机电一体化概论
机电一体化概论
2．计算机与信息处理技术
• 信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、 判断和决策，实现信息处理的工具是计算机， 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的软件技术和硬 件技术，网络与通信技术，数据技术等。 • 在机电一体化系统中，计算机信息处理部 分指挥整个系统的运行。信息处理是否正确、 及时，直接影响到系统工作的质量和效率。 因此计算机应用及信息处理技术已成为促进 机电一体化技术发展和变革的最活跃的因素。 • 人工智能技术、专家系统技术、神经网络 技术等都属于计算机信息处理技术。
5．传感与检测技术
• 传感与检测装置是系统的感受器官，它与信息系统的输 入端相联并将检测到的信息输送到信息处理部分。传感 与检测是实现自动控制、自动调节的关键环节，它的功 能越强，系统的自动化程度就越高。传感与检测的关键 元件是传感器。传感器是将被测量(包括各种物理量、 化学量和生物量等)变换成系统可识别的，与被测量有 确定对应关系的有用电信号的一种装置。 • 现代工程技术要求传感器能快速、精确地获取信息， 并能经受各种严酷环境的考验。与计算机技术相比，传 感器的发展显得缓慢，难以满足技术发展的要求。不少 机电一体化装置不能达到满意的效果或无法实现设计的 关键原因在于没有合适的传感器。因此大力开展传感器 的研究对于机电一体化技术的发展具有十分重要的意义。
1．机电一体化的高性能化
• 高性能化一般包含高速化、高精度、高效率和 高可靠性。新一代CNC系统就是以此”四高” 为满足生产急需而诞生的。它采用32位多CPU 结构，以多总线连接，以32位幅度进行高速数 据传递。因而，在相当高的分辨率(0.1μm)情况 下，系统仍有高速度(100m／min)，可控及联 动坐标达16轴，并且有丰富的图形功能和自动 程序设计功能。为获取高效率，减少各辅助时 间这是一方面，而实现高速化的关键是CNC、 主轴转速进给率、刀具交换，托板交换等各关 键部分实现高速化。
机电一体化概论复习资料
机电系统设计提纲第1章概述1 机电一体化概念以机械学、电子学和信息科学为主的多门技术学科在机电产品发展过程中相互交叉、相互渗透而形成的一门新兴边缘性技术学科。
2 机电一体化共性关键技术（1）精密机械技术（2）信息处理技术（3）自动控制技术（4）检测传感技术（5）伺服驱动技术（6）系统总体技术3 机电一体化的作用及目的作用：（1）机电一体化技术可为改造传统设备开辟新的发展途径（2）机电一体化技术将加快机电工业赶超国际水平的步伐（3）机电一体化技术将加速改善我国的出口产品结构（4）机电一体化可增强企业的生产经营能力目的：机电一体化的目的是使产品多功能化、高效率化、高智能化、高可靠化、省材料省能源化、并使产品的结构向轻、薄、细、小巧化方向发展，不断满足人们生活的多样化要求和生产的省力化、自动化需求。
4 机电一体化系统的基本组成要素机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。
第三章机电一体化系统中的机械设计1 精度（静刚度、动刚度、定位精度等）、误差概念精度的概念（1）准确度：用系统误差大小来表示，反映了测量值偏离真值的程度。
（2）精密度：用随机误差大小来表示，反映了测量值与真值的离散程度。
（3）精确度：系统误差和随机误差大小的综合反映。
（4）设计精度：指在设计时要求达到的精度。
（5）零件精度：包括零件制造的几何尺寸误差和形状位置误差。
（6）运动精度：指设备主要零部件在以工作速度运动时的精度，常用运动误差来表示。
（7）装配精度：指零部件装配后零部件或设备的尺寸和相对位置误差，包括外形尺寸、作业位置尺寸。
（8）定位精度：指机床或仪器重要部件在运动终点所能达到的实际位置的精度，是一个评价综合性能的精度指标。
（9）重复定位精度：指运动部件沿某个坐标轴向规定位置移动，作多次双向或单向定位时，其实际位置和规定位置的偏差。
（10）几何精度：指机床、仪器在不运动或运动速度较低时的精度。
综合反映零部件和组装后设备的几何形状误差和相对位置误差。
机电一体化概论
机电一体化概论机电一体化是指将机械部分和电气部分有机地结合在一起，形成一个整体的系统。
机电一体化技术的发展为工业自动化提供了强大的支撑，使得生产过程更加高效、精确和可靠。
