机电一体化系统设计第一章概论

1、第一章第一章 概概 论论第一节第一节 机电一体化的基本含义机电一体化的基本含义 *重点介绍机电一体化概念一、日本关于机电一体化的定义 “机电一体化”这个词是在机构的主功能、动力功能、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系统的总称，它体现了机电一体化产品及其技术的基本内容和特征,所以,这是具有指导性的定义。目的是将机械、电子、信息处理和控制以及软件等现有技术，进行综合集成的一种技术群体概念，体现了学科融合的思想。是研究怎样将机械装置、电子设备和软件等组成一个功能完善的、柔性自动化的工程系统，从而为人类的生产和生活等各个领域的自动化服务。怎样用统一的观点和方

2、法来研究和设计这样的机电一体化系统，需要深入地探讨其内在规律，这是机械电子工程学的根本任务。 第一章第一章 概概 论论第一节第一节 机电一体化的基本含义机电一体化的基本含义 *重点介绍机电一体化概念二、美国关于“现代机械系统”的定义美国机械工程师协会（ASME）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：“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”。目的是指多个计算机控制和协调的、高级机电一体化产品。第一章第一章 概概 论论第一节第一节 机电一体化的基本含义机电一体化的基本含义 *

3、重点介绍机电一体化概念三、德国的精密工程技术的定义 图图1-1 精密工程技术的含精密工程技术的含义义精密工程技术定义为光、机、电一体化的综合技术，并用图1-1来说明其含义。它包括机械（含液压、气动及微机械）、电工与电子、光学，二者相互组合电工与电子机械、光电子技术与光学机械，其核心技术为精密工程技术。目的希望在精密工程技术的工程师培养期间强化训练跨学科的思维能力，虽然有可能使“单一化”学科的训练有所削弱，但要促进精密工程技术中各学科的相互渗透，这一观点是培养机电一体化复合人才的关键。 第一章第一章 概概 论论第一节第一节 机电一体化的基本含义机电一体化的基本含义 *重点介绍机电一体化概念四、我

4、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）和计算机集成制造系统（CIMS）等自动化生产线和自动化制造工程也包括在内，这是对机电一体化含义的延拓。概括、总结了机电一体化的六大共性关键技术：精密机械技术（机电一体化技术的基础），伺服传动技术（机电一体化系统的核心部分），传感检测技术（闭环系统的关键部件），信息处理技术（控制的基础技术），自动控制技术（计算机控制的关键技术），系统总体技术（包括系统的总体设计和接口技术，即用跨学科的思维能力来进行综合集成）。 区分机电一体化或非机电一体化的产品，其核心是计算机控制的伺服系统，其它都是与此匹配的重要部分。有

5、人认为机电一体化产品是“在机械产品的基础上应用微电子技术和计算机技术产生出来的新一代的机电产品”，这是机械电子化的概念。实践证明，现有机械产品的电子化，需要采用系统科学的观点和综合集成技巧，使机械装置、电子设备和软件之间相互适应和匹配，发挥各自的优势，这是我们应该研究的课题。第一章第一章 概概 论论第二节第二节 机电一体化系统的基本构成机电一体化系统的基本构成*重点介绍机电一体化系统的功能构成、原理 一、机电一体化系统的构成机电一体化系统由机械系统（机构）、电子信息处理系统（计算机）、动力系统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件系统（如电机）等五个子系统组成。通过传感器直接检测目标运动

6、并进行反馈控制的系统为全闭环系统；而通过传感器检测某一部位（如伺服电机等）运动并进行反馈、间接控制目标运动的系统为半闭环系统。机电一体化系统的基本特征是给“机械”增添了头脑（计算机信息处理与控制），因此是要求传感器技术、控制用接口元件、机械结构、控制软件水平较高的系统。其运动控制不仅仅是线性控制，还有非线性控制、最优控制、学习控制等各种各样的控制。 第一章第一章 概概 论论第二节第二节 机电一体化系统的基本构成机电一体化系统的基本构成*重点介绍机电一体化系统的功能构成、原理二、机电一体化系统的功能构成系统内部必须具备图1-2所示的五种内部功能，即主功能、动力功能、检测功能、控制功能、构造功能。

