機(jī)電系統(tǒng)工程學(xué)第1章-緒論(OK)課件

機(jī)電系統(tǒng)工程學(xué)主講人：E-mail:QQ:8707366082023/3/13機(jī)電系統(tǒng)工程學(xué)這門課程是多學(xué)科的交叉和綜合，涉及相關(guān)專業(yè)知識(shí)較多，講授的主要內(nèi)容包括：機(jī)電一體化系統(tǒng)基本知識(shí)；機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)；機(jī)電系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)；伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。檢測(cè)技術(shù)；機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用。第一章緒論

機(jī)電一體化相關(guān)學(xué)科關(guān)系1.1機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本概念1、定義：日本在20世紀(jì)70年代提出,是機(jī)械與電子的集成技術(shù),用Mechatronics表示.MechatronicsMechanicsElectronics基本概念理解：

①

Mechatronics是在機(jī)械的主功能、動(dòng)力功能、信息功能、控制功能的基礎(chǔ)上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。

②按照Mechatronics思想，凡是由各種現(xiàn)代高新技術(shù)與機(jī)械、電子技術(shù)相結(jié)合而形成的技術(shù)、產(chǎn)品均應(yīng)屬于機(jī)電一體化范疇。故目前的機(jī)電液、光機(jī)電、機(jī)電儀、機(jī)電信一體化都可歸結(jié)為Mechatronics。

③Mechatronics是一個(gè)綜合的概念，包含技術(shù)和產(chǎn)品兩方面。機(jī)電一體化技術(shù)指包括技術(shù)基礎(chǔ)、技術(shù)原理在內(nèi)的使機(jī)電一體化產(chǎn)品得以實(shí)現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術(shù)。機(jī)電一體化產(chǎn)品指采用機(jī)電一體化技術(shù)，在機(jī)械產(chǎn)品基礎(chǔ)上創(chuàng)建出來的新一代機(jī)電產(chǎn)品。典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))有：數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、汽車電子化產(chǎn)品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統(tǒng)、CAD／CAM系統(tǒng)等。2、特點(diǎn)1)綜合性和系統(tǒng)性

2)層次性和廣泛性

3)小型化、輕量化、微型化

4)高精度、多功能、高可靠性

5)柔性化、智能化

6)知識(shí)密集

1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)構(gòu)成要素與功能構(gòu)成

位置,速度檢測(cè)單元電機(jī)機(jī)械部件位置,速度反饋CNC數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)組成1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成執(zhí)行器控制信息電子控制單元?jiǎng)恿υ礄z測(cè)傳感部分機(jī)械本體參數(shù)變化信息驅(qū)動(dòng)力能量檢測(cè)參數(shù)機(jī)械本體：起支承和聯(lián)接作用；動(dòng)力部分：提供動(dòng)力輸入；傳感與檢測(cè)部分：將機(jī)械模塊的狀態(tài)和性能參數(shù)轉(zhuǎn)換為電的信號(hào)，并進(jìn)行必要的信息處理后送計(jì)算機(jī)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)：根據(jù)控制系統(tǒng)的指令完成相應(yīng)的動(dòng)作；信息處理與控制：對(duì)來自傳感器與檢測(cè)部分的信息進(jìn)行處理，使之符合控制要求。

3.傳感測(cè)試部分 傳感測(cè)試部分的功能是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè),生成相應(yīng)的可識(shí)別信號(hào),傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?經(jīng)過分析、處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息。這一功能一般由專門的傳感器及轉(zhuǎn)換電路完成。

4.執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能是根據(jù)控制信息和指令,完成要求的動(dòng)作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是運(yùn)動(dòng)部件,一般采用機(jī)械、電磁、電液等機(jī)構(gòu)。

5.控制及信息單元

控制及信息單元的功能是將來自各傳感器的檢測(cè)信息和外部輸入命令進(jìn)行集中、儲(chǔ)存、分析、加工,根據(jù)信息處理結(jié)果,按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令,控制整個(gè)系統(tǒng)有目的地運(yùn)行。

6.接口耦合與能量轉(zhuǎn)換 （1）變換：兩個(gè)需要進(jìn)行信息交換和傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)之間,由于信息的模式不同（數(shù)字量與模擬量、串行碼與并行碼、連續(xù)脈沖與序列脈沖等等）,無法直接實(shí)現(xiàn)信息或能量的交流,需要通過接口完成信息或能量的統(tǒng)一。

