机电一体化技术及应用 课件 第1章 绪论

第三节机电一体化技术的发展趋势第二节机电一体化系统的基本组成第一节

机电一体化的含义及主要内容第一章绪论1.1机电一体化的含义及主要内容机电一体化是以大规模集成电路（LSI）和微型电子计算机为代表的微电子技术向机械工业渗透过程中逐渐形成的一个新概念，是各种相关技术有机结合的一种新形式。它打破了传统的机械工程、电子工程、信息工程、控制工程等学科的划分，形成了一种融机械技术、微电子技术、控制技术、信息技术等多种技术为一体的新兴交叉学科。机电一体化的含义最早起源于日本，首次由日本《机械设计》杂志副刊于1971年提出Mechatronics（机械电子学，机电一体化），词首取自Mechanics（机械学），词尾取自Electronics（电子学）

东京大学名誉教授渡边茂——

机电一体化是机械工程中采用微电子技术的体现1984年日本《机械设计》副刊—

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富士通法纳克公司技术管理部长小岛利夫——

机电一体化是将机械学与电子学有机结合而提供的更为优越的一种技术1981年日本振兴协会经济研究所——

机电一体化乃是机械的主功能、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。1984年美国机械工程师协会（ASME）专家组提交给美国国家科学基金会的报告中提出了关于“现代机械系统”的定义——由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、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。从技术层面——机电一体化是按系统工程的观点，将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等相关技术进行有机地综合，以实现机电系统整体最优化的技术和方法。“有机地综合”——表明机电一体化并非将相关的多学科技术简单地拼凑在一起，而是体现了相互交叉、渗透复合的设计思想“整体最优化”——凸显了机电一体化的基本目标，即机电一体化系统应从整体上（包括功能、效率、能耗、精度、可靠性、适应性等方面）达到综合最优化。机电一体化包括——

①机电一体化技术：包括机电一体化技术原理和使机电一体化产品（或系统）得以实现、使用和发展的技术②机电一体化产品：机械系统和微电子系统有机结合，从而具有更强的功能和更新的性能的新产品机电一体化产品分为——1）机械电子化产品：在机械产品的基础上采用微电子技术，使产品在质量、性能、功能、效率、节能等方面有所提高，甚至使产品结构发生质的变化，具有新的功能，机电一体化产品的初级形式。

①机械本身的主要功能被电子取代，如自动照相机。

②机械式信息处理机构被电子元件取代，如电子钟表。③机械式控制机构被电子式机构取代，如自动缝纫机。④采用微电子技术而使控制功能增强，如银行自动柜员机（ATM）和数控机床。机电一体化产品分为——

2）机电有机结合产品：机械技术与电子技术相融合的产品，开辟了单靠机械技术或单靠电子技术都无法达到的新领域，属于机电一体化产品的高级形式。如工业机器人和自动售货机等。1.2机电一体化系统的基本组成机电一体化系统包括机械本体、动力部分、检测装置、控制器和执行元件等五大组成部分。各部分之间通过接口实现物质、能量和信息的传递和交换，从而有机融合成一个完整的系统。动力部分控制器执行元件检测装置机械本体能量流信息流物质流1.2机电一体化系统的基本组成机械本体：机电一体化系统的基本支持体，包括机械传动装置和机械结构装置（包括机身、机架、连接紧固件等）。

功能：使构造系统的各子系统、零部件按照一定的时间和空间关系安置在一定的位置上，并保持特定的关系。动力部分：包括电源、液源和气源

功能：按照机电一体化系统的功能要求为系统提供能量和动力，从而保证系统的正常运行。机电一体化的显著特征之一是用尽可能小的动力输入获得尽可能大的动力输出。

1.2机电一体化系统的基本组成检测装置：实现机电一体化系统自动控制的关键环节，包括各类传感器、变速器、仪器仪表等功能：检测在运行过程中系统本身和外界环境的各种参数和状态的变化，将其转变为可识别信号，并传送给控制器，经过信息处理后生成相应的控制信息。机电一体化系统对检测装置的要求是检测精度高、抗干扰能力强、体积小、便于安装和维护、价格低廉。

