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1、机电一体化概论,一、机电一体化系统的基本组成要素 二、机电一体化中共性关键技术 三、机电一体化发展趋势,一、机电一体化系统的基本组成要素,一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：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。我们将这些部分归纳为：结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、智能组成要素；这些组成要素内部及其之间，通过接口耦合、运动传递、物质流动、信息控制、能量转换有机融合集成一个完整系统。,1机械本体,系统所有功能元素的机械支持结构，包括机身、框架、联接等。由于机电一体化产品技术性能、水平和功能的提高，机械本体要在机械结构、材料、
2、加工工艺性以及几何尺寸等方面适应产品高效、多功能、可靠和节能、小型、轻量、美观等要求。,2动力部分,按照系统控制要求，为系统提供能量和动力使系统正常运行。用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出，是机电一体化产品的显著特征之一。驱动部分在控制信息作用下、提供动力、驱动各执行机构完成各种动作和功能。机电一体化系统一方面要求驱动的高效率和快速响应特性，同时要求对水、油、温度、尘埃等外部环境的适应性和可靠性。由于几何尺寸上的限制，动作范围狭窄，还需考虑维修和实行标准化。由于电力电子技术的高度发展，高性能步进驱动、直流和交流伺服驱动大应用于机电一体系统,3测试传感部分,对系统运行中所需要的本身和外界
3、环境的各种参数及状态进行检测，变成可识别信号，传输到信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。其功能一般由专门的传感器和仪器仪表完成。,4执行机构,根据控制信息和指令，完成要求的动作。执行机构是运动部件，一般采用机械、电磁、电液等机构。根据机电一体化系统的匹配性要求，需要考虑改善性能，如提高刚性，减轻重量，实现组件化、标准化和系列化，提高系统整体可靠性等,5控制及信息单元,将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工，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统有目的地运行。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
4、换、IO(输入输出)接口和计算机外部设备等组成。机电一体化系统对控制和信息处理单元的基本要求是：提高信息处理速度，提高可靠性，增强抗干扰能力以及完善系统自诊断功能，实现信息处理智能化和小型、轻量、标准化等。这些我们通常称为机电一体化的五大组成要素。在系统中的这些单元和它们各自内部各环节之间都遵循接口耦合、运动传递、信息控制、能量转换的原则，我们称它们为四大原则。,6接口耦合、能量转换,(1)变换 两个需要进行信息交换和传输的环节之间，由于信息的模式不同(数字量与模拟量、串行码与并行码、连续脉冲与序列脉冲等等)，无法直接实现信息或能量的交流，通过接口完成信息或能量的统一。(2)放大 在两个信号强
5、度相差悬殊的环节间，经接口放大，达到能量的匹配。(3)耦合 变换和放大后的信号在环节间能可靠、快速、准确地交换，必须遵循一致的时序、信号格式和逻辑规范。接口具有保证信息的逻辑控制功能，使信息按规定模式进行传递。(4)能量转换还包含了执行器、驱动器它们的不同类型能量的最优转换方法与原理。,7信息控制,在系统中，所谓智能组成要素的系统控制单元，在软、硬件的保证下，完成数据采集、分析、判断、决策，以达到信息控制的目的。对于智能化程度高的系统，还包含了知识获取、推理机制及知识自学习等以知识驱动为主的信息控制,8运动传递,运动传递是指各组成要素之间不同类型运动的变换与传输之间以及以运动控制为目的优化。由
6、于采用四大原则使各组成要素联接成为一个有机整体，由于控制和信息处理单元的预期信息导引，使各功能环节有目的地协调一致运动，从而形成机电一体化系统工程。,二、机电一体化中共性关键技术,机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动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。,1机械技术,机械技术是机电一体化的基础。随着高新技术引入机械行业，机械技术面临着挑战和变革。在机电一体化产品中，它不再是单一地完成系统间的连接，在系统结构、重量、体积、刚性与耐用性方面对机电一体化有着重要的影响。机械技术的着眼点在于如何与机电一体化的技术相适应，利用其他高、新技
7、术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上以及功能上的变更，满足减少重量、缩小体积、提高精度、提高刚度、改善性能增加功能的要求。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，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。这里原有的机械技术以知识和技能的形式存在。如计算机辅助工艺规格编制(CAPP)是目前CADCAM系统研究的瓶颈，其关键问题在于如何将各行业、企业、技术人员中的标准、习惯和经验进行表达和陈述，从而实现计算机的自动工艺设计与管理。,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
