机电一体化1.概论

1 序言及概论序言一、对机电一体化技术的初步了解什么是机电一体化技术呢？机电一体化技术是在生产、制造机电一体化产品过程中使用的各种现代先进的技术。

那么哪些是机电一体化产品呢？日本学者高森年在他的著作中说：“当今世上只要是使人感到比较灵活、灵巧便利的机械都是基于机电一体化技术制造的，这样的说法毫不过分。

” 因此可在自己感兴趣的领域想象。

实际上，机电一体化在家用电器、各种车辆、工厂设备、航天航空等各种领域、场所都得到了广泛的应用。

如家用照相机、全自动洗衣机、无人驾驶的汽车、全自动的玩具小车、工厂化流水线作业设备、航天器、火星探测器及机器人等。

综上所述，机电一体化产品是机械装置和电子装置的有机结合而形成的。

机电一体化技术是机械技术和电子技术等互相结合的各种技术的统称。

二、机电一体化产品的优越性列举出一系列实例后，这些机械都是机电一体化产品，由此可见机电一体化产品在各行各业都得到了非常广泛的应用。

随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化产品有逐步取代传统机电产品的趋势，这完全取决于机电一体化技术所存在的优越性和潜在的应用性能。

这些机电一体化产品，它们有哪些优越性呢？它比一般机械产品及传统机电产品突出的优越性具体体现在：（1）精度提高机电一体化产品大都具有信息自动处理和自动控制功能，其控制和检测的灵敏度、精度以及范围都有很大程度的提高，通过自动控制系统可精确地保证机械的执行机构按照设计的要求完成预定的动作，使之不受机械操作者主观因素的影响，从而实现最佳操作，保证最佳的工作质量。

数控机床的加工精度比一般手工操作的机床的加工精度大大提高。

（2）功能增强机电一体化产品跳出了机电产品的单技术和单功能限制，具有复合技术和复合功能，使产品的功能水平和自动化程度大大提高。

机电一体化产品一般具有自动化控制、自动补偿、自动校验、自动调节、自动保护和智能化等多种功能，能应用于不同的场合和不同领域，满足用户需求的应变能力较强。

例如电子式空气断路器具有保护特性可调、选择性脱扣、正常通过电流与脱扣时电流的测量、显示和故障自动诊断等功能，使得其应用范围大为扩大。

全自动洗衣机比一般的洗衣机增加了根据衣物自动检测水量的电子装置，非常方便；许多自动化设备都比一般的机械产品增加了许多功能。

（3）改善操作性和使用性机电一体化产品普遍采用程序控制和数字显示，操作按钮和手柄数量显著减少，使得操作大大简化并且方便、简单。

机电一体化产品的工作过程根据预设的程序逐步由电子控制系统指挥实现，系统可重复实现全部动作。

高级的机电一体化产品可通过被控对象的数学模型以及外界参数的变化随机自寻最佳工作程序，实现自动最优化操作。

（4）提高生产率和降低成本由于机电一体化产品实现了工作的自动化，使生产能力得以大大提高。

例如数控机床对工件的加工稳定性大大提高，生产效率比普通机床提高5-6 倍；柔性制造系统的生产设备利用率可提高1.5-3.5 倍，机床数量可减少约50%，节省操作人员数量约50%，缩短生产周期40%，使加工成本降低50%左右。

（5）减轻劳动强度和改善劳动条件许多繁重的体力劳动通过计算机完成，大大减轻了劳动强度。

在烟雾、粉尘、毒气等环境中长期工作对人体健康有害。

那么用相应的机器人或其它机电一体化产品代替人完成在这种恶劣环境中的工作非常必要。

（6）提高安全性和可靠性机电一体化产品一般都具有自动监视、报警、自动诊断、自动保护等功能。

在工作过程中，遇到过载、过压、过流、短路等电力故障时，能自动采取保护措施，避免和减少人身和设备事故的发生，显著提高设备的使用安全性。

机电一体化产品由于采用电子元器件，减少了机械产品数控机床中的可动构件和磨损部件，从而使其具有较高的灵敏度和可靠性，产品的故障率低，寿命得到了提高。

（7）简化结构和减轻重量用电子装置代替了机械装置，大大地简化了结构，也减轻了重量。

（8）调整和维护方便机电一体化产品在安装调试时，可通过改变控制程序来实现工作方式的改变，以适应不同用户对象的需要以及现场参数变化的需要。

这些控制程序可通过多种手段输入到机电一体化产品的控制系统中，而不需要改变产品中的任何部件或零件。

对于具有存储功能的机电一体化产品，可以事先存入若干套不同的执行程序，然后根据不同的工作对象，只需给定一个代码信号输入，即可按指定的预定程序进行自动工作。

机电一体化产品的自动化检验和自动监视功能可对工作过程中出现的故障自动采取较大的措施，使工作恢复正常。

（9）智能化程度大大提高许多机电一体化产品都模仿人的各种感官和动作，智能化程度大大提高。

总之，机电一体化正向着轻、薄、细、小巧、自动化方向发展。

三、机电一体化产品的组成结构性能是由结构决定的，机电一体化技术的优越性是由组成机电一体化产品的特殊的结构决定的。

机电一体化产品的功能是通过其内部各组成部分功能的协调和综合来共同实现的。

从其结构来看，机电一体化产品具有自动化、智能化和多功能的特性，而实现这种多功能一般需要机电一体化产品具备五种内部功能，即主功能、动力功能、检测功能、控制功能和执行功能，而实现这些功能的各个组成部分及其技术就构成了机电一体化产品的总体或系统。

