一體化、機電儀（儀器儀表）一體化等；（3）機電一體化表達了技術之間相互結合的學術思想，強調各種技術在機電產品中的相互協調，以達到系統總體最優。換

5、句話說，機電一體化是多種技術學科有機結合的產物，而不是它們的簡單疊加。從概念的外延來看，機電一體化包括機電一體化技術和機電一體化產品兩個方面。機電一體化技術是從系統工程的觀點出發，將機械、電子和信息等有關技術有機結合起來，以實現系統或產品整體最優的綜合性技術。機電一體化技術主要包括技術原理和使機電一體化產品（或系統）得以實現、使用和發展的技術。機電一體化技術是一個技術群（族）的總稱，包括檢測傳感技術、信息處理技術、伺服驅動技術、自動控制技術、機械技術及系統總體技術等。機電一體化產品有時也稱為機電一體化系統，它們是兩個相近的概念，通常機電一體化產品指獨立存在的機電結合產品，而機電一體化系統主要指

6、依附于主產品的部件系統，這樣的系統實際上也是機電一體化產品。機電一體化產品是由機械系統（或部件）與電子系統（或部件）及信息處理單元（硬件和軟件）有機結合、而賦予了新功能和新性能的高科技產品。由于在機械本體中“溶入”了電子技術和信息技術，與純粹的機械產品相比，機電一體化產品的性能得到了根本的提高，具有滿足人們使用要求的最佳功能。5。應用概況現實生活中的機電一體化產品比比皆是。我們日常生活中使用的全自動洗衣機、空調及全自動照相機，都是典型的機電一體化產品；在機械制造領域中廣泛使用的各種數控機床、工業機器人、三坐標測量儀及全自動倉儲，也是典型的機電一體化產品；而汽車更是機電一體化技術成功應用的典范，

7、目前汽車上成功應用和正在開發的機電一體化系統達數十種之多，特別是發動機電子控制系統、汽車防抱死制動系統、全主動和半主動懸架等機電一體化系統在汽車上的應用，使得現代汽車的乘坐舒適性、行駛安全性及環保性能都得到了很大的改善；在農業工程領域，機電一體化技術也在一定范圍內得到了應用，如拖拉機自動駕駛系統、懸掛式農具的自動調節系統、聯合收獲機工作部件（如脫粒清選裝置）的監控系統、溫室環境自動控制系統等。 作業： 1 簡述機電一體化技術的定義 2 簡述機電一體化技術定義的三重含義 章節名稱 第1 章 第2節教學名稱機電一體化系統的組成教學時數 教學目標1一般掌握述機電一體化技術組成的概念2理解主要組成部分

8、的基本內容3重點理解控制信息處理單元，接口單元和執行機構課程重點難點1. 控制信息處理單元的基本概況2. 接口單元的作用和意義教學方法及手段1課堂理論課講授2多媒體教學課件播放輔助教學機電一體化系統的組成1。一般概念傳統的機械產品一般由動力源、傳動機構和工作機構等組成。機電一體化系統是在傳統機械產品的基礎上發展起來的，是機械與電子、信息技術結合的產物，它除了包含傳統機械產品的組成部分以外，還含有與電子技術和信息技術相關的組成要素。一般而言，一個較完善的機電一體化系統包括以下幾個基本要素：（1）機械本體，（2）檢測傳感部分、（3）電子控制單元、（4）執行器和動力源，（5）各要素之間通過接口相聯系

9、（見圖1-2）。執行器控制信息電子控制單元動力源檢測傳感部分機械本體參數變化信息驅動力能 量檢測參數圖1- 2機電一體化系統的構成(1) 機械本體 機械本體包括機架、機械連接、機械傳動等。所有的機電一體化系統都含有機械部分，它是機電一體化系統的基礎，起著支撐系統中其它功能單元，傳遞運動和動力的作用。與純粹的機械產品相比，機電一體化系統的技術性能得到提高、功能得到增強，這就要求機械本體在機械結構、材料、加工工藝性以及幾何尺寸等方面能夠與之相適應，具有高效、多功能、可靠和節能、小型、輕量、美觀的特點。(2) 檢測傳感部分 檢測傳感部分包括各種傳感器及其信號檢測電路，其作用就是監測機電一體化系統工作

