机电一体化一

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1、机电系统控制技术机电系统控制技术 第一章第一章 概概 论论 目目 录录 第一节第一节 机电一体化基本概念机电一体化基本概念 第二节第二节 机电一体化发展概况机电一体化发展概况 第三节第三节 机电一体化产品的构成机电一体化产品的构成 第四节第四节 机电一体化产品的分类机电一体化产品的分类 第五节第五节 机电一体化共性关键技术机电一体化共性关键技术 第六节第六节 机电一体化设计及其工程路线机电一体化设计及其工程路线 第一节第一节 机电一体化基本概念机电一体化基本概念 n n 机电一体化是随着生产和技术的发展，在以机机电一体化是随着生产和技术的发展，在以机 械、电子技术为主的多门技术学科相互渗透、相

2、互械、电子技术为主的多门技术学科相互渗透、相互 结合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴边缘技结合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴边缘技 术学科。机电一体化的英文名称是术学科。机电一体化的英文名称是MechatronicsMechatronics， 是由日本人通过截取英文机械学（是由日本人通过截取英文机械学（MechanicsMechanics）的词）的词 头和电子学（头和电子学（ElectronicsElectronics）的词尾组合在一起创造）的词尾组合在一起创造 出来的一个新的英文名词。这一名词最早出现在出来的一个新的英文名词。这一名词最早出现在 19711971年日本的年日本的机械设计

3、机械设计杂志副刊上，后来随着杂志副刊上，后来随着 机电一体化的发展而被广泛引用，目前已在世界范机电一体化的发展而被广泛引用，目前已在世界范 围内得到普遍承认和接受。围内得到普遍承认和接受。 n n 机电一体化是一个综合的概念，包含了技术和机电一体化是一个综合的概念，包含了技术和 产品两方面内容。它首先是指机电一体化技术，其产品两方面内容。它首先是指机电一体化技术，其 次是指机电一体化产品。机电一体化技术是指包括次是指机电一体化产品。机电一体化技术是指包括 技术基础、技术原理在内的、使机电一体化产品得技术基础、技术原理在内的、使机电一体化产品得 以实现、使用和发展的技术。机电一体化产品是指以实现

4、、使用和发展的技术。机电一体化产品是指 采用机电一体化技术，在机械产品基础上创造出来采用机电一体化技术，在机械产品基础上创造出来 的新一代机电产品。的新一代机电产品。 第一节第一节 机电一体化基本概念机电一体化基本概念 n n 机电一体化的突出特点在于它在机械产品中机电一体化的突出特点在于它在机械产品中 注入了过去所没有的新技术，把电子器件的信息注入了过去所没有的新技术，把电子器件的信息 处理和自动控制等功能处理和自动控制等功能“ “揉合揉合” ”到机械装置中去，到机械装置中去， 从而获得了过去单靠某一种技术而无法实现的功从而获得了过去单靠某一种技术而无法实现的功 能和效果。机电一体化技术的重

5、要实质是应用系能和效果。机电一体化技术的重要实质是应用系 统工程的观点和方法来分析和研究机电一体化产统工程的观点和方法来分析和研究机电一体化产 品或系统（可统称为机电一体化产品），综合运品或系统（可统称为机电一体化产品），综合运 用各种现代高新技术进行产品的设计与开发，通用各种现代高新技术进行产品的设计与开发，通 过各种技术的有机结合，实现产品内部各组成部过各种技术的有机结合，实现产品内部各组成部 分的合理匹配和外部的整体效能最佳。分的合理匹配和外部的整体效能最佳。 第一节第一节 机电一体化基本概念机电一体化基本概念 第一节第一节 机电一体化基本概念机电一体化基本概念 第二节第二节 机电一体化

6、发展概况机电一体化发展概况 n n 自电子技术一问世自电子技术一问世, ,电子技术与机械技术的结合就电子技术与机械技术的结合就 开始了开始了, ,只是出现了半导体集成电路只是出现了半导体集成电路, ,尤其是出现尤其是出现 了以微处理器为代表的大规模集成电路以后了以微处理器为代表的大规模集成电路以后, ,“ “机机 电一体化电一体化” ”技术才有了明显进展技术才有了明显进展, ,引起了人们的广引起了人们的广 泛注意泛注意. . n n ( (一一) )“ “机电一体化机电一体化” ”的发展历程的发展历程 1.1.数控机床的问世数控机床的问世, ,写下了写下了“ “机电一体化机电一体化” ”的第一

