《机电一体化技术》课件-第一章 绪论

第1章绪论机电一体化技术1.1机电一体化概述1.1机电一体化概述

2（1）机电一体化又称为机械电子学（Mechatronics）1、基本概念FA:FactoryAutomationOA:OfficeAutomationHA:HomeAutomationLA:LaborataryAutomation（2）机电一体化技术1971年起源于日本的《机械设计》1.1机电一体化概述

31、基本概念（3）机电一体化的形式

从系统观点出发，将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统基础上加以综合，实现整个系统最佳化的多技术综合应用的一门新兴边缘学科。（4）机电一体化的发展

早期主要是机械技术与电子技术的相结合。后期“3C”技术与人工智能等新兴技术的逐渐渗透丰富了机电一体化的内容。机电一体化技术是多种技术的有机融合，而不是简单叠加。1.1机电一体化概述

42、应用领域（1）典型的机电一体化系统

在许多领域中都能找到机电一体化系统的应用案例，如工业生产、交通运输、仓储物流、休闲娱乐、智能家居、科学研究、医疗器械、国防航天等。机器人数控机床生产线1.1机电一体化概述

51.1机电一体化概述

6（2）从“中国制造2025”看机电一体化系统优先发展领域及发展原因

《中国制造2025》第一个十年行动纲领要求指出的典型机电一体化系统优先发展领域与优先发展原因。机电一体化技术的发展不仅受内部技术水平的影响，同时还受到技术发展的需求程度与所能带来的对社会发展的有益效果等外部条件的影响。应根据我国实际情况，因地制宜地按层次、有重点、有步骤地发展的相关领域

1.1机电一体化概述

7优先发展原因优先发展领域计算机数控机未智能仪仪器仪表工业机器人家用电器节能与新能源汽羊智能机器人航空航天装备海洋工程装备及高技术船舶先进轨道交通装备智能电网成套装备农业机械装备高端诊疗设品增材制造技术机电一体化办公设备短期或中期急需√√√√√√√√√√√√√

能产生良好的经济效益提升技术及产品质量√√√√√√√√√√√√√√减少原材料消耗√√

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有利于外贸√√√√√√√√√√√√√

提升相关产品质量√√√

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提高管理效率√

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节药能源√√√√√√

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具备前期发展必需的技术基础√√√√√√√√√√√√√

能产生良好的社会效益促进产品国有化√√√√√√√√√√√√√√提高国际影响力

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1.2机电一体化系统的结构及技术组成8

机电一体化系统各部分有三大交互方式，即“三流”：信息流，物质流，能量流。

其结构基础如下。六大结构要素：1、机电一体化系统的基本组成系统信息流控制系统物质流操作对象能量流提供动力传感检测单元控制与信息处理单元动力及驱动执行机构机械本体接口单元接口单元接口单元接口单元接口单元接口接口将系统各部分按照设定的时间和空间关系安装在某一位置，并保持特定的相互关系。①组成：一般包括机架，机械连接，机械传动装置等。1.2机电一体化系统的结构及技术组成

（1）机械本体：机电一体化系统的基础②功能：电能，气能，液压能①功能：按照系统控制要求，为系统提供能量与动力③要求：（2）动力及驱动:能量供应环节②常见形式：高效率，良好可靠性，满足动力需求9①功能：根据指令将各种能量转化为机械能，驱动机械本体做功。③要求：1.2机电一体化系统的结构及技术组成

（3）执行机构：系统的运动部件②方式：电气驱动液压驱动气压驱动普通电动机，控制电动机液压缸，液压马达气缸，气动马达效率高，响应速度快，维修方便对外部环境有良好的适应性与高可靠性10包括各种传感器及信号检测电路①功能：1.2机电一体化系统的结构及技术组成

（4）传感检测单元：自动控制的关键环节②组成：高精度、高灵敏度、高信噪比等③要求：信息转化为可识别信号信息与控制处理单元监测内外参量变化（5）接口单元：重要组成部分传递机械接口、电气接口、人机接口①定义：将系统各部分连接为一个有机整体②分类：

信息交互信号放大信号传递③要求：

高稳定性、高传输速度、强抗干扰能力、标准化通信协议11系统软件：根据要求编写的相关程序，固化在储存器内。系统硬件：计算机、PLC、单片机、数控装置等①功能：1.2机电一体化系统的结构及技术组成

（6）控制与信息处理单元：核心部分②组成：软件和硬件组成③要求：信息处理智能化、轻量化、标准化。六大基本要素并非简单拼凑，而是通过接口实现有机结合，构成机电一体化系统分析、处理、存储、决策执行元件传感器信号及外部命令控制指令1213（1）伺服驱动技术：（2）传感检测技术：（3）接口技术：2、机电一体化系统的共性关键技术1.2机电一体化系统的结构及技术组成

研究执行元件及驱动技术，不同场合适合不同驱动方式机电一体化系统由多个子系统构成，接口性能影响深远检测精度影响性能关键：元器件灵敏度、传感检测结构、抗干扰能力集机、电、光、声、信息于一体机械与机械部分，机械与电气部分、人与系统间、电信号传输14（4）计算机控制技术：（5）精密机械技术：（6）人机交互技术：2、机电一体化系统的共性关键技术1.2正弦量相量表示方法

