机电一体化系统的基本概念和基本构成,共性关键技术,以及发展

1.机电一体化系统的设计思想与方法 一、机和电融合的设计思想 二、系统的设计思想 三、注重创新的设计思想
2.机电系统总体设计方案的过程
规划阶段 可行性研究 报告、任务书 原理方案图、结构设 计图、总装图 零、部件工作 图、设计技术文件 用户对产 品的需求 总体设 计关键
总体阶段
Leabharlann Baidu
详细施工阶段
绘制生产图纸、 设计说明书、 使用说明书、 明细表
处理、运算、决策，实现控制功能。 要求：高可靠性、柔性、智能化
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
构成机电一体化系统与人体的对应部分及相应功能的关系
1.3 共性关键技术

精密机械技术；信息处理技术；自动控制技术； 检测传感技术；伺服驱动技术；系统总体技术
3. 自动控制技术范围很广，机电系统设计在基本控制 理论指导下，对具体控制装置或控制系统进行设计；对设 计后的系统进行仿真和现场调试，最后使研制的系统可靠 地投入运行。控制系统是指由被控对象和控制装置所构成 的，能够对被控对象的工作状态进行调节、使之具有一定 的状态和性能的系统。
4. 传感与检测装置是系统的感受器官，它与信息系 统的输入端相连并将检测到的信息输送到信息处理部分。 传感与检测是实现自动控制、自动调节的关键环节，它的 功能越强，系统的自动化程度就越高。传感与检测的关键 元件是传感器。 5. 伺服驱动包括电动、气动、液压等各种类型的驱动 装置，由微型计算机通过接口与这些传动装置相连接，控 制它们的运动，带动工作机械作回转、直线以及其他各种 复杂的运动。 驱动装置主要指各种电动机的驱动电源电路。

机电一体化一般包含机电一体化产品(系统)和机电一 体化技术两层含义。 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。 机电一体化技术：机电一体化不是机械与电子简单的 叠加从系统的观点出发，将机械技术 、微电子技术、信 息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合， 以实现整个系统最佳化的一门新科学技术。
1.1
机电一体化系统的基本概念
1、概念的提出
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.
Mechatronics
Mechanics
Electronics
2、定义
从系统的观点出发，机电一体化技术是将机械技术 、微电子 技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以 综合，以实现整个系统最佳化的一门新科学技术。 在机械主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引入微 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 是机械工程、电子学和智能控制算法在产品设计和制造中 的协同整合。
1. 与传统的机械产品的区别：机械结构更简单、 机械功能更强、性能更优越。现代机械要求具有更新 颖的结构、更小的体积、更轻的重量，还要求精度更 高、刚度更大、动态性能更好。
2. 信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判 断和决策，实现信息处理的工具是计算机，因此计算机技 术与信息处理技术是密切相关的。计算机技术包括计算机 的软件技术和硬件技术，网络与通信技术，数据技术等。

绿色化：机电一体化产品的绿色化是指，使用时不污染生态 环境，报废后能回收利用。 人格化：机电一体化的人格化有两层含义。一层是，机电一 体化产品的最终使用对象是人，如何赋予机电一体化产品人 的智能 情感 人性显得越来越重要，另一层是模仿生物机理， 研制各种机电一体化产品。

机电一体化系统设计
所谓的系统设计,就是用系统思维综合运用各 有关学科的知识、技术和经验,在系统分析的基础 上,通过总体研究和详细设计,实现满足设计目标 的产品研发过程。系统设计的基本原则是使设计 工作获得最优化效果,在保证目的功能要求与适当 使用寿命的前提下不断降低成本。 系统设计的过程就是“目标—功能—结构—效果” 的多次分析与综合的过程。综合可理解为各种解 决问题要素的拼合的模型化过程,这是一种高度的 创造行为。分析是综合的反行为，也是提高综合 水平的必要手段

1、功能分解
必要功能 功能 非必要功能
基本功能 附加功能



工程设计中常用的的方法是“黑箱法” 1、黑箱法的基本原理：
将所要实现给定功能的机电系统看作为一个未知 内部功能结构、功能载体的“黑箱”，通过对输入量 和输出量的分析，逐步掌握输入和输出的基本特征和 转换关系，寻求能实现这种基本特征和转换关系的工 已知 黑色 白化 功能载体求解即： 未知 作原理和功能载体。
机电一体化技术
天津工业大学机电系 主讲教师: 耿冬寒
2010年9月
参考书目

《机电一体化技术与系统》机械工业出版社 梁景凯等 《机电一体化控制技术与系统》 西安电子科技大学出 版社 计时鸣 《机电一体化设计基础》 科学出版社 朱喜林等 《机电一体化技术》科学出版社，李建勇

第一章 绪论
1.1 机电一体化系统的基本概念 1.2 机电一体化系统的基本构成 1.3 机电一体化共性关键技术 1.4 机电一体化技术发展
机电一体化技术发展方向
1、智能化 2、微型化 3、模块化 4、 网络化 5 人格化
6、 绿色化

智能化：智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要方向。 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新思想、新方法，模 拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维和自主决策等能力， 以求得到更高的控制目标。主要体现在诊断过程的智能化，人 机接口的智能化，自动编程的智能化，加工过程的智能化。 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，以便各部件、单元的匹配和接口。由于利益冲 突，近期很难制定国际或国内这方面的标准，但可以通过组建 一些大企业逐渐形成。显然，从电气产品的标准化、系列化带 来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元的企业 还是对生产机电一体化产品的企业，规模化将给机电一体化企 业带来美好的前程。
总功能 Ⅰ层
1
2
3
Ⅱ层
1.1
1.2
1.3
3.1
3.2
Ⅲ层
1.2.1
1.2.2
3.1.1
3.1.2
功能结构示意图

最小的基本分功能或满足功能要求的最小单位称 之为功能元 物理功能元：变换、合并分离、传导隔阻、储存 逻辑功能元：与、或、非 数学功能元：加、减、乘、除、乘方、开方、微 分、积分 2、功能元实施原理方案的选择 各种功能实施的基础：以自然科学原理为基础 的技术效应，例如以物理学为主要技术基础的力 学、机械学、电学、磁学、光学等原理广泛应用 于工程技术的各个领域，即所谓的物理效应。 实施的要点：同一种功能可以用不同的技术效 应来实现，选出最佳的功能元实施原理方案.

