电工学课程电子课件技术课外讲座

课外讲座现代电工技术系列讲座之三河北理工学院电工教研室机电一体化的基本涵义机电一体化的支撑技术机电一体化技术的新发光点与机电专业学生的几点交流机电一体化的支撑技术日本人提出Mechatronics一、机电一体化的基本涵义1.机电一体化技术的产生和发展将机械技术和电子技术等结合起来的思想由来已久1952年——美国研制成功数控铣床;1959年——第一台可编程机器人问世;60年代末期——机电一体化的准备阶段;70年代——大规模集成电路和微电子技术迅猛发展，为机电一体化提供了充足的物质基础。传统的机械工业面貌焕然一新。“机械文明新时代”即机电一体化时代;MechanismElectronics80年代末——机电一体化技术和产品大发展时期

标志是：1）Mechatronics一词在日本被普遍使用，2）“机电一体化”概念震动了许多国家的政府部门，各国对机电一体化技术均给予了很大关注和支持。

全球范围内的商战、贸易战此起彼伏。

并逐渐得到世界各国学术界的承认，并被EBSTER

英文词典收录。日本：政府法规——“为机械产品配备电子计算机”美国：白皮书——有关机电一体化我国：原机械工业部成立了“机电一体化办公室”90年代——机电一体化技术和产品深入发展阶段另一方面对机电一体化系统的建模、分析和集成方法，机电一体化技术的理论基础也都进行着深入研究。一方面光学、通讯技术、微细加工技术进入了机电一体化，出现了光机电、微机电一体化新分支。2.机电一体化的内涵Mechatronics强调的是机械与电子技术的结合国内译名“机械电子学”和“机电一体化”，后者更为流行，为更多的人所接受。

90年代IFTMM给出定义：“机电一体化是精密机械过工程、电子控制和系统思想在产品设计和制造过程中的协同结合”。

96年3月IEEE/ASME初步定义：“在工业产品和工程的设计和制造中，机械工程与电子和智能计算机控制的协同集成。”由于人们的观点不尽相同，而且随着科学技术的进步和发展，不断赋予机电一体化以新的内容和含义。到目前为止，机电一体化尚没有统一的定义。国际机器和机械理论联合会（IFTMM）跨国电气与电子工程师学会、美国机械工程师学会（IEEE/ASME）

从上述两个定义，我们可以概括出以下几点认识：

（1）机电一体化是以工业生产实践（即产品和过程）为基础的技术。

（2）机电一体化是以机械为主体或载体。

（3）机电一体化是以计算机控制，特别是智能控制为核心。

（4）机电一体化将工业产品和过程都作为一个完整的系统看待，强调各种技术的协调和集成，而不是将各个部分简单地凑到一起。

（5）机电一体化贯穿于设计与制造的全过程。机械电子学(机电一体化)是包括了机电一体化技术机电一体化产品机电一体化技术是指其技术原理和使机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术。机电一体化的设计思想指系统设计原理和综合集成技巧。机电一体化设计思想机电一体化工程于一体的学科。机电一体化产品是包含机械技术、微电子技术、计算机技术、自动控制技术、光学技术以及通讯技术等各种技术的高科技产品。机电一体化工程是利用机电一体化技术进行设计、制造的整个过程体系。是系统工程在机电一体化系统中的具体应用。机电一体化产品办公设备家用电器复印机、传真机、打印机……自动对焦照相机、全自动洗衣机……交通运输生产设备数控机床、机械手、机器人…………医疗设备3.机电一体化系统的组成要素头脑手脚五官内脏骨骼机电一体化系统的五大要素从仿生学的观点看，类似于人的构造及其功能，但不一定拟人形。计算机执行器传感器动力机构人的五大要素：头脑集中处理和协调全部信息，并对其他要素和它们之间的连接进行有机的统一控制；骨骼用来把人体连成一体，并规定其运动；五官接受外界的信息；手脚和口作用于外界；内脏建立了用能量来维持人的生命和活力的条件。人的五大要素

无论是人,还是机电一体化机械系统,其五大要素本身的性能及其融合，协调得越好，则整个系统越优。机电一体化(机械电子学)机械工程控制系统电工技术计算机技术电子技术二、机电一体化的支撑技术机电一体化(机械电子学)机械工程控制系统电工技术计算机技术电子技术设计与制造:机器和零部件的设计及制造；系统动力学:从动力学角度分析研究系统行为，保证系统的整体优化。机电一体化(机械电子学)机械工程控制系统电工技术计算机技术电子技术控制系统:控制系统设计与系统性能分析包括:运动控制(位置、速度、轨迹和力）具有“鲁棒性”；噪声控制和智能控制。电子技术包括微电子技术和电力电子技术既处理模拟电路更要涉及数字电路:计算机技术:关键是进行信息处理和实现智能。硬件:实时数据采集及处理；软件:建立算法和编程。电工技术:提供合适的电源和电气驱动系统；保证产品的电磁兼容性。机电一体化(机械电子学)机械工程控制系统电工技术计算机技术电子技术机械部件传感器执行器新型材料光电子技术微器件先进制造技术系统集成机电一体化的技术内涵十分丰富，很难加以概括，这里只列举一些主要的和关键的。（1）建模和设计：对于一个机电一体化系统来说，设计是关键。如何在设计过程中将机、电、控制、计算机技术协同起来，使之融合在一起，是至关重要的。建立系统的物理和数学模型是分析、仿真和设计的第一步。（2）系统的集成：在机电一体化系统中，各种不同的部件要有机地结合在一起，彼此相互作用，形成协调一致的整体。包括：部件集成、结构集成、性能集成、功能集成和集成方法、评估标准及方法等。（3）传感器技术：（4）执行器：传感器的水平——科技发达程度新颖的、先进的、高科技传感器：超导传感器、光学传感器、生物传感器、智能传感器、薄膜传感器、模糊传感器等。21世纪，传感器的发展趋势是智能化、微型化、低功耗化、集成化、多功能化、无线化。讨论各类执行机构及其应用。（5）光学技术：光学技术——光电子学——光电子系统20世纪80年代以来，光学技术飞速发展。光学器件、光纤和激光技术极大地扩展了应用领域。将电子学使用的电磁波频率提高到光频，产生了电子学所不能实现的功能。大量的光机电一体化器件（产品）不断涌现。以光电转换为主要形式，完成信息或能量转换的器件。例：光控自动门复印机光盘光盘驱动器激光打印机激光照排系统以及各种激光加工机等。（6）新材料技术：1.研制和开发机电一体化产品的新材料。2.选用重量轻、体积小、强度刚度高、阻尼特性好以及具有某些特殊性能的新材料。智能材料：压电陶瓷（丁聚偏二氯乙烯）“智能”蒙皮光导纤维电流变和磁流变液体形状记忆合金材料智能材料促进机电一体化（7）先进制造技术：什么是先进制造技术：实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，取得理想技术经济效果的制造技术的总称。先进制造技术的特征：1.能驾驭生产过程的物质流、能量流和信息流的系统工程。

