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机电一体化系统设计机电一体化系统设计 第一章第一章 绪论绪论 n n 1.1 1.1 机电一体化机电一体化定义定义 n n 1.2 1.2 机电一体化系统的构成机电一体化系统的构成 n n 1.3 1.3 机电一体化的相关技术机电一体化的相关技术 n n 1.4 1.4 机电一体化系统设计的目标和方法机电一体化系统设计的目标和方法 n n 1.5 1.5 机电一体化发展趋势机电一体化发展趋势 机电一体化技术发展概况机电一体化技术发展概况 1. 1. 2020世纪世纪6060年代前为第一阶段，年代前为第一阶段，“萌芽阶段萌芽阶段” 工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结 合，以提高机械产品的性能。但是由于电子技术的发展相对合，以提高机械产品的性能。但是由于电子技术的发展相对 落后，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。落后，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。 2. 2. 7070年代到年代到8080年代为第二阶段，年代为第二阶段，“蓬勃发展阶蓬勃发展阶” 计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体 化的发展奠定了技术基础这个时期的特点是：化的发展奠定了技术基础这个时期的特点是： mechatronicsmechatronics一词首先在日本被普遍接受，大约到一词首先在日本被普遍接受，大约到2020世纪世纪 8080年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认； 机电一体化技术和产品得到了极大发展；机电一体化技术和产品得到了极大发展； 各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支 持。持。 n n 3.903.90年代后期开始为第三阶段，年代后期开始为第三阶段，“智能化阶段智能化阶段” n n 光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也 在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电 一体化等新分支；一体化等新分支； n n 对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电 一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。 n n 由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取 得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地 。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和 逐渐形成完整的科学体系。逐渐形成完整的科学体系。 机电一体化技术发展概况机电一体化技术发展概况 数控机床的问世，写下了数控机床的问世，写下了“ “机电一体化机电一体化” ”历史的第一历史的第一 页。页。 微电子技术为微电子技术为“ “机电一体化机电一体化” ”带来勃勃生机。带来勃勃生机。 可编程序控制器、可编程序控制器、” ”电力电子电力电子“ “等的发展为等的发展为“ “机电一体机电一体” ” 化提供了坚强基础。化提供了坚强基础。 激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使” ” “ “机电一机电一 体化体化” ”跃上新台阶。跃上新台阶。 机电一体化技术发展概况机电一体化技术发展概况 1.1 1.1 机电一体化定义机电一体化定义 机电一体化不是机械机电一体化不是机械 与电子简单的叠加，而与电子简单的叠加，而 是在是在信息论信息论、控制论控制论和和 系统论系统论的基础上建立起的基础上建立起 来的应用技术来的应用技术 机电一 体化 信息科学 机 械 学 电子学 机电一体化：机电一体化：MechaMechatronicstronics( (机电一体化机电一体化, ,机械电子学机械电子学, ,机电学机电学) ) 机电一体化：从系统的观点出发，将机电一体化：从系统的观点出发，将机械技术机械技术 、微电微电 子技术子技术、信息技术信息技术、控制技术控制技术等在系统工程基础上有等在系统工程基础上有 机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新科学机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新科学 技术。