机电一体化概论课件

机电一体化技术概论及其发展趋势董长双2013.12机械工程学院机械工程学院1机电一体化系统的基本概念机电一体化系统的基本概念机电一体化系统的关键性技术机电一体化系统的关键性技术机电一体化产品的设计机电一体化产品的设计机电一体化技术概论机电一体化技术概论2机电一体化（机电一体化（Mechatronics）的基本概念）的基本概念机电一体化是微电子技术向机械工业渗透过程中逐渐机电一体化是微电子技术向机械工业渗透过程中逐渐形成的一个新概念，是各相关技术有机结合的一种新形成的一个新概念，是各相关技术有机结合的一种新形式。机电一体化（形式。机电一体化（Mechatronics）这个名词的起）这个名词的起源于日本，在源于日本，在1971，日本，日本机械设计机械设计杂志副刊就杂志副刊就提出了提出了“Mechatronics”这一名词，这一名词，1976年以广告年以广告为主的日本杂志为主的日本杂志MechatronicsDesignNews开开始使用，其中的始使用，其中的“Mechatronics”是由是由“Mechanics”的前半部和的前半部和“Electronics”的后半部的后半部组合而成。翻译为机电一体化或机械电子学。组合而成。翻译为机电一体化或机械电子学。一、一、Mechatronics Mechatronics 的基本含义的基本含义3“机电一体化机电一体化”是机械技术、微电子技术相互是机械技术、微电子技术相互交叉、融合的产物。交叉、融合的产物。机械技术机械技术（机械学（机械学机构学）机构学）机电一体化机电一体化技术领域技术领域微电子技术微电子技术（半导体技（半导体技术、计算机术、计算机技术）技术）4机电一体化技术的发展大体上可分为三个阶段机电一体化技术的发展大体上可分为三个阶段2020世纪世纪7070年代至年代至8080年代为第二阶段。年代为第二阶段。“蓬勃发展阶段蓬勃发展阶段”从从2020世纪世纪9090年代后期开始为第三阶段。年代后期开始为第三阶段。“智能化阶段智能化阶段”2020世纪世纪6060年代以前为第一阶段。年代以前为第一阶段。“萌芽阶段萌芽阶段”机电一体化技术发展史机电一体化技术发展史51 1、六十年代，日本通产省为扩大机械功能，在机械、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。实验，但末能获得成功。2 2、七十年代，微电子技术成熟，微机商品化，大规模、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集成电路问世，构成微机的基本单元CPUCPU、ROMROM、RAMRAM和和接口电路已经模块化，自己接口电路已经模块化，自己 制造制造 计算机成为可能。计算机成为可能。机电一体化得以现实。机电一体化得以现实。3 3、19711971年，日刊工业新闻社发行年，日刊工业新闻社发行机电一体化入门机电一体化入门和和机电一体化机电一体化月刊，专门刊载机电一体化新产品。月刊，专门刊载机电一体化新产品。64 4、19761976年，机电一体化正式命名年，机电一体化正式命名 “”(Mechatronics(Mechatronics、机电一体化）。、机电一体化）。5 5、19711971到到19781978年日本政府颁发年日本政府颁发“机电法机电法”和和“机信法机信法”，对机电一体化的发展起到积极推动作用。，对机电一体化的发展起到积极推动作用。6 6、八十年代，在、八十年代，在“机信法机信法”指导下，机电一体化的产指导下，机电一体化的产品如雨后春笋不断涌现。品如雨后春笋不断涌现。7 7、九十年代，集成度提高，价格下降，机电一体化技、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。社会各个领域。全盛时期开始。7机电一体化的定义在日本多种多样。但机电一体化的定义在日本多种多样。但最具有指导性的定义是日本机械振兴协最具有指导性的定义是日本机械振兴协会经济研究所提出的。会经济研究所提出的。1、日本关于、日本关于Mechatronics的定义的定义“机电一体化这个词乃是在机械的主功能、机电一体化这个词乃是在机械的主功能、动力功能、信息与控制功能上引进了电子动力功能、信息与控制功能上引进了电子技术，并将机械装置与电子设备以及软件技术，并将机械装置与电子设备以及软件等有机结合而成的系统的总称等有机结合而成的系统的总称”。8美国是机电一体化产品开发和应用的最早的国美国是机电一体化产品开发和应用的最早的国家。如世界上第一台数控机床家。如世界上第一台数控机床(1952）、第一）、第一个工业机器人（个工业机器人（1962）。）。2、美国关于现代机械系统的定义、美国关于现代机械系统的定义“由计算机信息网络协调与控制的由计算机信息网络协调与控制的,用于完成包用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和和(或或)机电部件相互联系的系统机电部件相互联系的系统”。