1、第一章 機(jī)電一體化概述1.1 機(jī)電一體化的產(chǎn)生和發(fā)展教學(xué)目標(biāo)： 1、了解機(jī)電一體化的產(chǎn)生；2、了解機(jī)電一體化的發(fā)展歷程3、了解機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢； 人類已進(jìn)入一個(gè)新的世紀(jì)21世紀(jì)，回顧過去的20世紀(jì)，人類的經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展成果超過了過去所有世紀(jì)的總和。傳統(tǒng)的學(xué)科正在脫胎換骨，新的學(xué)科不斷問世，技術(shù)的融合程度比任何一次技術(shù)革命都高。機(jī)電一體化技術(shù)產(chǎn)生于這一背景下，自然符合科技的規(guī)律，也是機(jī)械學(xué)科發(fā)展的必然結(jié)果。它使古老的機(jī)械工業(yè)煥發(fā)青春，也對社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生著極為深刻的影響。1.1.1 機(jī)電一體化的產(chǎn)生 早在40多年前，美國的科技人員就發(fā)明了世界上第一臺(tái)機(jī)器人，接著他們又發(fā)明了數(shù)控機(jī)床和用于小

2、型汽車的電子燃油噴射裝置等自動(dòng)化產(chǎn)品和設(shè)備。這些自動(dòng)化產(chǎn)品或設(shè)備都是典型的機(jī)電一體化的產(chǎn)品或設(shè)備，但是美國的工程技術(shù)人員始終沒有為自己發(fā)明的新技術(shù)取個(gè)名字。 擅長引進(jìn)、吸收和消化國外先進(jìn)技術(shù)日本工程技術(shù)人員，在推廣機(jī)電一體化先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)還大力宣傳機(jī)電一體化的技術(shù)，并在機(jī)電一體化方面進(jìn)行了許多專題研究。因此，日本機(jī)電一體化產(chǎn)品很快就接近了世界一流水平。此外，20世紀(jì)70年代初，日本人率先將英語詞匯Mechanics（機(jī)械學(xué)）的前半部和Electronics（電子學(xué)）的后半部拼在一起，構(gòu)成了Mechatronics。這個(gè)由日本人創(chuàng)造的日式英語詞，現(xiàn)已被正式采用。 在中國，Mechatronics

3、被譯成機(jī)電一體化，這個(gè)術(shù)語比較恰當(dāng)?shù)孛枥L了這一新技術(shù)的含義，因而很快被廣大工程技術(shù)人員所接受。由于科學(xué)技術(shù)在不斷地發(fā)展，機(jī)電一體化產(chǎn)品或設(shè)備的內(nèi)容也在不斷地更新，并不斷地采用先進(jìn)的技術(shù)，因此在理解機(jī)電一體化的含義時(shí)，可以將“機(jī)電”一詞模糊為“先進(jìn)技術(shù)”。這樣，機(jī)電技術(shù)應(yīng)用就意味著先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用。1.1.2 機(jī)電一體化的發(fā)展 機(jī)電一體化的產(chǎn)生和迅速發(fā)展的根本原因在于社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。系統(tǒng)工程、控制論和信息論是機(jī)電一體化的理論基礎(chǔ)，也是機(jī)電一體化技術(shù)的方法論。目前，機(jī)電一體化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、建筑、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等行業(yè)，并正向具有自適應(yīng)性的智能化發(fā)展。 目前，有自適應(yīng)性的智能系統(tǒng)已進(jìn)入采

4、用模糊理論和模糊計(jì)算機(jī)的研制階段。系統(tǒng)中配有模糊傳感器和其他各種傳感器，可以根據(jù)菜單的要求自動(dòng)地完成一系列操作。 機(jī)電一體化的發(fā)展有一個(gè)從自發(fā)狀況向自為方向發(fā)展的過程。以汽車工業(yè)為例。 汽車工業(yè)的變革，一方面是汽車產(chǎn)品的機(jī)電一體化革命，另 一方面，汽車的制造技術(shù)和裝備也發(fā)生了巨大的變化，現(xiàn)代汽車生產(chǎn)大量使用數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等先進(jìn)手段，以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化裝備水平，使生產(chǎn)的產(chǎn)品真正與消費(fèi)者所期望的優(yōu)質(zhì)、廉價(jià)、個(gè)性化等要求相一致。 以工業(yè)機(jī)器人的使用為例，1961年，美國研制出第一臺(tái)機(jī)器人。 機(jī)器人的使用大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)也節(jié)約了勞動(dòng)力，降低了成本。 80年代以來

