机电系统设计 赵先仲第一章

1、机电系统设计,14270B,第1章 概 述,1.1 机电一体化的概念和主要特征 1.2 机电一体化的作用和目的 1.3 机电一体化系统的组成 1.4 机电一体化系统的分类 1.5 机电一体化的展望,1.1 机电一体化的概念和主要特征,一、机电一体化的概念 机电一体化，也称机械电子学，英文名为Mechatronics,它是由英文Mechanics（机械学）的前半部分和Electronics（电子学）的后半部分组合而成的。 较普遍的解释是： 机电一体化是在机械主功能、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装置用相关软件有机结合而构成的系统的总称。,二、学科构成 机电一体化这个学科是融合机械工程学，控制信息工程学和电子工程学的综合学科，三者相互融合，相互交叉，如下图所示。,三、机电一体化技术与其他技术的区别 1、机电一体化技术与传统机电技术的区别 传统机电技术的操作控制主要通过具有电磁特性的各种电器来实现，如继电器、接触器等，在设计中不考虑或很少考虑彼此间的内在联系；机械本体和电气驱动界限分明，整个装置是刚性的，不涉及软件和计算机控制。机电一体化技术是以计算机为控制

2、中心，在设计过程中强调机械部件和电气部件间的相互作用和影响，整个装置在计算机控制下具有一定的智能性。,2、机电一体化技术与并行工程的区别 机电一体化技术是江机械技术、微电子技术、计算机技术、控制技术和检测技术在设计和制造阶段就有机地结合在一起，十分注意机械和其他部件之间的相互作用。而并行工程奖上述各种技术尽量在各自范围内齐头并进，只在不同技术内部进行设计制造，最后通过简单叠加完成整体装置。 3、机电一体化技术与自动控制技术的区别 自动控制技术的侧重点是讨论控制原理、控制规律、分析方法和自动系统的构造等。机电一体化技术是将自动控制原理及方法作为重要支撑技术，讲自控部件作为重要控制部件应用自控原理和方法，对机电一体化装置进行系统分析和性能测算。,4、机电一体化技术与计算机应用技术的区别 机电一体化技术只是将计算机作为核心部件应用，目的是提高和改善系统性能。计算机在机电一体化系统中的应用仅仅是计算机应用技术的一部分，它还可以在办公、管理及图像处理等方面得到广泛应用。机电一体化技术研究的是机电一体化系统，而不是计算机应用本身。,1.2 机电一体化的作用和目的,机电一体化的效果： 功能增多， 体

3、积减小， 重量减轻， 可靠性提高， 性能价格比大大改善。,A、性能提高、功能增强,例如，过去精密机床采用的是机械校正，只能校正机床的系统误差，现在数控机床，可克服随机误差和系统误差，从而可以达到前所未有的高精度。 调整切削阻尼，减少颤振，保证很高的生产率与很高的加工表面光洁度。 粗加工与精加工工序集成，深刻地改变了传统机床的结构布局，冲破了传统的机床按类别的划分。,B、结构简化,因采用微处理机、集成电路、新型传动技术，代替电气控制柜和传动装置，使产品体积小，零部件数量减小，结构简化。例如： 传统的电机控制靠用户，而实现机电一体化后出现了无换向器电机，提高了电机寿命，缩小了体积。 “电脑”电动机用单片机控制电机的功率因素，根据负荷情况调节施加的电压，从而解决了不少电气传动中的“大马拉小车”问题，在空载提高效率3040，满载提高10。,3. 矢量控制异步电动机，采用微型计算机对交流异步电动机实现矢量控制，使异步电机既具有直流电机一样的调节特性，而且还具有结构简单、可靠、电机容量不受限制、机械惯性小、体积小、效率高等优点。,C、可靠性提高性,在电子元件质量可靠性高的前提下，机电一体化可以改善

