第一講概述機(jī)電一體化概論晏良俊

1、機(jī)電一體化概論主講：晏良俊聯(lián)系方式-mail:QQ:364790339本課程的性質(zhì)、任務(wù)和要求本課程的性質(zhì)、任務(wù)和要求n性質(zhì)：性質(zhì)： 它是自動(dòng)化專業(yè)、工業(yè)電氣自動(dòng)化方向的學(xué)生必修的一門專業(yè)必修課。本課程主講機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本概念、基本構(gòu)成和一般設(shè)計(jì)方法。 先修課程：機(jī)械原理、電路、電子技術(shù)基礎(chǔ)等基礎(chǔ)課程。任務(wù)及課程安排任務(wù)及課程安排n按教學(xué)計(jì)劃要求：按教學(xué)計(jì)劃要求： 二本：總學(xué)時(shí)36，理論教學(xué)36，實(shí)驗(yàn)教學(xué)0 二級(jí)學(xué)院：總學(xué)時(shí)28，理論教學(xué)28，實(shí)驗(yàn)教學(xué)0n教學(xué)內(nèi)容：教學(xué)內(nèi)容：教學(xué)進(jìn)度安排n教學(xué)方式：教學(xué)方式：講授+提問+討論+自學(xué)n網(wǎng)上的一篇文章要求n注意專業(yè)課的

2、學(xué)習(xí)方法注意專業(yè)課的學(xué)習(xí)方法:n建立系統(tǒng)的概念，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來理解機(jī)電一體化的構(gòu)成、工作原理和設(shè)計(jì)方法。n考核方式：考核方式：n期末考試(70%)+平時(shí)表現(xiàn)(30%) 考勤：10分（曠課每次10，遲到2，3次曠課以0分記載） 課堂紀(jì)律：(提問和其他活動(dòng),表現(xiàn)優(yōu)異獎(jiǎng)勵(lì)+510)主要內(nèi)容第第1 1章章 概論概論第第2章章 機(jī)械系統(tǒng)的部件選擇與設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)的部件選擇與設(shè)計(jì)第第3 3章章 機(jī)電一體化中的執(zhí)行元件機(jī)電一體化中的執(zhí)行元件第第4 4章章 微機(jī)控制系統(tǒng)及接口設(shè)計(jì)微機(jī)控制系統(tǒng)及接口設(shè)計(jì) 第第5 5章章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中的檢測(cè)傳感器機(jī)電一體化系統(tǒng)中的檢測(cè)傳感器 第第6 6章章 機(jī)電一體化系統(tǒng)的

3、控制策略機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制策略 第第7 7章章 典型機(jī)電一體化系統(tǒng)實(shí)例分析典型機(jī)電一體化系統(tǒng)實(shí)例分析 第1章概論1.1 1.1 機(jī)電一體化的涵義及實(shí)例機(jī)電一體化的涵義及實(shí)例 1.2 1.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的作用與特點(diǎn)機(jī)電一體化系統(tǒng)的作用與特點(diǎn)1.3 1.3 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本構(gòu)成機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本構(gòu)成 1.4 1.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)構(gòu)成要素的聯(lián)接機(jī)電一體化系統(tǒng)構(gòu)成要素的聯(lián)接 1.5 1.5 機(jī)電一體化系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù) 1.6 1.6 機(jī)電一體化的發(fā)展機(jī)電一體化的發(fā)展1.7 1.7 本教師在機(jī)電一體化方面所做的研究工作簡(jiǎn)介本教師在機(jī)電一體化方面所做

4、的研究工作簡(jiǎn)介1.1 機(jī)電一體化的涵義及實(shí)例n機(jī)電一體化機(jī)電一體化技術(shù)是微電子技術(shù)向傳統(tǒng)機(jī)械工業(yè)滲透過程中逐漸形成的一門新的技術(shù)學(xué)科。n機(jī)電一體化機(jī)電一體化技術(shù)就是利用電子、信息（包括傳感器、控制、計(jì)算機(jī)等）技術(shù)使機(jī)械柔性化和智能化的技術(shù)。或者說：機(jī)電一體化是機(jī)械的主功能、動(dòng)力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。n從機(jī)電一體化的概念可見，它是機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)為一體的交叉學(xué)科，它具有自己的技術(shù)基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)理論和研究方法（非每門學(xué)科的簡(jiǎn)單組合）。 機(jī)電一體化產(chǎn)品的歸類1.原來由機(jī)械實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的裝置與電子技術(shù)相結(jié)合

