机电一体化绪论

1、第第1 1章章 绪论绪论机电一体化系统设计机电一体化系统设计1第第1章章 绪论绪论 1.1 机电一体化的定义机电一体化的定义1.2 机电一体化系统的功能要素机电一体化系统的功能要素 1.3 机电一体化系统的相关技术机电一体化系统的相关技术1.4 机电一体化系统设计的目标与方法机电一体化系统设计的目标与方法1.5 本课程的目的和要求本课程的目的和要求第第1 1章章 绪论绪论机电一体化系统设计机电一体化系统设计21.1 机电一体化的定义机电一体化的定义 一 机电一体化的定义机电一体化的定义 1971年起源于日本。年起源于日本。 机械学（机械学（Mechanics）+ 电子学（电子学（Electro

2、nics） = 机电一体化机电一体化 或或 机械电子工程（机械电子工程（Mechatronics）机电一体化技术机电一体化技术机械技术（机械机械技术（机械学、机构学）学、机构学）微电子技术（半微电子技术（半导体、导体、IC、LSI）第第1 1章章 绪论绪论机电一体化系统设计机电一体化系统设计31.1 机电一体化的定义机电一体化的定义 一 机电一体化的定义机电一体化的定义 定义：机电一体化技术是从系统工程观点出发，应用机定义：机电一体化技术是从系统工程观点出发，应用机械、电子、信息等有关技术，对它们进行有机的组织和械、电子、信息等有关技术，对它们进行有机的组织和综合，实现了整体的最佳化。综合，实

3、现了整体的最佳化。 它不是机械与电子的简单的叠加，而是在信息论它不是机械与电子的简单的叠加，而是在信息论（利用传感技术）、控制论（利用控制理论）和系统论（利用传感技术）、控制论（利用控制理论）和系统论（“系统系统”整体筹划，机械和电子分别只是整体筹划，机械和电子分别只是“环节环节”）的基础上建立起来的应用技术。的基础上建立起来的应用技术。 第第1 1章章 绪论绪论机电一体化系统设计机电一体化系统设计41.2 机电一体化的基本功能要素机电一体化的基本功能要素 第第1 1章章 绪论绪论机电一体化系统设计机电一体化系统设计51.2 机电一体化的基本功能要素机电一体化的基本功能要素 第第1 1章章 绪

4、论绪论机电一体化系统设计机电一体化系统设计61.2 机电一体化的基本功能要素机电一体化的基本功能要素一、机械本体一、机械本体 主要功能是使构造系统的各子系统、零部件按照一定主要功能是使构造系统的各子系统、零部件按照一定的空间和时间关系安置在一定位置上，并保持特定的的空间和时间关系安置在一定位置上，并保持特定的关系。关系。二、动力单元二、动力单元 按照机电一体化系统的控制要求，为系统提供动力和按照机电一体化系统的控制要求，为系统提供动力和能量以保证系统正常运行。能量以保证系统正常运行。第第1 1章章 绪论绪论机电一体化系统设计机电一体化系统设计71.2 机电一体化的基本功能要素机电一体化的基本功

5、能要素三、传感检测单元三、传感检测单元 主要功能是对系统运行过程中所需要的本身和外界环主要功能是对系统运行过程中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，并转换成可识别信号，境的各种参数及状态进行检测，并转换成可识别信号，传输到控制信息处理单元，经过分析、处理产生相应传输到控制信息处理单元，经过分析、处理产生相应的控制信息。的控制信息。四、执行单元四、执行单元 根据控制信息和指令完成所要求的动作。根据控制信息和指令完成所要求的动作。第第1 1章章 绪论绪论机电一体化系统设计机电一体化系统设计81.2 机电一体化的基本功能要素机电一体化的基本功能要素五、驱动单元五、驱动单元 在控制信息的作

