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机电一体化系统设计(机械本科专业2008级用)主讲人：熊永超教授第一章绪论第一节机电一体化的基本概念一、知识经济与机电一体化的关系21世纪将是人类从农业经济、工业经济走向知识经济的时代。土地、矿产和能源等自然资源是有限的。以现代科学技术为核心、建立在知识和信息的基础上的知识经济，是通过知识和智力创新来解决资源问题。知识经济在知识化的工业社会中发展起来，促进工业经济和物质生产的高科技化，改变对产品开发、生产和消费的观念，加速产品设计、制造过程和销售系统的信息化、智能化、全球化。知识经济促使国民经济的支柱产业--制造业的生产要素重新排序为知识、资本、劳动，并使制造业推动一系列行业和产业，包括高技术产业和知识经济本身的发展。制造业的基本组成实体是制造系统。从功能看，制造系统是一个输入制造资源，通过制造过程输出产品的输人输出系统；从过程看，制造系统可看成是包括市场分析、产品开发和制造、经营销售、售后服务和产品报废的全过程。以最基本的制造系统--机械产品的历史发展阶段来看，传统机械阶段的机械动力部分由蒸汽机演变到电动机推动了生产力的发展，当然，那时候检测和控制还是靠人。而机电一体化阶段的机械动力部分由一般电动机演变为控制电动机，里程碑式地引入了电子和计算机等先进技术，代替人完成机器的检测与控制等工作。机电一体化体现了制造业的高科技化，促进了高科技产业和知识经济的发展。可以说机电一体化是知识经济在制造业中的最早体现和组成实体。二、机电一体化的基本含义机电一体化作为机械发展的新阶段，世界各国都有自己的认识：1．日本处于对机械发展新阶段的敏感，日本在1971年就提出一个新的英文集成名词“Mechatronics”我国通常译为机电一体化或机械电子学，实质上是机械工程与电子工程的综合集成，可称为机械电子工程学。机电一体化的定义在日本虽然是各种各样的，但对机电—体化系统和单机柔性自动化来说，日本机械振兴协会经济研究所在1981年提出的定义具有普遍性，即：“机电一体化这个词乃是在机械的主功能、动力功能、信息与控制功能上引进了电子技术，并将机械装置与电子设备以及软件等有机结合而成系统的总称”。这个定义体现了机电一体化系统的基本构成和特征，即将机械结构与运动、电子、信息获取与处理、控制及软件等技术学科交叉融合，组成功能完善的、柔性自动化乃至智能化的工程系统，为人类的生产和生活等各个领域的发展服务。日本对机电一体化的其他定义也对我们颇有启发。如：“凡是机械中可以用电子设备代替的装置统统用电子设备来代替”。这个定义更简单扼要地、突出地指明了机械发展的方向，是日本对机械发展新阶段的看法和概括。如果把其中的“电子设备”改为“更适用的物理量和先进技术”，其含义将更为深广。2．德国在1981年德国工程师协会、德国电气工程技术人员协会共同组成的精密工程技术专家组提出的“关于大学精密工程技术专业的建议书”中，把精密工程技术定义为光—机—电一体化的综合技术，并用图1—1来说明其含义。它包括机械(含液压、气动及微机械)、电工与电子、光学等技术及其组合(电工与电子机械、光电子技术与光学机械)，其核心为精密工程技术。该建议书希望在培养精密工程技术工程师期间，强化训练跨学科的思维能力，虽然有可能使“单一化”各学科的训练有所削弱，但必须促进精密工程技术中各学科的相互渗透，培养复合型人才。这个建议包含了德国对机械发展新阶段的看法。在当前“信息爆炸”的形势下，相对于专门型人才来说，市场对复合型人才的需求更为迫切。3．中国我国认为机械发展新阶段是机电一体化阶段。机电一体化是机电一体化技术及其产品的统称，并把柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统(CIMS)等先进制造技术的生产线和制造过程也包括在内，发展了机电一体化的含义。机电—体化包括六大共性关键技术：精密机械技术、伺服驱动技术、传感检测技术、信息处理技术、自动控制技术和系统总体技术。