5、，世界各國的汽車制造業(yè)正處于從傳統(tǒng)的“大批量、少品種”的生產(chǎn)方式，向著“多品種、中小批量”的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變，以適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)對產(chǎn)品品種規(guī)格越來越多樣化的要求。為滿足市場的需要，制造廠家必須不斷增加產(chǎn)品的品種、提高產(chǎn)品的質(zhì)量和降低制造成本。為此，在汽車工業(yè)中開始使用柔性制造系統(tǒng)（FMS Flexible Manufacturing System），并和CAD/CAPP/CAM及生產(chǎn)管理經(jīng)營決策系統(tǒng)進(jìn)行集成，把管理信息和制造活動(dòng)借助計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)聯(lián)系起來，向計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS Computer Integrated Manufacturing System）發(fā)展。 機(jī)電一體化的發(fā)展

6、大體可以分為三個(gè)階段。20世紀(jì)60年代以前為第一階段，這一階段稱為初級階段。在這一時(shí)期，人們自覺地利用電子技術(shù)的初步成果來完善機(jī)械產(chǎn)品的性能。 20世紀(jì)70至80年代為第二階段，可稱為蓬勃發(fā)展階段。這一時(shí)期，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。 這個(gè)時(shí)期的特點(diǎn)，一是“機(jī)電一體化”一詞首先在日本被普遍接受，大約到20世紀(jì)80年代末期在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認(rèn)；二是機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展；三是各國均開始對機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品給予很大關(guān)注和支持。 20世紀(jì)90年代后期，機(jī)電一體化技術(shù)開始向智能化方向邁進(jìn)，機(jī)電一體化進(jìn)入深入發(fā)展時(shí)期。一方面，.光學(xué)、

7、通信技術(shù)等進(jìn)入了機(jī)電一體化，微細(xì)加工技術(shù)也在機(jī)電一體化中嶄露頭角，出現(xiàn)了光機(jī)電一體化和微機(jī)電一體化等新分支；另一方面對機(jī)電一體化系統(tǒng)得建模設(shè)計(jì)、分析和集成方法及機(jī)電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢都進(jìn)行了深入研究。同時(shí)，人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光纖技術(shù)等領(lǐng)域取得的巨大進(jìn)步，為機(jī)電一體化技術(shù)開辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，將促使機(jī)電一體化進(jìn)一步建立完整的基礎(chǔ)和逐漸形成完整的科學(xué)體系。1.1.3 機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢機(jī)電一體化是集機(jī)械、電子、光學(xué)、控制、計(jì)算機(jī)、信息等多學(xué)科的交叉綜合，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 智能化是21世紀(jì)機(jī)電

8、一體化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要發(fā)展方向。人工智能在機(jī)電一體化建設(shè)者的研究日益得到重視，機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的智能化就是重要應(yīng)用。 2、模塊化 模塊化是一項(xiàng)重要而艱巨的工程。由于機(jī)電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、電氣接口、動(dòng)力接口、環(huán)境接口的機(jī)電一體化產(chǎn)品單元是一項(xiàng)十分復(fù)雜但又是非常重要的事。 3、網(wǎng)絡(luò)化 20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)等的突出成就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起和飛速發(fā)展給科學(xué)技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)、政治、軍事、教育義舉人么日常生活都帶來了巨大的變革。 4、微型化 微型化興起于20世紀(jì)80年代末，指的是機(jī)電一體化向微型機(jī)器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。國外稱其為微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEM

9、S），泛指幾何尺寸不超過1cm3的機(jī)電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級發(fā)展。微機(jī)電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運(yùn)動(dòng)靈活，在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢。微機(jī)電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機(jī)械技術(shù)，微機(jī)電一體化產(chǎn)品的加工采用精細(xì)加工技術(shù)，即超精密技術(shù)，它包括光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)兩類。 5、綠色化 工業(yè)的發(fā)達(dá)給人們生活帶來了巨大變化。一方面，物質(zhì)豐富，生活舒適；另一方面，資源減少，生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重污染。 綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲下應(yīng)運(yùn)而生，綠色化是時(shí)代的趨勢。 設(shè)計(jì)綠色的機(jī)電一體化產(chǎn)品，具有遠(yuǎn)大的發(fā)展前途。機(jī)電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指，使用時(shí)不污染生態(tài)環(huán)境，報(bào)廢后能回收利用。 6、系統(tǒng)化 系統(tǒng)化

