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1、机电一体化系统设计机电一体化系统设计机械学院课程定位v机电一体化系统设计课程是机械工程及自动化本科专业学生的专业基础必修课。本为一门实践课，但遗憾的是，无法做实验，因为一个实验就相当于一个课程设计。v在学生掌握一定的专业基础知识的基础上，综合运用所学知识，从整体角度掌握机电一体化系统设计的思想、原理、方法和程序。重点放在未来工作中首先可能遇到的一些实际问题（绝非疑难问题）。v是学生经过三年基础课和技术基础课学习之后，带有总结意义的一门综合性设计课程。v开阔视野，掌握一定的分析解决问题方法。教材1.自编教材，自行打印2.曾励等，机电一体化系统设计，高等教育出版社，拔高3.课件，笔记学习方法1、认
2、真听课，记笔记（班长检查，上课抽查视、认真听课，记笔记（班长检查，上课抽查视作平时作业的作平时作业的10）。）。2、多看书，潜移默化。、多看书，潜移默化。3、参考教材：课本，课件，及讲义自学，重点、参考教材：课本，课件，及讲义自学，重点网络自学（学会网络自学（学会“上网上网”）。）。4、积极参加讨论和完成作业。、积极参加讨论和完成作业。课程的考核办法理论课：百分制理论课：百分制 闭卷考试闭卷考试70% 70% 平时成绩平时成绩30%30%平时成绩：课堂效果、作业效果、平时成绩：课堂效果、作业效果、 网上答疑、笔记网上答疑、笔记第一章第一章 概论概论1.1 机电一体化基本概念机电一体化基本概念1
3、.2 机电一体化基本结构要素机电一体化基本结构要素1.3 机电一体化系统的相关技术机电一体化系统的相关技术1.4 系统评价分析系统评价分析1.5 维修性分析维修性分析1.6 机电一体产品设计与工程路线机电一体产品设计与工程路线v美国技术评论认为，有十种新兴技术在不远的将来会产生巨大影响：其中机电一体化技术排名第一。v由于机电一体化技术对现代工业和技术的发展具有巨大的推动力,因此世界各国均将其作为工业技术发展的重要战略之一。 v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、管理集于一体的计算机集成制造系统
4、（CIMS）。1.1 机电一体化基本概念机电一体化基本概念发展概况：发展概况：1. 201. 20世纪世纪6060年代前为第一阶段，年代前为第一阶段，“萌芽阶段萌芽阶段” 事实上要追溯到事实上要追溯到2020年代以前，工程师们自觉或者不自觉地年代以前，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。得到广泛的应用。2. 702. 70年代到年代到8080年代为第二阶段，年代为第二阶段，“蓬
5、勃发展阶段蓬勃发展阶段”，理论研，理论研究阶段究阶段 计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化计算机技术、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：的发展奠定了技术基础这个时期的特点是：mechatronicsmechatronics一词首先在日本被普遍接受，大约到一词首先在日本被普遍接受，大约到2020世纪世纪8080年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；机电一体化技术和产品得到了极大发展；机电一体化技术和产品得到了极大发展；各国均对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持各国均对机电一体化技术和产品给以很
6、大的关注和支持。 3.903.90年代后期为第三阶段，年代后期为第三阶段，“智能化阶段智能化阶段” 光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技光学、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；化和微机电一体化等新分支； 对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。究。 由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术
7、等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展域取得的巨大进步，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。建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。 4.现状v机电一体化占据主导地位是制造产业发展的必然趋势,而制造产业是整个科学技术和国家经济发展的基础工业,因而机电一体化在当前激烈的国际政治、军事、经济竞争中起着举足轻重的作用,受到各工业国家的极大重视。v日本将智能传感器,计算机芯片制造技术,具有视频、触觉和人机对话能力的人工智能工业机器人,柔性制造系统等,列为高技术领域的重大研究课
8、题。v西欧高技术发展规划“尤里卡”计划,提出五大关键技术领域,其中包括研制可自由行动、决策并易于人机对话的欧洲第三代安全民用机器人,广泛合作研究计算机辅助设计、制造、生产、管理的柔性系统,实现工厂全面自动化等机电一体化研究方向。v我国已研制成功了用于喷漆、焊接、搬运以及能前后行走的、能爬墙、能上下台阶、能在水下作业的多种类型机器人。CIMS研究方面,我国已在清华大学建成国家CIMS工程研究中心（ERC）,在一些著名大学和研究单位建立了7个CIMS单元技术实验室和8个CIMS培训中心,在国家立项实施CIMS的企业已达70余家。1994年清华大学荣获美国制造工程师协会（SME）颁发的CIMS研究“
9、大学领先奖”。1995年北京第一机床厂荣获SME颁发的“工业领先奖”。上述成果的取得使我国在制造业机电一体化的研究和应用方面积累了一定的经验,它必将推动机电一体化技术向更高层次纵深发展。 v5.总的发展趋势总的发展趋势v 性能上，向高精度，高效率，智能化的方向发展，性能上，向高精度，高效率，智能化的方向发展，以数控机床为例，控制精度以数控机床为例，控制精度0.1um，进给速度，进给速度100m/min以上，联动轴数以上，联动轴数15轴以上，界面、通讯轴以上，界面、通讯等长足发展；等长足发展；v 功能上，向小型化、轻型化、多功能化方向发展。功能上，向小型化、轻型化、多功能化方向发展。v 层次上，
