第一篇 机电一体化技术基础
第一章 机电一体化基础知识
第一节 机电一体化概述
一、机电一体化的概念
机电一体化技术（Mechatronics）又称机械电子技术，是机械技术、电子技术及信息技术有机结合的产物。传统意义上的机电一体化，主要指机械与电工电子及电气控制这两方面的一体化，并且明显偏重于机械方面。当前科技发展的态势特别注重学科间的交叉、融合以及计算机的应用，现代意义上的机电一体化技术是利用微电子技术、信息技术（主要包括通信技术、控制技术、计算机技术等技术）使机械设备实现柔性化和智能化的技术，可以说，机电一体化技术是机械技术、微电子技术及信息技术相互交叉、融合的产物。
一件真正意义上的机电一体化产品应具备两个明显特征：一是产品中要有机械部分，二是采用了电子技术，使运动机械实现柔性化和智能化。机电一体化产品是指机械系统与微电子系统有机结合，从而赋予新的功能和性能的新产品。
二、机电一体化系统的构成
机电一体化系统通常由五大要素构成，即机械机构、执行机构、动力源、传感器及控制单元，它们之间的关系如图1-1所示，相应于这五要素，其分别具有构造、操作、动力、检测与控制功能。
图1-1 机电一体化系统组成要素间的关系
机械机构是机电一体化系统的基础，机械机构可以承受较大载荷，但不易实现对微小和复杂运动的控制，而电子技术则相反，电子元件不能承受较大载荷，却容易实现对微小运动和复杂运动的控制。机电一体化的目标是将机械技术与电子技术实现完美结合，充分发挥各自长处，实现互补。机电一体化系统的性能在很大程度上取决于控制单元。控制单元不仅与计算机及其输入、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，探讨能够使各功能要素构成最佳组合的柔性技术及一体化技术，有机地和灵活地运用现有的机械技术、电子技术及信息技术，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、管理最优化及运行方式最优化。特别是对于复杂机电系统许多综合性的技术问题，要以系统的、整体的思想来考虑。
三、机电一体化技术的发展
机电一体化技术的发展大体上可分为三个阶段。20世纪60年代以前为第一阶段，也可称为萌芽阶段。在这一阶段，由于电子技术的迅速发展，人们自觉或不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。20世纪70～80年代为第二阶段，为蓬勃发展的阶段。在这一阶段，计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础，人们自觉地、主动地利用新技术的成果创造新的机电一体化产品。20世纪90年代后期开始至今为第三阶段，机电一体化技术向智能化新阶段迈进。人工智能技术和网络技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了广阔天地，大量的智能化机械产品不断涌现，现在，模糊控制技术的应用已经相当普遍。
机电一体化的主要发展趋势具有以下特点。
1.智能化 大多数复杂机械设备存在着大滞后和强非线性，因而自动控制的难度较大，这样的系统往往需要一定的自学习、自组织及自适应能力，甚至应具有思维能力和决策能力才能胜任复杂的工作。智能化是21世纪机电一体化技术发展的主要方向。这里所说的智能化是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，模拟人类智能，以获得更高的控制目标。
2.模块化 机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口及动力接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂又很重要的任务，利用标准单元可迅速开发出新的产品。
3.网络化 20世纪90年代，计算机技术的突出成就即网络技术。网络使企业间的竞争趋向全球化。由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备就是机电一体化产品。现场总线技术使制造业发生了根本性的变化，网络技术的应用已经成为机电一体化领域研究中的热点和前沿课题。
4.微型化 微型化指的是机电一体化向微型化和微观领域发展的趋势，它起源于20世纪80年代末，是机电一体化的一个新发展方向，其表现形式是微电子机械系统。微机电一体化产品一般是指几何尺寸不超过1mm的机电一体化产品，其最小体积近期将向纳米范畴发展。微机电一体化产品体积小、功耗小、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面有不可比拟的优越性，是目前和将来的关键技术之一。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术，微机电一体化产品的加工采用精密、超精密加工技术，它包括光刻技术和蚀刻技术等。
5.绿色化 21世纪的主题词是环境保护，绿色化是时代的趋势。绿色产品在其设计、制造、使用及销毁的过程中，要符合特定的环境保护和人类健康的要求，对生态环境无害或危害极少，资源利用率高。机电一体化产品的绿色化主要是指使用时不污染生态环境。
