结束放映返回总目录1第第1 1章章 概概 述述1-1 对机电一体化涵义的理解与机电一体化技术革命1-2 机电一体化系统的构成要素、功能构成及评价1-3 机电一体化系统构成要素之间的相互连接 1-4 机电一体化系统设计的考虑方法、设计类型及设计流程1-5 机电一体化系统的设计程序、准则与规律1-6 机电一体化工程与系统工程1-7 机电一体化系统的开发工程与现代设计方法1-8 机电一体化的共性关键技术与优先发展领域习题与思考题返回结束放映返回本章目录2“机电一体化”是机械技术、电子技术和信息技术等各相关技术有机结合的一种新形式，是电子技术向机械技术领域渗透过程中逐渐形成的一个新概念。 关于“机电一体化”(mechatronics)这个名词的起源，说法很多，早在197l年，日本机械设计杂志副刊就提出了“mechatronics”这一名词，1976年以广告为主的日本杂志Mechatronics Design News开始使用，其中的“mechatronics”是mechanics(机械学)与 e1ectronics (电子学)组合而成的日本造英语。1-1 对机电一体化涵义的理解与机电一体化技术革命一、 机电一体化的涵义与机电一体化时代特征“机电一体化”打破了传统 的机械工程、电子工程、信息工程、 控制工程、光学工程等学科的分类，形成了融机械工程、电子工程、 信息工程等多学科为一体，从系统的角度分析、解决问题 的一门新兴 的交叉学科。返回结束放映返回本章目录3“机电一体化”涵义较为人们所接受的“机电一体化”涵义是日本“机械振 兴协会经济研究所”提出的解释： “机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能 和控制功能上引用微电子技术，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”。就是说， “机电一 体化”是机械技术、微电子技术及信息技术相互交叉、融合 （有机结合）的产物。 “机电一体化”含有“技术”与“产品”两方面的内容 ，首先是“机电一体化技术”，主要包括其技术原理，即使 机电一体化系统 (产品)得以实现、使用和发展的技术。其次 是“机电一体化产品”，该“产品”主要是机械系统(或部 件)与微电子系统(或部件)用相关软件有机结合而构成的新的 “系统”，且赋予其新的功能和性能的新一代产品。返回结束放映返回本章目录4机电一体化时代特征当今，人们已经认识到“机电一体化”并不是机械技术、 电子（微电子）技术、信息（信息处理）技术以及其它新技术 的简单组合、拼凑，而是有机地相互融合（结合），是有其客 观规律的。简言之，“机电一体化”这一新兴交叉学科有其技 术基础、设计理论和研究方法，只有对其有了充分理解，才能 正确地进行“机电一体化”技术工作。随着以IC、LSI、VLSI等为代表的微电子技术的惊人发展 ，计算机本身也发生了根本变革，以微型计算机为代表的微电 子技术逐步向机械领域渗透，并与机械技术有机地结合（交叉 融合），为曾以机械技术为主的产品增添 “头脑”，而使其 具有新的功能和性能，因此可以说我们已经进入了以机电有机 结合为特征的 “机电一体化时代”。返回结束放映返回本章目录5二、机电一体化技术革命大家知道，1g（克）铀能够释放约相当于106g(一吨)石油 所具有的能量，所以这106 （百万）的变化称得上是能源技术 的变革，即我们常说的能源技术革命。1945年美国的第一台电子管计算机“ENIAC”使用了近两万个电 子管、占地达160多平方米，其体积将近4000多立方米，其重量达 30余吨，每秒运算速度达5000多次。故从计算机的体积、重量与运 算速度来看，如今的大规模集成电路VLSI以及由其组成的微型计算 机（如单片机）等微电子技术早已经完成了这种106（百万）的变革 ，并将微型计算机等微电子技术与曾以机械为主的产品（如机床、 汽车、照相机、缝纫机、打字机等）进行交叉融合（有机结合）， 让其增添头脑（即智能）而具有了新的功能和性能。 如果说微型计算机等微电子技术的这个106（百万）的技术变革 也称得上是技术革命的话， 那么，这种将微型计算机等微电子技术 与机械技术有机结合（相互融合），并给机械以“智能”的技术革 新潮流，就可以被称为“机电一体化技术革命”。返回结束放映返回本章目录6机电一体化技术革命的“目的”是提高系 统(产品)的附加价值，即多功能、高效率、高 可靠性、省材料省能源，并使产品结构向短、 小、轻、薄化方向发展，从而不断满足人们生 活的多样化、生产的省力化、自动化需求。因 此，机电一体化的研究方法应该改变过去那种 拼拼凑凑的混合设计法，应该从系统整体的角 度出发，采用现代设计、分析的方法，充分发 挥相关学科的技术优势。机电一体化技术革命的“目的”返回结束放映返回本章目录71-2 机电一体化系统构成要素 及功能构成及其价值评价机电一体化系统构成系统（要素）机电一体化系统（产品）由 机械系统机械系统( (机构机构) )、电子信息处理系统电子信息处理系统( (计算机计算机) )、动力系统动力系统( (动力源动力源) )、传感检测系统传感检测系统( (传感器传感器) )、执行元件系统执行元件系统( (如电动机如电动机) )五个子系统组成 。返回结束放映返回本章目录8系 统 （产品 ） 基本构成返回结束放映返回本章目录9机电一体化系统的功能构 成及价值评价系统目的功能返回结束放映返回本章目录10机电一体化系统的变换、传递 与储存功能根据不同的使用目的，要求系统能对输入的物 质、能量和信息(即工业三大要素)进行某一处理， 输出所需要的物质、能量和信息。