第一篇：第二部分機電一體化概論

2014年對口升學(xué)考試大綱《機電一體化概論》

掌握機電一體化的基本概念、基本原理和基本知識，了解機電一體化的發(fā)展方向；理解機電一體化的分類；掌握機電一體化相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)知識，具備初步的學(xué)科融合的思維能力和相應(yīng)的實踐應(yīng)用能力。

機電一體化概論（60分）

1.機電一體化的定義與發(fā)展（5分）

（1）理解機電一體化的含義。

（2）了解機電一體化的發(fā)展趨勢。

2.機電一體化系統(tǒng)的功能及組成（5分）

（1）了解機電一體化系統(tǒng)的功能。

（2）掌握機電一體化系統(tǒng)的組成。

3.機電一體化系統(tǒng)的分類（10分）

（1）熟悉生產(chǎn)過程機電一體化的組成。

（2）熟悉典型的機電一體化產(chǎn)品應(yīng)用。

4.機電一體化相關(guān)技術(shù)及實例分析（40分）

（1）了解機器人運動功能的符號。

（2）了解機械傳動機構(gòu)和使用能源的傳動機構(gòu)的種類。

（3）理解電動傳動的優(yōu)點和缺點。

（4）理解液壓傳動工作原理和驅(qū)動方式。

（5）理解氣壓傳動的工作原理和特點。

（6）了解常用傳感器的種類，能根據(jù)控制要求選擇傳感器，熟悉傳感器采集信號的處理過程。

（7）理解接口的概念和功能，熟悉接口的分類，認識常用的接口IC。

（8）了解伺服驅(qū)動的概念，理解伺服系統(tǒng)的組成和工作過程，熟悉伺服電機的特點和工作原理。

（9）理解自動門的機械組成、電氣組成及主要功能，會選擇相應(yīng)器件。

第二篇：機電一體化1.概論

1序言及概論

序言

一、對機電一體化技術(shù)的初步了解

什么是機電一體化技術(shù)呢？機電一體化技術(shù)是在生產(chǎn)、制造機電一體化產(chǎn)品過程中使用的各種現(xiàn)代先進的技術(shù)。

那么哪些是機電一體化產(chǎn)品呢？日本學(xué)者高森 年在他的著作中說：“當今世上只要是使人感到比較靈活、靈巧便利的機械都是基于機電一體化技術(shù)制造的，這樣的說法毫不過分。”因此可在自己感興趣的領(lǐng)域想象。實際上，機電一體化在家用電器、各種車輛、工廠設(shè)備、航天航空等各種領(lǐng)域、場所都得到了廣泛的應(yīng)用。

如家用照相機、全自動洗衣機、無人駕駛的汽車、全自動的玩具小車、工廠化流水線作業(yè)設(shè)備、航天器、火星探測器及機器人等。

綜上所述，機電一體化產(chǎn)品是機械裝置和電子裝置的有機結(jié)合而形成的。機電一體化技術(shù)是機械技術(shù)和電子技術(shù)等互相結(jié)合的各種技術(shù)的統(tǒng)稱。

二、機電一體化產(chǎn)品的優(yōu)越性

列舉出一系列實例后，這些機械都是機電一體化產(chǎn)品，由此可見機電一體化產(chǎn)品在各行各業(yè)都得到了非常廣泛的應(yīng)用。隨著機電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，機電一體化產(chǎn)品有逐步取代傳統(tǒng)機電產(chǎn)品的趨勢，這完全取決于機電一體化技術(shù)所存在的優(yōu)越性和潛在的應(yīng)用性能。這些機電一體化產(chǎn)品，它們有哪些優(yōu)越性呢？它比一般機械產(chǎn)品及傳統(tǒng)機電產(chǎn)品突出的優(yōu)越性具體體現(xiàn)在：

（1）精度提高

機電一體化產(chǎn)品大都具有信息自動處理和自動控制功能，其控制和檢測的靈敏度、精度以及范圍都有很大程度的提高，通過自動控制系統(tǒng)可精確地保證機械的執(zhí)行機構(gòu)按照設(shè)計的要求完成預(yù)定的動作，使之不受機械操作者主觀因素的影響，從而實現(xiàn)最佳操作，保證最佳的工作質(zhì)量。數(shù)控機床的加工精度比一般手工操作的機床的加工精度大大提高。

（2）功能增強

機電一體化產(chǎn)品跳出了機電產(chǎn)品的單技術(shù)和單功能限制，具有復(fù)合技術(shù)和復(fù)合功能，使產(chǎn)品的功能水平和自動化程度大大提高。機電一體化產(chǎn)品一般具有自動化控制、自動補償、自動校驗、自動調(diào)節(jié)、自動保護和智能化等多種功能，能應(yīng)用于不同的場合和不同領(lǐng)域，滿足用戶需求的應(yīng)變能力較強。例如電子式空氣斷路器具有保護特性可調(diào)、選擇性脫扣、正常通過電流與脫扣時電流的測量、顯示和故障自動診斷等功能，使得其應(yīng)用范圍大為擴大。全自動洗衣機比一般的洗衣機增加了根據(jù)衣物自動檢測水量的電子裝置，非常方便；許多自動化設(shè)備都比一般的機械產(chǎn)品增加了許多功能。

（3）改善操作性和使用性

機電一體化產(chǎn)品普遍采用程序控制和數(shù)字顯示，操作按鈕和手柄數(shù)量顯著減少，使得操作大大簡化并且方便、簡單。機電一體化產(chǎn)品的工作過程根據(jù)預(yù)設(shè)的程序逐步由電子控制系統(tǒng)指揮實現(xiàn)，系統(tǒng)可重復(fù)實現(xiàn)全部動作。高級的機電一體化產(chǎn)品可通過被控對象的數(shù)學(xué)模型以及外界參數(shù)的變化隨機自尋最佳工作程序，實現(xiàn)自動最優(yōu)化操作。

