機械電子學第一章概論

機械電子學第一章概論第一頁，共53頁。28學時理論+4學時實驗平時出勤作業(yè)30%+實驗10%+期末考試60%第二頁，共53頁。1.1基本概念1.2機電一體化的出現(xiàn)原因及發(fā)展概況1.3機電一體化系統(tǒng)的構成1.4機電一體化產品分類1.5機電一體化共性關鍵技術1.6機電一體化產品設計步驟1.7

機電一體化對機械工業(yè)的影響1.8機電一體化的發(fā)展趨勢1.9怎樣正確應用機電一體化技術（了解）1.10正確應用機電一體化技術的評判標準（了解）第一章概論第三頁，共53頁。

“機電一體化”一詞的英文名詞是“Mechatronics”,它是取Mechanics（機械學）的前半部分和Electronics（電子學）的后半部分拼合而成的。

最早出現(xiàn)在1971年日本的《機械設計》雜志副刊上

由于日本人用日語漢字機電一體化來表示這個組合詞，因此在中文中常把這個組合詞譯為機電一體化（也稱為機械電子工程\學）

1.1基本概念第四頁，共53頁。機電一體化：從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，將機械技術、微電子技術、信息技術、控制技術等在系統(tǒng)工程基礎上有機地加以綜合，以實現(xiàn)整個系統(tǒng)最佳化的一門新科學。機電一體化不是機械與電子簡單的疊加，而是在信息論、控制論和系統(tǒng)論的基礎上建立起來的應用技術機電一體化信息科學機械學電子學第五頁，共53頁?！癕echatronics”isatermcoinedbytheJapanesetodescribetheintegrationofmechanicalandelectronicengineering.Theconceptmayseemtobeanythingbutnew,sincewecanalllookaroundusandseeamyriadofproductsthatutilizebothmechanicalandelectronicdisciplines.第六頁，共53頁。教學目的：建立概念－什么是機電一體化；開闊眼界－機電一體化技術是怎樣應用的；掌握思想方法－機電一體化技術應該怎樣應用。第七頁，共53頁。數控銑床第八頁，共53頁。數控車床第九頁，共53頁。焊接機器人第十頁，共53頁。汽車防抱死系統(tǒng)(ABS)第十一頁，共53頁。1.2機電一體化的出現(xiàn)原因及發(fā)展概況一、出現(xiàn)原因1、市場對產品的需求1）某些產品的功能開發(fā)受到制約2）縮短產品研制周期，提高產品質量3）針對多品種、中小批量產品的生產2、科學技術發(fā)展的必然結果第十二頁，共53頁。二、發(fā)展概況1.20世紀60年代前為第一階段，“萌芽階段”工程師們自覺或者不自覺地把機械產品和電子技術相結合，以提高機械產品的性能。但是由于電子技術的發(fā)展相對落后，使得機械與電子的結合還沒有得到廣泛的應用。2.70年代到80年代為第二階段，“蓬勃發(fā)展階段”

計算機技術、控制技術、通信技術的發(fā)展，為機電一體化的發(fā)展奠定了技術基礎這個時期的特點是：①mechatronics一詞首先在日本被普遍接受，大約到20世紀80年代末期在世界范圍內得到比較廣泛的承認；②機電一體化技術和產品得到了極大發(fā)展；③各國均開始對機電一體化技術和產品給以很大的關注和支持。

第十三頁，共53頁。3.90年代后期開始為第三階段，“智能化階段”

①光學、通信技術等進入了機電一體化，微細加工技術也在機電一體化中嶄露頭腳，出現(xiàn)了光機電一體化和微機電一體化等新分支；②對機電一體化系統(tǒng)的建模設計、分析和集成方法，機電一體化的學科體系和發(fā)展趨勢都進行了深入研究。③由于人工智能技術、神經網絡技術及光纖技術等領域取得的巨大進步，為機電一體化技術開辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，將促使機電一體化進一步建立完整的基礎和逐漸形成完整的科學體系。

