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机电一体化技术,教师：罗新强 职称：高级讲师,第一章 机电一体化概论,机电一体化的发展及概念机电一体化的产生与发展 机电一体化的概念及理解机电一体化产品（系统）的分类机电一体化的意义机电一体化系统的组成及功能机电一体化的相关技术及发展趋式总结,机电一体化的产生与发展,例子1：机械式控制计算机数字控制,靠模（仿形）控制机械式,机电一体化的产生与发展,例子2：机械式控制计算机数字控制,靠模（仿形）控制机械液压式,机电一体化的产生与发展,例子3：机械式控制计算机数字控制,数控插补计算机数控式,机电一体化的产生与发展,例子4：机械式调速电子式调速,机械式调速器,瓦特,机电一体化的产生与发展,例子4：机械式调速电子式调速,电子式调速器,机电一体化的产生与发展,例子5：机械式计算电子式计算,机械式乘法计算器,手摇式机械计算器,机电一体化的产生与发展,例子5：机械式计算电子式计算,第一台机械式计算机,机电一体化的产生与发展,例子5：机械式计算电子式计算,第一台电子式计算机（ENIAC）,ENIAC(电子数字积分计算机，Electronic Numerical Integrator And Computer)。于1946年2月15日在美国诞生。占地面积170平方米，重达30吨，耗电量150千瓦。造价48万美元。由真空管、二极管、电阻器、电容器、继电器、开关等组成。每秒执行5000次加法或400次乘法，是手工计算的20万倍。,机电一体化的产生与发展,例子5：机械式计算电子式计算,第一台集成电路式计算机(PDP-8),机电一体化的产生与发展,例子5：机械式计算电子式计算,第一台带电池的笔记本电脑(1985，东芝),带旋转手写功能的笔记本电脑(IBM，X41T),总结,在机械系统中引入电子、计算机由电路、计算机实现机械的部分功能还引入了其他技术，如液压、控制等带来了很多好处(功能、体积、操控性、性价比等)分立电子元器件大规模集成电路系统越来越复杂，应该是一个系统工程,1、机电一体化技术机：机械 mechanic 电：微电子 electronic机电：mechatronics机电一体化技术：mechatronics technology,基本概念,机电一体化（Mechatronics）一词最早出现在1971年日本的机械设计杂志副刊上。后来随着机电一体化的发展而被广泛引用。我国通常称为“机械电子学”或“机电一体化”Mechatronics=Mechanics+Electronics一般认为，机电一体化是 以机械学、电子学和信息 科学为主的多门技术学科 在机电产品发展过程中相 互交叉、相互渗透而形成 的一门新兴边缘性技术学 科。,首先，机电一体化是机械学、电子学与信息科学等学科相互融合而形成的学科。其次，机电一体化是一个发展中的概念，早期的机电一体化就像其字面所表述的那样，主要强调机械与电子的结合，即将电子技术“溶入”到机械技术中而形成新的技术与产品。随着机电一体化技术的发展，以计算机技术、通信技术和控制技术为特征的信息技术（即所谓的“3C”技术）“渗透”到机械技术中，丰富了机电一体化的含义，现代的机电一体化不仅仅指机械、电子与信息技术的结合，还包括光（光学）机电一体化、机电气（气压）一体化、机电液（液压）一体化、机电仪（仪器仪表）一体化等；最后，机电一体化表达了技术之间相互结合的学术思想，强调各种技术在机电产品中的相互协调，以达到系统总体最优。换句话说，机电一体化是多种技术学科有机结合的产物，而不是它们的简单叠加。,内涵 机电一体化是一个综合的概念，包含了技术和产品两方面内容它首先是指机电一体化技术，其次是指机电一体化产品(系统)。机电一体化技术是从系统工程的观点出发，将机械、电子和信息等有关技术有机结合起来，以实现系统或产品整体最优的综合性技术。机电一体化技术主要包括技术原理和使机电一体化产品（或系统）得以实现、使用和发展的技术。机电一体化技术是一个技术群（族）的总称，包括检测传感技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、机械技术及系统总体技术等。机电一体化产品有时也称为机电一体化系统，它们是两个相近的概念，通常机电一体化产品指独立存在的机电结合产品，而机电一体化系统主要指依附于主产品的部件系统。