10、的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)一步采用開放式和模式化的總線結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可以靈活組態(tài)，進(jìn)行任意剪裁和組合，同時(shí)尋求實(shí)現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和綜合管理。表現(xiàn)之二是通信功能的大大加強(qiáng)，一般除RS232外，還有RS485、DCS人格化。未來的機(jī)電一體化更加注重產(chǎn)品與人的關(guān)系，機(jī)電一體化的人格化有兩層含義。一層是，機(jī)電一體化產(chǎn)品的最終使用對象是人，如何賦予機(jī)電一體化產(chǎn)品人的智能、情感、人性顯得越來越重要，特別是對家用機(jī)器人，其高層境界就是人機(jī)一體化。另一層是模仿生物機(jī)理，研制各種機(jī)電一體花產(chǎn)品。事實(shí)上，許多機(jī)電一體化產(chǎn)品都是受動(dòng)物的啟發(fā)研制出來的。 1.2 機(jī)電一體化的定義和內(nèi)涵教學(xué)目標(biāo)： 1、了解機(jī)電一體

11、化的含義；2、了解機(jī)電一體化的內(nèi)涵3、了解機(jī)電一體化所涉及的相關(guān)技術(shù)1.2.1 機(jī)電一體化的基本涵義 機(jī)電一體化是以微型計(jì)算機(jī)為代表的微電子技術(shù)和信息技術(shù)迅速發(fā)展，并向機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域迅猛滲透，與機(jī)械電子技術(shù)深度結(jié)合的現(xiàn)代工業(yè)基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感測試技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)，從系統(tǒng)觀點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)目標(biāo)，以智能、動(dòng)力、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和感知等組成要素為基礎(chǔ)，對各組成要素及其間的信息處理、接口耦合、運(yùn)動(dòng)傳遞、物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、能量變換機(jī)理進(jìn)行研究，使得整個(gè)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合與綜合集成，并在系統(tǒng)程序和微電子電路的信息流有序控制

12、下，形成物質(zhì)和能量的有規(guī)則運(yùn)動(dòng)，在高功能、高質(zhì)量、高精度、高可靠性、低消耗意義上實(shí)現(xiàn)多種技術(shù)功能復(fù)合的最佳功能價(jià)值系統(tǒng)工程技術(shù)。 機(jī)電一體化一詞（Mechatronics）最早（1971年）起源于日本，它取英語Mechanics（機(jī)械學(xué)）的前半部和Electronics（電子學(xué)）的后半部拼合而成，字面上表示機(jī)械學(xué)和電子學(xué)兩個(gè)學(xué)科的綜合，在我國通常稱為機(jī)電一體化或機(jī)械電子學(xué)。 機(jī)電一體化最本質(zhì)的特性仍然是一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)，其最主要功能仍然是進(jìn)行機(jī)械能和其他形式的能的互換，利用機(jī)械能實(shí)現(xiàn)物料搬移或形態(tài)變化以及實(shí)現(xiàn)信息傳遞和變換。機(jī)電一體化系統(tǒng)與傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)的不同之處是充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和可控

13、驅(qū)動(dòng)元件特性，實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的現(xiàn)代化、智能化、自動(dòng)化。 目前機(jī)電一體化技術(shù)能為人們普遍接受的涵義是“機(jī)電一體化乃是在機(jī)械的主功能、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)成的系統(tǒng)總稱”。 機(jī)電一體化不是機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的簡單疊加，而是將電子設(shè)備的信息處理功能和控制功能“揉和”到機(jī)械裝置中去，從而達(dá)到揚(yáng)長避短、互為補(bǔ)充的目的，使機(jī)電一體化產(chǎn)品更具有系統(tǒng)性、完整性和科學(xué)性。 目前世界上普遍認(rèn)為機(jī)電一體化有兩大分支，即生產(chǎn)過程的機(jī)電一體化和機(jī)電產(chǎn)品的機(jī)電一體化。生產(chǎn)過程的機(jī)電一體化意味著整個(gè)工業(yè)體系得機(jī)電一體化，如機(jī)械制造過程機(jī)電一體化、冶金生產(chǎn)的機(jī)

