機電一體化技術(shù)第一章概述

1、機電(jdin)一體化技術(shù)機電(jdin)工程學(xué)院 李壘Mobilemail ：Office: 理工樓2413共四十三頁教學(xué)方法與考核方式教學(xué)方法：課堂教學(xué) 、實驗教學(xué)、自學(xué)、 課后答疑(d y)教學(xué)課時：理論9學(xué)時，實驗6個考核方式：期末考試（70%） 平時成績、出勤率、作業(yè)、課堂提問、（10%） 實驗（20%）共四十三頁第1章 引論(yn ln) 1.1 概述(i sh)1.2 機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計1.3 機電一體化的發(fā)展趨勢 共四十三頁1.1 概述(i sh)1.1.1 引言 機電一體化技術(shù)是20世紀(jì)60年代后在傳統(tǒng)的機械技術(shù)基礎(chǔ)上，隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)，特

2、別是自動控制技術(shù)、信息技術(shù)及系統(tǒng)工程技術(shù)等的迅速發(fā)展(fzhn)而發(fā)展(fzhn)起來的一門新技術(shù)。 “機電一體化”一詞的英文名詞是“Mechatronics”,它是取Mechanics（機械學(xué)）的前半部分和Electronics（電子學(xué)）的后半部分拼合而成的。共四十三頁共四十三頁 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)等群體技術(shù)，從系統(tǒng)的觀點(gundin)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)，對各組成要素及其間的信息處理、接口耦合、運動傳遞、物質(zhì)運動、能量變換機理進(jìn)行研究，使得整個系統(tǒng)有機結(jié)合與綜合集成，

3、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、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)。共四十三頁機電一體化技術(shù)：從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，將機械(jxi)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 簡單的疊加，而是在信息論、 控制論和系統(tǒng)論的基礎(chǔ)上建 立起來的應(yīng)用技術(shù)，特別是 微電子技術(shù)是其發(fā)展的物質(zhì) 基礎(chǔ)機電一體化信息科學(xué)機械學(xué)電子學(xué) 兩個顯著特征： ）系統(tǒng)的科學(xué)性 ）學(xué)科(xuk)綜合性和技術(shù)集成性共四十三頁機電(jdin)一體化一

4、般包含機電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))和機電一體化技術(shù)兩層含義。典型的機電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))有： 加工制造業(yè)：數(shù)控機床、機器人 家用電器：洗衣機 航空航天設(shè)備：雷達(dá)、飛船 醫(yī)療儀器設(shè)備：CT、分析儀 汽車業(yè)： 其他：、電子排版印刷系統(tǒng)、CADCAM系統(tǒng)等。 機電一體化技術(shù)：共性關(guān)鍵技術(shù)共四十三頁數(shù)控機床(sh kn j chun)共四十三頁焊接(hnji)機器人共四十三頁汽車(qch)防抱死系統(tǒng)(ABS)共四十三頁 機電一體化產(chǎn)品的特點(tdin)： 1、整體結(jié)構(gòu)最優(yōu)化（小型輕量） 2、系統(tǒng)控制的智能化（“傻瓜”相機） 3、操作性能柔性化（靈活性和適應(yīng)性,柔性生產(chǎn)線） 機電一體化技術(shù)與其他高新技術(shù)的關(guān)系

5、： 1、機電一體化技術(shù)是其他高新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)； 2、機電一體化的發(fā)展依賴于其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。共四十三頁位置,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1.1.2 機電一體化系統(tǒng)的基本(jbn)組成要素共四十三頁執(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)變化信息驅(qū)動力能 量檢測參數(shù)共四十三頁典型的機電一體化系統(tǒng)應(yīng)包含以下幾個基本要素： 1、機械本體 機身、框架(kun ji)、機械聯(lián)接等產(chǎn)品支持機構(gòu)，實現(xiàn)構(gòu)造功能 要求：可靠、小型、美觀 2、動力與驅(qū)動部分 提供能量，轉(zhuǎn)換成需要的形式，實現(xiàn)動力功能 要求：效率高、適應(yīng)性好、可靠性高 3、傳感測試部分 檢測產(chǎn)