详细表达输入和输出量 建立输入和输出间关系
寻找合适的实例
设定系统的总功能 进行总功能分解 寻找系统的功能解 评价与决策
例1：冲床的黑箱法表述
振动、噪声 板料 电能 成型工件
机械能、摩擦能
工作状态显示
冲床 （黑箱）
控制信号
温度、振动
二、功能结构分析
1、功能结构示意图和功能元 总功能 分功能
分功能的原理方案
6. 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，把功能和技术方案组成方案组进行分析、 评价和优选的综合应用技术。系统总体技术解决的是系统 的性能优化问题和组成要素之间的有机联系问题，即使各 个组成要素的性能和可靠性很好，但如果整个系统不能很 好协调，系统也很难正常运行。

机电一体化技术与传统机电技术的区别：传统机电技 术的操作控制主要通过具有电磁特性的各种电器来实现， 如继电器、接触器等，在设计中不考虑或很少考虑彼此间 的内在联系；机械本体和电气驱动界限分明，整个装置是 刚性的，不涉及软件和计算机控制。机电一体化技术以计 算机为控制中心，在设计过程中强调机械部件和电器部件 间的相互作用和影响，整个装置在计算机控制下具有一定 的智能性。 机电一体化技术与并行工程的区别：机电一体化技 术将机械技术、微电子技术、计算机技术、控制技术和检 测技术在设计和制造阶段就有机地结合在一起，十分注意 机械和其他部件之间的相互作用。而并行工程将上述各种 技术尽量在各自范围内齐头并进，只在不同技术内部进行 设计制造，最后通过简单叠加完成整体装置。


网络化：20世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网络 技术。机电一体化新产品一旦研制出来，只要其功能独到， 质量可靠，很快就会畅销全球。由于网络的普及，基于网 络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终 端设备本身就是机电一体化产品。因此，机电一体化产品 无疑朝着网络化方向发展。

微型化：微型化兴起于20世纪80年代末，指的是机电一体 化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子 机械系统（MEMS），泛指几何尺寸不超过1cm的机电一 体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体 积小 、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等 方面具有不可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶颈在于 微机械技术，微机电一体化产品的加工采用精细加工技术， 即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。
调试生产阶段
工艺文件、样机试 制试验、鉴定文件
销售阶段
信息反馈、修改完善
一、市场调研 二、总体方案设计 三、详细设计 四、样机试制与试验 五、小批量生产 六、大批量生产


市场调研包括市场调查和市场预测。所谓 市场调查就是运用科学的方法，系统地、 全面地收集所设计产品市场需求和经销方 面的情况和资料，分析研究产品在供需双 方之间进行转移的状况和趋势，而市场预 测就是在市场调查的基础上，运用科学方 法和手段，根据历史资料和现状，通过定 性的经验分析或定量的科学计算，对市场 未来的不确定因素和条件做出预计、测算 和判断，为产品的方案设计提供依据。
伴生输出
黑 箱 法 的 表 达
物料 能量 信息
机电一体化产品 （黑箱）
物料′ 能量′ 信息′
伴生输入
物料：固体、液体、气体等任何物体； 能量：机械能、电能、热能、化学能、光 能等； 信息：数据、指示值、测量值、控制信号、 波形等。 物料的转换指如何将毛坯、半成品转换成 成品； 能量的转换指如何将其它形式的能量转换 成机械能或机械能变成其它形式能量； 信息的传输或转换指将物理量的测量和显 示、控制信号的传递等。 2、黑箱法求解方法 黑箱法求解过程就是黑箱白化的过程，步

1.4 机电一体化的发展
1). 20世纪60年代前为第一阶段，“萌芽阶段” 工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结合，以提高机械 产品的性能。但是由于电子技术的发展相对落后，使得机械与电子的结 合还没有得到广泛的应用。 2). 70年代到80年代为第二阶段，“蓬勃发展阶段” 计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了 技术基础。这个时期的特点是： mechatronics一词首先在日本被普遍接受，大约到20世纪80年代末期在 世界范围内得到比较广泛的承认。机电一体化技术和产品得到了极大发 展。各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。 3). 90年代后期开始为第三阶段，“智能化阶段” 光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中 崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支。对机电一体 化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋 势都进行了深入研究。
1.2 系统的基本组成
机械本体 动力与驱动装置
机电一体化系统
执行机构
传感与检测部分 控制与信息处理
1、机械本体
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、动力驱动 提供能量，转换成需要的形式，实现动力 和驱动功能。 要求：效率高、可靠性好
3、检测传感装置 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 4、控制与信息处理
一、市场调研
二、原理方案设计

1．产品方案构思 产品方案构思完成后，以方案图的形式将设计方案 表达出来。方案图应尽可能简洁明了，反映机电一 体化系统各组成部分的相互关系，同时应便于后面 的修改。 2．方案的评价对多种构思和多种方案进行筛选， 选择较好的可行方案进行分析组合和评价，从中再 选几个方案按照机电一体化系统设计评价原则和评 价方法进行深入的综合分析评价，最后确定实施方