6.人性化 未来的机电一体化更加注重产品与人的关系，机电一体化产品的最终使用对象是人，赋予机电一体化产品以人的智慧、情感、性格变得更加重要，特别是对家用机器人，其最高境界就是人机一体化。
7.自带能源化 自带能源化是指机电一体化产品自身带有能源，无需外部供电。在许多场合，外部供给能源不方便，自带能源有其独特的好处和优势。
四、机电一体化技术的分类
随着科学技术的发展，机电一体化产品的概念不再局限在某一具体产品的范围，已扩大到控制系统与被控制系统相结合的产品制造和过程控制的大系统。目前，世界上普遍认为机电一体化有两大分支，即生产过程的机电一体化和机电产品的机电一体化。
生产过程的机电一体化意味着整个工业体系的机电一体化，如机械制造过程的机电一体化、冶金生产的机电一体化、化工生产的机电一体化、纺织工业的机电一体化等。生产过程的机电一体化根据生产过程的特点（如生产设备和生产工艺是否连续）又可划分为离散制造过程的机电一体化和连续生产过程的机电一体化。前者以机械制造业为代表，后者以化工生产流程为代表。生产过程的机电一体化包含产品设计、加工、装配、检验的自动化，生产过程自动化，经营管理自动化等，其中包含多个自动化生产线，其高级形式是计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System，CIMS），具体包括计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）、计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）、计算机辅助工艺过程设计（Computer Aided Process Planning，CAPP）、CAD/CAM集成系统、柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）及计算机集成制造系统。
机电产品的机电一体化是机电一体化的核心，是生产过程机电一体化的物质基础。典型的机电一体化产品体现了机电的深度有机结合。近年来新开发的机电一体化产品大多都采用了全新的工作原理，集中了各种高新技术，并把多种功能集成在一起，在市场上具有极强的竞争能力。由于在机电一体化产品中往往要引入仪器仪表技术，所以也有人称为机、电、仪一体化产品。由于液压传动具有功率大、结构紧凑、能大范围无级调速、快速性好、便于自动控制等优点，并且获得了广泛的应用，因此又有机、电、液一体化产品之说。由于用光传递信息无污染，抗干扰能力强，在很多新型机电产品中特别是仪器仪表中的应用越来越广泛，这类产品又称为机、电、光一体化产品。
五、机电一体化的意义
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，但是在原有机械基础上引入计算机控制，并实现整体最优化，能使原来的机械产品产生质的飞跃，变成功能更强、性能更好的新一代机械产品或系统，这正是机电一体化的意义所在。利用机电一体化技术可以用来设计新型产品和改造旧的机电产品，使机电产品的面貌大大改观，达到功能增强、体积减小、重量减轻、可靠性提高、性价比大大改善的目的。应用机电一体化技术通常带来以下效果。
1.功能增强 机电一体化产品的显著特征是具有多种复合功能，例如，数控加工中心可以将多台普通机床的多道工序在一次装卡中完成，并能检测工件和刀具的精度。
2.提高系统精度 机电一体化技术简化了机构，减少了传动部件，同时由于采用计算机检测、控制技术补偿和校正动态误差，从而达到单纯采用机械技术所无法达到的工作精度。
3.简化系统结构 由于机电一体化技术采用了计算机对机电产品进行控制，使机电一体化产品体积变小、结构得到简化。
4.提高系统可靠性 机电一体化产品都具有自诊断、安全联锁控制、过负荷及失控保护、停电对策等多种功能，从而提高了机电一体化产品的安全可靠性。
5.方便操作 机电一体化产品采用计算机程序控制实现自动化，且具有良好的人机界面，从而改善了设备的操作性能，减少了培训操作人员的时间。
6.提高系统柔性 所谓柔性，即可以利用软件来改变机器的工作程序，以满足不同的需要。有些机电一体化设备对环境变化具有一定的主动适应能力，即智能化的机电一体化设备，体现了机电一体化设备的另一种柔性功能。
第二节 机电一体化相关技术
机电一体化技术包括硬件技术和软件技术两大方面，硬件通常由机械本体、传感器、接口单元、信息处理单元及驱动单元等部分组成，软件由具有各种不同功能的模块组成。总的来说，与机电一体化技术相关的技术应包括以下几个方面。
一、机械技术
机械技术是机电一体化技术的基础，机电一体化产品中的主功能和构造功能往往是以机械技术为主实现的。为使一个具体的机电一体化系统在计算机的协调下能够实现预期的动作或目标，机械系统的设计要考虑产品的总体布局、机构选型、结构造型的合理化和最优化。机电一体化系统的机械系统设计的目的是尽量经济地获得能够满足期望精度、稳定性好且能快速响应目标值的系统，此时重点应考虑机械部分的刚性、惯性矩、固有频率及启动力与驱动部分参数间的关系。
