機電一體化系統(tǒng)設(shè)計+第1章+緒論

1、機電一體化系統(tǒng)(xtng)設(shè)計主講(zhjing)教師：張業(yè)明河南理工大學(xué)機械學(xué)院共六十六頁共六十六頁共六十六頁共六十六頁共六十六頁國際機電一體化項目資源(zyun) /國際機電一體化課程資源 /國際機器人網(wǎng)站 /category/robots/中國機電一體化網(wǎng) / 一些(yxi)網(wǎng)絡(luò)資源共六十六頁 機電一體化系統(tǒng)(xtng)設(shè)計課程是多學(xué)科的交叉和綜合，涉及的相關(guān)專業(yè)知識較多，講授的主要內(nèi)容包括： 機電一體化系統(tǒng)基本知識； 機電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計； 機電一體化系統(tǒng)機械設(shè)計技術(shù)； 機電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)； 機電一體化伺服系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)。 機電一體化檢測技術(shù)； 機電一體化技術(shù)的應(yīng)用。第1章 緒

2、論(xln) 共六十六頁1.1 機電(jdin)一體化概念機電一體化是在新技術(shù)浪潮中，電子技術(shù)、信息技術(shù)向機械工業(yè)滲透并與機械技術(shù)相互融合的產(chǎn)物。 機電一體化技術(shù)綜合應(yīng)用了機械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、檢測技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)及系統(tǒng)總體技術(shù)等群體(qnt)技術(shù)。從系統(tǒng)的觀點出發(fā),根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)目標(biāo),以智能、動力、結(jié)構(gòu)、運動和感知等組成要素為基礎(chǔ),對各組成要素及相互之間的信息處理、接口耦合、運動傳遞、物質(zhì)運動、能量變換機理進行研究,使得整個系統(tǒng)有機結(jié)合與綜合集成,并在系統(tǒng)程序和微電子電路的有序信息流控制下,形成物質(zhì)和能量的有規(guī)則運動,在高質(zhì)量、高精度、

3、高可靠性、低能耗意義上實現(xiàn)多種技術(shù)功能復(fù)合的最佳功能價值的系統(tǒng)工程技術(shù)。 共六十六頁機電一體化的外文(wiwn)名詞是 Mechatronics ，來源于日本（70年代）。取英語Mechanics（機械學(xué)）的前半部和Electronics（電子學(xué)）的后半部拼合而成。我國通常稱為機電一體化或機械電子學(xué)； 涉及到許多相關(guān)的學(xué)科 機械學(xué)：機械設(shè)計、機械制造等電子學(xué)：電工學(xué)、電機學(xué)、數(shù)字電路、模擬電路等控制論：經(jīng)典控制（控制工程基礎(chǔ))、現(xiàn)代控制（多變量)等計算機科學(xué)：微處理系統(tǒng)及接口技術(shù)，應(yīng)用軟件技術(shù)（CAD、 CAM、FMS、CAT、CNC）等 共六十六頁1.1 機電(jdin)一體化基本概念 機電

4、一體化技術(shù)：從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，將機械技術(shù) 、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)等在系統(tǒng)工程基礎(chǔ)上有機地加以綜合，以實現(xiàn)整個系統(tǒng)最佳化的一門新科學(xué)技術(shù)。 機電一體化不是機械與電子簡單(jindn)的疊加，而是在信息論、控制論和系統(tǒng)論等的基礎(chǔ)上建立起來的應(yīng)用技術(shù) 。機電一體化信息科學(xué)機械學(xué)電子學(xué)共六十六頁 是使系統(tǒng)(產(chǎn)品)高附加價值化，即多功能化、高效率化、高可靠化、省材料省能源化，并使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向輕、薄、短、小巧化方向發(fā)展(fzhn)，不斷滿足人們生活的多樣化需求和生產(chǎn)的省力化、自動化需求。機電(jdin)一體化的“目的” 共六十六頁 機電一體化相關(guān)(xinggun)學(xué)科關(guān)系共六十六頁 從控制的角度來