1.2机电一体化系统的基本组成控制器：机电一体化系统的核心部分，通常由电子电路（逻辑电路、A/D与D/A转换、I/O接口）、计算机（单片机、PLC或数控装置）组成功能：将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行处理，按照一定的程序发出相应的控制信号，通过输出接口送往执行元件，从而控制整个系统有目的地运行，并达到预期的控制目标。机电一体化系统要求控制器具有较快的信息处理速度、较强的抗干扰能力、较好的可靠性、完善的自诊断功能，实现信息处理智能化。

1.2机电一体化系统的基本组成执行元件：电气式（如电动机、电磁铁）、液压式（液压缸、液压马达）、气动式（气缸、气动马达）功能：将输入的各种形式的能量（电能、液压能、气压能）转换成机械能，以驱动机械本体的运动，完成驱动或操作功能。机电一体化系统要求执行元件效率高、响应速度快、维修方便、对外部环境中水、油、温度、尘埃等都能很好地适应，尽可能实现产品的组件化、标准化和系列化。

应用领域典型产品工业生产工业机器人，计算机数控机床（CNC），虚拟轴机床，电火花线切割机床，加工中心（MC），柔性制造系统（FMS），数字化工厂（DF），计算机集成制造系统（CIMS），光电跟踪切割机，模块化生产加工系统（MPS）交通运输汽车（无级变速装置、防抱死制动系统（ABS）、电子点火装置、安全气囊），自动驾驶汽车，自动引导车（AGV）贮存销售仓储机器人，自动化立体仓库，自动售货机，自动售票机）1.3机电一体化的典型

应用领域社会服务服务机器人（送货机器人、餐厅机器人，办公自动化（OA）设备（复印机、打印机、传真机、扫描仪），医疗器械（CT机、X射线机、核磁共振成像、微创手术器），金融服务（ATM机），文教、体育、娱乐用机电一体化产品(教育机器人、答题卡自动阅卷机、娱乐机器人、足球机器人、电子玩具、虚拟现实体验中心、4D影院、智能跑步机)家庭日用微波炉，全自动洗衣机，数码相机，变频空调，全自动洗碗机，扫地机器人，擦窗机器人科学研究三坐标测量仪，扫描隧道显微镜，3D打印机，三维激光扫描仪民用飞机，自动旋转门，音乐喷泉，立体车库国防军事雷达跟踪系统、电磁炮航空航天各种航天器（空间探测器、宇宙飞船、航天飞机）上海通用汽车凯迪拉克工厂里的工业机器人特大型立式车铣中心上海洋山港自动化码头的AGV百度Apollo自动驾驶出租车Robotaxi1.4机电一体化技术的发展趋势1.智能化机电一体化的一个重要发展方向。机电一体化的智能化就是将人工智能、神经网络、模糊控制等现代控制理论和技术应用到机电一体化系统（或产品）中，使其具有一定的智能，以期达到更高的控制目标。重要应用——机器人和数控机床的智能化智能机器人通过视觉、触觉和听觉等各类传感器检测工作状态，根据实际变化过程反馈信息并做出相应的判断和决定。数控机床的智能化体现在利用多种传感器对切削前后和加工过程中的各种参数进行监测，并通过计算机系统作出判断，自动对异常现象进行调整与补偿。

2.轻量化和微型化对于机电一体化产品而言，除了机械主体部分，其他部分均涉及电子技术，电子设备正朝着小型化、轻量化、多功能、高可靠方向发展，因此机电一体化中具有智能、动力、运动、感知特征的组成部分也逐渐向轻量化、小型化方向发展。

3.标准化和模块化标准化和模块化极大地促进了机电一体化新产品的开发，是机电一体化发展的重要趋势。机电一体化产品中普遍使用的产品单元（如驱动单元、运动控制单元等）可以进行模块化设计和生产。在新产品研发过程中，用户选择标准模块，不但可以降低产品的开发成本，提高产品的可靠性，而且还可以使产品的研制周期大为缩短。

4.系统化系统化一方面表现为机电一体化系统的体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构，系统可灵活组态，任意组合；另一方面表现为通信功能大大加强。典型应用——DNC（Distributed

Numerical

Control，分布式数控）

5.绿色化绿色化主要是指产品使用时不污染生态环境，报废后能回收利用。绿色产品是指在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中，要符合特定的环境保护和人类健康的要求，力求对生态环境无害或危害极小，而资源