第1章数控技术概论
1.1 数控机床概述
1.1.1 数控机床简介
随着科学技术的发展，机电产品日趋精密复杂。产品的精度要求越来越高、更新换代的周期也越来越短，从而促进了现代制造业的发展。尤其是宇航、军工、造船、汽车和模具加工等行业，用普通机床进行加工（精度低、效率低、劳动度大）已无法满足生产要求，从而一种新型的用数字程序控制的机床应运而生。这种机床是一种综合运用了计算机技术、自动控制、精密测量和机械设计等新技术的机电一体化典型产品。数控机床是一种装有程序控制系统（数控系统）的自动化机床。该系统能够逻辑地处理具有使用号码，或其他符号编码指令（刀具移动轨迹信息）规定的程序。具体地讲，把数字化了的刀具移动轨迹的信息输入到数控装置，经过译码、运算，从而实现控制刀具与工件相对运动，加工出所需要的零件的机床，即为数控机床。
1. 数控机床工作原理
按照零件加工的技术要求和工艺要求，编写零件的加工程序，然后将加工程序输入到数控装置，通过数控装置控制机床的主轴运动、进给运动、更换刀具，以及工件的夹紧与松开，冷却、润滑泵的开与关，使刀具、工件和其它辅助装置严格按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合图纸要求的零件。
2. 数控机床结构
数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体四个部分组成，如图1-1-1所示。
图1-1-1 数控机床的加工过程
1）控制介质控制介质以指令的形式记载各种加工信息，如零件加工的工艺过程、工艺参数和刀具运动等，将这些信息输入到数控装置，控制数控机床对零件切削加工。
2）数控装置数控装置是数控机床的核心，其功能是接受输入的加工信息，经过数控装置的系统软件和逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理，向伺服系统发出相应的脉冲，并通过伺服系统控制机床运动部件按加工程序指令运动。
3）伺服系统伺服系统由伺服电机和伺服驱动装置组成，通常所说数控系统是指数控装置与伺服系统的集成，因此说伺服系统是数控系统的执行系统。数控装置发出的速度和位移指令控制执行部件按进给速度和进给方向位移。每个进给运动的执行部件都配备一套伺服
系统，有的伺服系统还有位置测量装置，直接或间接测量执行部件的实际位移量，并反馈给数控装置，对加工的误差进行补偿。
4）机床本体数控机床的本体与普通机床基本类似，不同之处是数控机床结构简单、刚性好，传动系统采用滚珠丝杠代替普通机床的丝杠和齿条传动，主轴变速系统简化了齿轮箱，普遍采用变频调速和伺服控制。
1.1.2 数控机床分类
数控机床可以根据不同的方法进行分类，常用的分类方法有按数控机床加工原理分类、按数控机床运动轨迹分类和按进给伺服系统控制方式分类。
1.按数控机床加工原理分类
按数控机床加工原理可把数控机床分为普通数控机床和特种加工数控机床。
1）普通数控机床如数控车床、数控铣床、加工中心、车削中心等各种普通数控机床，其加工原理是用切削刀具对零件进行切削加工。
2）特种加工数控机床如线切割数控机床，对硬度很高的工件进行切割加工；如电火花成型加工数控机床，采用电火花原理对工件的形腔进行加工。
2.按数控机床运动轨迹分类
数控机床运动轨迹主要有三种形式：点位控制运动、直线控制运动和连续控制运动。
1）点位控制运动点位控制运动指刀具相对工件的点定位，一般对刀具运动轨迹无特殊要求，为提高生产效率和保证定位精度，机床设定快速进给，临近终点时自动降速，从而减少运动部件因惯性而引起的定位误差。
2）直线控制运动直线控制运动指刀具或工作台以给定的速度按直线运动。
3）连续控制运动连续控制运动也称为轮廓控制运动，指刀具或工作台按工件的轮廓轨迹运动，运动轨迹为任意方向的直线、圆弧、抛物线或其它函数关系的曲线。这种数控系统有一个轨迹插补器，根据运动轨迹和速度精确计算并控制各个伺服电机沿轨迹运动。
3．按进给伺服系统控制方式分类
由数控装置发出脉冲或电压信号，通过伺服系统控制机床各运动部件运动。数控机床按进给伺服系统控制方式分类有三种形式：开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。
1）开环控制系统这种控制系统采用步进电机，无位置测量元件，输入数据经过数控系统运算，输出指令脉冲控制步进电机工作，如图1-1-2所示，这种控制方式对执行机构不检测，无反馈控制信号，因此称之为开环控制系统。开环控制系统的设备成本低，调试方便，操作简单，但控制精度低，工作速度受到步进电机的限制。
图1-1-2 开环控制系统
2）闭环控制系统这种控制系统绝大多数采用伺服电机，有位置测量元件和位置比较电路。如图1-1-3所示，测量元件安装在工作台上，测出工作台的实际位移值反馈给数控装
置。位置比较电路将测量元件反馈的工作台实际位移值与指令的位移值相比较，用比较的误差值控制伺服电机工作，直至到达实际位置，误差值消除，此称之为闭环控制。闭环控制系统的控制精度高，但要求机床的刚性好，对机床的加工、装配要求高，调试较复杂，而且设备的成本高。
图1-1-3 闭环控制系统
3）半闭环控制系统(图1-1-4)这种控制系统的位置测量元件不是测量工作台的实际位置，而是测量伺服电机的转角，经过推算得出工作台位移值，反馈至位置比较电路,与指令中的位移值相比较，用比较的误差值控制伺服电机工作。这种用推算方法间接测量工作台位移，不能补偿数控机床传动链零件的误差，因此称之为半闭环控制系统。半闭环控制系统的控制精度高于开环控制系统，调试比闭环控制系统容易，设备的成本介于开环与闭环控制系统之间。
图1-1-4 半闭环控制系统
1.1.3 数控机床发展趋势
数控机床是50年代发展起来的新型自动化机床，较好解决了形状复杂、精密、小批量零件的加工问题，具有适应性强、加工精度和生产效率高的优点。由于数控机床综合了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等诸方面的先进技术，使得数控机床的发展日新月异，数控机床的功能越来越强大。数控机床的发展趋势体现在数控功能、数控伺服系统、编程方法、数控机床的检测和监控功能、自动调整和控制技术等方面的发展。
1. 数控功能的扩展
1）数控系统插补和联动轴数的增加，有的数控系统能同时控制几十根轴。
2）数控系统中微处理器处理字长的增加，目前广泛采用32位微处理器。
3）数控系统中实现人机对话、进行交互式图形编程。
4）基于PC的开放式数控系统的发展，使数控系统得到更多硬件和软件的支持。
2. 数控伺服系统的发展
1）交流伺服系统替代直流伺服系统。
2）前馈控制技术的发展增加了速度指令控制，使跟踪滞后误差减小。
3) 高速电主轴和程序段超前处理技术（LOOK AHEAD）使高速小线段加工得以实现。
4）多种补偿技术的发展与应用如机械静摩擦与动摩擦非线性补偿，机床精度误差的
补偿和切削热膨胀误差的补偿。
5）位置检测装置检测精度的提高采用细分电路大大提高了检测装置的分辧率。
3. 编程方法的发展
1）在线编程技术的发展，实现前台加工操作，后台同时编程。
2）面向车间编程方法（WOP）的发展，即输入加工对象的加工轨迹，数控系统自动生成加工程序。
3）CAD／CAM技术的发展，实现计算机辅助设计与辅助制造。
4．数控机床的检测和监控功能的增强
数控机床在加工过程中对刀具和工件在线检测，发现工件超差，刀具磨损和破损及时反馈或报警处理。
5．自动调整控制技术的应用
按加工要求，数控系统动态调整工作参数，使加工过程始终达到最佳工作状态。
综上所述，由于数控机床不断采纳科学技术发展中的各种新技术，使得其功能日趋完善，数控技术在机械加工中的地位也显得越来越重要，数控机床的广泛应用是现代制造业发展的必然趋势。
1.2 数控系统指令代码
1.2.1 加工程序简介
加工程序使用数控装置能识别的指令代码和数字代码描述数控机床的工艺过程，国际上广泛使用ISO标准G指令和M指令，我国机械工业部制订的标准JB3208－83与国际ISO标准等效。
1.程序段格式
程序段由程序序号、地址符、数字值和程序段结束符组成。
例如：
N＿＿G＿＿F＿＿T＿＿S＿＿M＿＿LF
式中：
N 程序序号地址符；
G 准备功能地址符；
F 进给速度地址符；
T 刀具号地址符；
S 主轴转速地址符；
M 辅助功能地址符；
LF 程序段结束地址符。
2.加工程序的组成
一个完整的加工程序由程序名、程序段和程序结束指令组成。其中程序名由符号（如%、O、P或其它符号）与后面的2-4位数字组成；程序结束指令一般为M02或M30。
例如：
%0001
N0010 G00 X0 Y0 Z2 T01 S2000 M03 LF