10、過程中本身和外界環境有關參量的變化，并將信息傳遞給電子控制單元，電子控制單元根據檢測到的信息向執行器發出相應的控制指令。機電一體化系統要求傳感器精度、靈敏度、響應速度和信噪比高；漂移小、穩定性高；可靠性好；不易受被測對象特征（如電阻、導磁率等）的影響；對抗惡劣環境條件（如油污、高溫、泥漿等）的能力強；體積小、重量輕、對整機的適應性好；不受高頻干擾和強磁場等外部環境的影響；操作性能好，現場維修處理簡單；價格低廉。(3) 電子控制單元 電子控制單元又稱ecu (electrical control unit), 是機電一體化系統的核心，負責將來自各傳感器的檢測信號和外部輸入命令進行集中、存儲、計算

11、、分析，根據信息處理結果，按照一定的程序和節奏發出相應的指令，控制整個系統有目的地運行。電子控制單元由硬件和軟件組成，系統硬件一般由計算機、可編程控制器(plc)、數控裝置以及邏輯電路、ad與da轉換、i0 接口和計算機外部設備等組成；系統軟件為固化在計算機存儲器內的信息處理和控制程序，根據系統正常工作的要求編寫。機電一體化系統對控制和信息處理單元的基本要求是，提高信息處理速度、提高可靠性、增強抗干擾能力以及完善系統自診斷功能、實現信息處理智能化和小型、輕量、標準化等。(4) 執行器 執行器的作用是根據電子控制單元的指令驅動機械部件的運動。執行器是運動部件，通常采用電力驅動、氣壓驅動和液壓驅動

12、幾種方式。機電一體化系統一方面要求執行器效率高、響應速度快，同時要求對水、油、溫度、塵埃等外部環境的適應性好，可靠性高。由于幾何尺寸上的限制，動作范圍狹窄，還需考慮維修和實行標準化。由于電工電子技術的高度發展，高性能步進驅動、直流和交流伺服驅動電機已大量應用于機電一體化系統。(5) 動力源 動力源是機電一體化產品能量供應部分，其作用就是按照系統控制要求向機器系統提供能量和動力使系統正常運行。提供能量的方式包括電能、氣能和液壓能，以電能為主。除了要求可靠性好以外，機電一體化產品還要求動力源的效率高，即用盡可能小的動力輸入獲得盡可能大的功率輸出。 機電一體化產品的五個基本組成要素之間并非彼此無關或

13、簡單拼湊、疊加在一起，工作中它們各司其職，互相補充、互相協調，共同完成所規定的功能，即在機械本體的支持下，由傳感器檢測產品的運行狀態及環境變化，將信息反饋給電子控制單元，電子控制單元對各種信息進行處理，并按要求控制執行器的運動，執行器的能源則由動力部分提供。在結構上，各組成要素通過各種接口及相關軟件有機地結合在一起，構成一個內部合理匹配、外部效能最佳的完整產品。例如，我們日常使用的全自動照相機就是典型的機電一體化產品，其內部裝有測光測距傳感器，測得的信號由微處理器進行處理，根據信息處理結果控制微型電動機，由微型電動機驅動快門、變焦及卷片倒片機構，從測光、測距、調光、調焦、曝光到卷片、倒片、閃光

14、及其它附件的控制都實現了自動化。又如，汽車上廣泛應用的發動機燃油噴射控制系統也是典型的機電一體化系統。分布在發動機上的空氣流量計、水溫傳感器、節氣門位置傳感器、曲軸位置傳感器、進氣歧管絕對壓力傳感器、爆燃傳感器、氧傳感器等連續不斷地檢測發動機的工作狀況和燃油在燃燒室的燃燒情況，并將信號傳給電子控制裝置ecu，ecu首先根據進氣歧管絕對壓力傳感器或空氣流量計的進氣量信號及發動機轉速信號，計算基本噴油時間，然后再根據發動機的水溫、節氣門開度等工作參數信號對其進行修正，確定當前工況下的最佳噴油持續時間，從而控制發動機的空燃比。此外，根據發動機的要求，ecu還具有控制發動機的點火時間、怠速轉速、廢氣再

15、循環率、故障自診斷等功能。 作業： 1簡述機電一體化系統的主要組成部分 2簡述機電一體化系統的主要組成部分的基本功能 章節名稱 第1 章 第3節教學名稱機電一體化個功能組成部件的關系及作用教學時數 學時 0.5教學目標1理解機電一體化系統的主要應用技術2基本掌握計算機信息技術伺服傳動技術相關概念3理解傳感檢測，自動控制技術精密機械技術系統技術概念4了解上述應用技術的基本內容課程重點難點1. 計算機信息技術伺服傳動技術相關概念2. 傳感檢測技術，自動控制技術精密機械技術系統技術概念教學方法及手段1課堂理論課講授2多媒體教學課件播放輔助教學概述機電一體化是在傳統技術的基礎上由多種技術學科相互交叉、