2.是“市场—产品设计—制造—市场”的大系统。3.各专业、学科间不断交叉、融合，界限逐渐淡化甚至消失。4.技术与管理相结合的新生产方式.计算机辅助设计(CAD)计算机辅助制造(CAM)计算机集成制造(CIMS)计算机辅助装配(CAA)计算机辅助工程(CAE)先进制造技术计算机辅助技术CAX先进制造设备资源规划和生产管理技术快速原型制造技术柔性制造技术数控加工中心(CNC)直接数控(DNC)自动材料运输系统(AMH)自动导引车(AGV)机器人(BOBOT)主生产计划编排(MPS)制造资源规划(MRP-Ⅱ)全面质量控制(TQC)柔性制造系统(FMS)柔性制造单元(FMC)柔性装配系统(FAS)三维印刷术(SLA)选择性激光烧结(SLS)激光快速立体成型(LSL)层压物体制造(LOM)拟实制造(VM)并行工程(CE)敏捷制造(AM)智能化、微型化、人格化、带源化、绿色化。智能化赋予机电一体化某种程度的智能（如判断推理、逻辑思维、自主决策等能力），在不久将取得大的突破。以模糊逻辑控制、专家系统、人工神经网络和智能工程为技术支撑，促进机电一体化向高层次发展。例：模糊逻辑控制技术已广泛应用，如自动对焦照相机，自动调整焦距、选择快门速度、转动胶片；其他家电如：洗衣机、摄象机、微波炉等等。运输方面：日立公司为日本仙台市地铁系统开发了模糊控制系统。列车起动和停止,不需拉把手,也不前仰后合。三、机电一体化技术的新发光点微型化指机电一体化向微型机器和微观领域进军的趋势。微机电产品的几何尺寸不超过，其最小体积将向纳米—微米范畴进发。微机电一体化的奠基人是美国的两位中国留学生，他们于1987年研制成功转子为150μm的微型电动机。日本松下公司开发的超小性静电电动机，直径1.4,μm轴径1.0μm,转数100转/分.我国中科院长春光机所研制出直径为5mm的小型精密电动机。德国研制的机器人能谴入血管工作。加拿大遥控微驱动机器人能用于神经细胞的操作。上海交大与上海煤气公司研制的“上海第七号机器人”，能灵巧地爬进地下小口径管道进行检测工作。早期微机械产品国际市场年销售额比较产品1996年2002年增长倍数硬盘驱动头45．00120．001．67喷墨打印机44．00100．001．27心脏起博器10．0037．002．70体外诊断4．5028．005．22助听器11．5020．000．74压力传感器6．0013．001．17化学传感器3．008．001．67红外成像仪2．208．002．64加速计2．44．300．79回转仪1．503．601．40磁阻传感器0．200．603．00显微分光计0．030．4012．33合计130．33342．90单位:亿美元近期开发的微机械产品国际市场年销售额比较产品1996年2002年增长倍数药物递送系统0．10010．0099光开关0．50010．0019芯片实验室010．00光学磁头0．0105．00499发射伐0．1003．0029芯片线圈0．1001．009微继电器0．0011．00999微马达0．0500．8015倾角计0．1000．706喷嘴0．1000．302防碰撞传感器0．0050．2039电子鼻0．0010．0529合计1．0742．05单位:亿美元美国、日本和欧洲等发达国家为了争夺21世纪的高技术市场，以较大的投入从事微型机械的研究和开发。亿美元微机电技术微机电一体化的关键技术是微机械技术，微机械制造不是简单地将大尺寸的机械成比例地缩小，而要采用一种完全不同的方法论，需要一种能把机构设计和电子线路结合起来的全新的CAD系统。科学家预言：微机电一体化是今后10年十大关键技术之首人格化有两层含义：第一：模仿生命肌体，未来的机电一体化产品将硬件和软件融合到一起，类似于生命肌体的硬、软件合一。仿生学或称仿生电子学已经出现并将成为一个新的研究领域。随着机器人技术的发展，配有视觉、听觉的机器人将有可能实现。第二：注重产品与人的关系，即人机的协调，使机电一体化产品适宜于人的使用与操作。集成化有两层含义：1是机电一体化不仅仅是机械与电子的结合，而是尽可能包含其他领域先进技术的大综合体；2是要应用系统工程的方法来设计制造和应用机电一体化系统。带源化绿色化人类生存需要绿色机电一体化产品，需要制造