第一章概述机电一体化概论

1.1 机电一体化的基本概念
机电一体化（mechatronics)技术是微电子技术向传统 机械工业渗透过程中逐渐形成的一门新的技术学科。
机电一体化技术就是利用电子、信息（包括传感器、控 制、计算机等）技术使机械柔性化和智能化的技术。或 者说：机电一体化是机械的主功能、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。
传感检测技术 信息处理技术 自动控制技术 伺服驱动技术 精密机械技术
传感检测技术
工作过程中的各种参数、工作状态与工作过程有 关的相应信息都要通过传感器进行接收，并通过 相应的信号检测装置进行测量，然后送入信息处 理装置，或反馈给控制装置，以实现产品工作过 程的自动控制。（快速、准确获取信息，并且不 受外部条件，环境的影响，同时它本身能够不失 真地对信息进行放大、输送和转换）。
机电一体化系统设计
教材
1. 课件，笔记 2.黄筱调. 机电一体化技术基础与应用. 机械
工业出版社，2011 3.秦曾煌. 电工学（下册，电子技术）. 高等
教育出版社, 2004 4.Paul Horowitz. 电子学. 电子工业出版
社,2005
第1章 概论
1.1 机电一体化的基本概念 1.2 机电一体化系统的作用与特点 1.3 机电一体化系统的基本构成 1.4 机电一体化系统的理论基础与关键技术 1.5 机电一体化的发展
1.3 机电一体化系统的基本构成
① 机械装置：能够实现某种运动的机构（相当于人的 骨骼）
② 执行装置：驱动机械装置运动的部分（人的肌肉） ③ 能源：为执行装置提供能量的部分（人的内脏） ④ 传感器：检测机械运动（五官） ⑤ 计算机：运动控制的计算和判断（神经和大脑）
1.4 机电一体化理论基础与关键技术
从机电一体化的概念可见，它是机械技术、微电子技术、 信息技术等多学科技术为一体的交叉学科，它具有自己 的技术基础、设计理论和研究方法（非每门学科的简单 组合）。
焊接机器人
数控机床
火星探测机器人
矿井救援机器人
步行机器人
日本本田公司研制的仿人机器人 ASIMO，是目前最先进的仿人行走 机器人。ASIMO身高1.3米，体重 48公斤。它的行走速度是0-9km/h。 早期的机器人如果直线行走时突 然转向，必须先停下来，看起来 比较笨拙。而ASIMO就灵活得多， 它可以实时预测下一个动作并提 前改变重心，因此可以行走自如， 进行诸如“8”字形行走、下台阶、 弯腰等各项“复杂”动作。此外， ASIMO还可以握手、挥手，甚至可 以随着音乐翩翩起舞
系统论、信息论、控制论是机电一体化的理论 基础。而微电子技术（特别是微型计算机技 术）、精密机械技术是其技术基础。
1.4.1 机电一体化的学科
按照上述机电一体化一词的定义，机械工程学科和电子工 程学科是机电一体化的两个支柱。但除此之外，机电一体 化还是控制工程和信息工程学科等的多学科综合技术。图 1.6是机电一体化的学科和技术。
信息处理技术
是指在机电一体化产品工作过程中，与工作过 程各种参数和状态以及自动控制有关的信息输 入、识别、变换、运算、存储、输出和决策分 析等技术。
实现信息处理技术的主要工具是计算机。包括 硬件和软件技术、网络通信技术、数据处理技 术以及数据库技术。其中数据处理是产品的核 心，包括人工智能、专家系统、神经网络技术 等。
*测试技术 *传感技术 *系统工程学
*生产工程学
控制信息工程学
机
械
工
*机械力学
程
*机构学 *材料力学
学
机
电
电
子
一
工
体
程
化
学
*液压与气动
*精密加工
*机械零件与机械设计
*计算机工程学 *信息处理 *通信工程学
*电子电路 *电气工程学 *微电子学 *光学 *机器人工程学
1.4.2 机电一体化系统的关键技术
机电一体化产品
1.原来由机械实现动作的装置
发条式钟表 手动照相机 机械式缝纫机 手动（机械式）游戏机 机械式调速器
与电子技术相结合实现动作的装置
石英钟表 自动调焦照相机 电动（电子式）缝纫机 电动（电子式）游戏机 电子式调速器
发条式钟表
数字式钟表
瓦特速度调节器
电子式调速器
机电一体化产品
2.原来由人来判断决定动作的装置
1.2 机电一体化系统的作用与特点
机电一体化的特点
柔性化：机电一体化产品既能够像动物一样灵活动作， 又能够像人类一样思考判断。
智能化：利用传感器检测机械运动，将检测信息输入 计算机，经过计算得到能够实现预期运动的 控制信息，由此来控制执行装置，而计算依 据就是利用自动控制理论来研究开发计算机 软件，而不是用螺栓和螺母来重新组装机械， 只是通过控制理论修改程序就可灵活地改变 机械运动，实现新的功能。
现代控制技术主要以状态空间为基础，研究多输入、 多输出、变参量、非线性、高精度、高效能等控制系 统的分析与设计问题。
伺服驱动技术
系统中执行元件和驱动装置的技术问题。执行元 件：电动、气动和液压等，最主要是电动式执行 元件。驱动装置：各种电动机的驱动电源电路， 主要是电力电子器件及集成化的功能电路。
无人操作的装置
自动售货机、银行等部门使用的自动出纳机（ ）、 车票自动售Leabharlann Baidu机、自动检票机、邮局的自动分检机、无 人仓库的出库机、船舶及飞机的自动导航装置等等
机电一体化产品
3.按照人编制的程序来实现灵活动作的装置 数控 机床、工业机器人、智能机器人及其 他各种机器人
机电一体化系统的作用与特点
作用: 采样机电一体化技术可以使产品达到以下效果 1. 使产品具有原来所不具备的功能（功能多元化）。 2. 产品的柔性增强（flexibility）. 3. 操作性得到改善。 4. 使产品的体积小，重量轻。 5. 可靠性增强。节能性更好。 6. 成本降低。
自动控制技术
所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，通 过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运 行。
自动控制技术主要研究控制原理，包括控制规律、分 析方法和系统过程等。主要以传递函数为基础，研究 单输入、单输出、线性自动控制系统的分析与设计问 题，这些都属于经典控制技术，而且日趋成熟，在工 程上已成功解决了很多实际问题。