对机电一体化产品的一种认识是“在机械产品的基础上应用微电子技术和计算机技术产生出来的新一代的机电产品”。这种认识的核心是“机电一体化产品必须是由计算机控制的伺服系统”。4．美国1984年美国机械工程师协会(ASME)的一个专家组在给美国国家科学基金会的报告中，提出了“现代机械系统”的定义：“由计算机信息网络协调与控制的、用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机电部件相互联系的系统”。美国提出的这个定义，首先，划分了传统机械与现代机械的不同发展阶段，明确了当前机械发展的方向。其次，重新强调了传统意义(或狭义)上的机械的概念，即主要功能是在一定负载下作功、克服物质阻力、完成人力所难以完成的机械运动，从而消耗较大的能量并具有一定功率的装置，才称为机械。但是，由于机械经过自英国工业革命起数百年的发展过程，对人类的生存和发展产生了如此巨大的作用和广泛而深刻的影响，以致于各种装置出现，都冠以“xx机”的名称。例如，传统照相机利用光化学原理完成主功能，计算机以信息为对象完成数字运算和转换功能。虽然机械装置是他们不可或缺的组成部分，但他们的主要功能并不合乎传统意义上机械功能，于是出现了“广义机械”的提法，即照相机属于“光学机械”，而计算机及其外围设备属于“信息处理机械”等。在这些机械中，使用的机械技术往往是精密机械技术，它是值得重视和借鉴的。三、对现代机械的认识为了与以交流电动机驱动、齿轮传动的传统机械相区别，初期的创新突破是把电子技术引入传统机械，出现了机电—体化这个名词，其主要功能是“以机为主，机电结合”。随着技术的发展，越来越多的物理量和先进技术被引入机械。为了对机电一体化的名称不再引起误解(例如，以为机电一体化只指包括机械和电子，而排斥其他如光、液压、气动等技术和更广泛的超声、压电、热、磁以及其他不断涌现的新技术等)，应强调机械的发展需要把各种先进技术包括目前尚未了解的前沿新技术创造性地引入到机械工程领域中来。我们对目前发展阶段的现代机械(机电—体化)的认识是；“现代机械是传统机械技术与不断涌现的相关创新技术的集成”。目前的现代机械系统可概括为：1)由数字化信息网络(包括通信和远程传感检测监控等)协调和控制。2)以创新构思和创新技术方案处理包括所有适用的物理量和先进技术的物质流、能量流和信息流。3)以功能分析方法来开发创新产品。4)以现代设计方法和先进制造技术开发生产。5)快速响应市场个性化需求的最优化集成系统。第二节机电一体化系统与现代设计一、机电一体化系统的层次机电—体化系统是—个技术系统，按功能的复杂性分类，可分为几个层次：1)单机。如锤铣加工中心、数控绕线机。机器人、数控折弯机、三坐标测量机、自动小车等。2)由单机和运输等设备组成的加工、装配、储存等制造系统，如FMS、FMC等。3)由制造系统和规划管理系统组成的集成系统，如CIMS等。本教材重点讨论的是各层次的机电一体化系统最基本的单机机电一体化系统的设计。二、现代设计方法(一)现代设计的概念设计这个词有两种概念。广义的概念是指发展过程的安排，包括发展的方向、程序、细节和达到的目标。狭义的概念指的是将客观需求转化为满足该需求的技术系统的活动，各种产品包括机械产品的设计即属此类。人类要发展，就要进行设计。把创新构思或预定目标经过一系列的规划、分析和决策，产生相应的文字、数据、图形等信息，这就是初步设计。然后或通过实践转化为某项工程，或通过制造成为初步产品，再根据实践中发现的问题修改设计，再实践，再修改……。这一循环过程应贯彻于产品全寿命的始终。因此，产品设计过程从本质上讲是一个创新的过程，是将创新构思不断转化成为有市场竞争力的创新产品的过程。现代设计是过去长期的传统设计活动的延伸和发展，是随着设计实践经验的积累，由个别到一般、具体到抽象、感性到理性，逐步归纳、演绎、综合而发展起来的。由于科技进步的速度日益增快，特别是计算机技术的高速发展，人们在掌握事物的客观规律和人的思维规律的同时，运用相关的科学技术原理，进行过去难以想象的综合集成设计计算，使设计工作包括机械产品的设计过程产生了质的飞跃。