机电系统分析与设计 总的

技术、矢量变换技术等。气动和液动中，各元件都存在提高性能、可靠
性、标准化以及减轻重量、小型化等方面的问题。 此外，希望执行元件满足小型、重量轻和输出功率大等三个方面的
要求，以及提高其对环境的适应性和可靠性。
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研究的问题
（1）提高机电转换部件的精度、可靠性及快速响应性；
（2）提高直流伺服电机的性能（高分辨率、高灵敏度）；
处理的硬件包括输入/输出设备、显示器、磁盘、计算机、可 编程控制器和数控装臵等。信息处理是否正确及时，直接影 响机电一体化产品的效率和质量，因而成为机电一体化产品 的关键技术。
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需研究的问题有 （1）提高大规模集成电路（包括微机芯片和专用集成电路）的制造工艺 水平，保证产品的可靠性，降低成本； （2）提高I/O、A/D、D/A转换的速度和可靠性； （3）开发高速处理技术（如开发高速运算的微处理器和高速处理图像技 术）； （4）通信与传递（包括联机、信道分配、传递速率等）； （5）加速软盘机、可编程控制器、微机的标准化，提高维修性； （6）在信息处理部分加上自动诊断功能，在人机接口设备上，利用声音 或图像识别等方式实现信息处理的智能化，柔性自动化仿真技术。
前
言
学习本课程的目的 本课程的主要内容
教学方法
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第一节 学习本课程的目的

现代机械工业发展对机械设计类人才的要求

学习本课程的作用
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自从二十世纪中期以来，也就是从1950年以来，
随着工业控制系统、工程材料科学以及计算机技术的
发展，机械设备的研究重点转向了大型复杂系统以及
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微机电一体化的应用前景还有，在生物医疗中，将带有特种传感
器的微型机器人，用口服或皮下注射法送入人体，就可把体内的五脏
六腑进行直接有效的监测，进行体内摄像及电视图像传递。在食品加 工中把微型机器人放入鱼体，可把鱼体上骨头全面清除。
以上介绍了微机电一体化产品信息，大家可能会问：这么小的产
微型气缸、微型涡轮、微型剪刀、分子扳手、分子夹具、微
光学器件、微型通道冷却器，微齿轮机件、微型传感器、微 接口器件。其中上海交大研制成功的微型摄子控制精度小于
1微米，可摄取分子团。微金属齿轮直径只有100微米，微型
弹簧长度仅有45微米。
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单件可动产品：有各种组件式微型阀门，微型开关、微机械泵、毫米
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4）微机械光学器件。 即利用MEMS技术制作的光学元件及器件，主要有微镜阵列、微光扫描器、微 光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微可变焦透镜、微外腔激光器、光编码器 等。
（5）真空微电子器件。
它是微电子技术、MEMS技术和真空电子学发展的产物，具有极快的开关速度、
非常好的抗辐照能力和极佳的温度特性。目前主要应用如场发射显示器、场发射照 明器件、真空微电子毫米波器件、真空微电子传感器等。 （6）电力电子器件。 主要包括MEMS技术制作的垂直导电型MOS（VMOS）器件、V型槽垂直导电 型MOS（VVMOS）器件等各类高压大电流器件 （7）微小型机器人。
主要有以下几大类：
（1）微传感器。 传感器是应用最广泛也是最成熟的MEMS，包括敏感和检测力
学量、磁学量、热学量、化学量和生物量等的传感器。每一类又可
以细分为多种，例如微加速度计等传感器。 （2）微执行器。 主要包括微电机、微陀螺、微泵、微进给装置等 （3）微型构件。 三维微型构件主要包括微膜、微梁、微探针、微齿轮、微弹簧、 微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等。
