南京 广 播 电 视 大 学Word格式.docx
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四机电一体化的发展状况
五机电一体化的发展趋前景
六机电一体化的核心技术
第2章传感器在机电一体化系统中的作用及地位
2.1自动检测技术
1、检测技术的基本概念-6-
1.1传感器与传感器的分类-7-
1.1.1传感器-7-
1.1.2传感器的组成-8-
2、传感器的分类-8-
2.1测量方法-8-
2.2传感器的基本特性-9-
3、传感器的静态输出-输出特性-10-
3.1温标及测温方法-11-
3.2温度检测的主要方法及分类:
-12-
3.3压力检测-12-
3.3.1概述-12-
3.3.2压力的测量与压力计的选择-12-
4、压力传感器-13-
5、压力变送器-14-
6、热电偶和热电阻的应用原理-14-
第三章PLC在向微型化、网络化、PC化和开放性方向发展
小结
参考文献
引言
现代科学技术的不断发展,极大地推动了不同学科的交叉与渗透,导致了工程领域的技术革命与改造。
在机械工程领域,由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化,使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化,使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。
现代化生产过程控制中,执行机构起着十分重要的作用,它是自动控制系统中不可缺少的组成部分。
现有的国产大流量电动执行机构存在着控制手段落后、机械传动机构多、结构复杂、定位精度低、可靠性差等问题。
而且执行机构的全程运行速度取决于其电机的输出轴转速和其内部减速齿轮的减速比,一旦出厂,这一速度固定不可调整,其通用性较弱。
整个机构缺乏完善的保护和故障诊断措施以及必要的通信手段,系统的安全性较差,不便与计算机联网。
鉴于以上原因,采用传统的大流量电动执行机构的控制系统,可靠性和稳定性较差。
随着计算机网络、现场总线等技术在工业过程中的应用,这种执行机构已远远不能满足工业生产的要求。
自电子技术一问世,电子技术和机械技术的结合就开始了,只是出现了半导体集成电路,尤其是出现了以微处理器为代表的大规模集成电路以后,"
机电一体化"
技术之后有了明显进展,引起了人们的广泛注重.机电一体化是一种复合技术,是机械技术与微电子技术、信息技术互相渗透的产物,是机电工业发展的必然趋势。
第1章机电一体化技术发展历程及其趋向
机电一体化是指在机构得主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术,将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。
机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科,随着科学技术的不但发展,还将被赋予新的内容。
但其基本特征可概括为:
机电一体化是从系统的观点出发,综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术,根据系统功能目标和优化组织目标,合理配置与布局各功能单元,在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值,并使整个系统最优化的系统工程技术。
由此而产生的功能系统,则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。
因此,“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。
只是,机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术,而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。
这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。
机械工程技术有纯技术发展到机械电气化,仍属传统机械,其主要功能依然是代替和放大的体力。
但是发展到机电一体化后,其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外,还能赋予许多新的功能,如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等。
即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸,还是人的感官与头脑的眼神,具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。
1、机电一体化概要
机电一体化技术具体包括以下内容:
(1)机械技术机械技术是机电一体化的基础,机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应,利用其它高、新技术来更新概念,实现结构上、材料上、性能上的变更,满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能的要求。
在机电一体化系统制造过程中,经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术,同时采用人工智能与专家系统等,形成新一代的机械制造技术。
(2)计算机与信息技术
其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。
(3)系统技术
系统技术即以整体的概念组织应用各种相关技术,从全局角度和系统目标出发,将总体分解成相互关联的若干功能单元,接口技术是系统技术中一个重要方面,它是实现系统各部分有机连接的保证。
(4)自动控制技术
其范围很广,在控制理论指导下,进行系统设计,设计后的系统仿真,现场调试,控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。
(5)传感检测技术
传感检测技术是系统的感受器官,是实现自动控制、自动调节的关键环节。
其功能越强,系统的自动化程序就越高。
现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验,它是机电一体化系统达到高水平的保证。
(6)伺服传动技术包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置,伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。
二、机电一体化系统组成一、机电一体化的核心技术机电一体化包括软件和硬件两方面技术。