5、講, 機電一體化系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)和閉環(huán)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)。開環(huán)控制的機電一體化系統(tǒng)是沒有反饋的控制系統(tǒng),這種系統(tǒng)的輸入直接送給控制器,并通過控制器對受控對象產(chǎn)生控制作用。一些家用電器、簡易NC機床和精度要求不高的機電一體化產(chǎn)品都采用開環(huán)控制方式。開環(huán)控制機電一體化系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單, 成本低, 維修方便; 缺點是精度較低,對輸出和干擾沒有診斷能力。機電(jdin)一體化系統(tǒng)的分類共六十六頁 從用途和功能兩個方面分類按照用途分：按照功能分：產(chǎn)業(yè)機械：用于工業(yè)生產(chǎn)的電子控制機械，如數(shù)控設(shè)備信息機械：用于信息處理、存儲的機械如自動化辦公設(shè)備民生機械：用于

6、人民生活的電子機械產(chǎn)品家用電器數(shù)控機械類：數(shù)控機床、機器人電子設(shè)備類：如自動洗衣機電液伺服類：如電液振動臺信息控制類：如傳真機機電結(jié)合類：如自動售貨機共六十六頁數(shù)控銑床共六十六頁數(shù)控車床共六十六頁焊接(hnji)機器人共六十六頁汽車(qch)防抱死系統(tǒng)(ABS)共六十六頁一個典型的機電一體化系統(tǒng)應(yīng)包含以下幾個基本要素： 機械本體、動力與驅(qū)動部分、執(zhí)行機構(gòu)、傳感測試部分、控制及信息處理部分。我們將這些部分歸納為： 結(jié)構(gòu)組成要素(yo s)、 動力組成要素(yo s)、運動組成要素(yo s)、感知組成要素(yo s)、智能組成要素(yo s)； 這些組成要素內(nèi)部及其之間,形成通過接口耦合來實現(xiàn)運

7、動傳遞、信息控制、能量轉(zhuǎn)換等有機融合的一個完整系統(tǒng)。機電一體化系統(tǒng)的組成要素及功能如圖1-1至1-3所示：1.2 機電一體化系統(tǒng)的基本(jbn)組成要素共六十六頁 構(gòu)成機電一體化系統(tǒng)的要素很多，其中五大要素是必須的，可以從構(gòu)成人體的五大要素得到(d do)啟發(fā)。 圖1.1所示為人體的五大要素 圖1.3所示為機電一體化的五大要素 腦心臟骨骼五官四肢控制系統(tǒng)動力裝置檢測裝置執(zhí)行機構(gòu)機械本體圖 1.1圖 1.2 機電一體化系統(tǒng)(xtng)的功能 圖 1.3共六十六頁位置,速度檢測單元電機機械部件位置,速度反饋CNC數(shù)控機床伺服系統(tǒng)組成共六十六頁執(zhí)行器控制信息電子控制單元動力源檢測傳感部分機械本體參數(shù)

8、變化信息驅(qū)動力能 量檢測參數(shù)共六十六頁1.機械本體 機電一體化系統(tǒng)(xtng)的機械本體包括機身、框架、連接等。是機電一體化技術(shù)的基礎(chǔ)，對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、重量、體積剛性、耐用性等有重要影響。 強調(diào)精密機械設(shè)計技術(shù)的運用，即利用高、新技術(shù)手段，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上、材料上、性能上的變更，滿足： 減輕重量，減小體積； 提高剛度； 實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化； 提高系統(tǒng)整體的可靠性。 共六十六頁2.動力與驅(qū)動 (能源) 動力部分(b fen)的功能是按照系統(tǒng)控制要求,為系統(tǒng)提供能量和動力,使系統(tǒng)正常運行。用盡可能小的動力輸入獲得盡可能大的功能輸出,是機電一體化產(chǎn)品的顯著特征之一。 驅(qū)動部分的功能是在控制信息作用下

9、提供動力,驅(qū)動各執(zhí)行機構(gòu)完成各種動作和功能。要求(yoqi)：效率高、可靠性好共六十六頁3. 傳感測試部分 傳感測試部分的功能是對系統(tǒng)運行中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進行檢測,生成相應(yīng)的可識別信號,傳輸(chun sh)到信息處理單元,經(jīng)過分析、處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息。這一功能一般由專門的傳感器及轉(zhuǎn)換電路完成。 4. 執(zhí)行機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)的功能是根據(jù)控制信息和指令,完成要求的動作,實現(xiàn)主功能。執(zhí)行機構(gòu)是運動部件,一般采用機械、電磁、電液等機構(gòu)。 要求(yoqi)：體積小、精度高、抗干擾共六十六頁 5. 控制及信息單元 控制及信息單元的功能是將來自各傳感器的檢測信息和外部輸入命令進行