,基本概念,机电一体化产品举例,1、家用电器 2、数控设备3、自动化生产线4、医疗仪器及设备,5、办公自动化设备6、航空航天设备7、汽车8、其它,数控机床、机器人、自动生产设备生产用机电一体化产品 柔性生产单元、自动组合生产单元 FMS、无人化工厂、CIMS 微机控制汽车、机车等交通运输工具运输、包装机电一体化产品 数控包装机 械及系统 数控运输机械及工程机械设备 自动仓库储存、销售用机电一体化产品 自动空调与制冷系统及设备 自动称量、分选、销售及现金处理系统 自动化办公设备社会服务性机电一体化产品 动力、医疗、环保及公共服务自动化设备 文教、体育、娱乐用机电一体化产品 微机或数控型耐用消费品家庭用机电一体化产品 炊事自动化机械 家庭用信息、服务设备 测试设备科研及过程控制用机电一体化产品 控制设备 信息处理系统农、林、牧、渔及其它民用机电一体化产品航空、航天、国防用武器装备等机电一体化产品,3、典型的机电一体化产品,1）数控机床 包括：数控车床 数控铣床 数控冲床等,数控车床,CAK系列,CKS系列,数控车床,数控铣床,三坐标立式数控铣床示意图,传统机床与数控机床的区别,1.提高精度2.提高生产效率3.减轻劳动强度4.有利于生产管理5.有利于产品更新改型,传统机床数控化改造,数 控 刀 具,数控机床加工的部分零件,数控机床的发展方向,高速化、精密化、高效能、系统化、复合化、绿色、可靠、自诊断,加工中心,例子,线切割,线切割,CT扫描仪,CT扫描仪,液压挖掘机,传真机、复印机,2）机器人,发展历程：第一代：示教再现机器人第二代：有感觉的机器人第三代：智能机器人,弧焊机器人,工业机器人,工业机器人,FANUC M-430iA 工业机器人正在做寿司工业机器人+仿真手,例子,焊接机器人,机器人在机械制造中的应用,加工机器人焊接机器人喷涂机器人装配机器人检测机器人净化机器人移动式机器人,汽车装配机器人,120公斤点焊 机器人,搬运 机器人,汽车加油机器人,导游机器人,机器人在其它方面的应用,水下扫雷机器人,我国研制的排爆机器人,消防机器人,救援机器人,典型的机电一体化系统机器人,1机械装置：手臂、手指、手臂的连接部分和机座。2驱动装置：驱动机械手臂、手指运动的电机、电磁铁等。3动力源：电源、液压源、气源。4传感检测装置：检测旋转角度和摆动角度的旋转编码器、测速度用的测速电机。5控制单元：计算机控制器。,焊接机器人,搬运机器人,电子行业点胶机器人,例子,典型的机电一体化系统汽车,汽车防抱死刹车系统(ABS，Anti-locked Braking System),典型的机电一体化系统汽车,机电一体化系统神六,机电一体化系统纳米机器人,可在毛细血管里工作的微型机器人,胶囊机器人-重庆,机电一体化产品的表现形式 1.机械的电子化（1）在原有机械系统的基础上采用微型计算机控制装置，使系统的性能提高，功能增强。例如，模糊控制洗衣机能根据衣物的洁净度自动控制洗涤过程，从而实现节水、节电、节时、节洗衣粉的功能；机床的数控化是另一个典型的例子。（2）用电子装置局部替代机械传动装置和机械控制装置，简化结构，增强控制灵活性。例如，数控机床的进给系统采用伺服系统，简化了传动链，提高了进给系统的动态性能；将传统电机的电刷用电子装置替代形成的无刷电机，具有性能可靠、结构简单、尺寸减小等优点。,基本概念,机电一体化产品的表现形式（3）用电子装置完全替代原来执行信息处理功能的机构，既减化了结构，又极大地丰富了信息传输的内容，提高了速度。例如，石英电子钟表、电子秤、按键式电话等。（4）用电子装置替代机械的主功能，形成特殊的加工能力。例如，电火花加工机床、线切割加工机床、激光加工机床等。2.机电技术完全融合形成新型机电一体化产品 生产机械中的激光快速成形机；信息机械中的传真机、打印机、复印机；检测机械中的CT（计算机断层扫描诊断装置）扫描诊断仪、扫描隧道显微镜等。,机电一体化技术的主要特征：整体结构最优化：在传统机械产品中，为了增加功能，或实现某一种控制规律，往往靠增加机械机构的办法来实现。如果采用机电一体化系统，可以从机械、电子、硬件、软件四个方面去实现同一种功能。系统控制智能化：这是机电一体化技术与传统的工业自动化技术最主要的区别之一。电子技术的引入，显著地改变了传统机械那种单纯靠操作人员，按照规定的工艺顺序频繁重复的工作状况。操作性能柔性化：计算机软件技术的引入，能使机电一体化系统的各个传动机构的动作通过预先给定的程序，一步一步地由电子系统来协调。