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机电一体化技术基础讲课60学时，实验6学时共计66学时主讲：肖继学Email:xjxg_163_com@163.com1绪论•1.1机电一体化概念•1.2机电一体化的共性关键技术•1.3机电一体化的功能构成原理及其组成要素•1.4机电一体化系统设计、广义接口和控制软件的作用•1.5机电一体化产品的分类•1.6机电一体化的特点及发展趋势•1.7本课程的目的和要求1.1机电一体化概念•20世纪70年代以来，以大规模集成电路和微型电子计算机为代表的微电子技术迅速地应用于机械工业中，出现了种类繁多的计算机控制的机械和仪器。随着科学技术的发展，数控机床发展到加工中心，继而出现了具有柔性功能的自动化生产线、车间、工厂，为先进制造技术(AdvancedManufacturingTechnologyAMT)的建立和发展提供了硬件基础，大幅度地提高产品质量和劳动生产率，适应了市场对产品多样化的要求，使传统机械工业的面貌焕然一新，机电一体化(MechatronicsSystem)的出现，推动了机械工业和电子工业及信息技术（InformationTechnology,IT）的紧密结合，并发展为综合性的热门学科。•1.1.1机电一体化的基本含义•日本从1971年开始，就敏感地提出“Mechatronics”这个英语合成的名词。其中，词首Mecha表示Mechanics（机械学）；词尾tronics表示Electronics（电子学）。•日本机械振兴协会经济研究所于1981年提出具有通用性定义:•即“机电一体化是在机械主功能、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”.•它体现了机电一体化产品及其技术的基本内容和特征，所以具有指导性的定义。美国是机电一体化产品开发和应用得最早的国家。如世界上第一台数控机床（1952年）、工业机器人（1962年）都是美国研制成功的。数控机床焊接机器人•我国一般认为机电一体化是机电一体化技术及其产品的统称，还将柔性制造系统（FMS）和现代集成制造系统（CIMS）等自动化生产线和自动化制造工程包含在内，这是对机电一体化的准确定义。•有人认为机电一体化产品是“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”，这是机械电子化的概念。区分机电一体化或非机电一体化的产品，其核心是计算机控制的伺服系统，其它都是与此匹配的部分。蒸汽机和电动机的出现为机械产品提供了动力，而机电一体化技术为机械产品提供了智力。实践证明，现有机械产品的电子化，需要系统科学的观点和综合集成的技巧，使机械装置、电子技术和软件工程之间相互适应和匹配，发挥各自的优势，使系统尽可能地达到最优。这是我们应该研究的课题。•1.1.2机电一体化技术的主要特征•机电一体化技术的主要特征表现在以下几个方面：•1．整体结构最优化•在传统机械产品中，为了增加一种功能，或实现某一种控制规律，往往靠增加机械结构的办法来实现。例如，为了达到变速的目的，采取一系列齿轮组成的变速箱；为了控制机床的走刀轨迹而出现了各种形状的靠模；为了控制柴油发动机的喷油规律，出现了凸轮机构等等。随着电子技术的发展，人们逐渐发现，过去笨重的齿轮变速箱可以用轻便的电子调速装置来部分替代；精确的运动规律可以通过计算机的软件来调节。由此看来，在设计机电一体化系统时，可以从机械、电子、硬件、软件四个方面去实现同一种功能。一个优秀的设计师，可以在这个更加广阔的空间里充分发挥自己的聪明才智，设计出整体结构最优的系统。这里所说的“最优”不一定是什么尖端技术，而是指满足用户的要求的最优组合。它可以是以高效、节能、安全、可靠、精确、灵活、价廉等等许多指标中用户最关心的一个或几个指标为主进行综合衡量的结果。•机电一体化技术的实质是从系统的观点出发，应用机械技术和电子技术进行有机的组合、渗透和综合，以实现系统最优化。•2．系统控制智能化•这是机电一体化技术与传统的工业的自动化最主要的区别之一。