6、用下，驱动各执行机构完成各种动作在控制信息的作用下，驱动各执行机构完成各种动作和功能。和功能。六、控制与信息处理单元六、控制与信息处理单元 将来自各传感器的检测信息和外部输入指令进行集中、将来自各传感器的检测信息和外部输入指令进行集中、存储、分析、加工。根据信息处理结果，按照一定的存储、分析、加工。根据信息处理结果，按照一定的程序发出相应的控制信号，通过输出接口送往执行机程序发出相应的控制信号，通过输出接口送往执行机构，控制整个系统有目的地运行，并达到预期性能。构，控制整个系统有目的地运行，并达到预期性能。第第1 1章章 绪论绪论机电一体化系统设计机电一体化系统设计91.2 机电一体化的基本功

7、能要素机电一体化的基本功能要素七、接口单元七、接口单元 接口的作用是将各要素或子系统连接成为一个有机整接口的作用是将各要素或子系统连接成为一个有机整体，使各个功能环节有目的地协调一致运动，从而完体，使各个功能环节有目的地协调一致运动，从而完成机电一体化地系统工程。成机电一体化地系统工程。第第1 1章章 绪论绪论机电一体化系统设计机电一体化系统设计101.3 机电一体化的相关技术机电一体化的相关技术第第1 1章章 绪论绪论机电一体化系统设计机电一体化系统设计111.3 机电一体化的相关技术机电一体化的相关技术一、机械技术一、机械技术 机电一体化的机械产品与传统的机械产品的区别在于：机电一体化的机

8、械产品与传统的机械产品的区别在于：机械结构更简单、机械功能更强、性能更优越。现代机械结构更简单、机械功能更强、性能更优越。现代机械要求具有更新颖的结构、更小的体积、更轻的重机械要求具有更新颖的结构、更小的体积、更轻的重量，还要求精度更高、刚度更大、动态性能更好。量，还要求精度更高、刚度更大、动态性能更好。 在设计和制造机械系统时除了考虑静态、动态刚度及在设计和制造机械系统时除了考虑静态、动态刚度及热变形等问题外，还应考虑采用新型复合材料和新型热变形等问题外，还应考虑采用新型复合材料和新型结构以及新型的制造工艺和工艺装置。结构以及新型的制造工艺和工艺装置。第第1 1章章 绪论绪论机电一体化系统设

9、计机电一体化系统设计121.3 机电一体化的相关技术机电一体化的相关技术二、传感检测技术二、传感检测技术 传感检测技术的内容，一是研究如何将各种被测量传感检测技术的内容，一是研究如何将各种被测量（包括物理量、化学量和生物量等）转换为与之成比（包括物理量、化学量和生物量等）转换为与之成比例的电量；二是研究对转换的电信号的加工处理，如例的电量；二是研究对转换的电信号的加工处理，如放大、补偿、标度变换等。放大、补偿、标度变换等。 机电一体化系统要求传感检测装置能快速、准确、可机电一体化系统要求传感检测装置能快速、准确、可靠的获取信息。靠的获取信息。 第第1 1章章 绪论绪论机电一体化系统设计机电一体

10、化系统设计131.3 机电一体化的相关技术机电一体化的相关技术三、信息处理技术三、信息处理技术 计算机技术包括计算机的软件技术、硬件技术、网络计算机技术包括计算机的软件技术、硬件技术、网络与通讯技术和数据技术。机电一体化系统中主要采用与通讯技术和数据技术。机电一体化系统中主要采用工业控制机（包括可编程控制器，单、多回路调节器，工业控制机（包括可编程控制器，单、多回路调节器，单片微控制器，总线式工业控制机，分布式计算机测单片微控制器，总线式工业控制机，分布式计算机测控系统）进行信息处理。信息处理的发展方向是提高控系统）进行信息处理。信息处理的发展方向是提高信息处理的速度、可靠性和智能化程度。人工

11、智能技信息处理的速度、可靠性和智能化程度。人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等都属于计算机信术、专家系统技术、神经网络技术等都属于计算机信息处理技术的范畴。息处理技术的范畴。第第1 1章章 绪论绪论机电一体化系统设计机电一体化系统设计141.3 机电一体化的相关技术机电一体化的相关技术四、自动控制技术四、自动控制技术 自动控制所依据的理论是自动控制原理（包括经典控自动控制所依据的理论是自动控制原理（包括经典控制理论和现代控制理论），自动控制技术就是在此理制理论和现代控制理论），自动控制技术就是在此理论的指导下对具体控制装置或控制系统进行设计；设论的指导下对具体控制装置或控制系统进行设计；

