机电一体化基本概念.doc

第一章 概 论第一节 机电一体化基本概念机电一体化又称机械电子学，英文称为Mechatronics，它是由英文机械学Mechanics 的前半部分与电子学Electronics 的后半部分组合而成。机电一体化最早出现在1971年日本机械设计杂志的副刊上，随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化的概念被人们广泛接受和普遍使用。1996年出版的WEBSTER大词典收录了这个日本造的英文单词，这不仅意味着 “Mechatronics”这个单词得到了世界各国学术界和企业界的认可，而且还意味着“机电一体化”的哲理和思想为世人所接受。机电一体化信息科学机械学电子学图1- 1机电一体化与其它学科的关系那么，什么是机电一体化呢？到目前为止，就机电一体化这一概念的内涵国内外学术界还没有一个完全统一的表述。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。这里面包含了三重含义：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。图1-1 形象地表达了机电一体化与机械学、电子学和信息科学之间的相互关系；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：Computer、Communication和 Control Technology）“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。从概念的外延来看，机电一体化包括机电一体化技术和机电一体化产品两个方面。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，这样的系统实际上也是机电一体化产品。机电一体化产品是由机械系统（或部件）与电子系统（或部件）及信息处理单元（硬件和软件）有机结合、而赋予了新功能和新性能的高科技产品。由于在机械本体中“溶入”了电子技术和信息技术，与纯粹的机械产品相比，机电一体化产品的性能得到了根本的提高，具有满足人们使用要求的最佳功能。现实生活中的机电一体化产品比比皆是。我们日常生活中使用的全自动洗衣机、空调及全自动照相机，都是典型的机电一体化产品；在机械制造领域中广泛使用的各种数控机床、工业机器人、三坐标测量仪及全自动仓储，也是典型的机电一体化产品；而汽车更是机电一体化技术成功应用的典范，目前汽车上成功应用和正在开发的机电一体化系统达数十种之多，特别是发动机电子控制系统、汽车防抱死制动系统、全主动和半主动悬架等机电一体化系统在汽车上的应用，使得现代汽车的乘坐舒适性、行驶安全性及环保性能都得到了很大的改善；在农业工程领域，机电一体化技术也在一定范围内得到了应用，如拖拉机自动驾驶系统、悬挂式农具的自动调节系统、联合收获机工作部件（如脱粒清选装置）的监控系统、温室环境自动控制系统等。第二节 机电一体化发展概况与其它科学技术一样，机电一体化技术的发展也经历了一个较长期的过程。有学者将这一过程划分为萌芽阶段、快速发展阶段和智能化阶段三个阶段，这种划分方法真实客观地反映了机电一体化技术的发展历程。“萌芽阶段”指20世纪70年代以前的时期。在这一时期，尽管机电一体化的概念没有正式提出来，但人们在机械产品的设计与制造过程中总是自觉或不自觉地应用电子技术的初步成果来改善机械产品的性能，特别是在第二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，出现了许多性能优良的军事用途的机电产品。这些机电结合的军用技术在战后转为民用，对战后经济的恢复和技术的进步起到了积极的作用。20世纪70年代到80年代为第二阶段，称之为“快速发展阶段”。在这一时期，人们自觉地、主动地利用技术的成果创造新的机电一体化产品。在这一阶段，日本在推动机电一体化技术的发展方面起了主导作用。日本政府于1971年3月颁布了特定电子工业和特定机械工业振兴临时措施法，要求企业界“应特别注意促进为机械配备电子计算机和其他电子设备，从而实现控制的自动化和机械产品的其他功能”。经过几年的努力，取得了巨大的成就，推动了日本经济的快速发展。其它西方发达国家对机电一体化技术的发展也给予了极大的重视，纷纷制定了有关的发展战略、政策和法规。我国机电一体化技术的发展也始于这一阶段，从20世纪80年代开始，原国家科委和原机械电子工业部分别组织专家根据我国国情对发展机电一体化的原则、目标、层次和途径等进行了深入而广泛的研究，制订了一系列有利于机电一体化发展的政策法规，确定了数控机床、工业自动化控制仪表、工业机器人、汽车电子化等15个优先发展领域及6项共性关键技术的研究方向和课题，并明确提出要在2000年使我国的机电一体化产品产值比率（即机电一体化产品总产值占当年机械工业总产值的比值）达到15%20%的发展目标。