N0020 G01 Z-10 F200 LF
------
N0100 M30 LF
3.编程方法
编程方法有手工编程与自动编程二种方法。
1）手工编程直接在数控机床上进行编程的方法为手工编程，一般加工简单零件用这种方法编程。
2）自动编程对于复杂的零件，其轮廓线不是在简单的平面上，而是由复杂的空间曲线和空间曲面组成，用手工编程方法编程很困难，则需要使用自动编程方法编程。即使用专用软件进行编程，过去用APT软件描述加工过程，称为自动编程，现代自动编程是指通过CAD/CAM处理后自动生成NC程序的编程方法。
1.2.2 数控系统功指令代码
数控系统的指令代码分为二大类：准备功能代码和辅助功能代码。
准备功能代码主要用于控制刀具对工件进行切削加工，准备功能Ｇ代码由地址字符Ｇ与
后面的二位数字组成，如表1-2-1所示FANUC 0T-C数控车床准备功能Ｇ代码表，表1-2-2所示FANUC 0M-C数控铣床准备功能Ｇ代码表。我国的中、高档数控系统大部分从日本、德国和美国引进，如日本的FANUC系统、德国SIEMENS系统和美国AB系统。由于国内外数控系统实际使用的G功能指令标准化程度较低，只有G01～G04、G17～G19、G40～G42的指令定义在各个数控系统中基本相同，因此编程时必须遵照所用数控机床的使用说明书编写加工程序。
表1-2-1FANUC 0T-C车床准备功能Ｇ代码表
表1-2-2 FANUC 0M-C铣床准备功能Ｇ代码表
注:1）*号表示G代码为数控系统通电后的初始状态。
2）00组的G代码为非模态指令，其它G代码均为模态指令。
辅助功能代码主要用于控制机床的辅助设备，如主轴、刀架和冷却泵的工作，由继电器的通电与断电来实现其控制过程。辅助功能M代码由地址字符M与后面二位数字组成，如表1-2-3所示辅助功能M代码表。
表1-2-3 辅助功能M代码表
1.3 开放式数控系统简介
1.3.1 数控系统的发展现状
随着现代制造业生产方式的发展，生产设备正朝着灵活、多功能、网络化的方向发展，它希望控制器的功能重新配置、修改、扩充和改装甚至重新生成，这样就对控制器产生了“开放”的要求。控制器制造商希望开放式控制器具有更高的性能价格比和提高产品竞争力。制造信息的集成化、生产系统的分散化也促进了控制器的开放。日新月异的互联网技术为控制器的开放奠定了物质基础。
开放式体系结构CNC的研究始于1987年美国政府资助下的NGC(Next Generation Controller)项目。其目的是实现基于互操作和分级式软件模块的“开放体系结构的标准规范”SOSAS(Specification for an Open System Architecture Standard)。1994年由美国Chrysler Corp、Ford Motor 和 General Motors Powertrain Group三大汽车公司提出了OMAC(Open Modular Architecture Controllers)计划，其目标是降低控制器的投资成本和维护费用，提高机床利用率，提供软硬件模块的“即插即用”和高效的控制器重构机制，缩短产品开发周期，从而使系统易于更新换代，尽快跟上新技术的发展，并适应需求的变化。
欧盟在1992年组织了OSACA（Open System Architecture for Control within Automation Systems）项目，其研究目标是自动化系统中的开放式控制系统体系结构。该项目由德国斯图加特大学的ISW研究所主持，联合德、意、法、瑞士、英、西班牙等11个国家的有关研究结构、大学和制造商，投资1140 万欧元，历时4年，于1996年结束。OSACA 模型的理想是在标准平台上建立由可自由组合的模块组成的系统，它是诸多开放式控制器研究计划中最为理想的模型。现在，欧洲主要的数控制造商如：SIEMENS、BOSCH、NUM、FAGOR 等都在开发符合OSACA标准规范的开放式数控系统。
日本在1995年由机床制造商和信息、电子产品企业组建了OSE协会，开展名为OSEC （Open System Environment for Controller Architecture）的研究。项目分两步进行，第一步是“OSEC-I设计”的研究，议论的中心问题是开放式控制器的意义和方向，提出了FADL语言，其实质是建立一种有多家公司支持的中性语言，以这种中性语言作为用户与控制器的交互界面。第二步是“OSEC-II设计”的研究，目标是达到能实际安装的完成度高的体系结构。在OSEC-II中，FADL语言进一步发展为OSEL语言，它将终端用户和机械厂家积累的生产技术做成软件包的形式，是一种具有可重复利用特性的新的NC语言。
这些研究项目的主要任务是要制定开放式数控系统的体系结构标准规范，以便在这种标准的支持下，各个开发商能开发出具有互换性和互操作性的构成要素模块，通过标准化接口，可将不同制造商提供的要素模块组合成所需要的数控系统。
1.3.2 开放式数控系统的概念
IEEE（国际电气电子工程师协会）是这样定义开放式数控系统的：“符合系统规范的应用系统可以运行在多个销售商的不同平台上，可以与其它系统的应用进行互操作，并且具有一致风格的用户交互界面。”通俗地说，就是数控系统提供给用户（机床或机械制造商）一个平台，使他们能够在这个平台上，根据设备所需的特定功能，开发与之相应的软件和硬件，并与系统软件集成为一个新的应用系统，使该设备具有较高的性价比，并大大缩短开发周期。目前，世界上各控制系统制造商推出或正在研究的具有开放特点的数控系统产品大致可以分为如下三个层次：
第一层次是人机界面的开放。它只开放了非实时的人机界面部分，允许用户自己设计控制系统的界面和编程语言。
第二层次的开放是控制系统在明确固定的拓扑结构下允许替换内核中的特定模块以满足用户的特殊需要。例如，用户可以替换控制系统核心的插补算法等。
第三层次的开放是拓扑结构完全可变的“完全开放”的控制系统。OSACA追求的就是这种理想的控制器产品。在OSACA计划中，各种功能模块的地位是平等的，它们之间的拓扑关系是由系统内部的配置系统确定的。功能模块之间的信息传递是由系统内部的通信机制保证的。
1.3.3 开放式数控系统的特点
现在国际上公认的开放式体系结构应具有四个特点：相互操作性、可移植性、可缩放性、可互换性。
1.相互操作性（Interoperability）
相互操作性指不同应用程序模块通过标准化的应用程序接口运行于系统平台上，相互之间保持平等的相互操作能力，协调工作。这一特性要求提供标准化的接口、通讯和交互模型。
随着制造技术的不断发展，CNC也正朝着信息集成的方向发展。CNC系统不但应能和不同系统彼此互连，实施正确有效的信息互通，同时应在信息互通的基础上，能信息互用，完成应用处理的协同工作，因此要求不同的应用模块能相互操作，协调工作。
2.可移植性（Portability）
可移植性指不同的应用程序模块可以运行于不同供应商提供的不同的系统平台之上。可移植性应用于CNC系统，其目的是为了解决软件公用问题。要使系统提供可移植特性，基本要求是设备无关性，即通过统一的应用程序接口，完成对设备的控制；要求各部件具有统一的数据格式、行为模型、通讯方式和交互机制。具备可移植特性的系统，可使用户具有更大的软件选择余地，通过选购适应多种系统的软件，费用可以显著降低。同时在应用软件的开发过程中，重复投入费用也可降低。可移植性也包括对用户的适应性，要求CNC系统具有统一风格的交互界面，使用户适应一种控制器的操作，即可适应一类控制器的操作，而无需对该控制器的使用重新进行费时费力的培训。
3.可缩放性（Scalability）
可缩放性指增添和减少系统的功能仅仅表现为特定模块单元的装载与卸载。不是所有的场合都需要CNC系统具备复杂且完善的数控功能，在这种情况下，厂家没有必要购买不适于加工产品的复杂数控系统。因为可缩放性使得CNC系统的功能和规模变得极其灵活，既可以增加配件或软件以构成功能更加强大的系统，也可以裁减其功能来适应简单加工场合。同时，同一软件既可以在该系统的低档硬件配置上运行，也可以在该系统的高档硬件配置上应用。可缩放性使得用户可以灵活改变CNC系统的应用场合，一台控制器可以使用于多种类加工设备的控制上。
4.相互替代性（Interchangeability）
相互替代性指不同性能和不同功能的单元可以相互替代。而不影响系统的协调运行。有了相互替代性，构成开放体系结构的数控系统就不受唯一供应商所控制，也无需为此付出昂贵的版权使用费。相反，只需支付合理的或较少的费用，即可获得系统的各组成部件，并且可以有多个来源。
如图1-3-1中所示的OSACA的系统平台更加形象地说明这一问题。它包含硬件、系统软件和应用程序接口。若将各种针对具体控制任务所开发出的遵守统一接口规范的应用软件模
