機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計

（第二版）講座內(nèi)容第1章.緒論第2章.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計第3章.機(jī)械傳動系統(tǒng)設(shè)計第4章.電氣驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計第5章.傳感器與檢測系統(tǒng)第6章.可編程控制器（PLC）原理及應(yīng)用第7章.單片機(jī)原理及接口技術(shù)第8章.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計（實(shí)例）一、概述1.1機(jī)電一體化系統(tǒng)的概念

機(jī)電一體化技術(shù)又稱為機(jī)械電子技術(shù),是機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)、自動控制技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的綜合?！皺C(jī)電一體化”在國外被稱為“Mechatronics”,是日本人在20世紀(jì)70年代提出來的,它取機(jī)械學(xué)(Mechanics)的前半部分和電子學(xué)(Electronics)的后半部分組合起來構(gòu)成的,意思是機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。

1.1.2機(jī)電一體化的特點(diǎn)：

從典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品來看,如數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人、空調(diào)、數(shù)碼相機(jī)等,無一不是機(jī)電一體化技術(shù)的集成與融合。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1.

綜合性與系統(tǒng)性2.小型化、輕型化、微型化3.高精度、多功能4.

高可靠性5.柔性化、智能化6.知識密集1.1.3

機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本構(gòu)成

一個較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng),應(yīng)包含以下幾個基本要素:機(jī)械本體、動力與驅(qū)動部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測傳感部分、控制及信息處理部分,如圖1-1(a)所示：

圖1-1機(jī)電一體化系統(tǒng)與人體對應(yīng)部分的構(gòu)成及相應(yīng)功能的關(guān)系主要包括：機(jī)械本體、動力部分、傳感及檢測部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信息處理及控制

機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本特征是給“機(jī)械”增添頭腦(計算機(jī)信息處理與控制)。信息處理只是把傳感器檢測到信號轉(zhuǎn)化成可以控制信號,系統(tǒng)如何運(yùn)動還需要通過控制系統(tǒng)來進(jìn)行。其運(yùn)動控制有線性控制、非線性控制、最優(yōu)控制、智能控制等控制技術(shù)。

機(jī)電一體化系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床功能的構(gòu)成

1.2機(jī)電一體化技術(shù)分類與應(yīng)用

從廣義上說,機(jī)電一體化技術(shù)有著極其廣泛的含義,自動化的機(jī)電產(chǎn)品、自動化的生產(chǎn)工藝、設(shè)備故障監(jiān)測與診斷技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、CAD技術(shù)、CAPP技術(shù)、CAM技術(shù)、集成化的CAD/CAPP/CAM技術(shù)、專家系統(tǒng)、計算機(jī)仿真、企業(yè)計算機(jī)管理、機(jī)器人等都屬于機(jī)電一體化技術(shù)的范疇。機(jī)電一體化產(chǎn)品小到兒童玩具、家用電器、辦公設(shè)備,大到數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動化生產(chǎn)線、航空航天器,因此,可以說機(jī)電一體化技術(shù)幾乎涉及到社會的各個方面，如圖1-3所示。機(jī)電一體化技術(shù)與產(chǎn)品所涉及到的內(nèi)容

1.3機(jī)電一體化關(guān)鍵技術(shù)機(jī)電一體化技術(shù)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)包括以下幾個方面：1.3.1機(jī)械技術(shù)1.3.2計算機(jī)與信息處理技術(shù)1.3.3傳感器與檢測技術(shù)1.3.4自動控制技術(shù)1.3.5伺服驅(qū)動技術(shù)1.3.6系統(tǒng)總體技術(shù)10

1.