从20世纪90年代开始的第三阶段，称之为“智能化阶段”。在这一阶段，机电一体化技术向智能化方向迈进，其主要标志是模糊逻辑、人工神经网络和光纤通信等领域的研究成果应用到机电一体化技术中。模糊逻辑与人的思维过程相类似，用模糊逻辑工具编写的模糊控制软件与微处理器构成的模糊控制器，广泛地应用于机电一体化产品中，进一步提高了产品的性能。例如采用模糊逻辑的自动变速箱控制器，可使汽车性能与司机的感觉相适应，用发动机的噪声、道路的坡度、速度和加速度等作为输入量，控制器可以根据这些输入数据找出汽车行驶的最佳方案。除了模糊逻辑理论外，人工神经网络（Artificial Neural Network 简称“ANN”）也开始应用于机电一体化系统中。“ANN”是研究了生物神经网络（Biological Neural Network）的结果，是对人脑的部分抽象、简化和模拟，反映了人脑学习和思维的一些特点。同时，“ANN”是一种信息处理系统，它可以完成一些计算机难以完成的工作，如模式识别、人工智能、优化等；也可以用于各种工程技术，特别适用于过程控制、诊断、监控、生产管理、质量管理等方面。因此，“ANN”在机电一体化产品设计中也十分重要。可以说，智能化将是本世纪机电一体化技术发展的方向。第三节 机电一体化系统的构成传统的机械产品一般由动力源、传动机构和工作机构等组成。机电一体化系统是在传统机械产品的基础上发展起来的，是机械与电子、信息技术结合的产物，它除了包含传统机械产品的组成部分以外，还含有与电子技术和信息技术相关的组成要素。一般而言，一个较完善的机电一体化系统包括以下几个基本要素：机械本体，检测传感部分、电子控制单元、执行器和动力源，各要素之间通过接口相联系（见图1-2）。执行器控制信息电子控制单元动力源检测传感部分机械本体参数变化信息驱动力能 量检测参数图1- 2机电一体化系统的构成(1) 机械本体 机械本体包括机架、机械连接、机械传动等。所有的机电一体化系统都含有机械部分，它是机电一体化系统的基础，起着支撑系统中其它功能单元，传递运动和动力的作用。与纯粹的机械产品相比，机电一体化系统的技术性能得到提高、功能得到增强，这就要求机械本体在机械结构、材料、加工工艺性以及几何尺寸等方面能够与之相适应，具有高效、多功能、可靠和节能、小型、轻量、美观的特点。(2) 检测传感部分 检测传感部分包括各种传感器及其信号检测电路，其作用就是监测机电一体化系统工作过程中本身和外界环境有关参量的变化，并将信息传递给电子控制单元，电子控制单元根据检测到的信息向执行器发出相应的控制指令。机电一体化系统要求传感器精度、灵敏度、响应速度和信噪比高；漂移小、稳定性高；可靠性好；不易受被测对象特征（如电阻、导磁率等）的影响；对抗恶劣环境条件（如油污、高温、泥浆等）的能力强；体积小、重量轻、对整机的适应性好；不受高频干扰和强磁场等外部环境的影响；操作性能好，现场维修处理简单；价格低廉。(3) 电子控制单元 电子控制单元又称ECU (Electrical Control Unit), 是机电一体化系统的核心，负责将来自各传感器的检测信号和外部输入命令进行集中、存储、计算、分析，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地运行。电子控制单元由硬件和软件组成，系统硬件一般由计算机、可编程控制器(PLC)、数控装置以及逻辑电路、AD与DA转换、I0 接口和计算机外部设备等组成；系统软件为固化在计算机存储器内的信息处理和控制程序，根据系统正常工作的要求编写。机电一体化系统对控制和信息处理单元的基本要求是，提高信息处理速度、提高可靠性、增强抗干扰能力以及完善系统自诊断功能、实现信息处理智能化和小型、轻量、标准化等。(4) 执行器 执行器的作用是根据电子控制单元的指令驱动机械部件的运动。执行器是运动部件，通常采用电力驱动、气压驱动和液压驱动几种方式。机电一体化系统一方面要求执行器效率高、响应速度快，同时要求对水、油、温度、尘埃等外部环境的适应性好，可靠性高。由于几何尺寸上的限制，动作范围狭窄，还需考虑维修和实行标准化。由于电工电子技术的高度发展，高性能步进驱动、直流和交流伺服驱动电机已大量应用于机电一体化系统。(5) 动力源 动力源是机电一体化产品能量供应部分，其作用就是按照系统控制要求向机器系统提供能量和动力使系统正常运行。提供能量的方式包括电能、气能和液压能，以电能为主。除了要求可靠性好以外，机电一体化产品还要求动力源的效率高，即用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功率输出。 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，即在机械本体的支持下，由传感器检测产品的运行状态及环境变化，将信息反馈给电子控制单元，电子控制单元对各种信息进行处理，并按要求控制执行器的运动，执行器的能源则由动力部分提供。