块（即图中的功能单元AO），“插到”不同制造商提供的标准平台上，通过应用程序接口，便可获得来自平台的服务（这些服务涉及数据库、图形、系统配置、通信和操作系统等），组成具有特定功能的数控系统。
图1-3-1 OSACA的系统
AO: Architecture Object
功能元对象
1.3.4 开放式数控系统的模式
1.PC嵌入NC中
一些传统CNC系统的制造商，由于面临控制系统“开放化”浪潮和PC技术迅猛发展的形势，把专用结构的CNC部分和PC机结合在一起，将非实时控制部分改由PC机来承担，实时控制部分仍使用多年积累的专用技术。从而改善了数控系统的人机界面、图形显示、切削仿真、网络通信、生产管理、编程和诊断等功能，并使系统具有较好的开放性。
FANUC 150/160/180/210系列就是一种典型的PC嵌入NC模式的CNC系统。在FANUC CNC 专用32位总线插槽中，插入一块名为 MMC-IV 的PC 模板，通过专用接口，使CNC与MMC-IV 紧密结合。显然，这种开放式数控系统仅在MMC部分开放，其核心-实时控制部分仍是不开放的。
SIEMENS 840D 数控系统具有模块化结构和较好的开放性。该系统也包含集成有PC的MMC模块，通过多点接口（MPI）与NCU（含CNC和PLC部分）模块相连。它的开放性主要表现在两个方面：第一方面可以使用SIEMENS公司的MMC OEM软件包，借助VB和C++语言来修改MMC部分。第二方面实时控制的NC核心部分也具有一定的开放性。可以使用特殊的开发工具，对用户指定的系统循环和宏功能进行调整。
2.NC嵌入PC 中（运动控制卡加PC）
一些以PC机为基础的CNC制造商，主要生产、销售各种高性能运动控制卡和运动控制软件。由于这些产品的开放性很好，用户可以自行开发，把它用来构成自己的数控产品或使用在生产线上。其中有的制造商自己再进行应用开发，把运动控制卡和PC机加上机床数控软件，构成数控系统产品。
如美国DELTA TAU 公司的PMAC是一种高性能运动控制卡，它以Motorola 56000系列DSP为CPU，板上有存储器、I/O接口和伺服接口。此卡本身就是一个NC系统，具有优秀的伺服控制、插补计算和实时控制能力，可以单独使用，也可以插入PC机中，构成开放式控制系统。该公司的PMAC-NC，就是将PC机强大的Windows图形用户界面、多任务处理能力
以及良好的软硬件兼容能力与PMAC相结合，形成既有高的性能、又有高度灵活性的开放式数控系统。对高级用户，可以在动态连接库的支持下，使用Vc++、VB、Delphi等高级语言开发自身的应用程序；还能用 DSP本身的汇编语言编写PMAC 用户伺服算法。另外，该公司还提供PMAC-NC 和 C++源代码许可证，允许整个系统全部用户化。
3.全软件化NC
计算机CPU速度的提高和基于Windows NT/Linux等的实时操作系统为高性能开放式全软件化数控系统的发展创造了条件。这种形式的数控系统以PC机为基础，以实时操作系统（Windows NT 的实时扩展VenturCom RTX、RT-Linux、Windows CE等）为数控系统的实时内核，在计算机操作系统（Windows NT、Linux等）环境下运行具有开放结构的控制软件。软件化NC 所用的I/O接口和伺服接口卡通常不带CPU,它可以是数字、模拟或现场总线接口。由于它实现了控制器的PC化和控制方案的软件化，具有结构简单、成本较低、开放性好，可靠性高等优点，因而是当今开放式数控系统的发展趋势。
如德国POWER AUTOMATION公司的PA8000 NT系列数控系统是在PC机中插入PA-CNC ENGINE伺服接口卡，具有开放式结构的控制软件运行在标准的Windows NT操作系统和PA NT 实时内核下，系统具有很好的开放性和优良的性能。它的G功能是三位数，包含了丰富的控制功能。如G006表示样条插补，G230表示空间圆周顺时针插补，G211表示通道2功率控制预选等。它具有数字接口（SERCOS）和模拟接口供用户选择。面对工业控制的各种需要，用户可使用PA提供Compile Cycles软件开发工具，用C++编程，把自己开发的功能融合到PA8000 NT数控系统中去。
又如台湾宝元科技公司LNC8000是基于Linux和RT-Linux操作系统下的一种嵌入式开放式车/铣数控系统。由于Linux具有源代码开放、大小可根据需要进行裁减、稳定可靠等优点，该系统可以不用硬盘，采用电子盘或优盘存放系统软件和用户程序。系统提供内装二维CAD/CAM功能，可以做任意形状的外型、内腔加工。NURBS高速切削，远程诊断和OPC 工业网络软件等功能使系统具有较强的竞争力。应用可视化开发工具（Kylix,VDS Builder）和提供的运动控制函数库，用户可在Linux环境下开发自己所需要的功能和界面。
美国SoftServo公司最新推出基于IEEE1394(FIREWIRE)总线技术的开放式运动控制系统ServoWorks，实现了不依赖其他任何硬件的基于PC平台的全软件运动控制。它采用市场上通用的IEEE1394适配卡和1394电缆就可以把PC机和带有IEE1394接口的伺服驱动器连接起来，最多可以控制16个轴。ServoWorks既可以运行在带实时扩展VenturCom RTX 的Windows NT/2000和Windows XP操作系统下，也可以运行在Linux和RT-Linux操作系统下，利用单一的PC机，就能实现所有的伺服控制，包括位置反馈，NC轨迹生成、友好的人机界面、数据处理、网络通信、文件管理等功能。此外ServoWorks还提供应用软件接口（API）和软件开发工具,包括运动控制VB、C/C++源代码。用户可根据自己的需求进行裁减，构成自己的控制系统。
由于开放体系结构数控系统本身具有很强的控制功能，再加上很好的开放性，因此可以构成各类控制系统，少则1、2根轴，多则几十根轴。用户可以按标准随意加入自己的技术和特定的功能，制作友好的人机界面。因此，它具有广阔的应用面，可用于数控机床、机器人、包装、印刷机械、纺织机械、轻工机械、电子产品加工设备、自动生产线等领域。
本章小结
数控机床的结构由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体四个部分组成。
数控机床编程是把零件的工艺过程、工艺参数及其它辅助动作，按动作顺序、数控机床规定的指令、格式、编成加工程序，记录于控制介质中，输入数控装置，控制机床对零件加工。
数控机床加工程序由程序名、程序段和程序结束指令组成。其中程序段由程序序号、地址符、数字值和程序段结束符组成。
数控机床的种类很多，分类方法不一，根据数控机床的功能与组成，可归纳为三种分类方法：按数控机床加工原理分类、按数控机床运动轨迹分类和按数控机床控制方式分类。
数控机床的发展趋势体现在数控功能、数控伺服系统、编程方法、数控机床的检测和监视、自动调整控制技术等方面的发展。
随着现代制造业生产方式的发展，生产设备正朝着灵活、多功能、网络化的方向发展，使得控制器的功能可以修改、扩充和改装甚至重新生成，这样就对控制器产生了“开放”的要求，开放式数控系是数控技术的一个发展方向。
通过第一章的学习，了解数控机床的结构、数控系统和数控程序的基本知识、以及数控机床的发展趋势，为以后学习数控技术打下基础。
思考题与习题
1.简述数控机床的发展趋势。
2.试述数控机床的分类。
3.简述数控机床的工作原理。
4.试分析三种伺服控制系统的控制特点。
5.试述数控系统的发展现状。
6.试述开放式数控系统的概念。
7.试述开放式数控系统的模式。
8.试述开放式数控系统的特点。
