机电一体化系统设计基础(001)

1.3 机电一体化的相关技术
6．系统总体技术 研究对象：整个机电一体化系统 机电一体化技术并非以上单元技术的简单
叠加，而要互相协调，互相融合。系统总体技 术是一种从整体目标出发，用系统论的观点和 方法，通过任务分解--单元方案--方案综合--分 析评价的反复过程，确定高性价比、高可靠性、 高可维性的技术方案。
是指机械系统与微电子系统相互有机结合 而构成的“新系统”，且赋予其新功能和新性 能的新一代产品。
1.2 机电一体化系统的基本组 成及功能要素
一个较完善的机电一体系统一般包括 以下五大基本要素： 机械本体 动力单元 传感检测单元 执行单元 控制及信息处理单元
1.2 机电一体化系统的基本组 成及功能要素
课程安排
1. 学时：40h(含8h实验) 2. 成绩评定：
平时20％＋实验10％＋考试70％
课程安排
3. 教材
机电一体化技术 徐洪吉等 国防工业出版社 （2005.3）
机电一体化设计基础 郑堤等 机械工业出版社 （1997.7）
机电一体化设计基础 朱喜林等 科学出版社 （2005.7）
机电一体化系统设计（第2版） 张建民等 高等教育出版社 （2001.8）
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
1.1机电一体化的含义
3）1981年，日本机械振兴协会经济研究所 提出:“机电一体化乃是在机械的主功能、 动力功能、信息与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。” 该定义被大家普遍接受。
1.1机电一体化的含义
➢ 美国
1984年，美国机械工程师协会（ASME）为 现代机械系统做了如下的定义：“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。”
3．变异性设计 是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改
变现有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有 所变更的要求。 例如由于传递扭矩或速比发生变换而重新设计 传动系统和结构尺寸的设计。
1.5 本书的目的和要求
本课程的目的是研究怎样利用系统工程和接口的观点，将执 行电动机、传感器、机械系统、微机控制系统、接口及控制 软件等机电一体化要素组成性能优良的、可靠的机电一体化 产品或系统。
传统机械产品（系统）中的复杂机械功能部件 或功能子系统，以弥补其不足。这种方法是改 造传统机械产品和开发新型产品常用的方法。
1.4 机电一体化系统设计的方法
2．整体设计法（创新法、融合法、结合法） 该方法的特点是在设计时要从系统的整体目标
考虑各子系统的设计，接口简单，系统互融一 体。这种方法主要用于全新产品的开发。 3．组合法（积木法） 该方法的特点是将用结合法制成的功能部件、 功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化 系统（产品）。在开发机电一体化系统时，应 用这种方法可以缩短设计与研制周期、节约工 装设备费用，且有利于生产管理、使用和维修。
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。
常用的伺服驱动有液压驱动、气压驱动、电 气驱动等。
近年，该技术发展较快，力矩电机、直线电 机、超声波电机等新型执行元件不断涌现，另 外气动伺服技术、电液比例伺服技术及新型液 压驱动技术都取得了很快发展。
1.3 机电一体化的相关技术
4．信息处理技术 研究对象：控制与信息处理单元 信息处理技术包括信息的交换、存取、运算等。
1.2 机电一体化系统的基本组 成及功能要素
3.控制与信息处理单元
将来自传感器的信息和外部输入命令进行 集中处理，根据处理结果，按照一定的规则发 出相应的控制信号，控制整个系统按要求实现 有序地运行。
它是机电一体化系统的核心单元，由硬件 和软件组成。
追求目标：高可靠性、高度集成、高智能 化和高柔性。
第1章 重点
1. 机电一体化的基本概念 2. 机电一体化的基本组成和功能要素 3. 机电一体化产品实例 4. 机电一体化的六大相关技术 5. 接口的分类及基本功能 6. 机电一体化系统设计的方法
1.2 机电一体化系统的基本组 成及功能要素
人机对话设备
控制
动力
单元
控制及信息 处理单元
信息
动力单元
系统总体技术还包括很多内容，例如接口 技术、软件开发等。
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
实现信息处理的主要工具是计算机。在机电产品中， 计算机与信息处理装置指挥整个系统的运行，信息 处理是否正确、及时，直接影响系统工作质量和效 率。
机电一体化系统中主要采用：可编程控制器，单、 多回路调节器，单片机，总线式工业控制机，分布 式计算机测控系统等进行信息处理。
1.3 机电一体化的相关技术
5．自动控制技术 研究对象：控制系统
按照该思想，凡是由各种现代高新技术 与机械和电子技术相互结合而形成的各种 技术、产品或系统，都应属于机电一体化 范畴，如机电液一体化、机电光一体化等。
1.1机电一体化的含义
3.机电一体化的内容
（1）机电一体化技术