8、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。,3系统技术,系统技术就是以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互有机联系的若干功能单元，以功能单元为子系统进行二次分解，生成功能更为单一和具体的子功能单元。这些子功能单元同样可继续逐层分解，直到能够找出
9、一个可实现的技术方案。深入了解系统内部结构和相互关系，把握系统外部联系，对系统设计和产品开发十分重要。接口技术是系统技术中一个重要方面，它是实现系统各部分有机连接的保证。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。,4自动控制技术,自动控制技术范围很广，主要包括：基本控制理论，在此理论指导下，对具体控制装置或控制系统的设计；设计后的系统仿真，现场调试；最后使研制的系统可靠地投入运行。由于控制对象种类繁多，所以控制技术的内容极其丰富，例如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断
10、、校正、补偿、再现、检索等。随着微型机的广泛应用，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关键技术。,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
11、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。,6伺服传动技术,伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，由微型计算机通过接口与这些传动装置相连接，控制它们的运动，带动工作机械作回转、直线以及其他各种复杂的运动。伺服传动技术是直接执行操作的技术，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置或部件，对系统的动态性能、控制质量和功能具有决定性的影响。常见的伺服驱动有电液马达、脉冲油缸、步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等。由于变频技术的进步，交流伺服驱动技术取得突破性进展
12、，为机电一体化系统提供高质量的伺服驱动单元，极大地促进了机电一体化技术的发展。,三、机电一体化发展趋势,随着科技的发展和社会经济的进步，对制造工程中的机电一体化技术提出了许多新的和更高的要求，制造工程中出现了新的概念。毫无疑问，机械制造自动化中的数控技术，CNC、FMS、CIMS及机器人等都会一致被认为是典型的机电一体化技术、产品及系统。,为了提高机电产品的性能质量、发展高新技术，现在有越来越多的零件要求制造精度越来越高，形状也越来越复杂，如高精度轴承的滚动体圆度要求小于0.5m；液浮陀螺球面的球度要求为0205m；激光打印机的平面反射镜和录像机磁头的平面度要求为004m，粗糙度为0.02m。
13、为了提高效率、减少阻力和降低噪声，或既要精密传递运动又要密封压缩做功，螺杆压缩机包络成型螺旋曲面、管平膨胀机的叶轮叶片、飞机螺旋桨、潜水艇的推进器等都具有极其复杂的空间曲面；现代汽车发动机的活塞也不是圆柱形而是要求具有椭圆鼓形的；为提高强度和使用寿命，机械轴也不再是圆柱形而是由几段圆弧 组成菱柱体；卫星天线中馈源要求有方与圆光滑地过渡实体；而各类特殊刀具与模具，其型面也极其复杂。所有这些，要求CNC机床具有高性能、高精度和稳定加工复杂形状零件表面的能力。因而新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。,1机电一体化的高性能化,高性能化一般包含高
14、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(0.1m)情况下，系统仍有高速度(100mmin)，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。,首先，CNC的高速化在于不仅采用了高性能32位CPU，而且所采用的是精简指令集(RISC)机。在RISC机中，5080MIPS(1MIPS=100万指令s)被认为是普遍的，有
15、的系统甚至采用了180MIPS机，这对于高速数据处理起着重要作用。为了提高速度，采用实时多任务操作系统，进行并行处理，使运算能力进一步加强。设置多重缓冲器，保证连续微小加工段的高速加工。快速插补运算，对于复杂轮廓，将加工形状用微小线段来逼近是通用方法。在高性能数控系统中，除了具有直线、圆弧、螺旋线插补等一般功能外，还配置有特殊函数插补运算，如样条函数插补等。微位置段命令用样条函数来逼近，保证了位置、速度、加速度都具有良好的性能，并设置专门函数发生器、坐标运算器进行并行插补运算、超高速通信技术、全数字伺服控制技术是高速化的一个重要方面。,在数字伺服控制中使用了超高速数字信号处理器(DSP)，并应
