机电一体化技术基础 第一章
第一章-机电一体化基础知识
纺织机电一体化技术基础⏹本章知识点➢了解机电一体化概念➢了解机电一体化相关技术➢了解机电一体化产品的开发步骤➢第一节机电一体化概述➢第二节机电一体化相关技术第一节机电一体化概述一机电一体化的概念➢机电一体化技术（Mechatronics ）又称机械电子技术，是机械技术、电子技术和信息技术有机结合的产物。
➢利用微电子技术、信息技术(主要包括通信技术、控制技术、计算机技术等技术)使机械设备实现柔性化和智能化的技术。
机电一体化涵盖“技术”和“产品”两个方面。
机械技术机电一体化技术电子技术信息技术二机电一体化系统的构成执行元件控制信息控制单元部分动力源检测传感部分机械机构参数变化信息驱动力能量检测参数位置,速度检测单元电机机械部件位置,速度反馈CNC 单元数控机床伺服系统组成机械本体动力部件传感器控制器执行器五大要素结构功能运转功能检测功能控制功能驱动功能五大功能机械部件（身躯）动力（内脏）传感（五官）驱动（肌、筋）控制（大脑）机电一体化系统的组成要素及其相应功能三机电一体化技术的发展➢第二阶段：20世纪70年代至20世纪80年代，为蓬勃发展的阶段。
➢第二阶段特征：人们自觉地、主动地利用计算机技术、控制技术、通信技术的成果创造新的机电一体化产品。
⏹机电一体化技术的发展阶段➢第三阶段：从20世纪90年代后期开始。
➢第三阶段特征：人工智能技术及网络技术等领域取得的巨大进步，使机电一体化技术向智能化新阶段迈进。
➢第一阶段：20世纪60年代以前，也可称为萌芽阶段。
➢第一阶段特征：在这一阶段，由于电子技术的迅速发展，人们自觉或不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。
⏹机电一体化技术的发展趋势➢智能化➢网络化➢模块化➢微型化➢绿色化➢人性化➢自带能源化四机电一体化技术的分类⏹生产过程的机电一体化➢计算机辅助设计➢计算机辅助制造➢计算机辅助工艺设计➢柔性制造系统➢计算机集成制造系统⏹机电产品的机电一体化➢机、电、仪一体化产品➢机、电、液一体化产品➢光、机、电一体化产品➢功能增强➢提高系统精度➢简化系统结构➢提高可靠性➢方便操作➢提高系统柔性第二节机电一体化相关技术➢机械技术➢传感与检测技术➢计算机与信息处理技术➢自动控制技术➢执行与驱动技术➢系统总体技术一机械技术➢机械技术是机电一体化技术的基础，机电一体化产品中的主功能和构造功能往往是以机械技术为主实现的。
机电一体化资料(一到四章)
第一节机电一体化的定义传统机械：主要以力学为理论基础，以经验为实践基础；现代机械：以力学、电子学、计算机学、控制论、信息论等为理论基础，以经验、机、电、计算机、传感与测试等技术为实践基础。
机械：强度高、输出功率大、承载大载荷；实现微小复杂运动难。
电子：可实现复杂的检测和控制；但无法实现重载运动。
机电一体化和机械电气化的区别电气机械在设计过程中不考虑或较少考虑电气与机械的内在联系。
机械和电气装置之间界限分明装置所需的控制以基于电磁学原理的各种电器，属于强电范畴。
机电一体化涉及到许多相关的学科：机械学、电子学、控制论、计算机科学机电一体化的产生与迅速发展的根本原因在于社会的发展和科学技术的进步。
系统工程、控制论和信息论是机电一体化的理论基础，也是机电一体化技术的方法论。
微电子技术的发展，半导体大规模集成电路制造技术的进步，则为机电一体化技术奠定了物质基础；Mechtronics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。
第二节机电一体化系统设计的目标与方法机电一体化产品的优越性使用安全性和可靠性提高生产能力和工作质量提高调整和维护方便，使用性能改善具有复合功能，适用面广改善劳动条件，有利于自动化生产节约能源，减少耗材现代机械的机电一体化目标提高精度增强功能提高生产效率节约能源，降低能耗提高安全性、可靠性改善操作性和实用性减轻劳动强度，改善劳动条件简化结构，减轻重量降低价格增强柔性应用功能机电一体化技术方向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，功能增强用电子装置局部代替机械传动装置和机械控制装置，以简化结构，增强控制灵活性用电子装置完全代替原来执行信息处理功能的机构，即减化了结构，又极大地丰富了信息传输内容，提高了速度。
机电一体化技术基础 第一章
发 展 高速化、精密化、高效率、高可靠性、智能化、轻量化、 方 微型化 向
绪论
试分析机电一体化系统设计与传统的机电产品设计的区别
机电一体化系统设计方法与用经验公式、图表和手册为设计依据 的传统方法不同，它是以计算机为手段，其设计步骤通常如下：设计 预测一→信号分析一→科学类比一→系统分析设计一→创造设计一→ 选择各种具体的现代设计方法（如相似设计法、模拟设计法、有限元 法、可靠性设计法、动态分析法、优化设计法、模糊设计法等）一→ 机电一体化系统设计质量的综合评价
绪论
1.2 机电一体化系统的基本功能要素
传感检测部分 对运行过程中所需要的系统自身和外界环境各种参数及运行状态进 行检测，并产生相应的反馈控制信息——传感器和专用仪器仪表。 研究对象：传感器及其信号检测装置（即变送器） 作 用：感受器官、反馈环节。 要 求：快速、精确获得信息并在相应的应用环境中具有高可靠性。 执行部分 由机械、电磁、电液等机构组成，根据控制信息和指令完成系统需 求的动作，实现输入能量向机械能的转换。