12、设计后进行系统仿真，现场调试；最后使研制的系统可计后进行系统仿真，现场调试；最后使研制的系统可靠地投入运行。靠地投入运行。 机电一体化系统中的自动控制技术主要包括位置控制、机电一体化系统中的自动控制技术主要包括位置控制、速度控制、最优控制、自适应控制以及模糊控制、神速度控制、最优控制、自适应控制以及模糊控制、神经网络控制等。经网络控制等。 第第1 1章章 绪论绪论机电一体化系统设计机电一体化系统设计151.3 机电一体化的相关技术机电一体化的相关技术五、伺服传动技术五、伺服传动技术 伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的传动装伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置常见的伺服驱动系统

13、主要有电气伺服（如步进电机、置常见的伺服驱动系统主要有电气伺服（如步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等）和液压伺服（如液直流伺服电机、交流伺服电机等）和液压伺服（如液压马达、脉冲油缸等）两类。压马达、脉冲油缸等）两类。第第1 1章章 绪论绪论机电一体化系统设计机电一体化系统设计161.3 机电一体化的相关技术机电一体化的相关技术六、系统总体技术系统总体技术 机电一体化系统是一个技术综合体，它利用系统总体机电一体化系统是一个技术综合体，它利用系统总体技术将各有关技术协调配合、综合运用而达到整体系技术将各有关技术协调配合、综合运用而达到整体系统的最佳化。统的最佳化。 第第1 1章章 绪论绪论机电

14、一体化系统设计机电一体化系统设计171.4 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一、机电一体化产品和系统的分类一、机电一体化产品和系统的分类 第第1 1章章 绪论绪论机电一体化系统设计机电一体化系统设计181.4 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一、机电一体化产品和系统的分类一、机电一体化产品和系统的分类 数控机床、机器人、自动生产设备生产用机电一体化产品 柔性生产单元、自动组合生产单元 FMS、无人化工厂、CIMS 微机控制汽车、机车等 交通运输工具运输、包装及工程用机电一体化产品 数控包装机械及系统 数控运输机械及工程机 械设备，自动仓库

15、储存、销售用机电一体化产品 自动空调与制冷系统及设备第第1 1章章 绪论绪论机电一体化系统设计机电一体化系统设计191.4 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一、机电一体化产品和系统的分类一、机电一体化产品和系统的分类 自动称量、分选、销售及现金处理系统， 自动化办公设备社会服务性产品 动力、医疗、环保及公共服务自动化设备 文教、体育、娱乐用产品 微机或数控型耐用消费品家庭用机电一体化产品 炊事机械，家庭用信息、服务设备科研及过程控制用机电一体化产品 测试设备，控制设备农、林、牧、渔及其它民用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第第1 1章章 绪论

16、绪论机电一体化系统设计机电一体化系统设计201.4 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二、现代机械的机电一体化目标二、现代机械的机电一体化目标 1、提高精度、提高精度2、增强功能、增强功能3、提高生产效率、提高生产效率4、节约能源、降低能耗、节约能源、降低能耗5、提高安全性、可靠性、提高安全性、可靠性第第1 1章章 绪论绪论机电一体化系统设计机电一体化系统设计211.4 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二、现代机械的机电一体化目标二、现代机械的机电一体化目标 6、改善操作性和实用性、改善操作性和实用性7、减轻劳动强度、改善劳动条件、减轻劳动

17、强度、改善劳动条件8、简化结构、减轻重量、简化结构、减轻重量9、降低价格、降低价格10、增强柔性应用功能、增强柔性应用功能第第1 1章章 绪论绪论机电一体化系统设计机电一体化系统设计221.4 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三、机电一体化技术方向三、机电一体化技术方向 1.机械的电子化机械的电子化 （1）在原有机械系统的基础上采用微型计算机控）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

