第1章緒論機電一體化技術(shù)1.1機電一體化概述1.1機電一體化概述

2（1）機電一體化又稱為機械電子學（Mechatronics）1、基本概念FA:FactoryAutomationOA:OfficeAutomationHA:HomeAutomationLA:LaborataryAutomation（2）機電一體化技術(shù)1971年起源于日本的《機械設計》1.1機電一體化概述

31、基本概念（3）機電一體化的形式

從系統(tǒng)觀點出發(fā)，將機械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)等在系統(tǒng)基礎上加以綜合，實現(xiàn)整個系統(tǒng)最佳化的多技術(shù)綜合應用的一門新興邊緣學科。（4）機電一體化的發(fā)展

早期主要是機械技術(shù)與電子技術(shù)的相結(jié)合。后期“3C”技術(shù)與人工智能等新興技術(shù)的逐漸滲透豐富了機電一體化的內(nèi)容。機電一體化技術(shù)是多種技術(shù)的有機融合，而不是簡單疊加。1.1機電一體化概述

42、應用領(lǐng)域（1）典型的機電一體化系統(tǒng)

在許多領(lǐng)域中都能找到機電一體化系統(tǒng)的應用案例，如工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、倉儲物流、休閑娛樂、智能家居、科學研究、醫(yī)療器械、國防航天等。機器人數(shù)控機床生產(chǎn)線1.1機電一體化概述

51.1機電一體化概述

6（2）從“中國制造2025”看機電一體化系統(tǒng)優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域及發(fā)展原因

《中國制造2025》第一個十年行動綱領(lǐng)要求指出的典型機電一體化系統(tǒng)優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域與優(yōu)先發(fā)展原因。機電一體化技術(shù)的發(fā)展不僅受內(nèi)部技術(shù)水平的影響，同時還受到技術(shù)發(fā)展的需求程度與所能帶來的對社會發(fā)展的有益效果等外部條件的影響。應根據(jù)我國實際情況，因地制宜地按層次、有重點、有步驟地發(fā)展的相關(guān)領(lǐng)域

1.1機電一體化概述

7優(yōu)先發(fā)展原因優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域計算機數(shù)控機未智能儀儀器儀表工業(yè)機器人家用電器節(jié)能與新能源汽羊智能機器人航空航天裝備海洋工程裝備及高技術(shù)船舶先進軌道交通裝備智能電網(wǎng)成套裝備農(nóng)業(yè)機械裝備高端診療設品增材制造技術(shù)機電一體化辦公設備短期或中期急需√√√√√√√√√√√√√

能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益提升技術(shù)及產(chǎn)品質(zhì)量√√√√√√√√√√√√√√減少原材料消耗√√

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有利于外貿(mào)√√√√√√√√√√√√√

提升相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量√√√

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提高管理效率√

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節(jié)藥能源√√√√√√

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具備前期發(fā)展必需的技術(shù)基礎√√√√√√√√√√√√√

能產(chǎn)生良好的社會效益促進產(chǎn)品國有化√√√√√√√√√√√√√√提高國際影響力

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1.2機電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)組成8

機電一體化系統(tǒng)各部分有三大交互方式，即“三流”：信息流，物質(zhì)流，能量流。

其結(jié)構(gòu)基礎如下。六大結(jié)構(gòu)要素：1、機電一體化系統(tǒng)的基本組成系統(tǒng)信息流控制系統(tǒng)物質(zhì)流操作對象能量流提供動力傳感檢測單元控制與信息處理單元動力及驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)機械本體接口單元接口單元接口單元接口單元接口單元接口接口將系統(tǒng)各部分按照設定的時間和空間關(guān)系安裝在某一位置，并保持特定的相互關(guān)系。①組成：一般包括機架，機械連接，機械傳動裝置等。1.2機電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)組成

（1）機械本體：機電一體化系統(tǒng)的基礎②功能：電能，氣能，液壓能①功能：按照系統(tǒng)控制要求，為系統(tǒng)提供能量與動力③要求：（2）動力及驅(qū)動:能量供應環(huán)節(jié)②常見形式：高效率，良好可靠性，滿足動力需求9①功能：根據(jù)指令將各種能量轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動機械本體做功。③要求：1.2機電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)組成

（3）執(zhí)行機構(gòu)：系統(tǒng)的運動部件②方式：電氣驅(qū)動液壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動普通電動機，控制電動機液壓缸，液壓馬達氣缸，氣動馬達效率高，響應速度快，維修方便對外部環(huán)境有良好的適應性與高可靠性10包括各種傳感器及信號檢測電路①功能：1.2機電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)組成

