机电一体化系统的基本概念和基本构成共性关键技术以及发展的课件

1、机电一体化技术1参考书目机电一体化技术与系统机械工业出版社 梁景凯等机电一体化控制技术与系统 西安电子科技大学出版社 计时鸣机电一体化设计基础 科学出版社 朱喜林等 机电一体化技术科学出版社，李建勇2第一章 绪论 1.1 机电一体化系统的基本概念 1.2 机电一体化系统的基本构成 1.3 机电一体化共性关键技术 1.4 机电一体化技术发展31.1 机电一体化系统的基本概念1、概念的提出日本在20世纪70年代提出,是机械与电子的集成技术 ,用Mechatronics表示.MechatronicsMechanicsElectronics4 从系统的观点出发，机电一体化技术是将机械技术 、微电子技术

2、、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新科学技术。 在机械主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引入微电子技术，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 是机械工程、电子学和智能控制算法在产品设计和制造中的协同整合。 2、定义5 机电一体化一般包含机电一体化产品(系统)和机电一体化技术两层含义。 典型的机电一体化产品(系统)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、CADCAM系统等。 机电一体化技术：机电一体化不是机械与电子简单的叠加从系统的观点出发，将机械技术 、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工

3、程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新科学技术。61.2 系统的基本组成机电一体化系统控制与信息处理动力与驱动装置传感与检测部分机械本体执行机构71、机械本体 机身、框架、机械联接等产品支持机构，实现构造功能。要求：可靠、小型、美观2、动力驱动提供能量，转换成需要的形式，实现动力和驱动功能。要求：效率高、可靠性好83、检测传感装置检测产品内部状态和外部环境，实现计测功能。要求：体积小、精度高、抗干扰4、控制与信息处理处理、运算、决策，实现控制功能。要求：高可靠性、柔性、智能化95、执行机构包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成要求的动作，实现主功能。要求：高性能、高精度、高效

4、率10构成机电一体化系统与人体的对应部分及相应功能的关系 1112精密机械技术；信息处理技术；自动控制技术；检测传感技术；伺服驱动技术；系统总体技术 1. 与传统的机械产品的区别：机械结构更简单、机械功能更强、性能更优越。现代机械要求具有更新颖的结构、更小的体积、更轻的重量，还要求精度更高、刚度更大、动态性能更好。1.3 共性关键技术13 2. 信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策，实现信息处理的工具是计算机，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的软件技术和硬件技术，网络与通信技术，数据技术等。 3. 自动控制技术范围很广，机电系统设计在基本控制理论指导

5、下，对具体控制装置或控制系统进行设计；对设计后的系统进行仿真和现场调试，最后使研制的系统可靠地投入运行。控制系统是指由被控对象和控制装置所构成的，能够对被控对象的工作状态进行调节、使之具有一定的状态和性能的系统。 14 4. 传感与检测装置是系统的感受器官，它与信息系统的输入端相连并将检测到的信息输送到信息处理部分。传感与检测是实现自动控制、自动调节的关键环节，它的功能越强，系统的自动化程度就越高。传感与检测的关键元件是传感器。 5. 伺服驱动包括电动、气动、液压等各种类型的驱动装置，由微型计算机通过接口与这些传动装置相连接，控制它们的运动，带动工作机械作回转、直线以及其他各种复杂的运动。 驱

6、动装置主要指各种电动机的驱动电源电路。15 6. 系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统的观点和全局角度，把功能和技术方案组成方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。系统总体技术解决的是系统的性能优化问题和组成要素之间的有机联系问题，即使各个组成要素的性能和可靠性很好，但如果整个系统不能很好协调，系统也很难正常运行。16 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通过具有电磁特性的各种电器来实现，如继电器、接触器等，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

7、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。 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。而并行工程将上述各种技术尽量在各自范围内齐头并进，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。171.4 机电一体化的发展1). 20世纪60年代前为第一阶段，“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。2)

8、. 70年代到80年代为第二阶段，“蓬勃发展阶段” 计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。这个时期的特点是：mechatronics一词首先在日本被普遍接受，大约到20世纪80年代末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。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。3). 90年代后期开始为第三阶段，“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，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。18

9、机电一体化技术发展方向 1、智能化4、 网络化5 人格化 2、微型化3、模块化6、 绿色化19智能化：智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要方向。在控制理论的基础上，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新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维和自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。主要体现在诊断过程的智能化，人机接口的智能化，自动编程的智能化，加工过程的智能化。模块化：由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。这需要制定各项标准，以

10、便各部件、单元的匹配和接口。由于利益冲突，近期很难制定国际或国内这方面的标准，但可以通过组建一些大企业逐渐形成。显然，从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业，规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。20网络化：20世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网络技术。机电一体化新产品一旦研制出来，只要其功能独到，质量可靠，很快就会畅销全球。由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。微型化：微型化兴起于20世纪80年代末，指的