本文将从机电一体化的定义、发展历程、应用领域以及未来发展趋势等方面进行探讨。
机电一体化是将机械和电气两个领域进行整合的一种技术。
机械部分主要涉及机械结构、动力传输、运动控制等方面，而电气部分则包括电力传输、控制系统、传感器等内容。
通过将机械和电气结合在一起，可以实现对机械运动的控制和监测，从而提高生产效率和质量。
机电一体化技术的发展可以追溯到上个世纪六七十年代。
当时，工业自动化的需求不断增加，传统的机械和电气分离的方式已经不能满足生产的要求。
机电一体化技术的出现，使得机械和电气能够更加紧密地结合在一起，实现了生产过程的自动化和智能化。
机电一体化技术已经广泛应用于各个领域。
在制造业中，机电一体化系统可以实现生产线的自动化操作，提高生产效率和产品质量。
在交通运输领域，机电一体化技术可以应用于轨道交通、航空航天等方面，提高交通工具的安全性和性能。
在医疗健康领域，机电一体化系统可以用于医疗设备的控制和监测，提高诊断和治疗的效果。
在农业领域，机电一体化技术可以应用于农机作业、温室控制等方面，提高农业生产的效率和产量。
未来，随着科技的不断进步，机电一体化技术还将得到更广泛的应用。
首先，随着人工智能、大数据和物联网等技术的发展，机电一体化系统将更加智能化和自动化。
其次，随着虚拟现实技术的成熟，机电一体化系统可以应用于虚拟仿真和培训等方面。
此外，机电一体化技术还可以与其他新兴技术相结合，如生物技术、纳米技术等，实现更多的创新和应用。
机电一体化是将机械和电气两个领域进行有机结合的一种技术。
它的出现和发展为工业自动化提供了强大的支撑，广泛应用于各个领域。
未来，机电一体化技术还将继续发展，实现更高级别的自动化和智能化。
我们期待着机电一体化技术在各个领域的更广泛应用，为人们的生产和生活带来更多的便利和效益。
机电一体化概论
机电一体化概论第一章机电一体化概述2•机电一体化的发展趋势:智能化，模块化，网络化，微型化,绿色化，系统化.3•机电一体化的基本含义:机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进徽电子技术，并将机核装置与电子设备以及相关软件有机结合而构成的系统总称。
5•机电一体化的相关技术：机械技术、传感检测技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、系统总体技术。
6.机电一体化系统的基本要素及其功能：8•机电一体化一词最早于1971年出现在日本。
它是取机械学的前半部和电子学的后半部拼合而成，但是，机电一体化并非机械技术和电子技术的简单叠加，而是有着自身体系的新型学科。
第二章机电一体化的相关技术L机电一体化系统中的机械系统：传动部分、导向机构、执行机构、轴系、机座或机架。
2.机电一体化中机械系统的基本要求：高精度、小惯量、大刚度、快速响应性、良好的稳定性。
9•传感器的定义：传感器是一种能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用的输出信号的器件或装置。
13•常见的接近开关及其应用：电涡式接近开关（金属）、电容式接近开关（导体和非导体）、霍尔接近开关（磁性物件）、光电开关：透射型，反射型（统计产量，检测包装，精确定位等）。
16.在控制系统中根据系统信号相对于时间的连续性，通常分为连续时间系统和离散时间系统（连续系统和离散系统）。
18•计算机控制系统的类型及计算机担当的角色：操作指导控制系统（助手）、宜接数字控制系统（DDC,决策者，操作者）、监督计算机控制系统（SCC, 操作指导系统与DDC系统的综合与发展，决策人）、分级控制系统、集散控制系统（DCS）、工厂自动化（FA）系统。
25•接口的分类（1）根据接口的变换和调整功能特征：零接口、被动接口、主动接口、智能接口。
（2）根据接口的输入\输出功能的性质：信息接口、机械接口、物理接口、环境接口。
（3）按照所联系的子系统不同：人机接口、机电接口。
机电一体化概论
1.1机电一体化的定义和基本概念(2)
■ [例1-1]机械手 组织教学 建议：①参观机械手及其动作，结合讲授。 ②重点介绍机电一体化共性的各关键技术及其含义。
1.2机电一体化系统的基本结构和功能 (1)
■ 基本结构：机械部分、控制及信息处理部分、动力部分、传感检测部分、驱动部 分等五个部分(或系统)。
3.5全自动洗衣机
■ 简介： 全自动洗衣机是广泛应用于家用电器中典型的机电一体化设备。
