机电一体化教学课件1章

第一章

总

论

第1.1节机电一体化涵义1.1.1机电一体化的定义和主要目的

定义：在机械的主功能、动力功能、信息功能、控制功能基础上引入微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机地结合所构成系统的总称。(日本机械振兴协会，1981）

主要目的：增加机械系统或装置的附加值和自动化程度。（多功能、高效、高可靠性等）机械学（Mechanics）+电子学（Electronics）=机电一体化或机械电子工程（Mechatronics）第一章总论第1.1节机电一体化涵义1机电一体化技术使机械传动部分减少，因而使机械磨损，配合间隙及受力变形等所引起的误差大大减少，同时由于采用电子技术实现自动检测，控制，补偿和校正因各种干扰因素造成的误差，从而提高精度。机电一体化的三大效果：省能、省资源、智能化为什么采用机电一体化技术可以提高系统的精度？机电一体化技术使机械传动部分减少，因而使机械磨损，配合间隙及21.1.2机电一体化技术主要研究方向

·机电一体化产品或系统的原创性研究与设计——原创性设计。·机电一体化产品或系统的机械系统（或部件）与微电子系统（或部件）相互转换或有机结合研究与设计——变异性设计。机电一体化技术研究的主要内容主要研究“省能源、省资源、智能化”三大基本要素，形成交叉学科的基础理论知识，解决机电一体化（技术）设计中的核心技术问题——接口技术。1.1.2机电一体化技术主要研究方向·机电一体化产品或系31.1.3机电一体化技术的发展历史（1）基础设计理论、研究方法的形成（二次世界大战前）（2）电子技术的时代（二次世界大战以来）（3）微电子技术时代（工业自动化的大量应用）（4）机电一体化技术理论体系的初步形成（智能化产品或装置的出现）（5）计算机技术与工业控制软件的应用（智能化—省能源—省资源）（6）工业自动化和产品自动化（智能化—

自动化—增加附加值）（7）未来发展方向（高度智能化和

自动化）1.1.3机电一体化技术的发展历史（1）基础设计理论、研究41.1.3机电一体化典型产品1.1.3机电一体化典型产品5第1.2节机电一体化系统的构成要素与功能构成

1.2.1机电一体化系统的构成要素与功能特征五大功能构成要素：机械系统、电子信息处理系统、动力系统、传感系统、执行控制系统（元件）组成及其定义与作用。第1.2节机电一体化系统的构成要素与功能构成1.2.16信息处理及控制系统。根据机电一体化产品的功能和性能要求，信息处理及控制系统接收传感器与检测系统的反馈信息，并对其进行相应的处理，运算和决策，以对产品的运行实施按要求的控制。执行部件。在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。执行部件一般是运动部件，常采用机械、电液、气动等机构。执行机构是实现产品目的功能的直接执行者，其性能的好坏决定着整个产品的性能。信息处理及控制系统。根据机电一体化产品的功能和性能要求，信息7机械本体：用于支撑和连接其它要素，并把这些要素合理地结合起来，形成有机的整体。必要的组成部分，没有它，系统的各部件就支离破碎。动力系统。为机电一体化产品提供能量和动力功能，去驱动执行机构工作以完成预定的主功能，包括电、液、气等多种动力源。传感与检测系统。将机电一体化产品在运行过程中所需要的自身和外界环境的各种参数及状态转换成可以测定的物理量，同时利用检测系统的功能对这些物理量进行测定，为机电一体化产品提供运行控制所需的各种信息。机械本体：用于支撑和连接其它要素，并把这些要素合理地结合起来8NC指令位置控制速度控制电机工作台比较器测速机旋变NC指令位置控制速度控制电机工作台比较器测速机旋变91.2.2机电一体化关键技术1.2.2机电一体化关键技术10机电一体化教学课件1章11机电一体化教学课件1章12机电一体化教学课件1章13机电一体化教学课件1章14机电一体化教学课件1章15机电一体化教学课件1章16三大目的功能：——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）。控制方式：——线性控制方式；——非线性控制方式；——智能控制方式。三大目的功能：——变换功能（加工处理）；171.2.3机电一体化系统具有的主要功能要素主功能、信息功能、控制功能、动力功能、构造功能。以及各子系统的匹配技术（核心）——接口技术。

机电系统五种内部功能构成CNC机床内部功能构成1.2.3机电一体化系统具有的主要功能要素主功能、信息18接口技术的作用：实现机械、电子、信息等各种技术在机电一体化系统中的物质、能源、信息的传递与转换，达到系统所需目的。接口技术的功能：系统输入/输出接口信息的匹配。系统信息的转换、调整，能源信息匹配。