5、實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的裝置石英鐘表發(fā)條式鐘表手動(dòng)照相機(jī)自動(dòng)調(diào)焦照相機(jī)電動(dòng)（電子式）游戲機(jī)手動(dòng)（機(jī)械式）游戲機(jī)機(jī)械式縫紉機(jī)電動(dòng)（電子式）縫紉機(jī)機(jī)械式調(diào)速器電子式調(diào)速器無人操作的裝置自動(dòng)售貨機(jī)、銀行等部門使用的自動(dòng)出納機(jī)（）、車票自動(dòng)售票機(jī)、自動(dòng)檢票機(jī)、郵局的自動(dòng)分檢機(jī)、無人倉庫的出庫機(jī)、船舶及飛機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航裝置等等2.原來由人來判斷決定動(dòng)作的裝置3.按照人編制的程序來實(shí)現(xiàn)靈活動(dòng)作的裝置數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、智能機(jī)器人及其他各種機(jī)器人實(shí)例1：數(shù)控系統(tǒng)組成普通機(jī)床用普通機(jī)床用手工驅(qū)動(dòng)手工驅(qū)動(dòng)實(shí)例2：機(jī)器人組成機(jī)電一體化系統(tǒng)的作用與特點(diǎn) 作用作用: : 采樣機(jī)電一體化技術(shù)可以使產(chǎn)品達(dá)到以下效果采樣機(jī)電一體化技術(shù)可

6、以使產(chǎn)品達(dá)到以下效果 1.使產(chǎn)品具有原來所不具備的功能（功能多元化）。2.產(chǎn)品的柔性增強(qiáng)（flexibility）.3.操作性得到改善。4.使產(chǎn)品的體積小，重量輕。5.可靠性增強(qiáng)。節(jié)能性更好。6.成本降低。1.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的作用與特點(diǎn)機(jī)電一體化的特點(diǎn)機(jī)電一體化的特點(diǎn) 柔性化：機(jī)電一體化產(chǎn)品既能夠像動(dòng)物一樣靈活動(dòng)作，又能夠像人類一樣思考判斷。智能化：利用傳感器檢測(cè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，將檢測(cè)信息輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過計(jì)算得到能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)的控制信息，由此來控制執(zhí)行裝置，而計(jì)算依據(jù)就是利用自動(dòng)控制理論來研究開發(fā)計(jì)算機(jī)軟件，而不是用螺栓和螺母來重新組裝機(jī)械，只是通過控制理論修改程序就可靈活地改變機(jī)械運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)

7、新的功能。1.3 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本構(gòu)成 機(jī)械裝置：能夠?qū)崿F(xiàn)某種運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)（相當(dāng)于人的骨骼） 執(zhí)行裝置：驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置運(yùn)動(dòng)的部分（人的肌肉） 能源：為執(zhí)行裝置提供能量的部分（人的內(nèi)臟） 傳感器：檢測(cè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)（五官） 計(jì)算機(jī)：運(yùn)動(dòng)控制的計(jì)算和判斷（神經(jīng)和大腦）機(jī)電一體化系統(tǒng)物質(zhì)構(gòu)成圖解1.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)的分類機(jī)電一體化系統(tǒng)的分類n機(jī)電一體化的兩大分支：n生產(chǎn)過程的機(jī)電一體化；n機(jī)電產(chǎn)品的機(jī)電一體化；（1）生產(chǎn)過程的機(jī)電一體化）生產(chǎn)過程的機(jī)電一體化n生產(chǎn)過程的機(jī)電一體化就是整個(gè)工業(yè)體系的機(jī)電一體化，如機(jī)械制造過程的機(jī)電一體化、冶金生產(chǎn)的機(jī)電一體化、化工生產(chǎn)的機(jī)電一體化、糧食及食品加工過程的機(jī)電