10、集中、儲存、分析、加工(ji gng),根據(jù)信息處理結(jié)果,按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令，控制整個系統(tǒng)有目的地運行。 要求(yoqi)：高可靠性、柔性、智能化共六十六頁共六十六頁1. 3 機電(jdin)一體化系統(tǒng)的功能構(gòu)成機電一體化系統(tǒng)是由若干具有特定功能的機械與微電子要素組成(z chn)的有機整體，具有滿足人們使用要求的功能(目的功能)。根據(jù)不同的使用目的，要求系統(tǒng)能對輸入的物質(zhì)、能量和信息(即工業(yè)三大要素)進行某一處理，輸出所需要的物質(zhì)、能量和信息。因此系統(tǒng)須具有以下三大“目的功能”：變換(加工、處理)功能、傳遞(移動、輸送)功能和儲存(保持、積累、記錄)功能。系統(tǒng)目的功能共六十六

11、頁 不管(bgun)那類系統(tǒng)（或產(chǎn)品），其系統(tǒng)內(nèi)部必須具備如所示的五種內(nèi)部功能，即主功能、動力功能、檢測功能、控制功能、構(gòu)造功能。 系統(tǒng)(xtng)的五種內(nèi)部功能共六十六頁CNC機床內(nèi)部功能(gngnng)構(gòu)成實例共六十六頁機電一體化系統(tǒng)要素(yo s)與人體要素(yo s)的比較機電一體化系統(tǒng)要素功能人體要素控制器（計算機）控制（信息存儲、處理、傳送）頭腦網(wǎng)絡(luò)信息傳遞神經(jīng)檢測、傳感器計測（信息收集與變換）感官執(zhí)行元件驅(qū)動（操作）肌肉動力源提供動力（能量）內(nèi)臟機構(gòu)構(gòu)造骨骼共六十六頁 為實現(xiàn)各子系統(tǒng)或要素之間物質(zhì)、能量或信息交換而進行的連接就是(jish)接口。實際上，機電一體化技術(shù)研究的核心問

12、題就是接口技術(shù)問題。接口技術(shù)的作用： 為實現(xiàn)機械、電子、信息等各異技術(shù)在機電一體化系統(tǒng)中的物質(zhì)、能源、信息的傳遞與轉(zhuǎn)換，達到系統(tǒng)所需的目的功能。接口技術(shù)的功能： 系統(tǒng)輸入/輸出接口信息的匹配。 系統(tǒng)信息的轉(zhuǎn)換、調(diào)整，能源信息匹配。1.4 機電(jdin)一體化構(gòu)成要素之間的連接(接口技術(shù)) 共六十六頁接口耦合與能量轉(zhuǎn)換 （1）變換： 兩個需要進行信息交換和傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)之間,由于信息的模式不同（數(shù)字量與模擬量、串行碼與并行碼、連續(xù)脈沖與序列脈沖等等）,無法直接實現(xiàn)信息或能量的交流(jioli),需要通過接口完成信息或能量的統(tǒng)一。（2）放大： 在兩個信號強度相差懸殊的環(huán)節(jié)間,經(jīng)接口放大,達到能量的匹

13、配。（3）耦合： 變換和放大后的信號在各環(huán)節(jié)間能可靠、快速、準(zhǔn)確地交換,必須遵循一致的時序、信號格式和邏輯規(guī)范。接口具有保證信息的邏輯控制功能,使信息按規(guī)定模式進行傳遞。 （4）能量轉(zhuǎn)換：其執(zhí)行元件包含了執(zhí)行器和驅(qū)動器。該轉(zhuǎn)換涉及到不同類型能量間的最優(yōu)轉(zhuǎn)換方法與原理。 共六十六頁 接口技術(shù)的分類(fn li)：按功能分，接口有兩種：變換、調(diào)整接口和輸入/輸出接口。 具有變換調(diào)整功能的接口（4種）：1、零接口：不進行任何變換和調(diào)整，本子系統(tǒng)的輸出即為另一子系統(tǒng)的輸入，這種接口只起到連接的作用。如插頭、座，輸送管線，傳動軸等。 2、無源接口：只用無源要素進行變換、調(diào)整的接口。如變速箱、變壓器、可變