7、1、主功能、主功能（目的功能）是实现系统目的的功能，是对输入的物料、能量和信息进行预处理的变换（加工、处理）功能；传递（移动、输送）功能；储存（保持、积蓄、记录）功能。其主要参数有：系统误差、外扰、废弃输出、变换效率。图图1-2 系统内部功能系统内部功能第一章第一章 概概 论论第二节第二节 机电一体化系统的基本构成机电一体化系统的基本构成*重点介绍机电一体化系统的功能构成、原理二 机电一体化系统的功能构成1、主功能、主功能 以物料搬运、加工为主以物料搬运、加工为主，输入物质（原料、毛坯等）、能量（电能、液能、气能等）和信息（操作及控制指令等），经过加工处理，主要输出改变了位置和形态的物质的系统

8、（或产品），称为加工机。例如：各种机床（切削、锻压、铸造、电加工、焊接设备、高频淬火等）、交通运输机械、食品加工机械、起重机械、纺织机械、印刷机械、轻工机械等。以能量转换为主以能量转换为主，输入能量（或物质）和信息，输出不同形式能量（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，例如电动机、水轮机、内燃机等。 以信息处理为主以信息处理为主，输入信息和能量，主要输出某种信息（如数据、图像、文字、声音等）的系统（或产品），称为信息机。例如各种仪器、仪表、电子计算机、电报传真机以及各种办公机械等。第一章第一章 概概 论论第二节第二节 机电一体化系统的基本构成机电一体化系统的基本构成

9、*重点介绍机电一体化系统的功能构成、原理二 机电一体化系统的功能构成2、动力功能、动力功能是为系统提供所需动力、让系统得以运转的功能。 其主要参数有：输入能量、能源3、检测功能、检测功能的作用是检测系统内部信息和外部信息。 其主要参数有：精度4、控制功能、控制功能的作用是根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转，实施“目的功能”。 其主要参数有：控制输入输出口个数、手动操作5、构造功能、构造功能是将组成系统各要素组合起来，进行空间匹配，形成一个统一整体。 其主要参数有：尺寸、重量、强度第一章第一章 概概 论论第二节第二节 机电一体化系统的基本构成机电一体化系统的基本构成*重

10、点介绍机电一体化系统的功能构成、原理三、机电一体化产品的五大要素综上所述，机电一体化系统的五大要素及其相应的五大功能如图1-3所示。（a） （b）图1-3 机电一体化系统的五大要素与功能动力源动力源执行执行元件元件 计算机计算机传感器传感器机机 构构动动 力力操操 作作控控 制制计计 测测构构 造造第一章第一章 概概 论论第二节第二节 机电一体化系统的基本构成机电一体化系统的基本构成*重点介绍机电一体化系统的功能构成、原理三、机电一体化产品的五大要素表1-1 机电一体化系统要素与人体要素的对应关系机电一体化系统要素功能人体要素控制器（计算机等）控制（信息存储 处理 传送）头脑检测传感器计测（信

11、息收集与变换）感官执行元件驱动（操作）肌肉动力源提供动力（能量）内脏机构构造骨骼 第一章第一章 概概 论论 第二节第二节 机电一体化系统的基本构成机电一体化系统的基本构成四、机电一体化系统构成要素的联接（广义接口）接口技术：接口技术：机电一体化系统由许多要素或子系统构成，各要素和子系统之间必须能顺利进行物质、能量和信息的传递与交换，为此，各要素和各子系统相接处必须具备一定的联系条件，这些联系条件就可称为接口（interface），如图1-4所示。接口是物质、能量和信息的输入输出功能和参数变换与调整功能两部分组成。从系统外部看，机电一体化系统的输入输出是与人、自然及其它系统之间的接口；从系统内部

12、看，机电一体化系统是由许多接口将系统构成要素的输入输出联系为一体的系统。从这一观点出发，系统的性能在很大程度上取决于接口的性能，各要素和各子系统之间的接口性能就成为综合系统性能好坏的决定性因素。机电一体化系统是机械、电子和信息等功能各异的技术融为一体的综合系统，其构成要素或子系统之间的接口极为重要，在某种意义上讲，机电一体化系统设计就是接口设计。广义的接口功能有两种，一种是输入输出；另一种是变换、调整。 图图1-4系统内部与外部接口系统内部与外部接口 第一章第一章 概概 论论 第二节第二节 机电一体化系统的基本构成机电一体化系统的基本构成四、机电一体化系统构成要素的联接（广义接口）根据接口的变

13、换、 调整功能，可将接口分成以下四种：（1）零接口，不进行任何变换和调整、输出即为输入，仅起连接作用的接口，称为零接口。例如：输送管、插头、插座、接线柱、传动轴、导线、电缆等。（2）无源接口，只用无源要素进行变换、调整的接口，称为无源接口。例如：齿轮减速器、进给丝杠、变压器、可变电阻器以及透镜等。（3）有源接口，含有有源要素、主动进行匹配的接口，称为有源接口。例如：电磁离合器、放大器、光电耦合器、DA、AD转换器以及力矩变换器等。（4）智能接口，含有微处理器，可进行程序编制或可适应性地改变接口条件的接口， 称为智能接口。例如：自动变速装置，通用输入输出LSI（8255等通用IO LSI）、GP

