机电一体化技术实践-讲义.doc

第一章 绪论 3 1.1 机电一体化的基本概念 3 1.2 机电一体化产品的构成 6 1.3 机电一体化的主要特点 9 1.4 机电一体化共性关键技术 10 1.5 机电一体化产品的设计方法 12 第二章 机械系统设计及制造方法 15 2.1 机械系统设计概述 15 2.2 传动机构设计原则 19 2.3 机械系统性能分析 25 2.4 机械系统的运动控制 34 2.5 机械系统的静态设计过程 40 2.6 机械系统静态设计实例分析 43 2.6.1 设计任务 44 2.6.2 机械结构设计 44 2.6.3 电机驱动及控制设计 45 2.6.4 装配 47 2.7 工艺过程的基本概念 47 2.8 常用机械制造方法 48 2.8.1 常用金属材料 49 2.8.2 金属成形工艺 54 2.8.3 传统切削加工 60 2.8.4 先进制造技术 65 第三章 传感检测技术 74 3.1 常用传感器分类 74 3.2 机械式传感器及仪器 74 3.3 电阻、电容与电感式传感器 76 3.4 磁电、压电与热电传感器 85 3.5 光电测量原理 90 3.6 光纤传感器 97 3.7 半导体传感器 101 3.8传感器选用原则 105 第四章 计算机控制单元 108 4.1工控机、单片机和PLC 108 4.2控制方式概述 114 第五章 驱动装置 129 5.1 概述 129 5.1.1 伺服系统的组成 129 5.1.2 对伺服系统的基本要求 129 5.1.3 伺服系统的分类 131 5.2 伺服电动机 132 5.2.1 直流伺服电机及工作特性 133 5.2.2 交流伺服电机及工作特性 137 5.2.3 步进电机 141 5.2.4 直线电机 144 参考文献 149 第一章 绪论 1.1 机电一体化的基本概念 机电一体化又称机械电子学，英文称为Mechatronics，它是由英文机械学Mechanics 的前半部分与电子学Electronics 的后半部分组合而成。机电一体化最早出现在1971年日本《机械设计》杂志的副刊上，随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化的概念被人们广泛接受和普遍使用。1996年出版的WEBSTER大词典收录了这个日本造的英文单词，这不仅意味着 “Mechatronics”这个单词得到了世界各国学术界和企业界的认可，而且还意味着“机电一体化”的哲理和思想为世人所接受。 图1- 1机电一体化与其它学科的关系 那么，什么是机电一体化呢？ 到目前为止，就机电一体化这一概念的内涵国内外学术界还没有一个完全统一的表述。一般认为，机电一体化是以机械学、电子学和信息科学为主的多门技术学科在机电产品发展过程中相互交叉、相互渗透而形成的一门新兴边缘性技术学科。这里面包含了三重含义：首先，机电一体化是机械学、电子学与信息科学等学科相互融合而形成的学科。图1-1 形象地表达了机电一体化与机械学、电子学和信息科学之间的相互关系；其次，机电一体化是一个发展中的概念，早期的机电一体化就像其字面所表述的那样，主要强调机械与电子的结合，即将电子技术“溶入”到机械技术中而形成新的技术与产品。随着机电一体化技术的发展，以计算机技术、通信技术和控制技术为特征的信息技术（即所谓的“3C”技术：Computer、Communication和 Control Technology）“渗透”到机械技术中，丰富了机电一体化的含义，现代的机电一体化不仅仅指机械、电子与信息技术的结合，还包括光（光学）机电一体化、机电气（气压）一体化、机电液（液压）一体化等；最后，机电一体化表达了技术之间相互结合的学术思想，强调各种技术在机电产品中的相互协调，以达到系统总体最优。换句话说，机电一体化是多种技术学科有机结合的产物，而不是它们的简单叠加。 从概念的外延来看，机电一体化包括机电一体化技术和机电一体化产品两个方面。机电一体化技术是从系统工程的观点出发，将机械、电子和信息等有关技术有机结合起来，以实现系统或产品整体最优的综合性技术。机电一体化技术主要包括使机电一体化产品（或系统）得以实现、使用和发展的技术。机电一体化技术是一个技术群（族）的总称，包括检测传感技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、机械技术及系统总体技术等。机电一体化产品有时也称为机电一体化系统，它们是两个相近的概念，通常机电一体化产品指独立存在的机电结合产品，而机电一体化系统主要指依附于主产品的部件系统，这样的系统实际上也是机电一体化产品。机电一体化产品是由机械系统（或部件）与电子系统（或部件）及信息处理单元（硬件和软件）有机结合而赋予了新功能和新性能的高科技产品。由于在机械本体中“溶入”了电子技术和信息技术，与纯粹的机