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机电一体化技术,南京农业大学工学院重点课程,第一章 概论,1.1 机电一体化基本概念 1.2 机电一体化发展概况 1.3 机电一体化系统的构成 1.4 机电一体化共性关键技术 1.5 机电一体化系统设计 1.6 机电一体化对机械工业的影响 1.7 机电一体化的发展,什么是机电一体化? 机电一体化又称为机械电子学,其英文名称为Mechatronics,由机械学(Mechanics)的前一半和电子学(Electronics)的后一半组成. 由英文名称亦可知,机械电子学早期是由机械学和电子学衍生出来的子学科(1971年日本杂志机械设计的副刊首次使用).,1.1 基本概念, 机电一体化定义（内涵） 机电一体化概念的内涵目前国内外尚没有完全统一的表述。一般认为：机电一体化是以机械学、电子学和信息科学为主的多门学科在机电产品发展过程中相互交叉、相互渗透而形成的一门新兴边缘性技术学科。,1 机电一体化已经发展为一门独立学科 它融合了机械学、电子学、信息科学等学科的知识与发展成果，但其本身又具有自身的特点及研究任务。,机电一体化的3重含义,2 机电一体化是一个不断发展中的概念,早期： 主要强调机械与电子的结合，即将电子技术“溶入”到机械技术中而形成新的技术与产品。,现代： 以计算机技术、通信技术和控制技术为特征的信息技术取得了长足的发展，信息技术不断“渗透”到机械技术中，丰富了机电一体化的含义。现在，机电一体化已不再局限于机械、电子与信息技术的结合，还包括光机电一体化（融入光学技术的发展成果）、机电气一体化、机电液一体化、机电仪一体化等。,机电一体化的3重含义,3 机电一体化体现了技术之间相互融合的思想 强调各种技术在机电产品中的相互协调，以达到系统总体最优。其主要发展特点是“取人所长，为己所用”。,机电一体化的3重含义,机电一体化包含机电一体化技术和机电一体化产品(系统) 两个方面。, 机电一体化概念的外延,机电一体化技术是从系统工程的观点出发（其建立在信息论、控制论和系统论基础上），将机械、电子和信息等有关技术有机结合起来，以实现系统或产品整体最优的综合性技术。 机电一体化技术主要包括技术原理和使机电一体化产品（或系统）得以实现、使用和发展的技术。 机电一体化技术是一个技术群（族）的总称，包括检测传感技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、机械技术及系统总体技术等。,机电一体化技术,机电一体化产品有时也称为机电一体化系统，它们是两个相近的概念，通常机电一体化产品指独立存在的机电结合产品，而机电一体化系统主要指依附于主产品的部件系统，这样的系统实际上也是机电一体化产品。 机电一体化产品是由机械系统（或部件）与电子系统（或部件）及信息处理单元（硬件和软件）有机结合、而赋予了新功能和新性能的高科技产品。,机电一体化产品（系统）,典型的机电一体化产品(系统)有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CADCAM系统等。,由于在机械本体中“溶入”了电子技术和信息技术，与纯粹的机械产品相比，机电一体化产品的性能得到了根本的提高，具有满足人们使用要求的最佳功能。,机电一体化产品（系统）,数 控 铣 床,数控车床,焊接机器人,汽车防抱死系统(ABS),1.2 发展概况,在机电一体化技术的发展过程中，其不断吸取机械学、电子学、信息科学等学科的发展成果，以实现本学科的发展壮大。由于这些相关学科的发展都经历了较长的过程，因此，机电一体化技术的发展经历了一个较长期的过程。有学者将这一过程划分为萌芽阶段、快速发展阶段和智能化阶段三个阶段。,1. 萌芽阶段, 时间： 20世纪70年代以前, 发展情况： 机电一体化的概念还没有正式提出来，但人们在机械产品的设计与制造过程中总是自觉或不自觉地应用电子技术的初步成果来改善机械产品的性能，特别是在第二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，出现了许多性能优良的军事用途的机电产品,2. 快速发展阶段, 时间： 20世纪70年代到80年代, 发展情况： 计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础，人们自觉、主动地利用技术的成果创造新的机电一体化产品。Mechatronics诞生。 这一阶段，机电一体化技术和产品得到了极大发展，各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持，其中日本在推动机电一体化技术的发展方面起了主导作用。 