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1、机电一体化技术,主讲 李海军,2007.2,目 录,第一章 概论,第二章 机械系统,第三章 检测系统,第四章 伺服系统,第五章 接口、可靠性与抗干扰技术,第六章 可编程控制器技术,教学基本要求,1、掌握机电一体化的基本概念、基本原理和基本知识。,2、掌握常用机电一体化元部件原理、结构、性能和应用。,3、初步掌握系统设计原理和综合集成技巧，能进行总体方案的分析和设计。,4、了解典型机电一体化系统（产品）的构成、原理、性能和使用。,机电一体化系统的基本概念 机电一体化系统的关键性技术 机电一体化产品的设计,第一章 概论,知识点,第一节 机电一体化（Mechatronics）的基本概念,机电一体化是
2、微电子技术向机械工业渗透过程中逐渐形成的一个新概念，是各相关技术有机结合的一种新形式。关于机电一体化（Mechatronics）这个名词的起源，说法很多。早在1971，日本机械设计杂志副刊就提出了“Mechatronics”这一名词，1976年以广告为主的日本杂志Mechatronics Design News开始使用，其中的“Mechatronics”是由“Mechanics”的前半部和“Electronics”的后半部组合而成。翻译为机电一体化或机械电子学。,一、Mechatronics的基本含义,“机电一体化”是机械技术、微电子技术相互交叉、融合的产物。,机械技术（机械学机构学）,机电一
3、体化技术领域,微电子技术（半导体技术、计算机技术）,机电一体化技术的发展大体上可分为三个阶段,20世纪70年代至80年代为第二阶段。“蓬勃发展阶段”,从20世纪90年代后期开始为第三阶段。“智能化阶段”,20世纪60年代以前为第一阶段。“萌芽阶段”,机电一体化技术发展史,1、六十年代，日本通产省为扩大机械功能，在机械上采用电气和电子技术，曾结合数控机床做过不少实验，但末能获得成功。,2、七十年代，微电子技术成熟，微机商品化，大规模集成电路问世，构成微机的基本单元CPU、ROM、RAM和接口电路已经模块化，自己制造计算机成为可能。机电一体化得以现实。,3、1971年，日刊工业新闻社发行机电一体化
4、入门和机电一体化月刊，专门刊载机电一体化新产品。,4、1976年，机电一体化正式命名“”(Mechatronics、机电一体化）。,5、1971到1978年日本政府颁发“机电法”和“机信法”，对机电一体化的发展起到积极推动作用。,6、八十年代，在“机信法”指导下，机电一体化的产品如雨后春笋不断涌现。,7、九十年代，集成度提高，价格下降，机电一体化技术在世界范围内得到迅猛发展，机电一体化技术遍及社会各个领域。全盛时期开始。,机电一体化的定义在日本多种多样。但最具有指导性的定义是日本机械振兴协会经济研究所提出的。,1、日本关于Mechatronics的定义,“机电一体化这个词乃是在机构的主功能、动
5、力功能、信息与控制功能上引进了电子技术，并将机械装置与电子设备以及软件等有机结合而成的系统的总称”。,美国是机电一体化产品开发和应用的最早的国家。如世界上第一台数控机床(1952）、第一个工业机器人（1962）。,2、美国关于现代机械系统的定义,“由计算机信息网络协调与控制的,用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统”。,美国机械工程师协会的一个专家组于1984年 在给美国国家科学基金会的报告中，提出了现 代机械系统的定义。,3、我国对机电一体化的理解,机电一体化是机电一体化技术及其产品的统称,还将柔性制造系统(FMS)(Flexible Manufac
6、turing System)和计算机集成制造系统(CIMS)(Computer Integrated Manufacturing System)包括在内。,机电一体化是在机械产品中的机构主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术和计算机技术,并将机械装置和电子设备以及计算机软件等有机结合起来构成的系统总称。,二、机电一体化系统,1、定义：,机电一体化系统是一种比较复杂的工程系统，它是由相互关联的、若干种类的元素(机械、流体、电、磁、光、热、声等)组成的，具有特定目标的有机整体。,整体性(集合性)、关联性、目的性和相对性。,1）属性,系统,控制,物质能量信息,物质能量信息,（人）,工