（4）提高生產(chǎn)率和降低成本

由于機電一體化產(chǎn)品實現(xiàn)了工作的自動化，使生產(chǎn)能力得以大大提高。例如數(shù)控機床對工件的加工穩(wěn)定性大大提高，生產(chǎn)效率比普通機床提高5-6倍；柔性制造系統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備利用率可提高1.5-3.5倍，機床數(shù)量可減少約50%，節(jié)省操作人員數(shù)量約50%，縮短生產(chǎn)周期40%，使加工成本降低50%左右。

（5）減輕勞動強度和改善勞動條件

許多繁重的體力勞動通過計算機完成，大大減輕了勞動強度。在煙霧、粉塵、毒氣等環(huán)境中長期工作對人體健康有害。那么用相應(yīng)的機器人或其它機電一體化產(chǎn)品代替人完成在這種惡劣環(huán)境中的工作非常必要。

（6）提高安全性和可靠性

機電一體化產(chǎn)品一般都具有自動監(jiān)視、報警、自動診斷、自動保護等功能。在工作過程中，遇到過載、過壓、過流、短路等電力故障時，能自動采取保護措施，避免和減少人身和設(shè)備事故的發(fā)生，顯著提高設(shè)備的使用安全性。機電一體化產(chǎn)品由于采用電子元器件，減少了機械產(chǎn)品數(shù)控機床中的可動構(gòu)件和磨損部件，從而使其具有較高的靈敏度和可靠性，產(chǎn)品的故障率低，壽命得到了提高。

（7）簡化結(jié)構(gòu)和減輕重量

用電子裝置代替了機械裝置，大大地簡化了結(jié)構(gòu)，也減輕了重量。

（8）調(diào)整和維護方便

機電一體化產(chǎn)品在安裝調(diào)試時，可通過改變控制程序來實現(xiàn)工作方式的改變，以適應(yīng)不同用戶對象的需要以及現(xiàn)場參數(shù)變化的需要。這些控制程序可通過多種手段輸入到機電一體化產(chǎn)品的控制系統(tǒng)中，而不需要改變產(chǎn)品中的任何部件或零件。對于具有存儲功能的機電一體化產(chǎn)品，可以事先存入若干套不同的執(zhí)行程序，然后根據(jù)不同的工作對象，只需給定一個代碼信號輸入，即可按指定的預(yù)定程序進行自動工作。機電一體化產(chǎn)品的自動化檢驗和自動監(jiān)視功能可對工作過程中出現(xiàn)的故障自動采取較大的措施，使工作恢復(fù)正常。

（9）智能化程度大大提高

許多機電一體化產(chǎn)品都模仿人的各種感官和動作，智能化程度大大提高。

總之，機電一體化正向著輕、薄、細、小巧、自動化方向發(fā)展。

三、機電一體化產(chǎn)品的組成結(jié)構(gòu)

性能是由結(jié)構(gòu)決定的，機電一體化技術(shù)的優(yōu)越性是由組成機電一體化產(chǎn)品的特殊的結(jié)構(gòu)決定的。

機電一體化產(chǎn)品的功能是通過其內(nèi)部各組成部分功能的協(xié)調(diào)和綜合來共同實現(xiàn)的。從其結(jié)構(gòu)來看，機電一體化產(chǎn)品具有自動化、智能化和多功能的特性，而實現(xiàn)這種多功能一般需要機電一體化產(chǎn)品具備五種內(nèi)部功能，即主功能、動力功能、檢測功能、控制功能和執(zhí)行功能，而實現(xiàn)這些功能的各個組成部分及其技術(shù)就構(gòu)成了機電一體化產(chǎn)品的總體或系統(tǒng)。以機器人為例來說明（播放機器人運動的實例）。

通過機器人運動的幾個例子來分析機電一體化產(chǎn)品的組成結(jié)構(gòu)，首先要有具體的操作執(zhí)行裝置及相應(yīng)的機械聯(lián)接如機器人的機械手及機器本體，相當于人體的“手足及骨胳”；要實現(xiàn)與人相近的功能，本身就必須能夠?qū)Ω鞣N信息進行多種判斷，如機器人上臺階，它必須先判斷臺階的位置，再如一個生產(chǎn)工廠中的零件自動輸送系統(tǒng)，要在給定的兩個工位上做出正確的停止判斷，在工件裝載完成時刻，還要能夠迅速做出開始運動的判斷。如果沒有傳感器發(fā)回的各種信息，機器人和自動系統(tǒng)實現(xiàn)判斷是不可能的，這樣的傳感器相當于人的“感官”；若完成某個動作，要對從傳感器傳來的信息進行正確地分析、判斷，然后形成某種控制，這部分處理控制裝置相當于人的“大腦”（包括軟件程序）；接下來要對控制系統(tǒng)發(fā)出的信息進行響應(yīng)，完成具體的動作，這需要類似于人的“內(nèi)臟及血液系統(tǒng)”的動力系統(tǒng)提供能量。除了“手足”、“感官”、“大腦”、“內(nèi)臟”外，要使這些部分能夠有機協(xié)調(diào)地工作，就必須將上述的功能元素連接起來，這部分稱為接口裝置，它相當于人體中傳遞信息的神經(jīng)系統(tǒng)。

因此，機電一體化是由機械裝置（執(zhí)行、傳動、導(dǎo)向機構(gòu)——“手足及骨胳”）、檢測裝置（“感官”）、控制裝置（“大腦”）、伺服驅(qū)動裝置（驅(qū)動電機等——“內(nèi)臟及血液系統(tǒng)”）和接口裝置（“神經(jīng)系統(tǒng)”）等幾部分組成。

(1)機械系統(tǒng)

