机电一体化系统设计方案基础.docx

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机电一体化系统设计方案基础

第一章机电一体化技术导论

本章导读：

机电一体化作为一门新型的综合性学科，涉及的知识领域非常广泛。

本章首先介绍机电一体化的概念、发展过程及其与机械电气化的根本区别，进而阐释其内涵和本质，并通过典型实例归纳出其优越性。

其次通过机电一体化系统与人体各部位相对比，剖析系统的构成，从而指出分析机电一体化系统的基本途径；第三，重点介绍机电一体化的理论基础与关键技术，明确系统论、信息论、控制论是机电一体化技术的理论基础和方法论。

提出发展机电一体化技术所面临的共性关键技术，并分析它们在系统中所起的作用及其发展对机电一体化技术的影响等。

最后，通过回顾机电一体化技术的发展历程，展望机电一体化的主要发展方向和趋势。

学习内容与要求：

1.学习并掌握机电一体化的基本概念内涵和本质；

2.了解机电一体化产品的分类；

3.学习并理解机电一体化系统的基本组成；

4.学习并熟练掌握机电一体化的理论基础与关键技术；

5.了解机电一体化的发展状况和发展趋势。

本章重点：

1.机电一体化的基本概念内涵和本质；

2.机电一体化的理论基础与关键技术。

本章难点：

机电一体化的理论基础与关键技术

媒体使用说明：

学生可通过文字教材理解机电一体化学科的基本概念、基本理论与关键技术及其发展简况等知识。

文字教材中的重点、难点在录像教材和流媒体IP课件有较详尽的讲解；诸如机电一体化的系统构成及典型产品的工作过程等用文字不易表达清楚的教案内容以实物、照片、场景等视频方式作为辅助教案手段；另外在流媒体IP课件中着重讲解本章知识重、难点的典型实例以及本章的学习思路方法等内容。

1.1概述

机电一体化又称机械电子学，英文称为Mechatronics，它是由英文机械学Mechanics的前半部分与电子学Electronics的后半部分组合而成。

机电一体化最早出现在1971年日本《机械设计》杂志的副刊上，随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化的概念被人们广泛接受和普遍使用。

1996年出版的WEBSTER大词典收录了这个日本造的英文单词，这不仅意味着“Mechatronics”这个单词得到了世界各国学术界和企业界的认可，而且还意味着“机电一体化”的哲理和思想为世人所接受。

图1-1机电一体化与其它学科的关系

那么，什么是机电一体化呢？

到目前为止，就机电一体化这一概念的内涵国内外学术界还没有一个完全统一的表述。

目前，较普遍的提法是“日本机械振兴协会经济研究所”于1981年的解释：

“机电一体化是在机械主功能、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关软件有机结合而构成系统的总称”。

机电一体化是以机械学、电子学和信息科学为主的多门技术学科在机电产品发展过程中相互交叉、相互渗透而形成的一门新兴边缘性技术学科。

这里面包含了三重含义：

首先，机电一体化是机械学、电子学与信息科学等学科相互融合而形成的学科。

图1-1形象地表达了机电一体化与机械学、电子学和信息科学之间的相互关系；其次，机电一体化是一个发展中的概念，早期的机电一体化就像其字面所表述的那样，主要强调机械与电子的结合，即将电子技术“溶入”到机械技术中而形成新的技术与产品。

随着机电一体化技术的发展，以计算机技术、通信技术和控制技术为特征的信息技术<即所谓的“3C”技术：

Computer、Communication和ControlTechnology）“渗透”到机械技术中，丰富了机电一体化的含义，现代的机电一体化不仅仅指机械、电子与信息技术的结合，还包括光<光学）机电一体化、机电气<气压）一体化、机电液<液压）一体化、机电仪<仪器仪表）一体化等；最后，机电一体化表达了技术之间相互结合的学术思想，强调各种技术在机电产品中的相互协调，以达到系统总体最优。

