第一章：概论(2学时)《机电一体化设计》

1、主讲: 宋现春电话: 86361329邮箱：机电一体化系统设计机电一体化系统设计2021-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束第一章第一章 概论概论知识点：知识点： 机电一体化系统的基本概念 机电一体化系统的关键共性技术 机电一体化系统的发展概况2021-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束 美国技术评论认为，有十种新兴技术在不远的将来会产生巨大影响：无线传感器网络；可注入组织工程；纳米太阳能电池；机电一体化技术；分子成像；纳米印刷刻蚀；软件保证；糖原组学；量子密码术。2021-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后

2、页后页 结束结束1.1 机电一体化的基本概念机电一体化的基本概念1.1.1机电一体化系统的功能构成及定义机电一体化系统的功能构成及定义 “机电一体化”一词(Mechantronics)在20世纪70年代起源于日本。它取英语Mechanics(机械学)的前半部和Electronics（电子学）的后半部分拼成一个新词，即机械电子学或机电一体化。 2021-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束“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）机电一体化技术领域微电子技术（半导体技术、计算机技术）2021-11-252021-11-25开

3、始开始 前页前页 后页后页 结束结束机电一体化系统由机械本体（机构）、信息处理与控制部分（计算机）、能源部分（动力源）、检测部分（传感器）、执行元件部分（如电动机）等五个子系统组成 能源部分信息处理与控制信息输入驱动部分执行元件机械本体检测部分2021-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束典型闭环控制系统 2021-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束1.1.2机电一体化系统的结构要素机电一体化系统的结构要素机电一体化系统是由若干具有特定功能的机械与微电子要素组成的有机整体，具有满足人们使用要求的功能(目的功能)。根据不同的使用目

4、的，要求系统能对输入的物质、能量和信息(即工业三大要素)进行某一处理，输出所需要的物质、能量和信息。2021-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束因此，系统必须具有以下三大“目的功能”：变换(加工、处理)功能、传递(移动、输送)功能和储存(保持、积累、记录)功能。2021-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束不管那类系统（或产品），其系统内部必须具备如所示的五种内部功能，即主动能、动力功能、检测功能、控制功能、构造功能。 2021-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束CNC机床内部功能构成实例 20

5、21-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束机电一体化系统（产品）的五大要素及其对应的五大功能2021-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束机电一体化系统（产品）各构成要素之间的相互联系 2021-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束1.1.3机电一体化产品的分类机电一体化产品的分类一部分机电一体化系统以能量转换为主，输入能量(或物质)和信息，输出不同能量(或物质)的系统(或产品)，称为动力机，其中输出机械能的为原动机。也有机电一体化系统以信息处理为主，输入信息量，输出各种信息的系统，称为信息机。20

6、21-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束机电一体化产品种类繁多，目前还在不断扩展，但仍可以按产品的功能划分为以下几类。（1）数控机械类（2）电子设备类（3）机电结合类（4）电液伺服类（5）信息控制类2021-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束1.2 机电一体化的共性关键技术机电一体化的共性关键技术1.2.1机械设计技术机械设计技术机械技术是机电一体化的基础。机电一体化产品中的主功能和构造功能，往往是以机械技术为主实现的。特别是关键部件，如导轨、滚珠丝杠、轴承、传动部件等的材料、精度对机电一体化产品的性能、控制精度等多方向的要求

7、。2021-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束1.2.2计算机与信息处理技术计算机与信息处理技术信息处理技术包括信息的输入、识别、变换、运算、存储及格出技术，它们大都是依靠计算机来进行的，因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策等，实现信息处理的主要工具是计算机。计算机技术包括计算机硬件技术和软件技术、网络与通信技术、数据库技术等。2021-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束1.2.3自动控制技术自动控制技术自动控制技术就是通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。

8、自动控制技术范围很广，包括自动控制理论、控制系统设计、系统仿真、现场调试、可靠运行等从理论到实践的整个过程。由于被控对象种类繁多，所以控制技术的内容极其丰富，包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、示教再现、检索等控制技术。2021-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束1.2.4传感与检测技术传感与检测技术检测传感技术是机电一体化的关键技术，它将所测得的各种参量如位移、位置、速度、加速度、力、温度、酸度和其他形式的信号等转换为统一规格的电信号输入到信息处理系统中，并由此产生出相应的控制信号以决定执行机构的运动形式和动作幅度。传感器检测的精度

