第1章 机电一体化的基本概念(07版)

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1、现代机电产品设计陈世其机电学院u 教材： 朱林主编，机电一体化系统设计，北京：石油工业出版社，2008.u 参考书： 1机电一体化技术手册编委会机电一体化技术手册（第2版，第1 卷）北京：机械工业出版社，1999 . 2张训文编著机电一体化系统设计与应用，北京：北京理工大学 出版社，2006. 3刘龙江主编机电一体化技术北京：北京理工大学出版社， 2012. 4冯浩，汪建新，赵书尚主编机电一体化系统设计，武汉：华中 科技大学出版社，2009. 5赵松年, 李恩光, 裴仁清编机电一体化机械系统设计北京:机 械工业出版社,2004. 6张建民等编著机电一体化系统设计（修订版）北京：北京理 工大学出

2、版社，2010. 7.项占琴、王家平，李培玉编著，现代机电产品设计，浙江大学出版 社，2004.机电学院考核方式 本课程成绩包括考试成绩和平时成绩两部分。考 试成绩占70%，平时成绩占30%。平时成绩包括实 验、作业和出勤情况，成绩按百分制评定。 考试方式：开卷机电学院课程的性质、目的及任务 本课程是机械工程及自动化专业的专业选修课。 本课程将以机电一体化的系统设计为主线，结合 其共性的关键技术，对其组成的各子系统的设计 原理及设计方法进行系统的分析和介绍。通过本 课程的学习，使学生真正了解机电一体化的内涵 及机电一体化设计的理论和方法。目的在于培养 学生学会和掌握分析问题和解决实际问题的能力

3、 ，从而能够较灵活地综合运用相关技术进行机电 一体化产品的分析、设计与开发。机电学院课程的基本要求 通过本课程学习，学生应达到下列要求： 1、掌握机电一体化的真正内涵； 2、了解机电一体化的共性关键技术； 3、具有机电一体化系统各重要组成部分的分析及 设计能力； 4、具有机电一体化系统的设计思想和系统设计基 本能力。机电学院第1章 机电一体化的基本概念 1.1 机电一体化的基本概念 1.2 机电一体化系统的基本组成 1.3 机电一体化技术的理论基础与关键技术 1.4 机电一体化产品 1.5 机电一体化系统设计方法 1.6 机电一体化的现状与发展前景机电学院第1章 机电一体化的基本概念u教学目标

4、 1.掌握机电一体化定义 2.掌握机电一体化系统的基本组成 3.理解机电一体化系统的关键技术 4.了解机电一体化技术的现状和发展前景机电学院 1.1.1机电一体化的定义 伴随生产活动和科学技术的快速发展，机电一体化的具体 内容不断发展与更新，人们观察问题的角度不同，对机电 一体化的理解也就有所差异。因此，迄今为止，机电一体 化尚没有明确的统一定义。 关于“机电一体化”概念的提法，1981年日本机械振兴协会 对此作出的解释是：“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。 ”1.1 机电一体化的基本概念机电

5、学院1.1 机电一体化的基本概念 随着科学技术的发展，“机电一体化”不断被赋予新的内涵 ，但目前一般可认为“机电一体化”是微电子技术向机械工 业渗透过程中逐步形成的一个新概念，是从系统的观点出 发，将机械技术、微电子技术、信息技术等多门技术学科 在系统工程的基础上相互渗透、有机结合而形成和发展起 来的一门新的边缘技术学科。 1.1.2机电一体化的产生 科技进步和社会需求是任何事物产生和发展的前提，机电 一体化这一新事物的产生和发展也不能例外。机械技术、 计算机技术、微电子技术等的发展为机电一体化的产生奠 定了良好的基础，而人类社会对生产和生活产品在质量和 品种上的要求不断提高是机电一体化蓬勃发

6、展的动力。机电学院1.1 机电一体化的基本概念 机电一体化经历了长期的产生和发展过程。早在机电一体化 这一概念形成之前，世界各地的科技人员已为机械与电子技 术的有机结合做了大量工作，研究和开发了很多机电一体化 产品，比如电子工业领域内的雷达伺服系统，机械工业领域 内的数控机床、工业机器人等，这一切都为机电一体化这一 概念的形成奠定了基础。 1971年，日本机械设计杂志副刊正式提出了 “Mechatronics”这一名词，它是取Mechanics（机械学）的前 半部分和Electronics（电子学）的后半部分组合而成，即机 械电子学或机电一体化。在日本提出这一术语后，日、美、 英各国先后有一些

7、专著问世。国际自动控制联合会（IFAC ）、美国电气和电子工程师协会（IEEE）先后创办了名为 Mechatronics的期刊。近年来，国内也有不少教科书和期刊 出版社。机电学院1.1 机电一体化的基本概念 机电一体化作为一门新兴的边缘学科，始于二十世纪八十 年代，目前它已经逐渐成为机械工程的重要研究领域，代 表着机械工业技术革命的前沿方向。 1.1.3机电一体化的内容 机电一体化包含了技术和产品两方面的内容，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随着机械系统和微电子系

8、统的有机结 合，被赋予新的功能和性能的新产品。机电学院1.1 机电一体化的基本概念 机电一体化技术在制造业的应用从一般的数控机床、加工 中心和机械手发展到智能机器人、柔性制造系统（FMS ）、无人生产车间和将设计、制造、销售、管理集为一体 的计算机集成制造系统（CIMS），并扩展到目前的汽 车、电站、仪表、化工、通信、冶金等行业。此外，对传 统机电设备的改造也属于机电一体化的范畴。机电一体化 产品涉及工业生产、科学研究、人民生活、医疗卫生等各 个领域，如：集成电路自动生产线、激光切割设备、印刷 设备、家用电器、汽车电子化、微型机械、飞机、雷达、 医学仪器、环境监测等。机电学院1.1 机电一体化

