《机电一体化设计》概论

主讲:王智深

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<<机电一体化设计基础>>考核方式课程考核方式:考试以讲课内容为主，以要求自学的内容为辅；考核方式：作业+考勤（30%）卷面考试（70%）推荐参考书目:

[1]《机电一体化系统设计》王茁,李颖卓,张波主编.-

北京:

化学工业出版社,

2005

[2]《机电一体化设计基础》朱喜林,张代治主编科学出版社2004年

[3]《机械电子学》.刘政华等编著.国防科技大学出版社，1999[4]《机电一体化系统设计》.赵松年等主编.机械工业出版社，2004.1[5]《机电一体化技术与系统》梁景凯主编，北京，机械工业出版社，1998《机电一体化设计基础》.郑堤、唐可洪主编.机械工业出版社，1997.7教材课程介绍课程性质：专业方向课程先修课程：电工电子技术、机械设计、理论力学、材料力学、工程测试技术、微机原理及接口技术、控制工程、单片机、可编程控制器等。课程介绍课程学习目标：通过本课程的学习，学生能够掌握机电一体化的基础理论与关键技术，熟悉机电一体化单元技术的接口和运用，了解典型机电一体化系统的结构、性能和特点。通过学习机电一体化系统设计原理和综合集成技术，能够把各项技术有机地结合起来进行简单的机电一体化系统的分析和设计。生活中的机电一体化第一章概论§1机电一体化基本概念§2机电一体化发展概况§3机电一体化产品的构成§4机电一体化产品的分类§5机电一体化共性关键技术§6机电一体化设计及其工程路线什么是机电一体化？机电一体化是怎么产生和发展起来的？机电一体化产品的组成包括哪几个部分？机电一体化产品有哪些种类？机电一体化的关键技术有哪些？机电一体化产品是怎么开发出来的？第一章概论§1机电一体化基本概念§2机电一体化发展概况§3机电一体化产品的构成§4机电一体化产品的分类§5机电一体化共性关键技术§6机电一体化设计及其工程路线1.1机电一体化基本概念Mechatronics的含义1.JAPAN：1971“Mechatronics”出现于Thesupplementof《JournalofMachineDesign》（机械设计杂志副刊）：1976一种以广告为主，专门刊载“机电一体化”新产品的杂志在日本正式发行，它的全名被冠以：《MechatronicsDesignNews》。Mechatronics=Mechanics+Electronics机械电子学机电一体化1.1机电一体化基本概念Mechatronics的含义1.JAPAN：TECHNICALRESEARCHINSTITUTEJAPANSOCIETYFORTHEPROMOTIONOFMACHINEINDUSTRY（日本机械振兴协会经济研究所）:1983.3《TheExistentConditionofJAPANMachineryIndustry(Ⅱ)——theMachineryIndustryandElectronic》（《日本机械工业的存在条件(Ⅱ)——机械工业和电子化》）

：“机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。”1.1机电一体化基本概念Mechatronics的含义1.JAPAN：1980s中期,“Mechatronics”一词开始在欧美各地使用，从此，这个日本人创造的英文单词开始在世界范围内得到普遍承认和接受。1.1机电一体化基本概念Mechatronics的含义2.theUnitedStates：1952，MIT，theFirstCNCMachineToolintheworld1962，GM，theFirstIndustrialRobot1.1机电一体化基本概念Mechatronics的含义3.Germany：PrecisionEngineeringTechnology精密工程技术4.CHINA：有多钟理解，但普遍接受日本机械振兴协会所作的解释机电一体化包含两个方面：产品(系统)与技术1.1机电一体化基本概念机电一体化的定义机电一体化是指机械装置和电子设备适当地组合起来，构成机械产品或机电一体与机信一体的新趋势。机电一体化是把机械学和电子学有机地结合起来，提供更加优越技术的一种技术。机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。1.1机电一体化基本概念日本学术界一些有影响的人物和学术团体代言人的论述：东京大学名誉教授——渡边茂：机电一体化是在机械工程中采用微电子技术后的体现。富士通法那克公司技术管理部长——小岛利夫：机电一体化是把机械学和电子学有机地结合起来，提供更加优越的技术的技术。日经产业新闻发言人：机电一体化是机械技术与电子技术组合起来的技术进步的总称。1.1机电一体化基本概念日本学术界一些有影响的人物和学术团体代言人的论述：日本《机械设计》杂志创刊言：机电一体化就是利用微电子技术，最大限度地发挥机械能力的一种技术。1.1机电一体化基本概念机电一体化的主要目的增加机械系统或装置的

