第一章机械电子中的共性关键技术(jyl)

船舶机电传动控制

主讲：李锦云

电话/p>

E-mail：jyunl@

课程教学目标掌握机械电子系统中具有普遍性和规律性的基本理论及其应用掌握机械电子系统中元件及设备的工作原理,了解学科发展前沿具有机械电子系统分析、设计能力课程概述授课方式及要求：

1、课堂讲解、讨论

2、读书笔记考试：开卷成绩评定：（满分100分）

平时考核10%、读书笔记20%、期末考试70%先修课程：

电工电子技术、机械设计、工程测试技术、微机原理及接口技术、控制工程等学时学分：32/2教学内容与学时安排一、机械电子中的共性关键技术（4h）机械技术计算机与信息处理技术检测与传感技术自动控制技术伺服驱动技术系统总体技术二、传感器与检测系统（9h）检测系统的功用、组成及基本要求传感器的分类与选用常用的传感器及其检测系统教学内容与学时安排三、可编程控制器(PLC)（5h）可编程控制器的定义和特点PLC的基本结构和工作原理PLC的编程语言PLC控制系统的设计步骤四、伺服驱动及其控制（14h）概述步进式伺服驱动系统直流伺服驱动系统交流伺服驱动系统直接驱动伺服系统其它伺服驱动形式伺服系统设计

参考书籍机械电子学，刘政华等，国防科技大学出版社*，2005机电一体化系统设计，姜培刚等，机械工业出版社*，2003机电一体化原理，裴仁清等编著，上海大学出版社，1998从控制角度研究现代机械的结构，研究其系统的组成、信息处理的规律和方法以及信息系统和机械结构之间的协调等问题。光机电一体化系统设计，方建军等编著，化学工业出版社，2003围绕光、机、电有机融合的主线，阐述了光机电一体化系统各组成部件的选型和设计，并通过伺服系统设计实例来讨论光机电一体化系统的设计原理和方法。参考期刊ScienceDirectOnSite(SDOS)数据库中的《Mechatronics》杂志，由国际自动控制联合会创办，主要刊登面向工程应用的机械电子学领域的文章IEEE/ASMETransactiononMechatronics，由美国电气工程师协会和机械工程师协会联合创办，主要刊登以下方向的高水平文章：建模与设计、制造、运动控制、系统集成、振动与噪声控制、驱动器与传感器、微器件与光电子系统、智能控制、自主系统、机器人国内的期刊主要有《机械与电子》、《机电一体化》、《无损检测》、《自动化仪表》等第一章绪论机械电子学的概念

机电一体化系统的功能构成和组成要素机械电子学的共性关键技术机械电子学的应用与发展前景

第一节机械电子学的概念

机械电子学(Mechatronics)，亦称机电一体化，是随着生产和技术的发展，在以机械技术、电子技术、计算机技术为主的多门学科相互渗透、互相结合的过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴边缘技术学科。MechanicsMechatronicsEletronics一、机械电子学的定义

欧洲经济共同体(

EEC)

：机械电子学是指在设计机械产品和生产过程的初始阶段就考虑将精密机械技术和电子控制系统有机的结合。

日本机械振兴协会经济研究所：机械电子学是指在机械的主功能、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。

美国机械工程师协会(ASME)：机电一体化系统是由计算机信息网络协调与控制的，用于完成机械力、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。定义分析和理解

机械技术与微电子技术、计算机技术等高新技术的有机结合是机械电子学的灵魂。这种结合，不是简单的组合、拼凑，而是相互融合。

在技术上体现为：横向交叉、渗透和综合集成，产生一种新的学术思想和技术手段，达到各自单独所不能达到的境界。

在产品结构上体现为：机械装置与电子设备、计算机硬件与软件合理配置，形成互相联系的有机整体，协调一致地实现其目的功能。

目的在于：设计和开发性能优良、功能完善、效率高、柔性自动化的工程系统，为人类的生产和生活领域的自动化服务。产生原因及发展发展阶段：①20世纪60年代前为第一阶段，“萌芽阶段”②70年代到80年代为第二阶段，“蓬勃发展阶段”③90年代后期开始为第三阶段，“智能化阶段”发展基础：①人类在开发利用大自然的过程中需要智能化、自动化和柔性化的机械设备②20世纪信息技术的飞速发展二、机械电子学的研究内容