绪论
1.2 机电一体化系统的基本功能要素
机械本体(基础) 包括机械传动装置和机械结构装置，将系统各部分零件和子系统按 照一定的空间和时间关系安置在一定位置上。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。
动力部分(能源部分) 按照系统控制要求为系统提供能量和动力，应尽可能实现较小的动 力输入获得较大的功能输出。
1.4 现代机电一体化方法
机电一体化产品的开发过程：
绪论
绪论
思考
根据机电一体化技术的发展历史，你认为未来该领 域的发展方向？
绪论
作业：
1、什么是机电一体化？ 2、一个典型的机电一体化系统，应包含哪些几个基本要素,它 们之间的组成关系是什么？
机电一体化基础知识培训教材
目录第一章化工设备第2页第一节塔器第2页第二节加热炉第6页第三节换热设备第8页第四节容器第10页第五节泵第11页第六节压缩机第16页第七节化工设备材料第18页第八节问答题第23页第二章电气、仪表第24页第一节电气概况第24页第二节电气基础知识第30页第三节常用电气基本操作第38页第四节仪表自控基本知识第40页第三章思考题第页第一章化工设备第一节塔器塔器是化工生产中实现气相和液相或液相和液相间传质的最重要的设备之一，设计压力低于10.0Mpa（包括真空），设计温度高于－40℃低于550℃。
在塔器中所进行的工艺过程虽然各不相同，结构类型各异，但总的来说仅可划分为板式塔和填料塔两大类。
不论板式塔或填料塔，从设备设计的角度来看，其基本结构可以概括为：塔体，包括筒节、端盖和联接法兰等；内件，指塔板或填料及其支撑装置及喷淋装置；支座，一般均用裙式支座；附件，包括人孔、进出料接管、各类仪表接管、液体和气体的分配装置，以及塔外的扶梯、平台、保温层等。
塔按内件分为板式塔和填料塔。
下面以板式塔为例。
1.1.1 塔体（筒体、封头、联接法兰等）(1) 筒体：筒体由数段筒节拚焊而成。
常用来制造筒体的材料有16MnR,20R,有时用0Cr18Ni9Ti 以及复合钢板。
(2) 封头：常见的压力容器的封头又称端盖，有半球形、椭圆形、蝶形、锥形及平板等。
在实际生产中，大多数塔器采用椭圆形封头，而半球形封头受力最均匀，因而常用在高压容器上；平板封头应力突变最大，一般应用于常压容器。
1.1.2 内件〔塔盘、各种气体液体出入管、除雾器、挡板及过滤器等〕塔盘结构型式很多，常见的有圆形泡罩、槽形泡罩塔盘，S型塔盘，舌型塔盘，浮阀塔盘，浮舌塔盘，浮动喷射塔盘以及筛孔塔盘，在石油、化工中，用的较多的是圆形泡罩、浮阀、浮舌和筛孔等几种。
这里就主要介绍浮阀和筛孔塔盘结构。
(1) 浮阀塔盘：浮阀按其结构又分为两大类：一是盘状浮阀，也就是浮阀是圆盘形，塔板上开圆孔，三条腿固定浮阀升高位置，另外是十字架固定升高位置，其中以FI型为多。
机电一体化系统设计基础(001)
1.3 机电一体化的相关技术
接口技术 接口：在子系统之间及子系统内部，信息、物质、能 量交换与传递的渠道。
按接口所连接外设的形式和功能的不同，通常可 分为用户交互接口，内务操作接口，传感接口和控制 接口四种。
1.3 机电一体化的相关技术
接口基本功能
现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替 原有的机械结构，或为了进行微电子控制对机 械结构进行局部适应性设计，以便产品的性能 和质量增加某些附加价值。 例如电子式照相机采用电子快门、自动曝光代 替手动调整；汽车的电子式汽油喷射装置代替 原来的机械控制汽油喷射装置。
1.4 机电一体化系统设计的方法
传感 检测 单元
动力 单元
控制及 信息处 理单元
机械 本体
执行 单元
计测 功能
动力 功能
控制 功能
构造 功能
主功 能
1.2 机电一体化系统的基本组 成及功能要素
1. 机械本体 机电一体化系统（产品）的基础，
它是所有功能单元的机械支持结构，包 括机身、框架、机械连接部件等。
追求目标：通过采用新工艺、新材 料、新结构，达到高效、可靠、节能、 小型、轻量、美观等要求。
检测到信号，才能进行自动控制。它是实现自 动控制、自动调节的关键环节，其功能越强， 机电系统的功能越强。
研究内容包括两方面：一是研究如何将各 种被测量转换为与之成比例的电量；二是研究 如何将转换的电信号进行加工处理。
1.3 机电一体化的相关技术
3．伺服驱动技术 研究对象：动力单元
伺服驱动技术是在控制指令的指挥下，控制 驱动元件，使机械运动部件按照控制指令要求 运动，并具有良好的动态性能。
第1章 机电一体化
机电一体化系统的组成及工作原理 a)人的五大要素 b)机电一体化系统的要素 c)机电一体化系统的功能
第 一 章 机 电 一 体 化 概 述
第 一 章 机 电 一 体 化 概 述
各要素间联系
第 一 章 机 电 一 体 化 概 述
1、机械本体 机械本体包括机械传动装置和机械结构装置。其主要功 能是将构造系统的各子系统、零部件按照一定的空间和时间关 系安置在一定的位置上，并保持特定的关系。随着机电一体化
(机械学）
（电子学）
（机电一体化）
机电一体化不是机械技术和电子技术的简单叠加，而是 将电子设备的信息处理功能和控制功能“揉和”到机械装 置中去，从而达到扬长避短、互为补充的目的，使机电一 体化产品更具有系统性、完整性和科学性。