和

。附加值自动化程度1.1机电一体化基本概念产品技术附加值与技术构成机电一体化技术的突出特点在于它在机械产品中注入了过去所没有的新技术，把电子器件的信息处理和自动控制等功能“揉和”到机械装置中去，从而获得了过去单靠某一种技术而无法实现的功能和效果。其技术附加值随机电结合程度的加深而提高。1.1机电一体化基本概念产品技术附加值与技术构成1.1机电一体化基本概念机电一体化技术的主要特征（1）整体结构最优化——机械、电子、计算机、传感技术的有机结合。（2）系统控制智能化——自动控制与检测、自动信息处理与误差补偿、自动故障诊断与修复、自动记录与显示、高的自适应能力。（3）操作性能柔性化——软件技术高柔性化的应用。（4）产品高性能化——高精度、高可靠性、高稳定性、高寿命。1.1机电一体化基本概念机电一体化的作用（1）实现省能源、省资源、智能化，提高机电产品的附加值。（2）改造传统机电设备开辟了新的途径。（3）加快了机电工业技术水平的发展步伐。（4）改善了机电产品及产品结构。（5）增强了机电企业的竞争和经营能力。第一章概论§1机电一体化基本概念§2机电一体化发展概况§3机电一体化产品的构成§4机电一体化产品的分类§5机电一体化共性关键技术§6机电一体化设计及其工程路线1.2机电一体化发展概况发展基础：①人类“精益求精”的思想②20世纪信息技术的飞速发展发展阶段：第一阶段，20世纪60年代前，称为“萌芽阶段”第二阶段，70年代到80年代，称为“蓬勃发展阶段”第三阶段，90年代以后，称为“智能化阶段”IT1.2机电一体化发展概况0.产生的技术背景MechanicalTechnology机械技术TheMicroelectronicsandTheComputerTechnique微电子、计算机技术ControlTheory控制理论SystemEngineeringandMechatronicsEngineering系统工程和机电一体化工程1.2机电一体化发展概况1.准备阶段（萌芽阶段）1960年代之前In1952:TheFirstNCDrillingandMillingMachines数控钻铣床In1959:TheFirstProgrammableRobot可编程机器人1.2机电一体化发展概况2.快速发展阶段1970s-1980sTechnologyFoundation技术基础:ComputerTechnology计算机技术，ControlTechnology控制技术，CommunicationsTechnology通信技术1.2机电一体化发展概况3.智能化阶段Inlate1990’s单片机、工业PC和PLC快速发展，信息处理和计算速度提高，机电一体化向智能化方向发展1.2机电一体化发展概况3.智能化阶段Inlate1990’s①OpticalTechnology光学、CommunicationTechnology通信技术等进入了机电一体化；MicroProcessingTechnology微细加工技术也崭露头角；出现了Optic-Mechano-Electronic（Photo-Mechatronic）光机电一体化和TinyMech-ElectrSystem微机电一体化等新分支；1.2机电一体化发展概况3.智能化阶段Inlate1990’s②对机电一体化系统的ModelingDesign建模设计、AnalysisandIntegrationMethod分析和集成方法ofMechatronics，机电一体化的SubjectSystem学科体系和DevelopmentTrend发展趋势ofMechatronics都进行了深入研究。1.2机电一体化发展概况3.智能化阶段Inlate1990’s③ArtificiallyIntellectiveTechnology人工智能、NeuralNetworkTechnology神经网络技术及OpticalFiberTechnology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。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。1.2机电一体化发展概况我国起步较晚1980年代以来，制订了一系列有利于机电一体化发展的政策法规，确定了数控机床、工业自动化控制仪表、工业机器人、汽车电子化等15个优先发展领域及6项共性关键技术的研究方向和课题。我国第一台数控机床是于1958年由清华大学研制出最早的样机。1966年我国诞生了第一台用直线-圆弧插补的晶体管数控系统，1970年初研制成功集成电路数控系统。1.2机电一体化发展概况我国机电一体化是科学技术发展的必然趋势，并将成为21世纪的主流技术之一。1.2机电一体化发展概况机电一体化发展趋势高性能化模块化智能化柔性化、集成化、系统化开放式轻量化及微型化第一章概论§1机电一体化基本概念§2机电一体化发展概况§3机电一体化产品的构成§4机电一体化产品的分类§5机电一体化共性关键技术§6机电一体化设计及其工程路线1.3机电一体化产品的构成产品的功能构成1.3机电一体化产品的构成机电一体化产品的功能构成目的功能五种内部功能主功能动力功能计测功能控制功能构造功能1.3机电一体化产品的构成1.3机电一体化产品的构成产品的功能构成1.3机电一体化产品的构成产品的结构要素机电一体化产品五大要素机电一体化产品五大功能个体人的构成要素1．机械本体包括机身、框架机械联接等在内的产品支持结构属于基础部分，实现产品的构造功能。