硬件是由机械本体、传感器、信息处理单元和驱动单元等部分组成。
因此,为加速推进机电一体化的发展,必须从以下几方面着手。
1.机械本体机械本体包括机架、机械连接、机械传动等,它是机电一体化的基础,起着支撑系统中其他功能单元、传递运动和动力的作用。
机械本体必须从改善性能、减轻质量和提高精度等几方面考虑。
现代机械产品一般都是以钢铁材料为主,为了减轻质量除了在结构上加以改进,还应考虑利用非金属复合材料。
只有机械本体减轻了重量,才有可能实现驱动系统的小型化,进而在控制方面改善快速响应特性,减少能量消耗,提高效率。
与纯粹的机械产品相比,机电一体化系统的技术性能得到提高、功能得到增强,这就要求机械本体在机械结构、材料、加工工艺性以及几何尺寸等方面能够与之相适应,具有高效、多功能、可靠和节能、小型、轻量、美观的特点。
2.检测传感部分检测传感部分包括各种传感器及其信号检测电路,其作用就是检测机电一体化系统工作过程中本身和外界环境有关参量的变化,并将信息传递给电子控制单元,电子控制单元根据检查到的信息向执行器发出相应的控制。
传感器的问题集中在提高可靠性、灵敏度和精确度方面,提高可靠性与防干扰有着直接的关系。
为了避免电干扰,目前有采用光纤电缆传感器的趋势。
对外部信息传感器来说,目前主要发展非接触型检测技术。
3.电子控制单元电子控制单元又称ECU(ElectricalControlUnit),是机电一体化系统的核心,负责将来自各传感器的检测信号和外部输入命令进行集中、存储、计算、分析,根据信息处理结果,按照一定的程度和节奏发出相应的指令,控制整个系统有目的地进行。
机电一体化与微电子学的显著进步、信息处理设备(特别是微型计算机)的普及应用紧密相连。
为进一步发展机电一体化,必须提高信息处理设备的可靠性,包括模/数转换设备的可靠性和分时处理的输入输出的可靠性,进而提高处理速度,并解决抗干扰及标准化问题。
4.驱动技术执行器的作用是根据电子控制单元的指令驱动机械部件的运动。
执行器是运动部件,通常采用电力驱动、气压驱动和液压驱动等几种方式。
电机作为驱动机构已被广泛采用,但在快速响应和效率等方面还存在一些问题。
目前,正在积极发展内部装有编码器的电机以及控制专用组件-传感器-电机三位一体的伺服驱动单元。
5.动力源动力源是机电一体化产品能量供应部分,其作用是按照系统控制要求向机械系统提供能量和动力使系统正常运行。
提供能量的方式包括电能、气能和液压能,以电能为主。
6.软件技术软件与硬件必须协调一致地发展。
为了减少软件的研制成本,提高生产维修的效率,要逐步推行软件标准化,包括程序标准化、程序模块化、软件程序的固化、推行软件工程等。
为了与计算机进行通信,必须使数据传递的格式标准化、规格化。
接口采用同一标准规格不仅有利于信息传递和维修,而且可以简化设计。
目前,技术人员正致力于开发低成本、高速串行的接口,来解决信号电缆非接触化、光导纤维以及光藕器的大容量化、小型化、标准化等问题。
三、机电一体化技术的主要应用领域
1数控机床
数控机床及相应的数控技术经过40年的发展,在结构、功能、操作和控制精度上都有迅速提高,具体表现在:
(1)总线式、模块化、紧凑型的结构,即采用多CPU、多主总线的体系结构。
(2)开放性设计,即硬件体系结构和功能模块具有层次性、兼容性、符合接口标准,能最大限度地提高用户的使用效益。
(3)WOP技术和智能化。
系统能提供面向车间的编程技术和实现二、三维加工过程的动态仿真,并引入在线诊断、模糊控制等智能机制。
(4)大容量存储器的应用和软件的模块化设计,不仅丰富了数控功能,同时也加强了CNC系统的控制功能。
(5)能实现多过程、多通道控制,即具有一台机床同时完成多个独立加工任务或控制多台和多种机床的能力,并将刀具破损检测、物料搬运、机械手等控制都集成到系统中去。
(6)系统的多级网络功能,加强了系统组合及构成复杂加工系统的能力。
(7)以单板、单片机作为控制机,加上专用芯片及模板组成结构紧凑的数控装置。
2计算机集成制造系统(CIMS)
CIMS的实现不是现有各分散系统的简单组合,而是全局动态最优综合。
它打破原有部门之间的界线,以制造为基干来控制“物流”和“信息流”,实现从经营决策、产品开发、生产准备、生产实验到生产经营管理的有机结合。
企业集成度的提高可以使各种生产要素之间的配置得到更好的优化,各种生产要素的潜力可以得到更大的发挥。
3柔性制造系统(FMS)
柔性制造系统是计算机化的制造系统,主要由计算机、数控机床、机器人、料盘、自动搬运小车和自动化仓库等组成。
它可以随机地、实时地、按量地按照装配部门的要求,生产其能力范围内的任何工件,特别适于多品种、中小批量、设计更改频繁的离散零件的批量生产。
4工业机器人
第1代机器人亦称示教再现机器人,它们只能根据示教进行重复运动,对工作环境和作业对象的变化缺乏适应性和灵活性;
第2代机器人带有各种先进的传感元件,能获取作业环境和操作对象的简单信息,通过计算机处理、分析,做出一定的判断,对动作进行反馈控制,表现出低级智能,已开始走向实用化;
第3代机器人即智能机器人,具有多种感知功能,可进行复杂的逻辑思维、判断和决策,在作业环境中独立行动,与第5代计算机关系密切。
四、机电一体化的发展状况
机电一体化的发展大体可以分为3个阶段。
20世纪60年代以前为第一阶段,这一阶段称为初级阶段。
在这一时期,人们自觉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。
特别是在第二次世界大战期间,战争刺激了机械产品与电子技术的结合,这些机电结合的军用技术,战后转为民用,对战后经济的恢复起了积极的作用。
那时研制和开发从总体上看还处于自发状态。
由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平,机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展,已经开发的产品也无法大量推广。
20世纪70~80年代为第二阶段,可称为蓬勃发展阶段。
这一时期,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。
大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展,为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。
这个时期的特点是:
①mechatronics一词首先在日本被普遍接受,大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认;
②机电一体化技术和产品得到了极大发展;
③各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。
20世纪90年代后期,开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段,机电一体化进入深入发展时期。