14、電一體化、化工生產(chǎn)的機(jī)電一體化、糧食及食品加工過程的機(jī)電一體化、紡織工業(yè)的機(jī)電一體化、排版與印刷的機(jī)電一體化等。 生產(chǎn)過程的機(jī)電一體化根據(jù)生產(chǎn)過程的特點(diǎn)（如生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝是否連續(xù)）又可劃分為離散制造過程的機(jī)電一體化和連續(xù)生產(chǎn)過程的機(jī)電一體化。前者以機(jī)械制造業(yè)為代表，后者以化工生產(chǎn)流程為代表。 機(jī)電產(chǎn)品的機(jī)電一體化是機(jī)電一體化的核心，是生產(chǎn)過程機(jī)電一體化的物質(zhì)基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品加上微機(jī)控制即可轉(zhuǎn)變?yōu)樾乱淮漠a(chǎn)品，而新產(chǎn)品較之舊產(chǎn)品功能強(qiáng)、性能好、精度高、體積小、重量輕、更可靠、更方便，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。機(jī)電一體化產(chǎn)品銷到兒童玩具、家用電器、辦公設(shè)備、大到數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動(dòng)生產(chǎn)線等。1

15、.2.2 機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù) 機(jī)電一體化是多學(xué)科領(lǐng)域技術(shù)綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程，其主要相關(guān)技術(shù)可以歸納成六個(gè)方面，即：機(jī)械技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)和系統(tǒng)總體技術(shù)。1、機(jī)械技術(shù) 與一般的同類機(jī)械裝置相比，機(jī)電一體化系統(tǒng)中的機(jī)械部分精度要求更高，結(jié)構(gòu)更簡單，功能更強(qiáng)大，性能更優(yōu)越，同時(shí)還要有更好的可靠性、維護(hù)性和更新穎的結(jié)構(gòu)。零部件要求模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格 ，還有許多新的課題要加以研究和運(yùn)用 。 因此機(jī)械技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)在于如何與機(jī)電一體化技術(shù)相適應(yīng)，利用其他高新技術(shù)來更新概念，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上、材料上、性能上以及功能上的變革。 2、傳感檢測技術(shù) 傳感檢測裝置是機(jī)

16、電一體化系統(tǒng)的感覺器官，它可從待測對象那里獲取能反映待測對象特征與狀態(tài)的信息。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其功能越強(qiáng)，系統(tǒng)的自動(dòng)化程度就越高。傳感檢測技術(shù)的研究內(nèi)容包括兩方面：一是研究如何將各種被測量（包括物理量、化學(xué)量和生物量等）轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量；二是研究如何對轉(zhuǎn)換后的電信號進(jìn)行加工處理，如放大、補(bǔ)償、標(biāo)定、變換等。傳感器是檢測部分的核心。 3、信息處理技術(shù) 信息技術(shù)包括信息的交換、存取、運(yùn)算、判斷和決策。實(shí)現(xiàn)信息處理的主要工具是計(jì)算機(jī)，它相當(dāng)于人的大腦，指揮整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。計(jì)算機(jī)技術(shù)包括計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、硬件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)等。機(jī)電一體化系統(tǒng)中主要采用工業(yè)控制機(jī)（包括可編

17、程序控制器、單片微控制器、總線式工業(yè)空駛機(jī)等）進(jìn)行信息處理。計(jì)算機(jī)應(yīng)用及信息處理技術(shù)已成為機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展和變革的最重要因素。 4、自動(dòng)控制技術(shù) 自動(dòng)控制技術(shù)包括高精度位置控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷、校正、補(bǔ)償、檢索等技術(shù)。在急電一體化技術(shù)中，自動(dòng)控制主要是解決如何提高產(chǎn)品的精度、提高加工效率、提高設(shè)備的有效利用率，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之后進(jìn)行系統(tǒng)仿真，現(xiàn)場調(diào)試，最后使研制的系統(tǒng)可靠地投入運(yùn)行，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展，使得自動(dòng)控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合越趨密切，因此自動(dòng)控制技術(shù)是機(jī)電一體化技術(shù)中十分重要的關(guān)鍵技術(shù)。5、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù) “伺服”（Server）即“伺候服侍”的意