第十四頁，共53頁。1.數控機床的問世，寫下了“機電一體化”歷史的第一頁。

2.微電子技術為“機電一體化‘’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。

4.激光技術、模糊技術、信息技術等新技術使”機電一體化“躍上新臺階。第十五頁，共53頁。1.3機電一體化系統(tǒng)的構成

位置,速度檢測單元電機機械部件位置,速度反饋CNC數控機床伺服系統(tǒng)組成一、機電一體化產品的功能構成第十六頁，共53頁。1.3機電一體化系統(tǒng)的構成執(zhí)行器控制信息電子控制單元動力源檢測傳感部分機械本體參數變化信息驅動力能量檢測參數第十七頁，共53頁。五種內部功能：主功能動力功能計測功能控制功能構造功能1.3機電一體化系統(tǒng)的構成第十八頁，共53頁。1.3機電一體化系統(tǒng)的構成二、機電一體化基本結構要素第十九頁，共53頁。1、機械本體機身、框架、機械聯(lián)接等產品支持機構，實現(xiàn)構造功能。要求：可靠、小型、美觀2、動力源提供能量，轉換成需要的形式，實現(xiàn)動力功能。要求：效率高、可靠性好1.3機電一體化系統(tǒng)的構成二、機電一體化基本結構要素第二十頁，共53頁。3、檢測與傳感裝置檢測產品內部狀態(tài)和外部環(huán)境，實現(xiàn)計測功能。要求：體積小、精度高、抗干擾4、控制與信息處理裝置處理、運算、決策，實現(xiàn)控制功能。要求：高可靠性、柔性、智能化1.3機電一體化系統(tǒng)的構成第二十一頁，共53頁。5、執(zhí)行機構包括機械傳動與操作機構，接收控制信息，完成要求的動作，實現(xiàn)主功能。要求：高性能、高精度、高效率1.3機電一體化系統(tǒng)的構成第二十二頁，共53頁。機電一體化一般包含機電一體化產品(系統(tǒng))和機電一體化技術兩層含義。機電一體化技術的應用對象主要為機電一體化產品和機電一體化（制造）系統(tǒng)。

機電一體化產品是指采用機械裝置、電子裝置或計算機等組合而成的產品，其主要目的是提高產品性能、增加產品的功能、減小產品的外形尺寸。1.4機電一體化產品分類第二十三頁，共53頁。典型的機電一體化產品有數控機床、機器人、電子化的照相機、電子手表、電子化的洗衣機、變頻式空調、微電腦控制的電冰箱、攝像機、錄像機、按鍵式電話機、傳真機、復印機、磁盤驅動器、打印機、繪圖機等。由以上列舉的機電一體化產品可以看出，許多家用電器和辦公設備都屬于機電一體化產品。第二十四頁，共53頁。第二十五頁，共53頁。機電一體化（制造）系統(tǒng)第二十六頁，共53頁。1.5機電一體化共性關鍵技術1、檢測傳感技術作用：感受器官、反饋環(huán)節(jié)。研究對象：傳感器及其信號檢測裝置（即變送器）要求：能快速、精確地獲得信息并在相應的應用環(huán)境中具有高可靠性。第二十七頁，共53頁。1、檢測傳感技術作用：感受器官、反饋環(huán)節(jié)。研究對象：傳感器及其信號檢測裝置（即變送器）要求：能快速、精確地獲得信息并在相應的應用環(huán)境中具有高可靠性。第二十八頁，共53頁。2、計算機及信息處理技術主要完成信息的交換、存取、運算、判斷和決策等.其主要工具是計算機。傳感器A/D計算機D/A執(zhí)行裝置3、自動控制技術

關于軟件方面的技術，主要以控制理論為指導，對控制系統(tǒng)設計、仿真、現(xiàn)場調試、可靠運行等。第二十九頁，共53頁。4、伺服驅動技術執(zhí)行元件種類：電動、液壓、氣壓

研究對象：執(zhí)行元件及其驅動裝置驅動裝置：各種電動機的驅動電源電路

實現(xiàn)機電一體化產品的構造功能，影響系統(tǒng)的結構、重量、體積、剛性、可靠性等。

5、機械技術第三十頁，共53頁。6、系統(tǒng)總體技術與接口技術系統(tǒng)總體技術是一種從整體目標出發(fā)，用系統(tǒng)工程的觀點和方法，將系統(tǒng)各個功能模塊有機的結合起來，以實現(xiàn)整體最優(yōu)。其重要內容為接口技術。接口包括電氣接口、機械接口、人機接口

7、工業(yè)設計技術工業(yè)設計是以工學、美學、經濟學為基礎對工業(yè)產品進行的設計，其理念是“在符合各方面需求的基礎上兼具特色”。工業(yè)設計在企業(yè)中有著廣闊的應用空間。工業(yè)設計分為產品設計、環(huán)境設計、傳播設計、設計管理；包括造型設計、機械設計、電路設計、服裝設計、環(huán)境規(guī)劃、室內設計、建筑設計、UI設計、平面設計、包裝設計、廣告設計、動畫設計、展示設計、網站設計等