在生产对象变更需要改变传动机构的动作规律时，无须改变其硬件机构，只要调整由一系列指令组成的软件，就可以达到预期的目的。,发展概况,发展概况,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。数控机（1952年），工业机器人（1959年）出现。2.70年代到80年代为第二阶段，“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：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。自动门，自动售货机，自动对焦相机出现。,发展概况,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。由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术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。,发展概况,1.数控机床的问世，写下了“机电一体化”历史的第一页。2.微电子技术为“机电一体化带来勃勃生机。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。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。,机电一体化的产生和发展的根本原因在于社会的发展和科学技术的进步。系统工程、控制论和信息技术是机电一体化的理论基础，也是机电一体化技术的方法论。微电子技术的发展，半导体大规模集成电路制造技术的进步，则为机电一体化技术奠定了物质基础。也就是说，机电一体化的产生既是机械技术与微电子技术发展的结果，又是系统工程、控制论和信息技术付诸实践的结果。科学技术的进步为机电一体化的产生和发展创造了条件，社会需求则为之提供了动力。反过来，机电体化的发展又不断促进科学技术的进步和社会需求。,第一节 机电一体化含义,一、机电一体化定义（重点）,从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、信息处理技术、控制理论、检测技术、电力电子技术、接口技术和系统总体技术等，加以综合，以实现整个系统最优化的一门学科交叉的新技术。,二、机电一体化目的 是使系统多功能化、高效率化、高可靠化、省材料省能源化，并使产品结构向轻、薄、短、小化方向发展，不断满足人们生活的多样化要求和生产的省力化、自动化要求。,三、机电一体化产品具有两方面内容,机电一体化技术机电一体化产品,四、机电一体化革命,机电一体化技术革命机电一体化革命的基础机、电、液一体化,五、机电一体化技术发展方向,复合化小型轻量化高速化移动化智能化层次化和系统化全盘化 全际化,六、机电一体化相关技术,机械本体 1、减轻重量2、提高刚度3、实现通用化、标准化、系统化4、提高系统整体的可靠化传感技术信息处理技术驱动技术接口技术软件技术,共性关键技术,1 检测传感技术2 信息处理技术3 自动控制技术4 伺服驱动技术5 机械技术6 系统总体技术,1、检测传感技术,作用：感受器官、反馈环节。,研究对象：传感器及其信号检测装置（即变送器）,要求：能快速、精确地获得信息并在相应的应用环境中具有高可靠性。,共性关键技术,2、信息处理技术,主要完成信息的交换、存取、运算、判断和决策等.其主要工具是计算机。计算机技术包括计算机硬件技术和软件技术、网络与通信技术、数据库技术等。计算机与信息处理装置指挥整个产品的运行，信息处理是否正确、及时，直接影响到产品工作的质量和效率。因此，计算机应用及信息处理技术已成为促进机电一体化技术和产品发展的最活跃的因素。信息处理的发展方向是提高信息处理的速度、可靠性和智能化程度。人工智能、专家系统、神经网络技术等都属于计算机与信息处理技术。,共性关键技术,主要完成信息的交换、存取、运算、判断和决策等.其主要工具是计算机。,共性关键技术,共性关键技术,3、自动控制技术,自动控制所依据的理论是自动控制原理（包括经典控制理论和现代控制理论），自动控制技术就是在此理论的指导下对具体控制装置或控制系统进行设计；设计后进行系统仿真，现场调试；最后使研制的系统可靠地投入运行。关于软件方面的技术，主要以控制理论为指导，对控制系统设计、仿真、现场调试、可靠运行等。自动控制技术的目的在于实现机电一体化系统的目标最佳化。