18、思。伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)就是在控制指令的指揮下，控制驅(qū)動(dòng)元件，使機(jī)械的運(yùn)動(dòng)部件按照指令的要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，并具有良好的動(dòng)態(tài)性能。伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)包括電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓等各種類型的傳動(dòng)裝置，這部分的功能相當(dāng)于人的手足的功能，這些驅(qū)動(dòng)裝置通過接口與計(jì)算機(jī)相連接，在計(jì)算機(jī)控制下，帶動(dòng)機(jī)械部件作機(jī)械回轉(zhuǎn)、直線或其他各種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。 常見的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有液壓和電氣伺服系統(tǒng)。液壓伺服系統(tǒng)（如液壓馬達(dá)、脈沖液壓缸等）具有工作穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、輸出力矩大等特點(diǎn)，特別是在低速運(yùn)行時(shí)其性能更突出，但液壓系統(tǒng)需要增加液壓泵等動(dòng)力源，設(shè)備復(fù)雜、體積大、維修難及污染環(huán)境；而電氣伺服系統(tǒng)（如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)等）具有控制靈活、費(fèi)

19、用小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但低速時(shí)輸出力矩不夠大。 6、系統(tǒng)總體技術(shù) 系統(tǒng)總體技術(shù)是一種從整體目標(biāo)出發(fā)，用系統(tǒng)的觀點(diǎn)和方法，將總體分解成若干功能單元，找出能完成各個(gè)功能的技術(shù)方案，再將各個(gè)功能與技術(shù)方案組進(jìn)行分析、評價(jià)、優(yōu)選的綜合應(yīng)用技術(shù)。它通過所用技術(shù)的協(xié)調(diào)一致來保證在給定環(huán)境條件下經(jīng)濟(jì)、可靠、高效地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，并使其操作和維修更加方便。 以上概述了機(jī)電遺體化的相關(guān)技術(shù)，可以得出這樣的結(jié)論：機(jī)電一體化技術(shù)是一種復(fù)合技術(shù)，它不是機(jī)械和電子的簡單疊加，它需要很多部門、產(chǎn)業(yè)的配合和支持，才能取得滿意的結(jié)果。我們不僅要對機(jī)電遺體化的各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行全面深入的了解，還要能從系統(tǒng)工程的概念入手，通過系統(tǒng)總體設(shè)

20、計(jì)來使各個(gè)相關(guān)技術(shù)形成有機(jī)的結(jié)合，并且要注意研究和解決技術(shù)融合過程中所產(chǎn)生的新問題，只有這樣才能滿足機(jī)電一體化高速發(fā)展的需要。1.3 機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成要素教學(xué)目標(biāo)： 1、了解機(jī)電一體化的構(gòu)成要素；2、了解機(jī)電一體化的各構(gòu)成要素的功能3、了解YL-235的組成； 1.3.1 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本要素 機(jī)電一體化系統(tǒng)的形式多種多樣，其功能也各不相同，一個(gè)較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)應(yīng)包括以下幾個(gè)基本要素：機(jī)械本體、動(dòng)力單元、傳感檢測單元、執(zhí)行單元、驅(qū)動(dòng)單元、控制及信息處理單元，各要素之間通過接口相聯(lián)系，這些基本要素的關(guān)系及功能如圖1.3.1所示，這是與人體的五大要素進(jìn)行對比，從而得到啟發(fā)的。圖1.3

21、.1 機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成及工作原理a)人的五大要素 b)機(jī)電一體化系統(tǒng)的要素 c)機(jī)電一體化系統(tǒng)的功能abc1、機(jī)械本體 機(jī)械本體包括機(jī)械傳動(dòng)裝置和機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置。其主要功能是將構(gòu)造系統(tǒng)的各子系統(tǒng)、零部件按照一定的空間和時(shí)間關(guān)系安置在一定的位置上，并保持特定的關(guān)系。隨著機(jī)電一體化產(chǎn)品技術(shù)性能、水平和功能的提高，機(jī)械本體需在機(jī)械結(jié)構(gòu)、材料、加工工藝以及幾何尺寸等方面都適應(yīng)產(chǎn)品高效、多功能、可靠、節(jié)能、小型、輕量、美觀等要求。2、動(dòng)力單元?jiǎng)恿卧墓δ苁前凑諜C(jī)電一體化系統(tǒng)的控制要求，為系統(tǒng)提供能量和動(dòng)力以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。機(jī)電一體化的顯著特征之一是用盡可能小的動(dòng)力輸入獲得盡可能大的功能輸出。3、傳