第 一 章 机 电 一 体 化 概 述
机电一体化是在机械主功能、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 与电子设备以及相关软件有机结合而构成系统的总 称。
第 一 章 机 电 一 体 化 概 述
四、机电一体化的组成
机械技术 电气技术 微电子技术 机电一体化技术 接口技术 信息技术 机电一体化 控制技术 其他技术 机电一体化装置 机电一体化产品 机电一体化系统
二、机电一体化的基本概念
第 一 章 机 电 一 体 化 概 述
机电一体化：将多种技术融合为一体的产物 或者是将多种技术柔和地融合在一起的一门 综合学科。
微电子技术 （半导体技术、计 算机技术）
机械技术 （机械学、机构学）
机电一体化 技术领域
“机电一体化”也就是机械技术、微电子技术相互交叉、融 合的产物。
机电一体化最本质的特性仍然是一个机械系统，其最主 要功能仍然是进行机械能和其他形式的能的互换，利用机械 能实现物料搬移或形态变化以及实现信息传递和变换。机电 一体化系统与传统机械系统的不同之处是充分利用计算机技 术、传感技术和可控驱动元件特性，实现机械系统的现代化、 智能化、自动化。
机电一体化概论
计算机辅助工程（CAE）是采用CAE技术以 及有限元分析发，可实现对质量、体积、
惯性力矩、强度等计算分析；对产品的运 动精度，动、静态特征等的性能分析；对 产品的应力、变形等的结构分析。
五、并行工程
并行工程是集成地、并行地设计产品及其 部件和相关各种过程的一种系统工作模式。
律、分析方法和自控系统的构造等。 三、机电一体化技术的特点 机电一体化技术具有以下特点： 1、体积小、重量轻
2、速度快、精度高 3、可靠性高 4、柔性好
由于机电一体化技术的上述特点，使其机 电一体化产品具有节能、高质、高效、低 成本的共性，从而产生一系列过去不可想 象的新产品。
管理信息系统（MIS）、物料需求计划（MRP） 制造资源计划(MRP)等。
从狭义上来讲，先进制造是指各种计算机辅助制 造设备和计算机集成制造系统。
生产过程中机电一体化所包括的内容： 一、计算机的辅助设计
计算机的辅助设计是在计算机硬件与软件的支撑 下，通过对产品的描述、造型、系统分析、优化、 仿真和图形处理的研究，使计算机辅助完成产品 的全部设计过程，最后输出满意的设计结果和产 品图形。
为系统提供能量和动力。使系统正常运行。 （4）传感器（检测要素） 传感器是将被测对象的状态、性质等信息
转换为一定的物理量或者化学量。 （5）计算机控制装置（控制要素） 为达到一定的目的而实行的适当的操作成
为控制。
6、接口
机电一体化系统由许多要素或子系统构成， 各子系统之间必须能顺利进行物质、能量 和信息的传递与交换，为此各要素或子系 统相接处必须具备一定的联系部件，这个 部件称为接口，其基本功能主要有三个：1、 交换，需要进行信息交换和传输之间，2、 放大，在两个信息强度相差悬殊的环节间， 经接口放大，达到能量的匹配；
机电一体化第一章概论
“目的功能”。 构造功能 ：使构成系统的子系统及元、部件维持所
定的时间和空间上的相互关系所必需的 功能
机电一体化第一章概论
16
机电一体化系统的五种内部功能
机电一体化第一章概论
17
机电一体化系统（产品）的 内部功能
主功能 动力功能 控制功能 构造功能 计测功能
机电一体化第一章概论
6
第二节 优先发展机电一体化的 领域及其共性关键技术
优先发展的机电一体化领域必须同时具备下述几个 条件：
①短期或中期普遍需要； ②具有显著的经济效益 ； ③具备或经过短期努力能具备必需的物质技术基础； ④社会效益十分显著的领域 。
机电一体化第一章概论
7
机电一体化技术内部联系与外 部影响
2）无源接口。只用无源要素进行变换、调整的接口，称为无源 接口。例如齿轮减速器、进给丝杠、变压器、可变电阻器以及透镜 等。
3)有源接口。含有有源要素、主动进行匹配的接口，称为有源 接口。例如电磁离合器、放大器、光电耦合器、D/A转换器、A/D转 换器以及力矩变换器等。
4)智能接口。含有微处理器，可进行程序编制或可适应性地改 变接口条件的接口，称为智能接口。 例如自动变速装置， 通用 输入／输出LSI(8255等通用I/O)、GP-IB总线、STD总线等。
机电一体化第一章概论
23
根据输入／输出功能可分 成以下四种广义接口：
第一章 概 论
第一节 机电一体化时代与机电一体化技术革命 第二节 优先发展机电一体化的领域及其共性关键技术 第三节 机电一体化系统构成要素及功能构成 第四节 机电一体化系统构成要素之间的连接 第五节 机电一体化系统的评价 第六节 机电一体化系统设计的考虑方法及设计类型 第七节 机电一体化系统的设计流程 第八节 机电一体化工程与系统工程 第九节 机电一体化系统的设计程序、准则与规律 第十节 机电一体化系统的开发工程与现代设计方法
机电一体化基础课件第1章教材
数控机床
焊接机器人
• 我国一般认为机电一体化是机电一体化技术及其产品的统 称，还将柔性制造系统（FMS）和现代集成制造系统 （CIMS）等自动化生产线和自动化制造工程包含在内， 这是对机电一体化的准确定义。
