《機(jī)電一體化技術(shù)》課件-第一章 緒論

第1章緒論機(jī)電一體化技術(shù)1.1機(jī)電一體化概述1.1機(jī)電一體化概述

2（1）機(jī)電一體化又稱為機(jī)械電子學(xué)（Mechatronics）1、基本概念FA:FactoryAutomationOA:OfficeAutomationHA:HomeAutomationLA:LaborataryAutomation（2）機(jī)電一體化技術(shù)1971年起源于日本的《機(jī)械設(shè)計(jì)》1.1機(jī)電一體化概述

31、基本概念（3）機(jī)電一體化的形式

從系統(tǒng)觀點(diǎn)出發(fā)，將機(jī)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)基礎(chǔ)上加以綜合，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)最佳化的多技術(shù)綜合應(yīng)用的一門新興邊緣學(xué)科。（4）機(jī)電一體化的發(fā)展

早期主要是機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)的相結(jié)合。后期“3C”技術(shù)與人工智能等新興技術(shù)的逐漸滲透豐富了機(jī)電一體化的內(nèi)容。機(jī)電一體化技術(shù)是多種技術(shù)的有機(jī)融合，而不是簡(jiǎn)單疊加。1.1機(jī)電一體化概述

42、應(yīng)用領(lǐng)域（1）典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)

在許多領(lǐng)域中都能找到機(jī)電一體化系統(tǒng)的應(yīng)用案例，如工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)物流、休閑娛樂(lè)、智能家居、科學(xué)研究、醫(yī)療器械、國(guó)防航天等。機(jī)器人數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)線1.1機(jī)電一體化概述

51.1機(jī)電一體化概述

6（2）從“中國(guó)制造2025”看機(jī)電一體化系統(tǒng)優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域及發(fā)展原因

《中國(guó)制造2025》第一個(gè)十年行動(dòng)綱領(lǐng)要求指出的典型機(jī)電一體化系統(tǒng)優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域與優(yōu)先發(fā)展原因。機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展不僅受內(nèi)部技術(shù)水平的影響，同時(shí)還受到技術(shù)發(fā)展的需求程度與所能帶來(lái)的對(duì)社會(huì)發(fā)展的有益效果等外部條件的影響。應(yīng)根據(jù)我國(guó)實(shí)際情況，因地制宜地按層次、有重點(diǎn)、有步驟地發(fā)展的相關(guān)領(lǐng)域

1.1機(jī)電一體化概述

7優(yōu)先發(fā)展原因優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)未智能儀儀器儀表工業(yè)機(jī)器人家用電器節(jié)能與新能源汽羊智能機(jī)器人航空航天裝備海洋工程裝備及高技術(shù)船舶先進(jìn)軌道交通裝備智能電網(wǎng)成套裝備農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備高端診療設(shè)品增材制造技術(shù)機(jī)電一體化辦公設(shè)備短期或中期急需√√√√√√√√√√√√√

能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益提升技術(shù)及產(chǎn)品質(zhì)量√√√√√√√√√√√√√√減少原材料消耗√√

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有利于外貿(mào)√√√√√√√√√√√√√

提升相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量√√√

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提高管理效率√

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節(jié)藥能源√√√√√√

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具備前期發(fā)展必需的技術(shù)基礎(chǔ)√√√√√√√√√√√√√

能產(chǎn)生良好的社會(huì)效益促進(jìn)產(chǎn)品國(guó)有化√√√√√√√√√√√√√√提高國(guó)際影響力

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1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)組成8

機(jī)電一體化系統(tǒng)各部分有三大交互方式，即“三流”：信息流，物質(zhì)流，能量流。

其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)如下。六大結(jié)構(gòu)要素：1、機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成系統(tǒng)信息流控制系統(tǒng)物質(zhì)流操作對(duì)象能量流提供動(dòng)力傳感檢測(cè)單元控制與信息處理單元?jiǎng)恿膀?qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械本體接口單元接口單元接口單元接口單元接口單元接口接口將系統(tǒng)各部分按照設(shè)定的時(shí)間和空間關(guān)系安裝在某一位置，并保持特定的相互關(guān)系。①組成：一般包括機(jī)架，機(jī)械連接，機(jī)械傳動(dòng)裝置等。1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)組成

（1）機(jī)械本體：機(jī)電一體化系統(tǒng)的基礎(chǔ)②功能：電能，氣能，液壓能①功能：按照系統(tǒng)控制要求，為系統(tǒng)提供能量與動(dòng)力③要求：（2）動(dòng)力及驅(qū)動(dòng):能量供應(yīng)環(huán)節(jié)②常見(jiàn)形式：高效率，良好可靠性，滿足動(dòng)力需求9①功能：根據(jù)指令將各種能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)機(jī)械本體做功。③要求：1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)組成

（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部件②方式：電氣驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)氣壓驅(qū)動(dòng)普通電動(dòng)機(jī)，控制電動(dòng)機(jī)液壓缸，液壓馬達(dá)氣缸，氣動(dòng)馬達(dá)效率高，響應(yīng)速度快，維修方便對(duì)外部環(huán)境有良好的適應(yīng)性與高可靠性10包括各種傳感器及信號(hào)檢測(cè)電路①功能：1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)組成