第1.3节机电一体化系统构成要素相互联系问题——接口技术

接口技术的作用：第1.3节机电一体化系统构成要19接口技术的分类：·按变换/调整功能分类：

零接口（导线）：不进行任何变换和调整

无源接口（齿轮减速器）：只用无源要素进行变换、调整

有源接口:（电磁离合器、放大器、A/D等）含有有源要素、主动进行匹配的接口

智能接口:·按输入输出功能分类：机械接口、物理接口、信息接口、环境接口（对周围环境有保护作用）。

实际上，机电一体化技术研究的核心问题就是接口技术问题。接口技术的分类：·按变换/调整功能分类：20第1.4节机电一体化系统的设计流程

设计内容：（1）确定产品规格、性能指标——运动参数、动力参数、品质参数。（2）系统功能部件要素的划分——功能部件选择、设计和与系统主功能的匹配。（3）接口设计——机械接口、物理接口、信息接口、环境接口第1.4节机电一体化系统的设计流程设计内容：21机电一体化教学课件1章22（4）综合评价或系统评价——系统性能、结构质量的各种定量指标和参数，系统的附加价值，满足设计或用户需求的功能性产品或系统为前提。评价方法依据产品要求有所不同。（5）可靠性复查（6）试制与调试——样机制造与调试、试验。（7）最终产品结果评价——是否达到设计或用户要求（4）综合评价或系统评价——系统性能、结构质量的各种定量指23第1.5节

机电一体化系统的评价体系

依据提高机电一体化产品或系统附加价值的各项综合指标作为评价体系的制定标准，即五大内部功能要素指标。第1.5节机电一体化系统的评价体系依据提高机24图1-7系统内部功能的发展方向及评价内容

图1-7系统内部功能的发展方向及评价内容25第1.6节机电一体化系统的设计方法与类型

1.6.1

机电一体化系统设计的一般原则原则：从规范性、通用性、耐环境性、可靠性、经济性等多方面综合分析，结合现代设计方法和手段，达到机电一体化系统设计的三大目的省能源、省资源、智能化，提高机电产品的附加值和自动化程度。常用的设计方法：机电互补法机电结合（融合）法机电组合法常见的设计类型：开发性设计适应性设计变异性设计

第1.6节机电一体化系统的设计方法与类型1.6.1机26第1.8节机电一体化系统的设计程序、准则与规律第1.8节机电一体化系统的设计程序、准则与规律27本章小结

本章节应重点掌握机电一体化系统设计的内涵、作用、目标以及研究的主要核心技术问题，机电一体化系统（产品）的构成要素和功能要素，以及它们之间的相互联系；机电一体化系统（产品）的一般设计设计工作流程；应考虑的方法和设计类型；了解机电一体化系统（产品）设计的基本程序、准则与规律；现代设计方法在机电一体化系统（产品）中的应用。本章小结本章节应重点掌握机电一体化系统设计的内涵28课外作业：1题：机电一体化的涵义、目的、特征、基本组成要素以及分别实现哪些功能。2题：工业三大要素指的是什么？机电一体化设计的目标是哪些？3题：机电一体化的接口功能有哪些？根据不同的接口功能试说明接口的种类。4题：说明机电一体化系统设计的设计思想、方法。5题：开发性设计、变异性设计、适应性设计有何异同？课外作业：1题：机电一体化的涵义、目的、特征、基本29第一章

总

论

第1.1节机电一体化涵义1.1.1机电一体化的定义和主要目的

定义：在机械的主功能、动力功能、信息功能、控制功能基础上引入微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机地结合所构成系统的总称。(日本机械振兴协会，1981）

主要目的：增加机械系统或装置的附加值和自动化程度。（多功能、高效、高可靠性等）机械学（Mechanics）+电子学（Electronics）=机电一体化或机械电子工程（Mechatronics）第一章总论第1.1节机电一体化涵义30机电一体化技术使机械传动部分减少，因而使机械磨损，配合间隙及受力变形等所引起的误差大大减少，同时由于采用电子技术实现自动检测，控制，补偿和校正因各种干扰因素造成的误差，从而提高精度。机电一体化的三大效果：省能、省资源、智能化为什么采用机电一体化技术可以提高系统的精度？机电一体化技术使机械传动部分减少，因而使机械磨损，配合间隙及311.1.2机电一体化技术主要研究方向

·机电一体化产品或系统的原创性研究与设计——原创性设计。·机电一体化产品或系统的机械系统（或部件）与微电子系统（或部件）相互转换或有机结合研究与设计——变异性设计。机电一体化技术研究的主要内容主要研究“省能源、省资源、智能化”三大基本要素，形成交叉学科的基础理论知识，解决机电一体化（技术）设计中的核心技术问题——接口技术。1.1.2机电一体化技术主要研究方向·机电一体化产品或系321.1.3机电一体化技术的发展历史（1）基础设计理论、研究方法的形成（二次世界大战前）（2）电子技术的时代（二次世界大战以来）（3）微电子技术时代（工业自动化的大量应用）（4）机电一体化技术理论体系的初步形成（智能化产品或装置的出现）（5）计算机技术与工业控制软件的应用（智能化—省能源—省资源）（6）工业自动化和产品自动化（智能化—