• 有人认为机电一体化产品是“在机械产品的基础上应用微 电子技术和计算机技术产生出来的新一代的机电产品”， 这是机械电子化的概念。区分机电一体化或非机电一体化 的产品，其核心是计算机控制的伺服系统，其它都是与此 匹配的部分。蒸汽机和电动机的出现为机械产品提供了动 力，而机电一体化技术为机械产品提供了智力。实践证明， 现有机械产品的电子化，需要系统科学的观点和综合集成 的技巧，使机械装置、电子技术和软件工程之间相互适应 和匹配，发挥各自的优势，使系统尽可能地达到最优。这 是我们应该研究的课题。
1.1机电一体化概念
• 20世纪70年代以来，以大规模集成电路和微型电子计算机 为代表的微电子技术迅速地应用于机械工业中，出现了种 类繁多的计算机控制的机械和仪器。随着科学技术的发展， 数控机床发展到加工中心，继而出现了具有柔性功能的自 动化生产线、车间、工厂，为先进制造技术(Advanced Manufacturing Technology AMT)的建立和发展提供了硬 件基础，大幅度地提高产品质量和劳动生产率，适应了市 场对产品多样化的要求，使传统机械工业的面貌焕然一新， 机电一体化(Mechatronics System)的出现，推动了机械工 业和电子工业及信息技术（Information Technology, IT） 的紧密结合，并发展为综合性的热门学科。
《机电一体化》word版
第1章绪论通过本章的学习，了解机电一体化的定义、机电一体化系统的基本功能、相关技术和方法。
明确学习内容和目的，以及本课程的性质和任务。
考核知识点与考核要求1. 机电一体化的定义:是机械的主功能、动力功能、信息功能、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识记：机电一体化的基本概念；机电一体化的理论基础和物质基础；2.机电一体化系统的基本功能要素:机械本体、控制与信息处理、动力、传感器检测、执行元件等。
3.1、机械子系统功能：机身、框架、机械联接等产品支持机构，实现构造功能要求：可靠、小型、美观2、动力子系统功能：提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能要求：效率高、、适应性好、可靠性高3、传感检测子系统功能：检测产品内部状态和外部环境，实现计测功能要求：体积小、精度高、抗干扰能力强4、执行机构子系统功能：包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成要求的动作常用执行机构：机械、电磁、电液等机构5、电子信息处理子系统功能：处理、运算、决策，实现控制功能要求：高可靠性、柔性、智能化识记：一个较完善的机电一体化系统的几个基本要素；每个功能要素在机电一体化系统中的作用。
3. 机电一体化的相关技术: 1.机械技术机械技术是机电一体化系统的基础，在机电一体化产品中，它不再是单一地完成系统间的连接，必须从系统的结构、重量、体积、刚性、可靠性能及通用性等几个方面加以改进，使机电一体化产品结构合理、重量减轻、刚性提高具有高的可靠性，实现产品的通用化、标准化、系列化，提高产品的可维修性，为机电一体化产品提供坚实的基础。
2.传感检测技术传感检测技术是机电一体化的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键性环节，它的功能越强，系统的自动化程度就越高。
3.信息处理技术信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策，主要设备是计算机或可编程序控制器及与其配套的I/O设备、显示器和外部存储器。
机电一体化自学课件第一章
引言
机电一体化是在微型计算机为代表的微电子技术、信息技 术迅速发展，向机械上业领 域迅猛渗透，机械电子技术深度结 合的现代工业的基础上，综合应用机械技术、微电子技 术、信 息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技 术及软件编程技术等 群体技术，从系统的观点出发，根据系统 功能目标和优化组织结构目标，以智能、动力、结 构、运动和 感知组成要素为基础，对各组成要素及其间的信息处理、接口平 台、运动传递、 物质运动、能量变换机理进行研究，使得整个 系统有机结合与综合集成，并在系统程序和 微电子电路的有序 信息流控制下，形成物质和能量的有规则运动，在高功能、高质 量、高精 度、高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合 的最佳功能价值系统I程技术。 “机电一体化”根源于 “Meckantronics”，它是一个新兴的边缘学科，国内外处于发展 阶 段，代表着机械工业技术革命的前沿方向。 进入20世纪60年 代以来，—大批逐步形成的高技术群体，如微电子技术、信息技 术、 自动化技术、生物技术、
• 1.1.1
第一章 引 论
