第一章機(jī)電一體化技術(shù)概論一、引言新技術(shù)革命：以信息技術(shù)為中心，提高工作效率為目標(biāo)。信息技術(shù)三大支柱，即：測(cè)量與控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)。在這種新技術(shù)革命的影響和沖擊下，使機(jī)電工業(yè)發(fā)生了極大變化。定義：機(jī)械技術(shù)與微電子技術(shù)、信息技術(shù)相結(jié)合，通稱"機(jī)電一體化"。例：機(jī)床，純機(jī)械時(shí)，其加工精度、加工能力較低，數(shù)控機(jī)床后，使其功能增強(qiáng)、性能提高，而且成為可以代替人工操作的自動(dòng)化機(jī)床。微電子技術(shù)與信息技術(shù)的引入，將使機(jī)械工業(yè)煥發(fā)青春機(jī)械向機(jī)電一體化方向發(fā)展，不但是機(jī)械本身的需要，而且是現(xiàn)代化生產(chǎn)裝備向大型化、高效化方向發(fā)展的客觀需要。機(jī)電一體化技術(shù)是保證科學(xué)操作和科學(xué)管理的有效工具。76年，機(jī)電一體化正式名字"メカトロニケス"(英文名字是Mechatronics，是由Mechanism的前半部和Electronics后半部縮合而成)，我國現(xiàn)譯為"機(jī)電一體化"。71到78年日本政府頒發(fā)"機(jī)電法"和"機(jī)信法"，對(duì)機(jī)電一體化的發(fā)展起到積極推動(dòng)作用，這個(gè)時(shí)期稱之為萌芽時(shí)期。八十年代，在"機(jī)信法"指導(dǎo)下，機(jī)電一體化的產(chǎn)品如雨后春筍不斷涌現(xiàn)，這個(gè)時(shí)期可稱之為成長時(shí)期。九十年代，集成度提高，價(jià)格下降，機(jī)電一體化技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到迅猛發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)遍及社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域。全盛時(shí)期開始。三、現(xiàn)狀我國，目前"機(jī)電一體化"技術(shù)還相當(dāng)落后，機(jī)械系統(tǒng)有５萬個(gè)品種，約有２萬個(gè)品種需要實(shí)現(xiàn)程度不同的機(jī)電一體化。但是從目前生產(chǎn)的機(jī)電產(chǎn)品來看，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的還比較少。例如：國內(nèi)數(shù)控機(jī)床在機(jī)床中總擁有量較少，國外數(shù)控機(jī)床已占機(jī)床總擁有量的30~80％；國內(nèi)柔性制造系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人等還處于研制階段。3.1國內(nèi)情況國外大型電站大都已實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，汽車工業(yè)已大量應(yīng)用微機(jī)點(diǎn)火控制、安全報(bào)警、制動(dòng)控制等，在這些方面我國還有較大差距，甚至近于空白。其它如家用電器、電子醫(yī)療機(jī)械、電氣傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)、低壓電器、印刷機(jī)械、照相機(jī)械等，國外已普遍實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化，我國大多還處于起步階段。國此在我國機(jī)電產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化，大力推廣機(jī)電一體化技術(shù)，是我國四化建設(shè)中的一個(gè)重要課題，是振興我國機(jī)電工業(yè)的一項(xiàng)戰(zhàn)略決策。1._大型成套設(shè)備2._數(shù)控機(jī)床3._儀器儀表電子化4._自動(dòng)化管理系統(tǒng)5._電子化量具量儀6._工業(yè)機(jī)器人7._電子化家用電器8._電子化電機(jī)傳動(dòng)與調(diào)整系統(tǒng)9._電子化電站自動(dòng)裝置與開關(guān)板10._電子醫(yī)療器械11._電子化低壓電器12._微電腦控制加熱爐13._電子控制汽車或內(nèi)燃機(jī)14._微電腦控制印刷機(jī)械15._微電腦控制食品機(jī)械或包裝機(jī)械16._微電腦控制辦公機(jī)械17._電子式照相機(jī)18._電子控制農(nóng)業(yè)機(jī)械19._電子控制塑料加工機(jī)械20._電子控制電焊機(jī)21._計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)(CAD)22._計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)(CAM)23._計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIM)四、幾個(gè)技術(shù)問題機(jī)械與電子的溶合方式機(jī)械電子的技術(shù)構(gòu)成機(jī)電一體化的效果2、機(jī)械電子的技術(shù)構(gòu)成機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成可以由右圖形象地表示出來。