16、用了现代控制理论的各种算法，如鲁棒控制、前馈控制和特定方式下的加、减速控制等控制策略以及非线性补偿技术，可在系统中进行在线控制。它可以进行非线性补偿，静、动态惯性补偿值的自动设定和更新等。在给定精度要求下，可使响应速度大幅度提高。前馈控制可使位置跟踪误差消除，同时使系统位置控制达到高速响应。加、减控制能使高速下准确定位。高分辨率、高速响应的绝对位置传感器是实现高精度的检测部件。采用这种传感器并通过专用微处理器的细分处理，可达极高的分辨率(163 840 pointrov)。采用交流数字伺服驱动系统，其位置、速度及电流环都实现了数字化，实现了几乎不受机械载荷变动影响的高速响应伺服系统和主轴控制装
17、置。,与此同时，还出现了所谓高速响应内装式主轴电机，把电机作为一体装入主轴之中，实现了机电融合一体。这样就使得系统的高速性、高精度性极佳。如法国IBAG公司等的磁浮轴承的高速主轴最高转速可达150000 rmin，一般转速为700025000rmin；加工中心换刀速度快达15s；切削速度方面，目前硬质合金刀具和超硬材料涂层刀具车削和铣削低碳钢的速度达500mmin以上，而陶瓷刀具可达8001 000mmin，比高速钢刀具3040mmin的速度提高数十倍。精车速度甚至可达1 400mmin。高分辨率、高速响应、高可靠的零部件，使产品性能不断提高。,至于系统可靠性方面采用了冗余，故障诊断，自动检错
18、，纠错，系统自动恢复，软、硬件可靠性等技术予以保证，使得这种典型的机电一体化产品具有高性能，即高速、高效、高精度和高可靠性。它代表了机电一体化高性能的发展趋势。而对于普及经济型以及升级换代提高型的机电一体化产品，组成它们的命令发生器、控制器、驱动器、执行器以及检测传感器等各个部分都在不断采用高速、高精度、,2机电一体化的智能化趋势,人工智能在机电一体化技术中的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。智能机器人通过视觉、触觉和听觉等各类传感器检测工作状态，根据实际变化过程反馈信息并做出判断与决定。数控机床的智能化现在各类传感器对切削加工前后和加工过程中的各种参数进行监测，并通过计
19、算机系统作出判断，自动对异常现象进行调整与补偿，以保证加工过程的顺利进行，并保证加工出合格产品。,目前，国外数控加工中心多具有以下智能化功能：对刀具长度、直径补偿和刀具破损监测；切削过程的监测；工件自动检测与补偿。随着制造自动化程度的提高，信息量与柔性也同样提高，出现智能制造系统(IMS)控制器来模拟人类专家的智能制造活动，对制造中的问题进行分析、判断、推理、构思和决策，其目的在于取代或延伸制造工程中人的部分脑力劳动，并对人类专家的制造智能进行收集、存储、完善、共享、继承和发展。,(1)诊断过程的智能化,诊断功能的强弱是评价一个系统性能的重要智能指标之一。INC引入了人工智能的故障诊断系统，采
20、用了各种推理机制，能准确判断故障所在，并具有自动检错、纠错与系统恢复功能，从而大大提高了系统的有效度。,(2)人一机接口的智能化,智能化的人一机接口，可以大大简化操作过程，这里包含多媒体技术在人能化中的有效应用。,(3)自动编程的智能化,操作者只需输入加工工件素材的形状和需加工形状的数据，加工程序就可全部自动生成，这里包含：素材形状和加工形状的图形显示；自动工序的确定；使用刀具、切削条件的自动确定；刀具使用顺序的变更；任意路径的编辑；加工过程干涉校验等。,(4)加工过程的智能化,通过智能工艺数据库的建立，系统根据加工条件的变更，自动设定加工参数。同时，将机床制造时的各种误差预先存入系统中，利用
21、反馈补偿技术对静态误差进行补偿。还能对加工过程中的各种动态数据进行采集，并通过专家系统分析进行实时补偿或在线控制。此外，现代CNC系统大都具有学习与示教功能。,3机电一体化的系统化发展趋势,系统化的表现特征之一是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多坐标多系列控制功能的NC系统。表现特征之二是通信功能的大大加强，一般除RS232外，还有RS422以及DNC等多种功能。同时，考虑通信联网需要，建立通信局部网络(LAN)，正在成为标准化LAN的制造自动化协议(MAP)已开始进入NC系统，从而可实现异型机异网互联及资源共享。,4机电一体化
22、的轻量化及微型化发展趋势,一般机电一体化产品，除了机械主体部分，其他部分均涉及电子技术，随着片式元器件(SMD)的发展，表面组装技术(SMT)正在逐渐取代传统的通孔插装技术(THT)成为电子组装的重要手段，电子设备正朝着小型化、轻量化、多功能、高可靠方向发展。80年代以来，国外SMT发展异常迅速，1993年电子设备平均60以上采用SMT，同年世界电子元件片式化率达到45以上。因此，机电一体化中具有智能、动力、运动、感知特征的组成部分将逐渐向轻量化、小型化方向发展。,此外，80年代末期，微型机械电子学及其相应的结构、装置和系统的开发研究取得了综合成果，科学家利用集成电路的微细加工技术，实现了将机构及其驱动器、传感器、控制器及电源集成在一个很小的多晶硅上，因而获得了完备的微型电子机械系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)。整个尺寸缩小到几个毫米甚至几百微米。这是机电一体化一个微型化的研究领域。科学家预言，到21世纪初期，这种微型机电一体化系统将在工业、农业、航天、军事、生物医学、航海及家庭服务等各个领域广泛应用，它的发展将使现行的某些产业或领域发生深刻的技术革命。,
