机电系统工程学第1章-绪论(OK)课件

机电系统工程学主讲人：E-mail:QQ:8707366082023/3/13机电系统工程学这门课程是多学科的交叉和综合，涉及相关专业知识较多，讲授的主要内容包括：机电一体化系统基本知识；机电系统总体设计；机电系统机械设计技术；控制系统设计技术；伺服系统设计技术。检测技术；机电一体化技术的应用。第一章绪论

机电一体化相关学科关系1.1机电一体化系统的基本概念1、定义：日本在20世纪70年代提出,是机械与电子的集成技术,用Mechatronics表示.MechatronicsMechanicsElectronics基本概念理解：

①

Mechatronics是在机械的主功能、动力功能、信息功能、控制功能的基础上引进微电子技术，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。

②按照Mechatronics思想，凡是由各种现代高新技术与机械、电子技术相结合而形成的技术、产品均应属于机电一体化范畴。故目前的机电液、光机电、机电仪、机电信一体化都可归结为Mechatronics。

③Mechatronics是一个综合的概念，包含技术和产品两方面。机电一体化技术指包括技术基础、技术原理在内的使机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术。机电一体化产品指采用机电一体化技术，在机械产品基础上创建出来的新一代机电产品。典型的机电一体化产品(系统)有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CAD／CAM系统等。2、特点1)综合性和系统性

2)层次性和广泛性

3)小型化、轻量化、微型化

4)高精度、多功能、高可靠性

5)柔性化、智能化

6)知识密集

1.2机电一体化系统构成要素与功能构成

位置,速度检测单元电机机械部件位置,速度反馈CNC数控机床伺服系统组成1.2机电一体化系统的构成执行器控制信息电子控制单元动力源检测传感部分机械本体参数变化信息驱动力能量检测参数机械本体：起支承和联接作用；动力部分：提供动力输入；传感与检测部分：将机械模块的状态和性能参数转换为电的信号，并进行必要的信息处理后送计算机；执行机构：根据控制系统的指令完成相应的动作；信息处理与控制：对来自传感器与检测部分的信息进行处理，使之符合控制要求。

3.传感测试部分 传感测试部分的功能是对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测,生成相应的可识别信号,传输到信息处理单元,经过分析、处理后产生相应的控制信息。这一功能一般由专门的传感器及转换电路完成。

4.执行机构

执行机构的功能是根据控制信息和指令,完成要求的动作。执行机构是运动部件,一般采用机械、电磁、电液等机构。

5.控制及信息单元

控制及信息单元的功能是将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工,根据信息处理结果,按照一定的程序和节奏发出相应的指令,控制整个系统有目的地运行。

6.接口耦合与能量转换 （1）变换：两个需要进行信息交换和传输的环节之间,由于信息的模式不同（数字量与模拟量、串行码与并行码、连续脉冲与序列脉冲等等）,无法直接实现信息或能量的交流,需要通过接口完成信息或能量的统一。

（2）放大：在两个信号强度相差悬殊的环节间,经接口放大,达到能量的匹配。（3）耦合：变换和放大后的信号在各环节间能可靠、快速、准确地交换,必须遵循一致的时序、信号格式和逻辑规范。接口具有保证信息的逻辑控制功能,使信息按规定模式进行传递。 （4）能量转换：其执行元件包含了执行器和驱动器。该转换涉及到不同类型能量间的最优转换方法与原理。一、生产过程的机电一体化

离散生产过程连续生产过程经济型CIM系统二、产品的机电一体化焊接机器人机电一体化产品的功能模块1.4机电一体化系统的结构要素

此系统中，材料构成系统结构；能量使系统具有力量；信息使系统具有灵魂，故系统必须具备如图三大“目的功能”：1.4机电一体化系统的结构要素机电一体化系统是由若干具有特定功能的机械与微电子要素组成的有机整体，具有满足人们使用要求的功能(目的功能)。根据不同的使用目的，要求系统能对输入的物质、能量和信息(即工业三大要素)进行某一处理，输出所需要的物质、能量和信息。因此系统须具有以下三大“目的功能”：变换(加工、处理)功能、传递(移动、输送)功能和储存(保持、积累、记录)功能。系统目的功能不管那类系统（或产品），其系统内部必须具备如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。

系统的五种内部功能CNC机床内部功能构成实例综上所述：构成机电一体化系统的要素很多，其中五大要素是必须的，可以从构成人体的五大要素得到启发。

图1.8所示为人体的五大要素图1.9所示为机电一体化的五大要素

脑心脏骨骼五官四肢控制系统动力装置检测装置执行机构机械本体图1.8图1.10机电一体化系统的功能图1.91.4机电一体化系统的结构要素机电一体化系统内部与外部接口