技术。 典型的机电一体化产品典型的机电一体化产品( (系统系统) )有有：数控机床数控机床、 机器人机器人、汽车电子化产品汽车电子化产品、智能化仪器仪表智能化仪器仪表、 电子排版印刷系统电子排版印刷系统、CADCADCAMCAM系统系统等。等。 1.1 1.1 机电一体化定义机电一体化定义 机电一体化技术机电一体化技术：综合运用了：综合运用了机械技术机械技术、微电微电 子技术子技术、信息技术信息技术、自动控制技术自动控制技术、传感测试传感测试 技术技术、电力电子技术电力电子技术、接口技术接口技术及及软件编程技软件编程技 术术等等 数控铣床数控铣床 数控车床数控车床 典型的机电一体化产品典型的机电一体化产品 焊接机器人焊接机器人 焊接机器人焊接机器人 典型的机电一体化产品典型的机电一体化产品 n n 汽车防抱死系统汽车防抱死系统(ABS)(ABS) 典型的机电一体化产品典型的机电一体化产品 1.2 1.2 机电一体化系统的构成机电一体化系统的构成 位置位置, ,速度速度 检测单元检测单元 电机电机 机械机械 部件部件 位置位置, ,速速 度反馈度反馈 CNCCNC 数控机床伺服系统组成数控机床伺服系统组成 输入设备显示设备 1.2 1.2 机电一体化系统的构成机电一体化系统的构成 执行器执行器 控制控制 信息信息 电子控制单元电子控制单元 动力源动力源 检测传检测传 感部分感部分 机械本体机械本体 参数变参数变 化信息化信息 驱驱 动动 力力 能能 量量 检测检测 参数参数 1 1、机械本体、机械本体 机身、框架、机械联接等产品支持机构，机身、框架、机械联接等产品支持机构，实实 现现构造功能构造功能。 要求：高效、多功能、节能、可靠、小型、美观要求：高效、多功能、节能、可靠、小型、美观 2 2、动力单元、动力单元 提供能量，转换成需要的形式，实现提供能量，转换成需要的形式，实现动动 力功能。力功能。 要求：效率高、可靠性好要求：效率高、可靠性好 1.2 1.2 机电一体化系统的构成机电一体化系统的构成 3 3、检测传感单元、检测传感单元 检测产品内部状态和外部环境，实现检测产品内部状态和外部环境，实现计测计测 功能。功能。 要求：体积小、精度高、抗干扰要求：体积小、精度高、抗干扰 4 4、电子控制单元、电子控制单元 存储、分析、运算、决策，实现存储、分析、运算、决策，实现控制功能控制功能 。 要求：高可靠性、柔性、智能化要求：高可靠性、柔性、智能化 1.2 1.2 机电一体化系统的构成机电一体化系统的构成 5 5、执行机构、执行机构 包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成 要求的动作，实现要求的动作，实现主功能。主功能。 要求：高性能、高精度、高效率要求：高性能、高精度、高效率 1.2 1.2 机电一体化系统的构成机电一体化系统的构成 1.3 1.3 机电一体化的相关术机电一体化的相关术 1 1 机械技术机械技术 2 2 检测传感技术检测传感技术 3 3 信息处理技术信息处理技术 4 4 自动控制技术自动控制技术 5 5 伺服驱动技术伺服驱动技术 6 6 系统总体技术系统总体技术 实现机电一体化产品的实现机电一体化产品的主功能主功能和和构造功能构造功能 ，影响系统的结构、重量、体积、刚性、可，影响系统的结构、重量、体积、刚性、可 靠性等。靠性等。 1 1、机械技术、机械技术 机电一体化产品要求：机械结构更简单、机机电一体化产品要求：机械结构更简单、机 械功能更强、体积更小、重量更轻、精度更械功能更强、体积更小、重量更轻、精度更 高、刚度更大、动态性能更好。高、刚度更大、动态性能更好。 1.3 1.3 机电一体化的相关术机电一体化的相关术 2 2、检测传感技术、检测传感技术 作用：作用：感受器官、反馈环节。感受器官、反馈环节。 研究对象：研究对象：传感器及其信号检测装置（即变送器传感器及其信号检测装置（即变送器 ） 要求：要求：能快速、精确地获得信息并在相应的应能快速、精确地获得信息并在相应的应 用环境中具有高可靠性。