14、電阻、透鏡等。 3、有源接口：含有有源要素，可以主動進行匹配的接口。如電磁離合器、放大器、光電耦合器等 4、智能接口：帶有微處理器，可以進行程序編制或可適應(yīng)性地改變接口條件(tiojin)。如自動變速裝置、通用輸入/輸出集成電路，STD總線等 。共六十六頁根據(jù)輸入/輸出功能有如下接口形式(4種)：1、機械接口：由輸入/輸出部位的形狀、尺寸、精度、配合、規(guī)格等進行機械聯(lián)接的接口。如聯(lián)軸器、管接頭、法蘭盤等。 2、物理接口：受通過(tnggu)接口的物質(zhì)、能量、信息的具體形態(tài)和物理條件約束的接口。如受電流、電壓、電容、扭矩、頻率、氣壓等約束的接口。 3、信息接口：受規(guī)格、標(biāo)準(zhǔn)、法律、語言、符號等邏

15、輯、軟件約束的接口。如RS232，GB，ISO，ASCII，F(xiàn)ORTRAN，C+等 。4、環(huán)境接口：對周圍環(huán)境條件（溫度、濕度、磁場、振動、水、氣、灰、火、放射）有保護作用的接口。如防塵接頭，防水開關(guān)等。共六十六頁機電一體化系統(tǒng)內(nèi)部(nib)與外部接口 共六十六頁機電(jdin)一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）各構(gòu)成要素之間的相互聯(lián)系 共六十六頁1.5 機電一體化系統(tǒng)(xtng)的評價系統(tǒng)的內(nèi)部功能與系統(tǒng)的價值系統(tǒng)內(nèi)部功能評價參數(shù)系統(tǒng)價值高低主功能系統(tǒng)誤差小大抗干擾能力強弱廢物輸出少多變換效率高低動力功能輸入能量少多能源內(nèi)裝外設(shè)控制功能控制輸入/輸出口個數(shù)多少手動操作少多網(wǎng)絡(luò)功能強弱構(gòu)造功能尺寸、重量小、輕

16、大、重強度高低計測功能精度高低共六十六頁高性能化省能化機電一體化系統(tǒng)高附加值化主功能低價格化高可靠性化計測功能動力功能智能化構(gòu)造功能輕薄短小化控制功能網(wǎng)絡(luò)化機電一體化系統(tǒng)的評價(pngji)內(nèi)容共六十六頁1.6 機電一體化系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù) 1. 機械(jxi)技術(shù) 機械技術(shù)是機電一體化的基礎(chǔ)。 2. 計算機與信息處理技術(shù) 包括信息的輸入、變換、運算、存儲及輸出。 信息處理的工具是計算機，因此信息處理技術(shù)是和計算機技術(shù)緊密相關(guān)，包括硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)與通訊、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等； 機電系統(tǒng)中采用工業(yè)控制計算機進行信息處理，其硬件包括輸入/輸出設(shè)備、顯示器、外部存儲器、主機、可編程控制器、數(shù)控裝置等。共六十六

17、頁3.自動控制技術(shù) 機電系統(tǒng)自動控制包括位置控制、速度控制、力或力矩控制、自校正補償?shù)?，自動控制的基礎(chǔ)是自動控制原理，分為經(jīng)典控制理論(lln)和現(xiàn)代控制理論研究單輸入-單輸出(shch)線性定常系統(tǒng)（以傳傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)）研究多輸入-多輸出非線性、高精度多變量系統(tǒng)（以狀態(tài)方程為基礎(chǔ)）共六十六頁4. 伺服傳動技術(shù)(jsh) 所謂“伺服”（Servo）即“伺候服侍”的意思。 電信號 機械動作 在控制指令的指揮下，控制驅(qū)動元件，使機械運動部件按照指令的要求進行運動，并具有良好的動態(tài)性能。 伺服傳動系統(tǒng)采用的驅(qū)動技術(shù)與使用的執(zhí)行元件有關(guān)。按照執(zhí)行元件的不同分為電氣伺服、液壓伺服、氣壓伺服速度快、控制靈