美国机械工程师协会的一个专家组于美国机械工程师协会的一个专家组于1984年年 在给美国国家科学基金会的报告中，提出了现在给美国国家科学基金会的报告中，提出了现 代机械系统的定义。代机械系统的定义。9103、我国对机电一体化的理解、我国对机电一体化的理解 机电一体化是机电一体化技术及其产品的统称机电一体化是机电一体化技术及其产品的统称,还将柔性制造系统还将柔性制造系统(FMS)(Flexible Manufacturing System)和计算机集成制造系统和计算机集成制造系统(CIMS)(Computer Integrated Manufacturing System)包括在内。包括在内。机电一体化是在机械产品中的机构主功能、动机电一体化是在机械产品中的机构主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术和计算机技术和计算机技术,并将机械装置和电子设备以及计算并将机械装置和电子设备以及计算机软件等有机结合起来构成的系统总称。机软件等有机结合起来构成的系统总称。863863计划计划 机电一体化领导小组机电一体化领导小组数控技术数控技术 工业机器人工业机器人 计算机几集成制造系统计算机几集成制造系统11二、机电一体化系统二、机电一体化系统1、定义：、定义：机电一体化系统是一种比较复杂的工程系统，它是机电一体化系统是一种比较复杂的工程系统，它是由相互关联的、若干种类的元素由相互关联的、若干种类的元素(机械、流体、电、磁、机械、流体、电、磁、光、热、声等光、热、声等)组成的，具有特定目标的有机整体。组成的，具有特定目标的有机整体。整体性整体性(集合性集合性)、关联性、目的性和相对性。、关联性、目的性和相对性。1 1）属性）属性12系统系统控制控制物质物质能量能量信息信息物质物质能量能量信息信息（人）（人）工业三大工业三大要素要素具有所需具有所需特性特性2）系统目的功能）系统目的功能三大目三大目的功能的功能变换功能变换功能:加工、处理加工、处理传递功能传递功能:移动、输送移动、输送 储存功能储存功能:保持、积蓄、记录保持、积蓄、记录(变换、传递、储存）变换、传递、储存）132、功能构成原理、功能构成原理1）系统框图）系统框图系统系统（特性）（特性）输入输入x外部环境外部环境直接输出直接输出y间接输出间接输出142）系统结构框图）系统结构框图大系统大系统系统系统1分系统分系统1（单元）（单元）单元单元1（部件）（部件）元件元件1系统系统k分系统分系统h单元单元m元件元件n15主功能主功能（变换、传递、保存）（变换、传递、保存）动力功能动力功能控制功能控制功能输入输入输出输出结结构构功功能能干扰干扰排放物排放物能量输入能量输入信息输入信息输入 信息输出信息输出物质物质能量能量信息信息物质物质能量能量信息信息3）机电一体化系统功能构成原理图）机电一体化系统功能构成原理图检测功能检测功能16CNC机床内部功能构成实例机床内部功能构成实例17结论：有五种内部功能。结论：有五种内部功能。主主功功能：实现系统目的功能直接必需的功能，主要是对物质、能：实现系统目的功能直接必需的功能，主要是对物质、能量、信息或其相互结合进行变换、传递和存储。能量、信息或其相互结合进行变换、传递和存储。动力功能：向系统提供动力、让系统得以运转的功能。动力功能：向系统提供动力、让系统得以运转的功能。检测功能：获取系统内、外部信息的功能。检测功能：获取系统内、外部信息的功能。控制功能：对整个系统进行控制，使系统正常运转，实施目的控制功能：对整个系统进行控制，使系统正常运转，实施目的功能。功能。构造功能：使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和构造功能：使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必须的功能。空间上的相互关系所必须的功能。184）系统数学模型）系统数学模型y=(x1、x2、xn，1、2、n，t)y系统目的或输出；系统目的或输出；xi输入；输入；i环境或约束条件。环境或约束条件。19机械本体机械本体3、系统组成、系统组成动力部分动力部分测试传感部分测试传感部分控制及信息处理单元控制及信息处理单元执行机构执行机构接口接口驱动部分驱动部分201）机械本体）机械本体 是所有功能元素的机械支持结构，包括机身、框架、机是所有功能元素的机械支持结构，包括机身、框架、机械连接、机械运动部件等。械连接、机械运动部件等。2）动力部分）动力部分 在控制系统的控制下，为系统提供能量和动力使系统正在控制系统的控制下，为系统提供能量和动力使系统正常运行。常运行。