一方面,光学、通信技术等进入了机电一体化,微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚,出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支;
另一方面对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法,机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。
同时,由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步,为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。
这些研究,将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。
我国是从20世纪80年代初才开始在这方面研究和应用。
国务院成立了机电一体化领导小组并将该技术列为“863计划”中。
在制定“九五”规划和2010年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向.
5、机电一体化技术的发展前景
纵观国内外机电一体化的发展现状和高新技术的发展动向,机电一体化将朝着以下几个方向发展。
机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合,它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。
因此,机电一体化的主要发展方向如下:
5.1数字化
微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础,如不断发展的数控机床和机器人;
而计算机网络的迅速崛起,为数字化设计与制造铺平了道路,如虚拟设计、计算机集成制造等。
数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机界面。
数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复。
5.2智能化
智能化是机电一体化与传统机械自动化的主要区别之一,也是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。
人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视,机器人与数控机床的智能化就是重要应用。
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,吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法,模拟人类智能,使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力,以求得到更高的控制目标。
诚然,使机电一体化产品具有与人完全相同的智能,是不可能的,也是不必要的。
但是,高性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或人的部分智能,则是完全可能而又必要的。
近几年,处理器速度的提高和微机的高性能化、传感器系统的集成化与智能化为嵌入智能控制算法创造了条件,有力地推动着机电一体化产品向智能化方向发展。
智能机电一体化产品可以模拟人类智能,具有某种程度的判断推理、逻辑思维和自主决策能力,从而取代制造工程中人的部分脑力劳动。
具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。
例如在CNC数控机床上增加人机对话功能,设置智能I/O接口和智能工艺数据库,会给使用、操作和维护带来极大的方便。
随着模糊控制、神经网络、灰色理论、小波理论、混沌与分岔等人工智能技术的进步与发展,为机电一体化技术发展开辟了广阔天地。
5.3模块化
模块化是一项重要而艰巨的工程。
由于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、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。
它需要制订一系列标准,以便各部件、单元的匹配和接口。
如研制集减速、智能调速、电机于一体的动力单元,具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元,以及各种能完成典型操作的机械装置。
这样,可利用标准单元迅速开发出新产品,同时也可以扩大生产规模。
这需要制定各项标准,以便各部件、单元的匹配和接口。
由于利益冲突,近期很难制定国际或国内这方面的标准,但可以通过组建一些大企业逐渐形成。
显然,从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定,无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业,规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。
5.4网络化
20世纪90年代,计算机技术等的突出成就是网络技术。
网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育义举人么日常生活都带来了巨大的变革。
各种网络将全球经济、生产连成一片,企业间的竞争也将全球化。
机电一体化新产品一旦研制出来,只要其功能独到,质量可靠,很快就会畅销全球。
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本身就是机电一体化产品。
现场总线和局域网技术是家用电器网络化已成大势,利用家庭网络(homenet)将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统(computerintegratedappliancesystem,CIAS),使人们在家里分享各种高技术带来的便利与快乐。
因此,机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。
网络技术的飞速发展对机电一体化有重大影响,使其朝着网络化方向发展。
机电一体化产品的种类很多,面向网络的方式也不同。
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本身就是机电一体化产品。
5.5微型化
微型化兴起于20世纪80年代末,指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。
