机电一体化系统实验指导书.docx

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1、机电一体化系统实验指导书综合实睑捐导书1机电一体化系统实验编著者：陈照强宋雪丽王毅机械工程学院2007年2月16日一、机电一体化概念机电一体化技术又称机械电子技术，是机械技术、电子技术与信息技术有机结合的产物。机电一体化在国外被称之MeChaIrOnics,是日本人在20世纪70年代初提出来的，它是用英文MeChaniCS的前半部分与E1ectronics的后半部分结合在一起构成的一个新词，意思是机械技术与电子技术的有机结合，现已得到包含我国在内的世界各国的承认。我国的工程技术人员习惯上把它译为机电一体化技术。机械技术是一门古老的学科，它进展到今天经历了一个漫长的历史时期。机械是现代工业的物质

2、基础，国民经济的各个部门都离不开机械。机械种类繁多，功能各异，不论哪一种机械，从诞生以来都经历了使用一改进一再使用一再改进，不断革新与逐步完善的过程。关于某一种形式的机械，通常来说都有一定的局限性，或者者说都有一定的适用范围、存在某些固有的缺点，这就迫使人们寻找新的工作原理，发明新型的机械.从而使得具有同一用途的机械具有不一致的种类。机械本身的进展也是无止境的，但是这种进展却是缓慢的。各类机械进展到今天.单从机械角度对它们进行改进是越来越不容易了。随着科学技术的进展，一个比较年轻的学科一一电子技术正在蓬勃进展，从分立电子元件到集成电路（IC）,从集成电路到大规模集成电路与超大规模集成电路，特别

3、是微型计算机的出现，使电子技术与信息技术相结合并向其他学科渗透，把人类带人了一个神化般的世界。信息技术（3C技术）的主体包含计算机技术、操纵技术与通信技术。电子技术与计算机技术同机械技术相互交叉，相互渗透，使古老的机械技术焕发了青春。在原有机械基础上引入电子计算机高性能的操纵机能，并实现整体最优化，就使原先的机械产品产生了质的飞跃，变成功能更强、性能更好的新一代的机械产品或者系统，这正是机电一体化的意义所在。机电一体化技术是现代科学技术进展的必定结果。由于大规模集成电路与超大规模集成电路的出现，特别是微型电子计算机的空前进展，促进了机械技术与电子技术相互交叉与相互渗透，并使机械技术与电子技术在

4、系统论、信息论与操纵论的基础上有机地结合起来.形成今天的机电一体化技术。能够说电子技术在机电一体化的形成与进展过程中起到了关键性的作用。二、机电一体化系统的构成关于一个机电一体化产品或者设备，应将它作为一个系统来研究。所谓机电一体化，就是要以系统的整体的思想来考虑复杂机电系统许多综合性的技术问题。比如，一台多关节机器人，就存在着各运动部件之间的力耦合；各运动轴伺服系统的干扰与相互影响；系统动力学与操纵规律与运动精度之间的关系；机器人与外围设备的连接；机器人各部分之间的协调运动与机器人防护安全连锁的问题、这些问题即构成了机器人的系统技术问题，务必通过系统工程与系统设计的理论来解决。这里所说的系统

5、是指通过一些元件的有机结合来实现某一特定的功能，而系统工程则是为使系统达到最佳状态而对系统的构成部件、组织结构、信息传递、操纵机构等进行分析、设计优化的技术。系统设计的特点首先是具有综合性，它把系统内部与外部综合起来考虑。要设计一个复杂的系统，首先就要把系统分解成许多分系统，建立各个分系统的数学模型，最后再进行最优设计。系统设计的另一个重要特征是系统的均衡设汁，均衡设计就是要恰当地选择元件，以构成性能优异的系统。假如设计者只注重元件设计而忽视优化组合过程，则即使是通过精心筛选的元件也可能构成性能低劣的系统。机电一体化产品或者系统就是通过信息技术将机械技术与电子技术融为一体构成的最佳系统，而不是

6、机械技术与电子技术的简单叠加。机电一体化系统通常由五大要素构成、即动力源、传感器、机械结构、执行元件与电子计算机。机电一体化系统的功能在很大程度上决定于操纵系统。操纵系统不仅与计算机及其输入输出通道有关，更与所使用的操纵技术密切有关。操纵技术务必从系统工程的角度出发，探讨那些能够使各功能要素构成最佳组合的柔性技术与一体化技术，有机地与灵活地运用现有的机械技术、电子技术与信息技术，使用系统工程的方法，使整个系统达到最优化，即设计最优化、加工最优化、管理最优化与运行方式最优化。三、机电一体化的有关技术当代科学技术的进展出现了纵向分化、横向综合的重要趋势。从工程学角度来看，机电一体化技术是微电子学、