14、-IB总线、STD总线等。 第一章第一章 概概 论论 第二节第二节 机电一体化系统的基本构成机电一体化系统的基本构成四、机电一体化系统构成要素的联接（广义接口） 根据接口的输入输出功能，可将接口分为以下四种：（1）机械接口，由输入输出部位的形状、尺寸、精度、配合、规格等进行机械联接的接口。例如：联轴节、管接头、法兰盘、万能插口、接线柱、插头与插座及音频盒等。（2）物理接口，受通过接口部位的物质、能量与信息的具体形态和物理条件约束的接口，称为物理接口。例如：受电压、频率、电流、电容、传递扭矩的大小、气体成分（压力或流量）约束的接口。（3）信息接口，受规格、标准、法律、语言、符号等逻辑、软件约束的

15、接口，称为信息接口。例如：GB、ISO、ASC码、RS232C、FORTRAN、C、C等。（4）环境接口，对周围环境条件（温度、湿度、磁场、火、振动、放射能、水、气、 灰尘）有保护作用和隔绝作用的接口，称为环境接口。例如：防尘过滤器、防水联接器、防爆开关等。 第一章第一章 概概 论论 第二节第二节 机电一体化系统的基本构成机电一体化系统的基本构成五、机电一体化系统的评价系统的价值通常用表1-2所示的方法来评价，但是，机电一体化的目的是提高系统的附加价值，所以附加价值就成了机电一体化系统的综合评价指标。机电一体化系统的主要评价内容如图1-5所示。如果系统的目的功能未定，那么其具体的评价项目也不好

16、定，此时系统的高性能化就成为主要评价项目。高可靠性化和低价格化当然是对系统整体而言的。 第一章第一章 概概 论论 第二节第二节 机电一体化系统的基本构成机电一体化系统的基本构成五、机电一体化系统的评价表1-2系统的内部功能与系统的价值 第一章第一章 概概 论论 第二节第二节 机电一体化系统的基本构成机电一体化系统的基本构成五、机电一体化系统的评价图图1-5机电一体化系统的评价内容机电一体化系统的评价内容机电一体化系统的一大特点是由于机电一体化系统的微电子装置取代了人对机械的绝大部分的控制功能，并加以延伸和扩大，克服了人体能力的不足和弱点。另一大特点是节省能源和材料消耗。这些特点正是实现机电一体

17、化系统高性能化、智能化、省能省资源化及轻薄短小化的重要原因，也正是对工业三大要素（物质、能量和信息）的具体贡献，如图1-6所示、机电一体化的三大效果是与我国工业发展方向相一致的，也是我国机电一体化技术革命发展的重要原因。 第一章第一章 概概 论论 第二节第二节 机电一体化系统的基本构成机电一体化系统的基本构成五、机电一体化系统的评价图图1-5机电一体化系统的评价内容机电一体化系统的评价内容 第一章第一章 概概 论论 第二节第二节 机电一体化系统的基本构成机电一体化系统的基本构成五、机电一体化系统的评价图图1-6工业三大要素与机电一体化三大效果工业三大要素与机电一体化三大效果第一章第一章 概概

18、论论第三节第三节 机电一体化产品的分类机电一体化产品的分类 到目前为止，机电一体化产品还在不断地发展，很难进行正确地分类。下面按其用途和功能两个方面进行粗略地分类，就可看到机电一体化产品的概貌。 一、按机电一体化产品的用途分类 1.产业机械 指用于生产事业的电子控制机械。如数控机床、数控锻压设备、微机控制的焊接设备、工业机器人、电子控制的食品包装机械、塑料成型机械、皮革机械、纺织机械以及自动导引车系统（AGVS）等。 2.信息机械 用于信息处理、存储等的电子机械产品。如电报传真机、电子打字机、自动绘图机、磁盘存储器、办公室自动化设备等。 3.民生机械 用于人民生活领域的电子机械产品或机械电子产

19、品。如收录机、电冰箱、 录像机、影碟机、全自动洗衣机、电子照相机、汽车电子化产品和医疗器械等。第一章第一章 概概 论论第三节第三节 机电一体化产品的分类机电一体化产品的分类 二、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 这样就可实现高性能和多功能。如产业机械的电子化产品、工业机器人、发动机控制系统、装有微处理器的洗涤机等。 2.用电子装置局部取代机械控制装置 如电子缝纫机、自动售货机、无刷电动机、电子控制的针织机和汽车电子化等。 3.用电子装置取代原来执行信息处理功能的机构 如石英电子钟表、电子计算机、电子计费器、电子秤、字符处理机、电子交换机和按钮式电话机等。 4.

