机电一体化系统设计（高等学校应用型特色规划教材）

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"《机电一体化系统设计》围绕机电一体化系统(产品)的机械系统、传感检测系统、信息处理系统、动力源、执行元件系统五个子系统，讲解各部分之间的相互关系、相互作用，阐明机械系统应具有良好的伺服性能，以满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性等要求。机电控制系统部分采用常用的上、下位机控制方式，从上位机的人机界面设计到下位机的嵌入式系统编程，以及上、下位机的MODBUS通信协议，在“人—机—环境”这个大系统中进行较为详细的说明。传感检测系统部分重点介绍传感器的后续电路及与微处理器的接口电路。执行元件部分着重讲解步进(或伺服)电动机的工作原理，说明驱动器与微处理器之间的接口电路，给出插补运算的软件设计。全书着重强调机电一体化系统的应用技术。 "

内容简介

第1章 机电一体化系统概论 ? 掌握机电一体化系统的基本概念及特点。 ? 掌握机电一体化系统的组成及其相互关系。 ? 了解机电一体化技术与其他技术的相互关系，了解机电一体化技术的发展。 ? 了解工业三大元素，熟悉系统具有的三大目的功能。 ? 重点掌握机电一体化系统各要素之间的关系，接口的定义、功能和分类。 1.1 机电一体化系统基础知识 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技术，它是一门面向应用的技术，代表了机械产品柔性化和智能化的发展方向。早在1971年，日本《机械设计》杂志副刊提出了“机电一体化”(Mechatronics)是由Mechanics(机械学)与 Electronics (电子学)组合而成。机电一体化系统通常包括机电一体化技术和机电一体化产品两个方面，具有自动化、智能化，功能、性能强大，灵活性好，节能、省材，体积小、重量轻等特点。 如图1-1所示为典型的机电一体化产品，图1-1(a)为家用全自动洗衣机，图1-1(b)为工业用数控机床。其他如照相机、全自动的玩具小车、无人驾驶的汽车、工厂加工流水线作业设备、航天器、火星探测器以及机器人等，都属于典型的机电一体化产品。 (a) 全自动洗衣机 (b) 数控机床 图1-1 典型的机电一体化产品 机电一体化系统随着生产和科学技术的发展不断被赋予新的内容。用日本“机械振兴协会经济研究所”于1981年3月提出的解释来说明机电一体化系统的概念：“机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成的系统的总称。” 1.2 机电一体化系统的组成及功能 机电一体化系统(产品)主要由以下5个子系统组成：机械系统(机构，起支承和连接作用)，传感检测系统(传感器、信号变换电路)，信息处理系统(计算机、可编程逻辑控制器、单片机)，动力系统(动力源)和执行元件系统(如电动机、汽缸、电磁阀)。 以图1-2所示的一维数控工作台为例加以说明。一维数控工作台，可用作纠偏系统，如制袋机、皮带输送机的左右纠偏装置等。 图1-2 一维数控工作台 一维数控工作台的组成能够体现典型机电一体化系统(产品)的5个子系统。 (1) 机械系统：工作台，滚珠丝杠、轴承、导轨、联轴器、步进电动机或伺服电动机等。 (2) 传感检测系统：左右限位光电传感器等。 (3) 信息处理系统：采用计算机、PLC或单片机为控制单元，也包含驱动器及人机界面。 (4) 动力源：电源、液压源、气源。 (5) 执行元件系统：步进电动机或伺服电动机。 机械系统，即机械本体包括机架、机械连接等在内的系统支持结构，属于基础部分，用以实现产品的构造功能。传感检测系统包括各种传感器及信号检测变换电路，用于对机电产品运行时的内部状态和外部环境进行检测，提供运行控制所需要的信息。信息处理系统采用计算机、PLC或单片机为控制单元，也包含驱动器及HMI人机界面，用以实现对产品运行的控制功能。动力系统包括电源、液压源、气源等。执行元件系统包括各种电机、汽缸、电磁阀等，用以实现能量转换，把输入的能量转换成需要的形式，在控制信息作用下完成要求的动作。 机电一体化系统的5个基本组成不是被简单地拼凑在一起，而是在工作中互相补充、互相协调，共同完成所需要的任务。