机械工程导论第七讲

1、第第讲讲七七教学基本要求教学基本要求1、掌握机电一体化的基本概念、基本原理和基本知识。3、初步掌握系统设计原理和综合集成技巧，了解机电一体化总体方案的分析和设计。2、了解典型机电一体化系统（产品）的构成、原理、性能和使用。第第讲讲七七第第讲讲七七机电一体化技术机电一体化技术即结合应用机械技术和电子技术于一体。随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，机电一体化技术获得了前所未有的发展，成为一门综合计算机与信息技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术和机械技术等交叉的系统技术。机电一体化，Mechatronics，是日本人在20世纪70年代初提出来的，它是将英文Mechanics的前半部分和El

2、ectronics的后半部分结合在一起构成的一个新词，意思是机械技术和电子技术的有机结合。这一名称已经得到包括我国在内的世界各国的承认，我国的工程技术人员习惯上把它译为机电一体化技术。第第讲讲七七第第讲讲七七第第讲讲七七第第讲讲七七机电一体化技术的发展大体上可分为三个阶段机电一体化技术的发展大体上可分为三个阶段20世纪70年代至80年代为第二阶段“蓬勃发展阶段”从20世纪90年代后期开始为第三阶段“智能化阶段”20世纪60年代以前为第一阶段“萌芽阶段”第第讲讲七七l六十年代，日本通产省为扩大机械功能，在机械上采用电气和电子技术，曾结合数控机床做过不少实验，但未能获得成功。l七十年代，微电子技术

3、成熟，微机商品化，大规模集成电路问世，构成微机的基本单元CPU、ROM、RAM和接口电路已经模块化，机电一体化得以现实。l1971年，日刊工业新闻社发行机电一体化入门和机电一体化月刊，专门刊载机电一体化新产品。l1976年，机电一体化，Mechatronics，由日本人命名。l1971到1978年日本政府颁发“机电法”和“机信法”，对机电一体化的发展起到积极推动作用。l八十年代，在“机信法”指导下，机电一体化的产品如雨后春笋不断涌现。l九十年代，集成度提高，价格下降，机电一体化技术在世界范围内得到迅猛发展，机电一体化技术遍及社会各个领域。全盛时期开始。第第讲讲七七机电一体化的定义在日本多种多样

4、。但最具有指导性的定义是日本机械振兴协会经济研究所提出的。1 1、日本关于、日本关于MechatronicsMechatronics的定义的定义机电一体化这个词乃是在机构的主功能、动力功能、信息与控制功能上引进了电子技术，并将机械装置与电子设备以及软件等有机结合而成的系统的总称。第第讲讲七七美国是机电一体化产品开发和应用的最早的国家。如世界上第一台数控机床(1952）、第一个工业机器人（1962）。2 2、美国关于现代机械系统的定义、美国关于现代机械系统的定义“由计算机信息网络协调与控制的,用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和机电部件相互联系的系统” 。美国机械工程师协会的一个

5、专家组于1984年在给美国国家科学基金会的报告中，提出了现代机械系统的定义。第第讲讲七七3、我国对机电一体化的理解、我国对机电一体化的理解 机电一体化是机电一体化技术及其产品的统称,还将柔性制造系统(FMS)(Flexible Manufacturing System)和计算机集成制造系统(CIMS)(Computer Integrated Manufacturing System)包括在内。机电一体化是在机械产品中的机构主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术和计算机技术,并将机械装置和电子设备以及计算机软件等有机结合起来构成的系统总称。 第第讲讲七七1、机电一体化技术与传统机

6、电技术的区别、机电一体化技术与传统机电技术的区别 传统机电技术的操作控制主要是通过具有电磁特性的各种电器来实现，在设计中不考虑或很少考虑彼此间的内在联系；机械本体和电气驱动界限分明，整个装置是刚性的，不涉及软件和计算机控制。 机电一体化技术以计算机为控制中心，在设计过程中强调机械部件和电器部件间的相互作用和影响，整个装置在计算机控制下具有一定的智能性。2、机电一体化技术与并行工程的区别、机电一体化技术与并行工程的区别 机电一体化技术将机械技术、微电子技术、计算机技术、控制技术和检测技术在设计和制造阶段就有机地结合在一起，十分注意机械和其他部件之间的相互作用。 并行工程将上述各项技术尽量在各自范

7、围内齐头并进，只在不同技术内部进行设计制造，最后通过简单叠加完成整体装置。第第讲讲七七第第讲讲七七3、机电一体化技术与自动控制技术的区别、机电一体化技术与自动控制技术的区别 自动控制技术的侧重点是讨论控制原理、控制规律、分析方法和自动系统的构造等。 机电一体化技术将自动控制原理及方法作为重要支撑技术，将自控部件作为重要控制部件，应用自动控制原理和方法，对机电一体化装置进行分析和性能测算。第第讲讲七七4、机电一体化技术与计算机应用技术的区别、机电一体化技术与计算机应用技术的区别 机电一体化技术只是将计算机作为核心部件应用，目的是提高和改善系统性能。其研究的是机电一体化系统，而不是计算机应用本身。

8、 计算机在机电一体化系统中的应用仅仅是计算机应用技术的一部分，计算机应用技术还可以在其他方面得到应用。第第讲讲七七 机电一体化系统一般由结构组成要素、动力组成要素、运机电一体化系统一般由结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、智能组成要素等有机结合而成。动组成要素、感知组成要素、智能组成要素等有机结合而成。机械本体（结构组成要素）是系统的所有功能要素的机械支持结构，一般包括有机身、框架、支撑、联接等。动力驱动部分（动力组成要素）依据系统控制要求，为系统提供能量和动力以使系统正常运行。测试传感部分（感知组成要素）对系统的运行所需要的本身和外部环境的各种参数和状态进行检测，并变成可

