第1章 機電一體化概論

機電一體化技術(shù)中南大學(xué)機電工程學(xué)院張友旺第一章概論1.1

機電一體化基本概念1.2機電一體化發(fā)展概況1.3機電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成1.4機電一體化共性關(guān)鍵技術(shù)1.5機電一體化系統(tǒng)設(shè)計1.6機電一體化對機械工業(yè)的影響1.7機電一體化的發(fā)展1.1基本概念機電一體化技術(shù)：基于系統(tǒng)的觀點，將機械、微電子、信息與控制等技術(shù)有機地加以綜合，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)上有機結(jié)合而建立起來的應(yīng)用技術(shù)機電一體化信息與控制科學(xué)機械學(xué)電子學(xué)機電一體化一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))：數(shù)控機床、機器人、汽車電子化產(chǎn)品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統(tǒng)、CAD／CAM系統(tǒng)等。機電一體化中包含的關(guān)鍵技術(shù)在第四節(jié)中詳細介紹。1.1基本概念數(shù)控銑床數(shù)控車床焊接機器人汽車防抱死系統(tǒng)(ABS)1.2發(fā)展概況1.20世紀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年代末為第二階段，“蓬勃發(fā)展階”

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：①mechatronics一詞首先在日本被普遍接受，大約到20世紀80年代末期在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認；②機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展；③各國開始對機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品給予很大的關(guān)注和支持。

3.90年代后期開始為第三階段，“智能化階段”

①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；②機電一體化在系統(tǒng)建模分析、設(shè)計和集成方法以及學(xué)科體系和發(fā)展趨勢兩方面進行了深入研究。③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。

1.2發(fā)展概況相關(guān)技術(shù)的發(fā)展對機電一體化的促進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。1.2發(fā)展概況1.3機電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成

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1.3機電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成執(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)1、機械本體機身、框架、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、能源提供能量，轉(zhuǎn)換成需要的形式，實現(xiàn)動力功能。要求：效率高、可靠性好1.3機電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成3、檢測傳感裝置

檢測產(chǎn)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5、執(zhí)行機構(gòu)

包括機械傳動與操作機構(gòu)，接收控制信息，完成要求的動作，實現(xiàn)主功能。

要求：高性能、高精度、高效率1.3機電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成4、電子控制單元處理、運算、決策，實現(xiàn)控制功能。要求：高可靠性、柔性、智能化。機電一體化系統(tǒng)具有的主要功能要素

主功能、信息功能、控制功能、動力功能、構(gòu)造功能。以及各子系統(tǒng)的匹配技術(shù)（核心）—

接口技術(shù)。

機電系統(tǒng)五種內(nèi)部功能構(gòu)成CNC機床內(nèi)部功能構(gòu)成1.4共性關(guān)鍵技術(shù)1檢測傳感技術(shù)2信息處理技術(shù)3自動控制技術(shù)4伺服驅(qū)動技術(shù)5機械技術(shù)6系統(tǒng)總體技術(shù)1、檢測傳感技術(shù)作用：感受器官、反饋環(huán)節(jié)。研究對象：傳感器及其信號檢測裝置（即變送器）要求：能快速、精確地獲得信息并在相應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境中具有高可靠性。1.4共性關(guān)鍵技術(shù)2、信息處理技術(shù)

主要完成信息的轉(zhuǎn)換、存取、運算、判斷和決策等.其主要工具是計算機。傳感器A/D計算機D/A執(zhí)行裝置4、伺服驅(qū)動技術(shù)

執(zhí)行元件種類：電動、液壓、氣壓

研究對象：執(zhí)行元件及其驅(qū)動裝置驅(qū)動裝置：各種執(zhí)行元件的驅(qū)動電源電路

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。

5、機械技術(shù)1.4共性關(guān)鍵技術(shù)3、控制技術(shù)指系統(tǒng)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)進行的設(shè)計、仿真、現(xiàn)場調(diào)試、可靠運行等方面的內(nèi)容。6、系統(tǒng)總體技術(shù)

系統(tǒng)總體技術(shù)是一種從整體目標出發(fā)，用系統(tǒng)工程的觀點和方法，將系統(tǒng)各個功能模塊(包括硬件和軟件)有機的結(jié)合起來，以實現(xiàn)整體最優(yōu)。其重要或核心內(nèi)容為接口技術(shù)。接口包括電氣接口、機械接口、人機接口