7、的第一 页。页。 2.2.微电子技术为微电子技术为“ “机电一体化机电一体化 带来勃勃生机。带来勃勃生机。 3.3.可编程序控制器、电力电子等的发展为可编程序控制器、电力电子等的发展为” ”机电机电 一体化一体化“ “提供了坚强基础。提供了坚强基础。 4.4.激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使“ “ 机电一体化机电一体化” ”跃上新台阶。跃上新台阶。 第二节第二节 机电一体化发展概况机电一体化发展概况 n n ( (二二) )“ “机电一体化机电一体化” ”发展趋势发展趋势 1.1.光机电一体化：一般的机电一体化系统是由传光机电一体化：一般的机电一体化

8、系统是由传 感系统、能源系统、信息处理系统、机械结构等感系统、能源系统、信息处理系统、机械结构等 部件组成的。引进光学技术部件组成的。引进光学技术, ,实现光机电一体化，实现光机电一体化， 其优点是能有效地改进机电一体化系统的传感系其优点是能有效地改进机电一体化系统的传感系 统和信息处理系统，光机电一体化是机电产品发统和信息处理系统，光机电一体化是机电产品发 展的重要趋势。展的重要趋势。 第二节第二节 机电一体化发展概况机电一体化发展概况 2.2.自律分配系统化自律分配系统化柔性化。未来的机电一体柔性化。未来的机电一体 化产品化产品, ,控制和执行系统有足够的控制和执行系统有足够的“ “冗余度

9、冗余度” ”，有较，有较 强的强的“ “柔性柔性” ”，能较好地应付突发事件，被设计成，能较好地应付突发事件，被设计成“ “ 自律分配系统自律分配系统” ”。在自律分配系统中，各个子系统。在自律分配系统中，各个子系统 是相互独立工作的，子系统为总系统服务，同时是相互独立工作的，子系统为总系统服务，同时 具有本身的具有本身的“ “自律性自律性” ”，可根据不同的环境条件作，可根据不同的环境条件作 出不同反应。其特点是子系统可产生本身的信息出不同反应。其特点是子系统可产生本身的信息 并附加所给信息，在总的前提下，具体并附加所给信息，在总的前提下，具体“ “行动行动” ”是是 可以改变的。这样，既明

10、显地增加了系统的适应可以改变的。这样，既明显地增加了系统的适应 能力能力( (柔性柔性) )，又不因某一子系统的故障而影响整，又不因某一子系统的故障而影响整 个系统。个系统。 第二节第二节 机电一体化发展概况机电一体化发展概况 3.3.全息系统化全息系统化智能化。今后的机电一体化产品智能化。今后的机电一体化产品 “ “全息全息” ”特征越来越明显，智能化水平越来越高。这特征越来越明显，智能化水平越来越高。这 主要受益于模糊技术、信息技术主要受益于模糊技术、信息技术( (尤其是软件及芯尤其是软件及芯 片技术片技术) )的发展。除此之外，其系统的层次结构，的发展。除此之外，其系统的层次结构， 也变

11、简单的也变简单的“ “从上到下从上到下” ”的形式而为复杂的、有较多的形式而为复杂的、有较多 冗余度的双向联系的复杂结构。冗余度的双向联系的复杂结构。 第二节第二节 机电一体化发展概况机电一体化发展概况 4.4.“ “生物、软件生物、软件” ”化化仿生物系统化。今后的机仿生物系统化。今后的机 电一体化装置对信息的依赖性很大，并且往往在电一体化装置对信息的依赖性很大，并且往往在 结构上是处于结构上是处于“ “静态静态” ”时不稳定，但在动态时不稳定，但在动态( (工作工作) ) 时却是稳定的。这有点类似于活的生物：当控制时却是稳定的。这有点类似于活的生物：当控制 系统系统( (大脑大脑) )停止