因此，机电一体化是多种技术学科有机结合的产物，而不是它们的简单叠加。

机电一体化与机械电气化的主要区别有：

①电气机械在设计过程中不考虑或少考虑电器与机械的内在联系，基本上是根据机械的要求，选用相应的驱动电机或电气传动装置；②机械和电气装置之间界限分明，它们之间的联结以机械联结为主，整个装置是刚性的；③装置所需的控制是基于电磁学原理的各种电器来实现，属强电范畴，其主要支撑技术是电工技术。

机械工程技术由纯机械发展到机械电气化，仍属传统机械，主要功能依然是代替和放大人的体力。

但机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的延伸，具有“智能化”的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质差别。

从概念的外延来看，机电一体化包括机电一体化技术和机电一体化产品两个方面。

机电一体化技术是从系统工程的观点出发，将机械、电子和信息等有关技术有机结合起来，以实现系统或产品整体最优的综合性技术。

机电一体化技术主要包括技术原理和使机电一体化产品<或系统）得以实现、使用和发展的技术。

机电一体化技术是一个技术群<族）的总称，包括检测传感技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、机械技术及系统总体技术等。

机电一体化产品有时也称为机电一体化系统，它们是两个相近的概念，通常机电一体化产品指独立存在的机电结合产品，而机电一体化系统主要指依附于主产品的部件系统，这样的系统实际上也是机电一体化产品。

机电一体化产品是由机械系统<或部件）与电子系统<或部件）及信息处理单元<硬件和软件）有机结合、而赋予了新功能和新性能的高科技产品。

由于在机械本体中“溶入”了电子技术和信息技术，与纯粹的机械产品相比，机电一体化产品的性能得到了根本的提高，具有满足人们使用要求的最佳功能。

现实生活中的机电一体化产品比比皆是。

我们日常生活中使用的全自动洗衣机、空调及全自动照相机，都是典型的机电一体化产品；在机械制造领域中广泛使用的各种数控机床、工业机器人、三坐标测量仪及全自动仓储，也是典型的机电一体化产品；而汽车更是机电一体化技术成功应用的典范，目前汽车上成功应用和正在开发的机电一体化系统达数十种之多，特别是发动机电子控制系统、汽车防抱死制动系统、全主动和半主动悬架等机电一体化系统在汽车上的应用，使得现代汽车的乘坐舒适性、行驶安全性及环保性能都得到了很大的改善；在农业工程领域，机电一体化技术也在一定范围内得到了应用，如拖拉机自动驾驶系统、悬挂式农具的自动调节系统、联合收获机工作部件<如脱粒清选装置）的监控系统、温室环境自动控制系统等。

如今，机电一体化已从原来以机械为主的领域拓展到目前的汽车、电站、仪表、化工、通信、冶金等领域。

而且机电一体化产品的概念不再局限在某一具体产品的范围，如数控机床、机器人等，现在已扩大到控制系统和被控制系统相结合的产品制造和过程控制的大系统，例如柔性制造系统

1.2机电一体化系统的基本组成

1.2.1机电一体化系统的功能组成

传统的机械产品主要是解决物质流和能量流的问题，而机电一体化产品除了解决物质流和能量流外，还要解决信息流的问题。

如图1-1所示，机电一体化系统的主要功能就是对输入的物质、能量与信息<即所谓工业三大要素）按照要求进行处理，输出具有所需特性的物质、能量与信息。

系统的主功能包括三个目的功能：

①变换<加工、处理）功能；②传递<移动、输送）功能；③储存<保持、积蓄、记录）功能。

主功能是系统的主要特征部分，是实现系统目的功能直接必需的功能，主要是对物质、能量、信息或其相互结合进行变换、传递和存储。

以物料搬运、加工为主，输入物质<原料、毛坯等）、能量<电能、液能、气能等）和信息<操作及控制指令等），经过加工处理，主要输出改变了位置和形态的物质的系统<或产品），称为加工机，如各种机床、交通运输机械、食品加工机械、起重机械、纺织机械、印刷机械、轻工机械等。