1.3机电一体化产品的构成产品的结构要素2．动力源向系统提供能量，并将输入的能量转换成需要的形式，实现动力功能。要求：高效、多功能、可靠、节能、小型、轻量、美观。要求：效率高、可靠性好。3．检测与传感装置包括各种传感器及其信号检测路，用于对产品运行时的内部状态和外部环境进行检测，提供运行控制所需的各种信息，实现计测功能。要求：体积小、便于安装、精度高、抗干扰性好。4．控制与信息处理装置主要是指由计算机及其相应硬、软件所构成的控制系统。

1.3机电一体化产品的构成产品的结构要素5．执行机构包括机械传动与操作机构，在控制信息作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。是机电一体化产品中最重要的组成要素之一。要求：可靠性高、柔性化、智能化。要求：可靠性、寿命。第一章概论§1机电一体化基本概念§2机电一体化发展概况§3机电一体化产品的构成§4机电一体化产品的分类§5机电一体化共性关键技术§6机电一体化设计及其工程路线1.4机电一体化产品的分类按机电结合程度和形式的不同：1.功能附加型产品主要特征是在原有机械产品基础上，采用微电子技术，使产品功能增加和增强，性能得到适当的提高。经济型数控机床、电子秤、数显量具、全自动洗衣机等都属于这一类。1.4机电一体化产品的分类按机电结合程度和形式的不同：2.功能替代型产品主要特征是采用电子技术及装置取代原产品中的机械控制功能、信息处理功能或主功能，使产品结构简化，性能提高，柔性增加。如电子缝纫机、自动照相机等用微电子装置取代了原来复杂的机械控制结构；电子石英钟、电子式电话交换机等用微处理器取代了原来机械式信息处理机构；线切割加工机床、激光手术器等则用因微电子技术的应用而产生的新功能，取代了原来机械的主功能。1.4机电一体化产品的分类按机电结合程度和形式的不同：3.机电光信融合型产品主要特征是根据产品的功能和性能要求及技术规范，采用单片机或专门设计的具有特定用途的集成电路来实现产品中的控制和信息处理等功能，因而使产品结构更加紧凑、设计更灵活、成本进一步降低。传真机、复印机、摄像机、磁盘驱动器、CNC数控机床等都是这一类机电一体产品。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、娱乐用机电一体化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自动化机械家庭用信息、服务设备测试设备科研及过程控制用机电一体化产品控制设备信息处理系统农、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1.4机电一体化产品的分类按用途不同：1.4机电一体化产品的分类按功能不同：1.在原有机械本体上采用电子控制设备实现高性能和多功能2.用电子设备局部置换机械机构3.在信息机器中与电子设备有机结合的机构4.用电子设备全面置换机械机构的信息处理机构5.在检测系统中与电子设备有机结合的机构6.利用电子设备代替机械工作(数控机床，机器人）

(电子缝纫机，电子打印机)(电报机，传真机，复印机，录象机)(石英电子钟，电子计算机)(自动探伤机，CT扫描仪)(电火花机床，线切割机床)第一章概论§1机电一体化基本概念§2机电一体化发展概况§3机电一体化产品的构成§4机电一体化产品的分类§5机电一体化共性关键技术§6机电一体化设计及其工程路线1.5机电一体化共性关键技术一、机械技术机械技术是机电一体化的基础。机电一体化产品中的