7、业三大要素,具有所需特性,2）系统目的功能,三大目的功能,变换功能:加工、处理,传递功能:移动、输送,储存功能:保持、积蓄、记录,(变换、传递、储存）,2、功能构成原理,1）系统框图,系统（特性）,输入x,外部环境,直接输出y,间接输出,2）系统结构框图,大系统,系统1,分系统1（单元）,单元1（部件）,元件1,系统k,分系统h,单元m,元件n,主功能（变换、传递、保存）,动力功能,控制功能,输入,输出,结构功能,干扰,排放物,能量输入,信息输入,信息输出,物质能量信息,物质能量信息,3）机电一体化系统功能构成原理图,检测功能,CNC机床内部功能构成实例,结论：有五种内部功能。,主 功 能：实
8、现系统目的功能直接必需的功能，主要是对物质、能量、信息或其相互结合进行变换、传递和存储。,动力功能：向系统提供动力、让系统得以运转的功能。,检测功能：获取系统内、外部信息的功能。,控制功能：对整个系统进行控制，使系统正常运转，实施目的 功能。,构造功能：使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和 空间上的相互关系所必须的功能。,4）系统数学模型,y=(x1、x2、xn，1、2、n，t),y系统目的或输出；,xi输入；,i环境或约束条件。,机械本体,3、系统组成,动力部分,测试传感部分,控制及信息处理单元,执行机构,接口,驱动部分,1）机械本体,是所有功能元素的机械支持结构，包括机身、框架、机
9、械连接、机械运动部件等。,2）动力部分,在控制系统的控制下，为系统提供能量和动力使系统正常运行。,3）测试传感部分,在系统运行中对系统本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，变成可识别信号，传输到信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。,4）执行机构,接收控制系统的控制信息和指令，完成要求的动作。,5）驱动部分,在控制信息作用下，提供动力并实现功率匹配，驱动各执行机构完成各种动作和功能。,6）控制及信息处理单元,将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、存储、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令，控制整个系统按要求实现有序地运行。,7）接口,系统中各
10、单元和环节之间进行物质、能量和信息交换的连接界面，是外部设备和数控装置之间的桥梁。,内脏,手脚,五官,骨骼,大脑,机电一体化系统各构成要素之间的相互联系,第二节 机电一体化产品,一、机电一体化产品的分类,（1）产业机械：用于生产的电子控制机械。,1、按机电一体化产品的用途分类,（2）信息机械：用于信息处理、存储的电子机械产品。,（3）民生机械：用于生活领域的电子机械产品或机械电子产品。,2、按机电一体化产品的功能分类,（1）在原有机械本体上采用微电子控制装置的产品。,（2）用电子装置局部取代机械控制装置。,（3）用电子装置取代原来执行信息处理功能的机构。,（4）用电子装置取代了机械的主功能的产
11、品。,（5）信息设备和电子装置有机结合的信息电子设备。,（6）检测装置、电子装置和机构有机结合的检测用电子机械设备。,二、机电一体化产品的构成及特点,1、主要构成,1）机械系统,4）信息处理及控制系统,3）传感与检测系统,5）执行机构,2）动力系统,2、特点,1）安全性、可靠性高,2）生产能力与工作质量高,3）使用性能好,4）有复合功能,5）便于调整和维护,第三节 机电一体化的技术体系,机电一体化技术是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、伺服传动技术、电力电子技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程的一种高新技术。,一、机械技术,1.内涵：指机械结构的设计与制造。,