用环境中具有高可靠性。 1.3 1.3 机电一体化的相关术机电一体化的相关术 3 3、信息处理技术、信息处理技术 主要完成信息的交换、存取、运算、判断主要完成信息的交换、存取、运算、判断 和决策等和决策等. .其主要工具是计算机。其主要工具是计算机。 4 4、控制技术、控制技术 关于软件方面的技术，主要以控制理论为关于软件方面的技术，主要以控制理论为 指导，对控制系统设计、仿真、现场调试、可指导，对控制系统设计、仿真、现场调试、可 靠运行等。靠运行等。 传传 感感 器器 A/DA/D 计计 算算 机机 执行执行 装置装置 D/AD/A 1.3 1.3 机电一体化的相关术机电一体化的相关术 5 5、伺服驱动技术、伺服驱动技术 执行元件种类：执行元件种类：电电动动、液压液压、气压气压 研究对象：研究对象：执行元件执行元件及其及其驱动装置驱动装置 驱动装置：驱动装置：各种电动机的驱动电源电路各种电动机的驱动电源电路 6 6、系统总体技术、系统总体技术 系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统工系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统工 程的观点和方法，将系统各个功能模块有机的结合程的观点和方法，将系统各个功能模块有机的结合 起来，以实现整体最优。其重要内容为接口技术。起来，以实现整体最优。其重要内容为接口技术。 接口包括电气接口、机械接口、人机接口接口包括电气接口、机械接口、人机接口 1.3 1.3 机电一体化的相关术机电一体化的相关术 1.4 1.4 机电一体化系统设计的目的与方法机电一体化系统设计的目的与方法 n n 1.4.1 1.4.1 机电一体化产品系统分类机电一体化产品系统分类 n n 1.4.2 1.4.2 现代机械的机电一体化目标现代机械的机电一体化目标 n n 1.4.3 1.4.3 机电一体化技术方向机电一体化技术方向 n n 1.4.4 1.4.4 机电一体化系统的设计方法机电一体化系统的设计方法 n n 1.4.5 1.4.5 机电一体化的系统机电一体化的系统 1 1 生产用机电一体化产品生产用机电一体化产品 1.4.1 1.4.1 机电一体化产品系统分类机电一体化产品系统分类 数控机床、机器人、自动生产设备；柔性生产单元、自数控机床、机器人、自动生产设备；柔性生产单元、自 动组合生产单元；动组合生产单元；FMSFMS、无人化工厂、无人化工厂、CIMSCIMS 2 2运输、包装及工程用机电一体化产品运输、包装及工程用机电一体化产品 微机控制汽车、机车等交通运输工具；数控包装机械微机控制汽车、机车等交通运输工具；数控包装机械 及系统；数控运输机械及工程机械设备及系统；数控运输机械及工程机械设备等 3 3 储存、销售用机电一体化产品储存、销售用机电一体化产品 自动空调与制冷系统及设备；自动仓库；自动称量、分自动空调与制冷系统及设备；自动仓库；自动称量、分 选、销售及现金处理系统；自动化办公设备等。选、销售及现金处理系统；自动化办公设备等。 1.4.1 1.4.1 机电一体化产品系统分类机电一体化产品系统分类 4 4社会服务性机电一体化产品社会服务性机电一体化产品 动力、医疗、环保及公共服务自动化设备；文教、体育、娱乐动力、医疗、环保及公共服务自动化设备；文教、体育、娱乐 5 5家庭用机电一体化产品家庭用机电一体化产品 家用机电一体化产品；微机或数控型耐用消费品；炊事自动化家用机电一体化产品；微机或数控型耐用消费品；炊事自动化 机械；家庭用信息、服务设备。机械；家庭用信息、服务设备。 6 6科研及过程控制用机电一体化产品科研及过程控制用机电一体化产品 测试设备；控制设备；信息处理系统。测试设备；控制设备；信息处理系统。 7 7农、林、牧、渔及其它民用机电一体化产品农、林、牧、渔及其它民用机电一体化产品 8 8航空、航天、国防用武器装备等机电一体化产品航空、航天、国防用武器装备等机电一体化产品 1.4.2 1.4.2 现代机械的机电一体化目标现代机械的机电一体化目标 1.1.提高精度提高精度 2.2.增强功能增强功能 3.3.提高生产效率提高生产效率 4. 4.节约能源，降低能耗节约能源，降低能耗 5.5.提高安全性可靠性提高安全性可靠性 6.6.改善操作性和实用性改善操作性和实用性 7. 7.节约能源，降低能耗节约能源，降低能耗 8.8.简化结构降低重量简化结构降低重量 9.9.