3）测试传感部分）测试传感部分 在系统运行中对系统本身和外界环境的各种参数及状态在系统运行中对系统本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，变成可识别信号，传输到信息处理单元，经过分进行检测，变成可识别信号，传输到信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。析、处理后产生相应的控制信息。214）执行机构）执行机构接收控制系统的控制信息和指令，完成要求的动作。接收控制系统的控制信息和指令，完成要求的动作。5）驱动部分）驱动部分 在控制信息作用下，提供动力并实现功率匹配，驱动在控制信息作用下，提供动力并实现功率匹配，驱动各执行机构完成各种动作和功能。各执行机构完成各种动作和功能。6）控制及信息处理单元）控制及信息处理单元 将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、存储、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定中、存储、分析、加工，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，控制整个系统按要求实的程序和节奏发出相应的指令，控制整个系统按要求实现有序地运行。现有序地运行。7）接口）接口 系统中各单元和环节之间进行物质、能量和信息交系统中各单元和环节之间进行物质、能量和信息交换的连接界面，是外部设备和数控装置之间的桥梁。换的连接界面，是外部设备和数控装置之间的桥梁。22内脏内脏手脚手脚五官五官骨骼骨骼动力动力系统系统控制控制系统系统执行执行机构机构检测检测部分部分机械机械本体本体大脑大脑23机电一体化系统各构成要素之间的相互联系机电一体化系统各构成要素之间的相互联系24第二节第二节机电一体化产品机电一体化产品一、机电一体化产品的分类一、机电一体化产品的分类（1）产业机械：用于生产的电子控制机械。）产业机械：用于生产的电子控制机械。1、按机电一体化产品的用途分类、按机电一体化产品的用途分类（2）信息机械：用于信息处理、存储的电子机械产品）信息机械：用于信息处理、存储的电子机械产品。（3）民生机械：用于生活领域的电子机械产品或机械电子产品。）民生机械：用于生活领域的电子机械产品或机械电子产品。252、按机电一体化产品的功能分类、按机电一体化产品的功能分类（1）在原有机械本体上采用微电子控制装置的产品。）在原有机械本体上采用微电子控制装置的产品。（2）用电子装置局部取代机械控制装置。）用电子装置局部取代机械控制装置。（3）用电子装置取代原来执行信息处理功能的机构。）用电子装置取代原来执行信息处理功能的机构。（4）用电子装置取代了机械的主功能的产品。）用电子装置取代了机械的主功能的产品。（5）信息设备和电子装置有机结合的信息电子设备。）信息设备和电子装置有机结合的信息电子设备。（6）检测装置、电子装置和机构有机结合的检测用电子机械设备。）检测装置、电子装置和机构有机结合的检测用电子机械设备。26二、机电一体化产品的构成及特点二、机电一体化产品的构成及特点1、主要构成、主要构成1）机械系统）机械系统4）信息处理及控制系统）信息处理及控制系统3）传感与检测系统）传感与检测系统5）执行机构）执行机构2）动力系统）动力系统272、特点、特点1）安全性、可靠性高）安全性、可靠性高2）生产能力与工作质量高）生产能力与工作质量高3）使用性能好）使用性能好4）有复合功能）有复合功能5）便于调整和维护）便于调整和维护28第三节第三节机电一体化的技术体系机电一体化的技术体系 机电一体化技术是系统技术、计算机与信息处机电一体化技术是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、伺服传动技术、电力电子理技术、自动控制技术、伺服传动技术、电力电子技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程的一种高新技术。密集型系统工程的一种高新技术。29一、机械技术一、机械技术1.内涵：指机械结构的设计与制造。内涵：指机械结构的设计与制造。2.作作用用：完完成成机机电电一一体体化化系系统统间间的的连连接接以以及及如如何何与与机机电电一一体体化化的的其其它它技技术术相相适适应应，并并利利用用其其它它技技术术来来更更新新概概念念，从从而而实实现现在在结结构构、材材料料、性性能能上上的的最最优优化化，以以满满足足减减少少重重量量、缩缩小小体体积积、提提高高精精度、提高刚度、改善性能的要求。度、提高刚度、改善性能的要求。30二、信息处理技术二、信息处理技术（计算机与信息处理技术）（计算机与信息处理技术）1.内涵：信息的变换、存取、运算、判断和决策；内涵：信息的变换、存取、运算、判断和决策；计算机的软件技术和硬件技术、网络与通信技计算机的软件技术和硬件技术、网络与通信技术、数据库技术等。