新材料技术、新能源技术、空间技术、海洋开发技术、激光与红 外技 术、光纤通信技术等等，已经且继续向经济、军事和社会 生活的各个领域渗透，以空前的规 模向现实生产迅速转化。 高 新技术向产业转移，推动生产力的革命性发展，对人类社会的经 济、政治结构。对国 家、民族的命运和前途，对企业的生存兴 衰具有决定性的作用。 微电子技术及信息技术是这次新技术革 命的主导。 微电子技术直接推动微型计算机的急剧发展o 1990 年11月，日本日立公司宣称，它 已经研制成功世界上最快的神 经网络计算机，运算速度仅23亿分之一秒，微型计算机几 乎以 每3年更换一代的速度发展。微电子技术和微型计算机技术带动 整个高新技术群体 飞速发展，迅速转化为巨大的经济效益。事 实上，高技术竞争和突破正在创造着新的生产 方式和经济秩序， 新技术革命打开了所有国家的大门，现代经济日益表现出强烈的 世界经 济特征，国家和企业受到世界经济形势的严重影响，高 新技术渗透到传统产业，引起传统 产业的深刻改变。机电一体 化正是在这场新技术革命中
机电一体化技术全套课件
（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。
力,驱动各执行机构完成各种动作和功能。
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
1.1.2
机电一体化系统的基本组成要素
一个典型的机电一体化系统应包含以下几个基本
要素： 机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感
测试部分、控制及信息处理部分。我们将这些部分归 纳为： 结构组成要素、 动力组成要素、运动组成要
素、感知组成要素、智能组成要素； 这些组成要素内
部及其之间,形成通过接口耦合来实现运动传递、信息 控制、能量转换等有机融合的一个完整系统。 机电一体化系统的组成要素及功能如图1-1所示。
由于机电一体化技术对现代工业和技术的发展具 有巨大的推动力,因此世界各国均将其作为工业技术发
展的重要战略之一。
机电一体化技术在制造业的应用从一般的数控机 床、加工中心和机械手发展到智能机器人、柔性制造 系统（FMS）、无人生产车间和将设计、制造、销售、 管理集于一体的计算机集成制造系统（CIMS）。 机电一体化技术是其他高新技术发展的基础,机电 一体化的发展依赖于其他相关技术的发展。
机电一体化技术基础第一章
机电一体化技术的发展历程
1
第二阶段
2
随着计算机和网络技术的发展，机电
系统逐渐实现了远程监控和智能调度，
提高了生产效率和资源利用率。
3
第一阶段
机电一体化技术从传统的简单控制系 统开始，逐步发展为具有分布式控制 和智能化功能的系统。
第三阶段
现代机电一体化技术已经发展到全面 集成的阶段，通过物联网和云计算等 技术的应用，实现了设备之间的无缝 连接和数据的共享与分析。
机电一体化技术基础第一 章
欢迎来到机电一体化技术基础第一章。本章将深入探讨机电一体化技术的定 义和背景，发展历程，基本原理等内容，以及其应用领域和在工业生产中的 优势。并对机电一体化技术未来的发展趋势进行展望。
机电一体化技术的定义和背景
机电一体化技术是将机械和电气技术有机地结合在一起，通过集成化的设计 和控制，实现机械和电气系统的协同工作。它源于工业自动化的发展，是工 业4.0时代的核心技术之一。
机器人技术
机电一体化技术与机器人技术 的结合，实现灵活高效的生产 线自动化。
能源管理
通过机电一体化技术的应用， 实现能源的高效利用和节约。
机电一体化技术在工业生产中的优势
1 提高生产效率
2 降低成本
机电一体化技术实现了设备间的协同工作 和信息共享，提高了生产效率。
通过优化系统设计和控制策略，机电一体 化技一体化技术实现了精确的运动控制和 自动化检测，提高了产品质量。
机电一体化技术提供了灵活的生产模式和 智能化的调度能力，适应不同生产需求。
机电一体化技术未来发展的趋势
1
人工智能应用
机电一体化技术将与人工智能相结合，
多领域融合
2
实现机器的智能化和自主学习。
机电一体化技术-第01章 概论
自动控制技术的难点在于自动控制理论的工程化与实用化，这 是由于现实世界中的被控对象往往与理论上的控制模型之间存在较大差 距，使得从控制设计到控制实施往往要经过多次反复调试与修改，才能 获得比较满意的结果。
产品的各功能单元通过接口联接成一个有机的整体。接口包括电气接 口、机械接口、人—机接口。电气接口实现系统间电信号连接；机械 接口则完成机械与机械部分、机械与电气装置部分的连接；人—机接 口提供了人与系统间的交互界面。
第五节 机电一体化系统设计
Mechatronics System Design
机电一体化系统是从简单的机械产品发展而 来，其设计方法、程序与传统的机械产品类似， 一般要经过市场调查、方案设计、详细设计、样 机试制、小批量生产和正常生产几个阶段。
机电一体化产品:
(product of Mechatronics)
是由机械系统（或部件）与电子系统（或部件）及信息处理单元（硬 件和软件）有机结合、而赋予了新功能和新性能的高科技产品。
CNC
位置,速 度反馈
位置,速度 检测单元
电机
数控机床伺服系统组成
机械 部件
第二节 机电一体化发展概况
机电一体化技术的发展 ：分为萌芽阶段、快 速发展阶段和智能化阶段三个阶段。
系统总体技术 System overall technology 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组进行分析、评价 和优选的综合应用技术。
机电一体化技术基础 第1章 机电一体化技术概述
一体化系统。我们可以以机器人和人作类比。
第1章 机电一体化技术概述