降低价格降低价格 10.10.增强柔性应用功能增强柔性应用功能 以某一个机电一体化产 品为例来分析该产品的 设计目标。 如：轿车、数控机床、 机器人等 1.4.3 1.4.3 机电一体化技术方向机电一体化技术方向 1.机械的电子化 （1）在原有机械系统的基础上采用微型计算机控制 装置，使系统的性能提高，功能增强。例如，模糊控制 洗衣机能根据衣物的洁净度自动控制洗涤过程，从而实 现节水、节电、节时、节洗衣粉的功能；机床的数控化 是另一个典型的例子。 （2）用电子装置局部替代机械传动装置和机械控制 装置，简化结构，增强控制灵活性。例如，数控机床的 进给系统采用伺服系统，简化了传动链，提高了进给系 统的动态性能；将传统电机的电刷用电子装置替代形成 的无刷电机，具有性能可靠、结构简单、尺寸减小等优 点。 1.4.3 1.4.3 机电一体化技术方向机电一体化技术方向 （3）用电子装置完全替代原来执行信息处理功能的机 构，既减化了结构，又极大地丰富了信息传输的内容， 提高了速度。例如，石英电子钟表、电子秤、按键式电 话等。 （4）用电子装置替代机械的主功能，形成特殊的加工 能力。例如，电火花加工机床、线切割加工机床、激光 加工机床等。 2.机电技术完全融合形成新型机电一体化产品 生产机械中的激光快速成形机；信息机械中的传真机、 打印机、复印机；检测机械中的CT（计算机断层扫描 诊断装置）扫描诊断仪、扫描隧道显微镜等。 1.4.41.4.4 机电一体化系统设计方法机电一体化系统设计方法 n n 1 1、市场调研、市场调研 n n 2 2、总体方案设计、总体方案设计 n n 3 3、详细设计、详细设计 n n 4 4、样机试制与试验、样机试制与试验 n n 5 5、小批量生产、小批量生产 n n 6 6、大批量生产、大批量生产 1 1、市场调研、市场调研 n n 市场调研包括市场调研包括市场调查市场调查和和市场预测市场预测。所谓。所谓市场调市场调 查查就是运用科学的方法，系统地、全面地收集所设计就是运用科学的方法，系统地、全面地收集所设计 产品市场需求和经销方面的情况和资料，分析研究产产品市场需求和经销方面的情况和资料，分析研究产 品在供需双方之间进行转移的状况和趋势，而品在供需双方之间进行转移的状况和趋势，而市场预市场预 测测就是在市场调查的基础上，运用科学方法和手段，就是在市场调查的基础上，运用科学方法和手段， 根据历史资料和现状，通过定性的经验分析或定量的根据历史资料和现状，通过定性的经验分析或定量的 科学计算，对市场未来的不确定因素和条件做出预计科学计算，对市场未来的不确定因素和条件做出预计 、测算和判断，为产品的方案设计提供依据。、测算和判断，为产品的方案设计提供依据。 1.4.4 1.4.4 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 2 2、总体方案设计、总体方案设计 n n 1)1)产品方案构思产品方案构思 n n 产品方案构思完成后，以方案图的形式将设计方案表产品方案构思完成后，以方案图的形式将设计方案表 达出来。方案图应尽可能简洁明了，反映机电一体化系统达出来。方案图应尽可能简洁明了，反映机电一体化系统 各组成部分的相互关系，同时应便于后面的修改。各组成部分的相互关系，同时应便于后面的修改。 n n 2)2)方案的评价对多种构思和多种方案进行筛选，选择方案的评价对多种构思和多种方案进行筛选，选择 较好的可行方案进行分析组合和评价，从中再选几个方案较好的可行方案进行分析组合和评价，从中再选几个方案 按照机电一体化系统设计评价原则和评价方法进行深入的按照机电一体化系统设计评价原则和评价方法进行深入的 综合分析评价，最后确定实施方案。综合分析评价，最后确定实施方案。 1.4.4 1.4.4 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 3 3、详细设计、详细设计 n n 详细设计是根据综合评价后确定的系统方案，从技术上详细设计是根据综合评价后确定的系统方案，从技术上 将其细节逐层全部展开，直至完成产品样机试制所需全部技将其细节逐层全部展开，直至完成产品样机试制所需全部技 术图纸及文件的过程。术图纸及文件的过程。 1.4.4 1.4.4 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 4 4、样机试制与试验、样机试制与试验 n n 完成产品的详细设计后，即可进入样机试制与试验阶段。