以能量转换为主，输入能量<或物质）和信息，输出不同能量<或物质）的系统<或产品），称为动力机，其中输出机械能的为原动机，如电动机、水轮机、内燃机等。

以信息处理为主，输入信息和能量，主要输出某种信息<如数据、图像、文字、声音等）的系统<或产品），称为信息机，如各种仪器、仪表、传真机以及各种办公机械等。

机电一体化系统除了具备上述必需的主功能外，还应具备图1-2所示的其它内部功能。

即动力功能、检测功能、控制功能、构造功能。

动力功能是向系统提供动力、让系统得以运转的功能；检测功能和控制功能的作用是解决各种信息的获取、传输、处理和利用，从而能够根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转，实施目的功能。

而构造功能则是使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必需的功能。

从系统的输入/输出来看，除有主功能的输入/输出之外，还需要有动力输入和控制信息的输人/输出。

此外，还有因外部环境引起的干扰输入以及非目的性输出<如废弃物等）。

例如汽车的废气和噪音对外部环境影响，从系统设计开始就应予以考虑。

图1-3是CNC机床的功能原理构成的实例。

由于未指明主功能的加工机构，它代表了具有相同主功能及控制功能的一大类型的机电一体化系统，如金属切削数控机床、电加工数控机床、激光加工数控机床以及冲压加工数控机床等。

显然，由于主功能的具体加工机构不同，其它功能的

具体装置也会有差别，但其本质是数控加工机床。

1.2.2机电一体化系统的构成要素

从机电一体化系统的功能看，人体是机电一体化系统理想的参照物。

如图1-4

相应的功能如图1-4

通过类比就可发现，机电一体化系统内部的五大功能与人体的上述功能几乎是一样的，而实现各功能的相应构成要素如图1-4

机电一体化系统五大要素实例如图1-5所示。

表1-1列出了机电一体化系统构成要素与人体构成要素的对应关系。

因此，一个较完善的机电一体化系统，应包括以下几个基本要素：

机械本体、动力系统、检测传感系统、执行部件、信息处理及控制系统，各要素和环节之间通过接口相联系。

表1-1机电一体化系统构成要素与人体构成要素的对应关系

机电一体化系统要素

功能

人体要素

控制器<计算机等）

控制<信息存储、处理、传送）

头脑

传感器

检测<信息收集与变换）

感官

执行部件

驱动<操作）

四肢

动力源

提供动力<能量）

内脏

机械本体

支撑与联接

躯干

机电一体化系统中机械部分是主体，这不仅是由于机械本体是系统重要的组成部分，而且系统的主要功能必须由机械装置来完成，否则就不能称其为机电一体化产品。

如电子计算机、非指针式电子表等，其主要功能已由电子器件和电路等完成，机械已退居次要地位，这类产品应归属于电子产品，而不是机电一体化产品。

因此，机械系统是实现机电一体化产品功能的基础，从而对其提出了更高的要求，需在结构、材料、工艺加工及几何尺寸等方面满足机电一体化产品高效、可靠、节能、多功能、小型轻量和美观等要求。