自动化—增加附加值）（7）未来发展方向（高度智能化和

自动化）1.1.3机电一体化技术的发展历史（1）基础设计理论、研究331.1.3机电一体化典型产品1.1.3机电一体化典型产品34第1.2节机电一体化系统的构成要素与功能构成

1.2.1机电一体化系统的构成要素与功能特征五大功能构成要素：机械系统、电子信息处理系统、动力系统、传感系统、执行控制系统（元件）组成及其定义与作用。第1.2节机电一体化系统的构成要素与功能构成1.2.135信息处理及控制系统。根据机电一体化产品的功能和性能要求，信息处理及控制系统接收传感器与检测系统的反馈信息，并对其进行相应的处理，运算和决策，以对产品的运行实施按要求的控制。执行部件。在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。执行部件一般是运动部件，常采用机械、电液、气动等机构。执行机构是实现产品目的功能的直接执行者，其性能的好坏决定着整个产品的性能。信息处理及控制系统。根据机电一体化产品的功能和性能要求，信息36机械本体：用于支撑和连接其它要素，并把这些要素合理地结合起来，形成有机的整体。必要的组成部分，没有它，系统的各部件就支离破碎。动力系统。为机电一体化产品提供能量和动力功能，去驱动执行机构工作以完成预定的主功能，包括电、液、气等多种动力源。传感与检测系统。将机电一体化产品在运行过程中所需要的自身和外界环境的各种参数及状态转换成可以测定的物理量，同时利用检测系统的功能对这些物理量进行测定，为机电一体化产品提供运行控制所需的各种信息。机械本体：用于支撑和连接其它要素，并把这些要素合理地结合起来37NC指令位置控制速度控制电机工作台比较器测速机旋变NC指令位置控制速度控制电机工作台比较器测速机旋变381.2.2机电一体化关键技术1.2.2机电一体化关键技术39机电一体化教学课件1章40机电一体化教学课件1章41机电一体化教学课件1章42机电一体化教学课件1章43机电一体化教学课件1章44机电一体化教学课件1章45三大目的功能：——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）。控制方式：——线性控制方式；——非线性控制方式；——智能控制方式。三大目的功能：——变换功能（加工处理）；461.2.3机电一体化系统具有的主要功能要素主功能、信息功能、控制功能、动力功能、构造功能。以及各子系统的匹配技术（核心）——接口技术。

机电系统五种内部功能构成CNC机床内部功能构成1.2.3机电一体化系统具有的主要功能要素主功能、信息47接口技术的作用：实现机械、电子、信息等各种技术在机电一体化系统中的物质、能源、信息的传递与转换，达到系统所需目的。接口技术的功能：系统输入/输出接口信息的匹配。系统信息的转换、调整，能源信息匹配。

第1.3节机电一体化系统构成要素相互联系问题——接口技术

接口技术的作用：第1.3节机电一体化系统构成要48接口技术的分类：·按变换/调整功能分类：

零接口（导线）：不进行任何变换和调整

无源接口（齿轮减速器）：只用无源要素进行变换、调整

有源接口:（电磁离合器、放大器、A/D等）含有有源要素、主动进行匹配的接口

智能接口:·按输入输出功能分类：机械接口、物理接口、信息接口、环境接口（对周围环境有保护作用）。

实际上，机电一体化技术研究的核心问题就是接口技术问题。接口技术的分类：·按变换/调整功能分类：49第1.4节机电一体化系统的设计流程

设计内容：（1）确定产品规格、性能指标——运动参数、动力参数、品质参数。（2）系统功能部件要素的划分——功能部件选择、设计和与系统主功能的匹配。（3）接口设计——机械接口、物理接口、信息接口、环境接口第1.4节机电一体化系统的设计流程设计内容：50机电一体化教学课件1章51（4）综合评价或系统评价——系统性能、结构质量的各种定量指标和参数，系统的附加价值，满足设计或用户需求的功能性产品或系统为前提。评价方法依据产品要求有所不同。（5）可靠性复查（6）试制与调试——样机制造与调试、试验。（7）最终产品结果评价——是否达到设计或用户要求（4）综合评价或系统评价——系统性能、结构质量的各种定量指52第1.5节

机电一体化系统的评价体系

依据提高机电一体化产品或系统附加价值的各项综合指标作为评价体系的制定标准，即五大内部功能要素指标。第1.5节机电一体化系统的评价体系依据提高机53图1-7系统内部功能的发展方向及评价内容

图1-7系统内部功能的发展方向及评价内容54第1.6节机电一体化系统的设