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。例如，我们日常使用的全自动照相机就是典型的机电一体化产品，其内部装有测光测距传感器，测得的信号由微处理器进行处理，根据信息处理结果控制微型电动机，由微型电动机驱动快门、变焦及卷片倒片机构，从测光、测距、调光、调焦、曝光到卷片、倒片、闪光及其它附件的控制都实现了自动化。又如，汽车上广泛应用的发动机燃油喷射控制系统也是典型的机电一体化系统。分布在发动机上的空气流量计、水温传感器、节气门位置传感器、曲轴位置传感器、进气歧管绝对压力传感器、爆燃传感器、氧传感器等连续不断地检测发动机的工作状况和燃油在燃烧室的燃烧情况，并将信号传给电子控制装置ECU，ECU首先根据进气歧管绝对压力传感器或空气流量计的进气量信号及发动机转速信号，计算基本喷油时间，然后再根据发动机的水温、节气门开度等工作参数信号对其进行修正，确定当前工况下的最佳喷油持续时间，从而控制发动机的空燃比。此外，根据发动机的要求，ECU还具有控制发动机的点火时间、怠速转速、废气再循环率、故障自诊断等功能。第四节 机电一体化共性关键技术如前所述，机电一体化是在传统技术的基础上由多种技术学科相互交叉、渗透而形成的一门综合性边缘性技术学科，所涉及的技术领域非常广泛。要深入进行机电一体化研究及产品开发，就必须了解并掌握这些技术。概括起来，机电一体化共性关键技术主要有：检测传感技术、信息处理技术、控制技术、伺服驱动技术、机械技术和系统总体技术。一、检测传感技术检测与传感技术指与传感器及其信号检测装置相关的技术。在机电一体化产品中，传感器就像人体的感觉器官一样，将各种内、外部信息通过相应的信号检测装置感知并反馈给控制及信息处理装置。因此检测与传感是实现自动控制的关键环节。机电一体化要求传感器能快速、精确地获取信息并经受各种严酷环境的考验。但是由于目前检测与传感技术还不能与机电一体化的发展相适应，使得不少机电一体化产品不能达到满意的效果或无法实现设计。因此，大力开展检测与传感技术的研究对发展机电一体化具有十分重要的意义。二、信息处理技术信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策等，实现信息处理的主要工具是计算机,因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。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。在机电一体化产品中，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。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。三、自动控制技术自动控制技术范围很广，包括自动控制理论、控制系统设计、系统仿真、现场调试、可靠运行等从理论到实践的整个过程。由于被控对象种类繁多，所以控制技术的内容极其丰富，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、示教再现、检索等控制技术，自动控制技术的难点在于自动控制理论的工程化与实用化，这是由于现实世界中的被控对象往往与理论上的控制模型之间存在较大差距，使得从控制设计到控制实施往往要经过多次反复调试与修改，才能获得比较满意的结果。由于微型机的广泛应用，自动控制技术越来越多地与计算机控制技术联系在一起，成为机电一体化中十分重要的关键技术。四、伺服驱动技术伺服驱动技术的主要研究对象是执行元件及其驱动装置。执行元件有电动、气动、液压等多种类型，机电一体化产品中多采用电动式执行元件，其驱动装置主要是指各种电动机的驱动电源电路，目前多采用电力电子器件及集成化的功能电路构成。执行元件一方面通过电气接口向上与微型机相联，以接受微型机的控制指令，另一方面又通过机械接口向下与机械传动和执行机构相联，以实现规定的动作。因此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。由于变频技术的进步，交流伺服驱动技术取得突破性进展，为机电一体化系统提供高质量的伺服驱动单元，极大地促进了机电一体化技术的发展。五、机械技术机械技术是机电一体化的基础。机电一体化产品中的主功能和构造功能往往是以机械技术为主实现的。在机械与电子相互结合的实践中，不断对机械技术提出更高的要求，使现代机械技术相对于传统机械技术而发生了很大变化。新机构、新原理、新材料、新工艺等不断出现，现代设计方法不断发展和完善，以满足机电一体化产品对减轻重量、缩小体积、提高精度和刚度、改善性能等多方面的要求。 在制造过程的机电一体化系统中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。这里原有的机械技术以知识和技能的形式存在，是任何其它技术代替不了的。