22、感檢測單元 傳感檢測單元的功能是對系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行過程中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢測，并轉(zhuǎn)換成可識別信號，傳輸?shù)娇刂菩畔⑻幚韱卧?，?jīng)過分析、處理產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息。傳感器檢測單元通常由專門的傳感器和儀器儀表組成。4、執(zhí)行單元 執(zhí)行單元的功能是根據(jù)控制信息和指令完成所要求的動(dòng)作。執(zhí)行單元是運(yùn)動(dòng)部件，一般采用機(jī)械、電磁、電液等方式將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的匹配性要求，需要考慮改善執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作性能，如提高剛性，減輕重量，實(shí)現(xiàn)組件化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，以提高系統(tǒng)整體工作可靠性等。5、驅(qū)動(dòng)單元 驅(qū)動(dòng)單元的功能是在控制信息作用下，驅(qū)動(dòng)各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成各種動(dòng)作和功

23、能。機(jī)電一體化技術(shù)一方面要求驅(qū)動(dòng)單元具有高頻率和快速響應(yīng)等特性，同時(shí)又要求其對水、油、溫度、塵埃等外部環(huán)境具有適應(yīng)性和可靠性；另一方面由于受幾何上動(dòng)作范圍狹窄等限制，還需考慮維修方便，并且盡可能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。隨著電力電子技術(shù)的高度發(fā)展，高性能步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)將大量應(yīng)用于機(jī)電一體化系統(tǒng)。6、控制與信息處理單元 控制與信息處理單元是機(jī)電一體化系統(tǒng)的核心單元，其功能是將來自各傳感器的檢測信息和外部輸入命令進(jìn)行集中、儲(chǔ)存、分析、加工，根據(jù)信息處理結(jié)果，按照一定的程序發(fā)出相應(yīng)的控制信號，通過輸出接口送往執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制整個(gè)系統(tǒng)有目的地運(yùn)行，并達(dá)到預(yù)期的性能?？刂婆c信息處理單元一般由計(jì)算機(jī)、可

24、編程控制器、數(shù)控裝置以及邏輯電路等組成。7、接口 機(jī)電一體化系統(tǒng)由許多要素或子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)之間要能順利地進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的傳遞和交換，必須在各要素或各子系統(tǒng)的相接處具備一定的連接部件，這個(gè)連接部件稱為接口。 接口的作用是將各要素或子系統(tǒng)連接成為一個(gè)有機(jī)整體，使各個(gè)功能環(huán)節(jié)有目的地協(xié)調(diào)一致運(yùn)動(dòng)，從而形成機(jī)電一體化的系統(tǒng)工程。 接口的基本功能主要有三個(gè)：一是變換。在需要進(jìn)行信息交換和傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)之間，由于信號的模式不同（如數(shù)字量與模擬量、串行碼與并行碼、連續(xù)脈沖與序列脈沖等）無法直接實(shí)現(xiàn)信息或能量的交流，必須通過接口完成信號或能量的轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一。二是放大。在兩個(gè)信號強(qiáng)度相差懸殊的環(huán)節(jié)間，經(jīng)接

25、口放大，達(dá)到能量匹配。三是傳遞。變換和放大后的信號要在環(huán)節(jié)間能可靠、快速、準(zhǔn)確地交換，必須遵循協(xié)調(diào)一致的時(shí)序、信號格式和邏輯規(guī)范。接口具有保證信息傳遞的邏輯控制功能，使信息按規(guī)定模式進(jìn)行傳遞。1.3.2 典型機(jī)電一體化系統(tǒng)圖1.3.2 YL235A光機(jī)電一體化培訓(xùn)裝置實(shí)物圖 如圖1.3.2所示，浙江亞龍公司YL-235A 型光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)裝置包含了機(jī)電一體化專業(yè)所涉及的諸如電機(jī)驅(qū)動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)、氣動(dòng)、觸摸屏控制、可編程控制器、傳感器，變頻調(diào)速等多項(xiàng)基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識，模擬了當(dāng)前先進(jìn)技術(shù)在企業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用。它為學(xué)生提供了一個(gè)典型的、可進(jìn)行綜合訓(xùn)練的工程環(huán)境，為學(xué)生構(gòu)建了一個(gè)可充分發(fā)揮學(xué)生潛能和創(chuàng)

