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第1章引论第1章引论1.1概述1.2机电一体化系统的设计1.3机电一体化的发展趋势第1章引论1.11.1.1引言机电一体化技术是20世纪60年代后在传统的机械技术基础上，随着电子技术、计算机技术，特别是自动控制技术、信息技术及系统工程技术等的迅速发展而发展起来的一门新技术。“机电一体化”一词的英文名词是“Mechatronics”,它是取Mechanics（机械学）的前半部分和Electronics（电子学）的后半部分拼合而成的。第1章引论第1章引论机电一体化技术综合应用了机械技术、微电子技术、信息处理技术、自动控制技术、检测技术、电力电子技术、接口技术及系统总体技术等群体技术，从系统的观点出发，根据系统功能目标和优化组织结构目标，对各组成要素及其间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究，使得整个系统有机结合与综合集成，并在系统程序和微电子电路的有序信息流控制下，形成物质和能量的有规则运动，在高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值的系统工程技术。第1章引论•机电一体化技术：从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新科学技术。•机电一体化不是机械与电子简单的叠加，而是在信息论、控制论和系统论的基础上建立起来的应用技术，特别是微电子技术是其发展的物质基础机电一体化信息科学机械学电子学•两个显著特征：１）系统的科学性２）学科综合性和技术集成性第1章引论•机电一体化一般包含机电一体化产品(系统)和机电一体化技术两层含义。•典型的机电一体化产品(系统)有：加工制造业：数控机床、机器人家用电器：洗衣机航空航天设备：雷达、飞船医疗仪器设备：CT、分析仪汽车业：其他：、电子排版印刷系统、CAD／CAM系统等。•机电一体化技术：共性关键技术第1章引论数控机床第1章引论焊接机器人第1章引论汽车防抱死系统(ABS)第1章引论机电一体化产品的特点：1、整体结构最优化（小型轻量）2、系统控制的智能化（“傻瓜”相机）3、操作性能柔性化（灵活性和适应性）机电一体化技术与其他高新技术的关系：1、机电一体化技术是其他高新技术发展的基础；2、机电一体化的发展依赖于其他相关技术的发展。第1章引论位置,速度检测单元电机机械部件位置,速度反馈CNC数控机床伺服系统组成1.1.2机电一体化系统的基本组成要素第1章引论执行器控制信息电子控制单元动力源检测传感部分机械本体参数变化信息驱动力能量检测参数第1章引论典型的机电一体化系统应包含以下几个基本要素：1、机械本体机身、框架、机械联接等产品支持机构，实现构造功能要求：可靠、小型、美观2、动力与驱动部分提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能要求：效率高、、适应性好、可靠性高3、传感测试部分检测产品内部状态和外部环境，实现计测功能要求：体积小、精度高、抗干扰能力强第1章引论4、执行机构包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成要求的动作，实现主功能。常用执行机构：机械、电磁、电液等机构5、控制及信息处理单元处理、运算、决策，实现控制功能要求：高可靠性、柔性、智能化第1章引论图1-1(a）机电一体化系统的组成要素;(b）机电一体化系统的功能通过接口耦合来实现运动传递、信息控制、能量转换等有机融遵循四大原则：接口耦合、能量传递、信息传递、运动传递第1章引论6、接口耦合与能量转换（1）变换：通过接口完成信息或能量的统一的过程。如：数字量与模拟量、串行码与并行码、连续脉冲与序列脉冲等等（2）放大：在两个信号强度相差悬殊的环节间,经接口放大,达到能量的匹配如：电液阀（3）耦合：变换和放大后的信号必须遵循一致的时序、信号格式和逻辑规范。