12、2.作用：完成机电一体化系统间的连接以及如何与机电一体化的其它技术相适应，并利用其它技术来更新概念，从而实现在结构、材料、性能上的变更，以满足减少重量、缩小体积、提高精度、提高刚度、改善性能的要求。,二、信息处理技术（计算机与信息处理技术）,1.内涵：信息的变换、存取、运算、判断和决策；计算机的软件技术和硬件技术、网络与通信技术、数据库技术等。此外，人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等也属于该范畴。,2.作用：是促进机电一体化技术发展和变革的 最活跃的因素。,三、检测与传感器技术,1.内涵：研究如何将各种物理量转换成与之成比例的电量；研究对转换的电信号的加工处理。,2.作用：传感与检测装
13、置是机电一体化系统的感觉器官，它与信息系统的输入端相连，并将检测到的信号输送到信息处理部分，是实现自动控制、自动调节的关键环节。,四、自动控制技术,1.内涵：基本控制理论，对具体控制装置或系统的设计，设计后的系统仿真、现场调试、投入运行。,2.作用：实现机电一体化系统的目标最优化，提高产品的精度、效率。,1.内涵：机电一体化产品中的执行元件和驱动装置设计中的技术。,五、伺服驱动技术,2.作用：伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件。执行元件一方面通过接口电路与计算机相连，接受控制系统的指令；另一方面通过机械接口与机械传动和执行机构相连，以实现规定的动作。伺服驱动技术对机电一体化产品的动
14、态性能、稳定性能、操作精度和控制质量等具有决定性的影响。,六、系统整体技术,1.内涵：以整体的概念，组织应用各种相关技术的应用技术。,2.作用：通过分析、评价、综合等措施，优选出最佳的功能技术方案。,机电一体化技术与其他技术的区别,1、机电一体化技术与传统机电技术的区别,传统机电技术的操作控制主要是通过具有电磁特性的各种电器来实现，在设计中不考虑或很少考虑彼此间的内在联系；机械本体和电气驱动界限分明，整个装置是刚性的，不涉及软件和计算机控制。,机电一体化技术以计算机为控制中心，在设计过程中强调机械部件和电器部件间的相互作用和影响，整个装置在计算机控制下具有一定的智能性。,2、机电一体化技术与并
15、行工程的区别,机电一体化技术将机械技术、微电子技术、计算机技术、控制技术和检测技术在设计和制造阶段就有机地结合在一起，十分注意机械和其他部件之间的相互作用。,并行工程将上述各项技术尽量在各自范围内齐头并进，只在不同技术内部进行设计制造，最后通过简单叠加完成整体装置。,3、机电一体化技术与自动控制技术的区别,自动控制技术的侧重点是讨论控制原理、控制规律、分析方法和自动系统的构造等。,机电一体化技术将自动控制原理及方法作为重要支撑技术，将自控部件作为重要控制部件，应用自动控制原理和方法，对机电一体化装置进行分析和性能测算。,4、机电一体化技术与计算机应用技术的区别,机电一体化技术只是将计算机作为核
16、心部件应用，目的是提高和改善系统性能。其研究的是机电一体化系统，而不是计算机应用本身。,计算机在机电一体化系统中的应用仅仅计算机应用技术的一部分，它还可以在其他方面得到广泛应用。,第四节 机电一体化产品的设计,一、设计流程,二、系统（产品）评价,三、设计的方法,四、设计类型,五、设计程序、准则和规律,根据系统（产品）的目的功能确定产品规格及性能指标,开 始,按系统（产品）内部五大功能划分功能部件或功能子系统,确定各功能部件或子系统的功能要素,接 口 设 计,整 体 评 价,是优否,修 正 改 进,可 靠 性 复 查,可靠否,试 制 与 调 试,满意否,结 束,一、机电一体化系统（产品）设计流程