4、耐久性，减少故障。 机电一体化产品具有自动监视诊断、安全联锁控制、过负荷及失控保护、停电对策等，提高了安全可靠性,D、节约能源,机电一体化的产品，可以节约材料、节约能源。例如： 我国目前各类电风扇的调整器为电磁机械式，如果用电子式调整器每年全国可节约电600万度； 汽油机电子点火； 液压挖掘机电子节能。,E、改善操作,机电一体化产品采用计算机控制，具有数字显示，减少了操作按扭及手柄，具有程序控制等功能，因而可以改善设备操作性能，减少训练操作人员时间。,F、 提高灵活性（柔性）,机电一体化产品具有更大的灵活性，可以适应用户多样化的要求，是当代新技术革命的一大趋向。 例如，柔性制造系统，和工业机器人对于多品种小批量生产特别能发挥它的优越性。,1.3 机电一体化系统的组成,1.3.1 机电一体化系统的功能组成 机电一体化系统的主功能就是对输入的物质、能量与信息按照要求进行处理，输出具有所需特性的物质、能量与信息。如图1所示。,图1 机电一体化系统的主功能,工业三大要素,具有所需特性,1.3.2 机电一体化系统的构成要素 一个典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

5、、执行机构、传感测试部分、控制机信息处理部分。我们将这些部分归纳为：结构促成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、智能组成要素；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其功能如图2和图3所示。,（a）人体要素,（b）功能,（c）组成要素,图2 组成人体与机电一体化系统的对应要素及相应功能关系,图3 人体各要素与机电一体化系统各要素对照,例题 下图是一个计算机控制的电机伺服系统驱动的一个数控工作台系统,按机构要素对其进行划分,注：改系统没有机械本体,1.4 机电一体化系统的分类,在新技术革命的浪潮中，自动化技术已深入到社会的各个方面，有人称之为“全盘自动化“。 在这些自动化的系统中，主要是由很多种机电一体化产品所构成。 从我国将要发展的机械工业产品来分析主要由以下产品需要实现程度不同的机电一体化。 具体地说，包括：,数控机床、机器人、自动生产设备 生产用机电一体化产品和系统 柔性生产单元、自动组合生产单元 FMS、无人化工厂、CIMS 微机控制汽车、机车等交通运输工具 运输、包装及工程用机

6、电一体化产品 数控包装机械及系统 数控运输机械及工程机械设备 自动仓库 储存、销售用机电一体化产品 自动空调与制冷系统及设备 自动称量、分选、销售及现金处理系统 自动化办公设备 社会服务性机电一体化产品 动力、医疗、环保及公共服务自动化设备 文教、体育、娱乐用机电一体化产品 微机或数控型耐用消费品 家庭用机电一体化产品 炊事自动化机械 家庭用信息、服务设备 测试设备 科研及过程控制用机电一体化产品 控制设备 信息处理系统 农、林、牧、渔及其它民用机电一体化产品 航空、航天、国防用武器装备等机电一体化产品,1.5 机电一体化的展望,1.5.1理论基础 系统论、信息论、控制论是机电一体化技术的理论基础，也是机电一体化技术的方法论。 一、系统论： 1、 什么是系统：处在环境之中相互作用和相互依赖的若干部分（因素）组成的具有一定结构和确定功能的有机整体就称为系统。 2、系统的基本组成：现代科学认为世界存在物质（材料）、能量和信息三大要素。任何系统都是物质、能量和信息相互作用和有序化运动的产物。 总之就是，把研究对象作为一个有机整体来加以考察，以寻求解决整体与部分之间相互关系的模式，原则和方法。

7、,二、控制论,控制论是研究各种系统的控制和调节一般规律的科学。控制论已经经历了三代：经典控制论、现代控制论和大系统控制论。 1、控制的实质 所谓控制是指按给定的条件和预定目标，对一个过程或一序列事件施加影响的作用。 系统一般都是有若干个可能的状态，控制的实质就是在各种可能状态中选译一种。从信息角度看，控制是获取信息、处理信息和利用信息调整系统的结构以实现系统所追求的目的的过程。所以信息是控制的基础，而控制论就是研究对信息的处理利用。控制的作用就是要使系统可能的状态数减少，即使不确定性减少，从信息角度看控制就是输入信息，使系统有序性增加。,2、控制的手段和方法 反馈控制（控制的主要手段）； 信息方法： 黑箱方法： 功能模拟方法。,三、信息论 什么是信息？目前关于信息的定义，从不同学科，不同侧面可得到几十种不同的说法，至今学术界还未统一 。 有的认为信息是精神实体的特征，有的认为信息是以“信息场”的形态存在的物质，有的认为信息是事物的运动状态或运动能量序列；有的认为信息是一种客观而不实在的东西；有的认为信息是一切物质的普遍属性，是系统的功能现象；有的认为信息是事实和数据的组合或认为信息是具