机电一体化系统中的自动控制技术主要包括位置控制、速度控制、最优控制、自适应控制以及模糊控制、神经网络控制等。,4、伺服驱动技术,在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械运动部件按照指令的要求进行运动，并具有良好的动态性能。,研究对象：执行元件及其驱动装置执行元件种类：电动、液压、气压驱动装置：各种电动机的驱动电源电路 伺服驱动技术是直接执行操作的技术，对机电一体化产品的动态性能、稳态精度、控制质量等具有决定性的影响。常见的伺服驱动装置有电液马达、脉冲液压缸、步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。,共性关键技术,机械技术是机电一体化的基础，实现机电一体化产品的主功能和构造功能。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。为了满足这些要求，在设计和制造机械系统时，除了考虑静态、动态的刚度及热变形的问题外，还应考虑采用新型复合材料和新型结构以及新型的制造工艺和工艺装置，延长机械部分的使用寿命，提高关键零部件的精度，使零部件模块化、标准化、规格化，从而提高维修效率，减少停工时间。,5、机械技术,共性关键技术,6、系统总体技术 系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统工程的观点和方法，将系统各个功能模块有机的结合起来，以实现整体最优。系统总体技术所包含的内容很多，接口技术是其重要内容之一，机电一体化产品的各功能单元通过接口联接成一个有机的整体。接口包括电气接口、机械接口、人机接口。电气接口实现系统间电信号连接；机械接口则完成机械与机械部分、机械与电气装置部分的连接；人机接口提供了人与系统间的交互界面。系统总体技术是最能体现机电一体化设计特点的技术，其原理和方法还在不断地发展和完善之中。,共性关键技术,机电一体化的影响,1 提高性能、扩展功能 例如，过去精密机床采用的是机械校正，只能校正机床的系统误差，现在数控机床充分发挥计算机的威力，运用时间序列分析和精度创成等理论建立数学模型。已有可能实时预报包括随机误差在内的机床误差，然后自动校正，从而达到前所未有的精度。采用对阻尼进行预报，一旦接近临界值时就自动调整切削用量，保证很高的生产率与很高的加工表面光洁度。粗加工与精加工工序集成，深刻地改变了传统机床的结构布局，冲破了传统的机床按类别的划分。,机电一体化的影响,2 简化结构，减轻重量,由于机电一体化系境采用新型电子器件和传动技术代替笨重而复杂的机械变速传动，由微处理器控制的机电系统可方便地完成过去靠机械传动链和机构来实现的关联运动，从而使机电一体化产品体积减小，结构简化，重量减轻例如，数控精密插齿机可节省齿轮等传动零件30。一台现金出纳机用微处理器控制可取代几百个机械传动零件。3 节约能源，降低能耗 通过采用低能耗的驱动机构、最佳调节控制和提高能源利用率等措施机电体化产品和系统可以取得良好的节能效果。例如，在微型计算机的控制下，风机、水泵能够随工况变速运行，其节电率可达30；由于汽车电子点火器的点火时间和状态得到最佳控制，因而大大节约了耗油量。,4 提高安全性和可靠性 在提高电子元件质量、可靠性的前提下，机电一体化产品可以提高耐久性，减少故障率。另一方面由于赋予其自动监视诊断功能，并采取安全联锁控制，过负荷和失控保护、停 电对策，提高了设备的安全可靠性。5 降低价格 由于机械结构筒化，材料消耗减少制造成本降低，而且电子器件的价格下降迅速，因此机电一体化产品和系统的价格日趋低廉，而使用性能、维修性能日趋完善，使用寿命不断延长。例如，石英晶振电子表以其功能强、使用方便和价格低廉等优势迅速占领了计时商品市场。,机电一体化的影响,6 减轻劳动强度，改善劳动条件 机电一体化方面能够将制造和生产过程中极为复杂的人的智力活动和资料数据记忆查找工作改由计算机来完成，另一方面又能由程序控制自动运行，代替人的紧张和单调重复操作以及在危脸或有害环境下的工作，因而大大减轻人的脑力和体力劳动，改善人的工作环境条件例如CAD和CAPP极大地减轻了设计人员的劳动复杂性，提高了设计效率；特种机器人则成为人类谋求解决危险环境中的劳动问题的唯一途径。,机电一体化的影响,7 增加系统柔性和智能化 机电件化系统可以根据使用要求的变化，对产品应用功能和工作过程进行调整修改，满足用户多样化的使用要求。