機(jī)械工程導(dǎo)論第七講

第講七機(jī)電一體化技術(shù)教學(xué)基本要求1、掌握機(jī)電一體化的基本概念、基本原理和基本知識。3、初步掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和綜合集成技巧，了解機(jī)電一體化總體方案的分析和設(shè)計(jì)。2、了解典型機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的構(gòu)成、原理、性能和使用。機(jī)電一體化技術(shù)第講七機(jī)電一體化技術(shù)第講七機(jī)電一體化技術(shù)即結(jié)合應(yīng)用機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)于一體。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，機(jī)電一體化技術(shù)獲得了前所未有的發(fā)展，成為一門綜合計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、伺服傳動技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等交叉的系統(tǒng)技術(shù)。機(jī)電一體化，Mechatronics，是日本人在20世紀(jì)70年代初提出來的，它是將英文Mechanics的前半部分和Electronics的后半部分結(jié)合在一起構(gòu)成的一個新詞，意思是機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。這一名稱已經(jīng)得到包括我國在內(nèi)的世界各國的承認(rèn)，我國的工程技術(shù)人員習(xí)慣上把它譯為機(jī)電一體化技術(shù)。機(jī)電一體化技術(shù)第講七本章主要內(nèi)容第講七一、機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展史二、機(jī)電一體化技術(shù)與其它技術(shù)的區(qū)別三、機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成四、機(jī)電一體化技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)五、機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)第講七六、機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢一、機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展史第講七機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展大體上可分為三個階段20世紀(jì)70年代至80年代為第二階段——“蓬勃發(fā)展階段”從20世紀(jì)90年代后期開始為第三階段——“智能化階段”20世紀(jì)60年代以前為第一階段——“萌芽階段”一、機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展史第講七六十年代，日本通產(chǎn)省為擴(kuò)大機(jī)械功能，在機(jī)械上采用電氣和電子技術(shù)，曾結(jié)合數(shù)控機(jī)床做過不少實(shí)驗(yàn)，但未能獲得成功。七十年代，微電子技術(shù)成熟，微機(jī)商品化，大規(guī)模集成電路問世，構(gòu)成微機(jī)的基本單元CPU、ROM、RAM和接口電路已經(jīng)模塊化，機(jī)電一體化得以現(xiàn)實(shí)。1971年，日刊工業(yè)新聞社發(fā)行《機(jī)電一體化入門》和《機(jī)電一體化》月刊，專門刊載機(jī)電一體化新產(chǎn)品。1976年，機(jī)電一體化，Mechatronics，由日本人命名。1971到1978年日本政府頒發(fā)“機(jī)電法”和“機(jī)信法”，對機(jī)電一體化的發(fā)展起到積極推動作用。八十年代，在“機(jī)信法”指導(dǎo)下，機(jī)電一體化的產(chǎn)品如雨后春筍不斷涌現(xiàn)。九十年代，集成度提高，價格下降，機(jī)電一體化技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到迅猛發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)遍及社會各個領(lǐng)域。全盛時期開始。一、機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展史第講七機(jī)電一體化的定義在日本多種多樣。但最具有指導(dǎo)性的定義是日本機(jī)械振興協(xié)會經(jīng)濟(jì)研究所提出的。1、日本關(guān)于Mechatronics的定義機(jī)電一體化這個詞乃是在機(jī)構(gòu)的主功能、動力功能、信息與控制功能上引進(jìn)了電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子設(shè)備以及軟件等有機(jī)結(jié)合而成的系統(tǒng)的總稱。一、機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展史第講七美國是機(jī)電一體化產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用的最早的國家。如世界上第一臺數(shù)控機(jī)床(1952）、第一個工業(yè)機(jī)器人（1962）。2、美國關(guān)于現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)的定義“由計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)與控制的,用于完成包括機(jī)械力、運(yùn)動和能量流等動力學(xué)任務(wù)的機(jī)械和機(jī)電部件相互聯(lián)系的系統(tǒng)”。美國機(jī)械工程師協(xié)會的一個專家組于1984年在給美國國家科學(xué)基金會的報告中，提出了現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)的定義。一、機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展史第講七3、我國對機(jī)電一體化的理解

機(jī)電一體化是機(jī)電一體化技術(shù)及其產(chǎn)品的統(tǒng)稱,還將柔性制造系統(tǒng)(FMS)(FlexibleManufacturingSystem)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)(ComputerIntegratedManufacturingSystem)包括在內(nèi)。機(jī)電一體化是在機(jī)械產(chǎn)品中的機(jī)構(gòu)主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進(jìn)電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù),并將機(jī)械裝置和電子設(shè)備以及計(jì)算機(jī)軟件等有機(jī)結(jié)合起來構(gòu)成的系統(tǒng)總稱。第講七二、與其它技術(shù)的區(qū)別1、機(jī)電一體化技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)電技術(shù)的區(qū)別

傳統(tǒng)機(jī)電技術(shù)的操作控制主要是通過具有電磁特性的各種電器來實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)中不考慮或很少考慮彼此間的內(nèi)在聯(lián)系；機(jī)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(jì)算機(jī)控制。