9、识别的信号，传输给信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。第第讲讲七七控制及信息处理部分（智能组成要素）将测试传感部分的信息及外部直接输入的指令进行集中、存储、分析、加工处理后，按照信息处理结果和规定的程序与节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的的运行。执行机构（运动组成要素）根据控制及信息处理部分发出的指令，完成规定的动作和功能。第第讲讲七七执行器控制信息控制与信息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 量检测参数机电一体化系统各部分的关联关系机电一体化系统各部分的关联关系第第讲讲七七动力系统控制系统执行机构检测部分机械本体大脑内脏五官手脚骨骼机电一体化系统各部分与人体

10、器官的等效关系机电一体化系统各部分与人体器官的等效关系第第讲讲七七 机电一体化技术是机械技术、信息处理技术、传感与检测机械技术、信息处理技术、传感与检测技术、自动控制技术、伺服传动技术、系统整体技术技术、自动控制技术、伺服传动技术、系统整体技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程的一种高新技术。 机电一体化技术从系统的观点出发，根据系统功能目标和优化组织结构目标，以智能、动力、结构、运动和感知等组成要素为基础，对各组成要素及相互之间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究，使得整个系统有机结合和综合集成，并在系统程序和微电子电路的有序信息流控制下，形成物质和能量的

11、有规则运动，在高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值的系统工程技术。第第讲讲七七1 1、机械技术、机械技术内涵：指机械结构的设计与制造。作用：完成机电一体化系统间的连接以及如何与机电一体化的其它技术相适应，并利用其它技术来更新概念，从而实现在结构、材料、性能上的变更，以满足减少重量、缩小体积、提高精度、提高刚度、改善性能的要求。第第讲讲七七2 2、信息处理技术、信息处理技术内涵：信息的变换、存取、运算、判断和决策；计算机的软件技术和硬件技术、网络与通信技术、数据库技术等。此外，人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等也属于该范畴。作用：是促进机电一体化技术发

12、展和变革最活跃的因素。 第第讲讲七七3 3、传感与检测技术、传感与检测技术内涵：研究如何将各种物理量转换成与之成比例的电量，研究对转换的电信号的加工处理。作用：传感与检测装置是机电一体化系统的感觉器官，它与信息系统的输入端相连，并将检测到的信号输送到信息处理部分，是实现自动控制、自动调节的关键环节。第第讲讲七七4 4、自动控制技术、自动控制技术内涵：基本控制理论，对具体控制装置或系统的设计，设计后的系统仿真、现场调试、投入运行。作用：实现机电一体化系统的目标最优化，提高产品的精度、效率。第第讲讲七七内涵：机电一体化产品中的执行元件和驱动装置设计中的技术。5 5、伺服驱动技术、伺服驱动技术作用：

13、伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件。执行元件一方面通过接口电路与计算机相连，接受控制系统的指令；另一方面通过机械接口与机械传动和执行机构相连，以实现规定的动作。伺服驱动技术对机电一体化产品的动态性能、稳定性能、操作精度和控制质量等具有决定性的影响。第第讲讲七七6 6、系统整体技术、系统整体技术内涵：以整体的概念，组织应用各种相关技术的应用技术。作用：通过分析、评价、综合等措施，优选出最佳的功能技术方案。第第讲讲七七开 始划分功能部件或功能子系统确定各功能部件或子系统的功能要素接 口 设 计整 体 评 价优否修 正 改 进可 靠 性 复 查可靠否试 制 与 调 试满意否结 束 机电一

14、体化产品机电一体化产品的设计流程的设计流程NOYESYESYESNONO根据产品的目的功能确定产品规格及性能指标第第讲讲七七系统（产品）的评价内容系统（产品）的评价内容高附加值化高性能化低价格化高可靠性化智能化省能化轻薄短小化机电一体化系统（产品）主功能计测、控制功能动力功能构造功能第第讲讲七七系统（产品）的设计类型系统（产品）的设计类型1、开发性设计2、适应性设计3、变异性设计 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。 在总的方案原理基本保持不变的情况下,对现有系统功能及结构进行局部更改,以使产品的性能和质量增加某些附加价值。 在设

15、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求。第第讲讲七七设计准则设计准则 既然是机电一体化系统，就要打破传统设计的思维方式，综合机械技术和电子技术各自的特点，达到优势互补，例如在经常需要调整转速的场合，用电子调速装置代替齿轮变速装置。不仅可以提高调速精度，而且灵活方便；采用可编程控制器代替电磁式继电器，不但可以提高调速精度，而且可以减小系统的体积和重量，给系统设计提供更大的灵活性，这就要求系统设计工作者从机械技术、电子技术、硬件技术和软件技术四个方面权衡经济和技术上的利弊得失，采取正确的选择方法。1、机电互补原则第第讲讲七七 在系统设计时，要抓住用户最关心的技术指标，特别是系统的可靠性、实用性，经济性等。对各种相关技术进行优化组合，而不是片面追求高指标、全功能。2、功能优化原则 高精度、高效率、高可靠性是机电一体化生产系统的重要指标，因此要求系统在运行过程中能实现自动控制、自动检测、自动调节、自动记录及自动显示；在出现故障时能进行自动诊断，自动采取应急措施，实现自动保护等；在工作对象变化时，能够灵活改变其工作状态，实现最大限度的柔性化；最大限度地减少人