（2）放大：在兩個(gè)信號(hào)強(qiáng)度相差懸殊的環(huán)節(jié)間,經(jīng)接口放大,達(dá)到能量的匹配。（3）耦合：變換和放大后的信號(hào)在各環(huán)節(jié)間能可靠、快速、準(zhǔn)確地交換,必須遵循一致的時(shí)序、信號(hào)格式和邏輯規(guī)范。接口具有保證信息的邏輯控制功能,使信息按規(guī)定模式進(jìn)行傳遞。 （4）能量轉(zhuǎn)換：其執(zhí)行元件包含了執(zhí)行器和驅(qū)動(dòng)器。該轉(zhuǎn)換涉及到不同類型能量間的最優(yōu)轉(zhuǎn)換方法與原理。一、生產(chǎn)過程的機(jī)電一體化

離散生產(chǎn)過程連續(xù)生產(chǎn)過程經(jīng)濟(jì)型CIM系統(tǒng)二、產(chǎn)品的機(jī)電一體化焊接機(jī)器人機(jī)電一體化產(chǎn)品的功能模塊1.4機(jī)電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要素

此系統(tǒng)中，材料構(gòu)成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；能量使系統(tǒng)具有力量；信息使系統(tǒng)具有靈魂，故系統(tǒng)必須具備如圖三大“目的功能”：1.4機(jī)電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要素機(jī)電一體化系統(tǒng)是由若干具有特定功能的機(jī)械與微電子要素組成的有機(jī)整體，具有滿足人們使用要求的功能(目的功能)。根據(jù)不同的使用目的，要求系統(tǒng)能對(duì)輸入的物質(zhì)、能量和信息(即工業(yè)三大要素)進(jìn)行某一處理，輸出所需要的物質(zhì)、能量和信息。因此系統(tǒng)須具有以下三大“目的功能”：變換(加工、處理)功能、傳遞(移動(dòng)、輸送)功能和儲(chǔ)存(保持、積累、記錄)功能。系統(tǒng)目的功能不管那類系統(tǒng)（或產(chǎn)品），其系統(tǒng)內(nèi)部必須具備如所示的五種內(nèi)部功能，即主功能、動(dòng)力功能、檢測(cè)功能、控制功能、構(gòu)造功能。

系統(tǒng)的五種內(nèi)部功能CNC機(jī)床內(nèi)部功能構(gòu)成實(shí)例綜上所述：構(gòu)成機(jī)電一體化系統(tǒng)的要素很多，其中五大要素是必須的，可以從構(gòu)成人體的五大要素得到啟發(fā)。

圖1.8所示為人體的五大要素圖1.9所示為機(jī)電一體化的五大要素

腦心臟骨骼五官四肢控制系統(tǒng)動(dòng)力裝置檢測(cè)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械本體圖1.8圖1.10機(jī)電一體化系統(tǒng)的功能圖1.91.4機(jī)電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要素機(jī)電一體化系統(tǒng)內(nèi)部與外部接口

機(jī)電一體化產(chǎn)品的五個(gè)基本要素間互相補(bǔ)充、協(xié)調(diào)，共同完成所規(guī)定的目的功能。

從系統(tǒng)外看：機(jī)電一體化系統(tǒng)的I/O是人、自然及其它系統(tǒng)間的接口。

從系統(tǒng)內(nèi)看：機(jī)電一體化系統(tǒng)是由許多接口將構(gòu)成系統(tǒng)的I/O聯(lián)為一體的系統(tǒng)。

機(jī)電一體化系統(tǒng)的接口性能成為綜合系統(tǒng)性能好壞的決定性因素。故機(jī)電一體化系統(tǒng)各要素間的接口設(shè)計(jì)極為重要。接口分類：廣義的接口輸入輸出接口變換、調(diào)整接口機(jī)械接口物理接口信息接口環(huán)境接口零接口無源接口有源接口智能接口接口技術(shù)的分類：按功能分，接口有兩種：變換、調(diào)整接口和輸入/輸出接口。具有變換調(diào)整功能的接口（4種）：1、零接口：不進(jìn)行任何變換和調(diào)整，本子系統(tǒng)的輸出即為另一子系統(tǒng)的輸入，這種接口只起到連接的作用。如插頭、座，輸送管線，傳動(dòng)軸等。2、無源接口：只用無源要素進(jìn)行變換、調(diào)整的接口。如變速箱、變壓器、可變電阻、透鏡等。3、有源接口：含有有源要素，可以主動(dòng)進(jìn)行匹配的接口。如電磁離合器、放大器、光電耦合器等4、智能接口：帶有微處理器，可以進(jìn)行程序編制或可適應(yīng)性地改變接口條件。如自動(dòng)變速裝置、通用輸入/輸出集成電路，STD總線等。根據(jù)輸入/輸出功能有如下接口形式(4種)：1、機(jī)械接口：由輸入/輸出部位的形狀、尺寸、精度、配合、規(guī)格等進(jìn)行機(jī)械聯(lián)接的接口。如聯(lián)軸器、管接頭、法蘭盤等。2、物理接口：受通過接口的物質(zhì)、能量、信息的具體形態(tài)和物理?xiàng)l件約束的接口。如受電流、電壓、電容、扭矩、頻率、氣壓等約束的接口。3、信息接口：受規(guī)格、標(biāo)準(zhǔn)、法律、語(yǔ)言、符號(hào)等邏輯、軟件約束的接口。如RS232，GB，ISO，ASCII，F(xiàn)ORTRAN，C++等。4、環(huán)境接口：對(duì)周圍環(huán)境條件（溫度、濕度、磁場(chǎng)、振動(dòng)、水、氣、灰、火、放射）有保護(hù)作用的接口。如防塵接頭，防水開關(guān)等。機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）各構(gòu)成要素之間的相互聯(lián)系