例如工业机嚣人具有较多的运动自由度，手爪部分可以换用不同的工具，而通过修改程序可以改变运动轨迹和运动姿态以适应不同的作业过程和工作内容；利用数控加工中心或柔性制造系统可以通过调整系统运行程序适应不同零件的加工工艺。机械工业约有75的产品属于中小批量，利用柔性生产系统(例如FMS，CIMS等)，能够经济迅速地解决这种中小批量多品种的自动化生产，对机械工业发展具有划时代的意义。,机电一体化的影响,8 提高精度 机电一件化技术使机械传动部件减少，因而使机械磨损、配合间隙及受力变形等所引起的误差大大减小，同时由于采用电子技术实现自动检测和控制，能够补偿、校正各种干扰因素造成的动态误差从而达到单纯机械装备所不能实现的工作精度。如采用微型计算机误差分离技术的电子化圆度仪，其测量精度可由原来的0.025m提高到 O.01m。大型镗铣床装上感应同步数显装置可将加工精度从0.006mm/1000mm提高到0.002mm/1000mm。9 提高生产效率，降低成本 机电一体化生产系统能够减少生产准备和辅助时间，缩短新产品开发周期，提高产品合格率，减少操作人员，提高生产率，降低生产成本。例如数控机床生产效率比普通机床高56倍，柔性制造系统可使生产周期缩短40，生产成本降低50。,机电一体化的影响,1.7 机电一体化的发展趋势,1 智能化 智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。这里所说的“智能化”是对机器行为的描述，是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等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。,2 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。,1.7 机电一体化的发展趋势,3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。,1.7 机电一体化的发展趋势,4 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1cm3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。,1.7 机电一体化的发展趋势,5 数字化 嵌入式控制系统和嵌入式软件的发展，为机电一体化系统或产品的数字化、智能化奠定了基础。数字化要求机电一体化产品的软件，具有高可靠性、可维护性以及自诊断能力，人机界面对用户友好、易于使用，并且用户根据实际需要进行制定。数字化的实现有 利于远程操作、诊断和修复。6 系统化 系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现之二是通信功能的大大加强，一般除RS232外，还有RS485等。,1.7 机电一体化的发展趋势,7 集成化 集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合，又包含在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序为了实现多品种，小批量生产的自动化与高效率，应使系统具有更广泛的柔性首先可将系统分解为若干层次，使系统功能分散，并使各部分协调而又安全地运转。然后，再通过硬、软件将各个层次有机地联系起来，使其性能最优、功能最强。,1.7 机电一体化的发展趋势,机电一体化的目的是使产品具有多功能、高效率、高智能、高可靠性，同时又节省材料、省能源，并使产品向轻、薄、细、小、巧的方向发展，以不断满足人们生活的多样化要求和生产的省力化，自动化需求。当前，机电一体化的发展趋势可以概括为以下三个方面；性能上向高精度、高效率、智能化方向发展；功能上向小型化、轻型化、多功能方向发展；层次上向系统化、复合集成化方向发展。,机电一体化通过综合利用现代高新技术的优势，在提高精度、增强功能、改善操作性和使用性、提高生产率和降低成本、节约能源和降低消耗、减轻劳动强度和改善劳动条件、提高安全性和可靠性、简化结构和减轻重量、增强柔性和智能化程度、降低价格等诸多方面都取得了显著的技术经济效益和社会效益，促使社会和科学技术又向前大大迈进了一步。