機(jī)電一體化技術(shù)以計(jì)算機(jī)為控制中心，在設(shè)計(jì)過程中強(qiáng)調(diào)機(jī)械部件和電器部件間的相互作用和影響，整個裝置在計(jì)算機(jī)控制下具有一定的智能性。2、機(jī)電一體化技術(shù)與并行工程的區(qū)別機(jī)電一體化技術(shù)將機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和檢測技術(shù)在設(shè)計(jì)和制造階段就有機(jī)地結(jié)合在一起，十分注意機(jī)械和其他部件之間的相互作用。

并行工程將上述各項(xiàng)技術(shù)盡量在各自范圍內(nèi)齊頭并進(jìn)，只在不同技術(shù)內(nèi)部進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，最后通過簡單疊加完成整體裝置。第講七二、與其它技術(shù)的區(qū)別第講七二、與其它技術(shù)的區(qū)別3、機(jī)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(diǎn)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(jī)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)用自動控制原理和方法，對機(jī)電一體化裝置進(jìn)行分析和性能測算。第講七二、與其它技術(shù)的區(qū)別4、機(jī)電一體化技術(shù)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的區(qū)別

機(jī)電一體化技術(shù)只是將計(jì)算機(jī)作為核心部件應(yīng)用，目的是提高和改善系統(tǒng)性能。其研究的是機(jī)電一體化系統(tǒng)，而不是計(jì)算機(jī)應(yīng)用本身。

計(jì)算機(jī)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用僅僅是計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的一部分，計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)還可以在其他方面得到應(yīng)用。三、機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成第講七機(jī)電一體化系統(tǒng)一般由結(jié)構(gòu)組成要素、動力組成要素、運(yùn)動組成要素、感知組成要素、智能組成要素等有機(jī)結(jié)合而成。機(jī)械本體（結(jié)構(gòu)組成要素）是系統(tǒng)的所有功能要素的機(jī)械支持結(jié)構(gòu)，一般包括有機(jī)身、框架、支撐、聯(lián)接等。動力驅(qū)動部分（動力組成要素）依據(jù)系統(tǒng)控制要求，為系統(tǒng)提供能量和動力以使系統(tǒng)正常運(yùn)行。測試傳感部分（感知組成要素）對系統(tǒng)的運(yùn)行所需要的本身和外部環(huán)境的各種參數(shù)和狀態(tài)進(jìn)行檢測，并變成可識別的信號，傳輸給信息處理單元，經(jīng)過分析、處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息。第講七控制及信息處理部分（智能組成要素）將測試傳感部分的信息及外部直接輸入的指令進(jìn)行集中、存儲、分析、加工處理后，按照信息處理結(jié)果和規(guī)定的程序與節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令，控制整個系統(tǒng)有目的的運(yùn)行。執(zhí)行機(jī)構(gòu)（運(yùn)動組成要素）根據(jù)控制及信息處理部分發(fā)出的指令，完成規(guī)定的動作和功能。三、機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成第講七執(zhí)行器控制信息控制與信息單元動力源檢測傳感部分機(jī)械本體參數(shù)變化信息驅(qū)動力能量檢測參數(shù)機(jī)電一體化系統(tǒng)各部分的關(guān)聯(lián)關(guān)系三、機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成第講七動力系統(tǒng)控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)檢測部分機(jī)械本體大腦內(nèi)臟五官手腳骨骼機(jī)電一體化系統(tǒng)各部分與人體器官的等效關(guān)系三、機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成四、機(jī)電一體化技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)第講七

機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械技術(shù)、信息處理技術(shù)、傳感與檢測技術(shù)、自動控制技術(shù)、伺服傳動技術(shù)、系統(tǒng)整體技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程的一種高新技術(shù)。機(jī)電一體化技術(shù)從系統(tǒng)的觀點(diǎn)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(yùn)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(yùn)動傳遞、物質(zhì)運(yùn)動、能量變換機(jī)理進(jìn)行研究，使得整個系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合和綜合集成，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(yùn)動，在高質(zhì)量、高精度、高可靠性、低能耗意義上實(shí)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)。第講七1、機(jī)械技術(shù)內(nèi)涵：指機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造。作用：完成機(jī)電一體化系統(tǒng)間的連接以及如何與機(jī)電一體化的其它技術(shù)相適應(yīng)，并利用其它技術(shù)來更新概念，從而實(shí)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)、材料、性能上的變更，以滿足減少重量、縮小體積、提高精度、提高剛度、改善性能的要求。四、機(jī)電一體化技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)第講七四、機(jī)電一體化技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)2、信息處理技術(shù)

內(nèi)涵：信息的變換、存取、運(yùn)算、判斷和決策；計(jì)算機(jī)的軟件技術(shù)和硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。此外，人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等也屬于該范疇。作用：是促進(jìn)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展和變革最活躍的因素。第講七四、機(jī)電一體化技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)3、傳感與檢測技術(shù)內(nèi)涵：研究如何將各種物理量轉(zhuǎn)換成與之成比例的電量，研究對轉(zhuǎn)換的電信號的加工處理。作用：傳感與檢測裝置是機(jī)電一體化系統(tǒng)的感覺器官，它與信息系統(tǒng)的輸入端相連，并將檢測到的信號輸送到信息處理部分，是實(shí)現(xiàn)自動控制、自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。第講七四、機(jī)電一體化技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)4、自動控制技術(shù)

內(nèi)涵：基本控制理論，對具體控制裝置或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)仿真、現(xiàn)場調(diào)試、投入運(yùn)行。作用：實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)的目標(biāo)最優(yōu)化，提高產(chǎn)品的