6、品內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境，實現(xiàn)計測功能 要求：體積小、精度高、抗干擾能力強共四十三頁 4、執(zhí)行機構(gòu) 包括機械傳動與操作機構(gòu)，接收控制信息，完成要求(yoqi)的 動作，實現(xiàn)主功能。 常用執(zhí)行機構(gòu)：機械、電磁、電液等機構(gòu) 5、控制及信息處理單元 處理、運算、決策，實現(xiàn)控制功能 要求：高可靠性、柔性、智能化共四十三頁圖1-1 機電一體化系統(tǒng)的組成要素及功能 (a） 機電一體化系統(tǒng)的組成要素; (b） 機電一體化系統(tǒng)的功能通過(tnggu)接口耦合來實現(xiàn)運動傳遞、信息控制、能量轉(zhuǎn)換等有機融合的一個完整系統(tǒng)。遵循四大原則：接口耦合、能量傳遞、信息傳遞、運動傳遞共四十三頁 6、接口耦合與能量轉(zhuǎn)換 （1）變換

7、：通過接口完成信息或能量的統(tǒng)一的過程。 如：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 （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(dá)到能量的匹配 如：電液閥 （3）耦合： 變換和放大后的信號必須遵循一致的時序、信號格式和邏輯規(guī)范。接口具有(jyu)保證信息的邏輯控制功能,使信息按規(guī)定模式進(jìn)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 如：電動機、液壓泵共四十三頁 7、信息傳遞 系統(tǒng)控制單元作為智能組成要素,在軟、硬件的保證下,完成數(shù)據(jù)采集、分析、判斷、決策功能,以達(dá)到信息控制的目的(md)。 8、運動傳遞運動傳遞是指運動各組成環(huán)節(jié)之間的不同類型運動的變換與

8、傳輸,如位移變換、速度變換、加速度變換及直線運動和旋轉(zhuǎn)運動變換等。運動傳遞還包括以運動控制為目的的運動優(yōu)化設(shè)計,以提高系統(tǒng)的伺服性能。 共四十三頁1.1.3 機電一體化系統(tǒng)的技術(shù)組成 1、機械技術(shù) 機械技術(shù)是機電一體化的基礎(chǔ)。實現(xiàn)機電一體化產(chǎn)品的主功能和構(gòu)造功能，影響系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、重量、體積、剛性、可靠性等。 2、計算機與信息處理技術(shù) 主要完成(wn chng)信息的交換、存取、運算、判斷和決策等.其主要工具是計算機 要求：信息處理速度快、運行可靠、抗干擾能力強傳感器A/D計算機D/A執(zhí)行裝置共四十三頁3、自動控制技術(shù) 關(guān)于軟件方面的技術(shù)，主要以控制理論為指導(dǎo)，對控制系統(tǒng)設(shè)計、仿真、現(xiàn)場調(diào)試、可

9、靠運行等 機電自動控制技術(shù)是機電一體化中的關(guān)鍵技術(shù)。4、傳感與檢測技術(shù) 研究(ynji)對象：傳感器及其信號檢測裝置（即變送器） 作用：感受器官、反饋環(huán)節(jié)。 要求：快速、精確地獲得信息并在相應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境中 傳感與檢測是實現(xiàn)自動控制、自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),它的功能越強,系統(tǒng)的自動化程度就越高。共四十三頁5、伺服傳動技術(shù) 研究對象：執(zhí)行元件及其驅(qū)動裝置 執(zhí)行元件種類：電動、液壓、氣壓 驅(qū)動裝置：各種電動機的驅(qū)動電源電路(dinl) 6、系統(tǒng)總體技術(shù) 系統(tǒng)總體技術(shù)是一種從整體目標(biāo)出發(fā),用系統(tǒng)的觀點和全局角度,將總體分解成相互有機聯(lián)系的若干單元,找出能完成各個功能的技術(shù)方案,再對組成方案組進(jìn)行分析、評價

10、和優(yōu)選的綜合應(yīng)用技術(shù)。 解決問題：系統(tǒng)的性能優(yōu)化問題和組成要素之間的有機聯(lián)系問題, 使整個系統(tǒng)很好的協(xié)調(diào)的正常運行 相關(guān)內(nèi)容：機械技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計、CAD/CAM技術(shù)、可靠性設(shè)計、價值工程等 接口技術(shù)是系統(tǒng)總體技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)：有電氣接口、人機接口、機械接口等。共四十三頁1.1.4 機電一體化技術(shù)(jsh)與其他技術(shù)(jsh)的區(qū)別1、機電一體化技術(shù)與傳統(tǒng)機電技術(shù)的區(qū)別 傳統(tǒng)機電技術(shù)：操作控制主要通過具有電磁特性的電器來實現(xiàn),如繼電器、接觸器等； 機械本體和電氣驅(qū)動界限分明, 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