第三十一頁，共53頁。Therehadneverbeenanymasterplanonhowtheintegrationwouldbedone.Inthepast,ithadbeendoneonacase-by-casebasis.(HuntV.Daniel,Mechatronics:Japan’snewestthreat)第三十二頁，共53頁。1.6機電一體化產品設計步驟一、市場調研二、總體方案設計三、詳細設計四、樣機試制與試驗五、小批量生產六、大批量生產第三十三頁，共53頁。一、市場調研

市場調研包括市場調查和市場預測。所謂市場調查就是運用科學的方法，系統(tǒng)地、全面地收集所設計產品市場需求和經銷方面的情況和資料，分析研究產品在供需雙方之間進行轉移的狀況和趨勢，而市場預測就是在市場調查的基礎上，運用科學方法和手段，根據歷史資料和現(xiàn)狀，通過定性的經驗分析或定量的科學計算，對市場未來的不確定因素和條件做出預計、測算和判斷，為產品的方案設計提供依據。第三十四頁，共53頁。第三十五頁，共53頁。二、總體方案設計1．產品方案構思產品方案構思完成后，以方案圖的形式將設計方案表達出來。方案圖應盡可能簡潔明了，反映機電一體化系統(tǒng)各組成部分的相互關系，同時應便于后面的修改。2．方案的評價對多種構思和多種方案進行篩選，選擇較好的可行方案進行分析組合和評價，從中再選幾個方案按照機電一體化系統(tǒng)設計評價原則和評價方法進行深入的綜合分析評價，最后確定實施方案。第三十六頁，共53頁。三、詳細設計詳細設計是根據綜合評價后確定的系統(tǒng)方案，從技術上將其細節(jié)逐層全部展開，直至完成產品樣機試制所需全部技術圖紙及文件的過程。

第三十七頁，共53頁。四、樣機試制與試驗完成產品的詳細設計后，即可進入樣機試制與試驗階段。根據制造的成本和性能試驗的要求，一般制造幾臺樣機供試驗使用。樣機的試驗分為實驗室試驗和實際工況試驗，通過試驗考核樣機的各種性能指標是否滿足設計要求，考核樣機的可靠性。如果樣機的性能指標和可靠性不滿足設計要求，則要修改設計，重新制造樣機，重新試驗。如果樣機的性能指標和可靠性滿足設計要求，則進入產品的小批量生產階段。第三十八頁，共53頁。五、小批量生產

產品的小批量生產階段實際上是產品的試生產試銷售階段。這一階段的主要任務是跟蹤調查產品在市場上的情況，收集用戶意見，發(fā)現(xiàn)產品在設計和制造方面存在的問題，并反饋給設計、制造和質量控制部門。六、大批量生產

經過小批量試生產和試銷售的考核，排除產品設計和制造中存在的各種問題后，即可投入大批量生產。第三十九頁，共53頁。1.7機電一體化對機械工業(yè)的影響

1提高性能、擴展功能

2簡化結構3提高可靠性4節(jié)約能源，減小污染5操作改善第四十頁，共53頁。1.8機電一體化的發(fā)展趨勢

1智能化智能化是21世紀機電一體化技術發(fā)展的一個重要發(fā)展方向。人工智能在機電一體化建設者的研究日益得到重視，機器人與數控機床的智能化就是重要應用。這里所說的“智能化”是對機器行為的描述，是在控制理論的基礎上，吸收人工智能、運籌學、計算機科學、模糊數學、心理學、生理學和混沌動力學等新思想、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。第四十一頁，共53頁。2模塊化由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多，研制和開發(fā)具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、環(huán)境接口的機電一體化產品單元是一項十分復雜但又是非常重要的事。這需要制定各項標準，以便各部件、單元的匹配和接口。由于利益沖突，近期很難制定國際或國內這方面的標準，但可以通過組建一些大企業(yè)逐漸形成。顯然，從電氣產品的標準化、系列化、通用化帶來的好處可以肯定，無論是對生產標準機電一體化單元的企業(yè)還是對生產機電一體化產品的企業(yè)，模塊化將給機電一體化企業(yè)帶來美好的前程。第四十二頁，共53頁。3、網絡化20世紀90年代，計算機技術等的突出成就是網絡技術。機電一體化新產品一旦研制出來，只要其功能獨到，質量可靠，很快就會暢銷全球。由于網絡的普及，基于網絡的各種遠程控制和監(jiān)視技術方興未艾，而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品。因此，機電一體化產品無疑朝著網絡化方向發(fā)展。第四十三頁，共53頁。4微型化微型化興起于20世紀80年代末，指的是機電一體化向微型機器和微觀領域發(fā)展的趨勢。國外稱其為微電子機械系統(tǒng)（MEMS），并向微米、納米級發(fā)展。微機電一體化產品體積小、耗能少、運動靈活，在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢。微機電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機械技術，微機電一體化產品的加工采用精細加工技術，即超精密技術，它包括光刻技術和蝕刻技術兩類。Micro-Electro-MechanicalSystems