第一章 1-1.试说明较为人们所接受的机电一体化的含义。 答：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系统的总称。 1-7.机电一体化系统由哪些基本要素组成？分别实现哪些功能？ 答：①.机电一体化系统由计算机、动力源、传感件、机构、执行元件系统五大要素组成。 ②.对应的五大功能为：控制、动力、计测、构造、操作功能。 1-17.开发性设计、变异性设计、适应性设计有何异同？ 答：1、开发性设计是没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品。 2、变异性设计是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有所变更的需求。 3、适应性设计是在总的设计方案、原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品在性能和质量上增加某些附加价值。 所有机电一体化系统的设计都是为了获得用来构成事物的有用信息。 1-20.简述计算机辅助设计与并行工程、虚拟设计、快速响应设计、绿色设计、反求设计等的含义。 答：1、计算机辅助设计是设计机电一体化产品的有力工具，用来设计一般机械产品的CAD 的研究成果。 2、并行工程是把产品的设计、制造及其相关过程作为一个有机整体进行综合协调的一种工作模式。 3、虚拟设计是虚拟环境中的产品模型，是现实世界中的产品在虚拟环境中的映像，是基于虚拟现实技术的新一代计算机辅助设计。 4、快速响应设计是实现快速响应工程的重要环节，快速响应工程是企业面对瞬息万变的市场环境，不断迅速开发适应市场的新系统，快速响应设计的关键是有效开发和利用各种系统信息资源。 5、绿色设计是从并行工程思想发展而出现的一个新概念。绿色设计就是在新系统的开发阶段，就考虑其整个生命周期内对环境的影响，从而减少对环境的污染、资源的浪费、使用安全和人类健康等所产生的副作用。 反求设计是以现代设计理论、方法和技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有的系统进行剖析、重构、再创造的设计。
机电系统设计提纲 第1章概述 1 机电一体化概念 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。 2 机电一体化共性关键技术 （1）精密机械技术（2）信息处理技术（3）自动控制技术（4）检测传感技术（5）伺服驱动技术（6）系统总体技术 3 机电一体化的作用及目的 作用： （1）机电一体化技术可为改造传统设备开辟新的发展途径 （2）机电一体化技术将加快机电工业赶超国际水平的步伐 （3）机电一体化技术将加速改善我国的出口产品结构 （4）机电一体化可增强企业的生产经营能力 目的： 机电一体化的目的是使产品多功能化、高效率化、高智能化、高可靠化、省材料省能源化、并使产品的结构向轻、薄、细、小巧化方向发展，不断满足人们生活的多样化要求和生产的省力化、自动化需求。 4 机电一体化系统的基本组成要素 机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。 第三章机电一体化系统中的机械设计 1 精度（静刚度、动刚度、定位精度等）、误差概念 精度的概念 （1）准确度：用系统误差大小来表示，反映了测量值偏离真值的程度。（2）精密度：用随机误差大小来表示，反映了测量值与真值的离散程度。（3）精确度：系统误差和随机误差大小的综合反映。 （4）设计精度：指在设计时要求达到的精度。 （5）零件精度：包括零件制造的几何尺寸误差和形状位置误差。 （6）运动精度：指设备主要零部件在以工作速度运动时的精度，常用运动误差来表示。 （7）装配精度：指零部件装配后零部件或设备的尺寸和相对位置误差，包括
外形尺寸、作业位置尺寸。 （8）定位精度：指机床或仪器重要部件在运动终点所能达到的实际位置的精度，是一个评价综合性能的精度指标。 （9）重复定位精度：指运动部件沿某个坐标轴向规定位置移动，作多次双向或单向定位时，其实际位置和规定位置的偏差。 （10）几何精度：指机床、仪器在不运动或运动速度较低时的精度。综合反映零部件和组装后设备的几何形状误差和相对位置误差。 （11）传动精度：指机械传动链单向传动时，其输入端与输出端瞬时传动比的实际值与理论值之差。通常是以传动误差和空程误差来衡量。 （12）测量精度：指计量仪器或测量系统的使用精度，是一个综合性的精度指标，常用测得值与被测值的偏差程度来衡量。 （13）重复精度：指在同一测量方法及测试条件下，在不太长的时间间隔内，连续多次测量同一个物理参数，所得数据的分散程度。 （14）复现精度：指在不同的测量方法和测试条件下，以较长的时间间隔对同一物理参数作多次测量所得数据的接近程度。 （15）动态精度：指系统的动态参数误差。 误差的概念 （1）误差：对某个物理量进行测量时，所测得的数值与真值之间的差值。反映了测量值对真值的偏离程度。 （2）真值理论真值约定真值相对真值 （3）绝对误差：测得值与被测值的真值之差。 （4）相对误差：绝对误差与被测量真值之比。 （5）随机误差：在多次测量中，大小和符号都不可预定的误差。 （6）系统误差：系统误差对的大小和方向在多次测量过程中是不变的，或者是按一定规律变化的。 （7）粗大误差：在系列测得值中有个别数值明显过大，超出在正常条件下随机误差应有的范围的误差。 （8）静态参数误差：测定静态参数所得的误差。 （9）动态参数误差：测定动态参数所得的误差。 （10）原理误差：在设计过程中，因拟定系统工作原理而作的近似假定，或采用近似理论，以及为使结构简单而采用近似的简化机构和电路等，都会使实际的作用效果与理论上出现差异，所造成的误差。 （11）制造误差：包括零件制造误差、电子元器件误差和零部件、产品的装配调整误差等。 （12）运行误差：指设备在工作过程中，由于各种原因产生的误差。 （13）传动误差：指输入轴单向回转时，输出轴转角的实际值相对于理论值的变动量。 （14）空程误差：输入轴由正向回转变为反向回转时，输出轴在转角上的滞后量。 2 齿轮传动的作用及其优缺点 作用：用来传递转矩和转速。
《机电一体化概论》期末模拟试题 一、单项选择题 1.“机电一体化”与英文单词（ C ）一致。 A. Mechanics B. Electronics C. Mechatronics D. Electric-Machine 2.下列哪个不是传感器的动特性（ D ） A.临界速度 B.临界频率 C.稳定时间 D.分辨率 3.感应同步器定尺绕组中感应的总电动势是滑尺上正弦绕组和余弦绕组所产生的感应电动势的( C ) A.代数和 B.代数差 C.矢量和 D.矢量差 4.光栅莫尔条纹宽度的计算公式是（B 表示莫尔条纹的宽度，W 表示栅距，θ表示两光栅线纹夹角） ( A ) A.W B θ = B. cos W B θ = C. sin W B θ= D. tan W B θ = 5.直流测速发电机输出的是与转速( C ) A.成正比的交流电压 B.成反比的交流电压 C.成正比的直流电压 D.成反比的直流电压 6.下列哪项不是齿轮传动的优点（ D ） A.传动效率高 B.传动比准确 C.结构紧凑 D.制造成本低 7.右图称( B ) A.直流伺服电动机调节特性 B.直流伺服电动机机械特性 C.直流伺服电动机动态特性 D.直流伺服电动机调速特性 8. 不变)属于（ C ）调速 A.恒功率 B.变功率 C.恒转矩 D. 变转矩 9.步进电机一般用于（ A ）控制系统中。 A.开环 B.闭环 C.半闭环 D.前馈 10.计算步进电动机步距角的公式为( A ) A. 360KmZ ? B. 180cos sm T Km ? C. 60f KmZ D. 360180Km ? ?- 11.步进电动机三相六拍通电方式为（ B ） A.A-B-C-A B.A-AB-B-BC-C-CA-A C.AB-BC-CA-AB D.AC-CB-BA-AC 12.对于交流感应电动机，其转差率s 的范围为（ B ） A.1 教案 2010～2011学年第一学期 主讲教师梁杰 课程名称机电一体化技术 课程类别专业必修课 学时及学分48学时3学分 授课班级机械07 机电方向 使用教材姜培刚《机电一体化系统设计》2003年9月第一版 系(院、部) 工程机械系教研室(实验室) 机械电子技术 课时授课计划 课次序号： 1 一、课题：1 绪论 1.1 概述 1.2 机电一体化的发展概况 1.3 机电一体化应用举例 1.4 机电一体化系统的构成 二、课型：课堂讲授 三、目的要求：通过该次课的学习，使学生了解机电一体化的定义、研究内容、产生与发展历程；了解机电一体化技术在日常生活、机械制造、汽车、工程机械等行业的应用情况；熟悉机电一体化系统的基本组成及每一部分的功能；了解本课程的学习内容与学习方法。 四、重点、难点：本次课的重点是机电一体化的应用、系统的基本组成及每一部分的功能。 五、教学方法及手段：采用多媒体教学结合板书。本次课的内容相对容易理解。在讲授的过程中，通过尽量多的应用实例使学生认识到机电一体化技术目前的普及程度及掌握该技术的重要性；提高学生学习本课程的兴趣，并加深对所讲授内容的理解。 六、参考资料： 1、张建民等编著《机电一体化系统设计》，高等教育出版社。 2、梁景凯、盖玉先主编《机电一体化技术与系统》，机械工业出版社，2006年11月第二版。 七、作业：1-1 八、授课记录： 九、授课效果分析： 通过大量的应用实例，活跃了课堂气氛，调动了学生的听课积极性，收到了较好的教学效果。 十、教学进程（教学内容、教学环节及时间分配等） 1、复习 2、导入课题：通过具体实例来说明现代工程机械等产品机电一体化技术的普及程度，掌握机电一体化技术的重要性。 