机电一体化系统设计绪论

绪论本章内容CONTENTS

概述1机电一体化系统组成2机电一体化系统应用的技术3机电一体化技术发展历史与趋势43

1.1概述

1.1.1机电一体化概念机电一体化：机电一体化（mechatronics）一词来取自于机械学（Mechatronics)单词的前半部分和电子学（Electronics）单词后半部分组合构成。机电一体化技术：是设计与制造机电一体化系统所运用到的机械学与电子学的相关知识，具体包括机械技术、计算机技术、信息技术、自动控制技术、检测技术、接口技术以及系统技术等。4

1.1.1机电一体化概念机电一体化系统：是从系统角度来描述机电一体化的组成与结构，能够完成一种或者多种功能的基本模块或单元按照一定的次序组合在一起的系统。机电一体化产品：是运用机电一体化技术设计制造的，满足人们某种需求的物品，它具有机电一体化技术的基本特征，是机电一体化系统的物理表现形式。5

1.1.2机电一体化产品分类图1-1典型的机电一体化产品6

1.1.2机电一体化产品分类

1.按照服务行业性质分类（1）工业生产类：该类产品主要用于工业生产设备，例如生产制造设备、检测设备、搬运设备等。例如，用于工业生产的数控机床、包装机、塑料成形机、激光加工机；用于生产搬运的工业机器人、AGV运输小车；用于生产检测设备的三坐标测量机、激光干涉仪、扫描探针显微镜。（2）农林渔牧业类：以机、电、液相结合为技术特征的现代农业生产设备已经替代了过去传统的生产工具，这些现代化机械的应用提高了劳动效率。例如用于农业作物种植、采摘、收割设备、施肥机械、农药喷洒机械；用于林业移栽、采伐机械等。7

1.1.2机电一体化产品分类（3）家庭服务类：家庭服务类机电一体化产品可分为制冷、电热、电动、电子电器类等，常见的产品有手机、电视机、洗衣机、冰箱、热水器、炊具、洗碗机、血压测量仪、跑步机、多功能按摩椅、扫地机器人等。（4）社会服务类：社会服务类机电一体化产品包括服务于政府、银行、学校、餐饮、旅游等服务行业的机电一体化产品，例如打印机、自动售货机、服务机器人、点钞捆钞一体机、ATM存取一体机、物流分捡机器人。（5）交通运输类：主要包括铁路及城轨、道路、水路，航空、管道等运输设备。铁道设备有高铁机车、自动铺轨机、信号管制等；水路交通设备有卫星通讯、定位技术设备；航空交通设备有飞机控制、雷达、通讯等。8

1.1.2机电一体化产品分类（6）道路、桥梁及建筑类：道路、桥梁及建筑类机械多为大型机电一体化产品，多数是电液控制方式为主。例如用于隧道开挖的盾构掘进机，它是集光、机、电、液、传感、信息技术于一体的机电一体化产品。（7）航空、航天及武器装备类：该类产品有战斗机、飞船、坦克、火炮、火箭等。例如战斗机就是由多系统构成，采用分布式控制的复杂机电一体化产品。它的飞行控制系统十分复杂，其控制对象包括主翼、水平尾翼、垂直尾翼、进气口、发动机、起落架、雷达、驾驶员座舱、火控系统、通讯系统、机关炮、导弹发射吊架等多个子功能系统。91.1.2机电一体化产品分类2.按机电融合方式分类（1）功能改进型：功能改进型是原有的产品基础上对产品的功能进行改进。这类产品是由于技术的发展采用了微电子、计算机控制等装置替换产品原来的机械结构、控制方式等，使它成为新一代产品。根据改进的方式不同又分为功能附加和功能替换性产品两种类型。（a）功能附加产品。它是在原有机械产品基础上采用电子技术使产品功能提升或功能增强。例如，利用老机床改造的经济型数控机床、电子秤、带有数显功能的万用表与千分尺、全自动洗衣机等都属于这一类。101.1.2机电一体化产品分类（b）功能替代型产品。它是采用计算机控制技术及装置取代原产品中的机械或电气控制方式，使产品结构简化、性能提高、柔性增加。功能替代型产品的具体替换方式有以下几种方式。①在原有机械系统的基础上采用微型计算机控制装置，使系统的性能提高，功能增强。例如模糊控制洗衣机。②用电子装置局部替代机械传动装置和机械控制装置，简化结构，增强控制灵活性。例如，数控机床的进给系统采用伺服系统。③用电子装置完全替代原来执行信息处理功能的机构。例如，石英电子钟表、电子秤、按键式电话等。111.1.2机电一体化产品分类（2）创新型：创新型机电一体化产品是指在工作原理、主结构上自主创新和开发的新产品。它是根据产品的功能、性能要求及技术规范，采用机电一体化技术进行专门设计或采用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，因而使产品结构新颖、体积缩小、功能增强，成本进一步降低。例如，生产机械中的激光快速成形机，信息机械中的传真机、打印机、复印机，检测机械中的CT扫描诊断仪、扫描隧道显微镜等。121.1.2机电一体化产品分类3.按控制方式分类（1）半自动型：是指工作时，需要人为参与操作才能够完成它的全部工作，即当其中一个工作步骤完成时，需要手动操作才能进行下一步工作。例如洗衣机。（2）全自动型：是指工作时不需人为与操作就可以完成全部工作。例如加工某零件，它的加工过程由加工中心自动完成，但是如果它的上料、下料工序由人工完成，那么由加工中心组成的加工单元只能称为半自动加工单元。如果在加工中心基础上再配置机器人完成它的上下料，则称为全自动加工单元。131.1.3机电一体化产品的特征