11、在計算機控制下具有一定的智能性。 共四十三頁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。 并行工程：各自范圍內(nèi)齊頭并進(jìn),只在不同技術(shù)內(nèi)部進(jìn)行設(shè)計制造,最后通過簡單疊加完成整體裝置。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)：側(cè)重討論控制原理、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)：自動控制原理及方法為重要(zhngyo)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(jìn)行系統(tǒng)分析和性能測算 共四十三頁4.機電一體

12、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,目的是提高和改善系統(tǒng)性能，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。 計算機應(yīng)用技術(shù)：機電一體化系統(tǒng)中僅僅是計算機應(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)用思考：機電一體化系統(tǒng)與人體的對應(yīng)關(guān)系？共四十三頁共四十三頁1.2 機電(jdin)一體化系統(tǒng)的設(shè)計1.2.1 機電一體化系統(tǒng)(xtng)的分類共四十三頁 1、開環(huán)控制 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)。 特點：結(jié)構(gòu)簡單, 成本低, 維修方便；但精度(jn d)較低,對輸出和干擾沒有診斷能力。 應(yīng)用場合：常用于精

13、度要求不高的場合，如家用電器、簡易NC機床。共四十三頁 2、閉環(huán)控制 閉環(huán)控制系統(tǒng)中，輸出信號由反饋環(huán)節(jié)與輸入信號比較，經(jīng)控制器分析處理，從而實現(xiàn)對輸出的補償。 特點：精度高抗干擾能力強，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高。 應(yīng)用場合(chng h)：現(xiàn)代機電一體化系統(tǒng)常采用閉環(huán)控制，如數(shù)控機床，機器人，雷達(dá)等。共四十三頁1.2.2 機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）開發(fā)的類型1、開發(fā)性設(shè)計2、適應(yīng)性設(shè)計3、變參數(shù)設(shè)計1.2.3 機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）設(shè)計方案的常用方法 1、取代法取代法就是用電氣控制取代原系統(tǒng)中的機械控制機構(gòu)。該方法是改造(gizo)舊產(chǎn)品或?qū)υ到y(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造常用的方法，也是改造傳統(tǒng)機械產(chǎn)品的常用方法。

14、 共四十三頁2、整體設(shè)計法整體設(shè)計法主要用于新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計。在設(shè)計時完全從系統(tǒng)的整體目標(biāo)出發(fā),考慮各子系統(tǒng)的設(shè)計。 3、組合法組合法就是選用各種標(biāo)準(zhǔn)功能模塊組合設(shè)計成機電一體化系統(tǒng)。例如,設(shè)計一臺數(shù)控機床(sh kn j chun),可以依據(jù)機床的性能要求,通過對不同廠家的計算機控制單元、伺服驅(qū)動單元、位移和速度測試單元及主軸、導(dǎo)軌、刀架、傳動系統(tǒng)等產(chǎn)品的評估分析,研究各單元間接口關(guān)系和各單元對整機性能的影響,通過優(yōu)化設(shè)計確定機床的結(jié)構(gòu)組成。 共四十三頁1.2.4 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計：即用系統(tǒng)思維(swi)綜合運用各有關(guān)學(xué)科的知識、技術(shù)和經(jīng)驗,在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上,通過總體研究和詳細(xì)設(shè)

15、計,實現(xiàn)滿足設(shè)計目標(biāo)的產(chǎn)品研發(fā)過程。基本原則： 1）使設(shè)計工作獲得最優(yōu)化效果 2）在保證目的功能要求與適當(dāng)使用壽命的前提下不斷降低成本。過程： “目標(biāo)功能結(jié)構(gòu)效果”的多次分析與綜合的過程 設(shè)計步驟通常如下：設(shè)計預(yù)測信號分析科學(xué)類比系統(tǒng)分析設(shè)計創(chuàng)造設(shè)計選擇各種具體的現(xiàn)代設(shè)計方法（如相似設(shè)計法、模擬設(shè)計法、有限元法、可靠性設(shè)計法、動態(tài)分析法、優(yōu)化設(shè)計法、模糊設(shè)計法等）機電一體化系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量的綜合評價。 共四十三頁1.2.5 機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的工程路線各種( zhn)機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的研究、開發(fā)、生產(chǎn)及銷售的過程各自有其自身特點,歸納其基本規(guī)律,機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的工程路線如圖1-2