机电一体化产品的五个基本要素间互相补充、协调，共同完成所规定的目的功能。

从系统外看：机电一体化系统的I/O是人、自然及其它系统间的接口。

从系统内看：机电一体化系统是由许多接口将构成系统的I/O联为一体的系统。

机电一体化系统的接口性能成为综合系统性能好坏的决定性因素。故机电一体化系统各要素间的接口设计极为重要。接口分类：广义的接口输入输出接口变换、调整接口机械接口物理接口信息接口环境接口零接口无源接口有源接口智能接口接口技术的分类：按功能分，接口有两种：变换、调整接口和输入/输出接口。具有变换调整功能的接口（4种）：1、零接口：不进行任何变换和调整，本子系统的输出即为另一子系统的输入，这种接口只起到连接的作用。如插头、座，输送管线，传动轴等。2、无源接口：只用无源要素进行变换、调整的接口。如变速箱、变压器、可变电阻、透镜等。3、有源接口：含有有源要素，可以主动进行匹配的接口。如电磁离合器、放大器、光电耦合器等4、智能接口：带有微处理器，可以进行程序编制或可适应性地改变接口条件。如自动变速装置、通用输入/输出集成电路，STD总线等。根据输入/输出功能有如下接口形式(4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。如联轴器、管接头、法兰盘等。2、物理接口：受通过接口的物质、能量、信息的具体形态和物理条件约束的接口。如受电流、电压、电容、扭矩、频率、气压等约束的接口。3、信息接口：受规格、标准、法律、语言、符号等逻辑、软件约束的接口。如RS232，GB，ISO，ASCII，FORTRAN，C++等。4、环境接口：对周围环境条件（温度、湿度、磁场、振动、水、气、灰、火、放射）有保护作用的接口。如防尘接头，防水开关等。机电一体化系统（产品）各构成要素之间的相互联系

1.5机电一体化的相关技术

实现机电一体化产品的主功能和构造功能，影响系统的结构、重量、体积、刚性、可靠性等。

以多关节机器人的手臂为例：

1、机械技术

2、伺服驱动技术（执行装置技术）执行元件种类：电动、液压、气压

研究对象：执行元件及其驱动装置驱动装置：各种电动机的驱动电源电路微机电气接口执行元件机械接口传动和执行机构发送控制指令联结作用决定机电一体化产品的动态性能、稳态精度、控制质量等3、传感器技术（传感与检测技术）作用：感受器官、反馈环节。研究对象：传感器及其信号检测装置（即变送器）要求：能快速、精确地获得信息并在相应的应用环境中具有高可靠性。4、计算机（与信息处理）技术

注意：机电一体化中的“电”代表的技术内涵

计算机技术（尤其单片机技术）+PLC技术+通信技术传感器A/D计算机D/A执行装置作用：指挥整个机电一体化产品运行。5、控制技术

关于软件方面的技术，主要以控制理论为指导，对控制系统设计、仿真、现场调试、可靠运行等。实现机电一体化产品的主功能和构造功能，影响系统的结构、重量、体积、刚性、可靠性等。

6、精密机械技术7、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指进行分析、评价和优选的综合应用技术。其重要内容为接口技术。接口包括电气接口、机械接口、人机接口。

新型的MEMS微机电系统微机电系统MEMS(MicroElectronicMechanicalSystems)是一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域，相对于传统的机械，它们的尺寸更小，最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米，其厚度就更加微小。MEMS特点可以总结如下：（1）微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。（2）集成化：微传感器、微执行器和IC集成在一起可以制造出高可靠性和高稳定性的智能化MEMS。（3）多学科交叉：MEMS的制造涉及电子、机械、材料、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科。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1.6机电一体化系统设计基本流程（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1.7

机电一体化系统的设计方法与类型

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。机电一体化系统设计与现代设计方法

现代设计方法：以计算机为辅助手段进行系统（产品）设计方法的总称。

机电一体化设计方法与现代设计方法的融合是优质、高效、快速实现机电一体化系统（产品）设计的有效方法和基本条件。

计算机辅助设计与制造（CAD/CAN）并行工程设计——全寿命周期设计虚拟产品设计与实现快速响应设计绿色环保产品设计反求设计网络协同合作设计1.8

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。系统（产品）内部功能

评

价

参

数

系统（产品价值）高低主功能

系统误差抗干扰能力废弃物输出变换效率小强少高大弱多低动力功能

输入能量能源少内装多外装控制功能可控输入输出接口数操作动作数多少少多构造功能尺寸、重量强度小、轻高大、重低计测功能或信息获取精度灵敏度高响应快低响应慢图1-7系统内部功能的发展方向及评价内容

1.数控机床的问世，写下了“机电一体化”历史的第一页。

2.微电子技术为“机电一体化”带来勃勃生机。

3.可编程序控制器、电力电子等的发展为机电一体化提供了坚强基础。

4.激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使”机电一体化“跃上新台阶。

因此，机电一体化的主要发展方向如下：（1）智能化（2）模块化（3）网络化（4）微型化（5）绿色化（6）人性化1.9机电一体化技术发展方向

1.9机电一体化的发展趋势

1智能化

智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。这里所说的“智能化”是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。2模块化

由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。这需要制定各项标准，以便