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1机电一体化技术概论及其发展趋势董长双2013.12机械工程学院2机电一体化系统的基本概念机电一体化系统的关键性技术机电一体化产品的设计机电一体化技术概论3机电一体化（Mechatronics）的基本概念机电一体化是微电子技术向机械工业渗透过程中逐渐形成的一个新概念，是各相关技术有机结合的一种新形式。机电一体化（Mechatronics）这个名词的起源于日本，在1971，日本《机械设计》杂志副刊就提出了“Mechatronics”这一名词，1976年以广告为主的日本杂志《MechatronicsDesignNews》开始使用，其中的“Mechatronics”是由“Mechanics”的前半部和“Electronics”的后半部组合而成。翻译为机电一体化或机械电子学。一、Mechatronics的基本含义4“机电一体化”是机械技术、微电子技术相互交叉、融合的产物。机械技术（机械学机构学）机电一体化技术领域微电子技术（半导体技术、计算机技术）5机电一体化技术的发展大体上可分为三个阶段20世纪70年代至80年代为第二阶段。——“蓬勃发展阶段”从20世纪90年代后期开始为第三阶段。——“智能化阶段”20世纪60年代以前为第一阶段。——“萌芽阶段”机电一体化技术发展史61、六十年代，日本通产省为扩大机械功能，在机械上采用电气和电子技术，曾结合数控机床做过不少实验，但末能获得成功。2、七十年代，微电子技术成熟，微机商品化，大规模集成电路问世，构成微机的基本单元CPU、ROM、RAM和接口电路已经模块化，自己制造计算机成为可能。机电一体化得以现实。3、1971年，日刊工业新闻社发行《机电一体化入门》和《机电一体化》月刊，专门刊载机电一体化新产品。74、1976年，机电一体化正式命名“メカトロニケス”(Mechatronics、机电一体化）。5、1971到1978年日本政府颁发“机电法”和“机信法”，对机电一体化的发展起到积极推动作用。6、八十年代，在“机信法”指导下，机电一体化的产品如雨后春笋不断涌现。7、九十年代，集成度提高，价格下降，机电一体化技术在世界范围内得到迅猛发展，机电一体化技术遍及社会各个领域。全盛时期开始。8机电一体化的定义在日本多种多样。但最具有指导性的定义是日本机械振兴协会经济研究所提出的。1、日本关于Mechatronics的定义“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的系统的总称”。9美国是机电一体化产品开发和应用的最早的国家。如世界上第一台数控机床(1952）、第一个工业机器人（1962）。2、美国关于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械和(或)机电部件相互联系的系统”。美国机械工程师协会的一个专家组于1984年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。10113、我国对机电一体化的理解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)(FlexibleManufacturingSystem)和计算机集成制造系统(CIMS)(ComputerIntegratedManufacturingSystem)包括在内。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。863计划机电一体化领导小组数控技术工业机器人计算机几集成制造系统12二、机电一体化系统1、定义：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、若干种类的元素(机械、流体、电、磁、光、热、声等)组成的，具有特定目标的有机整体。整体性(集合性)、关联性、目的性和相对性。1）属性13系统控制物质能量信息物质能量信息（人）工业三大要素具有所需特性2）系统目的功能三大目的功能变换功能:加工、处理传递功能:移动、输送储存功能:保持、积蓄、记录(变换、传递、储存）142、功能构成原理1）系统框图系统（特性）输入x外部环境直接输出y间接输出152）系统结构框图大系统系统1分系统1（单元）单元1（部件）元件1系统k分系统h单元m元件n16主功能（变换、传递、保存）动力功能控制功能输入输出结构功能干扰排放物能量输入信息输入信息输出物质能量信息物质能量信息3）机电一体化系统功能构成原理图检测功能17热、振动热、振动、切屑毛坯（物质）工件（物质）输入输出切削加工（加工机构）位置检测电源控制器外部电源人（操作）输入控制（信息）输出控制CNC程序CNC机床内部功能构成实例18结论：有五种内部功能。主功能：实现系统目的功能直接必需的功能，主要是对物质、能量、信息或其相互结合进行变换、传递和存储。动力功能：向系统提供动力、让系统得以运转的功能。检测功能：获取系统内、外部信息的功能。控制功能：对整个系统进行控制，使系统正常运转，实施目的功能。构造功能：使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必须的功能。194）系统数学模型y=(x1、x2、…、xn，α1、α2、…、αn，t)y—系统目的或输出；xi—输入；αi—环境或约束条件。20•机械本体3、系统组成•动力部分•测试传感部分•控制及信息处理单元•执行机构•接口•驱动部分211）机械本体是所有功能元素的机械支持结构，包括机身、框架、机械连接、机械运动部件等。2）动力部分在控制系统的控制下，为系统提供能量和动力使系统正常运行。3）测试传感部分在系统运行中对系统本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，变成可识别信号，传输到信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。224）执行机构接收控制系统的控制信息和指令，完成要求的动作。5）驱动部分在控制信息作用下，提供动力并实现功率匹配，驱动各执行机构完成各种动作和功能。6）控制及信息处理单元将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、存储、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令，控制整个系统按要求实现有序地运行。