7、机械学、操纵工程、计算技术等多学科综合进展的产物，是利用多学科方法对机械产品与制造系统进行设计的一种集成技术。因此，目前普遍认为，机电一体化这一新兴学科涉及到四大基础学科，即：机械学、操纵论、电子学与计算机科学。机电一体化技术包含硬件技术与软件技术两大方面。硬件通常由机械本体、传感器、接口单元、信息处理单元与驱动单元等部分构成。而软件又由具有各类不一致功能的模块或者标准化模块构成。因此与机电一体化技术有关的技术应包含下列几个方面。1、机械技术关于绝大多数的机电一体化产品，机械木体在质量、体积等方面部占有绝大部分。如原动机、工作机与传动装置通常都使用机械结构。这些机械结构的设计与制造问题，都属于

8、机械技术的范畴。在这方面除了要充分利用传统的机械技术外，还要大力进展精密加工技术、结构优化设计方法、动态设计方法、虚拟设计方法等；研究开发新型复合材料，以便使机械结构减轻重量，缩小体积，改善在操纵方面的快速响应特性；研究高精度导轨、高精度滚轴丝杠、具有高精密度的齿轮相轴承，以提高关键零部件的精度与可靠性；通过使零部件标准化、系列化、模块化来提高其设计、制造与维修的水平。总之，利用一切先进的设计制造技术，使机械结构体积小、重量轻、精度高、速度快、价格便宜、安全、可靠、方便，以习惯机电一体化的需要。任何机电装备系统都需要依靠机械执行构件的运动与动作来实现特定的功能，而执行构件需要靠原动机供给一定形

9、式的能量与运动才能得以实现。由于执行构件与原动机构的运动形式及传动特性存在差异，且当多个执行件之间需获得固定运动关系时，通常是共用一个原动机构，因此往往需要在两者之间加入通过一定的方式组合而成的同时能实现运动、力（或者力矩）的传递与变换的机械传动系统，用以实现原动机的输出与执行件在运动、力与力矩方面的合理匹配。机械传动系统又称之机械传动链，它是机电装备的重要构成部分之一。可作为机电装备中机械传动系统的基本机械传动类型有很多，如连杆机构、凸轮机构、带传动、链传动、同步带传动、谐波齿轮传动与螺旋传动等等。他们在运动、力的传递与变换方面各有其特点，其中较为典型的、与机器人有关的是滑动丝杠、滚珠丝杠、

10、伞齿轮、同步齿型带、蜗轮蜗杆、常用减速器与直线轴承等。2、传感技术传感技术的核心是传感器。传感器按照一定的精度将被测量转换为与之有确定对应关系的电信号，通常由敏感元件转换元件与转换电路构成。机电一体化产品中使用的传感器种类很多，按照原理分有电阻式、电感式、磁电式、压电式、光电式、热电式、气电式等传感器，按照用途分有位置、压力、流量、温度、湿度、气味、声音、亮度等传感器。目前，传感器一方面向高灵敏度、高精度与高可靠性方向进展，一方面向集成化、智能化与微型化的方向进展；所谓集成化即把传感器与信息处理单元集成在一起，实现传感器与信息处理一体化；所谓智能化即使传感器具有自诊断、自修正的功能。所谓微型化

11、即要把传感器做得足够小，以便减少传感器对被测对象质量、刚度的影响，或者利于集成在微系统中。3、信息处理技术信息处理技术是指利用电子计算机及其外部设备对信息进行输入、转换、运算、存储与输出等技术，这里所说的电子计算机包含工控机、单片机与可编程操纵器等。电子计算机及其外部设备可通过进一步提高集成度来提高其运算速度与便于嵌入机械本体；通过自诊断、自恢复及容错技术来提高其可靠性；通过人工智能技术与专家系统来加速其智能化。通过以上这些措施，能够使计算机在恶劣的工业环境中长期、安全、可靠地工作。目前，机电一体化产品或者系统中的电子计算机已能够做到平均2万至5万小时无故隙。4、接口技术在机电一体化系统中，计

