机电一体化系统设计授课教师：杨永明电话：15570520022第1章 绪论1.11.1机电一体化机电一体化机电一体化机电一体化1.1.1 1.1.1 基本概念基本概念基本概念基本概念n n机电一体化机电一体化：在机械的主功能、动力功能、信息功能和控：在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相制功能上引进微电子技术，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。关软件有机结合而构成系统的总称。n n体现了体现了一体化、柔性化及智能化一体化、柔性化及智能化特征。特征。n n机电一体化不是机械机电一体化不是机械与电子简单的叠加，而与电子简单的叠加，而是在是在信息论、控制论信息论、控制论和和系统论系统论的基础上建立起的基础上建立起来的来的应用技术。应用技术。机电一体化信息科学机械学电子学n n机电一体化通过运用各种现代机电一体化通过运用各种现代机电一体化通过运用各种现代机电一体化通过运用各种现代高新技术高新技术高新技术高新技术对产品进行设计与对产品进行设计与对产品进行设计与对产品进行设计与开发，通过各种技术的有机结合，实现产品各部分的合理开发，通过各种技术的有机结合，实现产品各部分的合理开发，通过各种技术的有机结合，实现产品各部分的合理开发，通过各种技术的有机结合，实现产品各部分的合理组合，使产品的整体效能最佳。组合，使产品的整体效能最佳。组合，使产品的整体效能最佳。组合，使产品的整体效能最佳。1.1.2 1.1.2 机电一体化技术构成机电一体化技术构成机电一体化技术构成机电一体化技术构成n n要深入进行机电一体化研究及产品开发，就必须掌握有关要深入进行机电一体化研究及产品开发，就必须掌握有关要深入进行机电一体化研究及产品开发，就必须掌握有关要深入进行机电一体化研究及产品开发，就必须掌握有关技术。这些技术包括：技术。这些技术包括：技术。这些技术包括：技术。这些技术包括： 检测与传感技术检测与传感技术检测与传感技术检测与传感技术 信息处理技术信息处理技术信息处理技术信息处理技术 自动控制技术自动控制技术自动控制技术自动控制技术 伺服驱动技术伺服驱动技术伺服驱动技术伺服驱动技术 机械技术（机电一体化的基础）机械技术（机电一体化的基础）机械技术（机电一体化的基础）机械技术（机电一体化的基础） 系统总成技术系统总成技术系统总成技术系统总成技术1 1、检测传感技术、检测传感技术作用：作用：感受器官、反馈环节。感受器官、反馈环节。研究对象：研究对象：传感器及其信号检测装置（即变送器）传感器及其信号检测装置（即变送器）要求：要求：能快速、精确地获得信息并在相应的应能快速、精确地获得信息并在相应的应用环境中具有高可靠性。用环境中具有高可靠性。2 2、信息处理技术、信息处理技术 主要完成信息的交换、存取、运算、判断主要完成信息的交换、存取、运算、判断和决策等和决策等. .其主要工具是计算机。其主要工具是计算机。传感传感器器A/A/D D计算计算机机D/D/A A执行装执行装置置3 3、控制技术、控制技术 关于软件方面的技术，主要以控制理论为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、可指导，对控制系统设计、仿真、现场调试、可靠运行等。靠运行等。4 4、伺服驱动技术、伺服驱动技术 执行元件种类：执行元件种类：电动电动、液压液压、气压气压 研究对象：研究对象：执行元件执行元件及其及其驱动装置驱动装置驱动装置：驱动装置：各种电动机的驱动电源电路各种电动机的驱动电源电路 用来实现机电一体化产品的用来实现机电一体化产品的主功能主功能和和构造构造功能功能，影响系统的结构、重量、体积、刚性、，影响系统的结构、重量、体积、刚性、可靠性等。可靠性等。 5 5、机械技术、机械技术n n6 6、系统总体技术、系统总体技术n n 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地结合起来，以实现整体最优。其重要内容为接口技术。接口包括电气接口、机械接口、人机接口。 1.1.3 机电一体化技术的产生背景和发展趋势1. 201. 20世纪世纪6060年代前为第一阶段，年代前为第一阶段，“萌芽阶段萌芽阶段” 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。落后，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。2. 702. 70年代到年代到8080年代为第二阶段，年代为第二阶段，“蓬勃发展阶段蓬勃发展阶段” 计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体计算机技术、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。