機電一體化產(chǎn)品的機械系統(tǒng)包括機身、框架、機械傳動和聯(lián)接等機械部分。這部分是實現(xiàn)產(chǎn)品功能的基礎(chǔ)，因此對機械結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，需在結(jié)構(gòu)、材料、工藝加工及幾何尺寸等方面滿足機電一體化產(chǎn)品高效、多功能、可靠、節(jié)能和小型輕量等要求。除一般性的機械強度、剛度、精度、體積和重量等指標外，機械系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)的重點是模塊化、標準化和系列化，以便于機械系統(tǒng)的快速組合和更換。

機電一體產(chǎn)品的機械系統(tǒng)由傳動、導(dǎo)向、執(zhí)行機構(gòu)組成，由于執(zhí)行機構(gòu)的重要性，有時把執(zhí)行機構(gòu)單獨作為一部分結(jié)構(gòu)討論。

執(zhí)行機構(gòu)在控制信息的作用下完成要求的動作，實現(xiàn)產(chǎn)品的主功能。機電一體化產(chǎn)品的執(zhí)行機構(gòu)一般是運動部件，常采用機械、電液、氣動等機構(gòu)。執(zhí)行機構(gòu)由于機電一體化產(chǎn)品的種類和作業(yè)對象不同而有較大的差異。執(zhí)行機構(gòu)是實現(xiàn)產(chǎn)品目的功能的直接執(zhí)行者，其性能好壞決定著整個產(chǎn)品的性能，因而是機電一體化產(chǎn)品中最重要的組成部分。

(2)動力系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）

動力系統(tǒng)為機電一體化產(chǎn)品提供能量和動力功能，去驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)工作以完成預(yù)定的主功能。功能系統(tǒng)包括電、液、氣等動力源。機電一體化產(chǎn)品以電能利用為主，包括電源、電動機及驅(qū)動電路等。

(3)傳感與檢測系統(tǒng)

傳感器的作用是將機電一體化產(chǎn)品在運行過程中所需要的自身和外界環(huán)境的各種參數(shù)轉(zhuǎn)換成可以測定的物理量，同時利用檢測系統(tǒng)的功能對這些物理量進行測定，為機電一體化產(chǎn)品提供運行控制所需的各種信息。傳感與檢測系統(tǒng)的功能一般由測量儀器或儀表來實現(xiàn)，對其要求是體積小，便于安裝與聯(lián)接、檢測精度高、抗干擾等。

(4)信息處理及控制系統(tǒng)

根據(jù)機電一體化產(chǎn)品的功能和性能要求，信息處理及控制系統(tǒng)接收傳感與檢測系統(tǒng)反饋的信息，并對其進行相應(yīng)的處理、運算和決策，以對產(chǎn)品的運行施以按照要求的控制，實現(xiàn)控制功能。機電一體化產(chǎn)品中，信息處理及控制系統(tǒng)主要是由計算機的軟件和硬件以及相應(yīng)的接口所組成。硬件一般包括輸入/輸出設(shè)備、顯示器、可編程控制器和數(shù)控裝置。機電一體化產(chǎn)品要求信息處理速度高，A/D和D/A轉(zhuǎn)換及分時處理時的輸入/輸出可靠，系統(tǒng)的抗干擾能力強。

機電一體化產(chǎn)品的幾個組成部分在工作時相互協(xié)調(diào)，共同完成所規(guī)定的目的功能。在結(jié)構(gòu)上，各組成部分通過各種接口及其組成相應(yīng)的軟件有機的結(jié)合在一起，構(gòu)成一個內(nèi)部匹配合理，外部效能最佳的完整產(chǎn)品。

四、機電一體化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

機電一體化產(chǎn)品是由多種技術(shù)以及相關(guān)的組成部分構(gòu)成的綜合體，而機電一體化技術(shù)是由多種技術(shù)相互交叉、相互滲透形成的一門綜合性邊緣技術(shù)，它所涉及的技術(shù)領(lǐng)域非常廣泛。概括起來，機電一體化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)包括下述六個方面。

（1）精密機械技術(shù)

機械技術(shù)是機電一體化技術(shù)的基礎(chǔ)，因為機電一體化產(chǎn)品的主功能和構(gòu)造功能大都以機械技術(shù)為主來實現(xiàn)。在機械傳動和控制與電子技術(shù)相互結(jié)合的過程中，對機械技術(shù)提出了更高的要求，如傳動的精密性和精確度的要求與傳統(tǒng)機械技術(shù)相比有了很大的提高。在機械系統(tǒng)技術(shù)中，新材料、新工藝、新原理以及新結(jié)構(gòu)等方面在不斷地發(fā)展和完善，以滿足機電一體化產(chǎn)品對縮小體積、減輕重量、提高精度和剛度及改善工作性能等方面的要求。

（2）檢測與傳感器技術(shù)

在機電一體化產(chǎn)品中，工作過程的各種參數(shù)、工作狀態(tài)以及工作過程有關(guān)的相應(yīng)信息都要通過傳感器進行接收，并通過相應(yīng)的信號檢測裝置進行測量，然后送入信息處理裝置以及反饋給控制裝置，以實現(xiàn)產(chǎn)品工作過程的自動控制。機電一體化產(chǎn)品要求傳感器能快速和準確

地獲取信息并且不受外部工作條件和環(huán)境的影響，同時檢測裝置能不失真地對信息信號進行放大和輸送以及轉(zhuǎn)換。

（3）自動控制技術(shù)及信息處理技術(shù)

機電一體化產(chǎn)品中的自動控制技術(shù)包括高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、校正、補償?shù)取Ｓ捎跈C電一體化產(chǎn)品中自動控制功能的不斷擴大，使產(chǎn)品的精度和效率都在迅速提高。通過自動控制，使機電一體化產(chǎn)品在工作過程中能及時發(fā)現(xiàn)故障，并自動實施切換，減少了停機時間，使設(shè)備的有效利用率得以提高。由于計算機的廣泛應(yīng)用，自動控制技術(shù)越來越多地與計算機控制技術(shù)結(jié)合在一起，它已成為機電一體化技術(shù)中十分重要的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)的難點在于現(xiàn)代控制理論的工程化和實用化，控制過程中邊界條件的確定，優(yōu)化控制模型的建立以及抗干擾等。