机电一体化产品与传统的机械产品相比在控制方式、结构组成、功能方面有着自身的特点，它除了具有产品的基本属性之外，还要具有以下特征。（1）具有机电一体化系统的基本组成单元典型的机电一体化产品应该包括机械单元、控制单元、检测单元、伺服驱动单元、执行机构五个基本组成部分。例如，数控机床包括了床身、主轴、导轨、传动机构等机械单元；由计算机、控制软件及接口组成的数控系统；由光栅、编码器等组成的检测单元，由伺服驱动器、电机构成的伺服控制单元；由工作台、主轴、机械手等构成的执行机构。141.1.3机电一体化产品的特征（2）采用计算机控制方式机电一体化产品的控制方式与传统机械有所不同，其控制方式从过去的凸轮控制、继电器控制、接触器控制方式转变为以计算机为核心的控制方式。计算机控制成为机电一体化系统的主要特征之一。用于机电一体化产品控制的计算机类型主要有单片机、单板机、PLC、总线式工控机、工业平板电脑等。

机电一体化产品功能的实现需要一套专用控制程序，由它控制产品的运行，实现所需的功能。现在机电一体化产品的大多数功能趋向于采用软件方式实现，可以减少产品功能实现对自身硬件性能的依赖性。15

1.2机电一体化系统组成机电一体化系统包括：机械单元、控制单元、检测单元、伺服驱动单元、执行单元五个组成部分。图1-2机电一体化系统组成16

1.2机电一体化系统组成机电一体化系统的内部功能，包括主功能、动力功能、检测功能、控制功能和构造功能。图1-3机电一体化系统功能17

1.2机电一体化系统组成1.机械单元机械单元，也称机械本体，在机电一体化系统中的主要功能是起着支撑、导向、传动、连接等作用。机械单元包括机身、框架、传动装置（齿轮、涡轮蜗杆、丝杠螺母、棘轮等）、轴、导轨等。各个零部件按照一定的关系装配一起，传递系统的运动与动力，并且能够满足几何与运动精度等要求。随着机电一体化系统的功能、性能等要求提高，对机械单元的结构、强度、刚度、重量、可靠性等提出更高的要求，例如要求结构新颖美观，在满足强度与刚度条件下尽可能减轻重量，工作稳定可靠等。181.2机电一体化系统组成2.控制单元控制单元是机电一体化系统的核心单元，包括硬件与软件两部分。硬件部分由控制计算机、接口、逻辑电路等组成，软件包括系统软件与应用软件。控制单元功能主要是信息处理与控制两部分，具体工作过程是将来外部传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、存储、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序发出相应的控制信号，通过输出接口送往驱动单元，控制整个系统有目的地运行，并达到预期的性能。对控制单元的要求主要有工作可靠性、信息处理速度、控制精确度等。19