10、向系统化，复合集成化方向发展。层次上，向系统化，复合集成化方向发展。 v有资料总结为六化：（1）智能化（2）模块化（3）网络化（4）微型化（5）绿色化（6）人性化权威定义：权威定义：v起源：日本，20世纪70年代；v合成词：Mechatronics。它取英语Mechanics(机械学)的前半部和Electronics（电子学）的后半部分拼成一个新词；v (ASME)由计算机信息网络协调与控制的用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统。理解：理解：v 机电一体化不是机械机电一体化不是机械与电子简单的叠加，而与电子简单的叠加，而是在是在信息论、控制论和信息论
11、、控制论和系统论系统论的基础上建立起的基础上建立起来的来的应用技术应用技术v典型的机电一体化产品典型的机电一体化产品( (系统系统) )有：数控机床、机有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、系统、CADCADCAMCAM系统等。系统等。机电一体化信息科学机械学电子学数数控控铣铣床床常用的机电一体化产品：常用的机电一体化产品：焊接机器人焊接机器人焊接机器人焊接机器人v汽车防抱死系统汽车防抱死系统(ABS)v？汽车上的机电一体化设备？汽车上的机电一体化设备？1.2 机电一体化基本结构要素机电一体化基本结构要素一个典
12、型的机电一体化系统应包含以下几个基本要素： 机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。这些组成要素内部及其之间,形成通过接口耦合来实现运动传递、信息控制、能量转换等有机融合的一个完整系统。机电一体化系统的组成要素及功能如图1-1所示。图1-1 机电一体化系统的组成要素及功能(a）机电一体化系统的组成要素;(b）机电一体化系统的功能1 1、机械本体、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。机身、框架、机械联接等产品支持机构，实现构造功能。机身、框架、机械联接等产品支持机构，实现构造功能。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
13、型、美观要求：可靠、小型、美观要求：可靠、小型、美观要求：可靠、小型、美观2 2 2 2、能源能源提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能。提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能。提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能。提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能。动力功能是按照系统控制要求动力功能是按照系统控制要求动力功能是按照系统控制要求动力功能是按照系统控制要求, , , ,为系统提供能量和为系统提供能量和为系统提供能量和为系统提供能量和动力动力动力动力, , , ,使系统正常运行。用尽可能小的动力输入获使系统正常运行。用尽可能小的动力输入获使系统正常运行。用尽可能小的动力输入获使系统正
14、常运行。用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出得尽可能大的功能输出得尽可能大的功能输出得尽可能大的功能输出, , , ,是机电一体化产品的显著是机电一体化产品的显著是机电一体化产品的显著是机电一体化产品的显著特征之一。电能特征之一。电能特征之一。电能特征之一。电能/ / / /热能热能热能热能/ / / /气动气动气动气动/ / / /液压等等液压等等液压等等液压等等要求：效率高、可靠性好要求：效率高、可靠性好要求：效率高、可靠性好要求：效率高、可靠性好3 3、检测传感装置、检测传感装置传感测试部分的功能是对系统运行中所需要的本身和外界环境的传感测试部分的功能是对系统运行中所需要的本身和外
15、界环境的传感测试部分的功能是对系统运行中所需要的本身和外界环境的传感测试部分的功能是对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测各种参数及状态进行检测各种参数及状态进行检测各种参数及状态进行检测, , , ,生成相应的可识别信号生成相应的可识别信号生成相应的可识别信号生成相应的可识别信号, , , ,传输到信息处传输到信息处传输到信息处传输到信息处理单元理单元理单元理单元, , , ,经过分析、处理后产生相应的控制信息。这一功能一般经过分析、处理后产生相应的控制信息。这一功能一般经过分析、处理后产生相应的控制信息。这一功能一般经过分析、处理后产生相应的控制信息。这一功能一般由专门
16、的传感器及转换电路完成。物理量由专门的传感器及转换电路完成。物理量由专门的传感器及转换电路完成。物理量由专门的传感器及转换电路完成。物理量/ / / /化学量化学量化学量化学量电信号电信号电信号电信号要求：体积小、精度高、抗干扰要求：体积小、精度高、抗干扰要求：体积小、精度高、抗干扰要求：体积小、精度高、抗干扰4 4、控制及信息处理单元、控制及信息处理单元功能是将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储功能是将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储功能是将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储功能是将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工、处理、运算、决策，存、分析、加工、处理、运算、决策，存、分析、加工、处理、运算、决策，存、分析、加工、处理、运算、决策，, , , ,根据信息处理结果根据信息处理结果根据信息处理结果根据信息处理结果, , , ,按照按照按照按照一定的程序和节奏发出相应的指令一定的程序和节奏发出相应的指令一定的程序和节奏发出相应的指令一定的程序和节奏发出相应的指令, , , ,控制整个系统有目的地运行。控制整个系统有