（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。 返回结束放映返回本章目录11机电一体化系统的内部功能返回结束放映返回本章目录12CNC机床的内部功能构成 返回结束放映返回本章目录13主 功 能： 实现系统“目的功能” 必需的功能 。 动力功能： 向系统提供动力、让系统得以运转的功能 。 计测功能： 对系统内部信息和外部信息进行检测与计算处 理的功能。 控制功能： 对整个系统进行控制，使系统正常运转以实施 “目的功能”。 构造功能 ：使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必需的功能 系统的内部功能 返回结束放映返回本章目录14机电一体化系统的内部功能与系 统价值评价返回结束放映返回本章目录15机电一体化系统的 内部功能之性能评价内容系统的内部功能 高附加价值主 功 能： 高性能、低价格、高可靠性控 制 功 能： 智能化计 测 功 能： 智能化动 力 功 能： 省能化构 造 功 能： 短小轻薄化 返回结束放映返回本章目录16工业三大要素与机电一体化 的三大效果 工业三大要素物质、能量和信息 机电一体化对三大要素的三大效果：省能源省资源智能化返回结束放映返回本章目录17为充分发挥机电一体化的三大效 果,使系统(或产品)得到最佳性能，一方 面要求设计机械系统时应选择与控制系 统的电气参数相匹配的机械系统参数， 同时也要求设计控制系统时，应根据机 械系统的固有结构参数来选择和确定电 气参数，综合应用机械技术和微电子技 术，使二者密切结合、相互协调、相互 补充,充分体现机电一体化的优越性。返回结束放映返回本章目录18机电一体化系统由许多要素或子系统构成，各要素或子系 统之间必须能顺利进行物质、能量和信息的传递与交换。为此 ，各要素或各子系统相接处必须具备一定的联系条件，这些联 系条件就可称为接口（interface）。从系统外部看，机电一体化系统的输入输出是与人、自然 及其它系统之间的接口；从系统内部看，机电一体化系统是由 许多接口将系统的构成要素输入输出联系为一体的系统。从 这一观点出发，系统的性能在很大程度上取决于接口的性能， 各要素或各子系统之间的接口性能就成为整个系统性能好坏的 决定性因素。机电一体化系统是机械、电子和信息等功能各异 的技术融为一体的综合系统，其构成要素或子系统之间的接口 极为重要，在某种意义上讲，机电一体化系统设计归根结底就 是“接口设计”。1-3 机电一体化系统构成要素之间的相互连接 返回结束放映返回本章目录19构成要素之相互联系返回结束放映返回本章目录20根据接口的变换、调整功能，可将接口分成以下四种：1)零接口。不进行任何变换和调整、输出即为输入等，仅起连 接作用的接口，称为零接口。例如输送管、接插头、接插座、接线柱 、传动轴、导线、电缆等。 2）无源接口。只用无源要素进行变换、调整的接口，称为无源 接口。例如齿轮减速器、进给丝杠、变压器、可变电阻器以及透镜等 。3)有源接口。含有有源要素、主动进行匹配的接口，称为有源 接口。例如电磁离合器、放大器、光电耦合器、D/A转换器、A/D转换 器以及力矩变换器等。4)智能接口。含有微处理器，可进行程序编制或可适应性地改 变接口条件的接口，称为智能接口。 例如自动变速装置， 通用输入 输出LSI(8255等通用I/O)、GP-IB总线、STD总线等。返回结束放映返回本章目录21（一） 变换、调整功能（二 ） 输入输出功能1) 零接口 2) 无源接口 3) 有源接口 4) 智能接口 广义的接口功能有 两种返回结束放映返回本章目录22机电一体化系统 人 体组成要素 组成要素控制器(计算机等) 大脑执行元件 驱动(操作)（肌肉伸缩） 检测传感器 五种感官（眼、耳、鼻、舌、口）动力源 内脏提供能量 机构 骨架机电一体化系统要素与人体组成要素返回结束放映返回本章目录231-4 机电一体化系统设计的考虑方法与设计类型及设计流程一、系统（产品）设计的考虑方法机电一体化系统(产品)的主要特征是自动 化操作。因此。设计人员应从其通用性、耐环 境性、可靠性、经济性的观点进行综合分析， 使系统(或产品)充分发挥机电一体化的三大效 果。返回结束放映返回本章目录241) 机电互补法2) 结合(融合)法3) 组合法机电一体化系统（产品）设计 的考虑 方 法 返回结束放映返回本章目录25机电互补法又称取代法。该方法的 特点是利用通用或专用电子部件取代传 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。1) 机电互补法返回结束放映返回本章目录26它是将各组成要素有机结合为 一体构成专用或通用的功能部件(子 系统)，其要素之间机电参数的有机 匹配比较充分。2）结合(融合)法返回结束放映返回本章目录27它是将结合法制成的功能部 件(子系统)、功能模块，像积木 那样组合成各种机电一体化系统 （品），故称组合法。3）组合法返回结束放映返回本章目录28二、机电一体化系统 的设计类型它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。1）开发性设计机电一体化系统(产品)的设计类型返回结束放映返回本章目录29它是在总的方案原理基本保持 不变的情况下，对现有产品进行局 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， 以使产品的性能和质量增加某些附 加价值。 2)适应性设计返回结束放映返回本章目录30它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