機電一體化產(chǎn)品中的信息處理技術(shù)是指在機電一體化產(chǎn)品工作過程中，與工作過程各種參數(shù)和狀態(tài)以及自動控制有關(guān)的信息的交換、存取、運算、判斷和決策分析等。在機電一體化產(chǎn)品中，實現(xiàn)信息處理技術(shù)的主要工具是計算機。計算機技術(shù)包括硬件和軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。在機電一體化產(chǎn)品中，計算機信息處理裝置是產(chǎn)品的核心，它控制和指揮整個機電一體化產(chǎn)品的運行。因此，計算機應(yīng)用及其信息處理技術(shù)是機電一體化技術(shù)中最關(guān)鍵的技術(shù)，它包括目前廣泛研究并得到實際應(yīng)用的人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。

（4）伺服驅(qū)動技術(shù)

伺服驅(qū)動技術(shù)主要是指機電一體化產(chǎn)品中的執(zhí)行元件和驅(qū)動裝置設(shè)計中的技術(shù)問題，它涉及設(shè)備執(zhí)行操作的技術(shù)，對所加工產(chǎn)品的質(zhì)量具有直接的影響。機電一體化產(chǎn)品中的執(zhí)行元件有電動、氣動和液壓等類型，其中多采用電動式執(zhí)行元件，驅(qū)動裝置主要是各種電動機的驅(qū)動電源電路，目前多采用電力電子器件及集成化的功能電路構(gòu)成。執(zhí)行元件一方面通過接口電路與計算機相聯(lián)，接受控制系統(tǒng)的指令，另一方面通過機械接口與機械傳動和執(zhí)行機構(gòu)相聯(lián)，以實現(xiàn)規(guī)定的動作。因此，伺服驅(qū)動技術(shù)直接影響著機電一體化產(chǎn)品的功能執(zhí)行和操作，對產(chǎn)品的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、操作精度和控制質(zhì)量等具有決定性的影響。

（5）系統(tǒng)總體技術(shù)

系統(tǒng)總體技術(shù)是從整體目標出發(fā)，用系統(tǒng)的觀點和方法，將機電一體化產(chǎn)品的總體功能分解成若干功能單元，找出能夠完成各個功能的可能技術(shù)方案，再把功能與技術(shù)方案組合成方案組進行分析、評價、綜合優(yōu)選出適宜的功能技術(shù)方案。系統(tǒng)總體技術(shù)的主要目的是在機電一體化產(chǎn)品各組成部分的技術(shù)成熟，組件的性能和可靠性良好的基礎(chǔ)上，通過協(xié)調(diào)各組件的相互關(guān)系和所用技術(shù)的一致性來保證產(chǎn)品實現(xiàn)經(jīng)濟、可靠、高效率和操作方便等。系統(tǒng)總體技術(shù)是最能體現(xiàn)機電一體化設(shè)計特點的技術(shù)，也是保證其產(chǎn)品工作性能和技術(shù)指標得以實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。

五、本門課程的主要內(nèi)容

1概論

2機械系統(tǒng)

3檢測系統(tǒng)

4伺服系統(tǒng)

5接口技術(shù)及元件

6控制系統(tǒng)

7機電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計

8機電一體化典型實例

六、本門課程的性質(zhì)及學(xué)時分配

機電一體化技術(shù)屬于必修課，共50學(xué)時，其中理論教學(xué)44學(xué)時，實驗6學(xué)時。

1概論

1.1 機電一體化的含義

Mechatronics是機械電子學(xué)或機械電子技術(shù)的意思，也稱機電一體化，是Mechanics（機械學(xué)）和Electronics（電子學(xué)）兩詞的合成詞，20世紀70年代由日本人首先開始使用。機電一體化的定義是：“機械工程和電子工程相結(jié)合的技術(shù)，以及應(yīng)用這些技術(shù)的機械電子裝置。”

機電一體化是在以機械、電子技術(shù)和計算機科學(xué)為主的多門學(xué)科相互滲透、相互結(jié)合的過程中逐漸形成和發(fā)展起來的一門新興邊緣技術(shù)學(xué)科。

“機電一體化”包含兩個含義：“機電一體化技術(shù)”和“機電一體化產(chǎn)品”。機電一體化技術(shù)是以電子技術(shù)特別是微電子技術(shù)為主導(dǎo)的多種新興技術(shù)與機械技術(shù)交叉、融合而成的綜合性高技術(shù)，是工程領(lǐng)域不同種類技術(shù)的綜合及集合，它是包括機械技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機和信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)以及系統(tǒng)總體技術(shù)在內(nèi)的一種高新技術(shù)。近年來，隨著微電子技術(shù)和計算機應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展，機電一體化技術(shù)領(lǐng)域在不斷地擴大和完善。

機電一體化產(chǎn)品是把機電一體化技術(shù)應(yīng)用在機械產(chǎn)品的上，即在傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品中采用微電子技術(shù)和計算機技術(shù)生產(chǎn)出來的新一代產(chǎn)品。初級的機電一體化產(chǎn)品是指采用微電子技術(shù)代替和完善機械產(chǎn)品中的一部分，以提高產(chǎn)品的性能；而高級的機電一體化產(chǎn)品是利用機電一體化技術(shù)使機械產(chǎn)品實現(xiàn)自動化、數(shù)字化和智能化，使產(chǎn)品性能實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

