机电一体化教学系统

第一章绪论1.1 课题研究背景机电一体化技术是面向应用的跨学科的技术，它是机械技术、微电子技术、信息技术和控制技术等有机融合、相互渗透的结果。

今天机电一体化技术发展飞速，机电一体化产品更新日新月异。

机电一体化教学系统是一套完整、灵活、模块化易扩展的教学实训系统，根据教学和生产需要研发并制造,从简单到复杂，从零部件到整机。

利用多种机械传动方式模拟完成现代化装配过程的柔性生产系统，系统展现了实际生产中的典型部分，如：电气控制系统，各种传感器的应用和现代生产中的组态控制、工业总线控制等[1]。

学生可以借助该系统，学习机械传动技术、液压与气动技术、电气传动与控制技术、工业现场总线、PLC控制技术、过程控制技术、传感器技术及计算机技术等及各种技术的综合应用。

(1)实训所能涵盖课程。

电工电子技术、机床电气与PLC、机械设计基础，自动检测技术、液压与气动技术、数控原理与数控机床、机电一体化技术和现代制造技术、过程控制技术等课程[2]。

实训装置特点，体现以自动化的物料传输和加工装置为对象，体现常用的控制方法，机械传动原理的应用，驱动装置的选择、各个模块的调试和系统统调及利用PLC软件进行编程、在线监控、故障的诊断与维修等。

电一体化(Mechatronics) 一词，最早起源于日本，是由机械学“mechanics”与电子学“electronics”结合而成的拼缀词，意思为机械电子学，在我国则称之为机电一体化。

自提出机电一体化(Mechatronics) 这一概念以来，机电一体化经历了30多年的发展，其内涵随科技的发展不断更新，不断丰富[3]。

特别是人类进入21世机电一体化产品的输出柔性、工作性能及可靠性等方面提出了越来越高的要求。

而相关学科，如A I 技术、计算机技术、传感技术、网络技术、信息技术等的发展，为机电一体化系统开辟了更加广阔的应用前景。

尤其是微电子、信息、新材料及集成技术的发展, 使产品结构发生了革命性的变化。

随着信息、传感等技术与传统机械产品的融合，传统机械产品正向着智能化、网络化、模块化、柔性化、微型化、自动化等机电一体化新阶段迈进[4]。

机电一体化技术已成为一门新兴的交叉学科技术，它涉及到机械制造技术、信息处理技术、传感器技术、伺服驱动技术、接口技术、自动控制技术等关键技术[5]。

技术的更新，带动机电一体化产品向更高层次方向发展，以满足人们不断丰富和发展的物质、文化和精神上的需求。

机电一体化技术在21 世纪机械产品的设计和开发中将发挥重要作用，其产品是机电一体化技术的载体和体现者，通过机电一体化产品来实现和反映当今的机电一体化技术的发展水平，因此，为机电一体化产品的设计师，不但要掌握先进的机电一体化技术，而且更重要地是掌握如何在产品设计中充分展现现代机电一体化技术的最新成果。

机电一体化系统所具有的学科交叉性、多技术性、集成性、融合性、复杂性给产品设计师提出了更高的要求[11]。

机电一体化产品概念设计的研究主要集中在欧洲。

主要研究机构有：德国Darm stadt 大学，英国Lancaster 大学工程设计中心，荷兰Twente 大学，比利时Leuven 大学，挪威科技大学，丹麦技术大学和芬兰VTT 研究中心等[9]。

另外，在美国，与机电一体化系统有关的概念设计工作大多集中在MIT 大学，Carnegie Mellon 大学，Michigan 大学Standford 大学[19]。

在日本东京大学的Yoshikawa和Tomyama 两位学者的研究工作涉及到了一般的机电一体化系统的概念设[12]。

德国Darmstadt 大学的R.Iserrmann，H. J. Herpel，M. Held,M. Glesner等人，对机电一体化产品设计进行了较深入的研究，他们的研究领域主要集中在机电一体化的控制系统的设计方法学上，提出了机电一体化系统的能量流和信息流模型，并将控制系统按层次划分为管理层、监视层、控制层和处理层四个层次。

从他们的观点来看，机电一体化的驱动器、传感器及机械部分都是作为控制系统设计的外界环境而存在的，而控制系统设计是机电一体化的主体。

因此在他们的设计中，较少考虑到机械部分的特性、传感器的特性及驱动器的特性，也没有考虑到几个部分之间的融合设计问题，该观点不能全面反映以实现运动执行功能为主的机电一体化产品概念设计的实质[10-12]。

德国Heinz N ixdo rf 大学的Jurgen Gausemeier，Martin F lath，Stefan Mohringer 等人于2001年构建了机电一体化系统开发的V 型模型，指出在概念设计的早期阶段，需要有一种共同的功能描述语言来描述所涉及的不同学科的知识，给出了一种适用于机电一体化产品概念设计的集成方法，即用半规则式说明语言进行功能原理建模，将该方法已成功用于汽车导航驱动系统的概念设计过程中[14]。