完成产品的详细设计后，即可进入样机试制与试验阶段。 样机的试验分为实验室试验和实际工况试验，通过试验考核样样机的试验分为实验室试验和实际工况试验，通过试验考核样 机的各种性能指标是否满足设计要求，考核样机的可靠性。如机的各种性能指标是否满足设计要求，考核样机的可靠性。如 果样机的性能指标和可靠性不满足设计要求，则要修改设计，果样机的性能指标和可靠性不满足设计要求，则要修改设计， 重新制造样机，重新试验。如果样机的性能指标和可靠性满足重新制造样机，重新试验。如果样机的性能指标和可靠性满足 设计要求，则进入产品的小批量生产阶段。设计要求，则进入产品的小批量生产阶段。 n n 5 5、小批量生产、小批量生产 n n 产品的小批量生产阶段实际上是产品的试生产试销产品的小批量生产阶段实际上是产品的试生产试销 售阶段。这一阶段的主要任务是跟踪调查产品在市场上的售阶段。这一阶段的主要任务是跟踪调查产品在市场上的 情况，收集用户意见，发现产品在设计和制造方面存在的情况，收集用户意见，发现产品在设计和制造方面存在的 问题，并反馈给设计、制造和质量控制部门。问题，并反馈给设计、制造和质量控制部门。 n n 6 6、大批量生产、大批量生产 n n 经过小批量试生产和试销售的考核，排除产品设计经过小批量试生产和试销售的考核，排除产品设计 和制造中存在的各种问题后，即可投入大批量生产。和制造中存在的各种问题后，即可投入大批量生产。 1.4.4 1.4.4 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 1.5 1.5 机电一体化产品的发展趋势机电一体化产品的发展趋势 n n 1 1 智能化智能化 n n 智能化是智能化是2121世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向 。人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视，机器人。人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视，机器人 与数控机床的智能化就是重要应用。这里所说的与数控机床的智能化就是重要应用。这里所说的“智能化智能化”是是 对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、 运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力 学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻 辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。 机电一体化产品向机电一体化产品向智能化智能化、模块化模块化、网络化网络化、微型微型 化化、系统化系统化发展。发展。 2 2 模块化模块化 n n 由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开 发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的 机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事 。这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口 。由于利益冲突，近期很难制定国际或国内这方面的标准。由于利益冲突，近期很难制定国际或国内这方面的标准 ，但可以通过组建一些大企业逐渐形成。显然，从电气产，但可以通过组建一些大企业逐渐形成。显然，从电气产 品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产 标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的 企业，规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。企业，规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。 1.5 1.5 机电一体化的发展趋势机电一体化的发展趋势 3 3网络化网络化 2020世纪世纪9090年代，计算机技术等的突出成就是网络年代，计算机技术等的突出成就是网络 技术。机电一体化新产品一旦研