20、用电子装置取代机械的主功能 如电加工机床、 激光加工机和超声波缝纫机等。 5.信息设备和电子装置有机结合的信息电子机械设备 如电报传真机、复印机、录像机、录音机和办公室自动化设备等。 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 如自动探伤机、形状识别装置、CT扫描诊断仪以及生物化学自动分析仪等。在以上各种产品中，应根据前述日本机电一体化定义来判断是否属于机电一体化产品。否则，可称为以机械装置为主体的机械电子产品，或以电子装置为主体的电子机械产品。这样一来，机电一体化产品的含义就进一步延拓，其产品就会包罗万象了。 第一章第一章 概概 论论第四节第四节 机电一体化的特点及发展趋势机电

21、一体化的特点及发展趋势 一、机电一体化技术体现在产品、设计、制造以及生产经营管理诸方面的特点 （一）简化机械结构，提高精度 在机电一体化产品中，通常采用调速电机来驱动机械系统，从而缩短甚至取消了机械传动链，这不但简化了机械结构，而且减少了由于机械摩擦、磨损、间隙等引起的传动误差。并且，可以用闭环控制来补偿机械系统的误差，从而提高了系统精度。 （二）易于实现多功能和柔性自动化 在机电一体化产品中，计算机控制系统，不但取代其它的信息处理和控制装置，且易于实现自动检测、数据处理、自动调节和控制、自动诊断和保护，还可自动显示、记录和打印等。此外，计算机硬件和软件结合就能实现柔性自动化，并具有很大的灵活

22、性。（三）产品开发周期缩短、竞争能力增强 机电一体化产品可以采用专业化生产的、 高质量的机电部件，通过综合集成技巧来设计和制造，因而不但产品的可靠性高，甚至在使用期限内无需维修，从而缩短了产品开发周期，增强了产品在市场上的竞争能力。 第一章第一章 概概 论论第四节第四节 机电一体化的特点及发展趋势机电一体化的特点及发展趋势 一、机电一体化技术体现在产品、设计、制造以及生产经营管理诸方面的特点 （四）生产方式向高柔性、综合自动化发展 各种机电一体化设备构成的FMS和CIMS，使加工、检测、物流和信息流过程融为一体，就可形成人少或无人化生产线、车间和工厂。近10年来，日本有些大公司已采用所谓“灵活

23、的生产体系”，即根据市场需要，在同一条生产线上可分时生产批量小、型号或品种多的“系列产品家族”，如计算机、汽车、摩托车、肥皂和化妆品等系列产品。 （五）促进经营管理体制发生根本性的变化 由于市场的导向作用，产品的商业寿命日益缩短。为了占领国内、外市场和增强竞争能力，企业必须重视用户信息的收集和分析，迅捷作出决策，迫使企业从传统的生产型向以经营为中心的决策管理体制转变，实现生产、 经营和管理体系的全面计算机化。 第一章第一章 概概 论论第四节第四节 机电一体化的特点及发展趋势机电一体化的特点及发展趋势 二、机电一体化的发展趋势机电一体化的应用范围广、覆盖面宽。主要应用领域有：工厂自动化（FA），

24、其中典型的研究课题为计算机集成系统（CIS）、机器人、灵巧（SMART）精密机器、机器视觉和自动导引车系统（AGVS）等。办公室自动化（OA），其中的课题为信息处理、字符与图形处理、通信以及数据与信息产品等。家庭或住宅自动化（HA），其中的课题为安全、能量控制、娱乐及家庭办公等。 第一章第一章 概概 论论第四节第四节 机电一体化的特点及发展趋势机电一体化的特点及发展趋势 近几年来，由于科学技术的迅猛发展和市场竞争的加剧，机电一体化不但向商业、 银行、 医疗和农业自动化等领域拓展，而且，在机械产品、工厂自动化领域中涌现出不少新概念和高新技术。如微机械或毫机械（Micromachine，Millimachine）、智能机械或灵巧机械、快速原型或零件制造（RPMRapid Prototype or Part Manufaturing）、并行工程或同步工程（Comcurrent Engineering or