1.4共性關(guān)鍵技術(shù)1.5機電一體化系統(tǒng)設(shè)計一、設(shè)計的一般原則二、市場調(diào)研三、總體方案設(shè)計四、詳細設(shè)計五、樣機試制與試驗六、小批量生產(chǎn)七、大批量生產(chǎn)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、省資源、智能化，提高機電產(chǎn)品的附加值和自動化程度。一、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的一般原則機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計流程（p11）1）根據(jù)目的和功能確定系統(tǒng)規(guī)格、性能指標確定運動參數(shù)、動力參數(shù)、品質(zhì)指標等基本性能指標。還要考慮工藝性指標、人機工程學(xué)指標、美學(xué)指標、標準化指標。2）系統(tǒng)功能部件的劃分和確定3）接口設(shè)計4）綜合評價5）試制與調(diào)試一、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的一般原則常用設(shè)計中考慮的方法(教材系統(tǒng)設(shè)計p13)1)機電互補法2)機電結(jié)合（融合）法3)機電組合法

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,具體來說有相似設(shè)計法\模擬設(shè)計法\有限元設(shè)計法\可靠性設(shè)計法\動態(tài)分析設(shè)計法\優(yōu)化設(shè)計法)。

一、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的一般原則常見的設(shè)計類型(教材系統(tǒng)設(shè)計p14)1)開發(fā)性設(shè)計2)適應(yīng)性設(shè)計3)變異性設(shè)計現(xiàn)代設(shè)計方法內(nèi)涵的擴展(教材系統(tǒng)設(shè)計p18)1)

計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）2)并行工程設(shè)計——全壽命周期設(shè)計3)虛擬產(chǎn)品設(shè)計與實現(xiàn)4)快速響應(yīng)設(shè)計5)綠色環(huán)保產(chǎn)品設(shè)計6)反求設(shè)計7)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同合作設(shè)計全壽命周期設(shè)計意味著，設(shè)計產(chǎn)品不僅是設(shè)計產(chǎn)品的功能和結(jié)構(gòu)，而且要設(shè)計產(chǎn)品的規(guī)劃、設(shè)計、生產(chǎn)、經(jīng)銷、運行、使用、維修保養(yǎng)、直到回收再用處置的全壽命周期過程。一、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的一般原則機電一體化設(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。二、市場調(diào)研

市場調(diào)研包括市場調(diào)查和市場預(yù)測。所謂市場調(diào)查就是運用科學(xué)的方法，系統(tǒng)地、全面地收集所設(shè)計產(chǎn)品市場需求和經(jīng)銷方面的情況和資料，分析研究產(chǎn)品在供需雙方之間進行轉(zhuǎn)移的狀況和趨勢，而市場預(yù)測就是在市場調(diào)查的基礎(chǔ)上，運用科學(xué)方法和手段，根據(jù)歷史資料和現(xiàn)狀，通過定性的經(jīng)驗分析或定量的科學(xué)計算，對市場未來的不確定因素和條件做出預(yù)計、測算和判斷，為產(chǎn)品的方案設(shè)計提供依據(jù)。1.5機電一體化系統(tǒng)設(shè)計三、總體方案設(shè)計1．產(chǎn)品方案構(gòu)思產(chǎn)品方案構(gòu)思完成后，以方案圖的形式將設(shè)計方案表達出來。方案圖應(yīng)盡可能簡潔明了，反映機電一體化系統(tǒng)各組成部分的相互關(guān)系，同時應(yīng)便于后面的修改。2．方案的評價對多種構(gòu)思和多種方案進行篩選，選擇較好的可行方案進行分析組合和評價，從中再選幾個方案按照機電一體化系統(tǒng)設(shè)計評價原則和評價方法進行深入的綜合分析評價，最后確定實施方案。1.5機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的評價體系

將提高機電一體化產(chǎn)品/系統(tǒng)附加值的各項綜合指標作為評價體系的制定標準，即五大內(nèi)部功能要素指標。系統(tǒng)（產(chǎn)品）內(nèi)部功能

評

價

參

數(shù)

系統(tǒng)（產(chǎn)品價值）高低主功能

系統(tǒng)誤差抗干擾能力廢棄物輸出變換效率小強少高大弱多低動力功能

輸入能量能源少內(nèi)裝多外裝控制功能可控輸入輸出接口數(shù)(人工)操作動作數(shù)多少少多構(gòu)造功能尺寸、重量強度小、輕高大、重低計測功能或信息獲取精度靈敏度高響應(yīng)快低響應(yīng)慢系統(tǒng)內(nèi)部功能的發(fā)展方向及評價內(nèi)容

