农业机电一体化技术绪论

1、 第一节第一节 机电一体化时代与机电一体化技术革命机电一体化时代与机电一体化技术革命 第二节第二节 优先发展机电一体化的领域及其共性关键技术优先发展机电一体化的领域及其共性关键技术 第三节第三节 机电一体化系统构成要素及功能构成机电一体化系统构成要素及功能构成 第四节第四节 机电一体化系统构成要素之间的连接机电一体化系统构成要素之间的连接 第五节第五节 机电一体化系统的评价机电一体化系统的评价 第六节第六节 机电一体化系统设计的考虑方法及设计类型机电一体化系统设计的考虑方法及设计类型 第七节第七节 机电一体化系统的设计流程机电一体化系统的设计流程 第八节第八节 机电一体化工程与系统工程机电一体

2、化工程与系统工程 第九节第九节 机电一体化系统的设计程序、准则与规律机电一体化系统的设计程序、准则与规律 第十节第十节 机电一体化系统的开发工程与现代设计方法机电一体化系统的开发工程与现代设计方法 “机电一体化机电一体化”是机械技术、电子技术和信息技术等各相关是机械技术、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。中逐渐形成的一个新概念。 关于关于“机电一体化机电一体化”(Mechatronics)(Mechatronics)这个名词的起源，说法很这个名词的起源，说法很多，

3、早在多，早在197l197l年，日本年，日本机械设计机械设计杂志副刊就提出了杂志副刊就提出了“MechatronicsMechatronics”这一名词，这一名词，19761976年以广告为主的日本杂志年以广告为主的日本杂志Mechatronics design newsMechatronics design news开始使用，其中的开始使用，其中的“MechatronicsMechatronics”是是Mechanics(Mechanics(机械学机械学) )与与 E1ectronics (E1ectronics (电子学电子学) )组合而成的日本造英组合而成的日本造英语。语。第一节第一节

4、机电一体化时代机电一体化时代 与机电一体化技术革命与机电一体化技术革命Mechatronics is the synergistic combination of Mechanical engineering, Electronic engineering, Computer engineering, Control engineering, and Systems Design engineering to create, design, and manufacture useful products. Due to development of fiber optics and other

5、 light technology, optical engineering and fiber optics are being integrated into the course and are replacing some electronics courses. The term mechatronics is defined as a multidisciplinary engineering system design, that is to say it rejects splitting engineering into separate disciplines. Frenc

6、h standard NF E 01-010 gives the following definition: “approach aiming at the synergistic integration of mechanics, electronics, control theory, and computer science within product design and manufacturing, in order to improve and/or optimize its functionality. 较为人们所接受的含义：较为人们所接受的含义： “机电一体化是在机机电一体化

7、是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引用械的主功能、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机结合而构成系统的总称”ASME在在19841984年给现代机械明确定义为：年给现代机械明确定义为：由计算机信息网络由计算机信息网络协调与控制的，用于完成机械力，运动和能量流等动力学协调与控制的，用于完成机械力，运动和能量流等动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统。任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统。 90年代国际机器和机械理论研究会（年代国际机器和机械理论研究会（IFT

8、MM）定义为：定义为：机电一机电一体化是精密机械工程、电子控制和系统思想在产品设计和制造体化是精密机械工程、电子控制和系统思想在产品设计和制造过程中的协同结合过程中的协同结合 。1996年年IEEE与与ASME在联合创刊在联合创刊机电一体化学报机电一体化学报开卷开卷“编者的编者的话话”中的中的定义为：定义为：在工业产品和过程的设计和制造中，机械工程在工业产品和过程的设计和制造中，机械工程与电子和智能计算机控制的协同集成。与电子和智能计算机控制的协同集成。 从与传统（纯）机械的异同角度从与传统（纯）机械的异同角度： 与纯机械产品的相同之处：具有鲜明的机械含义，有明与纯机械产品的相同之处：具有鲜明