8、有新内容、新知识的消息，如情报、指令、代码、语言、文字和图象等。,四、系统论、控制论和信息论的相互关系 信息论研究的是如何认识信息和度量信息。而系统论和控制论是研究如何利用信息，系统论是利用信息来实现系统最优化，控制论是利用信息来实现系统的有目的最佳控制。,1.5.2 关键技术（技术构成） 1、机械技术 机械技术是机电一体化的基础，因为机电一体化产品的主功能和构造功能大都是以机械技术为主得以实现的。 2、计算机与信息处理技术 信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策，实现信息处理的工具是计算机，因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。计算机技术包括计算机的软件技术和硬件技术，网络通信技术，数据技术等。,3、自动控制技术 自动控制技术范围很广，机电一体化的系统设计在基本控制理论指导下，对具体控制装置或控制系统进行设计；对设计后的系统进行仿真和现场调试；最后是研制的系统可靠地投入运行。 4、传感与检测技术 传感与检测装置时系统的感受器官，它与信息系统的输入端相连接并将检测到的信息输送到信息处理部分。传感与检测是实现自动控制，自动调节的关键环节，它的功能越强，系统的自动化程度就越

9、高。传感与检测的关键元件是传感器。,5、伺服驱动技术 伺服驱动包括电动、气动、液压等各种类型的驱动装置，由微型计算机通过接口与这些驱动装置相连接，控制它们的运动，带动工作机械作回转、直线以及其他各种复杂的运动。 6、系统总体技术 系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统的观点和全局的角度，将总体分解成相互有机联系的若干单元，找出能完成各个功能的技术方案，再把功能和技术方案组成方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。系统总体技术解决的是系统的性能优化问题和组成要素之间的有机联系问题，即使各个组成要素的性能和可靠性很好，但如果整个系统不能很好协调，系统也很难正常运行。,1.5.3 机电一体化的发展状况 一、发展史 六十年代，日本通产省为扩大机械功能，在机械上采用电气和电子技术，曾结合数控机床做过不少实验，但末能获得成功。 七十年代，微电子技术成熟，微机商品化，大规模集成电路问世，构成微机的基本单元CPU、ROM、RAM和接口电路已经模块化，自己“制造“计算机成为可能。机电一体化得以现实。 71年，日刊工业新闻社发行机电一体化入门和机电一体化月刊，专门刊载机电一体化的新产品。,76年，机电一体化正式名字“(英文名字是Mechatronics，是由Mechanism的前半部和Electronics后半部缩合而成)，我国现译为“机电一体化“。 71到78年日本政府颁发“机电法“和“机信法“，对机电一体化的发展起到积极推动作用，这个时期称之为萌芽时期。 八十年代，在“机信法“指导下，机电一体化的产品如雨后春笋不断涌现，这个时期可称之为成长时期。 九十年代，集成度提高，价格下降，机电一体化技术在世界范围内得到迅猛发展，机电一体化技术遍及社会各个领域。全盛时期开始。,二、我国机电一体化技术的发展状况 近年来，我国已成功研制成功用于喷漆、焊接、搬运以及能前后行走的，能爬墙，能上下台阶，能下水作业的多种类型的机器人。这也使得我国在制造业机电一体化的研究和应用方面积累了宝贵经验，也推动了我国机电一体化技术的纵向发展。但是，由于我国起步比较晚，工业水平与发达国家相比差距较远。,1.5.4 机电一体化的发展趋势 1、智能化 2、模块化 3、网络化 4、微型化 5、绿色化 6、人性化,

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