9、的基本概念 1.1.4机电一体化的特点 我们可以从汽车工业的发展过程为例来观察机电一体化产 品的特点。在很长一段时间内，汽车是作为一项机械方面 的奇迹，它只有少量的电子附件。最初是启动电机，后来 是发电机，每种附件都使原先产品的性能比过去提高一 点。随着半导体和微电子学的出现，今天的汽车由微处理 器控制，机器人制造，并可通过计算机进行故障分析，从 而使机械奇迹变成了机械电子奇迹。机电学院1.1 机电一体化的基本概念 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。 与传统的机电产品相比，机电一体化产品具有高的功能水 平和附加值及明显的技术、经济、社会效益，这完全是由

10、 机电一体化技术的特点决定的。 机电一体化通过综合利用现代高新技术的优势，在提高产 品精度、增强功能、改善操作性和使用性、提高生产率、 降低成本、节约能源、降低消耗、减轻劳动强度、改善劳 动条件、提高安全性和可靠性、简化结构、减轻质量、增 强柔性和智能化程度、降低价格等诸多方面都取得了显著 成效。机电学院1.1 机电一体化的基本概念 机电一体化产品的显著特点是多功能、高效率、高智能、 高可靠性，同时又具有轻、薄、细、小、巧的优点，其目 的是不断满足人们生产生活的多样性和省时、省力、方便 的需求。机电学院1.1 机电一体化的基本概念 综上所述可以看出，机电一体化的本质是机械与电子技术 的规划应用

11、和有效结合，以构成一个最优的产品或系统。 机电一体化课程的特点： （1）涉及的知识面广，且大多为正在发展的新知识； （2）机电结合，综合应用； （3）部分内容与其他课程有交叉。机电学院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以外，还要解决信 息流的问题。 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。机电学院1.2 机电一体化系统的基本组成 任何一个产品都是为满足人们的某种需求而开发和生产的 ，

12、因而都具有相应的目的功能。机电一体化系统的主功能 包括变换（加工、处理）、传递（移动、输送）、储存（ 保持、积蓄、记录）三个目的功能。 主功能也称为执行功能，是系统的主要特征部分，完成对 物质、能量、信息的交换、传递和储存。机电一体化系统 除了具备主功能外，还应具备动力功能、检测功能、控制 功能、构造功能等其他功能。机电学院1.2 机电一体化系统的基本组成 加工机：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）。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、

13、印刷机械、轻工机械 等。 动力机：其中输出机械能的为原动机，是以能量转换为主 ，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）。如电动机、水轮机、内燃机等。 信息机：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 ）。如各种仪器、仪表、计算机、传真机以及各种办公机 械等。机电学院1.2 机电一体化系统的基本组成 图1-1以典型机电一体化产品数控机床（CNC）为例，说 明其内部功能构成： 切削加工是CNC机床的主功能，是实现其目的所必需的功 能。 电源通过电动机驱动机床，向机床提供动力，实现动力功 能。 位置检测装置和CNC装置

14、分别实现计测功能和控制功能， 其作用是实时检测机床内部和外部信息，据此对机床实施 相应控制。 机械结构所实现的是构造功能，使机床各功能部件保持规 定的相互位置关系，构成一台完整的CNC机床。机电学院1.2 机电一体化系统的基本组成 1.2.2机电一体化系统的构成要素 机电一体化系统一般由机械本体、传感检测、执行机构、 控制及信息处理、动力系统等五部分组成，各部分之间通 过接口相联系。 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。构成人体的五大要素分别是头脑、感官、四 肢、内脏及躯干。内脏提供人体所需的能量（动力），维 持人体活动；头脑处理各种信息并对其他要素实施控制； 感官获

15、取外界信息；四肢执行动作；躯干的功能是把人体 各要素有机地联系为一体。可以看到，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。机电一体 化系统的构成要素及实现功能如图1-2所示。机电一体化 系统基本组成可用图1-3所示的实例进行描述。机电学院1.2 机电一体化系统的基本组成 1.机械本体 机械本体包括机械结构装置和机械传动装置。 机械结构是机电一体化系统的机体，用于支撑和连接其他 要素，并把这些要素合理地结合起来，形成有机的整体。 机电一体化系统的机械结构包括：机身、框架、联接等。 机电一体化系统中的机械传动装置不再仅仅是转矩和转速 的变换器，而已成为伺服系统的组成部分，必须根据

16、伺服 控制的要求进行选择和设计，由于机电一体化产品技术性 能、水平和功能的提高，因而机械本体要在机械结构、材 料、加工工艺性以及几何尺寸等方面适应产品高效率、多 功能、高可靠性和节能、小型、轻量、美观等要求。图1-3机电学院1.2 机电一体化系统的基本组成 2.动力部分 动力部分是按照系统控制要求，为系统提供能量和动力， 去驱动执行机构工作以完成预定的主功能。动力系统包括 电、液、气等多种动力源。用尽可能小的动力输入获得尽 可能大的功能输出，是机电一体化产品的显著特征之一。 3.传感检测部分 传感检测部分是对系统运行中所需要的自身和外界环境的 各种参数及状态进行检测，然后变成可识别信号，传输到 信息处理单元，并且经过分析、处理后产生相应的控制信 息。其功能一般由专