9、、灵敏度和可靠性将直接影响到机电一体化的性能。2021-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束1.2.5执行与驱动技术执行与驱动技术伺服驱动技术的主要研究对象是执行元件及其驱动装置。执行元件分为电动、气动、液压等多种类型，机电一体化产品中多采用电动式执行元件驱动装胃要是指各种电动机的驱动电源电路，目前多采用电力电子器件及集成化的功能电路构成。2021-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束1.2.6机电一体化总体设计技术机电一体化总体设计技术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力法，将系统总体分解成相互有机联系的若干功

10、能单元，并以功能单元为子系统继续分解，直至找到可实现的技术方案，然后再把功能和技术方案组合成方案指进行分析、评价和优选的综合应用技术。2021-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束1.3 机电一体化的发展概况机电一体化的发展概况1.3.1国内外机电一体化发展状况国内外机电一体化发展状况机电一体化技术的发展大体上可分为三个阶段。20世纪60年代以前为第一阶段，也可称其为“萌芽阶段”。70年代至80年代为第二阶段。称其为“蓬勃发展阶段”。从上世纪90年代后期开始为第三阶段，称其为“智能化阶段”，机电一体化技术向智能化新阶段迈进。2021-11-252021-11-2

11、5开始开始 前页前页 后页后页 结束结束1.3.2机电一体化技术的理论的发展机电一体化技术的理论的发展因此，机电一体化的主要发展方向如下：（1）智能化（2）模块化（3）网络化（4）微型化（5）绿色化（6）人性化2021-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束 2机电一体化的智能化趋势机电一体化的智能化趋势 人工智能在机电一体化技术中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。智能机器人通过视觉、触觉和听觉等各类传感器检测工作状态，根据实际变化过程反馈信息并做出判断与决定。数控机床的智能化现在各类传感器对切削加工前后和加工过程中的各种参数进行监测，并通

12、过计算机系统作出判断，自动对异常现象进行调整与补偿，以保证加工过程的顺利进行，并保证加工出合格产品。2021-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束目前，国外数控加工中心多具有以下智能化功能：对刀具长度、直径补偿和刀具破损监测；切削过程的监测；工件自动检测与补偿。随着制造自动化程度的提高，信息量与柔性也同样提高，出现智能制造系统(IMS)控制器来模拟人类专家的智能制造活动，对制造中的问题进行分析、判断、推理、构思和决策，其目的在于取代或延伸制造工程中人的部分脑力劳动，并对人类专家的制造智能进行收集、存储、完善、共享、继承和发展。2021-11-252021-11-

13、25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束(1)诊断过程的智能化 诊断功能的强弱是评价一个系统性能的重要智能指标之一。INC引入了人工智能的故障诊断系统，采用了各种推理机制，能准确判断故障所在，并具有自动检错、纠错与系统恢复功能，从而大大提高了系统的有效度。 2021-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束(2)人一机接口的智能化 智能化的人一机接口，可以大大简化操作过程，这里包含多媒体技术在人能化中的有效应用。 2021-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束(3)自动编程的智能化 操作者只需输入加工工件素材的形状和需加工形状的数据

14、，加工程序就可全部自动生成，这里包含：素材形状和加工形状的图形显示；自动工序的确定；使用刀具、切削条件的自动确定；刀具使用顺序的变更；任意路径的编辑；加工过程干涉校验等。 2021-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束(4)加工过程的智能化 通过智能工艺数据库的建立，系统根据加工条件的变更，自动设定加工参数。同时，将机床制造时的各种误差预先存入系统中，利用反馈补偿技术对静态误差进行补偿。还能对加工过程中的各种动态数据进行采集，并通过专家系统分析进行实时补偿或在线控制。此外，现代CNC系统大都具有学习与示教功能。 2021-11-252021-11-25开始开始

15、前页前页 后页后页 结束结束1.3.3数控技术与机器人技术数控技术与机器人技术一、数控机床数控技术，简称数控（Numerical Control）。它是利用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。数控系统包括：数控装置、可编程控制器、主轴驱动器及进给装置等部分.数控机床是机、电、液、气、光高度一体化的产品。2021-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束二、工业机器人机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标

16、志。工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。2021-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束1.3.4 新型的新型的MEMS系统系统微机电系统MEMS(Micro Electronic Mechanical Systems)是一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域，相对于传统的机械，它们的尺寸更小，最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米，其厚度就更加微小。2021-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束MEMS特点可以总结如下：（1） 微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。 （2） 集成化：微传感器、微执行器和IC集成在一起可以制造出高可靠性和高稳定性的智能化MEMS。（3） 多学科交叉：MEMS的制造涉及电子、机械、材料、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科。 2021-11-252021-11-25开始开始 前页前页 后页后页 结束结束本章小结本章小结机电一