五、樣機試制與試驗

產(chǎn)的詳細設(shè)計完成后，進入樣機試制與試驗階段。根據(jù)制造成本和性能試驗的要求，制造幾臺樣機供試驗使用。樣機的試驗分實驗室試驗和實際工況試驗，考核樣機的各種性能指標是否滿足設(shè)計要求及樣機的可靠性。樣機的性能指標和可靠性不滿足設(shè)計要求，要修改設(shè)計，重新制造樣機，重新試驗。如樣機的性能指標和可靠性滿足設(shè)計要求，則進入產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)階段。1.5機電一體化系統(tǒng)設(shè)計四、詳細設(shè)計

詳細設(shè)計是根據(jù)綜合評價后確定的系統(tǒng)方案，從技術(shù)上將其細節(jié)逐層全部展開，直至完成產(chǎn)品樣機試制所需全部技術(shù)圖紙和技術(shù)文件的過程。

六、小批量生產(chǎn)

產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)階段實際上是產(chǎn)品的試生產(chǎn)試銷售階段。這一階段的主要任務(wù)是跟蹤調(diào)查產(chǎn)品在市場上的情況，收集用戶意見，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計和制造方面存在的問題，并反饋給設(shè)計、制造和質(zhì)量控制部門。七、大批量生產(chǎn)

經(jīng)過小批量試生產(chǎn)和試銷售的考核，排除產(chǎn)品設(shè)計和制造中存在的各種問題后，即可投入大批量生產(chǎn)。1.5機電一體化系統(tǒng)設(shè)計1.6機電一體化對機械工業(yè)的影響

1

提高性能、擴展功能

今日的數(shù)控機床充分發(fā)揮計算機的威力，運用時間序列分析和精度創(chuàng)成等理論建立數(shù)學(xué)模型。已有可能實時預(yù)報包括隨機誤差在內(nèi)的機床誤差，然后自動校正，從而達到前所未有的精度。采用對阻尼進行預(yù)報，一旦接近臨界值時就自動調(diào)整切削用量，這又可能出現(xiàn)永不顫振的機床，保證很高的生產(chǎn)率和良好的加工表面。2操作改善1.6機電一體化對機械工業(yè)的影響3

簡化結(jié)構(gòu)5節(jié)約能源目前我國各類電風扇年產(chǎn)量在200萬臺左右，如其調(diào)速器和定時器用電子調(diào)速器和定時器(現(xiàn)常用電磁機械式)，每臺風扇可節(jié)電5W以上，全年以用扇100天，每天開扇6h計，則每年可節(jié)約用電量600萬kW·h，還節(jié)省大批銅材和鋼材。再如傳統(tǒng)電焊機以電磁原理和手工操作為基礎(chǔ)，即使是一般的自動電焊機，也是簡單的機械動作和相應(yīng)的控制，耗能多、效率低、質(zhì)量不易保證。發(fā)展新穎的電子控制電源以取代傳統(tǒng)焊接電源，實現(xiàn)節(jié)能、高效、小型化、多樣化。1.6機電一體化對機械工業(yè)的影響4

提高可靠性

在提高電子元件質(zhì)量、可靠性的前提下，機電一體化產(chǎn)品可以提高耐久性，減少故障率。另一方面由于賦予其自動監(jiān)視診斷功能，并采取安全聯(lián)鎖控制，過負荷和失控保護、停電對策，提高了設(shè)備的安全可靠性。1.7機電一體化的發(fā)展趨勢

1智能化

智能化是機電一體化技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。人工智能在機電一體化的研究中日益得到重視，如機器人與數(shù)控機床的智能化?！爸悄芑笔腔诳刂评碚摚杖斯ぶ悄?、運籌學(xué)、計算機科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動力學(xué)等新思想、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。2

模塊化機電一體化產(chǎn)品種類和廠家繁多，研制和開發(fā)具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、環(huán)境接口的產(chǎn)品單元十分復(fù)雜但非常重要。需要制定各項標準，以便各部件、單元的匹配和接口。因利益沖突，短期很難制定國際或國內(nèi)相關(guān)的標準，但可組建一些大企業(yè)以逐漸形成。電氣產(chǎn)品的標準化、系列化，對生產(chǎn)標準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砻篮玫那俺?。3

網(wǎng)絡(luò)化由于網(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。1.7機電一體化的發(fā)展趨勢4微型化

微型化興起于20世紀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