1、機電系統(tǒng)控制技術(shù),第一章 概 論,目 錄,第一節(jié) 機電一體化基本概念 第二節(jié) 機電一體化發(fā)展概況 第三節(jié) 機電一體化產(chǎn)品的構(gòu)成 第四節(jié) 機電一體化產(chǎn)品的分類 第五節(jié) 機電一體化共性關(guān)鍵技術(shù) 第六節(jié) 機電一體化設(shè)計及其工程路線,第一節(jié) 機電一體化基本概念,機電一體化是隨著生產(chǎn)和技術(shù)的發(fā)展，在以機械、電子技術(shù)為主的多門技術(shù)學(xué)科相互滲透、相互結(jié)合過程中逐漸形成和發(fā)展起來的一門新興邊緣技術(shù)學(xué)科。機電一體化的英文名稱是Mechatronics，是由日本人通過截取英文機械學(xué)（Mechanics）的詞頭和電子學(xué)（Electronics）的詞尾組合在一起創(chuàng)造出來的一個新的英文名詞。這一名詞最早出現(xiàn)在1971年

2、日本的機械設(shè)計雜志副刊上，后來隨著機電一體化的發(fā)展而被廣泛引用，目前已在世界范圍內(nèi)得到普遍承認(rèn)和接受。,機電一體化是一個綜合的概念，包含了技術(shù)和產(chǎn)品兩方面內(nèi)容。它首先是指機電一體化技術(shù)，其次是指機電一體化產(chǎn)品。機電一體化技術(shù)是指包括技術(shù)基礎(chǔ)、技術(shù)原理在內(nèi)的、使機電一體化產(chǎn)品得以實現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術(shù)。機電一體化產(chǎn)品是指采用機電一體化技術(shù)，在機械產(chǎn)品基礎(chǔ)上創(chuàng)造出來的新一代機電產(chǎn)品。,第一節(jié) 機電一體化基本概念,機電一體化的突出特點在于它在機械產(chǎn)品中注入了過去所沒有的新技術(shù)，把電子器件的信息處理和自動控制等功能“揉合”到機械裝置中去，從而獲得了過去單靠某一種技術(shù)而無法實現(xiàn)的功能和效果。機電一體化技

3、術(shù)的重要實質(zhì)是應(yīng)用系統(tǒng)工程的觀點和方法來分析和研究機電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)（可統(tǒng)稱為機電一體化產(chǎn)品），綜合運用各種現(xiàn)代高新技術(shù)進行產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)，通過各種技術(shù)的有機結(jié)合，實現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)部各組成部分的合理匹配和外部的整體效能最佳。,第一節(jié) 機電一體化基本概念,第一節(jié) 機電一體化基本概念,第二節(jié) 機電一體化發(fā)展概況,自電子技術(shù)一問世,電子技術(shù)與機械技術(shù)的結(jié)合就開始了,只是出現(xiàn)了半導(dǎo)體集成電路,尤其是出現(xiàn)了以微處理器為代表的大規(guī)模集成電路以后,“機電一體化”技術(shù)才有了明顯進展,引起了人們的廣泛注意.,(一)“機電一體化”的發(fā)展歷程1.數(shù)控機床的問世,寫下了“機電一體化”的第一頁。2.微電子技術(shù)為“機電一體

4、化帶來勃勃生機。 3.可編程序控制器、電力電子等的發(fā)展為”機電一體化“提供了堅強基礎(chǔ)。4.激光技術(shù)、模糊技術(shù)、信息技術(shù)等新技術(shù)使“機電一體化”躍上新臺階。,第二節(jié) 機電一體化發(fā)展概況,(二)“機電一體化”發(fā)展趨勢 1.光機電一體化：一般的機電一體化系統(tǒng)是由傳感系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)等部件組成的。引進光學(xué)技術(shù),實現(xiàn)光機電一體化，其優(yōu)點是能有效地改進機電一體化系統(tǒng)的傳感系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)，光機電一體化是機電產(chǎn)品發(fā)展的重要趨勢。,第二節(jié) 機電一體化發(fā)展概況,2.自律分配系統(tǒng)化柔性化。未來的機電一體化產(chǎn)品,控制和執(zhí)行系統(tǒng)有足夠的“冗余度”，有較強的“柔性”，能較好地應(yīng)付突發(fā)事件，被設(shè)計

