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1、机电一体化概论,作者： 邵泽强,第一章 机电一体化概述,1.1 机电一体化的产生和发展,教学目标： 1、了解机电一体化的产生； 2、了解机电一体化的发展历程 3、了解机电一体化的发展趋势； 人类已进入一个新的世纪21世纪，回顾过去的20世纪，人类的经济和科学技术发展成果超过了过去所有世纪的总和。传统的学科正在脱胎换骨，新的学科不断问世，技术的融合程度比任何一次技术革命都高。机电一体化技术产生于这一背景下，自然符合科技的规律，也是机械学科发展的必然结果。它使古老的机械工业焕发青春，也对社会的发展产生着极为深刻的影响。,1.1.1 机电一体化的产生 早在40多年前，美国的科技人员就发明了世界上第一
2、台机器人，接着他们又发明了数控机床和用于小型汽车的电子燃油喷射装置等自动化产品和设备。这些自动化产品或设备都是典型的机电一体化的产品或设备，但是美国的工程技术人员始终没有为自己发明的新技术取个名字。,擅长引进、吸收和消化国外先进技术日本工程技术人员，在推广机电一体化先进技术的同时还大力宣传机电一体化的技术，并在机电一体化方面进行了许多专题研究。因此，日本机电一体化产品很快就接近了世界一流水平。此外，20世纪70年代初，日本人率先将英语词汇Mechanics（机械学）的前半部和Electronics（电子学）的后半部拼在一起，构成了Mechatronics。这个由日本人创造的日式英语词，现已被正
3、式采用。,在中国，Mechatronics被译成机电一体化，这个术语比较恰当地描绘了这一新技术的含义，因而很快被广大工程技术人员所接受。由于科学技术在不断地发展，机电一体化产品或设备的内容也在不断地更新，并不断地采用先进的技术，因此在理解机电一体化的含义时，可以将“机电”一词模糊为“先进技术”。这样，机电技术应用就意味着先进技术的应用。,1.1.2 机电一体化的发展 机电一体化的产生和迅速发展的根本原因在于社会的发展和科学技术的进步。系统工程、控制论和信息论是机电一体化的理论基础，也是机电一体化技术的方法论。目前，机电一体化技术已广泛应用于机械、建筑、农业、医疗等行业，并正向具有自适应性的智能
4、化发展。 目前，有自适应性的智能系统已进入采用模糊理论和模糊计算机的研制阶段。系统中配有模糊传感器和其他各种传感器，可以根据菜单的要求自动地完成一系列操作。,机电一体化的发展有一个从自发状况向自为方向发展的过程。以汽车工业为例。 汽车工业的变革，一方面是汽车产品的机电一体化革命，另 一方面，汽车的制造技术和装备也发生了巨大的变化，现代汽车生产大量使用数控机床、工业机器人、计算机控制系统等先进手段，以提高生产的自动化装备水平，使生产的产品真正与消费者所期望的优质、廉价、个性化等要求相一致。 以工业机器人的使用为例，1961年，美国研制出第一台机器人。 机器人的使用大大提高了生产效率和产品质量，同
5、时也节约了劳动力，降低了成本。,80年代以来，世界各国的汽车制造业正处于从传统的“大批量、少品种”的生产方式，向着“多品种、中小批量”的生产方式转变，以适应现代社会对产品品种规格越来越多样化的要求。为满足市场的需要，制造厂家必须不断增加产品的品种、提高产品的质量和降低制造成本。为此，在汽车工业中开始使用柔性制造系统（FMS Flexible Manufacturing System），并和CAD/CAPP/CAM及生产管理经营决策系统进行集成，把管理信息和制造活动借助计算机技术和网络技术有机联系起来，向计算机集成制造系统（CIMS Computer Integrated Manufacturi
6、ng System）发展。,机电一体化的发展大体可以分为三个阶段。20世纪60年代以前为第一阶段，这一阶段称为初级阶段。在这一时期，人们自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。 20世纪70至80年代为第二阶段，可称为蓬勃发展阶段。这一时期，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，一是“机电一体化”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；二是机电一体化技术和产品得到了极大发展；三是各国均开始对机电一体化技术和产品给予很大关注和支持。,20世纪90年代后期，机电一体化技术开始向智能化方向迈进，
7、机电一体化进入深入发展时期。一方面，.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角，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面对机电一体化系统得建模设计、分析和集成方法及机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。同时，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。,1.1.3 机电一体化的发展趋势 机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此，机电一体化的主要
8、发展方向如下： 1、智能化 智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。,2、模块化 模块化是一项重要而艰巨的工程。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。 3、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。网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育义举人么日常生活都带来了巨大的变革。,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