①微型计算机（包括大规模集成电路LSI），通过计算与控制实现智能功能，相当于人的头脑②传感器，通过信息流通实现感知功能，相当于人的感觉器官③软件，实现信息功能，相当于人的神经系统

三、机械电子学的特点和范畴

特点①机械电子学的技术是机械技术和电子技术有机结合而成的一种高级技术。（控制论）②计算机硬件和软件共同组成的信息处理技术，是机电一体化技术不可缺少的组成部分。③

系统工程的观点和方法是机械电子学的基本方法，机电一体化系统是一种含有高新技术的比较复杂的工程系统。

范畴

属于机械工程范畴，是其中新兴学科。多种学科相互交叉、渗透的产物，涵盖面相当宽凡是由各种现代高新技术与机械和电子技术相结合而形成的各种技术、产品(或系统)都应属于机电一体化的范畴。柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)及自动化生产工程也包括在机电一体化之内崭新的学术思想，除了强调机械与电子的有机结合，还具有更深刻更广泛的涵义，并且将随着科学技术的发展而不断被赋予新的内容，范畴还将继续延伸。（光机电一体化技术、鲁棒控制、被（主）动减振等）第二节机电一体化系统的功能构成和组成要素一、机电一体化系统的功能构成实例二、机电一体化系统的组成要素机电一体化系统要素与人体要素之比较机电一体化产品的五大要素1．机械本体

包括：机身、框架、机械连接等实现：系统的构造功能要求：高效、多功能、可靠和节能、小型、轻量、美观2．动力源

包括：电源、电动机等驱动装置作用：提供能量，转换成需要的形式实现：动力功能要求：效率高、响应快、可靠性好3．执行机构

包括：机械传动与操作机构作用：接收控制信息，完成要求的动作实现：产品的主功能要求：高性能4．检测与传感装置

包括：各种传感器及其信号检测电路作用：检测产品内部状态和外部环境实现：计测功能要求：体积小、便于安装和连接、精度高、抗干扰能力强等5.控制与信息处理装置包括：计算机及其相应硬件、软件构成的控制系统作用：处理、运行和决策实现：控制功能要求：高可靠性、柔性和智能化

典型实例：机器人世界第一台气动机器人机械电子学的关键组成第三节机械电子学的共性关键技术机械技术计算机与信息处理技术检测与传感技术自动控制技术伺服驱动技术系统总体技术

一、机械技术

机电一体化技术的基础。主功能和结构功能，往往是以机械技术为主实现的。机械与电子相互结合的实践中，不断对机械技术提出更高的要求，使现代机械技术相对于传统机械技术发生了很大变化。新材料、新工艺、新原理、新机构等不断出现，现代设计方法不断发展和完善，以满足机电一体化产品对减轻重量、缩小体积、提高精度和刚度、改善性能等多方面的要求。

新材料对机械技术的影响

半导体材料的加工需要超声焊接、超声清洗、光刻、刻蚀、离子注入等新型尖端设备纳米科技给机械行业带来了大量轻质高强度的材料，同时也需要微细加工技术和扫描探针技术高硅铝合金用于制造汽车活塞，玻璃纤维、碳素纤维等陆续用于航空等高技术领域高效能的光电转换材料的发展极大促进了航空科技的发展新工艺对机械技术的影响

光刻工艺的改进，使集成电路线宽降低为现在的90nm，带来了IC业的迅猛发展；导电胶互连工艺、超声焊接工艺直接导致了电子封装行业的变革，如CPU的倒装超声焊，RFID封装的导电胶互连等。注塑模(IMD)工艺的逐渐成熟与广泛应用，给日常消费品和家电行业带来巨大变革；激光加工通过控制激光束与工件的相对运动，可以在一台机床上加工孔、槽、三维曲面等各种形状，完成钻、镗、铣等动作；新原理对机械技术的影响