18、现节水、节电、节时、节洗衣粉的功能；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。机床的数控化是另一个典型的例子。第第1 1章章 绪论绪论机电一体化系统设计机电一体化系统设计231.4 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三、机电一体化技术方向三、机电一体化技术方向 1.机械的电子化机械的电子化 （2）用电子装置局部替代机械传动装置和机械控）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，提机床的进给系统采用伺服系统，简

19、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。简单、尺寸减小等优点。 第第1 1章章 绪论绪论机电一体化系统设计机电一体化系统设计241.4 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三、机电一体化技术方向三、机电一体化技术方向 1.机械的电子化机械的电子化（3）用电子装置完全替代原来执行信息处理功能的）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机构，既减化了结构，又极大

20、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、内容，提高了速度。例如，石英电子钟表、电子秤、按键式电话等。按键式电话等。第第1 1章章 绪论绪论机电一体化系统设计机电一体化系统设计251.4 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三、机电一体化技术方向三、机电一体化技术方向 1.机械的电子化机械的电子化 （4）用电子装置替代机械的主功能，形成特殊的加）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、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。激光加工机床等。第第1 1章章 绪论绪论机电一体化系统设计

21、机电一体化系统设计261.4 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三、机电一体化技术方向三、机电一体化技术方向 2.机电技术完全融合形成新型机电一体化产品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；检测机械中的机、打印机、复印机；检测机械中的CT（计算机（计算机断层扫描诊断装置）扫描诊断仪、扫描隧道显微镜断层扫描诊断装置）扫描诊断仪、扫描隧道显微镜等。等。第第1 1章章 绪论绪论机电一体化系统设计机电一体化系统设计271.4 机电一体化系统设计的目标和方法机电一体化系

22、统设计的目标和方法四、机电一体化系统开发的设计思想四、机电一体化系统开发的设计思想 与方法与方法 1. 1. 取代法取代法 取代法就是用电气控制取代原系统中的机械控制机取代法就是用电气控制取代原系统中的机械控制机构。该方法是改造旧产品、开发新产品构。该方法是改造旧产品、开发新产品或对原系统或对原系统进行技术改造常用的方法进行技术改造常用的方法,也是改造传统机械产品也是改造传统机械产品的常用方法。的常用方法。第第1 1章章 绪论绪论机电一体化系统设计机电一体化系统设计281.4 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四、机电一体化系统开发的设计思想四、机电一体化系统开发的设

23、计思想 与方法与方法 2. 2. 整体设计法整体设计法 整体设计法主要用于新产品的开发设计。在设计时整体设计法主要用于新产品的开发设计。在设计时完全从系统的整体目标出发完全从系统的整体目标出发, ,考虑各子系统考虑各子系统的设计。的设计。第第1 1章章 绪论绪论机电一体化系统设计机电一体化系统设计291.4 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四、机电一体化系统开发的设计思想四、机电一体化系统开发的设计思想 与方法与方法 3.3.组合法组合法 组合法就是选用各种标准功能模块组合设计成机电组合法就是选用各种标准功能模块组合设计成机电一体化系统。一体化系统。 第第1 1章章

24、 绪论绪论机电一体化系统设计机电一体化系统设计301.4 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四、机电一体化系统开发的设计思想四、机电一体化系统开发的设计思想 与方法与方法 3.3.组合法组合法 例如例如, ,设计一台数控机床设计一台数控机床, ,可以依据机床的性能要求可以依据机床的性能要求, ,通过对不同厂家的计算机控制单元、伺服驱动单元、通过对不同厂家的计算机控制单元、伺服驱动单元、位移和速度测试单元及主轴、导轨、刀架、传动系位移和速度测试单元及主轴、导轨、刀架、传动系统等产品的评估分析统等产品的评估分析, ,研究各单元间接口关系和各单研究各单元间接口关系和各单元对整元对整机性能的影响机性能的影响，通过优化设计确定机床