如图1-3所示，整个机电一体化系统各部分之间，是通过计算机系统(含计算机、PLC、嵌入式系统等)联系起来的，在机械本体的支持下，由传感器检测产品的运行状态及环境变化，将信息反馈给信息处理装置(计算机)，信息处理系统对各种信息进行处理，并按要求控制动力源驱动执行机构进行工作。一般利用人机交互形式实现人的参与控制。 图1-3 机电一体化系统各部分的相互关系 可以说，计算机技术、电子技术和信息技术为机械增添了“头脑”和“神经”，给机械以“智能”，并提供了新的功能和性能。 1.3 机电一体化技术与其他技术关系 1.3.1 与传统机电技术的区别 传统机电技术的操作控制主要通过具有电磁特性的电器如继电器、接触器等来实现，在设计中不考虑或很少考虑彼此间的内在联系，机械本体和电气驱动界限分明，不涉及软件和计算机控制。 机电一体化技术是以计算机为控制中心，在设计过程中强调机械部件和电气部件间的相互作用和影响，整个装置在计算机控制下具有一定的智能性。 1.3.2 与自动控制技术的区别 自动控制技术的侧重点是讨论控制原理、控制规律、分析方法和自动系统的构造等。 机电一体化技术是将自动控制原理及方法作为重要支撑技术，将自控部件作为重要控制部件，应用自控原理和方法，对机电一体化装置进行系统分析、性能计算和动作实现。 1.3.3 与计算机应用技术的区别 计算机在机电一体化系统中的应用仅仅是计算机应用技术的一部分，它还可以在办公、管理及图像处理等其他很多方面得到广泛应用。 机电一体化技术将计算机作为核心部件应用，目的是提高和改善系统性能。机电一体化技术研究的是机电一体化系统，而不是计算机应用本身。 1.3.4 对应的共性关键技术 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，如对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、提高精度和刚度以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、工作状态以及与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并反馈给控制装置，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、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、输送及转换。 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加强，使产品的精度和效率迅速提高。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。 机电一体化产品中的信息处理技术是指在机电一体化产品工作过程中，与工作过程各种参数和状态以及自动控制有关的信息的交换、存取、运算、判断和决策分析等。在机电一体化产品中，实现信息处理技术的主要工具是计算机。计算机技术包括硬件和软件技术、网络与通信技术、数据处理技术和数据库技术等。在机电一体化产品中，计算机信息处理装置是产品的核心，它控制和指挥整个机电一体化产品的运行。因此，计算机应用及其信息处理技术是机电一体化技术中最关键的技术，它包括目前被广泛研究并得到实际应用的人工智能技术、专家系统技术以及神经网络技术等。 4. 伺服驱动技术 伺服驱动技术主要是指机电一体化产品中的执行元件和驱动装置设计中的技术问题，它涉及设备执行操作的技术，对所加工产品的质量具有直接的影响。机电一体化产品中的执行元件有电动、气动和液压等类型，其中多采用电动式执行元件，驱动装置主要是各种电动机的驱动电源电路，目前多采用电力电子器件及集成化的功能电路构成。执行元件一方面通过接口电路与计算机相连，接受控制系统的指令；另一方面通过机械接口与机械传动机构和执行机构相连，以实现规定的动作。因此，伺服驱动技术直接影响着机电一体化产品的功能执行和操作，对产品的动态性能、稳定性能、操作精度和控制质量等具有决定性的影响。 5. 系统总体技术 系统总体技术是从整体目标出发，用系统的观点和方法，将机电一体化产品的总体功能分解成若干功能单元，找出能够完成各个功能的可能技术方案，再把功能与技术方案组合成方案组进行分析、评价，综合优选出适宜的功能技术方案。