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世界上最小的机器人 一大群被遥控的蟑螂般大小的机器坦克，蜂拥着 从下水管道和通风口进入一幢办公楼，你能想象出这样的情景吗？只 要给它们安装上合适的传感器、摄像头和通讯装置，这些微型坦克就 可以在人类难以亲临的地方搜寻出化学武器、地雷或是炸弹。它们也 可被用来寻找某一场事故后的幸存者或者跟踪人的活动。 这些构想很可能将变成现实，而这一切都要归功于美国桑迪亚国 家实验室的埃德· 海勒和他的同事们。这个研究小组最近向人们展示了 可能是迄今为止世界上最小的机器人，他们说它“可以在五分的硬币 上停靠，而在一角的硬币上转弯。这种机器人是桑迪亚实验室研制的 微型机器人系列中最新的。为了使它比它的前辈们更小，科学家们采 取了一种新的技术来把各种电子元件组装在一起，这包括重新设计轮 子和使用不同的机身材料。这样造出的机器人体积只有四分之一立方 英寸，重量也不超过一盎司。 由于采用了像坦克一样的履带，所以机器人的两侧各配有一个马 达，由三粒钮扣电池供电，以便它能自由移动。它还装有一个带8K只 读内存的处理器和一只温度传感器，这也是它与众不同之处。在测试 中，这种微型机器人以每分钟大约20英寸的速度，成功的在遥控下通 过了用零钱搭起的障碍路段。科学家们还计划进一步提高它的性能， 比如考虑为它安上微型的摄像头、麦克风、通讯装置和微型化学物质 感应器。
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伺服驱动技术
伺服驱动技术主要是执行元件中的一些技术问题,，伺服驱动包括电 动、气动、液动等各种类型。伺服驱动技术对产品质量产生直接影响。 在机电一体化产品（系统）中，对机电转换部件，如电磁螺旋管、 电动机、液压马达等执行元件的精度要求更高、可靠性更好，响应速度 更快；对直流伺服电动机，要求控制性能更好（高分辨率、高灵敏度）、 速度和扭矩特性更稳定，交流调速系统的难点在于变频调速、电子逆变
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自动控制技术
包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、
校正、补偿、再现、检索等技术。这些都是机电一体化技术
中十分重要的关键技术。其技术难点是现代控制理论的工程 化与实用化，以及优化控制模型的建立等。需研究的问题有： （1）多功能、全功能数控技术与装臵（包括多轴联动CNC 等）； （2）分级控制系统； （3）复杂控制系统的模拟仿真； （4）智能控制技术； （5）自诊断监控技术及容错技术等。
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机器人直径1毫米、长4毫米，体形是目前世界上最小的。 这种机器人可以进入人的血管并将药物送往人体各处。 这种机器人在血管中运动时是在“爬行”而不是在“游 泳”，这也让它在血管中的运动更容易控制。 机器人自身并不携带电池，其动力来源于外部磁场激发 的振动。正因为其能量全部来自外部，这种机器人不仅 能够在人的控制下无时限地在人体内工作，而且这样的 设计还让科学家得以最大限度缩小机器人的尺寸。 在微创手术以及治疗癌症用的近接疗法中，这种机器人 可以作为投送药物的工具，解决如何将药物精确施于需 要治疗部位的问题。
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机电一体化的共性关键技术
检测传感技术 信息处理技术 自动控制技术 伺服驱动技术 精密机械技术 系统总体技术
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检测传感技术
检测传感器的检测对象有温度、压力、位移、速度、加速 度、力和力矩等物理量及物品的几何参数等，其检测精度的高
低直接影响到机电一体化产品的性能好坏。因此，要求检测传
级钟表机械和空气透平。一张普通邮票大小的面积可容纳6万件齿轮及 其它活动装臵，其中微型轴承直径0.06mm，金属微静电马达，转子直
径100微米。
整机动能产品：有各类机电一体化医疗产品，微机电数控装臵、智能 检测装臵、仿生产品和食品加工产品，其中微型机器人也是攻坚产品。
据报道，世界上现今最小的机器人由日本精工爱普生公司推出，外形尺
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MEMS技术的应用范围广泛，MEMS技术是一种典型
的多学科交叉的前沿研究领域，几乎涉及到自然科学
及工程技术的所有领域，如电子技术、机械技术、物 理学、化学、生物医学、材料科学和能源科学等。与 不同的技术结合，往往便会产生一种新型的MEMS 器 件。
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目前，除了进行信号处理的集成电路部件以外，微机电系统的应用
品是如何加工出来的？这主要是靠微机械制造技术，微机械制造技术 并不是简单地将大尺寸的机械按比例缩小。它是具有创新内涵的机械