9、的机械含义，有明确的物理的执行功能，需要变革物理世界中的具体物质，具确的物理的执行功能，需要变革物理世界中的具体物质，具有能量的输入和输出；有能量的输入和输出； 与纯机械产品的不同之处：纯机械是一种与纯机械产品的不同之处：纯机械是一种“刚性刚性”极强的极强的系统，单元和连接均是刚性的，每种连接对应于一种功能需系统，单元和连接均是刚性的，每种连接对应于一种功能需求。显然其功能的适应性（柔性）较差。求。显然其功能的适应性（柔性）较差。从与电子产品的异同角度从与电子产品的异同角度： 机电一体化系统中，机械本体是主体，系统的主要功能机电一体化系统中，机械本体是主体，系统的主要功能必须由机械来完成，否则

10、就不能称其为机电一体化产品（如必须由机械来完成，否则就不能称其为机电一体化产品（如手表）。手表）。 机电一体化的核心是电子技术（包括微电子和电力电子）；机电一体化的核心是电子技术（包括微电子和电力电子）；不与微电子结合的机械产品不能称为机电一体化产品。不与微电子结合的机械产品不能称为机电一体化产品。从与相关技术的区别角度从与相关技术的区别角度：1、与机电学（、与机电学（Electromechanics)的区别；的区别；2、与并行工程（、与并行工程（Concurrent Engineering)的区别；的区别；3、与自动控制的区别；、与自动控制的区别；4、与计算机应用的区别。、与计算机应用的区别

11、。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合，以提高机械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。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计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化

12、的发展奠定了技术基础这个时期的特点是：了技术基础这个时期的特点是：mechatronics mechatronics （日本（日本机械设计机械设计 Mechatronics (Mechanics Mechatronics (Mechanics Electronics)Electronics)）一词首先在日本被普遍接受，大约到一词首先在日本被普遍接受，大约到2020世纪世纪8080年代末年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；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；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。各国均开始对

13、机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。 3.903.90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” 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；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。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

14、的巨大进步，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。体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。 加工制造加工制造 典型产品是各种类型数控机床，工业机器人；其他为自动化仓库；数控锻压机械；数控铸造机械：数控切割机；数控焊接设备（微机控制对焊机、电阻焊机、弧焊机器人） 。测试和控制测试和控制 数控三座标测量仪；微机控制或电子化的各种检查仪；各种微机控制的数位式仪表、自动测试仪、分析仪、调节控制仪表等。

15、 交通和工程交通和工程 起重运输机械：如电子控制机车、自动导引车、电子控制塔吊、叉车运输监控系统等。汽车、拖拉机、农业机械：如微机控制发动机、电子调速器、刹车防抱装置、点火控制系统、全电子化汽车、拖拉机、农业机械等。 轻工机械用光机电一体化产品和系统轻工机械用光机电一体化产品和系统 如微电子控制纺织机械、印刷机械、食品生产、包装机械，制浆造纸、皮革加工、塑胶加工机械及各种监测控制装置等。 办公通讯设备办公通讯设备 如影印机,图形文字编辑机,各种资讯传递、储存和处理装置、广播电视通讯设备、图像处理装置等。 消费消费 这类产品与民众日用机电产品密切相关，应用量大面广，主要产品有：电子化家用电器,光

16、机电一体化医疗器械，电子照相机，全自动彩色扩印设备、磁录照相机等。应用领域应用领域 “将微型计算机等微电子技术用于机械并给机械以智能的技术革新潮流 ” “机电一体化时代机电一体化时代” 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，为机械增添了“头脑”，增加了新的功能和性能，从而进入以机电有机结合为特征的“机电一体化时代”。 是使系统(产品)高附加价值化，即多功能化、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、小巧化方向发展，不断满足人们生活的多样化需求和生产的省力化、自动化需求。机电一体化的机电一体化的“目的目的” 第二节第二节 优先发展机电一体

17、化的 领域及其共性关键技术 优先发展的机电一体化领域必须同时具备下述几个条件： 短期或中期普遍需要； 具有显著的经济效益 ； 具备或经过短期努力能具备必需的物质技术基础； 社会效益十分显著的领域 。 优先发展的系统 (或产品）领域实现机电一体化,必须解决这些系统 采用微电子技术所面临的共性关键技术，这些共性关键技术有检测传感技术、信息处理技术、检测传感技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、精密机械伺服驱动技术、自动控制技术、精密机械技术及系统总体技术等。技术及系统总体技术等。共 性 关 键 技 术第三节第三节 机电一体化系统 构成要素及功能构成执行器执行器控制信息控制信息电子控制单元