3、教学内容： 课程说明，本课程讲授的主要内容及学习方法； 1.1 概述 机电一体化的定义、起源、研究内容，应用机电一体化技术的意义。 1.2 机电一体化的发展概况 1、20世纪60年代前为第一阶段，“萌芽阶段” 2、70年代到80年代为第二阶段，“蓬勃发展阶段” 3、90年代后期开始为第三阶段，“智能化阶段” 1.3 机电一体化应用举例 家电、机械制造、机器人、汽车、工程机械 1.4 机电一体化系统的构成 1、机械本体 2、动力源 3、检测传感装置 4、控制与信息处理单元 5、执行机构 6、驱动单元 7、接口 4、课堂总结：进一步强调本课程的重要性；本课程涉及到的内容较多，特别是涉及到电子或计算机硬件部分较多，需要在时间上多投入和多查阅一些参考书；机电一体化、智能化是今后的发展趋势；机电一体化系统由七大部分组成。 5、布置作业： 1-1、机电一体化系统的基本功能要素有哪些？功能各是什么？ 第一章 1、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，并将机械装置与微电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。可以说，机电一体化是机械技术、微电子技术及信息技术相互交叉、融合（有机结合）的产物。 2、机电一体化系统的五大要素及其相应的五大功能 3、机电一体化的目的是提高系统（产品）的附加价值，所以附加价值就成了机电一体化系统（产品）的综合评价指标。 4、机电一体化系统的设计类型:（1）开发性设计它是没有参照产品的设计，仅仅根据抽象的设计原理和要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品（系统）。（2）适应性设计它是在总的设计方案、原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品在性能和质量上增加某些附加价值。（3）变异性设计它是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有所变更的需求。 5、机电一体化系统的设计准则主要考虑人、机、材料、成本等因素，而产品的可靠性、适用性与完善性设计最终可归结于在保证目的功能要求与适当寿命的前提下不断降低成本。 6、并行工程与串行工程的差异就在于在产品的设计阶段就要按并行、交互、协调的工作模式进行系统（产品）设计，就是说，在设计过程中对系统（产品）生命周期内的各个阶段的要求要尽可能地同时进行交互式的协调。 7、简述计算机辅助设计与并行工程、虚拟设计、快速响应设计、绿色设计、反求设计等的含义。答：1、计算机辅助设计是设计机电一体化产品的有力工具，用来设计一般机械产品的CAD的研究成果。2、并行工程是把产品的设计、制造及其相关过程作为一个有机整体进行综合协调的一种工作模式。3、虚拟设计是虚拟环境中的产品模型，是现实世界中的产品在虚拟环境中的映像，是基于虚拟现实技术的新一代计算机辅助设计。4、快速响应设计是实现快速响应工程的重要环节，快速响应工程是企业面对瞬息万变的市场环境，不断迅速开发适应市场的新系统，快速响应设计的关键是有效开发和利用各种系统信息资源。5、绿色设计是从并行工程思想发展而出现的一个新概念。绿色设计就是在新系统的开发阶段，就考虑其整个生命周期内对环境的影响，从而减少对环境的污染、资源的浪费、使用安全和人类健康等所产生的副作用。6、反求设计是以现代设计理论、方法和技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有的系统进行剖析、重构、再创造的设计。 7、网络合作设计是现代设计最前沿的一种方法。其核心是利用网络工具来汇集设计知识、资源以及知识获取的方法进行设计。 第二章 1、机械传动部件通常有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动、各种非线性传动 第1章绪论 1.1 机电一体化技术的产生与发展 机电一体化技术的产生： 机械化技术的发展：工业革命开始…… 控制技术发展：20世纪30年代，开始快速发展，以军工技术为载体…… 信息处理技术的发展：20世纪60年代，开始快速发展，以大规模集成电路为载体… 机电一体化技术的产生：自从控制技术快速发展，就…… 20世纪70年代，60年代提出，70开始快速发展 机电一体化技术的发展： 自动化技术发展的必然产物：各个学科综合结果，尤其自动化技术+计算机技术。 （日本：机械制造领域：为提高生产效率，自动化生产、生产过程信息化控制； 美国：主动将自动化技术（正像乔布什说的“人们并不清楚自己需要什么，需要你来告诉他们”）、信息化技术推广到工程技术的各个领域； 英国学者：各个领域发展过程中的自然渗透，涉及大量学科。 中国：国家9.5开始大力支持；各个高校对机电一体化的理解） 1.2 机电一体化的相关技术 图1控制系统的基本组成 图2 机电一体化技术体系 传感器技术、自动控制技术、精密机械技术、伺服传动技术、系统总成技术 1.2.1 传感器技 传感器：能检测各种物理量，将测得的各种参量转换为电信号，并输送到信息处理部分的功能器件。 完成对各种信息的检测、收集，这些信息包括： 位移、位置、速度、加速度、力； 压力、流量、温度； 电压、电流 因此传感器首先需要有敏感元件部分。 输出量通常为 模拟电流、电压、数字量，因此传感器通常配有专用的信号处理电路。 1.2.2 信息处理技术 完成对信息的输入、输出、计算、分析、存储。通常为专用控制装置，以及计算机、单片机、A/D、D/A 完成上位机的信息交换功能。 1.2.3 自动控制技术 各种控制单元，以自动化过程为控制目的的各种逻辑控制；以某些参数值为控制目的的各种参数控制；以某些综合指标为控制目标的最优化控制。等等。 高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、示教再现、检索等技术。 各种控制理论、特殊控制策略、专用算法 1.2.4 伺服传动技术 电机拖动技术 液压传动及伺服控制技术 气压传动技术 1.2.5 精密机械技术 为更好地与控制技术结合，精密机械技术较一般的同类机械精度要求更高，要有更好的可靠性及维护性，同时要有更新颖的结构。 第一章作业解答 1、机电一体化系统包括那些关键技术？机电一体化系统发展趋势是什么? 答：机电一体化系统包括的关键技术有：机械技术，检测与传感技术，计算机与信息处理技术，自动控制技术，伺服驱动技术，系统总体技术。 机电一体化系统发展趋势是：1）智能化。模拟人类智慧，具有推理、逻辑思维、自主决策的能力。2）网络化。利用网络将各种独立的机电一体化系统联系起来。3）微型化。4）系统化、复合集成化。 2、试列举10种常见的机电一体化产品，并对其中一种分析其所构成的5大要素。 常见的机电一体化产品有：数控机床，机器人，全自动洗衣机，傻瓜照相机，自动物料搬运机，自动取款机，自动售货机，智能水表，电子调速器，智能冰箱等。（一般的洗衣机、冰箱、电风扇、电子秤、电脑、空调不是机电一体化产品，因为它们不包含机电一体化系统所包括的6项关键技术及5个构成要素。） 第二章作业解答 1、机电一体化系统对机械部分的要什么？ 答：机电一体化机械系统除了应具备普通机械系统的要求外,还有如下要求：1）高精度；2）快速响应性，即，机械系统从接到指令到执行指令任务的时间应短；3）稳定性要好。 2、齿轮传动为何要消除齿侧间隙？ 答：机电一体化系统对机械部分的要必须具备高精度，以满足自动控制的需要。消除齿轮的齿侧间隙就是为了保证双向传动精度。 3、滚珠丝杠副轴向间隙对传动有何影响？采用什么办法消除它？ 答：滚珠丝杠副轴向间隙影响反向传动精度。消除滚珠丝杠副轴向间隙通常采用的方法有：1）采用双螺母结构调整两螺母轴向相对位置实现预紧消除间隙。具体措施有：垫片调隙，螺纹预紧调隙，齿差预紧调隙等方式。2）采用单螺母结构用增大钢球直径的方式实现预紧以消除间隙。 机器人学的进步与应用是二十世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义的自动化，尤其在当今的工业制造中，机器人学已取得了最伟大的成功[1]。进入二十一世纪，人们已经愈来愈亲身地感受到机器人深入生产、生活和社会的坚实步伐。一方面随着各个国家老龄化越来越严重，更多的老人需要照顾，社会保障和服务的需求也更加紧迫，老龄化的家庭结构必然使更多的年青家庭压力增大，而且生活节奏的加快和工作的压力，也使得年轻人没有更多时间陪伴自己的孩子，随之酝酿而生的将是广大的家庭服务机器人市场。