從現(xiàn)代機械產(chǎn)品和技術(shù)角度看，日本機械振興協(xié)會經(jīng)濟研究所于1981年提出的定義體現(xiàn)了機電一體化產(chǎn)品及其技術(shù)的基本內(nèi)容及特征，即“機電一體化這個詞乃是在機械主功能、動力功能、信息與控制功能上引進了電子技術(shù)，并將機械裝置與電子設(shè)備以及軟件等有機結(jié)合而成系統(tǒng)的總和。”因此，機電一體化是在機械產(chǎn)品中的機構(gòu)主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術(shù)和計算機技術(shù)，并將機械裝置和電子設(shè)備以及計算機軟件等有機結(jié)合起來構(gòu)成的系統(tǒng)總稱。90年代國際機器和機械理論研究會給它下了一個定義：機電一體化是精密機械工程、電子控制和系統(tǒng)思想在產(chǎn)品設(shè)計和制造過程中協(xié)同結(jié)合。”

目前機電一體化的研究和開發(fā)主要包括計算機數(shù)控系統(tǒng)、機器人、計算機輔助設(shè)計/輔助制造系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)等。機電一體化產(chǎn)品和系統(tǒng)的特點是產(chǎn)品和系統(tǒng)功能的實現(xiàn)是機構(gòu)中所有部分功能共同作用的結(jié)果，這與傳統(tǒng)機電設(shè)備中機械與電子系統(tǒng)相對獨立、可以分別工作具有本質(zhì)的區(qū)別。

1.2 機電一體化產(chǎn)品的分類

機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品的應(yīng)用范圍非常廣泛，涉及到工業(yè)生產(chǎn)過程的所有領(lǐng)域，因此，機電一體化產(chǎn)品的種類很多，而且還在不斷地增加。

（1）按照機電一體化產(chǎn)品的功能，可以將其分成下述幾類。

①數(shù)控機械類。主要產(chǎn)品包括數(shù)控機床、機器人、發(fā)動機控制系統(tǒng)以及全自動洗衣機等。這類產(chǎn)品的特點是執(zhí)行機構(gòu)為機械裝置。

②電子設(shè)備類。主要產(chǎn)品包括電火花加工機床、線切割機、超聲波加工機以及激光測量儀等。這類產(chǎn)品的特點是執(zhí)行機構(gòu)為電子裝置。

③機電結(jié)合類。主要產(chǎn)品包括自動探傷機、形狀自動識別裝置、CT掃描診斷機以及自動售貨機等。這類產(chǎn)品的特點是執(zhí)行機構(gòu)為電子裝置和機械裝置的有機結(jié)合。

④電液伺服類。主要產(chǎn)品為機電液一體化的伺服裝置，如電子伺服萬能材料試驗機。這類產(chǎn)品的特點是執(zhí)行機構(gòu)為液壓驅(qū)動的機械裝置，控制機構(gòu)是接受電信號的液壓伺服閥。⑤信息控制類。主要產(chǎn)品包括傳真機、磁盤存儲器、磁帶錄像機、錄音機、復(fù)印機等。這類產(chǎn)品的主要特點是執(zhí)行機構(gòu)的動作由所接收的信息類信號來控制。

（2）按照機電一體化產(chǎn)品的機電結(jié)合程度，可將其分成下述三類。

①功能附加型：在原機械產(chǎn)品上、采用微電子技術(shù)、增加產(chǎn)品的功能、提高產(chǎn)品的性能。如：電子稱、數(shù)顯量具、全自動洗衣機、經(jīng)濟型數(shù)控機床等。

②功能替代型：采用微電子技術(shù)及裝置取代原產(chǎn)品中的機械控制功能、信息處理功能或主功能、使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡化、提高性能。如：自動照相機、電子縫韌機、電子石英鐘等。

③機電融合型：根據(jù)產(chǎn)品的功能、性能要求及技術(shù)規(guī)范、專門設(shè)計的或具有特定用途的集成電路來實現(xiàn)產(chǎn)品中的控制和信息處理等功能使機與電在更深層次上有機結(jié)合的產(chǎn)品。如：傳真機、復(fù)印機、攝像機、磁盤驅(qū)動器、數(shù)控機床等。

根據(jù)產(chǎn)品的服務(wù)領(lǐng)域和對象，可將機電一體化產(chǎn)品分成工業(yè)生產(chǎn)類、運輸包裝類、儲存銷售類、社會服務(wù)類、家庭日常類、科研儀器類、國防武器類以及其它用途類等不同的種類。

1.3 機電一體化產(chǎn)品設(shè)計的方法和步驟

與常規(guī)機械產(chǎn)品的設(shè)計方法相比較，機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計有著本質(zhì)上的區(qū)別。常規(guī)機械產(chǎn)品一般是先用單純機械設(shè)計的方法構(gòu)思和設(shè)計，再為這個純粹的機械設(shè)計選配適宜的電氣設(shè)備。這種方法實際上是面向設(shè)計者的傳統(tǒng)設(shè)計方法。相比之下，機電一體化的設(shè)計要求設(shè)計者必須同時具備各門工程技術(shù)和電子技術(shù)以及自動控制等多種技術(shù)，必須綜合運用這些技術(shù)來解決設(shè)計中的問題。機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計是面向產(chǎn)品的設(shè)計，它要求設(shè)計者具有綜合能力、視野開闊，具有綜合利用機械設(shè)計和電氣控制設(shè)計方面的知識和能力。機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計通常由多個環(huán)節(jié)相互配合而構(gòu)成。

機電一體化產(chǎn)品常用的設(shè)計方法有兩種，一種方法為開發(fā)性設(shè)計即跟據(jù)功能和性能要求、在沒有任何樣板可供參照情況下、設(shè)計出創(chuàng)新產(chǎn)品。這種設(shè)計方法要求設(shè)計者有豐富想象力、扎實基礎(chǔ)理論知識、敏銳市場洞察力。另一種方法為適應(yīng)性設(shè)計即在原有產(chǎn)品總的方案原理不變情況下，對產(chǎn)品的某些局部加以變動或改進，以增加功能、提高性能和質(zhì)量或降低成本。這種方法要求設(shè)計者對原有產(chǎn)品及相關(guān)的市場需求變化和技術(shù)進步有充分的了解和掌握。