我国机电一体化技术的发展也始于这一阶段，80年代开始，组织专家根据我国国情对发展机电一体化的原则、目标、层次和途径等进行了深入而广泛的研究，制订了一系列有利于机电一体化发展的政策法规，确定了数控机床、工业自动化控制仪表、工业机器人、汽车电子化等15个优先发展领域及6项共性关键技术的研究方向和课题。,3. 智能化阶段, 时间： 20世纪90年代开始, 发展情况： 光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支； 对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究； 由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。,1.3 机电一体化系统的构成,1.3 机电一体化系统的构成,1、机械本体,机械本体包括机架、机械连接、机械传动等。所有的机电一体化系统都含有机械部分，它是机电一体化系统的基础，起着支撑系统中其它功能单元，传递运动和动力的作用。,要求： 高效、多功能、可靠、节能、小型、轻量、美观等。,1.3 机电一体化系统的构成,2、动力源,动力源是机电一体化产品能量供应部分，其作用就是按照系统控制要求向机器系统提供能量和动力使系统正常运行。提供能量的方式包括电能、气能和液压能，以电能为主。,要求：效率高、可靠性好,1.3 机电一体化系统的构成,3、检测传感装置,检测传感部分包括各种传感器及其信号检测电路，其作用就是监测机电一体化系统工作过程中本身和外界环境有关参量的变化，并将信息传递给电子控制单元，电子控制单元根据检测到的信息向执行器发出相应的控制指令。,要求： 传感器精度、灵敏度、响应速度和信噪比高；漂移小、稳定性高；可靠性好，抗干扰性好等。,1.3 机电一体化系统的构成,4、电子控制单元,ECU是机电一体化系统的核心，负责将来自各传感器的检测信号和外部输入命令进行集中、存储、计算、分析，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地运行。 ECU由硬件和软件组成，系统硬件一般由计算机、可编程控制器(PLC)、数控装置以及逻辑电路、AD与DA转换、I0 接口和计算机外部设备等组成；系统软件为固化在计算机存储器内的信息处理和控制程序，根据系统正常工作的要求编写。,要求：高速、可靠、抗干扰、系统自诊断功能、信息处理智能化和小型、轻量、标准化,1.3 机电一体化系统的构成,执行器的作用是根据电子控制单元的指令驱动机械部件的运动。执行器是运动部件，通常采用电力驱动、气压驱动和液压驱动几种方式。,1.3 机电一体化系统的构成,5、执行器,要求： 执行器效率高、响应速度快，对水、油、温度、尘埃等外部环境的适应性好，可靠性高、标准化。,1.3 机电一体化系统的构成,1.4 共性关键技术,1 检测传感技术 2 信息处理技术 3 自动控制技术 4 伺服驱动技术 5 机械技术 6 系统总体技术,1、检测传感技术,作用：感受器官、反馈环节。,研究对象：传感器及其信号检测装置（即变送器）,要求：能快速、精确地获得信息并在相应的应用环境中具有高可靠性。,1.4 共性关键技术,2、信息处理技术,主要完成信息的交换、存取、运算、判断和决策等.其主要工具是计算机。,3、控制技术,关于软件及控制算法方面的技术，主要以控制理论为指导，对控制系统设计、仿真、现场调试、可靠运行等。,1.4 共性关键技术,4、伺服驱动技术,执行元件种类：电动、液压、气压,研究对象：执行元件及其驱动装置,驱动装置：各种电动机的驱动电源电路,实现机电一体化产品的主功能和构造功能，影响系统的结构、重量、体积、刚性、可靠性等。,5、机械技术,1.4 共性关键技术,6、系统总体技术 系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统工程的观点和方法，将系统各个功能模块有机的结合起来，以实现整体最优。其重要内容为接口技术。接口包括电气接口、机械接口、人机接口,1.4 共性关键技术,1.5 机电一体化系统设计,一、市场调研 二、总体方案设计 三、详细设计 四、样机试制与试验 五、小批量生产 六、大批量生产,一、市场调研,市场调研包括市场调查和市场预测。 所谓市场调查就是运用科学的方法，系统地、全面地收集所设计产品市场需求和经销方面的情况和资料，分析研究产品在供需双方之间进行转移的状况和趋势。 市场预测就是在市场调查的基础上，运用科学方法和手段，根据历史资料和现状，通过定性的经验分析或定量的科学计算，对市场未来的不确定因素和条件做出预计、测算和判断，为产品的方案设计提供依据。,1.5 机电一体化系统设计,二、总体方案设计,1产品方案构思 产品方案构思完成后，以方案图的形式将设计方案表达出来。方案图应尽可能简洁明了，反映机电一体化系统各组成部分的相互关系，同时应便于后面的修改。 