机电一体化(张友旺)：第1章 概论

监视诊断功能，并采取安全联锁控制，过负荷和失控保护、
第 停 电对策，提高了设备的安全可靠性。 一 章 5 节约能源
目前我国各类电风扇年产量在200万台左右，如其调速器
和定时器用电子调速器和定时器(现常用电磁机械式) ，每台
概
风扇可节电5W以上，全年以用扇100天，每天开扇6h计，则 每年可节约用电量600万kW·h，还节省大批铜材和钢材。
第 靠运行等方面的内容。 一 4、伺服驱动技术 章 研究对象：执行元件及其驱动装置
执行元件种类：电动、液压、气压
概 驱动装置：各种执行元件的驱动电源电路
5、机械技术
实现机电一体化产品的主功能和构造功能，影响
论 系统的结构、重量、体积、刚性、可靠性等。
机 1.4 共性关键技术
电
一 6、系统总体技术
体
尼进行预报，一旦接近临界值时就自动调整切削用
量，这又可能出现永不颤振的机床，保证很高的生
概 产率和良好的加工表面。
论 2 操作改善
机 电
1.6 机电一体化对机械工业的影响
一 3 简化结构
体
化
第
一
章
概
论
机 电
1.6 机电一体化对机械工业的影响
一 4 提高可靠性
体 在提高电子元件质量、可靠性的前提下，机电一体化产 化 品可以提高耐久性，减少故障率。另一方面由于赋予其自动
第
一
章
概
论
机电系统五种内部功能构成 CNC机床内部功能构成
机
电
1.4 共性关键技术
一
体 化
1 检测传感技术
第
2 信息处理技术
一
3 自动控制技术
章
4 伺服驱动技术
5 机械技术
概
6 系统总体技术
论
机 1.4 共性关键技术
电
一 1、检测传感技术
体 研究对象：传感器及其信号检测装置（即变送器）
化 作用：感受器官、反馈环节。
一 4、电子控制单元
体 处理、运算、决策，实现控制功能。
化
第
要求：高可靠性、柔性、智能化。
一 5、执行机构 章 包括机械传动与
操作机构，接收控
制信息，完成要求
概 的动作，实现主功
能。
论
要求：高性能、 高精度、高效率
机
电
机电一体化系统具有的主要功能要素
一 体 化
主功能、信息功能、控制功能、动力功能、构 造功能。以及各子系统的匹配技术（核心）— 接 口技术。
1.5 机电一体化系统设计
一 六、小批量生产
体 化
产品的小批量生产阶段实际上是产品的试生产
试销售阶段。这一阶段的主要任务是跟踪调查产品
第 一 章
在市场上的情况，收集用户意见，发现产品在设计 和制造方面存在的问题，并反馈给设计、制造和质 量控制部门。
七、大批量生产
概 经过小批量试生产和试销售的考核，排除产品
设计和制造中存在的各种问题后，即可投入大批量 生产。
论
机
电
1.6 机电一体化对机械工业的影响
一 体 1 提高性能、扩展功能 化 今日的数控机床充分发挥计算机的威力，运用
第 时间序列分析和精度创成等理论建立数学模型。已 一 有可能实时预报包括随机误差在内的机床误差，然 章 后自动校正，从而达到前所未有的精度。采用对阻
第 要求：能快速、精确地获得信息并在相应的应用
一 章
环境中具有高可靠性。
2、信息处理技术
主要完成信息的转换、存取、运算、判断和决策
概 等.其主要工具是计算机。
传感器 A/D 计算机 D/A 执行装置
论
机 1.4 共性关键技术 电 一 3、控制技术 体 指系统软件方面的技术，主要以控制理论为指 化 导，对控制系统进行的设计、仿真、现场调试、可
概 方法 的总称,具体来说有相似设计法\模拟设计法
\有限元设计法\可靠性设计法\动态分析设计法\ 优化设计法)。
论
机 电 一、 机电一体化系统设计的一般原则
一 现代设计方法内涵的扩展(教材系统设计p18)
体 1) 计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）
化 2) 并行工程设计——全寿命周期设计
第 3) 虚拟产品设计与实现
一 ② 机电一体化在系统建模分析、设计和集成方法 章 以及学科体系和发展趋势两方面进行了深入研究。
③ 由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术
概
等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了 发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进
一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。
论
机
1.2 发展概况