功能和

功能，往往是以机械技术为主实现的。新材料、新工艺、新原理、新机构精密机械技术——结构紧凑，体积小，零部件模块化、标准化、通用化、规格化等。与一般的机械装置相比，要求质量小、转动惯量小、摩擦小、误差小、效率高、精度高，同时要能提高刚度及改善性能。主构造1.5机电一体化共性关键技术二、计算机与信息处理技术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。在机电一体化产品中，计算机与信息处理装置指挥整个产品的运行。计算机应用及信息处理技术已成为促进机电一体化技术和产品发展的最活跃的因素。根据各种理论和算法，信息输入输出，交换、存储、运算、判断、决策等。人工智能、专家系统、神经网络……等。1.5机电一体化共性关键技术三、检测与传感技术检测与传感技术的研究对象是传感器及其信号检测装置。机电一体化产品中，传感器作为感受器官，将各种内、外部信息通过相应的信号检测装置反馈给控制及信息处理装置。因此检测与传感是实现自动控制的关键环节。传感器技术，信号输入输出与处理，传感系统自动控制、调节与检测技术。传感器检测的精度和分辨力直接决定系统所能达到的最高精度,其检测的信息全面与否决定着系统的自动化程度，而检测信息的准确度和灵敏度直接影响系统的精度。即变送器1.5机电一体化共性关键技术四、自动控制技术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。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……难点在于自动控制理论的工程化与实用化。1.5机电一体化共性关键技术五、伺服驱动技术机、电、液（气）等执行元件的驱动与控制技术。伺服驱动技术的主要研究对象是执行元件及其驱动装置。执行元件有电动、气动、液压等多种类型，多采用电动式执行元件。驱动装置主要是指各种电动机的驱动电源电路，多采用电力电子器件及集成功能电路。伺服驱动技术是直接执行操作的技术，对机电一体化产品的动态性能、稳态精度、控制质量等具有决定性的影响。1.5机电一体化共性关键技术六、系统总体技术系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统工程的观点和方法，将系统总体分解成相互有机联系的若干功能单元，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组进行分析、评价和优选的综合应用技术。接口与信息转换技术——接口信息匹配与转换，抗干扰能力与措施。接口技术是系统中非常重要的部分，它实现了各种相互关联的若干功能单元之间的有机连接，因此，也有人将机电一体化技术称为接口技术。第一章概论§1机电一体化基本概念§2机电一体化发展概况§3机电一体化产品的构成§4机电一体化产品的分类§5机电一体化共性关键技术§6机电一体化设计及其工程路线1.6机电一体化设计及其工程路线一、机电一体化设计机电一体化设计突出体现在两个方面：一方面，当产品的某一功能单靠某一种技术无法实现时，必须进行机械与电子及其它多种技术有机结合的一体化设计；另一方面，当产品某一功能的实现有多种可行的技术方案时，也必须应用机电一体化技术对各种技术方案进行分析和评价，在充分考虑同其它功能单元的联接与匹配的条件下，选择最优的技术方案。因此，机电一体化设计必须充分考虑各种技术方案的等效性、互补性及可比性。1.6机电一体化设计及其工程路线一、机电一体化设计机电一体化设计一般可分为三种类型：开发性设计一个从无到有的创造过程，是在没有任何样板可供参考的情况下，根据功能和性能要求所进行的设计。开发性设计要求设计者具备敏锐的市场洞察力、丰富的想象力和广泛而扎实的基础理论知识。适应性设计在原有产品总的方案基本不变的情况下，对产品的某些局部加以变动或改进，以增加功能、提高性能和质量或降低成本为目的所进行的设计。适应性设计要求设计者对原有产品及相关的市场需求变化和技术进步有充分的了解和掌握。1.6机电一体化设计及其工程路线一、机电一体化设计机电一体化设计一般可分为三种类型：变异性设计在设计方案和功能结构不变的情况下，通过改变尺寸、速度、力或功率等参数，以满足市场对产品规格方面的需求所进行的系列化设计。变异性设计比较容易，但设计中必须注意采取措施防止因参数变化可能对产品性能产生的影响。1.6机电一体化设计及其工程路线一、机电一体化设计注意：产品功能的多少或强弱，往往与其复杂程度和功能成本直接相关。优先满足利用率最高的功能要求，然后再在成本允许的条件下考虑其它功能要求。注意通过软件来改善产品的操作性能，使机电一体化产品向多功能化、智能化、“傻瓜化”方向发展。1.6机电一体化设计及其工程路线二、机电一体化系统的设计流程1.设计程序三阶段法：

总体设计、部件设计、零件设计Or：初步设计、技术设计、工艺设计.1.6机电一体化设计及其工程路线二、机电一体化系统的设计流程