1.5機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù)

實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的主功能和構(gòu)造功能，影響系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、重量、體積、剛性、可靠性等。

以多關(guān)節(jié)機(jī)器人的手臂為例：

1、機(jī)械技術(shù)

2、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)（執(zhí)行裝置技術(shù)）執(zhí)行元件種類：電動(dòng)、液壓、氣壓

研究對(duì)象：執(zhí)行元件及其驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)裝置：各種電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源電路微機(jī)電氣接口執(zhí)行元件機(jī)械接口傳動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送控制指令聯(lián)結(jié)作用決定機(jī)電一體化產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)精度、控制質(zhì)量等3、傳感器技術(shù)（傳感與檢測(cè)技術(shù)）作用：感受器官、反饋環(huán)節(jié)。研究對(duì)象：傳感器及其信號(hào)檢測(cè)裝置（即變送器）要求：能快速、精確地獲得信息并在相應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境中具有高可靠性。4、計(jì)算機(jī)（與信息處理）技術(shù)

注意：機(jī)電一體化中的“電”代表的技術(shù)內(nèi)涵

計(jì)算機(jī)技術(shù)（尤其單片機(jī)技術(shù)）+PLC技術(shù)+通信技術(shù)傳感器A/D計(jì)算機(jī)D/A執(zhí)行裝置作用：指揮整個(gè)機(jī)電一體化產(chǎn)品運(yùn)行。5、控制技術(shù)

關(guān)于軟件方面的技術(shù)，主要以控制理論為指導(dǎo)，對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、可靠運(yùn)行等。實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的主功能和構(gòu)造功能，影響系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、重量、體積、剛性、可靠性等。

6、精密機(jī)械技術(shù)7、系統(tǒng)總體技術(shù)系統(tǒng)總體技術(shù)是一種從整體目標(biāo)出發(fā)，用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)和方法，將系統(tǒng)總體分解成相互有機(jī)聯(lián)系的若干功能單元，并以功能單元為子系統(tǒng)繼續(xù)分解，直至找到可實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案，然后再把功能和技術(shù)方案組合成方案指進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)和優(yōu)選的綜合應(yīng)用技術(shù)。其重要內(nèi)容為接口技術(shù)。接口包括電氣接口、機(jī)械接口、人機(jī)接口。

新型的MEMS微機(jī)電系統(tǒng)微機(jī)電系統(tǒng)MEMS(MicroElectronicMechanicalSystems)是一種全新的必須同時(shí)考慮多種物理場(chǎng)混合作用的研發(fā)領(lǐng)域，相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械，它們的尺寸更小，最大的不超過一個(gè)厘米，甚至僅僅為幾個(gè)微米，其厚度就更加微小。MEMS特點(diǎn)可以總結(jié)如下：（1）微型化：MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時(shí)間短。（2）集成化：微傳感器、微執(zhí)行器和IC集成在一起可以制造出高可靠性和高穩(wěn)定性的智能化MEMS。（3）多學(xué)科交叉：MEMS的制造涉及電子、機(jī)械、材料、信息與自動(dòng)控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科。設(shè)計(jì)內(nèi)容：（1）確定產(chǎn)品規(guī)格、性能指標(biāo)

——運(yùn)動(dòng)參數(shù)、動(dòng)力參數(shù)、品質(zhì)參數(shù)。（2）系統(tǒng)功能部件要素的劃分

——功能部件選擇、設(shè)計(jì)和與系統(tǒng)主功能的匹配。（3）接口設(shè)計(jì)