（4）傳感檢測(cè)單元：自動(dòng)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)②組成：高精度、高靈敏度、高信噪比等③要求：信息轉(zhuǎn)化為可識(shí)別信號(hào)信息與控制處理單元監(jiān)測(cè)內(nèi)外參量變化（5）接口單元：重要組成部分傳遞機(jī)械接口、電氣接口、人機(jī)接口①定義：將系統(tǒng)各部分連接為一個(gè)有機(jī)整體②分類：

信息交互信號(hào)放大信號(hào)傳遞③要求：

高穩(wěn)定性、高傳輸速度、強(qiáng)抗干擾能力、標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議11系統(tǒng)軟件：根據(jù)要求編寫(xiě)的相關(guān)程序，固化在儲(chǔ)存器內(nèi)。系統(tǒng)硬件：計(jì)算機(jī)、PLC、單片機(jī)、數(shù)控裝置等①功能：1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)組成

（6）控制與信息處理單元：核心部分②組成：軟件和硬件組成③要求：信息處理智能化、輕量化、標(biāo)準(zhǔn)化。六大基本要素并非簡(jiǎn)單拼湊，而是通過(guò)接口實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成機(jī)電一體化系統(tǒng)分析、處理、存儲(chǔ)、決策執(zhí)行元件傳感器信號(hào)及外部命令控制指令1213（1）伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)：（2）傳感檢測(cè)技術(shù)：（3）接口技術(shù)：2、機(jī)電一體化系統(tǒng)的共性關(guān)鍵技術(shù)1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)組成

研究執(zhí)行元件及驅(qū)動(dòng)技術(shù)，不同場(chǎng)合適合不同驅(qū)動(dòng)方式機(jī)電一體化系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，接口性能影響深遠(yuǎn)檢測(cè)精度影響性能關(guān)鍵：元器件靈敏度、傳感檢測(cè)結(jié)構(gòu)、抗干擾能力集機(jī)、電、光、聲、信息于一體機(jī)械與機(jī)械部分，機(jī)械與電氣部分、人與系統(tǒng)間、電信號(hào)傳輸14（4）計(jì)算機(jī)控制技術(shù)：（5）精密機(jī)械技術(shù)：（6）人機(jī)交互技術(shù)：2、機(jī)電一體化系統(tǒng)的共性關(guān)鍵技術(shù)1.2正弦量相量表示方法

人—計(jì)算機(jī)人—機(jī)器人—機(jī)器人語(yǔ)音和生物電信號(hào)豐富了交互方式剛?cè)狁詈?、良好靜動(dòng)態(tài)特性隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等發(fā)展，有了更多智能控制的方法。發(fā)展趨勢(shì)：集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化計(jì)算機(jī)技術(shù)與控制技術(shù)的結(jié)合1.3機(jī)電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展15（1）系統(tǒng)的綜合性和高可靠性1、主要特征具體表現(xiàn)為故障率低、壽命長(zhǎng)、安全性高高可靠性：機(jī)電一體化技術(shù)是各領(lǐng)域技術(shù)的集成，相互取長(zhǎng)補(bǔ)短進(jìn)而形成一個(gè)完整系統(tǒng)，達(dá)到“1+1>2”的效果。綜合性：1.3機(jī)電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展16（1）系統(tǒng)的綜合性和高可靠性1、主要特征故障率低：自動(dòng)化裝置比例增加，運(yùn)行穩(wěn)定性改善，故障率進(jìn)一步降低壽命長(zhǎng)：通過(guò)微電子技術(shù)的融入，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)壽命。安全性高：在威脅狀況時(shí)會(huì)及時(shí)發(fā)出警報(bào)并停機(jī)；