16、所示。 共四十三頁1.3 機電(jdin)一體化的發(fā)展趨勢 1.3.1 機電一體化的技術(shù)現(xiàn)狀 機電一體化占據(jù)主導(dǎo)地位是制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢,而制造產(chǎn)業(yè)是整個科學(xué)技術(shù)和國家經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)工業(yè),因而機電一體化在當(dāng)前激烈的國際政治、軍事(jnsh)、經(jīng)濟競爭中起著舉足輕重的作用,受到各工業(yè)國家的極大重視。 （1）技術(shù)發(fā)展 （2）資金支持共四十三頁日本將智能傳感器,計算機芯片制造技術(shù),具有視頻、觸覺(chju)和人機對話能力的人工智能工業(yè)機器人,柔性制造系統(tǒng)等,列為高技術(shù)領(lǐng)域的重大研究課題。 西歐高技術(shù)發(fā)展規(guī)劃“尤里卡”計劃,提出五大關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域,其中包括研制可自由行動、決策并易于人機對話的歐洲第三

17、代安全民用機器人,廣泛合作研究計算機輔助設(shè)計、制造、生產(chǎn)、管理的柔性系統(tǒng),實現(xiàn)工廠全面自動化等機電一體化研究方向。1991年3月,美國國家關(guān)鍵技術(shù)委員會提交的年度報告國家關(guān)鍵技術(shù)中,列舉了22項對于美國國家經(jīng)濟繁榮和國防安全至為關(guān)鍵的技術(shù),其中包括機器人、傳感器、控制技術(shù)和CIMS及與CIMS相關(guān)的其他工具和技術(shù)。 共四十三頁技術(shù)密集型的高技術(shù)發(fā)展初期投資大、回收少,多數(shù)國家政府(zhngf)給予資金支持和必要的政策優(yōu)惠。 如前西德19841988年的五年計劃確定,提供5.3億馬克用于資助計算機輔助設(shè)計和制造的應(yīng)用,擴大工業(yè)機器人、軟件操作系統(tǒng)和外圍設(shè)備的工業(yè)基礎(chǔ)等先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用。日本政府

18、早在1971年,已把數(shù)控機床作為重點扶植對象，1978年后開展了高精度高性能機器人的研究，先后投資400多億日元。 共四十三頁美國1983年制定的“星球大戰(zhàn)（SDI）”計劃投資1000億美元以發(fā)展高技術(shù),其中也包括發(fā)展空間機器人、核能機器人、軍事機器人及工業(yè)機器人等相關(guān)技術(shù)。美國國家科學(xué)基金會（NST）每年投資100萬美元,國家標(biāo)準(zhǔn)局（NBS）每年投資150萬美元用于發(fā)展相關(guān)技術(shù)。國家規(guī)劃和支持對美國機器人技術(shù)的發(fā)展起了很大的推動作用。 我國是發(fā)展中國家,與發(fā)達(dá)國家相比工業(yè)技術(shù)水平存在一定差距,但有廣闊的機電一體化應(yīng)用(yngyng)開拓領(lǐng)域和技術(shù)產(chǎn)品潛在市場。 共四十三頁1986年開始實施的

19、“八六三”計劃，將自動化技術(shù)，重點是CIMS和智能機器人技術(shù)等機電一體化前沿技術(shù)確定為國家高技術(shù)重點研究發(fā)展領(lǐng)域。近年來,我國已研制成功了用于噴漆、焊接、搬運以及能前后行走的、能爬墻、能上下臺階(tiji)、能在水下作業(yè)的多種類型機器人。CIMS研究方面,我國已在清華大學(xué)建成國家CIMS工程研究中心（ERC）,在一些著名大學(xué)和研究單位建立了7個CIMS單元技術(shù)實驗室和8個CIMS培訓(xùn)中心,在國家立項實施CIMS的企業(yè)已達(dá)70余家。我國在制造業(yè)機電一體化的研究和應(yīng)用方面積累了一定的經(jīng)驗, 將推動機電一體化技術(shù)向更高層次縱深發(fā)展。共四十三頁1.3.2 機電一體化的發(fā)展趨勢1、機電一體化的高性能化

20、高性能化一般包含高速化、高精度、高效率和高可靠性。隨著專用集成電路特別是超大規(guī)模集成電路的發(fā)展其性能將更高。 2、機電一體化的智能化趨勢 人工智能(rn n zh nn)在機電一體化技術(shù)中的研究日益得到重視,機器人與數(shù)控機床的智能化就是其重要應(yīng)用。共四十三頁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。診斷功能的強弱是評價一個系統(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