16、滲透而形成的一門綜合性邊緣性技術學科，所涉及的技術領域非常廣泛。要深入進行機電一體化研究及產品開發，就必須了解并掌握這些技術。機電一體化共性關鍵技術主要有：檢測傳感技術、信息處理技術、控制技術、伺服驅動技術、機械技術系統總體技術。一、檢測傳感技術1。作用：檢測與傳感技術指與傳感器及其信號檢測裝置相關的技術。在機電一體化產品中，傳感器就像人體的感覺器官一樣，將各種內、外部信息通過相應的信號檢測裝置感知并反饋給控制及信息處理裝置。因此檢測與傳感是實現自動控制的關鍵環節。2。要求：機電一體化要求傳感器能快速、精確地獲取信息并經受各種嚴酷環境的考驗。但是由于目前檢測與傳感技術還不能與機電一體化的發展相

17、適應，使得不少機電一體化產品不能達到滿意的效果或無法實現設計。因此，大力開展檢測與傳感技術的研究對發展機電一體化具有十分重要的意義。二、信息處理技術1。內容信息處理技術包括信息的交換、存取、運算、判斷和決策等，實現信息處理的主要工具是計算機,因此計算機技術與信息處理技術是密切相關的。計算機技術包括計算機硬件技術和軟件技術、網絡與通信技術、數據庫技術等。2。作用與要求在機電一體化產品中，計算機與信息處理裝置指揮整個產品的運行，信息處理是否正確、及時，直接影響到產品工作的質量和效率。因此，計算機應用及信息處理技術已成為促進機電一體化技術和產品發展的最活躍的因素。人工智能、專家系統、神經網絡技術等都

18、屬于計算機與信息處理技術。三、自動控制技術1。內容及作用自動控制技術范圍很廣，包括自動控制理論、控制系統設計、系統仿真、現場調試、可靠運行等從理論到實踐的整個過程。由于被控對象種類繁多，所以控制技術的內容極其豐富，包括高精度定位控制、速度控制、自適應控制、自診斷、校正、補償、示教再現、檢索等控制技術，自動控制技術的難點在于自動控制理論的工程化與實用化，這是由于現實世界中的被控對象往往與理論上的控制模型之間存在較大差距，使得從控制設計到控制實施往往要經過多次反復調試與修改，才能獲得比較滿意的結果。2。意義由于微型機的廣泛應用，自動控制技術越來越多地與計算機控制技術聯系在一起，成為機電一體化中十分

19、重要的關鍵技術。四、伺服驅動技術1。基本內容伺服驅動技術的主要研究對象是執行元件及其驅動裝置。執行元件有電動、氣動、液壓等多種類型，機電一體化產品中多采用電動式執行元件，其驅動裝置主要是指各種電動機的驅動電源電路，目前多采用電力電子器件及集成化的功能電路構成。執行元件一方面通過電氣接口向上與微型機相聯，以接受微型機的控制指令，另一方面又通過機械接口向下與機械傳動和執行機構相聯，以實現規定的動作。2。作用域地位因此伺服驅動技術是直接執行操作的技術，對機電一體化產品的動態性能、穩態精度、控制質量等具有決定性的影響。常見的伺服驅動有電液馬達、脈沖液壓缸、步進電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機。由

20、于變頻技術的進步，交流伺服驅動技術取得突破性進展，為機電一體化系統提供高質量的伺服驅動單元，極大地促進了機電一體化技術的發展。五、機械技術1。新的要求：機械技術是機電一體化的基礎。機電一體化產品中的主功能和構造功能往往是以機械技術為主實現的。在機械與電子相互結合的實踐中，不斷對機械技術提出更高的要求，使現代機械技術相對于傳統機械技術而發生了很大變化。新機構、新原理、新材料、新工藝等不斷出現，現代設計方法不斷發展和完善，以滿足機電一體化產品對減輕重量、縮小體積、提高精度和剛度、改善性能等多方面的要求。2。發展趨勢在制造過程的機電一體化系統中，經典的機械理論與工藝應借助于計算機輔助技術，同時采用人