2方案的评价 对多种构思和多种方案进行筛选，选择较好的可行方案进行分析组合和评价，从中再选几个方案按照机电一体化系统设计评价原则和评价方法进行深入的综合分析评价，最后确定实施方案。,1.5 机电一体化系统设计,三、详细设计,详细设计 根据综合评价后确定的系统方案，从技术上将其细节逐层全部展开，直至完成产品样机试制所需全部技术图纸及文件的过程。,1.5 机电一体化系统设计,四、样机试制与试验,完成产品的详细设计后，即可进入样机试制与试验阶段。根据制造的成本和性能试验的要求，一般制造几台样机供试验使用。 样机的试验分为实验室试验和实际工况试验，通过试验考核样机的各种性能指标是否满足设计要求，考核样机的可靠性。如果样机的性能指标和可靠性不满足设计要求，则要修改设计，重新制造样机，重新试验。如果样机的性能指标和可靠性满足设计要求，则进入产品的小批量生产阶段。,1.5 机电一体化系统设计,五、小批量生产 产品的小批量生产阶段实际上是产品的试生产试销售阶段。这一阶段的主要任务是跟踪调查产品在市场上的情况，收集用户意见，发现产品在设计和制造方面存在的问题，并反馈给设计、制造和质量控制部门。 六、大批量生产 经过小批量试生产和试销售的考核，排除产品设计和制造中存在的各种问题后，即可投入大批量生产。,1.5 机电一体化系统设计,1.6 机电一体化对机械工业的影响,1 提高性能、扩展功能、提高效率 以数控机床为例，高速的DSP处理器芯片及精确的运动控制算法是实现机床多轴联动曲面异型体工件加工的基础，实现了传统机床永远无法实现的目标，是对机床性能的提高和功能的扩展。 数控加工中心能够实现一次装夹，多工位同时加工，提高了设备的效率。另外，多轴联动的数控机床在模具加工方面也有相当大优势，可以通过程序控制实现模具的批量生产，模具的虚拟加工与调试等。,1.6 机电一体化对机械工业的影响,2 简化结构,3 提高可靠性 在提高电子元件质量、可靠性的前提下，机电一体化产品可以提高耐久性，减少故障率。另一方面由于赋予其自动监视诊断功能，并采取安全联锁控制，过载和失控保护、停电保护等对策，提高了设备的安全可靠性。,1.6 机电一体化对机械工业的影响,4 节约能源 变频调速技术的广泛应用大大减少了风机、水泵、空调压缩机的能源消耗。,1.6 机电一体化对机械工业的影响,5 操作改善 利用计算机软件提供的友好人机界面，可以方便操作人员对机械装备状态的监测、控制。,1.6 机电一体化对机械工业的影响,1.7 机电一体化的发展趋势,1 智能化 智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。 人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。这里所说的“智能化”是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。,2 标准化 由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。由于利益冲突，近期很难制定国际或国内这方面的标准，但可以通过组建一些大企业逐渐形成。显然，从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业，规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。,1.7 机电一体化的发展趋势,3 网络化 基于网络通信技术的现场总线控制系统已经成为工业自动化系统的发展趋势；各种远程故障监测、诊断与维护系统的发展提高了机电设备的运行可靠性、可控性和可维护性，提高了资源和设备的利用率等；基于“蓝牙”技术的智能家用电器将带来人们生活方式的极大改变。,1.7 机电一体化的发展趋势,4 微型化 微型化兴起于20世纪80年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统（MEMS），泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。 微机电一体化产品体积小 、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。 微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术，微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。,1.7 机电一体化的发展趋势,5 系统化 系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现之二是通信功能的大大加强，一般除RS232外，还有RS485等。,1.7 机电一体化的发展趋势,