机械系统应包括传动机构、导向机构及执行机构，执行机构应该能够实现系统所需的运动，传递必要的动力并保证系统具有良好的动态品质。机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，除要求具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，就是说响应要快、稳定性要好。为达到上述要求，应主要从以下六方面采取措施。
（1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑部件。
（2）缩短传动链，提高传动与支撑刚度。
（3）选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率，并尽可能提高加速能力。
（4）缩小反向死区误差，采取消除传动间隙、减少支撑变形的措施。
（5）改进支撑及架体的结构设计，以提高刚性、减小振动、降低噪声。
（6）适应产品精密化、高速化、小型化及轻量化的发展趋势。
二、传感与检测技术
传感与检测技术是机电一体化的关键技术之一，其研究对象是传感器及其信号检测装置，由它实现对各种工艺参数的测量并将所测得的各种参量转换为标准的电信号输入到信息处理系统中。
传感器是实现目标检测的核心，它是按一定规律实现信号检测并将被测量（物理的、化学的和生物的信息）变换为另一种物理量（通常是电量）的器件或仪表。它既能把非电量变换为电量，也能实现电量之间或非电量之间的互相转换。如图1-2所示，传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成，其中敏感元件是能直接感受被测量并以确定关系输出某一物理量的元件，如弹性敏感元件可将力转换为位移或应变；转换元件可将敏感元件输出的非电物理量转换成电路参数；基本转换电路将电路参数量转换成便于测量的电信号，如电压、电流、频率等。
图1-2 传感器的组成
机电一体化产品中使用的传感器种类很多，可以按不同的原则进行分类，如按输出信号的性质可将传感器分为开关型（二值型）、模拟量型和数字型（图1-3）。
图1-3 传感器按输出信号的性质分类
开关型传感器是最常用的传感器，只有开（ON）和关（OFF）两种状态，主要包括行程开关和接近开关两类。
行程开关内部含有机械式触点，用于连接或断开信号，外部具有触发触点动作的杆或钮等触发部件，当被测部件触碰到触发部件时，内部触点发生翻转。
接近开关是一种无需与运动部件接触而操作的位置开关，当物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触即可使开关动作，从而驱动直流电器或给计算机提供控制指令，在自动控制系统中用于限位、计数、定位控制及自动保护等。接近开关的电源可以采用交流或直流，常用的接近开关包括无源接近开关、电感式接近开关、电容式接近开关、霍尔式接近开关、超声波接近开关等。无源接近开关不需要电源，通过磁力感应控制开关的闭合状态，当磁或者铁质触发器靠近开关磁场时，与开关内部磁力作用控制闭合。电感式接近开关也叫电涡流式接近开关，接近开关产生的交变电磁场可以在接近它的导体内产生电涡流，这个涡流反作用到接近开关，使开关内部振荡电路停止振荡，由此识别出有无导电物体移近，进而控制开关的通或断，这种接近开关所能检测的物体必须是导电体。当被测物体接近电容式接近开关时，其电容量发生改变，使得与测量头相连的电路状态发生变化，控制开关的接通或断开，电容式接近开关检测的对象不限于导体，可以是绝缘的液体或粉状物等。霍尔接近开关是利用霍尔元件做成的开关，当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断，这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。光电式接近开关是利用光电效应做成的开关，将发光器件与光电器件按一定方向装在同一个检测头内。当有反光面（被检测物体）接近时，光电器件接收到反射光后便有信号输出，由此便可“感知”有物体接近。当观察者或系统对波源的距离发生改变时，接收到的波频率会发生偏移，这种现象称为多普勒效应，利用多普勒效应可制成超声波接近开关、微波接近开关等，当有物体移近时，接近开关接收到的反射信号会产生多普勒频移，由此可以识别出有无物体接近。
接近开关有两线制和三线制的区别，三线制接近开关又分为NPN型和PNP型。两线制接近开关的接线比较简单，接近开关与负载串联后接到电源即可。三线制接近开关的接线一般是红（棕）线接电源正端、蓝线接电源GND端、黄（黑）线为信号，应接负载。负载的另一端是这样接的：对于NPN型接近开关而言，应接电源正端；对于PNP型接近开关，则应接到电源GND端。接近开关的负载可以是信号灯、继电器线圈或各种控制器的数字量输入模块。两线制接近开关受工作条件的限制，导通时，开关本身产生一定压降，截止时又有一定的剩余电流流过，选用时应予以考虑。三线制接近开关虽多了一根线，但不受剩余电流之类不利因素的困扰，工作更为可靠。