21、工智能與專家系統等，形成新一代的機械制造技術。這里原有的機械技術以知識和技能的形式存在，是任何其它技術代替不了的。如計算機輔助工藝規程編制(capp)是目前cadcam系統研究的瓶頸，其關鍵問題在于如何將廣泛存在于各行業、企業、技術人員中的標準、習慣和經驗進行表達和陳述，從而實現計算機的自動工藝設計與管理。六、系統總體技術（含接口技術）1。概述系統總體技術是一種從整體目標出發，用系統工程的觀點和方法，將系統總體分解成相互有機聯系的若干功能單元，并以功能單元為子系統繼續分解，直至找到可實現的技術方案，然后再把功能和技術方案組合成方案組進行分析、評價和優選的綜合應用技術。2。基本內容及發展系統總體

22、技術所包含的內容很多，接口技術是其重要內容之一，機電一體化產品的各功能單元通過接口聯接成一個有機的整體。接口包括電氣接口、機械接口、人機接口。電氣接口實現系統間電信號連接；機械接口則完成機械與機械部分、機械與電氣裝置部分的連接；人機接口提供了人與系統間的交互界面。系統總體技術是最能體現機電一體化設計特點的技術，其原理和方法還在不斷地發展和完善之中。 作業： 1簡述機電一體化技術包含的主要技術種類 2簡述機電一體化技術中系統技術和接口技術的關系 章節名稱 第1 章 第4節教學名稱機電一體化技術的特點教學時數 學時 教學目標1理解機電一體化技術的主要技術特點2重點理解機電一體化技術高功能，高精度，

23、高效率，高社會效益的基本內容課程重點難點1. 機電一體化技術的主要技術特點的關鍵點2. 柔性功能的概念和理解教學方法及手段1課堂理論課講授2多媒體教學課件播放輔助教學1. 工作精度高：傳動簡化，檢測補償，采用高精度工作部件 2. 增強功能：功能復合，工序復合，功能疊加，擴展 3. 提高效率降低成本：nc機床加工效率提高5-數十倍） 4. 節約能源降低消耗：最佳工作狀態，高效率驅動部件等 5. 提高系統的安全性和可靠性：自動監測，診斷調節，決策和處理等 6. 良好的操作性能：人機界面友好，簡化操作，自適應控制等 7. 減輕勞動強度，改善工作條件：系統的智能化和高效高精度工作特點8. 簡化結構，減

24、輕重量：新材料，新型電力電子器件和機械部件等 9. 良好的性價比： 功能提高加強，成本下降（例石英計時器） 10. 柔性功能增強：例數控機床，適應現代多品種小批量生產模式 作業： 1簡述機電一體化技術主要具有哪些技術特點 2簡述技術中的柔性功能的概念 章節名稱 第1 章 第5節教學名稱機電一體化技術在國民經濟中的地位及作用教學時數 學時 0.25教學目標1理解機床產業數控化的意義2了解機器人產業的現狀3理解制造自動化的意義課程重點難點1. 機床產業數控化的意義2. 加工系統柔性技術的概念和意義教學方法及手段1課堂理論課講授2多媒體教學課件播放輔助教學1。概述與其它科學技術一樣，機電一體化技術的

25、發展也經歷了一個較長期的過程。有學者將這一過程劃分為萌芽階段、快速發展階段和智能化階段三個階段，這種劃分方法真實客觀地反映了機電一體化技術的發展歷程。2。發展歷史“萌芽階段”指20世紀70年代以前的時期。在這一時期，盡管機電一體化的概念沒有正式提出來，但人們在機械產品的設計與制造過程中總是自覺或不自覺地應用電子技術的初步成果來改善機械產品的性能，特別是在第二次世界大戰期間，戰爭刺激了機械產品與電子技術的結合，出現了許多性能優良的軍事用途的機電產品。這些機電結合的軍用技術在戰后轉為民用，對戰后經濟的恢復和技術的進步起到了積極的作用。20世紀70年代到80年代為第二階段，稱之為“快速發展階段”。在這一時期，人們自覺地、主動地利用技術的成果創造新的機電一體化產品。在這一階段，日本在推動機電一體化技術的發展方面起了主導作用。日本政府于1971年3月頒布了特定電子工業和特定機械工業振興臨時措施法，要求企業界“應特別注意促進為機械配備電子計算機和其他電子設備，從而實現控制的自動化和機械產品的其他功能”。經過幾年的努力，取得了巨大的成就，推動了日本經濟的快速發展。其它西方發達國家對機電一體化技術的發展也給