,第二节 机电一体化系统的基本构成,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：高效、多功能、节能、可靠、小型、美观动力与驱动为执行装置提供能量并转换成需要的形式，实现动力功能要求：高功率密度比，可靠性好检测与传感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、抗干扰控制及信息处理存储、分析、运算、决策，实现控制功能要求：高可靠性、柔性、智能化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,机械本体：执行装置：动力：检测与传感：控制：,手臂的连接部分和安装支架等气缸气压系统的气压源接近传感器、磁性传感器、手爪传感器,系统的基本组成？各包含哪些部分？,机电一体化系统的组成,例子：,机电一体化系统的构成,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、能源,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,机电一体化系统的构成,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、电子控制单元,处理、运算、决策，实现控制功能。,要求：高可靠性、柔性、智能化,机电一体化系统的构成,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,机电一体化系统的构成,不管那类系统（或产品），其系统内部必须具备如所示的五种内部功能，即主功能、动力功能、检测功能、控制功能、构造功能。,CNC机床内部功能构成实例,机电一体化系统（产品）各构成要素之间的相互联系,开环控制系统（open loop control system,采用步进电机数控装置放大步进电机减速齿轮丝杆螺母工作台,全闭环与半闭环系统（重点）,全闭环系统：通过传感器直接检测目标运动并进行反馈控制的系统。,半闭环系统：通过传感器检测某一部位运动，并进行反馈，间接控制目标运动的系统称半闭环系统。,4、工业三大要素物质、能量、信息5、机电一体化三大效果省材料、省能源、智能化,6、系统三大目的功能功能构成 1、变换（加工、处理）功能 2、传递（移动、输送）功能 3、储存（保持、积蓄、记录）功能,二、主要概念和机电一体化系统功能,一、概念加工机:以物料搬运、加工为主。输入物质能量和信息经过加工处理，主要输出改变了位置和形态的物质系统。注意：这里强调输入的是物质、能量和信息，而输出的仅为物质。如数控机床，输入的是毛坯、电能、液能和操作指令而输出的仅为工件。动力机:以能量转换为主，输入能量（或物质）和信息、输出不同形式能量（或物质）的系统。信息机:以信息处理为主，输入信息和能量，主要输出某种信息的系统。二、内部功能主功能、动力功能、检测功能、控制功能、构造功能,3、机电一体化系统要素与人体要素的比较,三、机电一体化系统构成要素的联接,接口定义：为实现各子系统或要素之间物质、能量或信息交换而进行的连接就是接口。按功能分，接口有两种：输入/输出接口和变换、调整接口,具有变换调整功能的接口（4种）1、零接口：不进行任何变换和调整，本子系统的输出即为另一子系统的输入，这种接口只起到连接的作用。如插头、座，输送管线，传动轴等。2、无源接口：只用无源要素进行变换、调整的接口。如变速箱、变压器、可变电阻、透镜等。,3、有源接口：含有有源要素，可以主动进行匹配的接口。如电磁离合器、放大器、光电耦合器等 4、智能接口：带有微处理器，可以进行程序编制或可适应性地改变接口条件。如自动变速装置、通用输入/输出集成电路，STD总线等,根据输入/输出功能有如下接口形式1、机械接口：由输入/输出部位的形状、尺寸、精度、配合、规格等进行机械联接的接口。如联轴器，管接头，法兰盘等。2、物理接口：受通过接口的物质、能量、信息的具体形态和物理条件约束的接口。如受电流、电压、电容、扭矩、频率、气压等约束的接口。,3、信息接口：受规格、标准、法律、语言、符号等逻辑、软件约束的接口。如RS232，GB，ISO，ASCII，FORTRAN，C+等 4、环境接口：对周围环境条件（温度、湿度、磁场、振动、水、气、灰、火、放射）有保护作用的接口。如防尘接头，防水开关等,三、机电一体化系统的评价,第三节机电一体化工程与系统工程,系统：即具有特定功能的，相互之间具有有机联系的许多要素，所构成的一个整体。