以机器人为例来说明（播放机器人运动的实例）。

通过机器人运动的几个例子来分析机电一体化产品的组成结构，首先要有具体的操作执行装置及相应的机械联接如机器人的机械手及机器本体，相当于人体的“手足及骨胳” ；要实现与人相近的功能，本身就必须能够对各种信息进行多种判断，如机器人上台阶，它必须先判断台阶的位置，再如一个生产工厂中的零件自动输送系统，要在给定的两个工位上做出正确的停止判断，在工件装载完成时刻，还要能够迅速做出开始运动的判断。

如果没有传感器发回的各种信息，机器人和自动系统实现判断是不可能的，这样的传感器相当于人的“感官”；若完成某个动作，要对从传感器传来的信息进行正确地分析、判断，然后形成某种控制，这部分处理控制装置相当于人的“大脑” （包括软件程序）；接下来要对控制系统发出的信息进行响应，完成具体的动作，这需要类似于人的“内脏及血液系统”的动力系统提供能量。

除了“手足”、“感官”、“大脑”、“内脏”外，要使这些部分能够有机协调地工作，就必须将上述的功能元素连接起来，这部分称为接口装置，它相当于人体中传递信息的神经系统。

因此，机电一体化是由机械装置（执行、传动、导向机构——“手足及骨胳” ）、检测装置（“感官”）、控制装置（“大脑”）、伺服驱动装置（驱动电机等——“内脏及血液系统” ）和接口装置（“神经系统”）等几部分组成。

(1) 机械系统机电一体化产品的机械系统包括机身、框架、机械传动和联接等机械部分。

这部分是实现产品功能的基础，因此对机械结构提出了更高的要求，需在结构、材料、工艺加工及几何尺寸等方面满足机电一体化产品高效、多功能、可靠、节能和小型轻量等要求。

除一般性的机械强度、刚度、精度、体积和重量等指标外，机械系统技术开发的重点是模块化、标准化和系列化，以便于机械系统的快速组合和更换。

机电一体产品的机械系统由传动、导向、执行机构组成，由于执行机构的重要性，有时把执行机构单独作为一部分结构讨论。

执行机构在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。

机电一体化产品的执行机构一般是运动部件，常采用机械、电液、气动等机构。

执行机构由于机电一体化产品的种类和作业对象不同而有较大的差异。

执行机构是实现产品目的功能的直接执行者，其性能好坏决定着整个产品的性能，因而是机电一体化产品中最重要的组成部分。

(2) 动力系统(伺服系统) 动力系统为机电一体化产品提供能量和动力功能，去驱动执行机构工作以完成预定的主功能。

功能系统包括电、液、气等动力源。

机电一体化产品以电能利用为主，包括电源、电动机及驱动电路等。

(3) 传感与检测系统传感器的作用是将机电一体化产品在运行过程中所需要的自身和外界环境的各种参数转换成可以测定的物理量，同时利用检测系统的功能对这些物理量进行测定，为机电一体化产品提供运行控制所需的各种信息。

传感与检测系统的功能一般由测量仪器或仪表来实现，对其要求是体积小，便于安装与联接、检测精度高、抗干扰等。

(4)信息处理及控制系统根据机电一体化产品的功能和性能要求，信息处理及控制系统接收传感与检测系统反馈的信息，并对其进行相应的处理、运算和决策，以对产品的运行施以按照要求的控制，实现控制功能。

机电一体化产品中，信息处理及控制系统主要是由计算机的软件和硬件以及相应的接口所组成。

硬件一般包括输入/输出设备、显示器、可编程控制器和数控装置。

机电一体化产品要求信息处理速度高，A/D 和D/A 转换及分时处理时的输入/输出可靠，系统的抗干扰能力强。

机电一体化产品的几个组成部分在工作时相互协调，共同完成所规定的目的功能。

在结构上，各组成部分通过各种接口及其组成相应的软件有机的结合在一起，构成一个内部匹配合理，外部效能最佳的完整产品。

四、机电一体化设计的关键技术机电一体化产品是由多种技术以及相关的组成部分构成的综合体，而机电一体化技术是由多种技术相互交叉、相互渗透形成的一门综合性边缘技术，它所涉及的技术领域非常广泛。

概括起来，机电一体化设计的关键技术包括下述六个方面。

(1) 精密机械技术机械技术是机电一体化技术的基础，因为机电一体化产品的主功能和构造功能大都以机械技术为主来实现。

在机械传动和控制与电子技术相互结合的过程中，对机械技术提出了更高的要求，如传动的精密性和精确度的要求与传统机械技术相比有了很大的提高。

在机械系统技术中，新材料、新工艺、新原理以及新结构等方面在不断地发展和完善，以满足机电一体化产品对缩小体积、减轻重量、提高精度和刚度及改善工作性能等方面的要求。

( 2)检测与传感器技术在机电一体化产品中，工作过程的各种参数、工作状态以及工作过程有关的相应信息都要通过传感器进行接收，并通过相应的信号检测装置进行测量，然后送入信息处理装置以及反馈给控制装置，以实现产品工作过程的自动控制。

机电一体化产品要求传感器能快速和准确地获取信息并且不受外部工作条件和环境的影响，同时检测装置能不失真地对信息信号进行放大和输送以及转换。

（3）自动控制技术及信息处理技术机电一体化产品中的自动控制技术包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、校正、补偿等。

由于机电一体化产品中自动控制功能的不断扩大，使产品的精度和效率都在迅速提高。

通过自动控制，使机电一体化产品在工作过程中能及时发现故障，并自动实施切换，减少了停机时间，使设备的有效利用率得以提高。

由于计算机的广泛应用，自动控制技术越来越多地与计算机控制技术结合在一起，它已成为机电一体化技术中十分重要的关键技术。

该技术的难点在于现代控制理论的工程化和实用化，控制过程中边界条件的确定，优化控制模型的建立以及抗干扰等。