18、电子控制单元动力源动力源检测传感部分检测传感部分机械本体机械本体参参数数变变化化信信息息驱驱动动力力能能量量检测参数检测参数机械本体机械本体 机械本体包括机架、机械连接、机械传动等。机械本体包括机架、机械连接、机械传动等。 检测传感部分检测传感部分 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

19、行器发出相应的控制指令。出相应的控制指令。 电子控制单元电子控制单元 电子控制单元又称电子控制单元又称ECU (Electrical Control Unit), ECU (Electrical Control Unit), 是机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。发出相应的指令，控制整个系统有目的地运行。 执行器执行器 执行器的作

20、用是根据电子控制单元的指令驱动机械部件的运动。执行器的作用是根据电子控制单元的指令驱动机械部件的运动。 动力源动力源 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。制要求向机器系统提供能量和动力使系统正常运行。 机电一体化系统（产品）要素功能人体要素控制器（计算机等） 控制（信息存储、处理、传递）头脑检测传感器计测（信息收集与变换）感官执行元件驱动（操作）肌肉动力源提供动力（能量）内脏机构构造骨骼机电一体化系统（产品）构成要素与人体构成要素的对应关系机电一体化系统（产品）构成要素与人

21、体构成要素的对应关系 第四节第四节 机电一体化系统构成机电一体化系统构成 要素的相互连接要素的相互连接 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）。 构成要素之相互联系构成要素之相互联系附加价值： 高性能化 低价格化 高可靠性化 智能化 省能化 短小轻薄化 第五节第五节 机电一体化系统机电一体化系统 的功能评价的功能评价机电一体化系统的内部功能与系统价值第六节第六节 机电一体化系统设计的考虑方法及机电一体化系统设计的考虑方法及设计类型设计类

22、型 一、系统（产品）设计的一、系统（产品）设计的 考虑方法考虑方法 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。 工业三大要素与机电一体化工业三大要素与机电一体化 的三大效果的三大效果 工业三大要素 物质、能量和信息物质、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 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

23、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。 1) 1) 机电互补法 2) 2) 结合(融合)法 3) 3) 组合法机电一体化系统（产品）设计系统（产品）设计的考虑的考虑 方方 法法 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) 1) 机电互补法 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 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

24、体化系统（品），故称组合法。3）组合法二、机电一体化系统二、机电一体化系统 的设计类型的设计类型 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 1）开发性设计）开发性设计 它是在总的方案原理基本保持不变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，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部适应性设计，以使产品的性能和质量增加某些附加价值增加某些附加价值。

25、 2)适应性设计 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求。3)变异性设计第七节第七节 机电一体化系统(产品) 的设计流程(1) 根据目的功能确定产品规格、性能指标(2) 系统功能部件、功能要素的划分(3) 接口的设计 (4) 综合评价(或整体评价)(5) 可靠性复查(6) 试制与调试 机电一体化系统(产品) 的设计流程 第八节第八节 机电一体化工程与系统工程机电一体化工程与系统工程 给定机电一体化系统(产品)“目的功能”与“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、制造的整个过程为机电一体化工程。 系统工程是系统科学的一个工

26、作领域，而系统科学本身是一门关于“针对目的要求而进行合理的方法学处理”的边缘科学，系统工程的概念不仅包括“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，也包括“工程”，即产生一定效能的方法。1978年，钱学森就曾指出：“系统工程是组织管理系统的规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都具有普遍意义的科学方法”。系统工程是以大系统为对象、以数学方法和大型计算机等为工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和反馈控制等功能进行分析、设计、制

27、造和服务，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目标，以便充分发挥人力、物力和财力，通过各种组织管理技术，使局部与整体之间协调配合，实现系统的综合最优化。系统工程是数学方法和工程方法的汇集。系统工程系统工程 机电一体化工程是系统工程在机电一体化工程中的具体应用。机电一体化技术是从系统工程观点出发，机械与电子有机结合，实现系统或产品整体最优的综合性技术。机电一体化工程第九节第九节 系统（产品）的设计程序、准则和规律 设计中一般采用三阶段法，即总体设计、部件（零件）的选择与设计或初步设计、技术设计与工艺设计。在试验性设计与计算机辅助设计中，多采用既分阶段又平行兼顾的设计即并行设计，以便相互协调。