7）接口系统中各单元和环节之间进行物质、能量和信息交换的连接界面，是外部设备和数控装置之间的桥梁。23内脏手脚五官骨骼动力系统控制系统执行机构检测部分机械本体大脑24控制器（MC、PC、CNC）接口（智能、信息）执行元件接口（机械）运行机构机械结构动力源信息（接口）传感器（位置检测）接口（物理）接口（物理）接口（信息）传感器（位置检测）接口（物理）接口（机械）机电一体化系统各构成要素之间的相互联系25第二节机电一体化产品一、机电一体化产品的分类（1）产业机械：用于生产的电子控制机械。1、按机电一体化产品的用途分类（2）信息机械：用于信息处理、存储的电子机械产品。（3）民生机械：用于生活领域的电子机械产品或机械电子产品。262、按机电一体化产品的功能分类（1）在原有机械本体上采用微电子控制装置的产品。（2）用电子装置局部取代机械控制装置。（3）用电子装置取代原来执行信息处理功能的机构。（4）用电子装置取代了机械的主功能的产品。（5）信息设备和电子装置有机结合的信息电子设备。（6）检测装置、电子装置和机构有机结合的检测用电子机械设备。27二、机电一体化产品的构成及特点1、主要构成1）机械系统4）信息处理及控制系统3）传感与检测系统5）执行机构2）动力系统28•2、特点1）安全性、可靠性高2）生产能力与工作质量高3）使用性能好4）有复合功能5）便于调整和维护29第三节机电一体化的技术体系机电一体化技术是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、伺服传动技术、电力电子技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程的一种高新技术。30一、机械技术1.内涵：指机械结构的设计与制造。2.作用：完成机电一体化系统间的连接以及如何与机电一体化的其它技术相适应，并利用其它技术来更新概念，从而实现在结构、材料、性能上的最优化，以满足减少重量、缩小体积、提高精度、提高刚度、改善性能的要求。31二、信息处理技术（计算机与信息处理技术）1.内涵：信息的变换、存取、运算、判断和决策；计算机的软件技术和硬件技术、网络与通信技术、数据库技术等。此外，人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等也属于该范畴。2.作用：是促进机电一体化技术发展和变革的最活跃的因素。32三、检测与传感器技术1.内涵：研究如何将各种物理量转换成与之成比例的电量；研究对转换的电信号的加工处理。2.作用：传感与检测装置是机电一体化系统的感觉器官，它与信息系统的输入端相连，并将检测到的信号输送到信息处理部分，是实现自动控制、自动调节的关键环节。33四、自动控制技术1.内涵：基本控制理论，对具体控制装置或系统的设计，设计后的系统仿真、现场调试、投入运行。2.作用：实现机电一体化系统的目标最优化，提高产品的精度、效率。341.内涵：机电一体化产品中的执行元件和驱动装置设计中的技术。五、伺服驱动技术2.作用：伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件。执行元件一方面通过接口电路与计算机相连，接受控制系统的指令；另一方面通过机械接口与机械传动和执行机构相连，以实现规定的动作。伺服驱动技术对机电一体化产品的动态性能、稳定性能、操作精度和控制质量等具有决定性的影响。35六、系统整体技术1.内涵：以整体的概念，组织应用各种相关技术的应用技术。2.作用：通过分析、评价、综合等措施，优选出最佳的功能技术方案。36机电一体化技术与其他技术的区别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主要是通过具有电磁特性的各种电器来实现，在设计中不考虑或很少考虑彼此间的内在联系；机械本体和电气驱动界限分明，整个装置是刚性的，不涉及软件和计算机控制。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器部件间的相互作用和影响，整个装置在计算机控制下具有一定的智能性。372、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技术、微电子技术、计算机技术、控制技术和检测技术在设计和制造阶段就有机地结合在一起，十分注意机械和其他部件之间的相互作用。并行工程将上述各项技术尽量在各自范围内齐头并进，只在不同技术内部进行设计制造，最后通过简单叠加完成整体装置。383、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、分析方法和自动系统的构造等。机电一体化技术将自动控制原理及方法作为重要支撑技术，将自控部件作为重要控制部件，应用自动控制原理和方法，对机电一体化装置进行分析和性能测算。394、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，目的是提高和改善系统性能。其研究的是机电一体化系统，而不是计算机应用本身。计算机在机电一体化系统中的应用仅仅计算机应用技术的一部分，它还可以在其他方面得到广泛应用。40机电一体化产品的设计二、系统（产品）评价三、设计的方法四、设计类型五、设计程序、准则和规律一、设计流程41根据系统（产品）的目的功能确定产品规格及性能指标开始按系统（产品）内部五大功能划分功能部件或功能子系统确定各功能部件或子系统的功能要素接口设计整体评价是优否修正改进可靠性复查可靠否试制与调试满意否结束一、机电一体化系统（产品）设计流程NOYESYESYESNONO42二、系统（产品）的评价高附加值化高性能化低价格化高可靠性化智能化省能化轻薄短小化机电一体化系统（产品）主功能计测、控制功能动力功能构造功能1）评价内容432）系统（产品）内部功能价值评价的方法系统（产品）内部功能评价参数系统（产品）的价值高低主功能系统误差抗干扰能力废弃物输出变换效率少强少高大弱多低动力功能输入能量能源少内装多外设控制功能控制I/O口个数手动操作多少少多构造功能尺寸、重量强度小、轻高大、重低计测功能精度高低44a、机电互补法（取代法）三、系统（产品）设计的常用方法b、结合（融合）法c、组合法45四、系统（产品）的设计类型a、开发性设计b、