8、一體化、紡織工業(yè)的機(jī)電一體化、排版與印刷的機(jī)電一體化等。n生產(chǎn)過程的機(jī)電一體化包含著諸多的自動(dòng)化生產(chǎn)線，計(jì)算機(jī)集中管理和計(jì)算機(jī)控制。n根據(jù)生產(chǎn)過程是否連續(xù)的特點(diǎn)，又分為離散制造過程的機(jī)電一體化和連續(xù)生產(chǎn)過程的機(jī)電一體化。前者以機(jī)械制造業(yè)為代表，后者以化工生產(chǎn)流程為代表。 （2）機(jī)電產(chǎn)品的機(jī)電一體化）機(jī)電產(chǎn)品的機(jī)電一體化n生產(chǎn)用機(jī)電一體化產(chǎn)品 ：n數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備；n柔性生產(chǎn)單元FMU、自動(dòng)組合生產(chǎn)單元；nFMS、無人化工廠、CIMS；n運(yùn)輸、包裝及工程用機(jī)電一體化產(chǎn)品 n微機(jī)控制汽車、機(jī)車等交通運(yùn)輸工具n數(shù)控包裝機(jī)械及系統(tǒng)n數(shù)控運(yùn)輸機(jī)械及工程機(jī)械設(shè)備 n儲(chǔ)存、銷售用機(jī)電一體化產(chǎn)品

9、 ：n自動(dòng)倉庫n自動(dòng)空調(diào)與制冷系統(tǒng)及設(shè)備n自動(dòng)稱量、分選、銷售及現(xiàn)金處理系統(tǒng) n社會(huì)服務(wù)性機(jī)電一體化產(chǎn)品 ：n自動(dòng)化辦公設(shè)備n動(dòng)力、醫(yī)療、環(huán)保及公共服務(wù)自動(dòng)化設(shè)備n文教、體育、娛樂用機(jī)電一體化產(chǎn)品 n家庭用機(jī)電一體化產(chǎn)品 ：n微機(jī)或數(shù)控型耐用消費(fèi)品n炊事自動(dòng)化機(jī)械n家庭用信息、服務(wù)設(shè)備 n科研及過程控制用機(jī)電一體化產(chǎn)品 ：n測(cè)試設(shè)備n控制設(shè)備n信息處理系統(tǒng) n農(nóng)、林、牧、漁及其它民用機(jī)電一體化產(chǎn)品；n航空、航天、國防用武器裝備等機(jī)電一體化產(chǎn)品。1.5 機(jī)電一體化理論基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù) n系統(tǒng)論、信息論、控制論是機(jī)電一體化的理論基礎(chǔ)。而微電子技術(shù)（特別是微型計(jì)算機(jī)技術(shù)）、精密機(jī)械技術(shù)是其技術(shù)基礎(chǔ)。

10、1.5.1 機(jī)電一體化的學(xué)科n按照上述機(jī)電一體化一詞的定義，機(jī)械工程學(xué)科和電子工程學(xué)科是機(jī)電一體化的兩個(gè)支柱。但除此之外，機(jī)電一體化還是控制工程和信息工程學(xué)科等的多學(xué)科綜合技術(shù)。圖1.6是機(jī)電一體化的學(xué)科和技術(shù)?？刂菩畔⒐こ虒W(xué)機(jī)械工程學(xué)電子工程學(xué)機(jī)電一體化*精密加工*機(jī)械零件與機(jī)械設(shè)計(jì)*機(jī)械力學(xué)*機(jī)構(gòu)學(xué)*液壓與氣動(dòng)*材料力學(xué)*系統(tǒng)工程學(xué)*生產(chǎn)工程學(xué)*傳感技術(shù)*測(cè)試技術(shù)*計(jì)算機(jī)工程學(xué)*信息處理*通信工程學(xué)*電子電路*電氣工程學(xué)*微電子學(xué)*光學(xué)*機(jī)器人工程學(xué)1.5.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)n傳感檢測(cè)技術(shù) n信息處理技術(shù) n自動(dòng)控制技術(shù) n伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù) n精密機(jī)械技術(shù) 傳感檢測(cè)技術(shù)n工作過程中的

11、各種參數(shù)、工作狀態(tài)與工作過程有關(guān)的相應(yīng)信息都要通過傳感器進(jìn)行接收，并通過相應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)裝置進(jìn)行測(cè)量，然后送入信息處理裝置，或反饋給控制裝置，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工作過程的自動(dòng)控制。（快速、準(zhǔn)確獲取信息，并且不受外部條件，環(huán)境的影響，同時(shí)它本身能夠不失真地對(duì)信息進(jìn)行放大、輸送和轉(zhuǎn)換）。 信息處理技術(shù)n是指在機(jī)電一體化產(chǎn)品工作過程中，與工作過程各種參數(shù)和狀態(tài)以及自動(dòng)控制有關(guān)的信息輸入、識(shí)別、變換、運(yùn)算、存儲(chǔ)、輸出和決策分析等技術(shù)。n實(shí)現(xiàn)信息處理技術(shù)的主要工具是計(jì)算機(jī)。包括硬件和軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及數(shù)據(jù)庫技術(shù)。其中數(shù)據(jù)處理是產(chǎn)品的核心，包括人工智能、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。自動(dòng)控制技術(shù)n