1.2机电一体化系统组成3.检测单元检测单元是利用传感器将外部的位移、角度、力、速度、加速度等检测信号转换成电阻、电压、电流、频率等电信号，即引起电阻、电流、电压的变化。通过相应的信号检测装置将其反馈给信息处理与控制装置。检测单元通常由传感器、信号转换、信息处理几部分组成，信息处理一般由系统的控制计算机完成，如果处理信息量较大时也可以用一个单独的计算机承担。20

1.2机电一体化系统组成4.伺服驱动单元

伺服驱动单元由动力和驱动部分组成，其功能是在控制信息作用下，驱动执行机构完成各种动作和功能。机电一体化系统一方面要求驱动单元具有高效率和快速响应等特性，同时又要求其对水、油、温度、尘埃等外部环境的适应性和可靠性。由于空间、动作范围狭窄等限制，还需考虑维修方便性和标准化。5.执行单元

执行单元是根据控制单元输出的信息和控制指令完成所要求的动作，一般采用机械、电磁、液压、气压等方式，将输入的各种形式的能量转换为机械能。执行机构的速度、位置、工作力矩的控制应满足系统工作要求。211.3机电一体化系统应用的技术1.机械技术机械技术是指用于机电一体化系统的机械设计与制造技术，在机电一体化系统中主要指机械系统的设计、分析及制造技术。机械结构是机电一体化系统的重要载体，对整个系统的体积、重量、抗振性、稳定性、可靠性、运动精度等技术指标有着较大的影响。机械技术的应用目标在于如何与机电一体化的技术相适应，利用高新技术实现结构、材料、性能以及功能上的变更，满足减少重量,缩小体积，提高强度、刚度和精度，改善性能，增加功能等要求。221.3机电一体化系统应用的技术3.信息处理技术信息是对客观世界中各种事物的运动状态和变化的反映，是客观事物之间相互联系和相互作用的表征，表现的是客观事物运动状态和变化的实质内容。信息处理技术是对信息进行处理的技术，包括信息收集、交换、存储、传输、显示、识别、提取、控制、加工和利用等技术，现阶段主要是指采用计算机进行信息处理的技术。4.传感与检测技术传感与检测是机电一体化系统获取外界信息，进行信息处理的一个重要步骤，是实现系统自动控制、自动调节的关键环节。在机电一体化系统中，利用传感与检测技术获取实时、准确、可靠的外部信息是控制单元进行正确分析、判断、决策的基础。231.3机电一体化系统应用的技术5.伺服驱动技术伺服驱动技术是能够精确地跟随或复现某个过程的反馈的技术。能够运用伺服技术实现伺服控制功能的系统称为伺服系统，它是实现电信号到机械动作的转换装置或部件，对系统的动态性能、控制质量和功能具有决定性的影响。6.系统总体技术系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统的观点和全局角度，将总体分解成相互有机联系的若干单元，找出能完成各个功能的技术方案，再把功能和技术方案进行分析、评价和优选的综合应用技术。241.3机电一体化系统应用的技术7.系统集成技术系统集成（SystemIntegration），就是通过结构化的综合布线系统、计算机网络技术、接口技术，采用技术整合、功能整合、数据整合、模式整合、业务整合等技术手段，将各个分离的设备、软件和信息数据等要素集成到相互关联的、统一和协调的系统之中，使系统整体的功能、性能符合使用要求，使资源达到充分共享，实现集中、高效、便利的管理。

系统集成技术是机电一体化系统集成中采用的集成方式、网络通讯、信息接口等相关技术。251.4机电一体化技术发展历史与趋势1.4.1机电一体化技术发展历史1.技术发展初期

从二十世纪初到六十年末为技术发展初期，机械、电子产品有了较大的发展。美国、英国、德国、日本等国家发明了数控机床、工业机器人、电视机、收音机、电风扇、冰箱、搅拌式洗衣机、吸尘器、热水器等机电产品。该时期的机电产品控制方式主要采用凸轮控制、电气控制和数字逻辑控制方式，其中逻辑控制技术发展迅速。