机电一体化技术和产品得到了极化的发展奠定了技术基础。机电一体化技术和产品得到了极大发展；各国开始对机电一体化技术和产品给以很大的关大发展；各国开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。注和支持。 n n3. 903. 90年代后期开始为第三阶段，年代后期开始为第三阶段，“智能化阶段智能化阶段”n n人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨人工智能技术、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。大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。机电一体化技术的发展趋势n n机电一体化技术的发展必须依赖并促进相关技术的发展，机电一体化技术的发展必须依赖并促进相关技术的发展，机电一体化技术的发展必须依赖并促进相关技术的发展，机电一体化技术的发展必须依赖并促进相关技术的发展，同时也必然与社会的发展结合。机电一体化技术正在向智同时也必然与社会的发展结合。机电一体化技术正在向智同时也必然与社会的发展结合。机电一体化技术正在向智同时也必然与社会的发展结合。机电一体化技术正在向智能化、网络化、微型化和系统化发展。能化、网络化、微型化和系统化发展。能化、网络化、微型化和系统化发展。能化、网络化、微型化和系统化发展。n n1 1 智能化智能化n n 智能化是智能化是2121世纪机电一体化技术发展的一个重要发展世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。机器人与数控机床的智能化就是重要应用。方向。机器人与数控机床的智能化就是重要应用。 “智智能化能化”是在是在控制理论控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、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。辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。2 2 网络化网络化n n随着计算机的发展，网络技术也得到巨大发展，随着计算机的发展，网络技术也得到巨大发展，在此基础上我们希望机电一体化产品也能够具在此基础上我们希望机电一体化产品也能够具备网络功能。备网络功能。n n3 3 微型化微型化n n 微型化兴起于微型化兴起于2020世纪世纪8080年代末，指的是机电一体化向年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械微电子机械系统系统（MEMSMEMS），泛指几何尺寸不超过），泛指几何尺寸不超过1cm1cm3 3的机电一体化产的机电一体化产品，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、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。精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。n n4 4 系统化系统化n n 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，一般除之二是通信功能的大大加强，一般除RS232RS232外，还有外，还有RS485RS485，RS422RS422，现场总线等等。，现场总线等等。1.2 1.2 机电一体化系统机电一体化系统1.2.1 1.2.1 系统构成系统构成位置位置位置位置, ,速度速度速度速度检测单元检测单元检测单元检测单元电机电机电机电机机械机械机械机械部件部件部件部件位置位置位置位置, ,速速速速度反馈度反馈度反馈度反馈CNCCNC数控机床伺服系统组成数控机床伺服系统组成数控机床伺服系统组成数控机床伺服系统组成执行器执行器执行器执行器控制控制控制控制信息信息信息信息电子控制单元电子控制单元电子控制单元电子控制单元动力源动力源动力源动力源检测传检测传检测传检测传感部分感部分感部分感部分机械本体机械本体机械本体机械本体参数变参数变参数变参数变化信息化信息化信息化信息驱驱驱驱动动动动力力力力能能能能 量量量量检测检测检测检测参数参数参数参数机电一体化系统组成要素框图机电一体化系统的功能结构机电一体化系统的功能结构机电一体化系统的功能结构机电一体化系统的功能结构主功能主功能（变换变换 、传递传递 、储存储存 ）计测功能计测功能动力功能动力功能控制功能控制功能人或其它系统信息输入控制输出控制动力输入能量构构造造功功能能物质能量信息（新）物质能量信息（ 原）干扰废弃物输出输入输出1 1、机械本体、机械本体 机身、框架、机械联接等产品支持机机身、框架、机械联接等产品支持机构，构，实现实现构造功能构造功能。