■ 种类： 波轮式、滚筒式、搅拌式等。 洗衣基本原理 基本结构： 洗涤系统、给排水系统、脱水系统、电动机与传动系统、控制系统、箱体与支撑机构 等。
3.5全自动洗衣机
■ 新型洗衣机----模糊洗衣机 几个概念：模糊逻辑、控制原理、模糊控制推理系统、推理规则等。 组织教学 建议：在教学中尽量多结合实际例子或实物进行讲授。
2.7接口技术(1)
■ 概念： 接口----指将机电一体化系统的各部分连接起来的连接电路。 设置接口电路的原因。 接口电路的主要作用、功能。 接口电路的类型：人机接口与机电接口两大类。
2.7接口技术(1)
■ 人机接口-----指人与计算机之间建立联系、实现交换、传输信息的输入/输出设备 的控制电路。 两个任务：信息形式的转换和信息传输的控制。 机电接口---指计算机与机械装置或设备之间联系的控制电路。
■ 组织教学 建议：①结合[例1-2]平面关节型机械手，重点掌握机电一体化系统的结构。 ②结合实物----机械手，介绍机电一体化系统的结构。
1.3机电一体化产品(系统)的种类
■ 按功能来划分： 数控机械类；电子设备类；机电结合类；信息处理类；其它类。
■ 按用途来划分： 生产用类；运输、包装及工程用类；存储、销售用类；社会服务性用类；家庭用 类；科研及பைடு நூலகம்程控制用类；其它用类。 组织教学 建议：在教学中结合日常生活和工作的实际例子进行讲授。
机电一体化概论
常用控制器：单片机、PLC、DSP、工控机、现场总线等。
单片机
PLC
DSP
5. 控制单元发展方向
（1） 20世纪40~50年代形成了经典控制理论。 （2） 20世纪60~ 70年代形成了现代控制理论。 （3） 20世纪80年代以来形成了智能控制。
2.4.2 常用控制器
1. 单片机
将微处理器、存储器、I/O接口电路集成在一片电路
PLC 接口
PLC输入端子接线示意图
PLC 输入端子实物接线图
PLC 接口
PLC输出端子接线示意图
PLC输出端子实物接线图
思考题
单片机与PLC的应用范围有何不同 ？
单片机：应用于数字采集和工业控制 PLC：应用于工业现场的自动化控制
3. DSP
DSP是数字信号处理器的简称，是一种专门用于
输出部件、电源和编程器等组成。
PLC软件部分包括系统软件和应用软件两部分。 目前PLC的标准编程语言有顺序功能图、梯形图、 功能块图、指令表和结构文本5种。现在应用最多的是 梯形图语言，形象直观、逻辑关系明显。
三相异步电动机的自锁控制梯形图。X0、X1为输入继电器， Y0为输出继电器。
PLC梯形图
芯片上，就构成了单芯片微型计算机，简称单片机。
单片机基本结构
单片机内部结构由中央处理器（CPU）、存储器、 时钟电路、I/O口和基本功能单元等组成。
单片机引脚封装 封装形式有两种： 双列直插式封装（DIP）和方形封装。
AT89C51的双列直插式封装 有40个引脚，与其他51系列单 片机引脚是兼容的。40个引脚 可分为I/O端口线、电源线、控 制线、外接晶体线四部分。
2. PLC PLC是可编程序控制器的简称，是在继电器接触
机电一体化概论
机电一体化概论xx年xx月xx日contents •机电一体化概述•机电一体化的核心技术•机电一体化系统设计•机电一体化在各领域的应用•机电一体化的发展趋势与挑战•案例分析目录01机电一体化概述机电一体化是指在机械、电子、计算机和自动化等技术的有机结合下，实现机械与电子的深度融合，使得机械具备自动化、智能化、网络化等特点的一种技术手段。
定义主要包括机械设计制造技术、传感器与检测技术、计算机与信息技术、控制与传动技术、伺服驱动技术等。
内涵定义与内涵初始阶段20世纪60年代以前，主要是在军事和工业领域应用了一些简单的电子技术，如继电器、电气控制器等。
发展阶段20世纪70-80年代，计算机和微电子技术的快速发展，推动了机电一体化的进步，出现了可编程控制器、数控机床等高级机电一体化产品。
智能化阶段20世纪90年代以后，随着人工智能、物联网、云计算等技术的不断发展，机电一体化进入智能化阶段，出现了智能机器人、自动化生产线等。
智能家居如智能家电、智能照明、智能门锁等。
工业制造如数控机床、自动化生产线、工业机器人等。
交通运输如自动驾驶汽车、智能交通管理系统、自动化港口等。
服务行业如智能服务机器人、自动化服务系统等。
医疗护理如智能医疗设备、远程诊疗系统等。