另一方面服务机器人将更加广泛地代替人从事各种生产作业, 使人类从繁重的、重复单调的、有害健康和危险的生产作业中解放出来 服务机器人是机器人家族中的一个年轻成员，到目前为止尚没有一个严格的定义，不同国家对服务机器人的认识不同。国际机器人联合会经过几年的搜集整理，给了服务机器人一个初步的定义：服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有益于人类健康的服务工作[3]，即除了手术机器人、诊断机器人、护理机器人、康复机器人等医用机器人外，也包括各种家用机器人、娱乐机器人、体育机器人、玩具机器人、导游机器人、保安机器人、排险机器人、清洁机器人、秘书机器人、建筑机器人、邮拾和送信机器人以及加油机器人等。随着开发研究的进一步开展和价格的大幅度下降，服务机器人将广泛进入医院、家庭、工地、办公室和体育娱乐场馆，直接与人类共处，为人类排忧解难 中国机器人专家、工程院院士徐扬生教授说：“只要10年时间，机器人将在世界范围内，普及到每个人的日常生活之中。这将是一个巨大的市场，预计将比现在的汽车市场还要大。”②韩国科学家预测：到2015年至2020年，每个韩国家庭将拥有一个机器人。③日本专家估计：到2020年日本将有25%的人口年龄超过65岁，护理型机器人将供不应求。④德国科学家预计：将在未来的几十年间，家庭生活中将出现的最大变化就是机器人的普及，家庭服务机器人将在日常家庭生活中扮演越来越重要的角色，承担越来越多的工作从二十世纪八十年代中期开始，机器人已从工厂的结构化环境进入人的日常生活环境—医院、办公室、家庭和其它杂乱及不可控环境，成为不仅能自主完成工作，而且能与人共同协作完成任务或在人的指导下完成任务的智能服务机器人，特别是最近几年，对会清洁地面、割草或充当导游、保姆和警卫等自主移动机器人技术上的进步，大家都有目共睹日本将机器人作为一个战略产业，给予了大力支持，而且日本根据目前机器人产业面临的问题，提出了加强机器人研究和推动机器人产业化的具体措施，日本机器人工业之所以领先世界，一方面和他们的机器人文化也有关，在日本，有一种“让机器人成为人”的氛围，在日本，由于人口不多，而且老龄化趋势严重，他们需要机器人来承担劳力的工作，因此培养起浓厚的机器人文化；另一方面，日本政府也希望机器人研发成为本国的支柱产业，所以投入大量资金，为了攻克更关键的服务机器人技术，日本在2006 年至2010 年间，每年投入1000 万美元用于研发服务机器人。 韩国将服务机器人技术列为未来国家发展的10大“发动机”产业，他们已经把服务型机器人作为国家的一个新的经济增长点进行着重发展，对机器人技术给予了重点扶持，通过不断地努力，韩国近几年来也逐渐跻身研究机器人的世界潮流。韩国信息通信部官员表示，虽然韩国的机器人技术起步比美国、日本和欧洲的竞争者要晚，但是有望在未来5～10年内迎头赶上 美国是机器人的发源地，尽管美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究，忽视应用开发研究的曲折道路，但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位，其技术全面、先进，适应性也很强。例如：专治中风的机器人医生将在密歇根州圣约瑟夫默西奥克兰医院率先上岗，这种机器人头部是一个显示屏，能显示网络另一端医生的形象和声音，显示屏上方安装了一个摄像头，可以把医院现场的图像和声音传回给医生，有了这种机器人，医生在 专科毕业论文 题目：机电一体化技术在我国的发展应用 学生姓名 学号 20130429 指导教师张进年 院系西北大学继续教育学院 专业机电一体化 年级 诚信声明 本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或在网上发表的论文。 特此声明。 论文作者签名：杨健 日期：2015年10月12 日 目录 摘要.............................................................................................I 目录.............................................................................................II 1 绪论 (1) 1.1 现实背景和理论背景 (1) 1.1.1现实背景 (1) 1.2 研究的目的和意义 (1) 2 机电一体化概述 (2) 2.1 机电一体化的基本概念 (2) 2.2机电一体化产品的优越性 (3) 2.3机电一体化产品的分类 (4) 3 机电一体化技术在我国的应用与发展 (5) 3.1国内外机电一体化技术发展状况： (5) 3.1.1国外机电一体化发展现状 (5) 3.1.2国内机电一体化发展现状 (7) 3.2机电一体化技术在我国的应用 (8) 3.2.1在现代机械制造业中的应用 (8) 3.2.2在饮料行业中的应用 (9) 3.2.3在钢铁企业中的应用 (9) 3.2.4在煤矿中的应用 (10) 3.3我国机电一体化技术发展存在的一些问题及解决对策 (12) 3.3.1缺乏核心技术是我国机电一体化产品出口的软肋 (12) 3.3.2技术壁垒是我国机电一体化产品出口的新拦路虎 (13) 3.4 机电一体化技术的发展趋势 (15) 总结 (18) 参考文献 (19) 致谢 (20) 第一部分复习要求 课程的有关内容主要按“了解、掌握和熟练掌握”三个层次要求，具体要求如下：第一章绪论 第一节机电一体化的产生和发展 1．掌握机电一体化的基本概念和涵义 2．掌握机电一体化的发展趋势 第二节机电一体化的相关技术 1．掌握机电一体化的相关技术及其内容 第三节典型机电一体化系统 1．掌握机电一体化系统的基本功能要素 2．掌握有关控制系统的分类及其概念 3．了解机电一体化产品和系统的分类 第四节机电一体化系统设计简介 1．掌握拟定机电一体化系统设计方案的常用方法及其适用场合 2．掌握机电一体化系统（产品）设计的类型 3．掌握机电一体化系统设计的概念、基本原则 4．掌握系统设计的过程，现代设计方法的步骤 5．了解机电一体化系统（产品）开发的工程路线 第二章机械传动与支承技术 第一节机械传动系统数学模型的建立 1．掌握数控机床进给传动系统建模的步骤、方法 第二节机械结构因素对伺服系统性能的影响 1．掌握阻尼、摩擦、结构弹性变形、惯量及间隙对伺服系统性能的影响 第三节机械传动 1．掌握机电一体化系统对机械传动的要求 2．掌握总传动比的确定 3．掌握传动链的级数和各级传动比的分配原则和方法 4．掌握各种机械传动装置的特点 第四节支承部件 1．掌握机电一体化系统对支承部件的要求 2．了解机电一体化系统中常见的轴承及其特点 3．掌握常用导轨及其特点 4．掌握机身的特点及结构设计主要考虑的因素 第三章伺服传动技术 第一节概述 1．掌握伺服系统的结构组成及分类 2．了解伺服电动机应符合的基本要求、各种伺服电动机的特点及应用场合 3．了解功率放大器的种类 第二节直流伺服系统 1．了解直流伺服系统的各组成环节及其工作原理 2．掌握PWM功率放大器的基本原理 第三节交流伺服系统 1．掌握交流伺服系统的分类及应用场合 第四节步进电动机控制系统 机电一体化（第二版）课后答案 第一章 1-1.试说明较为人们所接受的机电一体化的含义。 答：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系统的总称。 1-7.机电一体化系统由哪些基本要素组成？分别实现哪些功能？ 答：①.机电一体化系统由计算机、动力源、传感件、机构、执行元件系统五大要素组成。 ②.对应的五大功能为：控制、动力、计测、构造、操作功能。 1-17.开发性设计、变异性设计、适应性设计有何异同？ 答：1、开发性设计是没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品。 2、变异性设计是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有所变更的需求。 3、适应性设计是在总的设计方案、原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品在性能和质量上增加某些附加价值。 所有机电一体化系统的设计都是为了获得用来构成事物的有用信息。 1-20.简述计算机辅助设计与并行工程、虚拟设计、快速响应设计、绿色设计、反求设计等的含义。 答：1、计算机辅助设计是设计机电一体化产品的有力工具，用来设计一般机械产品的CAD 的研究成果。 2、并行工程是把产品的设计、制造及其相关过程作为一个有机整体进行综合协调的一种工作模式。 