12、算机与外部设备（如执行机构、传感器、机械本体、动力源与人机交互设备等）之间的连接与信息交换环节称之接口，接口功能的实现除硬件电路外，还应包含相应的接口软件（驱动程序），通常通过接口硬件与接口软件的结合来实现接口任务。接口的作用是把外设输入给计算机的信息转换成计算机所能同意的格式，或者把计算机的输出信息转换成外设所能同意的格式；使计算机与外设之间信息的传输速度相互匹配；在计算机与外设之间对传输信息进行缓冲与对信号电平进行转换等。接口应尽量简单、方便、可靠，并提高信息的传输速率。这首先就需要将接口标准化，通过接口标准化能够简化设计，给信息交换与设备维修带来方便，同时还能够降低成本。使用光导纤维与光

13、电隔离技术能够消除外界干扰。提高信息传输的可靠性。5、伺服驱动技术伺服驱动技术要紧是指与执行机构有关的一些技术问题。伺服驱动的方式要紧有电动、气动与液压等各类类型。液压与气动要紧包含泵、阀、油（气）缸、液压（气动）马达及其附属液（气）压元器件等；电动驱动要紧包含交流伺服电机、直流伺服电机与步进电机等。在机电一体化产品或者系统中，关于各类液压与气动元件存在着功能、可靠性、标准化与减轻重量与减小体积等问题；关于电动驱动目前还存在着快速响应与效率等方面的问题，要求电机转矩大，转子转动惯量小，以使电机具有快速启动、停止的能力。关于直流伺服电机，要求操纵性能好、速度与扭矩性能稳固；与直流伺服电机相比，交

14、流伺服电机具有结构牢固、容易保护、转子转动惯量能够设计得很小，能够承受高速旋转等许多直流电机所没有的优点。目前，在变频调速、电子逆变技术、矢量变换技术等方面的研究已进入有用阶段；步进电机作为数控系统的执行器已受到广泛重视。而作为一种小型伺服电机，由于容易实现计算机操纵，目前使用相当普遍。运动操纵系统对伺服电机的基本要求是：快速响应能力，宽调速范围，较高的过载能力及具有频繁起制动的能力。直流伺服电机能很好地满足这些要求，因此半个多世纪以来在制造业与军事装备中得到了广泛的应用。尽管近年来直流伺服电机有被交流伺服电机取代的趋势，但在某些应用中，它还是不可替代的。交流伺服电机有两类：交流感应伺服电动机

15、与交流同步伺服电动机。其中交流同步电机要紧是交流永磁同步磁服电机在运动操纵中得到广泛的应用。而交流感应电机在调速系统或者一些动态性能要求不太高的运动操纵系统（如机床主轴伺服系统）中应用较多。步进电机是一种将数字式脉冲信号转换成机械位移（角位移或者线位移）的机电执行元件。它的机械位移与输入的数字脉冲数有着严格的对应关系，即一个脉冲信号可使步进电机前进一步，因此称之步进电动机。步进电机有三个种类：反应式（或者称磁阻式）、永磁式与混合式。混合式步进电机集中了反应式、永磁式步进电机的优点，是工业上应用最广泛的一种步进电机。混合式步进电机的定子绕组有两相、五相或者其它相数的，但两相绕组的电机应用最多。在

16、机电一体化系统中，运动操纵技术发挥着重要的作用。运动操纵系统高定位精度、高运动速度、可编程的高度柔性等特点深刻改变了制造业、国防工业，甚至我们的日常生活。从零部件的数控加工、家用电器的自动化组装到现代化的汽车生产线；从舰船的自动导航、精确制导的炸弹到捕捉敌人目标的雷达;从我们日常所用的DVD影碟机、数码摄像机到银行自动提款机，运动操纵几乎无所不在。能够确信地说:随着人们对工业生产高质量、高生产率、高可靠性及高柔性的追求，运动操纵将会得到更广泛的应用。我们通过一个典型制袋机系统的实例来说明这个问题。我们在超市中购买的许多食品如咖啡、奶粉，各类膨化食品等是用印刷精美的塑料袋包装的。如图所示的制袋机系统就是一台制作这种袋子的设备。这台设备的原料是卷在供料滚上的印刷好图案的塑料基带，产品是按设定好的长度切割成的塑料袋。制袋机系统工作原理图如图所示，这个系统是这样工作的：整个系统的工作是在一台P1C（可编程逻辑操纵器）操纵下完成的。操作员事先将要制作的袋的长度与