机电一体化系统实验指导书

机电一体化系统实

验指导书

机械创新设计与制作综合实验指导书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

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、电子技术和信息技术有机结合的产物。机电一体化在国外被称为Mechatronics,是日本人在20 世纪70 年代初提出来的,它是用英文Mechanics 的前半部分和Electronics 的后半部分结合在一起构成的一个新词,意思是机械技术和电子技术的有机结合,现已得到包括中国在内的世界各国的承认。中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,它发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—改进—再使用—再改进,不断革新和逐步完善的过程。对于某一种形式的机械,一般来说都有一定的局限性,或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,创造新型的机械．从而使得具有同一用途的机械具有不同的种类。机械本身的发展也是无止境的,可是这种发展却是缓慢的。各种机械发展到今天．单从机械角度对它们进行改进是越来越不容易了。随着科学技术的发展,一个比较年轻的学科——电子技术正在蓬勃发展,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和超大规模集成电路,特别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它学科渗透,把人类带人了一个神化般的世界。信息技术(3C 技术)的主体包括计算机技术、控制技术和通信技术。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控制机能,并实现整体最优化,就使原来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发展的必然结果。由于大规模集成电路和超大规模集成电路的出现,特别是微型电子计算机的空前发展,促进了机械技术和电子技术相互交叉和相互渗透,并使机械技术和电子技术在系统论、信息论和控制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—体化的形成和发展过程中起到了关键性的作用。

二、机电一体化系统的构成

对于一个机电一体化产品或设备,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。例如,—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和相互影响;系统动力学与控制规律和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和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,必须经过系统工程和系统设计的理论来解决。这里所说的系统是指经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组成部件、组织结构、信息传递、控制机构等进行分析、设计优化的技术。

系统设计的特点首先是具有综合性,它把系统内部和外部综合起来考虑。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。如果设计者只注重元件设计而忽视优化组合过程,则即使是经过精心筛选的元件也可能组成性能低劣的系统。机电一体化产品或系统就是经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,而不是机械技术和电子技术的简单叠加。机电一体化系统一般由五大要素构成、即动力源、传感器、机械结构、执行元件和电子计算机。机电一体化系统的功能在很大程度上决定于控制系统。控制系统不但与计算机及其输入输出通道有关,更与所采用的控制技术密切相关。控制技术必须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和一体化技术,有机地和灵活地运用现有的机械技术、电子技术和信息技术,采用系统工程的方法,使整个系统达到最优化,即设计最优化、加工最优化、管理最优化和运行方式最优化。

三、机电一体化的相关技术

当代科学技术的发展出现了纵向分化、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、机械学、控制工程、计算技术等多学科综合发展的产物,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,当前普遍认为,机电一体化这一新兴学科涉及到四大基础学科,即:机械学、控制论、电子学和计算机科学。机电一体化技术包括硬件技术和软件技术两大方面。硬件一般由机械本体、传感器、接口单元、信息处理单元和驱动单元等部分组成。而软件又由具有各种不同功能的模块或标准化模块组成。因此与机电一体化技术相关的技术应包括以下几个方面。