除一般性的机械强度、刚度、精度、体积和重量等指标外，机械系统技术开发的重点是模块化、标准化和系列化，以便于机械系统的快速组合和更换。

其次，机电一体化的核心是电子技术，电子技术包括微电子技术和电力电子技术，但重点是微电子技术，特别是微型计算机或微处理器。

机电一体化需要多种新技术的结合，但首要的是微电子技术，不和微电子结合的机电产品不能称为机电一体化产品。

如非数控机床，一般均有电动机驱动，但它不是机电一体化产品。

除了微电子技术以外，在机电一体化产品中，可根据需要进行一种或多种技术相结合。

因此，机电一体化是以机械为主体、以微电子技术为核心，强调各种技术的协同和集成的综合性技术。

1.3机电一体化系统的分类

机电一体化技术和产品的应用范围非常广泛，涉及到工业生产过程的所有领域，因此，机电一体化产品的种类很多，而且还在不断地增加。

按照机电一体化产品的功能，可以将其分成下述几类。

1．数控机械类

数控机械类主要产品为数控机床、工业机器人、发动机控制系统和自动洗衣机等。

其特点为执行机构是机械装置。

2．电子设备类

电子设备类主要产品为电火花加工机床、线切割加工机床、超声波缝纫机和激光测量仪等。

其特点为执行机构是电子装置。

3．机电结合类

机电结合类主要产品为自动探伤机、形状识别装置和CT扫描仪、自动售货机等。

其特点为执行机构是机械和电子装置的有机结合。

4．电液伺服类

电液伺服类主要产品为机电一体化的伺服装置。

其特点为执行机构是液压驱动的机械装置，控制机构是接受电信号的液压伺服阀。

5．信息控制类

信息控制类主要产品为电报机、磁盘存储器、磁带录像机、录音机以及复印机、传真机等办公自动化设备。

其主要特点为执行机构的动作完全由所接收的信息类控制。

此外，机电一体化产品还可根据机电技术的结合程度分为功能附加型、功能替代型和机电融合型三类。

按产品的服务对象领域和对象，可将机电一体化产品分成工业生产类、运输包装类、储存销售类、社会服务类、家庭日常类、科研仪器类、国防武器类以及其它用途类等不同的种类。

1.4机电一体化的优点和效益

随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化产品有逐步取代传统机电产品的趋势，这完全取决于机电一体化技术所存在的优越性和潜在的应用性能。

与传统的机电产品相比，机电一体化产品具有高的功能水平和附加价值，它将给开发生产者和用户带来社会经济效益。

1．生产能力和工作质量提高

机电一体化产品大都具有信息自动处理和自动控制功能，其控制和检测的灵敏度、精度以及范围都有很大程度的提高，通过自动控制系统可精确地保证机械的执行机构按照设计的要求完成预定的动作，使之不受机械操作者主观因素的影响，从而实现最佳操作，保证最佳的工作质量和较高的产品合格率。

同时，由于机电一体化产品实现了工作的自动化，使得生产能力大大提高。

例如，数控机床对工件的加工稳定性大大提高，生产效率比普通机床提高5～6倍，柔性制造系统的生产设备利用率可提高1.5～3.5倍，机床数量可减少约50％，节省操作人员数量约50％，缩短生产周期40％，使加工成本降低50％左右。

2．使用安全性和可靠性提高

机电一体化产品一般都具有自动监视、报警、自动诊断、自动保护等功能。

在工作过程中，遇到过载、过压、过流、短路等电力故障时，能自动采取保护措施，避免和减少人身与设备事故，显著提高设备的使用安全性。

机电一体化产品由于采用电子元器件，减少了机械产品中的可动构件和磨损部件，从而使其具有较高的灵敏度和可靠性，产品的故障率低，寿命得到了延长。

3．调整和维护方便，使用性能改善

机电一体化产品在安装调试时，可通过改变控制程序来实现工作方式的改变，以适应不同用户对象的需要以及现场参数变化的需要。

这些控制程序可通过多种手段输入到机电一体化产品的控制系统中，而不需要改变产品中的任何部件或零件。

4．具有复合功能，适用面广

机电一体化产品跳出了机电产品的单技术和单功能限制，具有复合技术和复合功能，使产品的功能水平和自动化程度大大提高。

机电一体化产品一般具有自动化控制、自动补偿、自动校验、自动调节、自动保护和智能化等多种功能，能应用于不同的场合和不同领域，满足用户需求的应变能力较强。

例如，电子式空气断路器具有保护特性可调、选择性脱扣、正常通过电流与脱扣时电流的测量、显示和故障自动诊断等功能，使其应用范围显著扩大。

5．改善劳动条件，有利于自动化生产

机电一体化产品自动化程度高，是知识密集型和技术密集型产品，是将人们从繁重体力劳动中解放出来的重要途径，可以加速工厂自动化、办公自动化、农业自动化、交通自动化甚至是家庭自动化，从而可促进我国四个现代化的实现。

6．节约能源，减少耗材

节约一次和二次能源是国家的战略目标，也是用户十分关心的问题。

机电一体化产品，通过采用低能耗驱动机构，最佳的调节控制，以提高设备的能源利用率，可达到明显的节能效果。

同时，由于多种学科的交叉融合，机电一体化系统的许多功能一方面从机械系统转移到了微电子、计算机等系统，另一方面从硬件系统转移到了软件系统，从而使得机电一体化系统朝着轻小型方向发展，减少了材料消耗。