02机电一体化的核心技术总结词机械设计技术是机电一体化的重要核心技术之一，主要包括机械系统的概念设计、详细设计、结构设计、工艺设计、材料选择等方面的技术。
详细描述机械设计技术是机电一体化领域的基础，涉及到机械系统的各个方面，包括机械传动系统、液压气压系统、机械执行机构、传感器和执行器等。
机械设计技术的发展趋势是向着轻量化、小型化、精密化、模块化和智能化方向发展。
机械设计技术总结词电子控制技术是机电一体化中的核心技术之一，主要涉及到微处理器、可编程控制器、传感器、执行器和信号处理等方面的技术。
详细描述电子控制技术是机电一体化的重要支撑，包括数字信号处理、模拟信号处理、传感器信号处理、控制算法等方面。
机电一体化概论
储存功能:保持、积蓄、记录
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2、功能构成原理
1）系统框图
输入x 外部环境
系统 （特性）
直接输出y 间接输出
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2）系统结构框图
大系统
系统1
分系统1
单元1
（单元） （部件）
元件1
系统k
分系统h
单元m
元件n
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3）机电一体化系统功能构成原理图
干扰
排放物
输入
物质 能量 信息
主功能（变换、传递、保存）
由相互关联的、若干种类的元素(机械、流体、电、磁、 光、热、声等)组成的，具有特定目标的有机整体。
1）属性
整体性(集合性)、关联性、目的性和相对性。
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2）系统大 要素
具有所需 特性
系统 (变换、传递、储存）
物质 能量 信息
（人） 控制
三大目 的功能
传递功能:移动、输送 变换功能:加工、处理
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二、机电一体化产品的构成及特点
1、主要构成 1）机械系统 2）动力系统 3）传感与检测系统 4）信息处理及控制系统 5）执行机构
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• 2、特点
1）安全性、可靠性高 2）生产能力与工作质量高 3）使用性能好 4）有复合功能 5）便于调整和维护
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第三节 机电一体化的技术体系
机电一体化技术是系统技术、计算机与信息处 理技术、自动控制技术、伺服传动技术、电力电子 技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术 密集型系统工程的一种高新技术。
1.内涵：信息的变换、存取、运算、判断和决策； 计算机的软件技术和硬件技术、网络与通信技 术、数据库技术等。此外，人工智能技术、专 家系统技术、神经网络技术等也属于该范畴。
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2. 轮系
2.1.3 传动与导向元件
（1）齿轮传动（Gear transmission） （2）齿轮齿条传动（Gear-rack transmission）
2. 轮系
2.1.3 传动与导向元件
（3）同步带传动（Timing-belt trans结构
2.1.3 传动与导向元件
2. 电磁执行元件（Electromagnetic actuator）
左端电线圈通电
右端电线圈通电
二位五通电磁阀工作原理
2.1.3 传动与导向元件
1. 杆系（Bar-linkage system）
示意图
缝纫机下针机构 平面杆系
空间杆系
空间杆系，若干个连杆机构按照一定的方式组合在一起， 可以实现更为复杂的平面平移、角度倾斜、回转等复合运动。
发动机配气机构的凸轮传动结构
高副接触，易磨损，传力不大；
可实现任意要求的从动件运动规律。
2.1.3 传动与导向元件
凸轮微动机构应用
单侧外固定架
1—电机 2—长轴 3—支座 4—弹簧 5—可调节套筒 6—壳体 7—凸轮 8—固定销 9—连接杆 10—固定夹 11—钢针