（4）傳感檢測單元：自動控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)②組成：高精度、高靈敏度、高信噪比等③要求：信息轉(zhuǎn)化為可識別信號信息與控制處理單元監(jiān)測內(nèi)外參量變化（5）接口單元：重要組成部分傳遞機械接口、電氣接口、人機接口①定義：將系統(tǒng)各部分連接為一個有機整體②分類：

信息交互信號放大信號傳遞③要求：

高穩(wěn)定性、高傳輸速度、強抗干擾能力、標準化通信協(xié)議11系統(tǒng)軟件：根據(jù)要求編寫的相關(guān)程序，固化在儲存器內(nèi)。系統(tǒng)硬件：計算機、PLC、單片機、數(shù)控裝置等①功能：1.2機電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)組成

（6）控制與信息處理單元：核心部分②組成：軟件和硬件組成③要求：信息處理智能化、輕量化、標準化。六大基本要素并非簡單拼湊，而是通過接口實現(xiàn)有機結(jié)合，構(gòu)成機電一體化系統(tǒng)分析、處理、存儲、決策執(zhí)行元件傳感器信號及外部命令控制指令1213（1）伺服驅(qū)動技術(shù)：（2）傳感檢測技術(shù)：（3）接口技術(shù)：2、機電一體化系統(tǒng)的共性關(guān)鍵技術(shù)1.2機電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)組成

研究執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)，不同場合適合不同驅(qū)動方式機電一體化系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)構(gòu)成，接口性能影響深遠檢測精度影響性能關(guān)鍵：元器件靈敏度、傳感檢測結(jié)構(gòu)、抗干擾能力集機、電、光、聲、信息于一體機械與機械部分，機械與電氣部分、人與系統(tǒng)間、電信號傳輸14（4）計算機控制技術(shù)：（5）精密機械技術(shù)：（6）人機交互技術(shù)：2、機電一體化系統(tǒng)的共性關(guān)鍵技術(shù)1.2正弦量相量表示方法

人—計算機人—機器人—機器人語音和生物電信號豐富了交互方式剛?cè)狁詈?、良好靜動態(tài)特性隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等發(fā)展，有了更多智能控制的方法。發(fā)展趨勢：集成化、網(wǎng)絡化、智能化計算機技術(shù)與控制技術(shù)的結(jié)合1.3機電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展15（1）系統(tǒng)的綜合性和高可靠性1、主要特征具體表現(xiàn)為故障率低、壽命長、安全性高高可靠性：機電一體化技術(shù)是各領(lǐng)域技術(shù)的集成，相互取長補短進而形成一個完整系統(tǒng)，達到“1+1>2”的效果。綜合性：1.3機電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展16（1）系統(tǒng)的綜合性和高可靠性1、主要特征故障率低：自動化裝置比例增加，運行穩(wěn)定性改善，故障率進一步降低壽命長：通過微電子技術(shù)的融入，可以實時監(jiān)測系統(tǒng)壽命。安全性高：在威脅狀況時會及時發(fā)出警報并停機；