如计算机辅助工艺规程编制(CAPP)是目前CADCAM系统研究的瓶颈，其关键问题在于如何将广泛存在于各行业、企业、技术人员中的标准、习惯和经验进行表达和陈述，从而实现计算机的自动工艺设计与管理。六、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，将系统总体分解成相互有机联系的若干功能单元，并以功能单元为子系统继续分解，直至找到可实现的技术方案，然后再把功能和技术方案组合成方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。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。第五节 机电一体化系统设计 机电一体化系统是从简单的机械产品发展而来，其设计方法、程序与传统的机械产品类似，一般要经过市场调查、方案设计、详细设计、样机试制、小批量生产和正常生产几个阶段（见图1-3）。一、市场调研在设计机电一体化系统之前，必须进行详细的市场调研。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。市场调研的对象主要为该产品潜在的用户，调研的主要内容包括市场对此类产品的需求量，该产品潜在的用户，用户对该产品的要求，即该产品有哪些功能，具有什么性能和所能承受的价格范围等；此外，目前国内外市场上销售的该类产品的情况，如技术特点、功能、性能指标、产销量及价格，在使用过程中存在的问题等都是市场调研需要调查和分析的信息。市场调研一般采用实地走访调查、抽样调查、类比调查或专家调查法等方法。所谓走访调查就是直接与潜在的经销商和用户接触，搜集查找与所设计产品有关的经营信息和技术经济信息。类比调查就是调查了解国内外其它单位开发类似产品所经历的过程、速度和背景等情况，并分析比较其与自身环境条件的相似性和不同点，以类推这种技术和产品开发的可能性和前景。抽样调查就是通过向有限范围调查、搜集资料和数据而推测总体的预测方法，在抽样调查时要注意问题的针对性，对象的代表性和推测的局限性。专家调查法就是通过调查表向有关专家征询对设计该产品的意见。最后对调研的结果进行仔细的分析，撰写市场调研报告。市场调研的结果应能为产品的方案设计与细化设计提供可靠的依据。二、总体方案设计1产品方案构思 一个好的产品构思，不仅能带来技术上的创新，功能上的突破，还能带来制造过程的简化，使用的方便，以及经济上的高效益。因此，机电一体化产品设计应鼓励创新，充分发挥创造能力和聪明才智来构思和创造新的方案。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。如果找不到满足要求的系统总体方案，则需要对新产品目标和技术规范进行修改，重新确定系统方案。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。根据系统的组成，机电一体化系统详细设计的内容包括机械本体及工具设计、检测系统设计、人-机接口与机-电接口设计、伺服系统设计、控制系统设计及系统总体设计。根据系统的功能与结构，详细设计又可以分解为硬件系统设计与软件系统设计。除了系统本身的设计以外，在详细设计过程中还需完成后备系统的设计，设计说明书的编写和产品出厂及使用文件的设计等。在机电一体化系统设计过程中，详细设计是最繁琐费时的过程，需要反复修改，逐步完善。 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。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。市场调研（潜在的用户、需求量、价格定位）拟定新产品目标及初步技术规范可行性论证、技术经济分析系统总体方案确定Y方案评审N系统模型的建立模型的理论解析与模拟试验软件系统硬件系统系统功能与结构的分解模块化设计模块化设计制造/外购？制造/外购？外购制造制造外购详细设计市场采购详细设计市场采购样 机 制 造样机性能试验YN生产设计试验结果评价Y修改系统模型？N小批量生产Y试 销修改系统方案试销情况评 价NNY正常生产重新确定系统方案Y广告宣传N销 售停止设计收集用户意见销售图1- 3机电一体化系统设计流程思考题1、 什么是机电一体化？2、 机电一体化的发展经历了哪几个阶段，各个阶段有何特点？3、 机电一体化系统主要由那几部分组成？各部分的功能是什么？4、 举例分析机电一体化系统的组成及功能特点。5、 机电一体化的共性关键技术有哪些？6、 试分析机电一体化系统设计的一般流程。参考文献1 潘忠堂浅析传感器技术是机电一体化的一项关键技术机械电子工程，1998(1)：13-17,392 冯正进机电一体化技术进展工业工程，2000(1)：1-43 郑 堤，唐可洪主编机电一体化设计基础北京：机械工业出版社，19974 黄筱调，赵松年编著机电一体化技术基础及应用北京：机械工业出版社，19985 王信义主编机电一体化技术手册(上册)北京：机械工业出版社，1999