微型化是精细加工技术发展的必然,也是提高效率的需要。
微机电系统(MicroElectronicMechanicalSystems,简称MEMS)是指可批量制作的,集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路,直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。
自1986年美国斯坦福大学研制出第一个医用微探针,1988年美国加州大学Berkeley分校研制出第一个微电机以来,国内外在MEMS工艺、材料以及微观机理研究方面取得了很大进展,开发出各种MEMS器件和系统,如各种微型传感器(压力传感器、微加速度计、微触觉传感器),各种微构件(微膜、微粱、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器人等)。
国外称其为微电子机械系统(MEMS),泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品,并向微米、纳米级发展。
微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活,在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。
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细加工技术,即超精密技术,它包括光刻技术和蚀刻技术两类。
微型机电一体化系统高度融合了微机械技术、微电子技术和软件技术,是机电一体化的一个新的发展方向。
国外称微电子机械系统的几何尺寸一般不超过1cm3,并正向微米、纳米级方向发展。
由于微机电一体化系统具有体积小、耗能小、运动灵活等特点,可进入一般机械无法进入的空间并易于进行精细操作,故在生物医学、航空航天、信息技术、工农业乃至国防等领域,都有广阔的应用前景。
目前,利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术,在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。
5.6绿色化
科学技术的发展给人们生活带来了巨大变化。
一方面,物质丰富,生活舒适;
另一方面,资源减少,生态环境受到严重污染。
于是,人们呼吁保护环境资源,回归自然。
绿色产品概念在这种呼声下应运而生,绿色化是时代的趋势。
绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生利用的产品。
在其设计、制造、使用和销毁时应符合环保和人类健康的要求,机电一体化产品的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境,产品寿命结束时,产品可分解和再生利用。
绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中,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,资源利用率极高。
设计绿色的机电一体化产品,具有远大的发展前途。
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,报废后能回收利用。
绿色化是时代的趋势,其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中,对生态环境无危害或危害极小,资源利用率极高。
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,报废时能回收利用。
绿色制造业是现代制造业的可持续发展模式。
5.7系统化
系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。
系统可以灵活组态,进行任意剪裁和组合,同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。
表现之二是通信功能的大大加强,一般除RS232外,还有RS485、DCS人格化。
实现远程及多系统通信联网需要的局部网络正逐渐被采用。
未来的机电一体化更加注重产品与人的关系,机电一体化的人格化有两层含义。
一层是,机电一体化产品的最终使用对象是人,如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越重要,特别是对家用机器人,其高层境界就是人机一体化。
另一层是模仿生物机理,研制各种机电一体花产品。
事实上,许多机电一体化产品都是受动物的启发研制出来的。
机电一体化产品还可根据一些生物体优良的构造研究某种新型机体,使其向着生物系统化方向发展。
机电一体化产品除了完善的性能外,还要求在色彩、造型等方面与环境相协调,使用这些产品,对人来说还是一种艺术享受,如家用机器人的最高境界就是人机一体化。
5.8集成化
集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合,又包含在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。
为了实现多品种、小批量生产的自动化与高效率,应使系统具有更广泛的柔性。
首先可将系统分解为若干层次,使系统功能分散,并使各部分协调而又安全地运转,然后再通过软、硬件将各个层次有机地联系起来,使其性能最优、功能最强。
5.9带源化
是指机电一体化产品自身带有能源,如太阳能电池、燃料电池和大容量电池。
由于在许多场合无法使用电能,因而对于运动的机电一体化产品,自带动力源具有独特的好处。
带源化是机电一体化产品的发展方向之一。
5.10.光机电一体化.
一般的机电一体化系统是由传感系统、能源系统、信息处理系统、机械结构等部件组成的.因此,引进光学技术,实现光学技术的先天优点是能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源(动力)系统和信息处理系统.光机电一体化是机电产品发展的重要趋向.
六、机电一体化的核心技术
机电一体化包括软件和硬件两方面技术。
硬件是由机械本体、传感器、信息处理单元和驱动单元等部分组成。
1机械本体技术
机械本体必须从改善性能、减轻质量和提高精度等几方面考虑。
2传感技术
传感器的问题集中在提高可靠性、灵敏度和精确度方面,提高可靠性与防干扰有着直接的关系。
为了避免电干扰,目前有采用光纤电缆传感器的趋势。
3信息处理技术
机电一体化与微电子学的显著进步、信息处理设备(特别是微型计算机)的普及应用紧密相连。
为进一步发展机电一体化,必须提高信
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