人—计算机人—机器人—机器人语音和生物电信号丰富了交互方式刚柔耦合、良好静动态特性随着人工智能、大数据等发展，有了更多智能控制的方法。发展趋势：集成化、网络化、智能化计算机技术与控制技术的结合1.3机电一体化技术的特征与发展15（1）系统的综合性和高可靠性1、主要特征具体表现为故障率低、寿命长、安全性高高可靠性：机电一体化技术是各领域技术的集成，相互取长补短进而形成一个完整系统，达到“1+1>2”的效果。综合性：1.3机电一体化技术的特征与发展16（1）系统的综合性和高可靠性1、主要特征故障率低：自动化装置比例增加，运行稳定性改善，故障率进一步降低寿命长：通过微电子技术的融入，可以实时监测系统寿命。安全性高：在威胁状况时会及时发出警报并停机；

具备程序互锁，避免人员误操作；

在特殊情况下可以通过遥控控制1.3机电一体化技术的特征与发展17（2）控制智能化1、主要特征系统通过微机进行控制，通过设计相应算法，实现自主运动、自动检测等功能，并根需要实现深度学习等自适应、自动调节功能以随时应对环境与任务的变化（3）结构紧凑化与轻量化机电一体化系统从整体出发，充分利用新技术、新方法的优势设计产品结构，在达到结构紧凑化与轻量化的同时，不降低机械的静刚度与动刚度1.3机电一体化技术的特征与发展18（4）刚柔耦合1、主要特征机电一体化系统具有刚性、柔性并存的特点，包括：1.对于不同的用户需求具有可调整性与自适应性；2.系统运行时对外界条件变化具有强抗干扰能力与适应能力（5）运行的高速度和高精度机电一体化系统通过结合电子技术、精密机械技术等先进技术，采用精密硬件，保证了系统的整体精度，提高机构运行速度。1.3机电一体化技术的特征与发展19（1）智能化2、发展趋势随着人工智能的发展，机电一体化技术的智能化程度越来越高，但目前的系统还不具备人的思维，类人思维的机电一体化系统将是智能化发展的重要方向。无人驾驶汽车自动导航移动机器人情感陪护机器人1.3机电一体化技术的特征与发展20（2）微型化2、发展趋势机电一体化系统朝着小型化甚至微型化方向发展，逐渐形成微机电系统(MEMS)，具有轻巧便携、低功耗、运动灵活等特点。仿蜻蜓机器人毫米级机器人1.3机电一体化技术的特征与发展21（3）模块化2、发展趋势模块化可以减少产品的开发和生产成本，提高机电一体化系统各个模块的通用程度，有助于降低其设计开发周期、维修难度、装配难度等。（4）绿色化绿色化是机电一体化技术的可持续发展模式，高性能、可拆卸、可维护、低能耗、可回收、无（低）污染等是其重要的特征，在设计阶段就需要将其纳入考虑之中。1.3机电一体化技术的特征与发展22（5）网络化2、发展趋势网络化是指将不同地点的计算机以及各类电子终端设备来连接起来，衍生而来的新技术使得机电一体系统在体系结构、控制方法以及人机协作方法等方面有了新的变化。远程监控远程控制1.3机电一体化技术的特征与发展23（5）人性化2、发展趋势机电一体化系统最终使用对象是人，其技术发展更加注重与人之间的关系，要求实现人-机-环的共融，开发时要考虑人的情感、安全、舒适等要求。服务机器人人机协作1.4机电一体化系统的分类和设计机电一体化系统（产品）种类繁多，对此有不同的分类方式。1、机电一体化系统的分类（1）按照机械和电子的功能和所占比例可分为：

以机械装置为主体的机械电子产品

以电子装置为主体的机械电子产品（2）按照机电结合方式可分为：

功能附加型（体脂秤、防抱死制动系统）

功能替代型（扫地机器人、加湿器）

机电融合型（外骨骼机器人、数控机床）1.4机电一体化系统的分类和设计2、机电一体化系统的设计（1）机电一体化系统的设计类型

机电一体化系统设计类型大致可分为以下三种：①开发性设计

在无已有参考系统和具体设计方案的情况下，根据目标功能要求，利用机电一体化系统设计，综合运用机械技术、电子技术、控制技术等各项技术，进行原创性的创新设计。该过程是从无到有的全新设计过程。②适应性设计

在不改变原有机电一体化的原理的情况下，仅针对目标功能需求，对其局部结构和功能进行改进，以增加系统某些方面的功能，使其满足设1.4机电一体化系统的分类和设计计目标的需求，如提高产品性能和质量、降低成本或提高自动化程度等。③变异性设计

在原有机电一体化系统设计方案和功能结构不变的前提下，仅调整现有产品的规格尺寸，或通过改变系统部分部件型号来对系统功率、速度、力等参数进行系列化设计，使其满足市场需求。

变异性设计相比其他两种设计较为容易，但需要注意防止因参数变化而产生的对产品性能、可靠性方面的影响。1.4机电一体化系统的分类和设计（2）机电一体化系统的设计方法

机电一体化系统设计所考虑的方法通常分为取代法、结合法和组合法。通过合理运用各项技术，结合各领域优势，设计出最佳的机电一体化系统。①取代法

利用电子部件和自动控制系统取代原有传统机械系统（产品）中的机械结构和机械控制机构，在简化产品中机械结构复杂程度的同时提高了产品可靠性与效率。1.4机电一体化