是指包括技术基础、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。
（2）机电一体化产品（系统）
传感 检测
控制及 信息处
执行
单元
理单元
单元
输出
驱能
机械 本体
信号
传感检 测 单元
系统 参数
动量 力 执行单元
外界 参数
接口、软件
例：数控铣床功能原理设计 技术矩阵实现
1.4 机电一体化系统设计的方法
二、机电一体化产品的设计类型
1．开发性设计 是没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设
计原理和要求，设计出在质量和性能方面满足 目的要求的产品或系统。最初的录像机、摄像 机的设计。
1.4 机电一体化系统设计的方法
2．适应性设计 是在总的方案原理基本保持不变的情况下，对
Fra Baidu bibliotek 1.1机电一体化的含义
1 名称的由来
Mechatronics = Mechanics + Electronics
1971年，日本，“机械设计”杂志副 刊
1.1机电一体化的含义
2 机电一体化的定义
➢ 日本
1）学者渡边茂提出：“机电一体化是机械工程 中采用微电子技术的体现。”
2）日本富士通法纳克公司技术管理部长小岛利 夫认为：“机电一体化是机械学与电子学有机 结合而提供的更为优越的一种技术。”
1.1机电一体化的含义
➢ 中国
1）有人认为机电一体化是“机电一体化技术 及其产品的统称。” 2）有人将柔性制造系统(FMS)和计算机集成制 造系统(CIMS)等自动化生产线和自动化生产工 程也包括在内，这是对机电一体化含义的延拓。
1.1机电一体化的含义
以上说法角度不同，侧重点不同，但都 强调机与电有机结合的思想。
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。
1.2 机电一体化系统的基本组 成及功能要素
2.传感检测单元 在系统运行中对系统本身和外界环境的各种
参数及状态进行检测，并把被检测信号转换成 可用的输出信号（电压、电流、频率和脉冲 等），传输到控制信息处理单元。
组成：传感器和信号检测电路。 追求目标：高精度、抗干扰、环境适应性强、 体积小、安装维护容易。
1.3 机电一体化的相关技术
1. 精密机械技术 精密机械技术是机电一体化的基础。 研究对象：执行单元和机械本体 为发挥机电产品的优势，对机械技术
提出了更高的要求，以满足机电产品减 少重量、缩小体积、提高精度和刚度， 改善性能的要求。
1.3 机电一体化的相关技术
2．传感检测技术 研究对象：传感检测单元 在一个自动控制系统中，首先要由传感器
5.执行单元 根据控制系统的控制信息和指令，完成要
求的动作。 组成：包括传动与操作机构。 发展目标：改善执行机构的工作性能（如
提高刚性，减轻重量，实现组件化、标准化和 系列化），以提高系统整体工作可靠性。
1.2 机电一体化系统的基本组 成及功能要素
总之，机电一体化产品的五个基本组成
要素之间并非彼此无关或简单拼凑、叠 加在一起，工作中它们各司其职，互相 补充、互相协调，共同完成所规定的功 能。 在结构上，各组成要素通过各种 接口及相关软件有机地结合在一起，构 成一个内部合理匹配、外部效能最佳的 完整产品。
目的：实现机电一体化系统的目标最佳化
理论基础是自动控制原理（经典控制理论、现代 控制理论和智能控制理论）。自动控制技术就是在此 理论指导下对具体控制系统进行设计，并进行系统仿 真及现场调试，使系统可靠地投入运行。
由于控制对象种类繁多，所以控制技术的内容极 其丰富，如速度控制、位置控制、温度控制、压力控 制和姿态控制等。目前自动控制技术的难点在于：模 型识别和控制理论的工程化。
本书学习的具体要求： 1.掌握机电一体化技术的基本概念、基本原理和基本知识。 2.掌握机电一体化技术中常用的机械传动装置、检测传感器、 控制电动机和计算机软硬件原理、结构、性能和应用。 3.掌握机电一体化技术中依据系统原理和广义接口对系统进 行模块分解和综合，进行计算机接口、电气接口和机械接口 的设计方法。
1.2 机电一体化系统的基本组 成及功能要素
4. 动力单元 在控制系统的控制下，为系统提供能量和
动力，驱动执行机构完成各种动作和功能。 组成：动力源、执行元件、驱动装置等 根据动力源的不同，执行元件可分为液压
式、气压式、电气式等类型。 追求目标：高效率、快速响应特性、高适
应性和可靠性。
1.2 机电一体化系统的基本组 成及功能要素
1）变换 2 ）放大 3）传递
在设计接口时要从系统原理的角度和系统工程 出发，设计的接口要利于整个系统实现，使各要素 或子系统连接成为一个有机整体，使各个功能环节 有目的地协调一致运动，从而形成机电一体化的系 统工程。
1.4 机电一体化系统设计的方法
一、机电一体化系统设计的方法
1．取代法（改造法、机电互补法） 该方法的特点是利用通用或专用电子部件取代
人体五大要素与机电一体化产 品五大要素的对应关系
动力 单元
(内脏)
(感官)
传感 检测
单元
控制及 信息处 理单元
执行 (手足)
单元
(大脑)
机械
本体 (骨骼)
机电一体化系统五大要素实例
1.3 机电一体化的相关技术
机电一体化是多学科技术领域综合交叉的 技术密集型系统工程，主要相关技术可以归 纳为六个方面： 精密机械技术 传感检测技术 伺服驱动技术 信息处理技术 自动控制技术 系统总体技术