系统总体技术的主要目的是在机电一体化产品各组成部分的技术成熟、组件的性能和可靠性良好的基础上，通过协调各组件的相互关系和所用技术的一致性来保证产品的经济、可靠、高效率和操作方便等。系统总体技术是最能体现机电一体化设计特点的技术，也是保证其产品工作性能和技术指标得以实现的关键技术。 1.4 机电一体化系统的分类及应用 目前，机电一体化系统或产品已深入社会的各个方面。具体地说，包括以下几个方面。 1.4.1 生产用机电一体化产品和系统 生产用机电一体化产品和系统如数控机床、机器人、加工中心、自动生产设备、柔性生产单元(Flexible Manufacturing Cell，FMC)、自动组合生产单元、柔性制造系统(Flexible Manufacturing System，FMS )、无人化工厂计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)等。如图1-4所示为产品生产线上使用的一种码垛机器人，如图1-5所示为计算机集成制造系统(CIMS)示意图。 图1-4 产品生产线上使用的码垛机器人 由图1-5可见，CIMS体系结构是用来描述研究对象整个系统各个部分和各个方面的相互关系和层次结构的。从功能层方面来看，CIMS大致可以分为6层：生产/制造系统、硬事务处理系统、技术设计系统、软事务处理系统、信息服务系统、决策管理系统。 图1-5 CIMS示意图 1.4.2 运输、包装及工程用机电一体化产品 食品、医药、饮料、线缆和电子等行业常采用不同规格的纸箱进行产品装箱运输。早期基本采用人工进行纸箱封箱，工人劳动强度大，封箱操作单调，效率低。现在基本可以用自动、半自动的封箱机进行封箱，封箱速度可在20箱/min左右。如图1-6所示的纸箱封箱机，可以根据不同纸箱规格自动调节宽度及高度，通过两侧皮带驱动上下封箱。 图1-6 纸箱封箱机 再如，微机控制的汽车、机车等交通运输工具，数控包装机械及系统，数控运输机械及工程机械设备等，都属于运输、包装及工程用机电一体化产品。 1.4.3 储存、销售用机电一体化产品 储存、销售用机电一体化产品也很多，如自动仓库，自动空调与制冷系统及设备，自动称量、分选、销售及现金处理系统。 如图1-7所示为智能仓储系统。智能仓储系统是由立体货架、有轨巷道堆垛机、出入库输送系统、信息识别系统、自动控制系统、计算机监控系统、计算机管理系统以及其他辅助设备组成的智能化系统。通过对控制、总线、通信和信息技术的应用，智能仓储系统协调各类设备动作，以实现物品的自动出入库作业。智能仓储系统也是智能制造工业4.0快速发展的一个重要组成部分。 图1-7 智能仓储系统 1.4.4 社会服务及家庭用机电一体化产品 机电一体化技术在社会服务及家用产品中有很多应用，自动化办公设备中的复印机、打字机、扫描仪等，医疗设备中的CT机、心电图机、X光机等，环保及公共服务自动化设备中的自动清扫机、取款机、取票排队机等；文教、体育、娱乐等领域中的机电一体化产品如投影仪、跑步机、游戏机等；家电产品中除了全自动洗衣机、数字化空调、冰箱等，自动扫地机器人、服务型机器人也得到越来越广泛的应用。 图1-8为一种带定位导航的扫地机器人系统。扫地机器人(见图1-8(a))带有轻触传感器，轻轻碰触家具后，能够自动避开并绕行清扫。由于带有导航定位系统(见图1-8(b))，扫地机器人可以记录清扫路径，因此在导航范围内其清扫轨迹可以覆盖家庭的各个角落。 "《机电一体化系统设计》围绕机电一体化系统(产品)的机械系统、传感检测系统、信息处理系统、动力源、执行元件系统五个子系统，讲解各部分之间的相互关系、相互作用，阐明机械系统应具有良好的伺服性能，以满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性等要求。机电控制系统部分采用常用的上、下位机控制方式，从上位机的人机界面设计到下位机的嵌入式系统编程，以及上、下位机的MODBUS通信协议，在“人—机—环境”这个大系统中进行较为详细的说明。传感检测系统部分重点介绍传感器的后续电路及与微处理器的接口电路。执行元件部分着重讲解步进(或伺服)电动机的工作原理，说明驱动器与微处理器之间的接口电路，给出插补运算的软件设计。全书着重强调机电一体化系统的应用技术。 "