接口具有保证信息的逻辑控制功能,使信息按规定模式进行传递。（4）能量转换：其执行元件包含了执行器和驱动器如：电动机、液压泵第1章引论7、信息传递系统控制单元作为智能组成要素,在软、硬件的保证下,完成数据采集、分析、判断、决策功能,以达到信息控制的目的。8、运动传递运动传递是指运动各组成环节之间的不同类型运动的变换与传输,如位移变换、速度变换、加速度变换及直线运动和旋转运动变换等。运动传递还包括以运动控制为目的的运动优化设计,以提高系统的伺服性能。第1章引论1.1.31、机械技术机械技术是机电一体化的基础。实现机电一体化产品的主功能和构造功能，影响系统的结构、重量、体积、刚性、可靠性等。2、计算机与信息处理技术主要完成信息的交换、存取、运算、判断和决策等.其主要工具是计算机要求：信息处理速度快、运行可靠、抗干扰能力强传感器A/D计算机D/A执行装置第1章引论3、自动控制技术关于软件方面的技术，主要以控制理论为指导，对控制系统设计、仿真、现场调试、可靠运行等机电自动控制技术是机电一体化中的关键技术。4、传感与检测技术研究对象：传感器及其信号检测装置（即变送器）作用：感受器官、反馈环节。要求：快速、精确地获得信息并在相应的应用环境中传感与检测是实现自动控制、自动调节的关键环节,它的功能越强,系统的自动化程度就越高。第1章引论5、伺服传动技术研究对象：执行元件及其驱动装置执行元件种类：电动、液压、气压驱动装置：各种电动机的驱动电源电路6、系统总体技术是一种从整体目标出发,用系统的观点和全局角度,将总体分解成相互有机联系的若干单元,找出能完成各个功能的技术方案,再对组成方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。解决问题：系统的性能优化问题和组成要素之间的有机联系问题,使整个系统很好的协调的正常运行相关内容：机械技术的优化设计、CAD/CAM技术、可靠性设计、价值工程等接口技术是系统总体技术的关键环节：有电气接口、人机接口、机械接口等。第1章引论1.1.41、机电一体化技术与传统机电技术的区别传统机电技术：操作控制主要通过具有电磁特性的电器来实现,如继电器、接触器等；机械本体和电气驱动界限分明,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。第1章引论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：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。3.机电一体化技术与自动控制技术的区别自动控制技术：侧重讨论控制原理、控制规律、分析方法和自动系统的构造等机电一体化技术：自动控制原理及方法为重要支撑技术,将自控部件作为重要控制部件应用自控原理和方法,对机第1章引论4.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，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：机电一体化系统中仅仅是计算机应用技术中的一部分,它还可以在办公、管理及图像处理等方面得到广泛应用思考：机电一体化系统与人体的对应关系？第1章引论第1章引论1.21.2.1机电一体化系统的分类开环控制控制角度闭环控制机械制造机电设备电子器件及产品自动化设备应用范围军事及航空航天设备家用智能电气第1章引论1、开环控制开环控制的机电一体化系统是没有反馈的控制系统。特点：结构简单,成本低,维修方便；但精度较低,对输出和干扰没有诊断能力。应用场合：常用于精度要求不高的场合，如家用电器、简易NC机床。控制器对象执行机构指令第1章引论控制器对象执行机构指令检测元件2、闭环控制闭环控制系统中，输出信号由反馈环节与输入信号比较，经控制器分析处理，从而实现对输出的补偿。特点：精度高抗干扰能力强，但结构复杂成本高。