機電一體化設(shè)計的步驟一般分為：

(1)產(chǎn)品可行性研究

通過實際調(diào)查和研究，掌握對所設(shè)計產(chǎn)品的市場需求，進行可行性論證，確定產(chǎn)品設(shè)計的基本方案，其中包括預(yù)測投資總額、組成部件價格、產(chǎn)品的性能價格比以及經(jīng)濟評價等。

(2)基本設(shè)計階段

在基本設(shè)計階段要提出必需的主要技術(shù)，其中包括硬件技術(shù)和軟件技術(shù)兩個方面。硬件包括產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)元件和控制元件，軟件包括操作系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。在進行整個系統(tǒng)設(shè)計時，必須提出幾個方案進行比較，從中選出較優(yōu)的方案。

(3)詳細設(shè)計階段

詳細設(shè)計包括業(yè)務(wù)分工、程序設(shè)計、操作系統(tǒng)設(shè)計、工藝設(shè)計、外圍設(shè)備設(shè)計、總體設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計、安全保護設(shè)計等。在開發(fā)性產(chǎn)品設(shè)計時，要擬定產(chǎn)品的各項性能指標參數(shù)，通過計算選定所用的設(shè)備，從而進一步完成機構(gòu)設(shè)計、運動和性能設(shè)計以及控制設(shè)計等。

(4)實際運行試驗

這一階段的工作主要包括產(chǎn)品工作性能檢驗和改進以及產(chǎn)品性能評價。產(chǎn)品工作性能檢驗的目的是進行生產(chǎn)周期和生產(chǎn)率測定，進行故障分析的考察故障時間等。改進是指對產(chǎn)品存在的問題提出改進措施以提高產(chǎn)品的性能。產(chǎn)品的性能評價包括技術(shù)評價、經(jīng)濟評價兩個方面。這一階段是產(chǎn)品設(shè)計過程的總結(jié)階段，目的是通過對已決定的操作系統(tǒng)的具體使用，檢驗其實際的使用價值。

在機電一體化產(chǎn)品設(shè)計過程中，要正確處理好質(zhì)量與成本、市場需求與技術(shù)可能性、長期發(fā)展和短期利益之間的關(guān)系，在滿足市場需要的前提下，使產(chǎn)品具有足夠的競爭力，同時又要符合當前實際情況和技術(shù)可實現(xiàn)性，以保證產(chǎn)品獲得最大的技術(shù)經(jīng)濟效益和社會效益。

第三篇：機電一體化系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)作業(yè)第二部分

2．為提高機電一體化機械傳動系統(tǒng)的固有頻率，應(yīng)設(shè)法（A）。

A．增大系統(tǒng)剛度B．增大系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量

C．增大系統(tǒng)的驅(qū)動力矩D．減小系統(tǒng)的摩擦阻力

3．導(dǎo)程L0=8mm的絲杠驅(qū)動總質(zhì)量為60kg的工作臺與工件，則其折算到絲杠上的等效轉(zhuǎn)動慣量為（B）kg·mm2。

A．48.5B．97

C．4.85D．9.7

4．傳動系統(tǒng)的固有頻率對傳動精度有影響，（B）固有頻率可減小系統(tǒng)地傳動誤差，（A）系統(tǒng)剛度可提高固有頻率。A

A．提高，提高B．提高，減小

C．減小，提高D．減小，減小

5．下列哪種方法是采用單螺母預(yù)緊原理來消除滾珠絲杠副的間隙？（D）

A．螺紋調(diào)隙式B．雙螺母墊片調(diào)隙式

C．齒差調(diào)隙式D．偏置導(dǎo)程法

6.齒輪傳動的總等效慣量隨傳動級數(shù)(?A)。B

A.增加而減小B.增加而增加

C.減小而減小D.變化而不變

7．多級齒輪傳動中，各級傳動比“前小后大”的分配原則不適用于按（D）設(shè)計的傳動鏈。

A．最小等效轉(zhuǎn)動慣量原則（小功率傳動裝置）

B．最小等效轉(zhuǎn)動慣量原則（大功率傳動裝置）

C．輸出軸的轉(zhuǎn)角誤差最小原則

D．重量最輕原則

8．某機電一體化系統(tǒng)需要消除齒輪傳動的齒側(cè)間隙，采取下列哪種方法使得調(diào)整過程中能自動補償齒側(cè)間隙？（D）

A．偏心套調(diào)整法B．軸向墊片調(diào)整法

C．薄片錯齒調(diào)整法D．軸向壓簧錯齒調(diào)整法

三、簡答題

1．完善的機電一體化系統(tǒng)主要包括哪幾部分？

第四篇：機電一體化概論第三章第四節(jié)復(fù)習(xí)題

第三章第四節(jié)復(fù)習(xí)題

1、計算機包括那幾部分?

2、計算機輸入輸出裝置包括那幾部分？

3、處理器由__________和__________組成。處理單元由__________和__________組成。

4、總線包括__________、__________、__________。

5、接口的定義？接口的功能？

6、波形整形可用__________和__________整形。

7、聯(lián)絡(luò)？

8、防止干擾的對策有哪些？防止干擾的方法有哪些？

9、光電耦合器的信號流方向是__________的。

10、接口技術(shù)？接口技術(shù)的分類？

11、并行接口的傳輸是__________和__________。數(shù)字量一般指以__________位二進制所表示的數(shù)字信號，開關(guān)量只有__________個狀態(tài)的信號。

12、__________標準是美國電子工業(yè)協(xié)會的串行數(shù)據(jù)傳輸用的數(shù)據(jù)通信標準，__________是日本的工業(yè)標準。

13、在計算機與控制對象的連接距離長得控制場合，要用__________接口，__________接口將來自計算機的__________轉(zhuǎn)換為__________，用通信電纜來傳輸，接收端將收到__________，用__________轉(zhuǎn)換為__________輸入計算機中。