1.4機(jī)電一體化設(shè)計方法：

1.優(yōu)勢設(shè)計

優(yōu)勢設(shè)計的理念是從“為競爭優(yōu)勢而設(shè)計”的概念轉(zhuǎn)化而來的,其確切的含義是“為產(chǎn)品創(chuàng)建競爭優(yōu)勢的設(shè)計思想、原理和技術(shù)”。所謂“機(jī)電一體化設(shè)計”,其目的就是造成競爭的優(yōu)勢。

2.創(chuàng)新設(shè)計

創(chuàng)新是設(shè)計的本質(zhì),也是設(shè)計活動的最終目標(biāo)，創(chuàng)新設(shè)計是機(jī)電一體化產(chǎn)品的必需。創(chuàng)新含義很廣，除了技術(shù)上的創(chuàng)新,當(dāng)然還有管理上的創(chuàng)新、銷售上的創(chuàng)新、售后服務(wù)上的創(chuàng)新等。這里,我們主要討論的是技術(shù)上的創(chuàng)新

3.模塊化設(shè)計

機(jī)電一體化產(chǎn)品或設(shè)備設(shè)計由五大要素的功能部件組成,也可以設(shè)計成由若干功能子系統(tǒng)組成,而每個功能部件或功能子系統(tǒng)又包含若干組成要素。這些功能部件或功能子系統(tǒng)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化,就成為功能模塊。每一個功能模塊可視為一個獨(dú)立體,在設(shè)計時只需了解其性能規(guī)格,按其功能來選用,而無須了解其結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)

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1.4.4柔性化設(shè)計

將機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)中完成某一功能的檢測傳感元件、執(zhí)行元件和控制器做成機(jī)電一體化的功能模塊,如果控制器具有可編程的特點(diǎn),則該模塊就成為柔性模塊。1.4.5優(yōu)化設(shè)計

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計是最優(yōu)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域的移植和應(yīng)用，其基本思想是根據(jù)機(jī)械設(shè)計理論，方法和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等建立一個反映工程設(shè)計問題和符合數(shù)學(xué)規(guī)劃要求的數(shù)學(xué)模型，然后采用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法和計算機(jī)計算技術(shù)自動找出設(shè)計問題的最優(yōu)方案。1.4.6可靠性設(shè)計可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力?？煽啃栽O(shè)計是常規(guī)設(shè)計方法的深化和發(fā)展,它是機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計的主要特點(diǎn)之一。1.4.7虛擬設(shè)計

如果把設(shè)計理解為在實(shí)物原型出現(xiàn)之前的產(chǎn)品開發(fā)過程,那么虛擬設(shè)計的基本構(gòu)思就是用計算機(jī)來虛擬完成整個產(chǎn)品的開發(fā)過程。1.4.8智能設(shè)計智能設(shè)計是指應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)，采用計算機(jī)模擬人類的思維活動，提高計算機(jī)的智能水平，從而使計算機(jī)能夠更多、更好地承擔(dān)設(shè)計過程中各種復(fù)雜任務(wù)，成為設(shè)計人員的重要輔助工具。智能設(shè)計按設(shè)計能力可以分為三個層次：常規(guī)設(shè)計、聯(lián)想設(shè)計和進(jìn)化設(shè)計。1.4.9綠色設(shè)計綠色設(shè)計是以環(huán)境資源保護(hù)為核心概念的設(shè)計過程,它要求在產(chǎn)品的整個壽命周期內(nèi)把產(chǎn)品的基本屬性和環(huán)境屬性緊密結(jié)合起來。在進(jìn)行設(shè)計決策時,除滿足產(chǎn)品的物理目標(biāo)外,還應(yīng)滿足環(huán)境目標(biāo),以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的要求。13

1.5機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展方向1.5.1機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展主要模式(1)綠色化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展給人們的生活帶來了巨大變化，在物質(zhì)豐富的同時也帶來資源減少、生態(tài)環(huán)境惡化的后果。所以，人們呼喚保護(hù)環(huán)境，回歸自然，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。機(jī)電一體化產(chǎn)品的綠色化是指在其使用時不污染生態(tài)環(huán)境，產(chǎn)品壽命結(jié)束時，產(chǎn)品殘存部分可分解和再生利用。

(2)智能化“智能化”是對機(jī)器行為的描述，是在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具有判定推理、邏輯思維、自主決策等能力，隨著制造自動化程度的不斷進(jìn)步，將會出現(xiàn)智能制造系統(tǒng)控制器來模擬人類專家的智能制造活動，并對制造中出現(xiàn)的題目進(jìn)行分析、判定、推理、構(gòu)思和決策。(3)網(wǎng)絡(luò)化計算機(jī)技術(shù)的突出成就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起和飛速發(fā)展給科學(xué)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)、政治、軍事、教育以及人們?nèi)粘Ｉ疃紟砹司薮蟮淖兏?。機(jī)電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來，只要其功能獨(dú)到，質(zhì)量可靠，很快就會暢銷全球。14