具備程序互鎖，避免人員誤操作；

在特殊情況下可以通過遙控控制1.3機電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展17（2）控制智能化1、主要特征系統(tǒng)通過微機進行控制，通過設計相應算法，實現(xiàn)自主運動、自動檢測等功能，并根需要實現(xiàn)深度學習等自適應、自動調(diào)節(jié)功能以隨時應對環(huán)境與任務的變化（3）結(jié)構(gòu)緊湊化與輕量化機電一體化系統(tǒng)從整體出發(fā)，充分利用新技術(shù)、新方法的優(yōu)勢設計產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，在達到結(jié)構(gòu)緊湊化與輕量化的同時，不降低機械的靜剛度與動剛度1.3機電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展18（4）剛?cè)狁詈?、主要特征機電一體化系統(tǒng)具有剛性、柔性并存的特點，包括：1.對于不同的用戶需求具有可調(diào)整性與自適應性；2.系統(tǒng)運行時對外界條件變化具有強抗干擾能力與適應能力（5）運行的高速度和高精度機電一體化系統(tǒng)通過結(jié)合電子技術(shù)、精密機械技術(shù)等先進技術(shù)，采用精密硬件，保證了系統(tǒng)的整體精度，提高機構(gòu)運行速度。1.3機電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展19（1）智能化2、發(fā)展趨勢隨著人工智能的發(fā)展，機電一體化技術(shù)的智能化程度越來越高，但目前的系統(tǒng)還不具備人的思維，類人思維的機電一體化系統(tǒng)將是智能化發(fā)展的重要方向。無人駕駛汽車自動導航移動機器人情感陪護機器人1.3機電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展20（2）微型化2、發(fā)展趨勢機電一體化系統(tǒng)朝著小型化甚至微型化方向發(fā)展，逐漸形成微機電系統(tǒng)(MEMS)，具有輕巧便攜、低功耗、運動靈活等特點。仿蜻蜓機器人毫米級機器人1.3機電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展21（3）模塊化2、發(fā)展趨勢模塊化可以減少產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)成本，提高機電一體化系統(tǒng)各個模塊的通用程度，有助于降低其設計開發(fā)周期、維修難度、裝配難度等。（4）綠色化綠色化是機電一體化技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展模式，高性能、可拆卸、可維護、低能耗、可回收、無（低）污染等是其重要的特征，在設計階段就需要將其納入考慮之中。1.3機電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展22（5）網(wǎng)絡化2、發(fā)展趨勢網(wǎng)絡化是指將不同地點的計算機以及各類電子終端設備來連接起來，衍生而來的新技術(shù)使得機電一體系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)、控制方法以及人機協(xié)作方法等方面有了新的變化。遠程監(jiān)控遠程控制1.3機電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展23（5）人性化2、發(fā)展趨勢機電一體化系統(tǒng)最終使用對象是人，其技術(shù)發(fā)展更加注重與人之間的關(guān)系，要求實現(xiàn)人-機-環(huán)的共融，開發(fā)時要考慮人的情感、安全、舒適等要求。服務機器人人機協(xié)作1.4機電一體化系統(tǒng)的分類和設計機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）種類繁多，對此有不同的分類方式。1、機電一體化系統(tǒng)的分類（1）按照機械和電子的功能和所占比例可分為：

以機械裝置為主體的機械電子產(chǎn)品

以電子裝置為主體的機械電子產(chǎn)品（2）按照機電結(jié)合方式可分為：

功能附加型（體脂秤、防抱死制動系統(tǒng)）

功能替代型（掃地機器人、加濕器）

機電融合型（外骨骼機器人、數(shù)控機床）1.4機電一體化系統(tǒng)的分類和設計2、機電一體化系統(tǒng)的設計（1）機電一體化系統(tǒng)的設計類型

機電一體化系統(tǒng)設計類型大致可分為以下三種：①開發(fā)性設計

在無已有參考系統(tǒng)和具體設計方案的情況下，根據(jù)目標功能要求，利用機電一體化系統(tǒng)設計，綜合運用機械技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)等各項技術(shù)，進行原創(chuàng)性的創(chuàng)新設計。該過程是從無到有的全新設計過程。②適應性設計

在不改變原有機電一體化的原理的情況下，僅針對目標功能需求，對其局部結(jié)構(gòu)和功能進行改進，以增加系統(tǒng)某些方面的功能，使其滿足設1.4機電一體化系統(tǒng)的分類和設計計目標的需求，如提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量、降低成本或提高自動化程度等。③變異性設計

在原有機電一體化系統(tǒng)設計方案和功能結(jié)構(gòu)不變的前提下，僅調(diào)整現(xiàn)有產(chǎn)品的規(guī)格尺寸，或通過改變系統(tǒng)部分部件型號來對系統(tǒng)功率、速度、力等參數(shù)進行系列化設計，使其滿足市場需求。

變異性設計相比其他兩種設計較為容易，但需要注意防止因參數(shù)變化而產(chǎn)生的對產(chǎn)品性能、可靠性方面的影響。1.4機電一體化系統(tǒng)的分類和設計（2）機電一體化系統(tǒng)的設計方法

機電一體化系統(tǒng)設計所考慮的方法通常分為取代法、結(jié)合法和組合法。通過合理運用各項技術(shù)，結(jié)合各領(lǐng)域優(yōu)勢，設計出最佳的機電一體化系統(tǒng)。①取代法

利用電子部件和自動控制系統(tǒng)取代原有傳統(tǒng)機械系統(tǒng)（產(chǎn)品）中的機械結(jié)構(gòu)和機械控制機構(gòu)，在簡化產(chǎn)品中機械結(jié)構(gòu)復雜程度的同時提高了產(chǎn)品可靠性與效率。1.4機電一體化