工业机器人是一个典型的机电一体化设备。下面我们以图 1-8所示的工业机器人为例，来分析机电一体化系统的组成。
(1)机械本体：各组成部分的载体。 (2)动力部分：提供能量和动力。 (3)传感检测部分：感知外界环境参数。 (4)控制与信息处理部分：相当于人的头脑。 (5)执行机构：执行指令完成动作。
第1章 机电一体化技术概述
2. 机电一体化系统涉及的相关技术
(1)机械技术 (2)计算机与信息技术 (3)系统技术 (4)自动控制技术 (5)传感检测技术 (6)伺服传动技术
第1章 机电一体化技术概述
3.实现机电一体化的意义
(1) 增强性能（自动相机、毒气报警） (2) 简化结构（电子表） (3) 提高精度（数控机床精度） (4) 提高可靠性（ESP,ABS刹车系统、自动驾驶） (5) 改善操作（机械仪表改触摸屏） (6) 提高柔性（手机软件、APP升级） (7) 节约能源（变频器的应用节能1/3，可以抵消 电费）
能力目标：
(1) 初步具备识别机电一体化系统五要素的能力； (2) 能从机电一体化系统的观点出发，分析机电设备 的工作原理； (3) 会查阅设备相关技术资料。
第1章 机电一体化技术概述
知识导入：
在现代化工业生产企业中，我们往往会遇到数控机床、工业 机器人、自动生产线这三种生产设备。
图1-2 工业机器人
(3)机电一体化技术与计算机应用技术的区别 （侧重于整个系统，还是侧重于计算机）
第1章 机电一体化技术概述
7.机电一体化发展前景
机电一体化基础知识File
小于0.005mm
机电一体化概述
实例介绍
IC芯线焊接工作台技术指标 ④
1）必须在50ms内实现2.5mm的定位。不仅要响应快，而 且要求加、减速平滑，尽量减少机械振动和噪声，定位精度小 于±1个脉冲。
2）当最大指令脉冲达到60kP/s时，应具有足够的快速响 应，因此应采用分辨率较高的光电编码器，以保证精度达到 2.5μs/P和提高生产率。
1.2 发展概况
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。
1.3 机电一体化系统的构成
5、执行机构
包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完 成要求的动作，实现主功能。
要求：高性能、高精度、高效率
1.4 共性关键技术
1 2 3 4 5 6
检测传感技术 信息处理技术 自动控制技术 伺服驱动技术 机械技术 系统总体技术
1.4 共性关键技术
1、检测传感技术
研究对象：传感器及其信号检测装置（即变送器） 作用：感受器官、反馈环节。
FX2N 32MT
X4 X5
－
MR J2S
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数据总线 SQ2.0参考点 STOP DOG S/S PO0+ PO0－ VIN FP COM0
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X2 X3
COM X5
机电一体化技术基础
机电一体化技术基础“机电一体化”是机械技术、电子技术和信息技术等相关技术有机结合的一个新形式，是电子技术、信息技术向机械技术领域渗透过程中逐渐形成的一个新概念。
第一章概论1、机电一体化的定义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。
2、机电一体化系统的基本构成一般而言，一个较完善的机电一体化系统包括以下几个基本要素：机械本体、检测传感部分、电子控制单元（ECU）、执行器和动力源，各要素之间通过接口相互联系。
3、机电一体化的相关技术（1）机械技术（2）信息处理技术（3）系统技术（4）自动控制技术（5）传感检测技术（6）伺服驱动技术4、机电一体化系统的分类从控制的角度，机电一体化系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
开环控制机电一体化系统的优点是结构简单、成本低、维修方便，缺点是精度较低，对输出和干扰没有诊断能力。
闭环控制的机电一体化系统的优点是高精度、动态性能好、抗干扰能力强，缺点是结构复杂、成本高、维修难度较大。
5、机电一体化系统开发的类型机电一体化系统开发的类型依据该系统与相关产品比较的新颖程度和技术独创性，可分为开发性设计、适应性设计和变参数设计。
（1）开发性设计：是一种独创性的设计方式、在没有参考样板的情况下，通过抽象思维和理论分析，依据产品性能和质量要求设计出系统原理和制造工艺。
开发性设计属于产品发明专利范畴。
（2）适应性设计：适应性设计是在参考同类产品的基础上，主要原理和设计方案保持不变的情况下，通过技术更新和局部结构调整使产品的性能、质量提高或成本降低的产品开发方式。
这一类设计属于实用新型专利范畴。
（3）变参数设计：变参数设计是在设计方案和结构原理不变的情况下，仅改变部分结构尺寸和性能参数，使之适用范围发生变化的设计方式。
6、机电一体化系统设计方案的常用方法（1）取代法：就是用电气控制取代原系统中机械控制机构。
第1章机电一体化基础知识改
纺织机电一体化技术基础
第一章 机电一体化基础知识
1.1 纺织设备机电一体化的基本概念
1.1.1 机电一体化的概念和含义