第 落后，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。
一 章 2. 70年代到80年代末为第二阶段，“蓬勃发展阶”
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：
概 ①mechatronics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
1.1 基本概念
一 体 机电一体化一般包含机电一体化产品(系统) 化 和机电一体化技术两层含义。
第 典型的机电一体化产品(系统)：数控机床、
一 机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、
章 电子排版印刷系统、CAD／CAM系统等。
机电一体化中包含的关键技术在第四节中 概 详细介绍。
论
机
电
一
体
②机电一体化技术和产品得到了极大发展；
论 ③各国开始对机电一体化技术和产品给予很大的关注和支
持。
机 电
1.2 发展概况
一 3.90年代后期开始为第三阶段，“智能化阶段”
体 化
① 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
第 一体化和微机电一体化等新分支；
再如传统电焊机以电磁原理和手工操作为基础，即使是
一般的自动电焊机，也是简单的机械动作和相应的控制，耗
论 能多、效率低、质量不易保证。发展新颖的电子控制电源以
取代传统焊接电源，实现节能、高效、小型化、多样化。
机 电
1.7 机电一体化的发展趋势
一 1 智能化
体 智能化是机电一体化技术发展的一个重要方向。人工智能
和手段，根据历史资料和现状，通过定性的经验分
概 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
论 供依据。
机 电
1.5 机电一体化系统设计
一 三、总体方案设计
体
化 1．产品方案构思
第 一
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
电
一 体
相关技术的发展对机电一体化的促进
化
第
1. 数控机床的问世，写下了“机电一体化”历 史的第一页。
一
章
2. 微电子技术为“机电一体化‘’带来勃勃生
机。
概
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。
论
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。
一 1、机械本体
体 机身、框架、机械联接等产品支持机构，实现
化 构造功能。
第
要求：可靠、小型、美观
一 2、能源 章 提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能。
要求：效率高、可靠性好
概 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。
论
要求：体积小、精度高、抗干扰
机 电
1.3 机电一体化系统的构成
低 响应慢
机 电 一 体 化
第 一 章
概
论
系统内部功能的发展方向及评价内容
机 电
1.5 机电一体化系统设计
一 四、详细设计
体 化
详细设计是根据综合评价后确定的系统方案，从技术 上将其细节逐层全部展开，直至完成产品样机试制所需全
第 部技术图纸和技术文件的过程。
一 五、样机试制与试验 章
产的详细设计完成后，进入样机试制与试验阶段。根
化数
第控
一 章
铣
床
概
论
机 电 一 体 化
第 一 章
概
论
数控车床
机 电 一 体 化
第 一 章
概
焊接机器人
论
机 电 一 体 化
第 一 章
概
汽车防抱死系统(ABS)
论
机
电
1.2 发展概况
一 1. 20世纪60年代前为第一阶段，“萌芽阶段” 体 工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结
化 合，以提高机械产品的性能。但是由于电子技术的发展相对
化
在机电一体化的研究中日益得到重视，如机器人与数控机床 的智能化。 “智能化” 是基于控制理论，吸收人工智能、
1.1 基本概念
一
机电一体化技术：基于系统的观点，将
体 机械 、微电子、信息与控制等技术有机地加
化 以综合，实现整个系统最佳化的一门新科学
第 技术。
一
章
机电一体化不是机械
电子学
与电子简单的叠加，而 概 是在信息论、控制论和
机
械 机电一
学
体化
系统论的基础上有机结
合而建立起来的应用技术 论