因此，无论是生产部门还是使用单位，机电一体化技术和产品，都会带来显著的社会和经济效益。

正因为如此，世界各国，首先是日本、美国、欧洲各国都在大力发展和推广机电一体化技术。

下面以汽车工业为例，来分析微电子技术和微型计算机技术对汽车及汽车生产系统带来的巨大影响。

一方面是汽车产品的机电一体化革命，另一方面，汽车的生产制造系统也发生了巨大的变化。

微电子技术和微处理机技术彻底改变了汽车产品的面貌，“汽车电子化”被称为汽车技术的又一次革命性飞跃。

机电一体化的现代新型汽车在操作性、可靠性、高速度、安全性、低油耗、减少排气污染和维修性、舒适性等各方面性能大幅度提高，汽车电子化程度成为汽车产品市场竞争性的极重要因素，汽车电子也逐渐发展成为一个新兴产业。

在现代汽车生产中，多数应用计算机进行经营和生产管理，利用CAD进行产品设计，使用数控机床和柔性生产线进行零部件加工，使用机器人从事喷漆、焊接、组装、搬运等工作。

汽车车身通常需要进行3000～4000次点焊，其中90％以上的焊点可由工业机器人完成。

意大利菲亚特汽车公司的两条汽车装配线，每条线上都分布有50多个机器人，可在平均lmin内完成一部汽车的焊接工作。

数控自动化生产能够节约原材料、动力及其他工厂辅助设备，降低废品率，减轻工人的劳动强度，并使劳动生产率提高300倍。

现代机电一体化生产系统使得汽车生产的质量和产量迅速大幅度提高，同时整个生产系统可以通过改变程序适应不同型号汽车的制造，缩短新产品设计生产周期，尽快适应市场需求的变化。

传统产业机电一体化革命所带来的优质、高效、低耗、柔性增强了企业的经济竞争能力，引起各个国家和企业的极大重视。

机电一体化新型产品将逐步取代大部分传统机械产品，传统的机械装备和生产管理系统将被大规模地改造和更新为机电一体化生产系统，机电一体化产业将占据主导地位，机械工业将以机械电子工业的新面貌得到迅速发展。

1.5机电一体化的理论基础与关键技术

1.5.1理论基础

系统论、信息论、控制论的建立，微电子技术尤其是计算机技术的迅猛发展，引起了科学技术的又一次革命，诱发了机械工程的机电一体化。

系统论、信息论、控制论无疑是机电一体化技术的理论基础，是机电一体化技术的方法论。

开展机电一体化技术研究时，无论在工程的构思、规划、设计方面，还是在它的实施或实现方面，都不能只着眼于机械或电子，不能只看到传感器或计算机，而是要用系统的观点，合理解决信息流与控制机制问题，有效地综合各有关技术，才能形成所需要的系统或产品。

机电一体化技术是从系统工程观点出发，应用机械、微电子等有关技术，使机械、电子有机结合，实现系统或产品整体最优的综合性技术。

小型的生产、加工系统，即使是一台机器，也都是由许多要素构成的，为了实现其“目的功能”，还需要从系统角度出发，不拘泥于机械技术或电子技术，并寄希望于能够使各种功能要素构成最佳结合的柔性技术与方法。

机电一体化工程就是这种技术和方法的统一。

机电一体化系统是一个包括物质流、能量流和信息流的系统，有效地利用各种信号所携带的丰富信息资源，则有赖于信号处理和信息识别技术。

考察所有机电一体化产品，就会看到准确的信息获取、处理、利用在系统中所起的实质性作用。

1.5.2关键技术

微电子技术、精密机械技术是机电一体化的技术基础。

微电子技术的进步，尤其是微型计算机技术的迅速发展，为机电一体化技术的进步与发展创造了前提。

机电一体化产品中的许多重要零部件都是利用超精密加工技术制造的。

就连微电子技术本身的发展也离不开精密机械技术。

例如，大规模集成电路

因此，精密机械加工技术促进了微电子技术的不断发展，微电子技术的不断发展又推动了精密机械技术中加工设备的不断更新。

由于机电一体化是一个工程和大系统，发展该技术面临以下共性的关键技术及其发展：

传感检测技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、接口技术、精密机械技术及系统总体技术等，同时也要受到社会条件、经济基础的重大影响。