1.8機電一體化的發(fā)展趨勢第四十四頁，共53頁。

中新網12月29日電日本共同社報道，日本一個研究小組27日宣布，該小組已經成功研制出一種直徑僅1.5毫米，長9.4毫米用金屬玻璃制成的帶有減速器的微型馬達。這一成就刷新了由瑞士制造商開發(fā)的塑料馬達所創(chuàng)造的最小直徑記錄(1.9毫米)。該馬達可望在醫(yī)療器材的小型化等方面發(fā)揮作用。由于其超小型機身上還配有齒輪，因而還能用于小型照相機的變焦機能。第四十五頁，共53頁。日本研制出世界上最小的鐘表齒輪

新華網2月17日專電:日本信州大學教授遠藤守信和三家企業(yè)合作，研制成功世界上最小尺寸的鐘表用齒輪，直徑僅有0.2毫米。

據日本《日刊工業(yè)新聞》日前報道，這一齒輪是使用直徑為80納米到100納米的碳纖維(VGCF)和樹脂(尼龍12)混合而成的復合材料制作的，共有6個輪齒，直徑0.2毫米，在實驗中，它能夠與其它齒輪組合起來，驅動秒針走動。

與現(xiàn)有的材料相比，這種含有碳納米材料的復合材料不僅節(jié)省加工時間，降低制造成本，而且耐磨性提高了10倍，防止帶電和熱傳導等性能也良好。第四十六頁，共53頁。5系統(tǒng)化系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結構進一步采用開放式和模式化的總線結構。系統(tǒng)可以靈活組態(tài)，進行任意剪裁和組合，同時尋求實現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調控制和綜合管理。表現(xiàn)之二是通信功能的大大加強。6、綠色化第四十七頁，共53頁。1.9怎樣正確應用機電一體化技術

機電一體化是一門不同于傳統(tǒng)技術的新技術，因而從技術、思想方法、思想觀念、知識結構等方面都有別于其它技術。

一、技術上趨向更多學科交叉

首先，機電一體化技術應該與生產工藝相結合。其次，機電一體化技術應該與管理科學相結合

客觀地說，只要適應市場需要和技術發(fā)展需要，機電一體化技術擴展到更多學科的交叉和結合是合理的。

二、思想方法上注重整體性所謂整體性是一種系統(tǒng)思想，整體性主張人們不要把一個系統(tǒng)分解成許多孤立的部分，然后把這些部分機械地相加。

整體性要求把系統(tǒng)作為有機整體來考察，從整體與部分、部分與部分之間相互依賴、相互結合、相互制約的關系中揭示系統(tǒng)的特征和運動規(guī)律。第四十八頁，共53頁。

三、思想觀念要更新

1．實用性第一

機電一體化技術本身是一項實用技術，在應用中主要以其應用效果為評判的依據，而不過多地強調理論的系統(tǒng)性和高深程度。

2．拿來主義

機電一體化技術的一個特點是本身基本沒有基礎理論，主要通過合理運用其它學科成熟的理論、技術或元器件，組成新的產品或制造系統(tǒng)。

3．信息化概念

機電一體化技術是在系統(tǒng)理論基礎上建立起來的應用學科。系統(tǒng)理論解決問題時，把任何通訊系統(tǒng)和控制系統(tǒng)看作一個信息的傳輸、加工處理系統(tǒng)，認為正是由于系統(tǒng)內部存在的信息流才使系統(tǒng)維持正常的、有目的性的運動，進而把任何實踐活動簡化為三股流：人流、物流、信息流。其中信息流起著支配的作用，它調節(jié)著人流和物流的數量、方向、速度、目標，駕馭人和物作有目的、有規(guī)則的運動。第四十九頁，共53頁。

4．服務意識

在從事機電一體化技術的工作中，始終要樹立用戶第一的為用戶服務的意識，為用戶提供最好的產品和最好的服務。

在為用戶服務的過程中：★從技術開發(fā)的角度考慮怎樣為用戶提供最好的產品和服務；