模拟型传感器的输出是与输入物理量变化相对应的连续变化的电量。记数型又称脉冲数字型，所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器就可以对输入量进行记数测量，如增量式编码器。代码型传感器又称编码器，输出的信号是数字代码，每一个代码对应于一定输入量的值，如绝对式编码器等。
根据被测量物理量的不同，常用传感器可以分为位移和距离传感器、速度和加速度传感器、力和力矩传感器、温度传感器、湿度传感器、图像传感器等。
按照测量原理分，有电阻式、电感式、电容式、磁电式、压电式、光电式、热电式、气电式等传感器；按照用途分，有位置、压力、流量、温度、湿度、气味、声音、亮度等传感器。
目前，传感器一方面向高灵敏度、高精度及高可靠性方向发展，一方面向集成化、智能化及微型化的方向发展。所谓集成化，即把传感器和信息处理单元集成在一起，实现传感器和信息处理一体化；所谓智能化，即传感器具有自诊断、自修正的功能；所谓微型化，即要把传感器做得足够小，以便减少传感器对被测对象质量、刚度的影响，或利于集成在微系统中。
三、计算机与信息处理技术
信息处理技术包括信息的输入、识别、变换、运算、存取及决策等，它们大都依靠计算机来进行，因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。机电一体化系统中主要采用工业控制器（包括可编程控制器、单片机应用系统、工业控制计算机等）进行信息处理。在机电一体化产品中，信息处理是否正确、及时，直接影响产品工作的质量和效率，因此，计算机应用和信息处理技术已成为促进机电一体化技术和产品发展的最活跃的要素。计算机及其外部设备可通过进一步提高集成度来提高其运算速度和便于嵌入机械本体；通过自诊断、自恢复及容错技术来提高其可靠性；通过人工智能技术和专家系统来加速其智能化。通过以上这些措施，可以使计算机在恶劣的工业环境中长期、安全、可靠地工作。
计算机和信息处理技术方面尚需研究开发的课题有提高硬件制造工艺、提高可靠性、提高信号处理速度、接口装置的智能化、可编程控制器的标准化等。
四、自动控制技术
自动控制技术就是通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。自动控制技术范围很广，包括自动控制理论、控制系统设计、系统仿真、现场调试、可靠运行等从理论到实践的整个过程。由于被控对象种类繁多，所以控制技术的内容极其丰富，包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正及补偿等控制技术。
自动控制技术的难点在于自动控制理论的工程化与实用化，这是由于现实世界中的被控对象往往与理论控制模型之间存在较大差距，使得从控制设计到控制实施往往要经过多次反复调试与修改，才能获得比较满意的结果。由于微型计算机的广泛应用，自动控制技术越来越多地与计算机控制技术联系在一起，成为机电一体化中十分重要的关键技术。
五、执行与驱动技术
执行与驱动技术是实现机电一体化产品运动功能的基础。电动驱动执行元件主要包括交流伺服电动机、直流伺服电动机、电磁铁、开关磁阻电动机、直线电动机及步进电动机等。液压和气动执行元件主要包括泵、阀、油（气）缸、液压（气动）电动机及其附属液（气）压元器件等。执行元件一方面通过电气接口与微型计算机相连，以接收微型计算机的控制指令；另一方面又通过机械接口与机械传动和执行机构相连，以实现规定的动作。
伺服驱动技术主要是指在控制指令的指挥下控制执行元件，使机械的运动部件按照指令的要求进行运动，并具有良好动态性能的技术。伺服驱动技术对机电一体化产品的动态性能、稳态精度、控制质量等具有决定性的影响。在机电一体化产品或系统中，对于各种液压和气动元件存在着功能、可靠性、标准化以及减轻重量和减小体积等问题；对于电动驱动，目前还存在着快速响应和效率等方面的问题，要求电动机转矩大，转子转动惯量小，以使电动机具有快速启动、停止的能力。对于直流伺服电动机，要求控制性能好、速度和扭矩性能稳定。与直流伺服电动机相比，交流伺服电动机具有结构坚固、容易维护、能够承受高速旋转等许多优点。目前，在变频调速、电子逆变技术、矢量变换技术等方面的研究已进入实用阶段。步进电动机作为数控系统的执行器已受到广泛重视，而作为一种小型伺服电动机，由于容易实现计算机控制，目前使用相当普遍。
六、系统总体技术
系统总体技术是一种从全局角度和系统目标出发，用系统的观点和方法，将系统分解成若干个相互有联系的功能单元，找出能完成各个功能单元的技术方案，并将其进行分析、评价和优化的综合应用技术。系统总体技术的内容涉及许多方面，如接口技术、模块化设计技术、整体优化技术、软件开发技术、微型计算机应用技术及成套设备自动化技术等。机电一体化系统作为一个整体，即使各个部分的性能、可靠性都很好，如果整个系统不协调，它也很难保证正常、可靠地运行。而恰恰相反，即使是性能一般的元件，只要从系统出发组合得恰当，也可能构成性能优良的系统。
思考题
1.什么是机电一体化？
2.机电一体化系统的组成要素及其功能是什么？
3.简要叙述机电一体化技术的发展趋势。
4.简要叙述机电一体化技术的分类。
5.应用机电一体化技术有什么意义？
6.与机电一体化技术相关的技术主要有哪些？
7.机电一体化产品对机械系统的要求有哪些？