一、传感检测技术

在机电一体化产品中，工作过程的各种参数、工作状态以及与工作过程有关的相应信息都要通过传感器进行接收，并通过相应的信号检测装置进行测量，然后送入信息处理装置以及反馈给控制装置，以实现产品工作过程的自动控制。

机电一体化产品要求传感器能快速和准确地获取信息并且不受外部工作条件和环境的影响，同时检测装置能不失真地对信息信号进行放大、输送和转换。

传感器技术的发展正进入集成化、智能化研究阶段。

把传感器件与信号处理电路集成在一个芯片上，就形成了信息型传感器；若再把微处理器集成到信息型传感器的芯片上，就是所谓的智能型传感器。

大力开展传感器研究，对于机电一体化技术的发展具有十分重要的意义。

二、信息处理技术

信息处理技术是指在机电一体化产品工作过程中，与工作过程各种参数和状态以及自动控制有关的信息输入、识别、变换、运算、存储、输出和决策分析等技术。

信息处理得是否及时、准确，直接影响机电一体化系统或产品的质量和效率，因而也是机电一体化的关键技术。

在机电一体化产品中，实现信息处理技术的主要工具是计算机。

计算机信息处理装置是产品的核心，它控制和指挥整个机电一体化产品的运行。

信息处理是否正确、及时，直接影响到系统工作的质量和效率，因此计算机应用及信息处理技术已成为促进机电一体化技术发展和变革的最活跃的因素。

人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等都属于计算机信息处理技术。

三、自动控制技术

自动控制是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。

自动控制技术的广泛应用，不仅大大提高了劳动生产率和产品质量，改善了劳动条件，而且在人类征服大自然、探索新能源、发展空间技术与改善人类物质生活等方面起着极为重要的作用。

机电一体化将自动控制作为重要的支撑技术，自动控制装置是它的重要组成部分。

四、伺服驱动技术

伺服驱动技术主要是指机电一体化产品中的执行元件和驱动装置设计中的技术问题，它涉及设备执行操作的技术，对所加工产品的质量具有直接的影响。

机电一体化产品中的执行元件有电动、气动和液压等类型，其中多采用电动式执行元件，驱动装置主要是各种电动机的驱动电源电路，目前多由电力电子器件及集成化的功能电路构成。

执行元件一方面通过接口电路与计算机相联，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联，以实现规定的动作。

因此，伺服驱动技术直接影响着机电一体化产品的功能执行和操作，对产品的动态性能、稳定性能、操作精度和控制质量等具有决定性的影响。

五、接口技术

机电一体化系统是机械、电子和信息等性能各异的技术融为一体的综合系统，其构成要素和子系统之间的接口极其重要。

从系统外部看，输入/输出是系统与人、环境或其它系统之间的接口；从系统内部看，机电一体化系统是通过许多接口将各组成要素的输入/输出联系成一体的系统。

因此，各要素及各子系统之间的接口性能就成为综合系统性能好坏的决定性因素。

机电一体化系统最重要的设计任务之一往往就是接口设计。

六、精密机械技术

精密机械技术是机电一体化的基础，因为机电一体化产品的主功能和构造功能大都以机械技术为主来得以实现。

随着高新技术引入机械行业，机械技术面临着挑战和变革。

在机电一体化产品中，它不再是单一地完成系统间的连接，在系统结构、重量、体积、刚性与耐用性方面对机电一体化系统有着重要的影响。

机电一体化产品对机械部分零部件的静、动态刚度、热变形等机械性能有更高的要求。

特别是关键零部件，如导轨、滚珠丝杠、轴承、传动部件等的材料、精度