目前，国内一些研究单位，如浙江大学、华中科技大学等单位，在机械产品概念设计及计算机辅助创新设计方面进行了研究，但对机电一体化产品概念设计方面的问题基本没有进行研究。

上海交通大学从1996 年开始，对机电一体化产品概念设计的理论与方法进行了较为深入的研究，并取得了初步的研究成果。

从现代机构的角度出发，将机电一体化系统划分为广义执行机构子系统、传感检测子系统、信息处理及控制子系统，称为“三子系统论”，并由此建立机电一体化系统概念设计的框架体系，有利于机电一体化产品的创新设计，以实现运动功能为主功能的一大类机电一体化产品(如电脑型多功能缝纫机等)为研究对象，对机电一体化产品概念设计的核心问题广义执行机构子系统的概念设计进行了系统研究，提出了由总功能进行基本工艺动作过程的构思；由基本工艺动作过程，实现动作分解，得到独立的执行动作；确定各执行动作的创新机构及其机构系统的组合的框架模型，即归纳为：Process Action Mechanism 的PAM 功能求解模型。

该模型能将概念设计与机构及其系统设计很好地结合起来，更具有可操作性，更易于实现创新设计，更利于计算机辅助概念设计的实现。

由于机电一体化系统是一个复杂的动态系统，只有在了解了其动态性能的基础上才能进行恰当的评价，因此机电一体化产品的建模与仿真问题显得更为重要。

概念设计阶段仿真的目的是检验系统是否能够完成给定的功能，以及实现功能所附带的约束条件。

通过分析比较目前通用的各种建模技术(如键合图、方框图、信号流图、原理图等) 及各种仿真软件的优缺点，采用Simulink 仿真软件构造了一个面向功能模块建模方法的，表达机电一体化产品中广义执行机构的概念设计的系统仿真平台。

这一平台的构建，为机电一体化产品概念设计的整体仿真平台的建立奠定了基础。

1.2 课题研究现状及趋势机械手是一种模拟人手操作的自动机械。

它可按固定程序抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作。

应用机械手可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

机械手主要由手部和运动机构组成。

手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。

运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。

运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。

为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有 6个自由度。

自由度是机械手设计的关键参数。

自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。

一般专用机械手有2～3个自由度。

发展前景及方向：1、复高精度精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度, 它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。

重复精度是指如果动作重复多次, 机械手到达同样位置的精确程度。

重复精度比精度更重要, 如果一个机器人定位不够精确, 通常会显示一个固定的误差, 这个误差是可以预测的, 因此可以通过编程予以校正。

重复精度限定的是一个随机误差的范围, 它通过一定次数地重复运行机器人来测定。

随着微电子技术和现代控制技术的发展,机械手的重复精度将越来越高, 它的应用领域也将更广阔, 如核工业和军事工业等[19]。

2、模块化有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术, 而把模块化拼装的机械手称为现代传输技术[21]。

模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。

它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置, 使机械手运动自如。

模块化机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能, 扩大了机械手的应用范围, 是机械手的一个重要的发展方向。

3、无给油化为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求，不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。

随着材料技术的进步，新型材料（如烧结金属石墨材料）的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长[17]。

4、机电一体化由“可编程序控制器- 传感器- 液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件, 使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”省配线的复合集成系统,不仅减少配线、配管和元件, 而且拆装简单, 大大提高了系统的可靠性。

而今，电磁阀的线圈功率越来越小,而PLC的输出功率在增大, 由PLC直接控制线圈变得越来越可能。

随着科学与技术的发展,机械手的应用领域也不断扩大。

目前，机械手不仅应用于传统制造业如采矿,冶金,石油,化学,船舶等领域,同时也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁，医疗康复等服务业领域中。

如，水下机器人、抛光机器人、打毛刺机器人、擦玻璃机器人、高压线作业机器人、服装裁剪机器人、制衣机器人、管道机器人等特种机器人以及扫雷机器人、作战机器人、侦察机器人、哨兵机器人、排雷机器人、布雷机器人等军用机器人都是机械手应用的典型。

机械手广泛应用于各行各业。

而且,随着人类生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩，未来各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活，其市场将繁荣兴旺。

PLC具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点，这是它能持久的占有市场的根本原因，我们下面重点阐述几个问题，并研究其发展趋势。

PLC控制器本身的硬件采用积木式结构，各厂家产品结构大同小异。

以日本欧姆龙C200HE为例，为总线模板框式结构，基本框架（CPU母板）上装有CPU模板，其它槽位装有I/O模板；如果I/O模板多时，可由CPU母板经I/O扩展电缆连接I/O扩展母板，在其上装I/O模板；另一种方法是配备远程I/O从站等[15]。