柔性含义： 柔性主要包括 5)生产能力柔性：当生产量改变、系统也能经济地运行的能力。对 于根据订货而组织生产的制造系统,这一点尤为 重要。 6)扩展柔性：当生产需要的时候,可以很容易地扩展系统结构,增加 模块,构成一个更大系统的能力。 7)运行柔性：利用不同的机器、材料、工艺流程来生产一系列产品 的能力和同样的产品,换用不同工序加工的能力。 柔性制造技术： 柔性制造技术是对各种不同形状加工对象实现程序化柔性制造 加工的各种技术的总和。柔性制造技术是技术密集型的技术群,我们 认为凡是侧重于柔性,适应于多品种、中小批量(包括单件产品)的加 工技术都属于柔性制造技术。目前按规模大小划分为:
1.1 纺织设备机电一体化的基本概念
1.1.1 机电一体化的概念和含义
柔性制造技术包括： 2)柔性制造单元(ＦＭＣ) ＦＭＣ的问世并在生产中使用约比ＦＭＳ晚6～8年,ＦＭＣ可视 为一个规模最小的ＦＭＳ,是ＦＭＳ向廉价化及小型化方向发展的一 种产物,它是由1～2台加工中心、工业机器人、数控机床及物料运送 存贮设备构成,其特点是实现单机柔性化及自动化,具有适应加工多品 种产品的灵活性。迄今已进入普及应用阶段。 3)柔性制造线(ＦＭＬ) 它是处于单一或少品种大批量非柔性自动线与中小批量多品种 ＦＭＳ之间的生产线。其加工设备可以是通用的加工中心、ＣＮＣ (Computer Numerical Control)机床;亦可采用专用机床或ＮＣ (Numerical Control)专用机床,对物料搬运系统柔性的要求低于ＦＭＳ ,但生产率更高。它是以离散型生产中的柔性制造系统和连续生过程 中的分散型控制系统(ＤＣＳ)为代表,其特点是实现生产线柔性化及 自动化,其技术已日臻成熟,迄今已进入实用化阶段。
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将各部分子系统连接为一个有机整体，使各功能环节有目的地协
调一致运动，主要功能包括：信息交换、信号放大、信号传递。接口 包括电气接口、机械接口、人机接口。
在机械本体的支持下，由传感器检测产品的运行状态及环境变化，
将信息反馈给控制及信息处理单元，控制及信息处理单元对各种信息 进行处理，并按要求控制驱动部分，在驱动部分的动力作用下，执行 机构完成要求的动作。
老式英文打字机
老式英文打字机与激光打印机对比
典型机、电、光一体化产品，激光打 印机是由激光器、声光调制器、高频驱动、 扫描器、同步器及光偏转器等组成，其作 用是把接口电路送来的二进制点阵信息调 制在激光束上，之后扫描到感光体上。感 光体与照相机构组成电子照相转印系统， 把射到感光鼓上的图文映像转印到打印纸 上，其原理与复印机相同。激光打印机是 将激光扫描技术和电子显像技术相结合的 非击打输出设备。 随着半导体技术趋向成熟。以美国、 日本为代表的科研人员，相继研制出半导 体激光打印机。这种类型打印机的打印质 量好、速度快、无噪音，所以很快得到了 广泛应用。
什么叫接口，接口有哪些作用？
机电一体化系统由许多要素或子系统组成，各子系统之间必须能
够顺利地进行物质、能量和信息的交换，为此，各要素或各子系统相 接处必须具备一定的连接部件，这个部件就称为接口。 主要功能包括：信息交换、信号放大、信号传递。接口包括电气 接口、机械接口、人机接口。
1.2 机电一体化系统的基本功能要素
设计预测一→信号分析一→科学类比一→系统分析设计一→创造设 计一→选择各种具体的现代设计方法（如相似设计法、模拟设计法、
有限元法、可靠性设计法、动态分析法、优化设计法、模糊设计法
等）一→机电一体化系统设计质量的综合评价
1.4 现代机电一体化方法
机电一体化产品的开发过程： 市场 调研 详细 设计 小批 生产
机电一体化产品和系统分类：
健身器材
立体车库
1.4 现代机电一体化方法
机电一体化产品和系统分类：
全 自 动 洗 衣 机
三 坐 标 测 量 仪
1.4 现代机电一体化方法
机电一体化产品和系统分类：
农用机械
防爆机器人
1.4 现代机电一体化方法
机 电 一 体 化 的 目 标 提高精度 改善械结构装臵，将系统各部分零件和子系统
按照一定的空间和时间关系安臵在一定位臵上。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。
动力部分(能源部分)
按照系统控制要求为系统提供能量和动力，应尽可能实现较小的 动力输入获得较大的功能输出。
表达了技术之间相互结合的学术思想，强调各种技术在机电产
品中的相互协调，以达到系统总体最优。
1.2 机电一体化系统的基本功能要素
一个完善的机电一体化系统通常应该包含以下几方面基本要 素：机械本体、动力部分、传感检测部分、执行部分、驱动部分、
控制及信息处理部分与接口部分。
1.2 机电一体化系统的基本功能要素
传感检测技术 信息处理技术
自动控制技术 伺服传动技术 系统总体技术
机电一体 化技术
主要包括电气伺服和液压伺服。
1.3 机电一体化系统的相关技术
机电一体化系统主要包括六方面相关技术：
机械技术
系统总体技术 以整体的概念组织应用各
种相关技术，使整体系统实现 最佳化。
传感检测技术 信息处理技术
自动控制技术 伺服传动技术 系统总体技术
传感检测技术 信息处理技术
自动控制技术 伺服传动技术 系统总体技术
机电一体 化技术
信息处理发展方向：提高 信息处理速度、可靠性和智能
化程度。
1.3 机电一体化系统的相关技术
机电一体化系统主要包括六方面相关技术：