利用电极与工件之间的火花通电时，所产生的瞬时间的高温，去层层蚀除工件表面上的材料，这即为电火花加工的原理；用带电粒子轰击靶材，加速的离子轰击固体表面时，发生表面原子碰撞并发生能量和动量的转移，使靶材原子从表面逸出并淀积在衬底材料上，称为溅射；新机构

H4并联机构实现三个方向的运动和绕Z轴的转动，适合用于快速移动和姿态调整的场合，最高速度可达5m/s，加速度可达10g.Canadarm2andSpecial-PurposeDextrousManipulator(theCanadianSpaceAgency)A6DOFflightsimulator(CAEElectronicsLtd.)二、计算机与信息处理技术

信息的交换、存取、运算、判断和决策等，主要工具是计算机，包括硬件技术和软件技术、网络与通信技术、数据库技术等。计算机与信息处理装置指挥整个产品的运行。信息处理是否正确、及时，直接影响到系统工作的质量和效率。因此，计算机应用和信息处理技术已成为促进机电一体化技术和产品发展的活跃因素。人工智能、专家系统、神经网络技术等都属于计算机与信息处理技术。

三、检测与传感技术

传感器及其信号检测装置。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与信息处理装置，是实现自动控制的关键环节。要求传感器快速、精确地获取信息，并能经受各种严酷环境的考验。但是，由于目前检测与传感技术还不能与机电一体化的发展相适应，使得不少机电一体化产品不能达到满意的效果或无法实现设计，因此，大力开展检测与传感技术的研究对发展机电一体化具有十分重要的意义。精密电位器角度传感器压力传感器热电偶温度传感器光学接近传感器四、自动控制技术

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过程。由于被控对象种类繁多，所以控制技术的内容十分丰富，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。由于微型机的广泛应用，自动控制技术越来越多地与计算机控制技术联系在一起，成为机电一体化中十分重要的关键技术。

五、伺服驱动技术

主要研究伺服驱动单元及其驱动装置。驱动单元有电、气、液等多种类型，而多数采用步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机、电液马达等，其驱动装置即驱动电源电路，多数采用电力电子器件及集成化功能电路。驱动单元：通过电气接口向上接受计算机的控制指令；通过机械接口向下与机械传动和执行机构相联，实现规定动作。伺服驱动技术是直接执行操作的技术，对动态性能、稳态精度、控制质量等具有决定性影响。*机电一体化系统与非机电一体化机械系统的区别，核心是其是否具有计算机控制的伺服驱动系统.直流电机-DCMotor交流电机-ACMotor步进电机-StepperMotor音圈电机-VoiceCoilMotor六、系统总体技术

按照系统工程的观点和方法，以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，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。系统总体技术包含的内容很多，接口技术是其重要内容之一，机电一体化产品的各功能单元通过接口联接成一个有机的整体。第四节机械电子学的应用与发展前景机电一体化的效益和应用机械电子学的发展前景

一、机电一体化的效益和应用提高精度；增强功能和可用性；提高生产效率，降低成本；提高安全性和可靠性；减轻劳动强度，改善劳动条件；简化结构，减轻重量；增加系统柔性和智能化。

目前的应用①

功能附加型（变异性设计）原有机械产品基础上采用微电子技术，提高性能。如：经济型数控机床、全自动洗衣机等②

功能替代型（适应性设计）采用微电子技术及装置取代原产品中复杂的机械控制功能，简化结构、增强柔性。如：电子缝纫机、电子石英钟等③

机电融合型（开发性设计）采用具有特定用途或专门设计的集成电路来实现产品中的控制和信息处理等功能，使产品结构紧凑。如：传真机、复印机、CNC机床等二、机械电子学的发展前景