18、活、可靠性高、應(yīng)用(yngyng)較廣，但低速輸出力矩較小低速輸出力矩大，功率密度大，在大型機床、工程機械、航空航天航海具有優(yōu)勢，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜共六十六頁5. 檢測傳感技術(shù) 是機電一體化系統(tǒng)的感覺器官(gnjuqgun)，即從待測對象獲取信號并送到信息處理部分。 主要內(nèi)容包括：一是將物理量（位移、速度、加速度、力、力矩、溫度等）轉(zhuǎn)換成一定的與其成比例的電量；二是對轉(zhuǎn)換的電信號的加工處理如放大、補償、標(biāo)定。 檢測傳感裝置是實現(xiàn)自動控制的重要環(huán)節(jié)，要求傳感器及其放大處理電路快速、精確地獲取信息，并能夠抗干擾、可靠性高。6.系統(tǒng)總體技術(shù) 從整體的觀點出發(fā)，組織應(yīng)用各種相關(guān)技術(shù)，即從全局和系統(tǒng)目標(biāo)角度，將

19、系統(tǒng)分解成若干功能子系統(tǒng)，對于每個子系統(tǒng)的技術(shù)方案要從整個系統(tǒng)技術(shù)協(xié)調(diào)的觀點考慮，最終使整個系統(tǒng)實現(xiàn)最優(yōu)化。共六十六頁1.7 機電一體化技術(shù)與其它技術(shù)的區(qū)別1.機電一體化技術(shù)與傳統(tǒng)(chuntng)機電技術(shù)的區(qū)別傳統(tǒng)機電技術(shù)的操作控制主要通過具有電磁特性的各種電器來實現(xiàn),如繼電器、接觸器等,在設(shè)計中不考慮或很少考慮彼此間的內(nèi)在聯(lián)系； 機械本體和電氣驅(qū)動界限分明,整個裝置是剛性的,不涉及軟件和計算機控制。機電一體化技術(shù)以計算機為控制中心,在設(shè)計過程中強調(diào)機械部件和電器部件間的相互作用和影響,整個裝置在計算機控制下具有一定的智能性。 共六十六頁2.機電一體化技術(shù)與并行工程的區(qū)別機電一體化技術(shù)將機械

20、技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)和檢測技術(shù)在設(shè)計和制造階段就有機地結(jié)合在一起,十分注意機械和其他部件之間的相互作用。 而并行工程將上述各種技術(shù)盡量在各自范圍內(nèi)齊頭并進,只在不同技術(shù)內(nèi)部進行設(shè)計制造,最后通過簡單疊加完成整體裝置(zhungzh)。3.機電一體化技術(shù)與自動控制技術(shù)的區(qū)別 自動控制技術(shù)的側(cè)重點是討論控制原理、控制規(guī)律、分析方法和自動系統(tǒng)的構(gòu)造等。 機電一體化技術(shù)將自動控制原理及方法作為重要支撐技術(shù),將自控部件作為重要控制部件應(yīng)用自控原理和方法,對機電一體化裝置進行系統(tǒng)分析和性能測算。 共六十六頁4.機電一體化技術(shù)與計算機應(yīng)用技術(shù)的區(qū)別機電一體化技術(shù)只是將計算機作為核心部件應(yīng)用

21、,目的是提高和改善系統(tǒng)性能。計算機在機電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用僅僅是計算機應(yīng)用技術(shù)中的一部分,它還可以在辦公、管理及圖像處理等方面得到廣泛應(yīng)用。機電一體化技術(shù)研究的是機電一體化系統(tǒng),而不是(b shi)計算機應(yīng)用本身。共六十六頁1.8 機電(jdin)一體化系統(tǒng)的設(shè)計方法與類型 1.8.1 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的一般原則原則：從規(guī)范性、通用性、耐環(huán)境性、可靠性、經(jīng)濟性等多方面綜合分析，結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計方法和手段，達到機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的三大目的省能源(nngyun)、省資源、智能化，提高機電產(chǎn)品的附加值和自動化程度。常用的設(shè)計方法：機電互補法 機電結(jié)合（融合）法 機電組合法常見的設(shè)計類型：開發(fā)性設(shè)計 適

22、應(yīng)性設(shè)計 變異性設(shè)計 共六十六頁機電互補法：又稱取代法。該方法特點是利用通用或?qū)Ｓ秒娮硬考?bjin)取代傳統(tǒng)機械產(chǎn)品（系統(tǒng))中的復(fù)雜機械功能部件(bjin)或功能子系統(tǒng)，以彌補其不足。結(jié)合(融合)法：它是將各組成要素有機結(jié)合為一體構(gòu)成專用或通用的功能部件(子系統(tǒng))，其要素之間機電參數(shù)的有機匹配比較充分。組合法：它是將結(jié)合法制成的功能部件(子系統(tǒng))、功能模塊，像積木那樣組合成各種機電一體化系統(tǒng)（品），故稱組合法。常用(chn yn)的設(shè)計方法：共六十六頁機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計類型開發(fā)性設(shè)計：它是沒有參照產(chǎn)品的設(shè)計，僅僅是根據(jù)抽象的設(shè)計原理和要求，設(shè)計出在質(zhì)量和性能方面滿足目的要求的產(chǎn)品或系統(tǒng)。適