加工尖端技术，它超越传统机械领域，其加工工艺与传统的机械加工
截然不同，传统的机械加工采用车、钳、铣等加工手段，而微型机械 本体的制造必须采用高精度特殊加工，其特点和要求有：
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Hale Waihona Puke Baidu
美国：迄今最小的机器人苍蝇首次试飞 2002年11月，美国加州大学伯克利分校的科学家们宣称，他们已 经利用仿生学原理制造出了世界上第一只能飞翔的“机器蝇”。 苍蝇个头虽小，却能以40公里的时速飞行；如果发现情况， 能在3％秒的瞬间迅速起飞；苍蝇飞行一整天却只消耗食物1/10克。 加州大学伯克利分校的一位生物学家说：“苍蝇在所有飞虫中， 飞行最稳定，机动性能最佳的。在动物世界，苍蝇就是喷气式战 斗机。” 加州大学展示的这只机器蝇名叫“黑寡妇”，重量只有100毫克， 身高不到3厘米。该项目负责人马特· 金侬介绍说：“它在100米上 空飞行，人们用肉眼几乎发现不了它，而它却可以拍出极为清晰 的照片传回。”不过科学家表示，目前这只机器蝇飞得太快，不 能自行控制方向。而他们理想中的机器蝇则应该飞得快慢自如， 可以随时变换方向，而且会自行判断周围情况，躲在不为人知的 角落。
寸10.3mm*8.5mm*8.6mm，体积为0.5cm3，重量为3.5克，小小机器人 配有超微型驱动芯片，其眼部装有光传感器，体内由98个微型机械元件
组成，当它受到光照后，会象虫子一样以2.1~16.8mm/s的速度向着光源
方向爬行。
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2007年7月20日，在日本首都东京，日本一玩 具公司的职员操作该公司推出的人形步行机器 人i-SOBOT。 该机器人在中国东莞生产，身高16.5厘米，重 约350克，可行走，跳舞，接收10种语言的命令， 做出200多种动作，说出约180个短语，搭载有 约90种背景音乐，并于2007年6月被吉尼斯世界 纪录认定为目前世界上最小的量产化人形步行 机器人。
“三高一化”的方向上，其特点是各个学科在自身发
展基础上相互交叉和综合，由此引起了新学科的产生
和新技术的进步，这里最明显的标志是机械科技与微
电子技术、计算机技术、信息处理技术的紧密融合，
向机电一体化的方向发展。
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机电一体化的含义 机电一体化：机械、电子、计算机、自动控制 等技术有机结合的综合技术。 机电一体化的分类
感器具有高精度、高灵敏度和高可靠性。需研究的问题有： （1）提高各种敏感材料和元件的灵敏度及可靠度； （2）改进传感器结构，开发温度与湿度、视觉与触觉同时存 在的复合传感器等；
（3）研究在线检测技术，提高抗干扰能力；
（4）研究具有自动诊断与自动补偿功能的传感器等。
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信息处理技术
包括信息的输入、变换、运算、存储和输出技术。信息
它按照尺寸大小来分：微机电一体化产品和机电 一体化产品。微机电一体化产品泛指几何尺寸不超过 1cm3的机电一体化产品，最小体积大小的远期目标 向纳米、微米范畴定位。
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微机电一体化研究的兴起，标志着人类对微观领域探索研
究迈出了新的一步，早在1987年，美国加利福尼亚大学伯克
利分校两名中国留学生采用单晶硅制成了转子直径150微米的 微型电机，在全世界引起轰动，并因此奠定了微电子机械这 门学科。我国从1990年开始，微机电一体化研究从早期的单 件静止产品，继而向单件可动型产品发展。 单件静止产品：微机电一体化的静止产品有各类微型滑块、
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特种材料
微机械加工机理基于从半导体集成电路微细加工工艺中发展起来的平面 加工技术和三维立体加工技术。其加工用材主要有各种硅体（单晶硅、多晶 硅）、石英、金刚石、压电陶瓷、记忆合金和稀有金属等。
基底集成 微机械装臵经加工后和微电子电路集成，如：把微电子芯片、微型传感 器、微接口装臵和微型执行机构等都集成作在一微小机板上，实现机电一体 化。 特殊工艺 采用超精密技术，它包括光刻技术和刻蚀技术两大部分，其中光刻技术 是微细加工技术的核心，通常采用聚焦X射线集束射在覆有抗涂层的加工硅 基表面，经爆光生成微机械零部件的几何外形。然后再腐蚀成型、淀积外延、 链合连接等手段加工。此外，在微型机械特殊加工还有电子束、电火花、激 光技术等。