12、所謂自動(dòng)控制，就是在沒有人直接參與的情況下，通過控制器使被控對(duì)象或過程自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。n自動(dòng)控制技術(shù)主要研究控制原理，包括控制規(guī)律、分析方法和系統(tǒng)過程等。主要以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入、單輸出、線性自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題，這些都屬于經(jīng)典控制技術(shù)，而且日趨成熟，在工程上已成功解決了很多實(shí)際問題。n現(xiàn)代控制技術(shù)主要以狀態(tài)空間為基礎(chǔ)，研究多輸入、多輸出、變參量、非線性、高精度、高效能等控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)n系統(tǒng)中執(zhí)行元件和驅(qū)動(dòng)裝置的技術(shù)問題。執(zhí)行元件：電動(dòng)、氣動(dòng)和液壓等，最主要是電動(dòng)式執(zhí)行元件。驅(qū)動(dòng)裝置：各種電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源電路，主要是電力電子器件及集成化的功能電

13、路。精密機(jī)械技術(shù)n精密機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化系統(tǒng)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)的任何功能最終是要機(jī)械來完成的。隨著高新技術(shù)引入機(jī)械行業(yè)，傳統(tǒng)機(jī)械技術(shù)面臨著挑戰(zhàn)和變革。結(jié)構(gòu)、重量、體積、剛性、熱變形、材料、精度等因素對(duì)系統(tǒng)的性能提高有著極其重要的影響。1.6 機(jī)電一體化的發(fā)展 n機(jī)電一體化的發(fā)展?fàn)顩r n機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì)機(jī)電一體化的發(fā)展?fàn)顩r機(jī)電一體化系統(tǒng)經(jīng)歷了三個(gè)階段：機(jī)電一體化系統(tǒng)經(jīng)歷了三個(gè)階段：n戰(zhàn)后20世紀(jì)60年代：初級(jí)階段，自覺或不自覺利用電子技術(shù)成果完善機(jī)械產(chǎn)品。n20世紀(jì)7080年代：蓬勃發(fā)展階段，由于計(jì)算機(jī)、控制技術(shù)、通信技術(shù)、電子技術(shù)（尤其是大規(guī)模集成電路和微機(jī)）的迅猛發(fā)展，為機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展提

14、供了充分條件。n20世紀(jì)90年代：向智能化方向邁進(jìn)新階段，光學(xué)、通信、微細(xì)加工等技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)的中嶄露頭角，出現(xiàn)了光機(jī)電一體化和微機(jī)電一體化等新分支技術(shù)。 機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì)n機(jī)電一體化是集機(jī)械、電子、光學(xué)、控制、計(jì)算機(jī)、信息等多學(xué)科的交叉融合，它的發(fā)展依賴并促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。 智能化：智能化：在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)等新思想、新方法模擬人類智慧，使它具有判斷推理、邏輯思維能力。 模塊化：模塊化：由于機(jī)電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、電氣接口、動(dòng)力接口、環(huán)境接口極其有意義。 網(wǎng)絡(luò)化：網(wǎng)絡(luò)化：基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾，遠(yuǎn)程控制的終端就是機(jī)電一體化產(chǎn)品。現(xiàn)場(chǎng)總線和局域網(wǎng)技術(shù)使家用電器網(wǎng)絡(luò)化已成大勢(shì)。 微型化：微型化：幾何尺寸小于1CM2的產(chǎn)品稱為微電子機(jī)械系統(tǒng)或微機(jī)電一體化系統(tǒng)，正在向微米、納米級(jí)發(fā)展，在生物醫(yī)學(xué)、軍事、信息等領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。 綠色化：綠色化：環(huán)保型機(jī)電一體化系統(tǒng)，綠色產(chǎn)品在其設(shè)計(jì)、環(huán)保型機(jī)電一體化系統(tǒng)，綠色產(chǎn)品在其設(shè)計(jì)、制造、使用和銷毀的生命過程中，符合特定的環(huán)境制造、使用和銷毀的生命過程中，符合特定的環(huán)境保護(hù)和人類健康的要