——機(jī)械接口、物理接口、信息接口、環(huán)境接口1.6機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本流程（4）綜合評(píng)價(jià)或系統(tǒng)評(píng)價(jià)——系統(tǒng)性能、結(jié)構(gòu)質(zhì)量的各種定量指標(biāo)和參數(shù)，系統(tǒng)的附加價(jià)值，滿足設(shè)計(jì)或用戶需求的功能性產(chǎn)品或系統(tǒng)為前提。評(píng)價(jià)方法依據(jù)產(chǎn)品要求有所不同。（5）可靠性復(fù)查（6）試制與調(diào)試

——樣機(jī)制造與調(diào)試、試驗(yàn)。（7）最終產(chǎn)品結(jié)果評(píng)價(jià)

——是否達(dá)到設(shè)計(jì)或用戶要求1.7

機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與類型

原則：從規(guī)范性、通用性、耐環(huán)境性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等多方面綜合分析，結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和手段，達(dá)到機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三大目的省能源、省資源、智能化，提高機(jī)電產(chǎn)品的附加值和自動(dòng)化程度。常用的設(shè)計(jì)方法：機(jī)電互補(bǔ)法機(jī)電結(jié)合（融合）法機(jī)電組合法常見的設(shè)計(jì)類型：開發(fā)性設(shè)計(jì)適應(yīng)性設(shè)計(jì)變異性設(shè)計(jì)1、功能附加型（變異性設(shè)計(jì)）原有機(jī)械產(chǎn)品基礎(chǔ)上采用微電子技術(shù)，提高性能。如：經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床、全自動(dòng)洗衣機(jī)等。2、功能替代型（適應(yīng)性設(shè)計(jì)）采用微電子技術(shù)及裝置取代原產(chǎn)品中復(fù)雜的機(jī)械控制功能，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)柔性。如：電子縫紉機(jī)、電子石英鐘等。3、機(jī)電融合型（開發(fā)性設(shè)計(jì)）采用具有特定用途或?qū)ｉT設(shè)計(jì)的集成電路來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品中的控制和信息處理等功能，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊。如：傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、CNC機(jī)床等。機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法：以計(jì)算機(jī)為輔助手段進(jìn)行系統(tǒng)（產(chǎn)品）設(shè)計(jì)方法的總稱。

機(jī)電一體化設(shè)計(jì)方法與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的融合是優(yōu)質(zhì)、高效、快速實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）設(shè)計(jì)的有效方法和基本條件。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAN）并行工程設(shè)計(jì)——全壽命周期設(shè)計(jì)虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)設(shè)計(jì)綠色環(huán)保產(chǎn)品設(shè)計(jì)反求設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同合作設(shè)計(jì)1.8

機(jī)電一體化系統(tǒng)的評(píng)價(jià)體系

依據(jù)提高機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)附加價(jià)值的各項(xiàng)綜合指標(biāo)作為評(píng)價(jià)體系的制定標(biāo)準(zhǔn)，即五大內(nèi)部功能要素指標(biāo)。系統(tǒng)（產(chǎn)品）內(nèi)部功能

評(píng)

價(jià)

參

數(shù)

系統(tǒng)（產(chǎn)品價(jià)值）高低主功能

系統(tǒng)誤差抗干擾能力廢棄物輸出變換效率小強(qiáng)少高大弱多低動(dòng)力功能

輸入能量能源少內(nèi)裝多外裝控制功能可控輸入輸出接口數(shù)操作動(dòng)作數(shù)多少少多構(gòu)造功能尺寸、重量強(qiáng)度小、輕高大、重低計(jì)測(cè)功能或信息獲取精度靈敏度高響應(yīng)快低響應(yīng)慢圖1-7系統(tǒng)內(nèi)部功能的發(fā)展方向及評(píng)價(jià)內(nèi)容

1.數(shù)控機(jī)床的問世，寫下了“機(jī)電一體化”歷史的第一頁(yè)。

2.微電子技術(shù)為“機(jī)電一體化”帶來勃勃生機(jī)。

3.可編程序控制器、電力電子等的發(fā)展為機(jī)電一體化提供了堅(jiān)強(qiáng)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(jī)電一體化“躍上新臺(tái)階。

因此，機(jī)電一體化的主要發(fā)展方向如下：（1）智能化（2）模塊化（3）網(wǎng)絡(luò)化（4）微型化（5）綠色化（6）人性化1.9機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展方向

1.9機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì)

1智能化

智能化是21世紀(jì)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要發(fā)展方向。人工智能在機(jī)電一體化建設(shè)者的研究日益得到重視，機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的智能化就是重要應(yīng)用。這里所說的“智能化”是對(duì)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(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動(dòng)力學(xué)等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標(biāo)。2模塊化

由于機(jī)電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、電氣接口、動(dòng)力接口、環(huán)境接口的機(jī)電一體化產(chǎn)品單元是一項(xiàng)十分復(fù)雜但又是非常重要的事。這需要制定各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，以便