26、造力的實(shí)踐平臺(tái)。 亞龍YL-235A 型光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)裝置由鋁合金導(dǎo)軌式實(shí)訓(xùn)臺(tái)、典型的機(jī)電一體化設(shè)備的機(jī)械部件、PLC 模塊單元、觸摸屏模塊單元、變頻器模塊單元、按鈕模塊單元、電源模塊單元、模擬生產(chǎn)設(shè)備實(shí)訓(xùn)模塊、接線端子排和各種傳感器等組成。該裝置各單元均采用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和抽屜式模塊放置架，還可以根據(jù)需要，配置不同品牌的（PLC）模塊和變頻器模塊以及觸摸屏模塊，因此具有較強(qiáng)的互換性。其具體配置部件見表1.3.1。表1.3.1 YL235A光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)裝置配置清單序號名 稱型號及規(guī)格數(shù) 量1實(shí)訓(xùn)臺(tái)1190800840 mm1張2電源模塊單元三相電源總開關(guān)（帶漏電和短路保護(hù)）1個(gè)，熔斷器3只，單

27、相電源插座2個(gè)，安全插座5個(gè)1個(gè)3按鈕模塊單元24V/6A、12V/2A 插孔各一組，急停按鈕1 只，轉(zhuǎn)換開關(guān)2只，蜂鳴器1只，復(fù)位按鈕黃、綠、紅各1只，自鎖按鈕黃、綠、紅各1只，24V 指示燈黃、綠、紅各2只1個(gè)4PLC 模塊單元可編程控制器1只（型號可選），電源開關(guān)1 個(gè)，220V插座1個(gè)1個(gè)5變頻器模塊單元變頻器（型號可選）1只，可調(diào)電位器1個(gè)，撥動(dòng)開關(guān)若干1個(gè)6觸摸屏模塊單元MT5000/4000觸摸屏1塊7物料傳送部件直流減速電機(jī)（24 V，輸出轉(zhuǎn)速6r/min）1臺(tái)，送料盤1個(gè)，光電開關(guān)1只，送料盤支架1組1套8氣動(dòng)機(jī)械手部件雙出桿氣缸1只，單出桿氣缸1只，氣手爪1只，擺動(dòng)氣缸1只

28、，電感式接近開關(guān)2只，磁性開關(guān)5只，緩沖器2只，雙電控?fù)Q向閥4只1套9皮帶輸送部件三相減速電機(jī)（380V，輸出轉(zhuǎn)速40r/min）1臺(tái)，平皮帶1355492mm 1條，輸送機(jī)構(gòu)1套1套10物件分揀部件單出桿氣缸3只，金屬傳感器1只，光纖傳感器2只，光電傳感器1只，磁性開關(guān)6只，物件滑槽3個(gè)，單電控?fù)Q向閥3只1套物料傳送機(jī)構(gòu) 物料傳送機(jī)構(gòu)用于將物料從儲(chǔ)料盤中送到機(jī)械手下方，便于機(jī)械手的搬運(yùn)。該機(jī)構(gòu)主要由放料轉(zhuǎn)盤、可調(diào)節(jié)支架、直流電機(jī)、出料口傳感器、物料檢測支架構(gòu)成，具體位置如圖1.3.3所示。圖1.3.3 物料傳送機(jī)構(gòu)實(shí)物圖1-轉(zhuǎn)盤 2-可調(diào)節(jié)支架 3-直流電機(jī) 4-物料 5-出料口傳感器 6-

29、物料檢測支架 放料轉(zhuǎn)盤用于存放設(shè)備所提供的金屬、白色塑料和黑色塑料三種物料；驅(qū)動(dòng)電機(jī)則采用24V直流減速電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為6r/min，用于驅(qū)動(dòng)放料轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)；物料檢測支架可以將物料有效定位，并確保其平臺(tái)上每次只有一個(gè)物料；出料口傳感器為漫反射型光電傳感器，用于檢測物料檢測支架的平臺(tái)有無從轉(zhuǎn)盤中送來的物料。氣動(dòng)機(jī)械手 氣動(dòng)機(jī)械手用于將在物料支架平臺(tái)上的物料搬運(yùn)到皮帶輸送機(jī)上，其主要由擺動(dòng)氣缸、氣動(dòng)手爪、提升氣缸、伸縮氣缸、緩沖器、限位器、節(jié)流閥、磁性開關(guān)、左右限位傳感器和安裝支架等構(gòu)成。 擺動(dòng)氣缸在雙電控電磁閥控制下可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的左右擺動(dòng)，其左右兩側(cè)各裝有1個(gè)限位器、1個(gè)具有減速緩沖作用的緩沖