从20世纪的中叶开始，设计领域中相继出现了一系列新兴理论与方法。为了区别于过去常用的传统设计理论与方法，把这些新兴理论与方法称为现代设计。目前，现代设计所指的新兴理论与方法如表1—1所示。(二)现代设计方法现代设计方法门类众多且不断出新。可按所研究解决的问题性质分为总体问题和个别性能问题两大类：1.研究总体设计的现代设计方法(1)设计方法学设计方法学分析设计过程阶段的特点和设计规律，寻求合理的设计程序，研究设计的逻辑步骤和工作原则及设计中思维方法和技术，研究各种类型的设计理论与方法在设计中的应用，研究设计信息库的建立和应用以及设计自动化。(2)价值工程设计价值工程从产品的功能研究开始，对产品进行设计或重新审查设计图样文件，剔除了那些与用户要求的功能无关的元素，如机械中的材料、结构、零部件，代以创新的构思，设计出至少功能相同而成本更低的产品。价值是产品最重要的指标。价值指的是事物的用途或积极作用。用户购买商品，最主要的是购买该商品的功能。设计中经常遇到的是使用功能和美学功能。产品成本是产品的各项生产费用的总和。降低成本要了解产品费用的组成，估算产品的制造费用，研究产品产量与成本、销售量与利润之间关系，进行盈亏分析。价值＝功能／成本。对功能定量赋值的方法很多，如对某些产品的主要技术性能从理想值到超差值分为11级，对应于10～０分、即为相对功能值，价值工程设计的基本步骤是：了解设计对象，明确要求的功能，分析成本的组成，进行价值初评，制定改进方案，获得价值最高的创新产品。(3)优势设计优势设计的概念是从“为竞争的优势而设计”的概念转化而来的，其确切的含义是“为产品创建竞争优势的设计思想、原理和技术”。“有效的设计也是有效的制造的先决条件，改善各公司中工程设计的实践，是提高工业优势和国家竞争力的基础。”这句话直截了当地把国家竞争力和工业优势以及工程设计三者联系了起来。“国家竞争优势”或“国家竞争力”主要是指各国工业产品在国际市场上的竞争力。工程设计是工业产品实现过程中的关键环节。一个产品的寿命周期费用的70％甚至更多是由设计决定的。有效的工程设计，如同—些外国公司已经证明了的那样，能够提高产品质量、降低成本、加速进人市场的时间，从而使产品更好地适应顾客的需求，取得市场竞争的优势。国家竞争优势主要由工业产品竞争优势决定。各公司的工业产品的竞争优势形成了国家竞争优势，而“为竞争优势而设计”是工业产品取得竞争优势的重要保证。竞争的优势还来自于“无与伦比的创新产品设计“和“出类拔萃的制造水平“，一个产品能否具有竞争优势，70％—80％取决于“设计”；而这里所说的“设计”不是—般的“常规设计”，而应该是“创新设计”和“优势设计”。有些科学技术是可以直接转化为生产力的，而大多数科学技术是不能直接转化的，必须要经过设计这个环节，以产品的形式进入市场并被顾客接受才能实现其价值。设计和科学技术不是一回事，其区别见表1—2。两者不仅出发点、目标和结果不同，而且所需要的知识基础也不尽相同。科学技术需要在已有知识和技术能力的基础上运用假设、分析和试验的方法来探索自然规律，而设计则是需要广泛得多的知识、不仅需要自然科学知识，还要工程科学知识、工程技术知识以及人机学、美学、社会学、心理学、经济学和生态学的知识。尽管设计和科学研究常常是相互渗透的，但是我们不能不强调，设计区别于科学研究的地方是更需要人们的创造力和想象力，并通过各种工艺手段实现人们的构思，最后做出能实现人们希望实现的功能的产品来。表1-2设计与科研的区别（4)绿色设计绿色设计是以环境资源保护为核心概念的设计过程，它要求在产品的整个寿命周期内把产品的基本属性和环境属性紧密结合。在进行设计决策时，除满足产品的物理目标外，还应满足环境目标，达到优化设计要求。绿色产品至今尚无严格的可供遵循的行业标准，但在市场层面上的绿色产品标准已经得到公认，即产品在使用过程中耗用少量能源和资源且不污染环境，产品在使用过程中不污染环境且能耗低及产品在使用后易于拆卸、回收和翻新或能够安全废置并长