电子技术的引入，显著地改变传统机械那种单纯靠操作人员，按照规定的工艺顺序或节拍，频繁、紧张、单调、重复的工作状况。可以依靠电子控制系统，按照一定的程序一步一步地协调各相关的动作及功能关系。有些高级的机电一体化系统，还可以通过被控制对象的数学模型，根据任何时刻外界各种参数的变化情况，随机自寻最佳工作程序，以实现最优化工作和最佳操作（即:专家系统ExpertSystemES）。大多数机电一体化系统都具有自动控制、自动检测、自动信息处理、自动修正、自动诊断、自动记录、自动显示等功能。在正常情况下，整个系统按照人的意图（通过给定指令）进行自动控制，一旦出现故障就自动采取应急措施，实现自动保护等功能。在某些情•况下单靠人的操纵是难以完成的，例如危险、有害、高速的工作条件，或有高精度要求时，应用机电一体化技术不但是有利的，而且是必要的。•3．操作性能柔性化•计算机软件技术的引入，能使机电一体化系统的各个传动机构的动作通过预先给定的程序，一步一步地由电子系统来协调。在生产对象更改只需改变传动机构的动作规律而无须改变其硬件机构，只要调整一系列指令组成的软件，就可以达到预期的目的。这种软件可以由软件工程人员根据要求动作的规律及操作事先编好，使用磁盘或数据通信方式，装入机电一体化系统里的存储器中，进而对系统的机构动作实施控制和协调。•随着技术的进步，现在在操作系统设计上大多采用操作冗余设计，正常工作时由计算机控制，在计算机出现故障时，由操作人员通过控制面板的控制按钮进行操作以完成该次工作，避免因计算机故障而报废被加工工件的情况出现，可以保护重要的加工零件。•目前远程操作也是研究的热点，具体技术包括无线传感；数据融合，远程控制等新技术，有学者认为是本世纪前半叶，机械学科的前沿领域。•1.1.3机电一体化技术与其它技术的区别机电一体化一词经常被人误解或与其他技术混淆，为了正确理解和恰当运用机电一体化技术，这里作简单说明。•1．机电一体化技术与传统机电技术的区别•传统机电技术的操作控制大都以基于电磁学原理的各种电器（如继电器、接触器等）来实现，在设计过程中不考虑或很少考虑彼此之间的内在联系。机械本体和电气驱动界限分明，整个装置是刚性的，不涉及软件。机电一体化技术以计算机为控制中心，在设计过程中强调机械部件和电子器件的相互作用和影响，整个装置包括软件在内，具有很好的灵活性。•2．机电一体化技术与并行工程的区别•机电一体化技术将机械、微电子、计算机、控制和电子技术在设计、制造、使用等各阶段有机结合在一起，十分注意机械和其他部件之间的相互作用。而并行工程是将上述各种技术尽量在各自范围内齐头并进，在不同技术的内部进行设计制造，最后完成整体装置。•3．机电一体化技术与自动控制技术的区别•自动控制技术的侧重点是讨论控制原理、控制规律、分析方法和自动控制系统的构造等。机电一体化技术是将自动控制原理及方法作为重要支撑技术，将自动控制部件作为重要控制部件。它应用自动控制原理和方法，对机电一体化装置进行系统分析和性能估测，但机电一体化技术往往强调的是机电一体化系统本身。•4．机电一体化技术与计算机应用技术的区别•机电一体化技术只是将计算机作为核心部件应用，目的在于提高和改善系统性能。机电一体化技术研究的是机电一体化系统，而不是计算机应用本身。计算机应用技术只是机电一体化技术的重要支撑技术。1.2机电一体化的共性关键技术•机电一体化系统（或产品）和人体相似。人体通过感官得到的各种信息，通过神经传送给大脑，经大脑思维处理，调节并指挥各部分动作。机电一体化系统则由各种检测传感元件或检测子系统，收集各种信息（如位置、速度、加速度、温度、力、力矩、环境等），然后传给信息处理中心（如CPU），经过处理和调整，由自动控制系统控制传动系统进行工作，各个小系统通过接口联结，形成完整的系统。整个系统按软件给定的范围进行调整，使各子系统协调动作，完成系统的工作。因此机电一体化系统所面临的共性关键技术是：•1．检测传感技术•传感与检测装置是系统的感受元件，它与信息系统的输入端相联，并将检测到的信号输送到信息处理中心。传感与检测是实现自动控制、主动调节的环节，它的功能越强，系统的自动化程度就越高。传感与检测的关键元件是传感器。