14、RS-232傳輸距離最大規(guī)定為__________。更長距離的數(shù)據(jù)傳輸則應(yīng)使用__________或__________接口。

15、__________是計算機與檢測裝置或檢測裝置相互之間傳輸數(shù)據(jù)用的8位并行接口，__________是美國HP公司的名稱。GP-IB信號用__________電平，采用__________，信號線有__________根數(shù)據(jù)總線，__________根聯(lián)絡(luò)總線，__________根管理總線，__________根地線，共__________根。

16、連接到計算機的1根GP-IB電纜，可經(jīng)過各種裝置與多臺外圍設(shè)備連接，裝置之間的傳輸距離盡管是4米以下，由于可經(jīng)過裝置向其他裝置傳輸，因此，規(guī)定的輸送電纜的長度合計可達__________米，并且連接裝置的規(guī)定臺數(shù)包括計算機最多可達__________。

17、__________是可用程序選擇功能的串行數(shù)據(jù)通信IC。

18、__________是可用程序選擇功能的并行輸入輸出接口IC。

19、__________是中斷控制用的IC。

20、中斷？

21、A-D裝換IC是將來自傳感器等的__________轉(zhuǎn)換為__________的電路所用的IC。

第五篇：機電一體化 機械臂部分總結(jié)

1機械臂設(shè)備的工作原理

研究所使用的機械臂設(shè)備是固高科技(深圳)有限公司自行研究、開發(fā)的一款高性能二自由度串聯(lián)機械臂系統(tǒng)(GP．8．200．sv)，它可進行簡單的二維圖形的繪制，機械臂實體圖如圖1所示。該機械臂采用交流伺服電機作為驅(qū)動源，通過行星齒輪減速器直接驅(qū)動兩個運動關(guān)節(jié)，與電機耦合的增量式光電編碼器對機械臂的兩個控制軸進行位置定位。該機械臂使用基于DSP的運動控制器作為底層實時控制設(shè)備，PC機作為上層的控制系統(tǒng)，整個機械臂系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

始于原點的控制軸為關(guān)節(jié)1，與其相連接的為關(guān)節(jié)2。機械臂通過控制這2個關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運動帶動安裝在關(guān)節(jié)2末端的繪筆完成繪圖任務(wù)。機械臂接收到繪制曲線的指令后，以當前位置的直角坐標為繪圖的起始點，根據(jù)所要繪制曲線的參數(shù)方程及繪制精度均勻取曲線上的H個點，獲得完成繪圖任務(wù)所需的H個目標位置，然后利用運動學(xué)反解公式，將這些目標點轉(zhuǎn)化為2個關(guān)節(jié)相對應(yīng)的關(guān)節(jié)坐標，再將關(guān)節(jié)坐標系下的目標位置、最大速度、加速度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成伺服驅(qū)動器能夠識別的脈沖量，輸入到運動控制器中驅(qū)動伺服電機運動。機械臂關(guān)節(jié)位置的反饋信息由增 量式光電編碼器獲得，先將所得到的脈沖量轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)坐標值，再進行運動學(xué)正解，就可以得到當前機械臂繪筆位置的直角坐標。圖3二自由度機械臂在平面直角坐標系中的投影圖 根據(jù)圖3，直接應(yīng)用平面幾何的知識，即可得到 關(guān)節(jié)2末端坐標的運動學(xué)正解與反解的公式㈣。

當機械臂的繪筆在畫紙上進行實際繪圖時，觀察到以下問題。首先，機械臂實際繪出的圖形與光電編碼器反饋數(shù)據(jù)還原后的圖形有較大差異，表明反饋信息并不能真實反映實際輸出，而這個偏差是由于電機與機械臂關(guān)節(jié)之間存在傳動部件的耦合松動。其次，機械臂的繪筆在不同的位置、沿不同的方向繪出的圖形也有比較明顯的差別，而這往往是因為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動所固有的機械特性。此外，繪出的圖線有小鋸齒狀，不平滑，仔細觀察后發(fā)現(xiàn)，繪圖過程中機械臂有輕微的 抖動，這可能是由于關(guān)節(jié)運動速度過快等原因造成的。圖5就是機械臂在畫紙上繪制四葉玫瑰線的實際圖形。因為無法改變機械臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動過程中的機械特性，于是僅針對在一個確定的起始位置、沿一個確定的方向的繪圖過程進行補償，如果起始點更換到其他

位置，補償思想不變。當機械臂的關(guān)節(jié)l處于60。同時關(guān)節(jié)2處于80‘的位置時，關(guān)節(jié)2末端的繪筆剛好

位于繪圖板的中部，因此以下的研究均以這個位置作 為繪圖的起始位置。

圖5機械臂實際繪制的四葉玫瑰線

Fig．5 Four-leafrose practically drawn by robot ann 由于光電編碼器反饋回的數(shù)據(jù)與實際輸出有較

大差距，為獲得較好的實際結(jié)果，所以根據(jù)實測的間 隙值設(shè)定其補償量，對運動控制器的參考輸入進行修 正。以改進圖5為例，進行簡單的常數(shù)補償。四葉玫 瑰線的中心點坐標為‰，yo)，可以看到X

在圖5的基礎(chǔ)上進行補償后，機械臂已經(jīng)能夠繪

制出比較準確的曲線，但其平滑度還不夠理想。下面 針對關(guān)節(jié)的運動速度進行分析，期望通過降低速度來 消除曲線上的抖動，以獲得更好的繪圖效果。機械臂 的控制軸按照梯形速度曲線模式運動，即運動關(guān)節(jié)從 當前位置點運動到下一個目標點的過程中經(jīng)歷3個階 段，第l階段速度根據(jù)設(shè)定的加速度值從零加速到最 大速度，第2階段加速度為零，速度保持已達到的最 大速度運行，第3階段速度再按設(shè)定的負向加速度減 速到零．并且此時到達要求的目標位置。寫入運動控 制器的每一條指令都含有目標位置、最大速度和加速 度這3個參數(shù)。加速度在系統(tǒng)初始化時已設(shè)定。而最