美国在数控机床、机器人、家电、集成电路制造等技术方面走在世界前列。例如，1918年KE-LVZNATOR公司制造了世界上第一台机械制冷式家用自动电冰箱，1947年惠而浦公司推出第一台自动洗衣机，1952年帕森斯公司和麻省理工学院共同研制成功了世界上第一台数控铣床，

26.4.1机电一体化技术发展历史英国延续了工业革命以来的发明，在家用电器、机床等领域做出了重要贡献。例如，1925年约翰•洛吉•贝尔德制造出了第一台能传输图像的机械式电视机，1928年开发出第一台彩色电视机；1968年柔性制造系统FMS。德国在机械、光学、电子学领域也有许多重要发明。例如，1935年德国发明了埃克萨克图单镜头反光照相机，1936年弗劳伊玛研制出了磁带录音机，1934年坎贝尔发明了磁悬浮列车，1936年汉斯发明了喷气发动机。

日本在二战之前的机电产品发展主要是家电业，涌现出了东芝、日立、松下以及夏普等一批著名的家电企业。收音机、电风扇、冰箱、洗衣机、吸尘器以及热水器等机电产品在三十年代得到普及。271.4.1机电一体化技术发展历史2.蓬勃发展期

从二十世纪七十年代到二十世纪末为蓬勃发展期。随着电子技术与传统工业关系的不断紧密化，人们开始研究简单的机械电子交叉技术，从而奠定了机电一体化的基础。1989年，在日本东京召开了第一届先进国际机电一体化学术会议，从此机电一体化正式走上舞台，机电一体化技术进入蓬勃发展期。在二十世纪世纪末，凭借计算机信息化和电子技术的发展，机电一体化技术快速成长，发展为集光、电、机、通信等于一体的现代化技术。281.4.1机电一体化技术发展历史3.高速发展时期

自从进入二十一世纪，机电一体化技术进了高速发展时期，一些新型学科和技术不断融合到机电一体化技术之中，极大丰富了机电一体化技术内容，也促使机电一体化技术向高速、高精度、柔性化、智能化、网络化方向发展。

在数控机床领域，数控机床和加工中心已经成为制造业的主要加工设备，数控机床向功能复合化、高速化、高精度、控制智能化方向发展。在机器人领域，工业机器人、服务机器人、仿生机器人等机器人技术得到发展迅速。291.4.2机电一体化技术发展趋势

1.智能化

智能控制是以控制理论、计算机科学、人工智能、运筹学等学科为基础，其中应用较多的有模糊逻辑、神经网络、专家系统、遗传算法等理论，以及自适应控制、自组织控制和自学习控制等技术。智能控制是控制理论发展的高级阶段，主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。301.4.2机电一体化技术发展趋势2．模块化

模块化是指在解决一个复杂问题时自顶向下逐层把系统划分成若干模块，并使模块之间通过标准化接口进行信息沟通的动态整合过程，在机电一体化系统中主要是指结构的模块化。

优点：采用模块化结构可以使一个复杂系统变为若干个功能单一的模块，有利于复杂系统的实现。由于模块由专业厂家生产与制造，模块的制造时间会更短、性能更好、可靠性更高。在机电一体化系统设计中，采用模块化的结构方便系统功能的扩展，可以使机电一体化技术向着多功能和多层次结构方向发展。311.4.2机电一体化技术发展趋势3．网络化

机电一体化系统的外部通讯从过去串行通讯以主的方式转向网络为主的通讯方式。由于网络传输速率提高，单位时间内传输的信息量大，过去由于传输速率限制不能实现的机电一体化系统的潜在功能都能够被挖掘出来，特别是以第五代网络通讯基础的移动互联网、物联网技术发展。

采用网络通讯可以获得较高的数据传送速率，数据传送更可靠、更安全。新开发的数控机床、工业机器人、智能家具的控制器都增加了网络通讯功能，利用它在可以在不同设备、系统模块、终端设备与主机之间进行高速传输信息，实现远程控制、故障诊断、工作过程监控等功能。321.4.2机电一体化技术发展趋势4．微型化

在空间技术、国防、汽车、医疗等应用领域，为了方便携带或由于使用空间限制需要一些微型化的机电一体化系统。微型机电一体化系统一般是指几何尺寸为1cm以下的机电一体化系统。这一类产品有