(4)微型化近十余年來，微機(jī)電系統(tǒng)(MicroElectroMechanicSystem，MEMS)，作為機(jī)電一體化技術(shù)的新尖端分支而倍受重視，泛指幾何尺寸不超過lcm’的機(jī)電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級發(fā)展。

(5)模塊化機(jī)電一體化產(chǎn)品和技術(shù)可分為機(jī)械、電子和軟件三大部分。模塊化技術(shù)是這三者的共同技術(shù)。模塊化技術(shù)可以減少產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)成本，提高零部件通用化程度、產(chǎn)品的可裝配性、可維修性和可擴(kuò)展性等。融合機(jī)械、電子和軟件三大部分的機(jī)電一體化模塊代表了未來產(chǎn)品的發(fā)展方向，具有高度自主性、良好的協(xié)調(diào)性和自組織性的特點(diǎn)。15隨著社會進(jìn)步和科技的發(fā)展,對制造工程中的機(jī)電一體化技術(shù)提了許多新的和更高的要求,制造工程中出現(xiàn)了一系列新概念。毫無疑問,機(jī)械制造自動化中的數(shù)控技術(shù)、FMS、CIMS及機(jī)器人等被一致認(rèn)為是典型的機(jī)電一體化技術(shù)、產(chǎn)品及系統(tǒng)。1.高性能化趨勢高性能化一般包含高速化、高精度、高效率和高可靠性。新一代CNC系統(tǒng)就是以滿足此“四高”而誕生的。它采用64位或者128位CPU結(jié)構(gòu),以多總線連接,高速數(shù)據(jù)傳遞。在分辨率(0.1μm)情況下,系統(tǒng)仍有高速度(100m/min),可控及聯(lián)動坐標(biāo)達(dá)16軸,并且有豐富的圖形功能和自動程序設(shè)計功能。2.智能化趨勢數(shù)控機(jī)床的智能化通過各類傳感器對切削加工前后和加工過程中的各種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測,并通過計算機(jī)系統(tǒng)作出判斷,自動對異常現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)整與補(bǔ)償,以保證加工過程的順利進(jìn)行,并保證加工出合格產(chǎn)品。目前,國外數(shù)控加工中心大多具有以下智能化功能:對刀具長度、直徑補(bǔ)償和刀具破損監(jiān)測,切削過程的監(jiān)測,工件自動檢測與補(bǔ)償。

1.5.2從典型機(jī)電一體化產(chǎn)品看機(jī)電一體化發(fā)展趨勢1.5.3機(jī)電一體化的輕量化及微型化發(fā)展趨勢一般機(jī)電一體化產(chǎn)品，除了機(jī)械主體部分外，其他部分均涉及到電子等相關(guān)技術(shù)。隨著微納制造技術(shù)和表面組裝技術(shù)(SMT)的發(fā)展，一些機(jī)電一體化產(chǎn)品正朝著小型化、輕量化、多功能、高可靠方向發(fā)展，其中微納制造是基礎(chǔ)。微納制造技術(shù)就是結(jié)合機(jī)械微細(xì)加工技術(shù)和微電子加工技術(shù)，將機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動器、傳感器、控制器及電源集成在一個很小的多晶硅上，因而獲得了完備的微型機(jī)電一體化系統(tǒng)(MEMS)，整個尺寸縮小到幾百微米-幾納米范圍內(nèi)。微納制造技術(shù)的發(fā)展過程如圖1-5所示。雙極型晶體管雙極型晶體管微針數(shù)字微鏡梳齒驅(qū)動器微馬達(dá)集成電路昆蟲MEMS集成電路硅微壓力傳感器諧振柵晶體管金屬光閥(RCA)多晶硅微梁微馬達(dá)靜電梳齒驅(qū)動器紅外成像儀硅基陀螺微加速度計(ADI)數(shù)字微鏡裝置(TI)BioMEMS混合昆蟲MEMS原子鐘射頻MEMSMOEMS1940-19