11、是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统（MEMS），泛指几何尺寸不超过1cm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 、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。21绿色化：机电一体化产品的绿色化是指，使用时不污染生态环境，报废后能回收利用。人格化：机电一体化的人格化有两层含义。一层是，机电一体化产品的最终使用对象是人，如何赋予机电一体化产品人的智能 情感 人性显得越来越重要，另一层是模仿生物机理，

12、研制各种机电一体化产品。22机电一体化系统设计所谓的系统设计,就是用系统思维综合运用各有关学科的知识、技术和经验,在系统分析的基础上,通过总体研究和详细设计,实现满足设计目标的产品研发过程。系统设计的基本原则是使设计工作获得最优化效果,在保证目的功能要求与适当使用寿命的前提下不断降低成本。系统设计的过程就是“目标功能结构效果”的多次分析与综合的过程。综合可理解为各种解决问题要素的拼合的模型化过程,这是一种高度的创造行为。分析是综合的反行为，也是提高综合水平的必要手段231.机电一体化系统的设计思想与方法一、机和电融合的设计思想二、系统的设计思想三、注重创新的设计思想24 2.机电系统总体设计方

13、案的过程可行性研究报告、任务书原理方案图、结构设计图、总装图零、部件工作图、设计技术文件工艺文件、样机试制试验、鉴定文件信息反馈、修改完善规划阶段总体阶段详细施工阶段调试生产阶段 销售阶段用户对产品的需求总体设计关键绘制生产图纸、设计说明书、使用说明书、明细表25一、市场调研二、总体方案设计三、详细设计四、样机试制与试验五、小批量生产六、大批量生产26一、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

14、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。27二、原理方案设计1产品方案构思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。 281、功能分解功能必要功能非必要功能基本功能附加功能29 工程设计中常用的的方法是“黑箱法” 1、黑箱法的基本原理： 将

15、所要实现给定功能的机电系统看作为一个未知内部功能结构、功能载体的“黑箱”，通过对输入量和输出量的分析，逐步掌握输入和输出的基本特征和转换关系，寻求能实现这种基本特征和转换关系的工作原理和功能载体。未知已知黑色白化机电一体化产品（黑箱）物料能量信息物料能量信息伴生输出伴生输入功能载体求解即：黑箱法的表达30物料：固体、液体、气体等任何物体；能量：机械能、电能、热能、化学能、光能等；信息：数据、指示值、测量值、控制信号、波形等。物料的转换指如何将毛坯、半成品转换成成品；能量的转换指如何将其它形式的能量转换成机械能或机械能变成其它形式能量；信息的传输或转换指将物理量的测量和显示、控制信号的传递等。2

16、、黑箱法求解方法黑箱法求解过程就是黑箱白化的过程，步骤如图所示：31详细表达输入和输出量建立输入和输出间关系寻找合适的实例设定系统的总功能进行总功能分解寻找系统的功能解评价与决策32冲床（黑箱）板料电能控制信号成型工件机械能、摩擦能工作状态显示振动、噪声温度、振动例1：冲床的黑箱法表述二、功能结构分析1、功能结构示意图和功能元总功能 分功能 分功能的原理方案33总功能1231.11.21.33.13.21.2.11.2.23.1.13.1.2层层层功能结构示意图34最小的基本分功能或满足功能要求的最小单位称之为功能元物理功能元：变换、合并分离、传导隔阻、储存逻辑功能元：与、或、非数学功能元：加

17、、减、乘、除、乘方、开方、微分、积分2、功能元实施原理方案的选择 各种功能实施的基础：以自然科学原理为基础的技术效应，例如以物理学为主要技术基础的力学、机械学、电学、磁学、光学等原理广泛应用于工程技术的各个领域，即所谓的物理效应。 实施的要点：同一种功能可以用不同的技术效应来实现，选出最佳的功能元实施原理方案.35三、功能结构图1、三种基本功能结构类型： 串联结构并联结构环型结构F1F2F3F1F2F3F1F2F32、功能结构图的建立从上层分功能的结构考虑起，逐层向下细化。36 形态学矩阵建立在功能分解和功能求解的基础上，得到多种可行方案，经筛选、评价可以获得最佳方案。形态学矩阵的运用步骤：

18、进行方案构思选择系统原理方案时，用“穷尽法”将各分功能的解全部列出，就可写出功能-功能解的形态学矩阵，形态即相应的实现各分功能的执行机构和技术手段。总功能分解 形态构想和功能求解方案组成方案评价和选择新颖性、先进性实用性设计经验、资料积累、创新能力专业知识、情报资料相容条件、连接条件等37形态学矩阵列表 12345F1F11F12F13F2F21F22F23F24F25F3F31F32F33F34功能载体分功能理论上组合出的的方案数为：N=3546038三、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。 39四、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