28、1) 1) 设计程序 设计准则主要考虑“人、机、材料、成本”等因素，而产品的可靠性、适用性与完善性设计最终可归结于在保证目的功能要求与适当寿命的前提下不断降低成本。2) 2) 设计准则 总结一般系统的设计，具有以下规律：根据设计要求首先确定离散元素间的逻辑关系，然后研究其相互间的物理关系，这样就可根据设计要求和手册确定其结构关系，最终完成全部设计工作；其中确定逻辑关系阶段是关键，如逻辑关系不合理，其设计必然不合理。 3) 3) 设计规律第十节第十节 机电一体化系统(产品) 设计与现代设计方法 机电一体化系统机电一体化系统( (产品产品) )的种类不同，其设计的种类不同，其设计方法也不同。现代设

29、计方法与用经验公式、图表和方法也不同。现代设计方法与用经验公式、图表和手册为设计依据的传统设计方法不同，它是以计算手册为设计依据的传统设计方法不同，它是以计算机为辅助手段进行机电一体化系统（产品）设计的机为辅助手段进行机电一体化系统（产品）设计的有效方法。其设计步骤通常是：有效方法。其设计步骤通常是：技术预测技术预测市场需市场需求求信息分析信息分析科学类比科学类比系统设计系统设计创新性设计创新性设计因时制宜的选择各种具体的现代设计方法因时制宜的选择各种具体的现代设计方法( (相似设相似设计法、模拟设计法、有限元设计法、可靠性设计法、计法、模拟设计法、有限元设计法、可靠性设计法、动态分析设计法、

30、优化设计法等动态分析设计法、优化设计法等)机电一体化设计机电一体化设计质量的综合评价质量的综合评价等。等。 科学技术日新月异，技术创新发展迅猛。现代设计方法的内含在不断扩展，新概念层出不穷。例如：计算机辅助设计与并行工程、虚拟设计、快速响应设计、绿色设计、反求设计，等等。机电一体化系统开发工程的流程开始开始需求分析与需求设计需求分析与需求设计拟定总体方案、划分功能模块拟定总体方案、划分功能模块功能模块制作与调试功能模块制作与调试系统整体安装调试与可靠性、抗干扰性复核系统整体安装调试与可靠性、抗干扰性复核总体评价总体评价各功能模块和接口设计各功能模块和接口设计方案论证、确定模块设计目标方案论证、

31、确定模块设计目标满意否？满意否？满意否？满意否？满意否？满意否？编写技术文档资料编写技术文档资料工艺定型工艺定型开始开始产品规产品规划划概念设概念设计计详细设详细设计计设计实设计实施施设计定设计定型型机电一体化系统系统设计流程机电一体化系统系统设计流程 计算机辅助设计与并行工程计算机辅助设计与并行工程 计算机辅助设计（CAD）是设计机电一体化产品(系统)的有力工具。用来设计一般机械产品的CAD的研究成果，包括计算机硬件和软件，以及图像仪和绘图仪等外围设备，都可以用于机电一体化产品（系统）的设计，需要补充的不过是有关机电一体化系统（产品）设计和制造的数据、计算方法和特殊表达的形式而已。计算机辅助

32、设计与并行工程计算机辅助设计与并行工程（CE-concurrent engineeringCE-concurrent engineering） 是把产品（系统）的设计、制造及其相关过程作为一个有机整体进行综合（并行）协调的一种工作模式。这种工作模式力图使开发者们从一开始就考虑到产品全寿命周期 从概念形成到产品（系统）报废 内的所有因素。并行工程的目标是提高产品（系统）的生命全过程（包括设计、工艺、制造、服务）中的全面质量，降低产品（系统）全寿命周期内（包括产品设计、制造、销售、客户应用、售后服务直至产品报废处理等）的成本，缩短系统的研法周期。并行工程与串行工程的差异就在于在产品的设计阶段就要按并行、交互、协调的工作模式进行产品（系统）设计，就是说，在设计过程中对产品（系统）寿命周期内的各个阶段的要求尽可能同时进行交互式协调。并行工程并行工程 虚拟产品是虚拟环境中的产品模型，是现实世界中的产品在虚拟环境中的映像。 虚拟产品设计是基于虚拟现实技术的新一代计算机辅助设计，是在基于多媒体的、交互