第1章 机电一体化概论

机电一体化技术中南大学机电工程学院张友旺第一章概论1.1

机电一体化基本概念1.2机电一体化发展概况1.3机电一体化系统的构成1.4机电一体化共性关键技术1.5机电一体化系统设计1.6机电一体化对机械工业的影响1.7机电一体化的发展1.1基本概念机电一体化技术：基于系统的观点，将机械、微电子、信息与控制等技术有机地加以综合，实现整个系统最佳化的一门新科学技术。机电一体化不是机械与电子简单的叠加，而是在信息论、控制论和系统论的基础上有机结合而建立起来的应用技术机电一体化信息与控制科学机械学电子学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)：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、CAD／CAM系统等。机电一体化中包含的关键技术在第四节中详细介绍。1.1基本概念数控铣床数控车床焊接机器人汽车防抱死系统(ABS)1.2发展概况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。2.70年代到80年代末为第二阶段，“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了技术基础这个时期的特点是：①mechatronics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；②机电一体化技术和产品得到了极大发展；③各国开始对机电一体化技术和产品给予很大的关注和支持。

3.90年代后期开始为第三阶段，“智能化阶段”

①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；②机电一体化在系统建模分析、设计和集成方法以及学科体系和发展趋势两方面进行了深入研究。③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，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。

1.2发展概况相关技术的发展对机电一体化的促进1.

数控机床的问世，写下了“机电一体化”历史的第一页。

2.

微电子技术为“机电一体化‘’带来勃勃生机。

3.

可编程序控制器、“电力电子”等的发展为”机电一体化“提供了坚强基础。4.

激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使”机电一体化“跃上新台阶。1.2发展概况1.3机电一体化系统的构成

位置、速度检测单元电机机械部件位置、速度反馈CNC数控机床伺服系统组成1.3机电一体化系统的构成执行器控制信息电子控制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1、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、能源提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能。要求：效率高、可靠性好1.3机电一体化系统的构成3、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5、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、高效率1.3机电一体化系统的构成4、电子控制单元处理、运算、决策，实现控制功能。要求：高可靠性、柔性、智能化。机电一体化系统具有的主要功能要素

主功能、信息功能、控制功能、动力功能、构造功能。以及各子系统的匹配技术（核心）—

接口技术。

机电系统五种内部功能构成CNC机床内部功能构成1.4共性关键技术1检测传感技术2信息处理技术3自动控制技术4伺服驱动技术5机械技术6系统总体技术1、检测传感技术作用：感受器官、反馈环节。研究对象：传感器及其信号检测装置（即变送器）要求：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。1.4共性关键技术2、信息处理技术

主要完成信息的转换、存取、运算、判断和决策等.其主要工具是计算机。传感器A/D计算机D/A执行装置4、伺服驱动技术

执行元件种类：电动、液压、气压

研究对象：执行元件及其驱动装置驱动装置：各种执行元件的驱动电源电路

实现机电一体化产品的主功能和构造功能，影响系统的结构、重量、体积、刚性、可靠性等。

5、机械技术1.4共性关键技术3、控制技术指系统软件方面的技术，主要以控制理论为指导，对控制系统进行的设计、仿真、现场调试、可靠运行等方面的内容。6、系统总体技术

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(包括硬件和软件)有机的结合起来，以实现整体最优。其重要或核心内容为接口技术。接口包括电气接口、机械接口、人机接口

1.4共性关键技术1.5机电一体化系统设计一、设计的一般原则二、市场调研三、总体方案设计四、详细设计五、样机试制与试验六、小批量生产七、大批量生产原则

从规范性、通用性、耐环境性、可靠性、经济性等多方面综合分析，结合现代设计方法和手段，达到机电一体化系统设计的三大目的省能源、省资源、智能化，提高机电产品的附加值和自动化程度。一、机电一体化系统设计的一般原则机电一体化系统的设计流程（p11）1）根据目的和功能确定系统规格、性能指标确定运动参数、动力参数、品质指标等基本性能指标。还要考虑工艺性指标、人机工程学指标、美学指标、标准化指标。2）系统功能部件的划分和确定3）接口设计4）综合评价5）试制与调试一、机电一体化系统设计的一般原则常用设计中考虑的方法(教材系统设计p13)1)机电互补法2)机电结合（融合）法3)机电组合法