廣義構(gòu)成：硬件與軟件硬件：機(jī)械本體、傳感器、信息處理單元和驅(qū)動(dòng)單元傳感器執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力人機(jī)交互設(shè)備計(jì)算機(jī)A、機(jī)械本體為了發(fā)揮機(jī)電一體化的特長，機(jī)械本體必須改善性能、減輕重量和提高精度。(1)減輕重量(2)提高剛性(3)實(shí)現(xiàn)組件化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化(4)提高系統(tǒng)整體的可靠性B、傳感器分類：檢測(cè)自身內(nèi)部信息傳感器、檢測(cè)對(duì)象的外部信息傳感器。模擬系統(tǒng)、數(shù)字系統(tǒng)（包括混合系統(tǒng)）等。組成：由檢測(cè)、轉(zhuǎn)換、指示、信息處理、記錄等部分組成。傳感信息方式有：光、電、流體、機(jī)械等。評(píng)價(jià)指標(biāo)有：功能、范圍、靈敏度、分辨率、耐環(huán)境性、抗干擾性、可靠性等。C、信息處理技術(shù)信息處理設(shè)備：包括計(jì)算機(jī)主機(jī)或可編程控制器及其配套輸入輸出設(shè)備、顯示器和外部存儲(chǔ)器。存在問題：重量、處理速度、可靠性、抗干擾及標(biāo)準(zhǔn)化。D、驅(qū)動(dòng)技術(shù)動(dòng)力源：液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)三種前兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比較復(fù)雜。包括：泵、閥、油缸（氣缸）、過濾器、管路等。目前存在著功能、可靠性、標(biāo)準(zhǔn)化以及減輕重量、減小體積等問題。電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)已被廣泛采用，但目前在快速響應(yīng)和效率等方面還存在一些問題，不能滿足要求。今后有待于研制內(nèi)裝編碼器的電動(dòng)機(jī)以及控制專用組件、傳感器、電動(dòng)機(jī)三為一體的伺服驅(qū)動(dòng)單元。E、接口技術(shù)定義：將機(jī)電一體化產(chǎn)品各組成部分連接起來的元件就是接口。接口標(biāo)準(zhǔn)化：不僅給信息傳送和維修上帶來方便，而且可以簡化設(shè)計(jì)。今后方向：研制成本低、高速串行接口，解決信號(hào)電纜非接觸化，光導(dǎo)纖維以及光耦合器的大容量化、小型化、標(biāo)準(zhǔn)化等問題，積極引進(jìn)光信號(hào)傳輸技術(shù)。機(jī)電一體化產(chǎn)品是一個(gè)系統(tǒng)，存在著許多綜合技術(shù)問題。例如：由機(jī)械傳動(dòng)零件間隙造成的精度問題；機(jī)械零部件與電子元件相比響應(yīng)速度慢的問題；連接電纜與接線柱的可靠性問題；零件標(biāo)準(zhǔn)化、互換性、兼容性以及檢測(cè)自動(dòng)化等問題。3、機(jī)電一體化的效果機(jī)電一體化的效果：功能增多，體積減少，重量減輕，可靠性提高，性能價(jià)格比大大改善。A、性能提高、功能增強(qiáng)①例如，過去精密機(jī)床采用的是機(jī)械校正，只能校正機(jī)床的系統(tǒng)誤差，現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床，可克服隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差，從而可以達(dá)到前所未有的高精度。②調(diào)整切削阻尼，減少顫振，保證很高的生產(chǎn)率與很高的加工表面光潔度。③粗加工與精加工工序集成，深刻地改變了傳統(tǒng)機(jī)床的結(jié)構(gòu)布局，沖破了傳統(tǒng)的機(jī)床按類別的劃分。3.矢量控制異步電動(dòng)機(jī)，采用微型計(jì)算機(jī)對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)矢量控制，使異步電機(jī)既具有直流電機(jī)一樣的調(diào)節(jié)特性，而且還具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠、電機(jī)容量不受限制、機(jī)械慣性小、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)。C、可靠性提高性在電子元件質(zhì)量可靠性高的前提下，機(jī)電一體化可以改善耐久性，減少故障。機(jī)電一體化產(chǎn)品具有自動(dòng)監(jiān)視診斷、安全聯(lián)鎖控制、過負(fù)荷及失控保護(hù)、停電對(duì)策等，提高了安全可靠性

F、提高靈活性（柔性）機(jī)電一體化產(chǎn)品具有更大的靈活性，可以適應(yīng)用戶多樣化的要求，是當(dāng)代新技術(shù)革命的一大趨向。例如，柔性制造系統(tǒng)，和工業(yè)機(jī)器人對(duì)于多品種小批量生產(chǎn)特別能發(fā)揮它的優(yōu)越性。五、先進(jìn)械電系統(tǒng)舉例觀看錄相片：救火機(jī)器人系統(tǒng)（PAL，5分鐘）機(jī)器人足球（NTSC，45分鐘）具有臨場感提示的遠(yuǎn)距離操縱