机械技术
自动控制技术 其目的在于实现机电一体
化系统的目标最优化，主要包 括位臵控制、速度控制、最优
传感检测技术 信息处理技术
自动控制技术 伺服传动技术 系统总体技术
机电一体 化技术
控制、自适应控制和智能控制， 其与计算机技术的也有密切联
系。
1.3 机电一体化系统的相关技术
机电一体化系统主要包括六方面相关技术：
机械技术
伺服传动技术 是实现电信号到机械动作
的转化装臵或部件，决定了系 统动态性能、控制质量和功能，
1.3 机电一体化系统的相关技术
机电一体化系统主要包括六方面相关技术：
机械技术
传感检测技术 信息处理技术
自动控制技术 伺服传动技术 系统总体技术
机电一体 化技术
1.3 机电一体化系统的相关技术
机电一体化系统主要包括六方面相关技术：
机械技术
机械技术 机电一体化的基础，具有
结构简单、功能更强、性能优 越等特点，在刚度、精度和动
机电一体 化技术
1.4 现代机电一体化方法
机电一体化产品和系统分类：
生产类
航空航 天与国 防类
运输、 包装及 工程类
农林牧 渔类
机电一体 化产品和 系统
贮存销 售类
科研及 过程控 制类
社会服 务类 家庭实 用类
1.4 现代机电一体化方法
机电一体化产品和系统分类：
纸箱包装生产线
汽车自动装配生产线
1.4 现代机电一体化方法
传感检测技术 信息处理技术
自动控制技术 伺服传动技术 系统总体技术
机电一体 化技术
将被测量按比例转换为电量； 电信号的处理加工。 在快速、准确、可靠性等方面有 较高要求。
1.3 机电一体化系统的相关技术
机电一体化系统主要包括六方面相关技术：
机械技术
信息处理技术 实现信息的交换、存取、
运算、判断和决策等处理过程， 与计算机技术密切相关。
难点: 机电一体化相关技术及其内容
机电一体化系统开发的工程路线
老式英文打字机与激光打印机对比
纯机械结构。最早是英国研制出用打 字机代替手书的机器，通过按键可输入各 个字母及各种标点符号等，这在当时实在 是一个巧妙的书写工具。打出的字体规范 整洁，一目了然。键盘字母的排列也是独 具匠心的。当时将常用的字母臵于方便位 臵，不常用的字母臵于偏僻处。这种排列 方法直至今日电脑键盘仍然沿袭下来，可 见其合理性。 后期的打字机，只是在体积上缩小， 其原理结构几乎与原始机器无异，只是形 成便携式而已，直到20多年前，才逐渐被 电脑所取代，在书写历史上打字机功不可 没。
增强功能
提高生产效率
减轻劳动强度
简化结构、减轻重量
节约能源、降低能耗
提高安全性、可靠性
降低价格
增强柔性应用功能
发 展 方 向
高速化、精密化、高效率、高可靠性、智能化、轻量化、 微型化
试分析机电一体化系统设计与传统的机电产品设计的区别
机电一体化系统设计方法与用经验公式、图表和手册为设计依
据的传统方法不同，它是以计算机为手段，其设计步骤通常如下：
传感检测技术 信息处理技术
自动控制技术 伺服传动技术 系统总体技术
机电一体 化技术
态性能方面有更高的要求。
1.3 机电一体化系统的相关技术
机电一体化系统主要包括六方面相关技术：
机械技术
传感检测技术
是机电一体化系统的感觉器官， 实现自动控制、自动调节等功能，其 功能强弱表征了系统自动化程度的高 低。研究内容包括：
由机械、电磁、电液等机构组成，根据控制信息和指令完成系统
需求的动作，实现输入能量向机械能的转换。
1.2 机电一体化系统的基本功能要素
驱动部分 在控制信息的作用下驱动各种执行机构完成各种动作和功能。 研究对象：执行元件及其驱动装臵 执行元件种类：电动、液压、气压 驱动装臵：各种电动机的驱动电源电路 控制与信息处理部分 是机电一体化系统的核心部分，完成对来自各传感器检测信号和 外部命令的集中、存储、分析和处理，并发出相应的控制信号。一般 由计算机、PLC、数控装臵、逻辑电路、A/D或D/A转换、I/O接口等 组成。
总体方 案设计
样机试 制与试 验
正常
生产
思考
根据机电一体化技术的发展历史，你认为未来该 领域的发展方向？
作业：
1、什么是机电一体化？
2、一个典型的机电一体化系统，应包含哪些几个基本要素,它
们之间的组成关系是什么？
新奥迪Q3汽车生产线
激光打印机
1.1 机电一体化的定义
机电一体化是机电一体化技术及其产品的统称，它是以机械 学、电子学和信息科学为主的多门技术学科在机电产品发展过程
中相互交叉、相互渗透而形成的一门新兴边缘性技术学科。
机电一体化的三重含义： 是机械学、电子学与信息科学等学科相互融合而形成的学科 ； 是一个发展中的概念 ；
1.2 机电一体化系统的基本功能要素
传感检测部分 对运行过程中所需要的系统自身和外界环境各种参数及运行状态 进行检测，并产生相应的反馈控制信息——传感器和专用仪器仪表。 研究对象：传感器及其信号检测装臵（即变送器） 作 用：感受器官、反馈环节。
要
求：快速、精确获得信息并在相应的应用环境中具有高可靠性。 执行部分
预备知识
（1）具有电路分析、电子技术的基本知识； （2）具有机械基础、机械加工、机械设计的基础知识； （3）具有常用机电设备、机电产品结构、工作原理的知识； （4）具有常用机电一体化系统安装、使用、维护的基本知识； （5）具有设计中等复杂程度的机电一体化系统的基本知识；
学习目标
重点:掌握机电一体化的概念 掌握机电一体化相关技术及其内容; 掌握机电一体化技术方向