5、成“自律分配系統(tǒng)”。在自律分配系統(tǒng)中，各個子系統(tǒng)是相互獨立工作的，子系統(tǒng)為總系統(tǒng)服務(wù)，同時具有本身的“自律性”，可根據(jù)不同的環(huán)境條件作出不同反應(yīng)。其特點是子系統(tǒng)可產(chǎn)生本身的信息并附加所給信息，在總的前提下，具體“行動”是可以改變的。這樣，既明顯地增加了系統(tǒng)的適應(yīng)能力(柔性)，又不因某一子系統(tǒng)的故障而影響整個系統(tǒng)。,第二節(jié) 機電一體化發(fā)展概況,3.全息系統(tǒng)化智能化。今后的機電一體化產(chǎn)品“全息”特征越來越明顯，智能化水平越來越高。這主要受益于模糊技術(shù)、信息技術(shù)(尤其是軟件及芯片技術(shù))的發(fā)展。除此之外，其系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，也變簡單的“從上到下”的形式而為復(fù)雜的、有較多冗余度的雙向聯(lián)系的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。,第二

6、節(jié) 機電一體化發(fā)展概況,4.“生物、軟件”化仿生物系統(tǒng)化。今后的機電一體化裝置對信息的依賴性很大，并且往往在結(jié)構(gòu)上是處于“靜態(tài)”時不穩(wěn)定，但在動態(tài)(工作)時卻是穩(wěn)定的。這有點類似于活的生物：當(dāng)控制系統(tǒng)(大腦)停止工作時，生物便“死亡”，而當(dāng)控制系統(tǒng)(大腦)工作時，生物就很有活力。仿生學(xué)領(lǐng)域中已發(fā)現(xiàn)的一些生物體優(yōu)良的機構(gòu)可為機電一體化產(chǎn)品提供新型機體，但如何使這些新型機體具有活的“生命”還有待于深入研究。,第二節(jié) 機電一體化發(fā)展概況,這一研究領(lǐng)域稱為“生物軟件”或“生物系統(tǒng)”，而生物的特點是硬件(肌體)軟件(大腦)一體，不可分割。 機電一體化產(chǎn)品雖然有向生物系統(tǒng)化發(fā)展趨勢，但有一段漫長的道路要走

7、。,第二節(jié) 機電一體化發(fā)展概況,5.微型機電化微型化。利用半導(dǎo)體器件制造過程中的蝕刻技術(shù)，在實驗室中已制造出亞微米級的機械元件。當(dāng)將這一成果用于實際產(chǎn)品時，就沒有必要區(qū)分機械部分和控制器了。屆時機械和電子完全可以“融合”，機體、執(zhí)行機構(gòu)、傳感器、CPU等可集成在一起，體積很小，并組成一種自律元件。這種微型機械學(xué)是機電一體化的重要發(fā)展方向。,第二節(jié) 機電一體化發(fā)展概況,第三節(jié) 機電一體化產(chǎn)品的構(gòu)成,一、機電一體化產(chǎn)品的功能構(gòu)成 產(chǎn)品的目的功能是通過其內(nèi)部功能實現(xiàn)的。機電一體化產(chǎn)品一般都須具備五種內(nèi)部功能，即主功能、動力功能、計測功能、控制功能和構(gòu)造功能，每一種內(nèi)部功能又由產(chǎn)品中具體的功能部件加以

8、實現(xiàn)。,圖1-1 產(chǎn)品目的功能圖,第三節(jié) 機電一體化產(chǎn)品的構(gòu)成,圖1-2 CNC機床的內(nèi)部功能構(gòu)成,第三節(jié) 機電一體化產(chǎn)品的構(gòu)成,二、機電一體化基本結(jié)構(gòu)要素 1、機械本體 包括機身、框架、機械聯(lián)接等在內(nèi)的產(chǎn)品支持結(jié)構(gòu)，屬于基礎(chǔ)部分，實現(xiàn)產(chǎn)品的構(gòu)造功能。 2、動力源 向系統(tǒng)提供能量，并將輸入的能量轉(zhuǎn)化成需要的形式，實現(xiàn)動力功能。,第三節(jié) 機電一體化產(chǎn)品的構(gòu)成,3、檢測與傳感裝置 包括各種傳感器及其信號檢測電路，用于對產(chǎn)品運行時的內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境進行檢測，提供運行控制所需的各種信息，實現(xiàn)計測功能。 4、控制與信息處理裝置 根據(jù)產(chǎn)品的功能和性能要求以及傳感器的反饋信息，進行處理、運算和決策，對產(chǎn)品