信息与控 制科学
全寿命周期设计意味着，
一 4) 快速响应设计
设计产品不仅是设计产品的
章 5) 绿色环保产品设计
功能和结构，而且要设计产 品的规划、设计、生产、经
6) 反求设计
概 7) 网络协同合作设计
销、运行、使用、维修保养、 直到回收再用处置的全寿命 周期过程。
机电一体化设计方法与现代设计方法的融合是
论 优质、高效、快速实现机电一体化系统（产品）
据制造成本和性能试验的要求，制造几台样机供试验使用。
概 样机的试验分实验室试验和实际工况试验，考核样机的各
种性能指标是否满足设计要求及样机的可靠性。样机的性
能指标和可靠性不满足设计要求，要修改设计，重新制造
论 样机，重新试验。如样机的性能指标和可靠性满足设计要
求，则进入产品的小批量生产阶段。
机 电
系统总体技术是一种从整体目标出发，用系
化 统工程的观点和方法，将系统各个功能模块(包括
第 硬件和软件)有机的结合起来，以实现整体最优。
一 其重要或核心内容为接口技术。接口包括电气接
章 口、机械接口、人机接口
概
论
机
电
1.5 机电一体化系统设计
一
体 化
一、设计的一般原则
第
二、市场调研
一
三、总体方案设计
设计的有效方法和基本条件。
机 电
1.5 机电一体化系统设计
一 二、市场调研
体 化
市场调研包括市场调查和市场预测。所谓市场调
第 查就是运用科学的方法，系统地、全面地收集所设
一 计产品市场需求和经销方面的情况和资料，分析研
章 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
5）试制与调试
概
常用设计中考虑的方法(教材系统设计p13)
1) 机电互补法
论 2) 机电结合（融合）法
3) 机电组合法
机 电 一、 机电一体化系统设计的一般原则 一 体 常见的设计类型(教材系统设计p14) 化 1) 开发性设计
第 2) 适应性设计 一 3) 变异性设计
章
现代设计方法：
以计算机为辅助手段进行系统（产品）设计
体
化
第 一 章
系统（产品） 内部功能
主功能
评价参数
系统误差 抗干扰能力 废弃物输出 变换效率
系统（产品价值）
高
低
小
大
强
弱
少
多
高
低
动力功能
输入能量 能源
少 内装
多 外装
概
可控输入输出接口数
多
少
控制功能
(人工)操作动作数
少
多
构造功能
尺寸、重量 强度
小、轻 高
大、重 低
论
计测功能 或信息获取
精度 灵敏度
高 响应快
章
四、详细设计
五、样机试制与试验
概
六、小批量生产
七、大批量生产
论
机 电
一、 机电一体化系统设计的一般原则
一
体 化
原则
第
从规范性、通用性、耐环境性、
一 可靠性、经济性等多方面综合分析，
章 结合现代设计方法和手段，达到机电
一体化系统设计的三大目的省能源、
概 省资源、智能化，提高机电产品的附 加值和自动化程度。
机
电
1.3 机电一体化系统的构成
一
体
化
机械 部件
第
CNC
一
电机
章 位置、速
度反馈
位置、速
概
度检测单 元
数控机床伺服系统组成
论
机 电
1.3 机电一体化系统的构成
一
体
控制
化
第
信息 电子控制单元
能量
执行器
动力源
一
参数变
章
化信息
检测传
概
感部分
检测 参数
驱 动 力
机械本体
论
机 电
1.3 机电一体化系统的构成
章 后面的修改。
2．方案的评价
概
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
论 深入的综合分析评价，最后确定实施方案。
机
机电一体化系统的评价体系
电 一
将提高机电一体化产品/系统附加值的各项综合指标作 为评价体系的制定标准，即五大内部功能要素指标。
论
机 电
一、 机电一体化系统设计的一般原则
一 机电一体化系统的设计流程（p11）
体 1）根据目的和功能确定系统规格、性能指标
化
确定运动参数、动力参数、品质指标等基本性能指标。
第 一 章
还要考虑工艺性指标、人机工程学指标、美学指标、标准 化指标。 2）系统功能部件的划分和确定 3）接口设计
4）综合评价
机
电
一
体
机电一体化技术
化
第
一
章
中南大学机电工程学院 概
张友旺
论
机
电
第一章 概论
一
体 化
1.1 机电一体化基本概念
第
1.2 机电一体化发展概况
一 1.3 机电一体化系统的构成
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章
1.4 机电一体化共性关键技术
1.5 机电一体化系统设计
概 1.6 机电一体化对机械工业的影响
1.7 机电一体化的发展
论
机 电