17、,NO,YES,YES,YES,NO,NO,二、系统（产品）的评价,高附加值化,高性能化,低价格化,高可靠性化,智能化,省能化,轻薄短小化,机电一体化系统（产品）,主功能,计测、控制功能,动力功能,构造功能,1）评价内容,2）系统（产品）内部功能价值评价的方法,a、机电互补法（取代法）,三、系统（产品）设计的常用方法,b、结合（融合）法,c、组合法,四、系统（产品）的设计类型,a、开发性设计,b、适应性设计,c、变异性设计,是没有参照产品的设计,仅仅是根据抽象的设计原理和要求,设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品或系统。,是在总的方案原理基本保持不变的情况下,对现有系统功能及结构进行局部更
18、改,以使产品的性能和质量增加某些附加价值。,是在设计方案和功能结构不变的情况下,仅改变现有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有所变更的要求。,五、设计程序准则和规律,设计中一般采用三阶段法。,在试验性设计与计算机辅助设计中，多采用既分阶段又平行兼顾的设计，即并行设计，以便相互协调。,总体设计,部件（零件）的选择与设计或初步设计,技术设计与工艺设计,1）总体设计程序,明确设计思想；,分析综合要求；,划分功能模块；,决定性能参数；,调研类似产品；,拟定总体方案；,方案对比定型；,编写总体设计论证书。,2）设计准则,既然是机电一体化系统，就要打破传统设计的思维方式，综合机械技术和电子技术各自的特点，达
19、到优势互补，例如在经常需要调整转速的场合，用电子调速装置代替齿轮变速装置。不仅可以提高调速精度，而且灵活方便；采用可编程控制器代替电磁式继电器，不但可以提高调速精度，而且可以减小系统的体积和重量，给系统设计提供更大的灵活性，这就要求系统设计工作者从机械技术、电子技术、硬件技术和软件技术四个方面权衡经济和技术上的利弊得失，采取正确的选择方法。,(1)机电互补原则,在系统设计时，要抓住用户最关心的技术指标，特别是系统的可靠性、实用性，经济性等。对各种相关技术进行优化组合，而不是片面追求高指标、全功能。,(2)功能优化原则,高精度、高效率、高可靠性是机电一体化生产系统的重要指标，因此要求系统在运行过
20、程中能实现自动控制、自动检测、自动调节、自动记录及自动显示；在出现故障时能进行自动诊断，自动采取应急措施，实现自动保护等；在工作对象变化时，能够灵活改变其工作状态，实现最大限度的柔性化；最大限度地减少人的干预，降低人的体力和智力劳动强度，尽可能排除人为的不利因素影响。,(3)自动化、省力化原则,要在满足用户的目标功能和适应的使用寿命的前提下，最大限度地降低成本。要合理选用材质和零件，正确进行结构设计，简化制造工艺，降低生产成本。积极采用先进适用的成熟技术，提高系统的技术附加价值，增强系统的竞争力。要使系统运行可靠，维修方便，减少消耗，合理利用自然资源，降低用户的使用成本。要实现系统的合理排放，
21、减少对环境的污染，以提高其社会效益。,(4)效益最大原则,（2）从制造厂的立场出发降低设计与制造成本。,降低成本的措施：,（1）从用户需求出发降低使用成本。,要以一组标准、规范或约定的原则来统一这个系统的接口、通信和与外部的连接，使系统能容纳不同厂家制造的设备及软件产品，同时又有适应未来新技术的发展。要使系统具有开放性，在系统设计时必须选择并贯彻一系列的标准、规范和约定，这样，才能在此基础上比较容易地实现软件的可移植性和可操作性。,(5)开放性原则,3）设计规律,设计要求,确定离散元素间的逻辑关系,确定离散元素间的物理关系,确定离散元素间的结构关系,智能化,模块化,网络化,微型化,绿色化,系统化,第五节 机电一体化的发展前景,思 考 题,1.1试说明机电一体化的涵义。,1.2机电一体化的目的功能是什么？,1.3机电一体化系统有哪些功能？,1.8机电一体化系统设计的设计准则是什么？,1.7机电一体化系统设计的常用方法有那些？,1.9机电一体化系统设计的设计类型有哪些？,1.5 机电一体化系统（产品）的主要评价内容是什么？,1.6说明机电一体化系统（产品）的设计路线。,1.4机电一体化系统有哪些基本组成？,搬运机器人,装配机器人,数控机床,数控机床,激光传真机,活动硬盘,打印机,绘图仪,全自动洗衣机,电冰箱,影碟机,数码相机,超声波探伤机,