30、器和1個(gè)檢測氣缸是否擺動(dòng)到位的電感式接近傳感器；機(jī)械手的伸縮則通過一個(gè)雙出桿氣缸來實(shí)現(xiàn)，其缸體側(cè)面的前端和后端各裝有一個(gè)磁性開關(guān)，用于檢測伸縮動(dòng)作是否完成；提升氣缸用于實(shí)現(xiàn)爪手的上升和下降動(dòng)作，其缸體上端和下端各固定了一個(gè)磁性開關(guān)，用于檢測爪手升降動(dòng)作是否完成；氣動(dòng)爪手用于物料的抓取，爪手的夾緊也是通過一個(gè)磁性開關(guān)來檢測的；單向節(jié)流閥用于調(diào)節(jié)機(jī)械手各個(gè)動(dòng)作的速度。 整個(gè)氣動(dòng)機(jī)械手利用擺動(dòng)氣缸、伸縮氣缸、提升氣缸和氣動(dòng)爪手可以實(shí)現(xiàn)四個(gè)自由度的動(dòng)作，手臂伸縮、手臂擺動(dòng)、手爪升降、手爪松緊。圖1.3.4 氣動(dòng)機(jī)械手實(shí)物圖1-擺動(dòng)氣缸 2-限位器 3-氣動(dòng)爪手 4-爪手閉合檢測磁性開關(guān) 5-提升氣缸

31、6-提升檢測磁性開關(guān) 7-單向節(jié)流閥 8-伸縮氣缸 9-伸縮檢測磁性開關(guān) 10-左右限位傳感器 11-緩沖器 12-安裝支架皮帶輸送與物料分揀機(jī)構(gòu) 皮帶輸送與物料分揀機(jī)構(gòu)用于對氣動(dòng)機(jī)械手搬運(yùn)來的物料進(jìn)行材質(zhì)分揀并通過皮帶輸送機(jī)傳送至指定滑槽前，再由推料氣缸推入滑槽。皮帶輸送與物料分揀機(jī)構(gòu)主要由落料口、落料口物料檢測傳感器、皮帶輸送機(jī)、推料氣缸、單向節(jié)流閥、磁性開關(guān)、光纖傳感器、電感傳感器、滑槽、三相異步電動(dòng)機(jī)等構(gòu)成，具體位置如圖1.3.5所示。 落料孔用于機(jī)械手搬動(dòng)來的物料落料位置定位；落料口物料檢測傳感器是一個(gè)漫反射式光電傳感器，用于檢測是否有物料從落料口放置到傳送帶上；皮帶輸送機(jī)可以在三相

32、異步電動(dòng)面驅(qū)動(dòng)下正、反向運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)物料的輸送；安裝在傳送帶上方的光纖傳感器、電感傳感器用來檢測物料的材質(zhì)和顏色，根據(jù)需要可以將其中的一個(gè)光纖傳感器改為電容傳感器；三個(gè)推料氣缸在三個(gè)電控?fù)Q向閥的控制下可以將不同材質(zhì)或顏色的物料推入指定滑槽，其推出速度和縮回速度均可以通過安裝在氣缸進(jìn)、出氣口的單向節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)；安裝在推料氣缸前端和后端的磁性開關(guān)用于檢測推料氣缸的伸縮動(dòng)作是否完成；三相異步電動(dòng)機(jī)通過一個(gè)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)皮帶輸送機(jī)運(yùn)行。電源模塊單元 電源模塊單元用于整個(gè)實(shí)訓(xùn)裝置的供電和漏電、短路保護(hù)，它主要由一個(gè)三相電源總開關(guān)（帶漏電和短路保護(hù)），3個(gè)熔斷器和2個(gè)單相電源插座構(gòu)成。單向電源插座用于向按鈕模塊單元和PLC模塊單元供電，電源模塊上的5個(gè)安全插座可以向變頻器模塊單元供電。具體位置如圖1-3-6所示。圖1.3.5 皮帶輸送與物料分揀機(jī)構(gòu)實(shí)物圖1-磁性開關(guān) 2-皮帶輸送機(jī) 3-物料檢測傳感器 4-落料口5-滑槽 6-電感傳感器 7-光纖傳感器 8-調(diào)壓閥與過濾器 9-單向節(jié)流閥 10-三相