3、虚拟设计是虚拟环境中的产品模型，是现实世界中的产品在虚拟环境中的映像，是基于虚拟现实技术的新一代计算机辅助设计。 4、快速响应设计是实现快速响应工程的重要环节，快速响应工程是企业面对瞬息万变的市场环境，不断迅速开发适应市场的新系统，快速响应设计的关键是有效开发和利用各种系统信息资源。 5、绿色设计是从并行工程思想发展而出现的一个新概念。绿色设计就是在新系统的开发阶段，就考虑其整个生命周期对环境的影响，从而减少对环境的污染、资源的浪费、使用安全和人类健康等所产生的副作用。 反求设计是以现代设计理论、方法和技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、 《机电一体化导论》期中测试题 姓名班级学号分数 一、填空题（每空1分，共20分） 1、机电一体化系统的关键技术有机械设计技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、传感与检测技术、执行与驱动技术和机电一体化总体设计技术。 2、机电系统的支撑部件包括导向支撑部件轴系支撑部件旋转支撑部件和机座机架。 3、传感器是由敏感元件转换元件基本转换电路三部分组成。 4、机电一体化系统中常见的接口有输入/输出芯片、RS-232串行口和RS-485串行口等。 5、机械设计是机械生产的第一道工序。 6、交流伺服电动机的控制方式有幅值控制、相位控制幅相控制双相控制 7、计算机网络按覆盖范围划分为局域网、城域网和广域网。 8、机电一体化系统设计的方法有机电互补法机电结合法和组合法。 二、名词解释（每题4分，共20分） 1、机电一体化 机电一体化：从系统的观点出发，将机械技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，实现整个机械系统最优化而建立起来的一门新技术。 2、闭环系统 闭环系统：当一个系统以所需要的方框图表示而存在反馈回路时，称为闭环系统。 3、工业机器人 工业机器人：是一种自动控制，可重复编程，多功能、多自由度的操作机，是搬运物料、工件或操作工具及完成其他各种作业的机电一体化设备。 4、伺服系统 伺服系统：是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度或力输出的自动控制系统及驱动系统，也叫随动系统。 5、接口 接口：为确保机电一体化系统各要素与系统之间能够顺利地进行信息、物质能量的传输和转换，必须在它们之间建立一定的联系条件，这些联系条件称为接口。 三、判断题（每题2分，共20分） 1、‘机电一体化’的英文单词是Mechanics。（） 2、真空吸附手是工业机器人的一种末端执行器。(√ ) 名词解释 1.三相六拍通电方式：如果步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相通电状态，这种通电方式称为单双相轮流通电方式。如A→AB→B→BC→C →CA→… 2.伺服电动机：伺服电动机是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位 置、速度及动力输出电动机，以电子换向取代了传统的直流电动机的电刷换向的电动机3.伺服控制技术：一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度及 动力输出的自动控制系统。 4.变频调速：采用改变电机通电频率的方式来改变电机的转速的调速方式 5.响应特性：指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了系统的工作效率。 6.中断：为了提高CPU的效率和使系统具有良好的实时性，采用中断方式CPU就不必花 费大量时间去查询各外围设备的状态了。而是当外围设备需要请求服务时，向CPU发出中断请求，CPU响应外围设备中断，停止执行当前程序，转去执行一个外围设备服务的程序，中断处理完毕，CPU又返回来执行原来的程序。 7.动态误差:动态误差在被测量随时间变化过程中进行测量时所产生的附加误差称为动态 误差。 1.机电一体化技术是以（电子）技术为核心，强调各种技术的协同和集成的综合 性技术。 2.以下除了（继电器控制系统），均是由硬件和软件组成。 3.机电一体化技术是以（机械）部分为主体，强调各种技术的协同和集成的综合 性技术。 4.在机电一体化系统中，机械传动要满足伺服控制的基本要求足( 精度、稳定性、 快速响应性)。 5.在机械传动系统中，用于加速惯性负载的驱动力矩为( 电机力矩与折算负载力矩 之差)。 6.在下列电机中，( 交流同步伺服电机)既可通过闭环实现速度或位置控制，又可 作步进方式运行，且电机转速不受负载影响，稳定性高。 7.在开环控制系统中,常用（步进电动机）做驱动元件。 8.导程L0=8mm的丝杠驱动总质量为60kg的工作台与工件，则工作台与工件折算到 丝杠上的等效转动惯量为（97 ）kg?mm2。 9.导程L0=8mm的丝杠的总质量为6kg，标称直径为40mm，则其转动惯量为 （1200 ）kg·mm2。 10.机械系统的刚度对系统的动态特性主要影响表现为( 固有频率、失动量、稳定性) 等方面。 11.为提高机电一体化机械传动系统的固有频率，应设法( 增大系统刚度)。 12.传动系统的固有频率对传动精度有影响，(提高) 固有频率可减小系统地传动误 差，( 提高)系统刚度可提高固有频率。 13.多级齿轮传动中，各级传动比相等的分配原则适用于按( 重量最轻原则(小功率装 置) )设计的传动链。 14.多级齿轮传动中，各级传动比“前大后小”的分配原则适用于按( 重量最轻原则(大 功率装置) )设计的传动链。 15.闭环控制的驱动装置中，齿轮减速器位于前向通道，所以它的( 回程误差不影响 输出精度，但传动误差影响输出精度)。 16.闭环控制的驱动装置中，丝杠螺母机构位于闭环之外，所以它的( 回程误差和传 动误差都会影响输出精度)。 机电一体化概论 一、机电一体化的基本概念 机电一体化是在以机械、电子技术和计算机科学为主的多门学科相互渗透、相互结合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴边缘技术学科，而机电一体化产品是在机械产品的基础上，采用微电子技术和计算机技术生产出来的新一代产品。初级的机电一体化产品是指采用微电子技术代替和完善机械产品中的一部分，以提高产品的性能；而高级的机电一体化产品是利用机电一体化技术使机械产品实现自动化、数字化和智能化，使产品性能实现质的飞跃。因此，机电一体化是在机械产品中的机构主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术和计算机技术，并将机械装置和电子设备以及计算机软件等有机结合起来构成的系统总称。机电一体化技术同时也是工程领域不同种类技术的综合及集合，它是建立在机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术、自动控制技术、电力电子技术、伺服驱动技术以及系统总体技术基础之上的一种高新技术。近年来，随着微电子技术和计算机应用技术的快速发展，机电一体化技术领域在不断地扩大和完善。目前机电一体化的研究和开发主要包括计算机数控系统、机器人、计算机辅助设计／辅助制造系统、柔性制造系统和计算机集成制造系统等。机电一体化产品和系统的特点是产品和系统功能的实现是机构中所有部分功能共同作用的结果，这与传统机电设备中机械与电子系统相对独立，可以分别工作具有本质的区别。随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化产品有逐步取代传统机电产品的趋势，这完全取决于机电一体化技术所存在的优越性和潜在的应用性能。与传统的机电产品相比，机电一体化产品具有下述优越性。 （1）使用安全性和可靠性提高。机电一体化产品一般都具有自动监视、报警、自动诊断、自动保护等功能。在工作过程中，遇到过载、过压、过流、短路等电力故障时，能自动采取保护措施，避免和减少人身和设备事故，显著提高设备的使用安全性。机电一体化产品由于采用电子元器件，减少了机械产品中的可动构件和磨损部件，从而使其具有较高的灵敏度和可靠性，产品的故障率低，寿命得到了提高。 （2）生产能力和工作质量提高。机电一体化产品大都具有信息自动处理和自动控制功能，其控制和检测的灵敏度、精度以及范围都有很大程度的提高，通过自动控制系统可精确地保证机械的执行机构按照设计的要求完成预定的动作，使之不受机械操作者主观因素的影响，从而实现最佳操作，保证最佳的工作质量和产品的合格率。同时，由于机电一体化产品实现了工作的自动化，使得生产能力大大提高。