应用场合：现代机电一体化系统常采用闭环控制，如数第1章引论1.2.2机电一体化系统（产品）开发的类型1、开发性设计2、适应性设计3、变参数设计1.2.3机电一体化系统（产品）设计方案的常用方法1、取代法取代法就是用电气控制取代原系统中的机械控制机构。该方法是改造旧产品或对原系统进行技术改造常用的方法，也是改造传统机械产品的常用方法。第1章引论2、整体设计法主要用于新产品的开发设计。在设计时完全从系统的整体目标出发,考虑各子系统的设计。3、组合法就是选用各种标准功能模块组合设计成机电一体化系统。例如,设计一台数控机床,可以依据机床的性能要求,通过对不同厂家的计算机控制单元、伺服驱动单元、位移和速度测试单元及主轴、导轨、刀架、传动系统等产品的评估分析,研究各单元间接口关系和各单元对整机性能的影响,通过优化设计确定机床的结构组成。第1章引论1.2.4机电一体化系统设计系统设计：即用系统思维综合运用各有关学科的知识、技术和经验,在系统分析的基础上,通过总体研究和详细设计,实现满足设计目标的产品研发过程。基本原则：1）使设计工作获得最优化效果2）在保证目的功能要求与适当使用寿命的前提下不断降低成本。过程：“目标—功能—结构—效果”的多次分析与综合的过程设计步骤通常如下：设计预测→信号分析→科学类比→系统分析设计→创造设计→选择各种具体的现代设计方法（如相似设计法、模拟设计法、有限元法、可靠性设计法、动态分析法、优化设计法、模糊设计法等）→机电一体化系统设计质量的综合评价。第1章引论1.2.5机电一体化系统（产品）的工程路线各种机电一体化系统（产品）的研究、开发、生产及销售的过程各自有其自身特点,归纳其基本规律,机电一体化系统（产品）的工程路线如图1-2所示。第1章引论1.3机电一体化的发展趋势1.3.1机电一体化的技术现状机电一体化占据主导地位是制造产业发展的必然趋势,而制造产业是整个科学技术和国家经济发展的基础工业,因而机电一体化在当前激烈的国际政治、军事、经济竞争中起着举足轻重的作用,受到各工业国家的极大重视。（1）技术发展（2）资金支持第1章引论日本将智能传感器,计算机芯片制造技术,具有视频、触觉和人机对话能力的人工智能工业机器人,柔性制造系统等,列为高技术领域的重大研究课题。西欧高技术发展规划“尤里卡”计划,提出五大关键技术领域,其中包括研制可自由行动、决策并易于人机对话的欧洲第三代安全民用机器人,广泛合作研究计算机辅助设计、制造、生产、管理的柔性系统,实现工厂全面自动化等机电一体化研究方向。1991年3月,美国国家关键技术委员会提交的年度报告《国家关键技术》中,列举了22项对于美国国家经济繁荣和国防安全至为关键的技术,其中包括机器人、传感器、控制技术和CIMS及与CIMS相关的其他工具和技术。第1章引论技术密集型的高技术发展初期投资大、回收少,多数国家政府给予资金支持和必要的政策优惠。如前西德1984~1988年的五年计划确定,提供5.3亿马克用于资助计算机辅助设计和制造的应用,扩大工业机器人、软件操作系统和外围设备的工业基础等先进生产技术的应用。日本政府早在1971年,已把数控机床作为重点扶植对象，1978年后开展了高精度高性能机器人的研究，先后投资400多亿日元。第1章引论美国1983年制定的“星球大战（SDI）”计划投资1000亿美元以发展高技术,其中也包括发展空间机器人、核能机器人、军事机器人及工业机器人等相关技术。美国国家科学基金会（NST）每年投资100万美元,国家标准局（NBS）每年投资150万美元用于发展相关技术。国家规划和支持对美国机器人技术的发展起了很大的推动作用。我国是发展中国家,与发达国家相比工业技术水平存在一定差距,但有广阔的机电一体化应用开拓领域和技术产品潜在市场。第1章引论1986年开始实施的“八六三”计划，将自动化技术，重点是CIMS和智能机器人技术等机电一体化前沿技术确定为国家高技术重点研究发展领域。近年来,我国已研制成功了用于喷漆、焊接、搬运以及能前后行走的、能爬墙、能上下台阶、能在水下作业的多种类型机器人。CIMS研究方面,我国已在清华大学建成国家CIMS工程研究中心（ERC）,在一些著名大学和研究单位建立了7个CIMS单元技术