23、應(yīng)性設(shè)計：它是在總的方案原理基本保持不變的情況下，對現(xiàn)有產(chǎn)品進行局部(jb)更改，或用微電子技術(shù)代替原有的機械結(jié)構(gòu)或為了進行微電子控制對機械結(jié)構(gòu)進行局部(jb)適應(yīng)性設(shè)計，以使產(chǎn)品的性能和質(zhì)量增加某些附加價值。 變異性設(shè)計：它是在設(shè)計方案和功能結(jié)構(gòu)不變的情況下，僅改變現(xiàn)有產(chǎn)品的規(guī)格尺寸使之適應(yīng)于量的方面有所變更的要求。共六十六頁1.8.2 機電一體化系統(tǒng)(xtng)設(shè)計流程 (1) 根據(jù)目的功能確定產(chǎn)品規(guī)格、性能指標(biāo)。(2) 系統(tǒng)功能部件、功能要素的劃分(3) 接口的設(shè)計 (4) 綜合(zngh)評價(或整體評價)(5) 可靠性復(fù)查(6) 試制與調(diào)試 共六十六頁機電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品) 的設(shè)計(

24、shj)流程共六十六頁1.9 機電(jdin)一體化系統(tǒng)的開發(fā)工程 重點研究(ynji)：系統(tǒng)模塊化設(shè)計；功能組件的外購?fù)鈪f(xié)配套與標(biāo)準(zhǔn)化；專用功能部件（子系統(tǒng)）開發(fā)和研制；專業(yè)化生產(chǎn)方式的優(yōu)勢和特點；設(shè)計能達到高效、高質(zhì)量、高可靠性的設(shè)計制造效果；共六十六頁1.10 機電(jdin)一體化系統(tǒng)設(shè)計與現(xiàn)代設(shè)計方法 現(xiàn)代設(shè)計方法：以計算機為輔助手段進行系統(tǒng)（產(chǎn)品）設(shè)計方法 的總稱。 機電一體化設(shè)計方法與現(xiàn)代設(shè)計方法的融合是優(yōu)質(zhì)、高效、快速實現(xiàn)機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）設(shè)計的有效方法和基本條件。 計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAN） 并行工程設(shè)計全壽命周期設(shè)計 虛擬產(chǎn)品設(shè)計與實現(xiàn) 快速響應(yīng)設(shè)計 綠色環(huán)

25、保(hunbo)產(chǎn)品設(shè)計 反求設(shè)計 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同合作設(shè)計 共六十六頁1.11 機電(jdin)一體化的發(fā)展趨勢1. 20世紀(jì)60年代前為第一階段，“萌芽階段” 工程師們自覺或者不自覺地把機械產(chǎn)品和電子技術(shù)相結(jié)合，以提高機械產(chǎn)品的性能。但是由于電子技術(shù)的發(fā)展相對落后，使得機械與電子的結(jié)合還沒有得到廣泛的應(yīng)用。2. 70年代到80年代為第二階段，“蓬勃發(fā)展階段” 計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)這個時期的特點是：Mechatronics一詞首先在日本被普遍(pbin)接受，大約到20世紀(jì)80年代末期在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認；機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展

26、；各國均開始對機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品給以很大的關(guān)注和支持。 共六十六頁3.90年代后期開始為第三階段，“智能化階段” 光學(xué)、通信技術(shù)等進入了機電一體化，微細加工技術(shù)也在機電一體化中嶄露頭腳，出現(xiàn)了光機電一體化和微機電一體化等新分支； 對機電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計、分析和集成方法，機電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢都進行了深入研究。 由于人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光纖技術(shù)等領(lǐng)域取得的巨大進步，為機電一體化技術(shù)開辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，將促使(csh)機電一體化進一步建立完整的基礎(chǔ)和逐漸形成完整的科學(xué)體系。 共六十六頁1. 數(shù)控機床的問世，寫下了“機電一體化”歷史的第一頁。2. 微電子技術(shù)為“機電