要求：可靠、小型、美观要求：可靠、小型、美观2 2、能源（动力）、能源（动力）提供能量，转换成需要的形式，实现提供能量，转换成需要的形式，实现动力动力功能。功能。要求：效率高、可靠性好要求：效率高、可靠性好3 3、检测传感装置（传感器检测）、检测传感装置（传感器检测）检测产品内部状态和外部环境，实现检测产品内部状态和外部环境，实现计测计测功能。功能。要求：体积小、精度高、抗干扰要求：体积小、精度高、抗干扰4 4、电子控制单元（控制与信息处理）、电子控制单元（控制与信息处理）处理、运算、决策，实现处理、运算、决策，实现控制功能。控制功能。要求：高可靠性、柔性、智能化要求：高可靠性、柔性、智能化5 5 5 5、执行机构（执行元件）、执行机构（执行元件）、执行机构（执行元件）、执行机构（执行元件）包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成要求的动作，实现要求的动作，实现要求的动作，实现要求的动作，实现主功能。主功能。主功能。主功能。要求：高性能、高精度、高效率要求：高性能、高精度、高效率要求：高性能、高精度、高效率要求：高性能、高精度、高效率n n机电一体化系统的五个组成要素之间并非彼此无关或者简机电一体化系统的五个组成要素之间并非彼此无关或者简机电一体化系统的五个组成要素之间并非彼此无关或者简机电一体化系统的五个组成要素之间并非彼此无关或者简单拼凑在一起，而是在工作中它们要各司其职，互相补充、单拼凑在一起，而是在工作中它们要各司其职，互相补充、单拼凑在一起，而是在工作中它们要各司其职，互相补充、单拼凑在一起，而是在工作中它们要各司其职，互相补充、互相协调，共同完成规定任务。互相协调，共同完成规定任务。互相协调，共同完成规定任务。互相协调，共同完成规定任务。1.2.2 机电一体化系统分类及其应用n n根据机电集成度，机电一体化和产品可划分为机电融合型、根据机电集成度，机电一体化和产品可划分为机电融合型、根据机电集成度，机电一体化和产品可划分为机电融合型、根据机电集成度，机电一体化和产品可划分为机电融合型、功能附加型和功能替代型三类。功能附加型和功能替代型三类。功能附加型和功能替代型三类。功能附加型和功能替代型三类。n n机电融合型产品的主要特征：机与电在更深层次上有机结机电融合型产品的主要特征：机与电在更深层次上有机结机电融合型产品的主要特征：机与电在更深层次上有机结机电融合型产品的主要特征：机与电在更深层次上有机结合。如传真机、复印机、合。如传真机、复印机、合。如传真机、复印机、合。如传真机、复印机、CNCCNC数控机床。数控机床。数控机床。数控机床。n n功能附加型产品的主要特征：在原有机械产品的基础上，功能附加型产品的主要特征：在原有机械产品的基础上，功能附加型产品的主要特征：在原有机械产品的基础上，功能附加型产品的主要特征：在原有机械产品的基础上，采用微电子技术，使产品功能增加和增强，性能得到提到。采用微电子技术，使产品功能增加和增强，性能得到提到。采用微电子技术，使产品功能增加和增强，性能得到提到。采用微电子技术，使产品功能增加和增强，性能得到提到。如电子秤、数显量具、全自动洗衣机。如电子秤、数显量具、全自动洗衣机。如电子秤、数显量具、全自动洗衣机。如电子秤、数显量具、全自动洗衣机。n n功能替代型产品的主要特征：采用微电子技术及装置取代功能替代型产品的主要特征：采用微电子技术及装置取代功能替代型产品的主要特征：采用微电子技术及装置取代功能替代型产品的主要特征：采用微电子技术及装置取代原产品中的机械控制功能、信息处理功能或主功能，是产原产品中的机械控制功能、信息处理功能或主功能，是产原产品中的机械控制功能、信息处理功能或主功能，是产原产品中的机械控制功能、信息处理功能或主功能，是产品结构简化、性能提高、柔性增强。如电子缝纫机、电子品结构简化、性能提高、柔性增强。如电子缝纫机、电子品结构简化、性能提高、柔性增强。如电子缝纫机、电子品结构简化、性能提高、柔性增强。如电子缝纫机、电子石英钟。石英钟。石英钟。石英钟。n n机电一体化产品应用于农业、制造业、交通运输业、信息机电一体化产品应用于农业、制造业、交通运输业、信息机电一体化产品应用于农业、制造业、交通运输业、信息机电一体化产品应用于农业、制造业、交通运输业、信息传输业、航空航天等。应用领域十分广泛。典型的机电一传输业、航空航天等。应用领域十分广泛。典型的机电一传输业、航空航天等。应用领域十分广泛。典型的机电一传输业、航空航天等。应用领域十分广泛。典型的机电一体化产品体化产品体化产品体化产品( (系统系统系统系统) )有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CADCADCAMCAM系统系统系统系统等。等。等。等。 数数控控铣铣床床数控车床数控车床数控车床数控车床焊接机器人焊接机器人焊接机器人焊接机器人n n汽车防抱死系统汽车防抱死系统(ABS)(ABS)