例如，数控机床对工件的加工稳定性大大提高，生产效率比普通机床提高5 ～6 倍，柔性制造系统的生产设备利用率可提高1 ．5 ～3．5 倍，机床数量可减少约50 ％，节省操作人员数量约50 ％，缩短生产周期40 ％，使加工成本降低50 ％左右。 （3）使用性能改善。机电一体化产品普遍采用程序控制和数字显示，操作按钮和手柄数量显著减少，使得操作大大简化并且方便、简单。机电一体化产品的工作过程根据预设的程序逐步由电子控制系统指挥实现，系统可重复实现全部动作。高级的机电一体化产品可通过被控对象的数学模型以及外界参数的变化随机自寻最佳工作程序，实现自动最优化操作。 （4）具有复合功能并且适用面广。机电一体化产品跳出了机电产品的单技术和单功能限制，具有复合技术和复合功能，使产品的功能水平和自动化程度大大提高。机电一体化产品一般具有自动化控制、自动补偿、自动校验、自动调节、自动保护和智能化等多种功能，能应用于不同的场合和不同领域，满足用户需求的应变能力较强。例如，电子式空气断路器具有保护特性可调、选择性脱扣、正常通过电流与脱扣时电流的测量、显示和故障自动诊断等功能，使其应用范围大为扩大。 （5）调整和维护方便。机电一体化产品在安装调试时，可通过改变控制程序来实现工作方式的改变，以适应不同用户对象的需要以及现场参数变化的需要。这些控制程序可通过多种手段输入到机电一体化产品的控制系统中，而不需要改变产品中的任何部件或零件。对于具有存储功能的机电一体化产品，可以事先存入若干套不同的执行程序，然后根据不同的工作对象，只需给定一个代码信号输入，即可按指定的预定程序进行自动工作。机电一体化产品的自动化检验和自动监视功能可对工作过程中出现的故障自动采取措施，使工作恢复正常。 机电一体化技术和产品的应用范围非常广泛，涉及到工业生产过程的所有领域，因此，机电一体化 《机电一体化概论》复习题一、名词解释： 1．机电一体化 2．阈值电压 3.输入阻抗/输出阻抗 3．传感器 4．工控机 5．系统软件/应用软件 6．柔性加工 7．机器人 8．模糊推理 9、失真 10、接口 11、单片机的扩展系统 12、变频器 13、“Sick Building Sydrome” 14、计算机智能化 15、硬件和软件 二、填空题： 1．机电一体化技术是同时运用、、、和等多种技术的一种复合技术。 2．一般来说，机电一体化的系统是由以下四部分构成的：（1）；（2）；（3）；（4）。3．计算机控制部分的作用是处理，并作出相应的、和。 4．检测及传感器部分的作用是。 5．工控机可对机电一体化系统进行的控制，也可进行的控制，可实现、和。 6．机电一体化的产品是集、、、、等技术为一体的综合体。 7．一般自动控制系统和机电一体化系统的区别仅在于后者使用了。 8．根据不同的动力源，执行机构有、和三类。9．初期的自动扶梯，控制中心曾采用_______________，与之相配合使用的是_______________、_______________等。 10．一般来说，机电一体化的产品或设备都具有自动、自动、自动、自动、自动和智能等多种功能。 11．实现人—机交互功能的硬件设备是和，软件是计算机的。 12．机械本体的发展趋势是，，等。13．消防水泵由_______________和______________启动。 14．传感器发展的趋势是和。 15．传感器是由、、及组成。16．随着控制技术的发展，传感器的和也越来越高。17．衡量传感器静态特性的指标主要有、、 和。 18．机电一体化系统(或设备)对机械本体的要求是、、、和。 19．为了减少噪声，自动扶梯中的减速器采用_______________或 《机电一体化技术基础》课程标准 一、课程概述 1、课程性质 本课程是高等职业教育机电一体化专业《机电一体化技术》模块中的核心课程之一。通过本课程的学习，使学生了解本专业所需的专业知识、机电一体化的本质及发展方向，通过介绍各种机电一体化仪器、设备的组成及其工作原理，让学生了解机电一体化仪器、设备在企业中的应用。为学生今后进一步学习机电一体化专业的其他课程铺好路。 2、课程基本理念 根据本课程在专业教学中的作用，围绕本专业的培养目标，“以就业为导向，以能力为本位”的教学理念为指导，注重与实践相联系，以实用为主、够用为度展开设计。 3、课程设计思路 课程结构与内容根据高职教育特点，面向机电类企业，围绕常用的机电设备的结构原理及应用展开，可操作性强。课程主要内容包括：机电一体化技术的发展，系统的组成及其原理，机械和电子技术基础知识，自动控制理论简介，数控机床，工业机器人，自动生产线等。课程教学把提高学生的职业能力放在突出的位置，与实践密切相联，注重新知识、新技术的介绍，为学生今后的专业学习和发展服务。 二、课程目标 1、总目标 使学生对所学习的专业有个总体了解和掌握，明确机电一体化专业的概念和内容，为学生后续的学习和将来的工作打好基础。 2、具体目标 1）通过介绍和观察体会，懂得“机电一体化”的内涵，它是“机”与“电”的有机融合，不同于传统的“机”和“电”。 2）掌握“机电一体化”系统的组成及其工作原理。 3）了解“机电一体化”技术中包含的机械、自动控制、电机等技术基础知识。4）了解机电一体化系统的控制方式及其应用特点。 5）了解“机电一体化”技术人员的主要任务及所应具备的基本技能。 三、课程内容与要求 第一章导论 教学目标：掌握机电一体化的概念、技术体系的组成及其发展前景。 1 序言及概论 序言 一、对机电一体化技术的初步了解 什么是机电一体化技术呢？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的技术。 那么哪些是机电一体化产品呢？日本学者高森年在他的著作中说：“当今世上只要是使人感到比较灵活、灵巧便利的机械都是基于机电一体化技术制造的，这样的说法毫不过分。” 因此可在自己感兴趣的领域想象。实际上，机电一体化在家用电器、各种车辆、工厂设备、航天航空等各种领域、场所都得到了广泛的应用。 如家用照相机、全自动洗衣机、无人驾驶的汽车、全自动的玩具小车、工厂化流水线作业设备、航天器、火星探测器及机器人等。 综上所述，机电一体化产品是机械装置和电子装置的有机结合而形成的。 机电一体化技术是机械技术和电子技术等互相结合的各种技术的统称。 二、机电一体化产品的优越性 列举出一系列实例后，这些机械都是机电一体化产品，由此可见机电一体化产品在各行各业都得到了非常广泛的应用。随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化产品有逐步取代传统机电产品的趋势，这完全取决于机电一体化技术所存在的优越性和潜在的应用性能。这些机电一体化产品，它们有哪些优越性呢？它比一般机械产品及传统机电产品突出的优越性具体体现在： （1）精度提高 机电一体化产品大都具有信息自动处理和自动控制功能，其控制和检测的灵敏度、精度以及范围都有很大程度的提高，通过自动控制系统可精确地保证机械的执行机构按照设计的要求完成预定的动作，使之不受机械操作者主观因素的影响，从而实现最佳操作，保证最佳的工作质量。数控机床的加工精度比一般手工操作的机床的加工精度大大提高。 （2）功能增强 机电一体化产品跳出了机电产品的单技术和单功能限制，具有复合技术和复合功能，使产品的功能水平和自动化程度大大提高。机电一体化产品一般具有自动化控制、自动补偿、自动校验、自动调节、自动保护和智能化等多种功能，能应用于不同的场合和不同领域，满足用户需求的应变能力较强。例如电子式空气断路器具有保护特性可调、选择性脱扣、正常通过电流与脱扣时电流的测量、显示和故障自动诊断等功能，使得其应用范围大为扩大。 全自动洗衣机比一般的洗衣机增加了根据衣物自动检测水量的电子装置，非常方便；许多自动化设备都比一般的机械产品增加了许多功能。 （3）改善操作性和使用性 机电一体化产品普遍采用程序控制和数字显示，操作按钮和手柄数量显著减少，使得操作大大简化并且方便、简单。机电一体化产品的工作过程根据预设的程序逐步由电子控制系统指挥实现，系统可重复实现全部动作。高级的机电一体化产品可通过被控对象的数学模型以及外界参数的变化随机自寻最佳工作程序，实现自动最优化操作。 （4）提高生产率和降低成本 由于机电一体化产品实现了工作的自动化，使生产能力得以大大提高。例如数控机床对工件的加工稳定性大大提高，生产效率比普通机床提高5-6 倍；柔性制造系统的生产设备利用率可提高1.5-3.5 倍，机床数量可减少约50%，节省操作人员数量约50%，缩短生产周期40%，使加工成本降低50%左右。 （5）减轻劳动强度和改善劳动条件《机电一体化技术》课程教案(第一章)
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