系统的概念是相对的以考察问题的角度不同而异，某一系统可以由若干子系统组成，它又可以成为一个更高级的子系统。工程：即产生一定效能的方法系统工程：是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方法。系统工程基本思想,二机电一体化工程（掌握）给定机电一体化系统“目的功能”和“规格”后，机电一体化技术人员利用机电一体化技术进行设计、制造的整个过程称为机电一体化工程三、机电一体化与系统工程1、关系特点,机电一体化系统设计的考虑方法1、要求2、方法（1）机电互补法（取代法）（2）结合法（融合法）（3）组合法,机点一体化系统或产品的设计类型,开发性设计 适应性设计 变异性设计,机电一体化系统设计,设计程序 明确设计思想 分析综合要求 划分功能模块 决定性能参数 调研类似产品 拟定总体方案 方案对比定型 编写总体设计论证书,总体设计中应注意,（1）以机电互补原则进行功能划分，即明确哪的功能由机械设计实现，哪些功能由电子技术的硬、软件实现，这样能发挥机电所长，简化结构、充分体现机电一体化效果。（2）用图表说明功能要求与动作顺序要求（3）分析产品专用性与批量（4）重点明确产品的简要特性（5）分析产品的自动化程度及其适用性,（6）环境条件要求（7）动力源特性分析（8）机、电、液传动的最佳匹配（9）可靠性分析（10）结构尺寸及空间布置分析（11）特殊功能分析、低速稳定性、抖动要求、快速响应性与定位精度要求等,设计准则降低成本,在保证目的功能要求与适当寿命的前提下不断降低成本 降低成本一方面是从用户需求出发降低成本，二是从制造厂的立场出发降低成本。(成本高70%低取决于设计阶段）平均故障间隔MTBF(Mean Time Between Failures-到产品发生故障止，或从一个故障被排除后到下一个故障发生时的平均时间,三、设计规律首先确定逻辑关系物理关系结构关系。确定逻辑关系是关键。,现代设计方法,常用的设计方法有：相似设计法、虚拟设计法、反求设计法、有限元设计法、可靠性设计法、动态分析设计法、优化设计法等。,机电一体化系统设计总体流程,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,一、市场调研,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。,1.5 机电一体化系统设计,二、总体方案设计,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，最后确定实施方案。,1.5 机电一体化系统设计,三、详细设计,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部技术图纸及文件的过程。,1.5 机电一体化系统设计,四、样机试制与试验,完成产品的详细设计后，即可进入样机试制与试验阶段。根据制造的成本和性能试验的要求，一般制造几台样机供试验使用。样机的试验分为实验室试验和实际工况试验，通过试验考核样机的各种性能指标是否满足设计要求，考核样机的可靠性。如果样机的性能指标和可靠性不满足设计要求，则要修改设计，重新制造样机，重新试验。如果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。,1.5 机电一体化系统设计,五、小批量生产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。六、大批量生产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。,1.5 机电一体化系统设计,机电一体化产品的设计步骤,根据目的功能确定产品规格及性能指标系统功能部件、功能要素的划分接口设计综合评价可靠性复查试制与调试,设计步骤,详细设计的基本内容,机械本体设计线性传动部件非线性传动部件特殊传动部件支撑部件机械传动设计负载的变化传动链惯性传动链固有频率间隙、摩擦、润滑和温升传感与检测系统设计接口设计微控制器的设计,结构设计的基本原理,1 任务分配原理相同功能的任务分配不同功能任务分配2 自补偿原理:自增强，自平衡，自保护3 结构实际变元：数量变元；形状变元；材料变元；顺序变元4 力传递原理：力流路线直接、最短；力流转向平缓5 力平衡原理6 等强度原理7 稳定性原理8 降低噪声原理,