传感器是将被测量（包括各种物理量、化学量和生物量等）变化成系统可以识别的，与被测量有确定对应关系的有用电信号的一种装置。机电一体化技术要求传感器能快速、精确地获得信息，并能应用于相应的应用环境中，且具有高的可靠性。•2．信息处理技术•信息处理技术包括信息的输入、变换、换算、存贮和输出技术。信息处理的硬件主要由计算机硬件、可编程序控制器和数控装置等构成硬件支撑平台。软件技术实现信息的数字处理。因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。在机电一体化系统中，计算机与信息处理中心实时控制整个系统工作的质量和效率，因此计算机应用及信息处理技术已成为促进机电一体化技术发展和变革的最活跃的因素。•3．自动控制技术•自动控制技术范围很广，主要包括：经典控制理论和现代控制理论。在此两类理论指导下对具体控制装置或控制系统进行设计、设计后对系统进行仿真、现场调试、使系统可靠地投入运行等。由于控制对象种类繁多，所以控制技术的内容极其丰富，例如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、再现、检索等。由于计算机的广泛应用，自动控制技术越来越多的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。•4．伺服驱动技术•伺服驱动技术主要是执行系统和机构中的一些技术问题。伺服驱动的动力类型包括电动、气动、液动。由微型计算机通过接口输出信息至伺服驱动系统，再由伺服驱动器控制它们的运动、带动工作机械作回转、直线以及其它各种复杂的运动。伺服驱动技术是直接执行操作的技术，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件。它对系统的动态性能、控制质量和功能具有决定性的影响。常见•的伺服驱动装置有电液马达、脉冲液压缸、步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。近年来由于变频技术的进步，交流伺服驱动技术取得突破性进展，为机电一体化系统提供高质量的伺服驱动单元，促进了机电一体化的发展。•5．精密机械技术•机电一体化技术要求精密机械减轻重量、减少体积、减小变形（特别是热变形）、提高精度、提高刚度、改善动态性能，而且还应延长机械部分的使用寿命，提高关键零部件的精度和刚度。采用新材料、新工艺和新结构，使零部件模块化、标准化、规格化，从而提高维修效率，减少停工时间。•6．系统总体技术•系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统论的观点和方法，将总体分解成若干功能单元，找出能完成各个功能的技术方案组，再把功能与技术方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。系统总体技术包括的内容很多，例如接口转换、软件开发、微机应用技术、控制系统的成套性和成套设备自动化技术等。即使各个部分的性能、可靠性都很好，如果整个系统不能很好协调，系统也很难保证正常运行。•接口技术是系统技术中的一个重要方面，它是实现系统各部分有机连接的保证。接口包括电气接口、机械接口、人—机接口、软件接口。电气接口实现系统间信号连接，机械接口则完成机械与机械部分、机械与电气装置部分的连接，人—机接口提供了人与系统间的交互界面，软件接口提供软件代码共享与复用。1.3机电一体化的功能构成原理及其组成要素•机电一体化系统是一种比较复杂的工程系统，它是由相互关联的若干种类(如机械、流体、电磁、光、热、声等)元素组成的、具有特定目标的有机整体，并具有整体性(集合性)、关联性、目的性和相对性等四个基本属性，缺一就不可能构成一个有目标的工程系统。•1.3.1机电一体化的功能构成原理•从现代设计方法学的观点来看，世界是由物质、能量和信息三大要素组成的。因此，机电一体化系统的目的，是对输入的物质、能量和信息(单独的或组合的)进行预定的变换(含加工、处理)、传递(含移动、输送)和保存(含保持，存储，记录)。所以，系统的目的均可用这三种主功能及其复合来表示。因此，机电一体化系统要实现其目的，必