电机1带动长轴2转动，长轴2末端与端面凸轮7相连并随之转动，使壳体6和 套筒5沿轴向运动。当凸轮转动到回程时，凸轮推动壳体6向右侧运动，壳 体内的弹簧4推动套筒5向右运动。反之，当凸轮转动到推程时，套筒右侧 的弹簧推动套筒向左运动。套筒和支座上分别焊接了固定销8，微动装置就 是通过两固定销驱动外固定架的两段沿轴向往复运动，外固定架再通过钢 钉驱动骨折段微动。 通过调整微动频率、微动幅度、微动力，对骨折段施加载荷，使骨折段产 生微动，以此来提高患者在术后的治疗效果。
导轨、导向键等
机座元件
2.1.2 执行元件
机械执行元件是机器的直接工作部分，它是将动力和运动转 化为克服有效外载、对外做功、完成人们设计任务的元件。 如，汽车驱动轮、夹持机器人手指等。
机电一体化系统中，执行元件主要包括机械执行元件、 电磁执行元件、机械手末端执行器等。
2.1.2 执行元件
第2章 机电一体化的系统组成
机电一体化系统主要由机械单元、检测单元、 控制单元、伺服与驱动单元组成。
这些单元具有怎样的结构和工作原理? 单元能够完成哪些功能? 单元之间是如何连接的? 单元之间如何接受前一级元件的信号，将做
出怎样的处理，又如何向下一级元件传递输 出呢？
－－参考教材：第2章
2.1.3 传动与导向元件
5. 滚动导轨（Rolling guide）
直线滚动导轨（Linear rolling guide）由钢球在滑块与滑 轨之间作无限滚动循环，使得负载平台能沿着滑轨轻易的 以高精度作直线运动，其摩擦系数仅为传统滑动导轨的 1/50，定位精度可达到μm级。
实物
内部结构
2.1.3 传动与导向元件
1. 机械执行元件 微动机构是机电一体化系统中广泛应用的执行元件
机械式：精密丝杠、精密杠杆、齿轮机构、凸轮机构以及 弹性机构等。 机电式：电热式、电磁式、压电式、电致伸缩式、磁致伸 缩式等。 （1）螺旋微动机构
万能工具显微镜工作台的螺旋微动装置
2.1.2 执行元件
（2）蜗轮-凸轮微动机构
（3）齿轮-杠杆微动机构
第2章 机电一体化的系统组成
2.1 机械单元 2.2 伺服与驱动单元 2.3 检测单元 2.4 控制单元 2.5 接口技术
2.1 机械单元
2.1.1 机械单元基础 2.1.2 执行元件 2.1.3 传动与导向元件
手表的精确定时是靠机械传动实现的
2.1.1 机械单元（Mechanical unit）基础
④ 磨损小，寿命长，精度保持性好。 ⑤ 不能自锁，能实现旋转运动与直线运动的可逆转换，但
在立式使用时应增加制动装置。 ⑥ 制造工艺复杂，成本高。
2.1.3 传动与导向元件
4. 凸轮传动（Cam transmission）
由凸轮、从动件、机架这三个基本构件组成
原理图
结构示意图
特点： 结构简单、紧凑；
扇形齿轮 （杠杆）
2.1.2 执行元件
（4）热变形式微动机构
机构原理示意图
热变形微动机构
2.1.2 执行元件
（5）磁致伸缩式微动机构
2.1.2 执行元件
2. 电磁执行元件（Electromagnetic actuator）
利用电磁感应现象驱动被控对象。
电磁阀
电磁马达
电磁离合器
2.1.2 执行元件
机械单元是机电一体化系统的基础，是系 统中所有功能单元的安装骨架和支撑结构，同 时还具有传递动力和运动的作用。
线性传动元件：减速装置、丝杠螺母副、蜗 轮蜗杆副等； 非线性传动元件：连杆机构、凸轮机构等； 导向支承元件、旋转支承元件 轴系及架体等
2.1.1 机械单元（Mechanical unit）基础
基本要求：精度高，惯量小，刚度大
基本组成： 执行元件（Executive component） 机械执行元件，液压缸、气缸等；
电气执行元件，如电动机、电磁阀、电磁开关、电磁离合器等
传动与导向元件（Transmission and guide components） 传动带、传动链、传动齿轮、传动轴等。
3. 螺旋传动（Helix transmission）
螺纹传动
结构原理图 滚珠丝杠传动
实物
2.1.3 传动与导向元件
滚珠丝杠传动特点
① 摩擦损失小，传动效率高达0.92~0.96，而普通滑动丝 杠的传动效率为0.20~0.40。
② 丝杠螺母之间预紧后，可以完全消除间隙，传动精度高 ，刚度好。
③ 摩擦阻力小，且几乎与运动速度无关，动静摩擦力之差 极小，不易产生低速爬行现象。保证了运动的平稳性。
6. 气浮导轨
气浮导轨在分步重复照 相机精密X，Y工作台 上的应用，它以静摩擦 力驱动机构代替进给丝 杠，从而消除了间隙。 为了减小作用于马达的 静摩擦力矩，驱动杆和 工作台都采用了空气轴 承导向。
空气轴承导向微动台