具備程序互鎖，避免人員誤操作；

在特殊情況下可以通過(guò)遙控控制1.3機(jī)電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展17（2）控制智能化1、主要特征系統(tǒng)通過(guò)微機(jī)進(jìn)行控制，通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)算法，實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)、自動(dòng)檢測(cè)等功能，并根需要實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)等自適應(yīng)、自動(dòng)調(diào)節(jié)功能以隨時(shí)應(yīng)對(duì)環(huán)境與任務(wù)的變化（3）結(jié)構(gòu)緊湊化與輕量化機(jī)電一體化系統(tǒng)從整體出發(fā)，充分利用新技術(shù)、新方法的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，在達(dá)到結(jié)構(gòu)緊湊化與輕量化的同時(shí)，不降低機(jī)械的靜剛度與動(dòng)剛度1.3機(jī)電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展18（4）剛?cè)狁詈?、主要特征機(jī)電一體化系統(tǒng)具有剛性、柔性并存的特點(diǎn)，包括：1.對(duì)于不同的用戶需求具有可調(diào)整性與自適應(yīng)性；2.系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)對(duì)外界條件變化具有強(qiáng)抗干擾能力與適應(yīng)能力（5）運(yùn)行的高速度和高精度機(jī)電一體化系統(tǒng)通過(guò)結(jié)合電子技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，采用精密硬件，保證了系統(tǒng)的整體精度，提高機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度。1.3機(jī)電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展19（1）智能化2、發(fā)展趨勢(shì)隨著人工智能的發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)的智能化程度越來(lái)越高，但目前的系統(tǒng)還不具備人的思維，類人思維的機(jī)電一體化系統(tǒng)將是智能化發(fā)展的重要方向。無(wú)人駕駛汽車自動(dòng)導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人情感陪護(hù)機(jī)器人1.3機(jī)電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展20（2）微型化2、發(fā)展趨勢(shì)機(jī)電一體化系統(tǒng)朝著小型化甚至微型化方向發(fā)展，逐漸形成微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)，具有輕巧便攜、低功耗、運(yùn)動(dòng)靈活等特點(diǎn)。仿蜻蜓機(jī)器人毫米級(jí)機(jī)器人1.3機(jī)電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展21（3）模塊化2、發(fā)展趨勢(shì)模塊化可以減少產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本，提高機(jī)電一體化系統(tǒng)各個(gè)模塊的通用程度，有助于降低其設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期、維修難度、裝配難度等。（4）綠色化綠色化是機(jī)電一體化技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展模式，高性能、可拆卸、可維護(hù)、低能耗、可回收、無(wú)（低）污染等是其重要的特征，在設(shè)計(jì)階段就需要將其納入考慮之中。1.3機(jī)電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展22（5）網(wǎng)絡(luò)化2、發(fā)展趨勢(shì)網(wǎng)絡(luò)化是指將不同地點(diǎn)的計(jì)算機(jī)以及各類電子終端設(shè)備來(lái)連接起來(lái)，衍生而來(lái)的新技術(shù)使得機(jī)電一體系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)、控制方法以及人機(jī)協(xié)作方法等方面有了新的變化。遠(yuǎn)程監(jiān)控遠(yuǎn)程控制1.3機(jī)電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展23（5）人性化2、發(fā)展趨勢(shì)機(jī)電一體化系統(tǒng)最終使用對(duì)象是人，其技術(shù)發(fā)展更加注重與人之間的關(guān)系，要求實(shí)現(xiàn)人-機(jī)-環(huán)的共融，開(kāi)發(fā)時(shí)要考慮人的情感、安全、舒適等要求。服務(wù)機(jī)器人人機(jī)協(xié)作1.4機(jī)電一體化系統(tǒng)的分類和設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）種類繁多，對(duì)此有不同的分類方式。1、機(jī)電一體化系統(tǒng)的分類（1）按照機(jī)械和電子的功能和所占比例可分為：

以機(jī)械裝置為主體的機(jī)械電子產(chǎn)品

以電子裝置為主體的機(jī)械電子產(chǎn)品（2）按照機(jī)電結(jié)合方式可分為：

功能附加型（體脂秤、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)）

功能替代型（掃地機(jī)器人、加濕器）

機(jī)電融合型（外骨骼機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床）1.4機(jī)電一體化系統(tǒng)的分類和設(shè)計(jì)2、機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（1）機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)類型

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)類型大致可分為以下三種：①開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)

在無(wú)已有參考系統(tǒng)和具體設(shè)計(jì)方案的情況下，根據(jù)目標(biāo)功能要求，利用機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)等各項(xiàng)技術(shù)，進(jìn)行原創(chuàng)性的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。該過(guò)程是從無(wú)到有的全新設(shè)計(jì)過(guò)程。②適應(yīng)性設(shè)計(jì)

在不改變?cè)袡C(jī)電一體化的原理的情況下，僅針對(duì)目標(biāo)功能需求，對(duì)其局部結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行改進(jìn)，以增加系統(tǒng)某些方面的功能，使其滿足設(shè)1.4機(jī)電一體化系統(tǒng)的分類和設(shè)計(jì)計(jì)目標(biāo)的需求，如提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量、降低成本或提高自動(dòng)化程度等。③變異性設(shè)計(jì)

在原有機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和功能結(jié)構(gòu)不變的前提下，僅調(diào)整現(xiàn)有產(chǎn)品的規(guī)格尺寸，或通過(guò)改變系統(tǒng)部分部件型號(hào)來(lái)對(duì)系統(tǒng)功率、速度、力等參數(shù)進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)，使其滿足市場(chǎng)需求。

變異性設(shè)計(jì)相比其他兩種設(shè)計(jì)較為容易，但需要注意防止因參數(shù)變化而產(chǎn)生的對(duì)產(chǎn)品性能、可靠性方面的影響。1.4機(jī)電一體化系統(tǒng)的分類和設(shè)計(jì)（2）機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)所考慮的方法通常分為取代法、結(jié)合法和組合法。通過(guò)合理運(yùn)用各項(xiàng)技術(shù)，結(jié)合各領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出最佳的機(jī)電一體化系統(tǒng)。①取代法

利用電子部件和自動(dòng)控制系統(tǒng)取代原有傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)（產(chǎn)品）中的機(jī)械結(jié)構(gòu)和機(jī)械控制機(jī)構(gòu)，在簡(jiǎn)化產(chǎn)品中機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的同時(shí)提高了產(chǎn)品可靠性與效率。1.4機(jī)電一體化