9、運行施以相應(yīng)的控制。,第三節(jié) 機電一體化產(chǎn)品的構(gòu)成,5、執(zhí)行機構(gòu) 包括機械傳動與操作機構(gòu)，在控制信息作用下完成要求的動作，實現(xiàn)產(chǎn)品的主功能。,第三節(jié) 機電一體化產(chǎn)品的構(gòu)成,第三節(jié) 機電一體化產(chǎn)品的構(gòu)成,圖1-3 人體五 大要素與功能,圖1-4機電一體化產(chǎn)品 五大要素及功能,第四節(jié) 機電一體化產(chǎn)品的分類,按照機電結(jié)合程度和形式的不同，機電一體化產(chǎn)品可劃分為功能附加型、功能替代型和機電融合型三類。,第四節(jié) 機電一體化產(chǎn)品的分類,第四節(jié) 機電一體化產(chǎn)品的分類,第五節(jié) 機電一體化共性關(guān)鍵技術(shù),機電一體化技術(shù)具體包括以下內(nèi)容： （1） 機械技術(shù) 機械技術(shù)是機電一體化的基礎(chǔ)，機械技術(shù)的著眼點在于如何與機電

10、一體化技術(shù)相適應(yīng)，利用其它高、新技術(shù)來更新概念，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上、材料上、性能上的變更，滿足減小重量、縮小體積、提高精度、提高剛度及改善性能的要求。在機電一體化系統(tǒng)制造過程中，經(jīng)典的機械理論與工藝會借助于計算機輔助技術(shù)，同時采用人工智能與專家系統(tǒng)等，形成新一代的機械制造技術(shù)。,（2） 計算機與信息技術(shù) 其中信息交換、存取、運算、判斷與決策、人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)均屬于計算機信息處理技術(shù)。 （3） 系統(tǒng)技術(shù) 系統(tǒng)技術(shù)即以整體的概念組織應(yīng)用各種相關(guān)技術(shù)，從全局角度和系統(tǒng)目標(biāo)出發(fā)，將總體分解成相互關(guān)聯(lián)的若干功能單元，接口技術(shù)是系統(tǒng)技術(shù)中一個重要方面，它是實現(xiàn)系統(tǒng)各部分有機連接的保證。,第

11、五節(jié) 機電一體化共性關(guān)鍵技術(shù),（4） 自動控制技術(shù) 其范圍很廣，在控制理論指導(dǎo)下，進行系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計后的系統(tǒng)仿真，現(xiàn)場調(diào)試，控制技術(shù)包括如高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷校正、補償、再現(xiàn)、檢索等。,第五節(jié) 機電一體化共性關(guān)鍵技術(shù),（5） 傳感檢測技術(shù) 傳感檢測技術(shù)是系統(tǒng)的感受器官，是實現(xiàn)自動控制、自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其功能越強，系統(tǒng)的自動化程度就越高?，F(xiàn)代工程要求傳感器能快速、精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴(yán)酷環(huán)境的考驗，它是機電一體化系統(tǒng)達到高水平的保證。,第五節(jié) 機電一體化共性關(guān)鍵技術(shù),（6） 伺服傳動技術(shù) 包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置，伺服系統(tǒng)是實現(xiàn)電信號到機械動作的轉(zhuǎn)換裝置與部件；對系統(tǒng)的動態(tài)性能、控制質(zhì)量和功能有決定性的影響。,第五節(jié) 機電一體化共性關(guān)鍵技術(shù),第六節(jié) 機電一體化設(shè)計及其工程路線,一、機電一體化設(shè)計 機電一體化設(shè)計是按機電一體化思想、原理和方法進行的機電一體化產(chǎn)品設(shè)計，它是一項