12、工作时，生物便停止工作时，生物便“ “死亡死亡” ”，而当控，而当控 制系统制系统( (大脑大脑) )工作时，生物就很有活力。仿生学工作时，生物就很有活力。仿生学 领域中已发现的一些生物体优良的机构可为机电领域中已发现的一些生物体优良的机构可为机电 一体化产品提供新型机体，但如何使这些新型机一体化产品提供新型机体，但如何使这些新型机 体具有活的体具有活的“ “生命生命” ”还有待于深入研究。还有待于深入研究。 第二节第二节 机电一体化发展概况机电一体化发展概况 这一研究领域称为这一研究领域称为“ “生物生物软件软件” ”或或“ “生物系统生物系统” ” ，而生物的特点是硬件，而生物的特点是硬件

13、( (肌体肌体) )软件软件( (大脑大脑) )一一 体，不可分割。体，不可分割。 机电一体化产品虽然有向生物系统化发展趋势，机电一体化产品虽然有向生物系统化发展趋势， 但有一段漫长的道路要走。但有一段漫长的道路要走。 第二节第二节 机电一体化发展概况机电一体化发展概况 5.5.微型机电化微型机电化微型化。利用半导体器件制造微型化。利用半导体器件制造 过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米 级的机械元件。当将这一成果用于实际产品时，级的机械元件。当将这一成果用于实际产品时， 就没有必要区分机械部分和控制器了。届时机械就没有必要区分机械部分和控制器了

14、。届时机械 和电子完全可以和电子完全可以“ “融合融合” ”，机体、执行机构、传感，机体、执行机构、传感 器、器、CPUCPU等可集成在一起，体积很小，并组成一种等可集成在一起，体积很小，并组成一种 自律元件。这种微型机械学是机电一体化的重要自律元件。这种微型机械学是机电一体化的重要 发展方向。发展方向。 第二节第二节 机电一体化发展概况机电一体化发展概况 第三节第三节 机电一体化产品的构成机电一体化产品的构成 n n 一、机电一体化产品的功能构成一、机电一体化产品的功能构成 产品的目的功能是通过其内部功能实现的。产品的目的功能是通过其内部功能实现的。 机电一体化产品一般都须具备五种内部功能，

15、即机电一体化产品一般都须具备五种内部功能，即 主功能、动力功能、计测功能、控制功能和构造主功能、动力功能、计测功能、控制功能和构造 功能，每一种内部功能又由产品中具体的功能部功能，每一种内部功能又由产品中具体的功能部 件加以实现。件加以实现。 图1-1 产品目的功能图 第三节第三节 机电一体化产品的构成机电一体化产品的构成 图图1-2 CNC1-2 CNC机床的内部功能构成机床的内部功能构成 第三节第三节 机电一体化产品的构成机电一体化产品的构成 n n 二、机电一体化基本结构要素二、机电一体化基本结构要素 1 1、机械本体、机械本体 包括机身、框架、机械联接等在内的产品支包括机身、框架、机械

16、联接等在内的产品支 持结构，属于基础部分，实现产品的构造功能。持结构，属于基础部分，实现产品的构造功能。 2 2、动力源、动力源 向系统提供能量，并将输入的能量转化成需向系统提供能量，并将输入的能量转化成需 要的形式，实现动力功能。要的形式，实现动力功能。 第三节第三节 机电一体化产品的构成机电一体化产品的构成 3 3、检测与传感装置、检测与传感装置 包括各种传感器及其信号检测电路，用于对包括各种传感器及其信号检测电路，用于对 产品运行时的内部状态和外部环境进行检测，提产品运行时的内部状态和外部环境进行检测，提 供运行控制所需的各种信息，实现计测功能。供运行控制所需的各种信息，实现计测功能。 4 4、控制与信息处理装置、控制与信息处理装置 根据产品的功能和性能要求以及传感器的反根据产品的功能和性能要求以及传感器的反 馈信息，进行处理、运算和决策，对产品运行施馈信息，进行处理、运算和决策，对产品运行施 以相应的控制。以相应的控制。 第三节第三节 机电一体化产品的构成机电一体化产品的构