1一一I 大速度被定義為V=—Iv-—1"01STEP TIME，其中內(nèi)和p分別J。i 表示當前點位置和下一目標點位置，STEP TIME是時 間參數(shù)。很顯然，當圖形軌跡的離散點完全確定以后． STEP TIME就決定著最大速度的取值，其系統(tǒng)默認值 為0 000 8。增大STEP TIME．則2個關(guān)節(jié)的運動速 度會相應(yīng)減小。圖6顯示了補償之后取STEP TIME= 0．001 1時的實際繪圖結(jié)果，可以看出．曲線形狀已經(jīng) 比較標準，且抖動被消除。

第二章機械臂控制系統(tǒng)概述

2．1二自由度機械臂運動學(xué)分析

2．1．1機械臂工作空間分析

機械臂的工作空間定義為：機械臂正常運行時，機械臂末端連桿上的工具原點在空

間的最大范圍。工作空間一般是一塊或多塊空間體積，它們具有一定的邊界曲面，邊界 曲面上的點對應(yīng)的操作機的位置和姿態(tài)稱為機械臂的奇異位形，與這些奇異位形對應(yīng)的

機械臂的速度雅可比矩陣是奇異的。由于硬件設(shè)計上的限制，該二自由度機械臂的工作 空間被限制在如圖2—1所示的空問內(nèi)，空間段近似為(弧AB+弧BCD+弧DE+直線EF+弧FPG +直線GA)所圍成的封閉平面，驗證實驗也必須限制在這個空間內(nèi)完成。

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第二章機械臂控制系統(tǒng)概述

2．1．2機械臂運動學(xué)解

機械臂通常具有兩種運動方式：關(guān)節(jié)空間運動和直角坐標運動。關(guān)節(jié)空間運動模式

是指機械臂的運動直接由各個關(guān)節(jié)的運動坐標來確定，所有關(guān)節(jié)變量構(gòu)成一個關(guān)節(jié)矢量。所有關(guān)節(jié)矢量構(gòu)成的空間稱為關(guān)節(jié)空間。所謂關(guān)節(jié)空間運動模式，就是直接操作各個關(guān) 節(jié)的運動來完成機器人的運動。直角坐標運動模式是指機械臂術(shù)端工具的位置和方位通 常是在直角坐標空間中描述。直角坐標空間運動模式通過指定機械臂術(shù)端工具在直角坐 標空間中的運動來完成機械臂操作任務(wù)。

機械臂的實際運行是通過對關(guān)節(jié)運動軸的伺服控制來實現(xiàn)的，也就是最終的機械臂 的控制是在關(guān)節(jié)坐標空間進行的，但是對操作者來說，直角坐標空間更容易讓人理解和 接受，操作者對機械臂的操作一般是在直角坐標空間中進行的，這樣就需要建立一種關(guān) 節(jié)坐標空間和直角坐標空間的對應(yīng)關(guān)系。也就是說，如果已知機械臂各個關(guān)節(jié)的坐標參 數(shù)，就需要求解機械臂木端在直角坐標空間中的坐標；反過來如果已知機械臂末端在直 角坐標空間的坐標就需要求解各個運動關(guān)節(jié)的坐標參數(shù)。前一個問題稱為機械臂的運動 學(xué)正解，后一個問題稱機械臂的運動學(xué)反解。

設(shè)機械臂的關(guān)節(jié)坐標空問中的變量記為q；【ql，q2?，吼】，機械臂木端工具在直角坐標 空間中的坐標記為x—k，Y，z，0?】，關(guān)節(jié)變量和直角坐標空間坐標存在如下運動學(xué)約束：，@，口)一0(2．1)這是一個隱式方程。如果能夠從式(2．1)求解出： x一，(g)(2．2)即由關(guān)節(jié)坐標變量表示的直角坐標變量，這就是機械臂的運動學(xué)J下解。一般地，可以得 到機械臂運動學(xué)的惟一正解。如果能夠從式(2．1)求解出： q=g(x)(2．3)也就是已知機械臂末端工具的直角坐標參數(shù)，求解出對應(yīng)關(guān)節(jié)坐標空間中的各個關(guān)節(jié)變 量，這就是運動學(xué)的反解。通常，難以得到解析的運動學(xué)反解，而且運動學(xué)反解一般不 是唯一的，實際應(yīng)用中通常采用幾何機械臂的運動學(xué)解。1．二自由度機械臂運動學(xué)正解

已知：關(guān)節(jié)1連桿長度‘，關(guān)節(jié)變量為ql(關(guān)節(jié)控制軸l角度位置)；關(guān)節(jié)2連桿長 度L，關(guān)節(jié)變量為q，(關(guān)節(jié)控制軸2角度位置)。

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第二章機械臂控制系統(tǒng)概述

求解：關(guān)節(jié)連桿末端工具安裝點在直角坐標空間的坐標x=b，Y】。

運動學(xué)所研究的主要問題包括兩個方面：正向運動 學(xué)，即給定機器人各關(guān)節(jié)角度，計算機器人末端的 位置與姿態(tài)；逆向運動學(xué)，已知機器人末端的位置 與姿態(tài)，來計算機器人對應(yīng)這個位置與姿態(tài)的全部 關(guān)節(jié)角，運動學(xué)方程是實現(xiàn)機器人運動控制的數(shù)學(xué) 基礎(chǔ)。

利用D．H方法對每一個連桿建立

坐標系如圖l所示，根據(jù)圖l所建立的坐標系，得到 各連桿的D—H參數(shù)和關(guān)節(jié)變量(表1)。各連桿之 間的齊次變換矩陣為，一般表達式為：