27、一體化”帶來勃勃生機。 3. 可編程序控制器、電力電子等的發(fā)展為機電一體化提供了堅強基礎(chǔ)。4. 激光技術(shù)、模糊技術(shù)、信息技術(shù)等新技術(shù)使”機電一體化“躍上新臺階。 因此，機電一體化的主要(zhyo)發(fā)展方向如下：（1）智能化 （2）模塊化 （3）網(wǎng)絡(luò)化（4）微型化 （5）綠色化 （6）人性化1.11 機電(jdin)一體化的發(fā)展趨勢共六十六頁1 智能化: 智能化是21世紀(jì)機電一體化技術(shù)發(fā)展的一個重要發(fā)展方向。人工智能在機電一體化建設(shè)者的研究日益得到重視，機器人與數(shù)控機床的智能化就是重要應(yīng)用。這里所說的“智能化”是對機器行為的描述，是在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運籌學(xué)、計算機科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、

28、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動力學(xué)等新思想(sxing)、新方法，模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標(biāo)。 機電一體化的智能化趨勢包括以下幾個方面： （1）診斷過程的智能化。診斷功能強弱是評價系統(tǒng)性能的重要智能指標(biāo)之一。 （2）人機接口的智能化。智能化的人機接口,可以大大簡化操作過程,這里包含多媒體技術(shù)在人機接口智能化中的有效應(yīng)用。（3）自動編程的智能化。操作者只需輸入加工工件素材的形狀和需加工形狀的數(shù)據(jù),加工程序就可全部自動生成,這里包含： 素材形狀和加工形狀的圖形顯示； 自動工序的確定； 使用刀具、切削條件的自動確定； 刀具使用順序的變更； 任意路徑的編輯

29、； 加工過程干涉校驗等。 （4）加工過程的智能化。 共六十六頁2 模塊化: 由于機電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機械接口、電氣接口、動力接口、環(huán)境接口的機電一體化產(chǎn)品單元是一項十分復(fù)雜但又是非常重要的事。這需要制定各項標(biāo)準(zhǔn)，以便各部件、單元的匹配和接口。由于利益沖突，近期很難制定國際或國內(nèi)這方面的標(biāo)準(zhǔn)，但可以通過組建一些大企業(yè)逐漸形成。顯然，從電氣產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化帶來的好處可以肯定，無論是對生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)機電一體化單元的企業(yè)還是對生產(chǎn)機電一體化產(chǎn)品的企業(yè)，規(guī)?；瘜⒔o機電一體化企業(yè)帶來美好的前程。 3 網(wǎng)絡(luò)化: 20世紀(jì)90年代，計算機技術(shù)等的突出成就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。機電一體化新產(chǎn)

30、品一旦研制出來，只要其功能獨到，質(zhì)量可靠，很快就會暢銷全球。由于網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾，而遠程控制的終端設(shè)備本身(bnshn)就是機電一體化產(chǎn)品。因此，機電一體化產(chǎn)品無疑朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。共六十六頁4 微型化 微型化興起于20世紀(jì)80年代末，指的是機電一體化向微型機器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。國外稱其為微電子機械系統(tǒng)（MEMS），泛指幾何尺寸不超過1cm3的機電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級發(fā)展。微機電一體化產(chǎn)品體積小 、耗能少、運動靈活，在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢。微機電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機械技術(shù)，微機電一體化產(chǎn)品的加工采用精細加工技術(shù)，即超

31、精密技術(shù)，它包括光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)兩類。5 系統(tǒng)化 系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征(tzhng)之一就是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進一步采用開放式和模式化的總線結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可以靈活組態(tài)，進行任意剪裁和組合，同時尋求實現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和綜合管理。表現(xiàn)之二是通信功能的大大加強，一般除RS232外，還有RS485等等。共六十六頁6. 新型的MEMS微機電系統(tǒng) 微機電系統(tǒng)MEMS (Micro Electronic Mechanical Systems)是一種全新的必須同時考慮多種物理場混合作用的研發(fā)領(lǐng)域，相對于傳統(tǒng)的機械，它們(t men)的尺寸更小，最大的不超過一個厘米，甚至僅僅為幾個微米，其厚度就更加微小。MEMS特點可以總結(jié)如下：（1） 微型化：MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時間短。 （2） 集成化：微傳感器、微執(zhí)行器和IC集成在一起可以制造出高可靠性和高穩(wěn)定性的智能化MEMS。（3） 多學(xué)