现代设计方法：以计算机为辅助手段进行系统（产品）设计方法的总称,具体来说有相似设计法\模拟设计法\有限元设计法\可靠性设计法\动态分析设计法\优化设计法)。

一、机电一体化系统设计的一般原则常见的设计类型(教材系统设计p14)1)开发性设计2)适应性设计3)变异性设计现代设计方法内涵的扩展(教材系统设计p18)1)

计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）2)并行工程设计——全寿命周期设计3)虚拟产品设计与实现4)快速响应设计5)绿色环保产品设计6)反求设计7)网络协同合作设计全寿命周期设计意味着，设计产品不仅是设计产品的功能和结构，而且要设计产品的规划、设计、生产、经销、运行、使用、维修保养、直到回收再用处置的全寿命周期过程。一、机电一体化系统设计的一般原则机电一体化设计方法与现代设计方法的融合是优质、高效、快速实现机电一体化系统（产品）设计的有效方法和基本条件。二、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。1.5机电一体化系统设计三、总体方案设计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。1.5机电一体化系统设计机电一体化系统的评价体系

将提高机电一体化产品/系统附加值的各项综合指标作为评价体系的制定标准，即五大内部功能要素指标。系统（产品）内部功能

评

价

参

数

系统（产品价值）高低主功能

系统误差抗干扰能力废弃物输出变换效率小强少高大弱多低动力功能

输入能量能源少内装多外装控制功能可控输入输出接口数(人工)操作动作数多少少多构造功能尺寸、重量强度小、轻高大、重低计测功能或信息获取精度灵敏度高响应快低响应慢系统内部功能的发展方向及评价内容

五、样机试制与试验

产的详细设计完成后，进入样机试制与试验阶段。根据制造成本和性能试验的要求，制造几台样机供试验使用。样机的试验分实验室试验和实际工况试验，考核样机的各种性能指标是否满足设计要求及样机的可靠性。样机的性能指标和可靠性不满足设计要求，要修改设计，重新制造样机，重新试验。如样机的性能指标和可靠性满足设计要求，则进入产品的小批量生产阶段。1.5机电一体化系统设计四、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和技术文件的过程。

六、小批量生产

产品的小批量生产阶段实际上是产品的试生产试销售阶段。这一阶段的主要任务是跟踪调查产品在市场上的情况，收集用户意见，发现产品在设计和制造方面存在的问题，并反馈给设计、制造和质量控制部门。七、大批量生产

经过小批量试生产和试销售的考核，排除产品设计和制造中存在的各种问题后，即可投入大批量生产。1.5机电一体化系统设计1.6机电一体化对机械工业的影响

1

提高性能、扩展功能

今日的数控机床充分发挥计算机的威力，运用时间序列分析和精度创成等理论建立数学模型。已有可能实时预报包括随机误差在内的机床误差，然后自动校正，从而达到前所未有的精度。采用对阻尼进行预报，一旦接近临界值时就自动调整切削用量，这又可能出现永不颤振的机床，保证很高的生产率和良好的加工表面。2操作改善1.6机电一体化对机械工业的影响3

简化结构5节约能源目前我国各类电风扇年产量在200万台左右，如其调速器和定时器用电子调速器和定时器(现常用电磁机械式)，每台风扇可节电5W以上，全年以用扇100天，每天开扇6h计，则每年可节约用电量600万kW·h，还节省大批铜材和钢材。再如传统电焊机以电磁原理和手工操作为基础，即使是一般的自动电焊机，也是简单的机械动作和相应的控制，耗能多、效率低、质量不易保证。发展新颖的电子控制电源以取代传统焊接电源，实现节能、高效、小型化、多样化。1.6机电一体化对机械工业的影响4

提高可靠性

在提高电子元件质量、可靠性的前提下，机电一体化产品可以提高耐久性，减少故障率。另一方面由于赋予其自动监视诊断功能，并采取安全联锁控制，过负荷和失控保护、停电对策，提高了设备的安全可靠性。1.7机电一体化的发展趋势

1智能化

智能化是机电一体化技术发展的一个重要方向。人工智能在机电一体化的研究中日益得到重视，如机器人与数控机床的智能化。“智能化”是基于控制理论，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。2

模块化机电一体化产品种类和厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的产品单元十分复杂但非常重要。需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。因利益冲突，短期很难制定国际或国内相关的标准，但可组建一些大企业以逐渐形成。电气产品的标准化、系列化，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，规模化将带来美好的前程。3

网络化由于网络的普及，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。1.7机电一体化的发展趋势4微型化

微型化兴起于20世纪80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。国外称其为微电子机械系