9、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1cm3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。,5、绿色化 工业的发达给人们生活带来了巨大变化。一方面，物质丰富，生活舒适；另一方面，资源减少，生态环境受到严重污染。 绿色产品概念在这种呼声下应运而生，绿色化是时代的趋势。 设计绿色的机电一体化产品，具有远大的发展前途。机电一体化产品的绿色化主要是指，使用时不污染
10、生态环境，报废后能回收利用。,6、系统化 系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现之二是通信功能的大大加强，一般除RS232外，还有RS485、DCS人格化。未来的机电一体化更加注重产品与人的关系，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，特别是对家用机器人，其高层境界就是人机一体化。另一层是模仿生物机理，研制各种机电一体花产品。事实上，许多机电一体化产品都是受动物的启发研制出来的。,1.2 机
11、电一体化的定义和内涵,教学目标： 1、了解机电一体化的含义； 2、了解机电一体化的内涵 3、了解机电一体化所涉及的相关技术,1.2.1 机电一体化的基本涵义 机电一体化是以微型计算机为代表的微电子技术和信息技术迅速发展，并向机械工业领域迅猛渗透，与机械电子技术深度结合的现代工业基础上，综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术及软件编程技术等群体技术，从系统观点出发，根据系统功能目标和优化组织结构目标，以智能、动力、结构、运动和感知等组成要素为基础，对各组成要素及其间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究，使得整个系统有机
12、结合与综合集成，并在系统程序和微电子电路的信息流有序控制下，形成物质和能量的有规则运动，在高功能、高质量、高精度、高可靠性、低消耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值系统工程技术。,机电一体化一词（Mechatronics）最早（1971年）起源于日本，它取英语Mechanics（机械学）的前半部和Electronics（电子学）的后半部拼合而成，字面上表示机械学和电子学两个学科的综合，在我国通常称为机电一体化或机械电子学。,机电一体化最本质的特性仍然是一个机械系统，其最主要功能仍然是进行机械能和其他形式的能的互换，利用机械能实现物料搬移或形态变化以及实现信息传递和变换。机电一体化系统与传
13、统机械系统的不同之处是充分利用计算机技术、传感技术和可控驱动元件特性，实现机械系统的现代化、智能化、自动化。,目前机电一体化技术能为人们普遍接受的涵义是“机电一体化乃是在机械的主功能、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设备以及相关软件有机结合而构成的系统总称”。,机电一体化不是机械技术和电子技术的简单叠加，而是将电子设备的信息处理功能和控制功能“揉和”到机械装置中去，从而达到扬长避短、互为补充的目的，使机电一体化产品更具有系统性、完整性和科学性。,目前世界上普遍认为机电一体化有两大分支，即生产过程的机电一体化和机电产品的机电一体化。生产过程的机电一体化意味着整个工业
14、体系得机电一体化，如机械制造过程机电一体化、冶金生产的机电一体化、化工生产的机电一体化、粮食及食品加工过程的机电一体化、纺织工业的机电一体化、排版与印刷的机电一体化等。,生产过程的机电一体化根据生产过程的特点（如生产设备和生产工艺是否连续）又可划分为离散制造过程的机电一体化和连续生产过程的机电一体化。前者以机械制造业为代表，后者以化工生产流程为代表。,机电产品的机电一体化是机电一体化的核心，是生产过程机电一体化的物质基础。传统的机电产品加上微机控制即可转变为新一代的产品，而新产品较之旧产品功能强、性能好、精度高、体积小、重量轻、更可靠、更方便，具有明显的经济效益。机电一体化产品销到儿童玩具、家
15、用电器、办公设备、大到数控机床、机器人、自动生产线等。,1.2.2 机电一体化的相关技术,机电一体化是多学科领域技术综合交叉的技术密集型系统工程，其主要相关技术可以归纳成六个方面，即：机械技术、传感检测技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术和系统总体技术。,1、机械技术 与一般的同类机械装置相比，机电一体化系统中的机械部分精度要求更高，结构更简单，功能更强大，性能更优越，同时还要有更好的可靠性、维护性和更新颖的结构。零部件要求模块化、标准化、规格 ，还有许多新的课题要加以研究和运用 。,因此机械技术的出发点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其他高新技术来更新概念，实现结构上、材料上、
16、性能上以及功能上的变革。,2、传感检测技术 传感检测装置是机电一体化系统的感觉器官，它可从待测对象那里获取能反映待测对象特征与状态的信息。它是实现自动控制、自动调节的关键环节，其功能越强，系统的自动化程度就越高。传感检测技术的研究内容包括两方面：一是研究如何将各种被测量（包括物理量、化学量和生物量等）转换为与之成比例的电量；二是研究如何对转换后的电信号进行加工处理，如放大、补偿、标定、变换等。传感器是检测部分的核心。,3、信息处理技术 信息技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策。实现信息处理的主要工具是计算机，它相当于人的大脑，指挥整个系统的运行。计算机技术包括计算机软件技术、硬件技术和网络与通信技术等。机电一体化系统中主要采用工业控制机（包括可编程序控制器、单片微控制器、总线式工业空驶机等）进行信息处理。计算机应用及信息处理技术已成为机电一体化技术发展和变革的最重要因素。,4、自动控制技术 自动控制技术包括高精度位置控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、检索等技术。在急电一体化技术中，自动控制主要是解决如何提高产品的精度