此外，人工智能技术、专术、数据库技术等。此外，人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等也属于该范畴。家系统技术、神经网络技术等也属于该范畴。2.作用：是促进机电一体化技术发展和变革的作用：是促进机电一体化技术发展和变革的 最活跃的因素。最活跃的因素。31三、检测与传感器技术三、检测与传感器技术1.内涵：研究如何将各种物理量转换成与之成比例内涵：研究如何将各种物理量转换成与之成比例的电量；研究对转换的电信号的加工处理。的电量；研究对转换的电信号的加工处理。2.作用：传感与检测装置是机电一体化系统的作用：传感与检测装置是机电一体化系统的感觉器官，它与信息系统的输入端相连，并将感觉器官，它与信息系统的输入端相连，并将检测到的信号输送到信息处理部分，是实现自检测到的信号输送到信息处理部分，是实现自动控制、自动调节的关键环节。动控制、自动调节的关键环节。32四、自动控制技术四、自动控制技术1.内涵：基本控制理论，对具体控制装置或系统的内涵：基本控制理论，对具体控制装置或系统的设计，设计后的系统仿真、现场调试、投入运行。设计，设计后的系统仿真、现场调试、投入运行。2.作用：实现机电一体化系统的目标最优化，提作用：实现机电一体化系统的目标最优化，提高产品的精度、效率。高产品的精度、效率。331.内涵：机电一体化产品中的执行元件和驱动装内涵：机电一体化产品中的执行元件和驱动装置设计中的技术。置设计中的技术。五、伺服驱动技术五、伺服驱动技术2.作用：伺服系统是实现电信号到机械动作的转作用：伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件。执行元件一方面通过接口电路与换装置与部件。执行元件一方面通过接口电路与计算机相连，接受控制系统的指令；另一方面通计算机相连，接受控制系统的指令；另一方面通过机械接口与机械传动和执行机构相连，以实现过机械接口与机械传动和执行机构相连，以实现规定的动作。伺服驱动技术对机电一体化产品的规定的动作。伺服驱动技术对机电一体化产品的动态性能、稳定性能、操作精度和控制质量等具动态性能、稳定性能、操作精度和控制质量等具有决定性的影响。有决定性的影响。34六、系统整体技术六、系统整体技术1.内涵：以整体的概念，组织应用各种相关技术的内涵：以整体的概念，组织应用各种相关技术的应用技术。应用技术。2.作用：通过分析、评价、综合等措施，优选出作用：通过分析、评价、综合等措施，优选出最佳的功能技术方案。最佳的功能技术方案。35机电一体化技术与其他技术的区别机电一体化技术与其他技术的区别1 1 1 1、机电一体化技术与传统机电技术的区别、机电一体化技术与传统机电技术的区别、机电一体化技术与传统机电技术的区别、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是通过具有电磁特传统机电技术的操作控制主要是通过具有电磁特性的各种电器来实现，在设计中不考虑或很少考虑彼性的各种电器来实现，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。个装置是刚性的，不涉及软件和计算机控制。机电一体化技术以计算机为控制中心，在设计过机电一体化技术以计算机为控制中心，在设计过程中强调机械部件和电器部件间的相互作用和影响，程中强调机械部件和电器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。整个装置在计算机控制下具有一定的智能性。362 2 2 2、机电一体化技术与并行工程的区别、机电一体化技术与并行工程的区别、机电一体化技术与并行工程的区别、机电一体化技术与并行工程的区别 机电一体化技术将机械技术、微电子技术、计机电一体化技术将机械技术、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。间的相互作用。并行工程将上述各项技术尽量在各自范围内齐并行工程将上述各项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。过简单叠加完成整体装置。373 3 3 3、机电一体化技术与自动控制技术的区别、机电一体化技术与自动控制技术的区别、机电一体化技术与自动控制技术的区别、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。规律、分析方法和自动系统的构造等。机电一体化技术将自动控制原理及方法作为重机电一体化技术将自动控制原理及方法作为重要支撑技术，将自控部件作为重要控制部件，应用要支撑技术，将自控部件作为重要控制部件，应用自动控制原理和方法，对机电一体化装置进行分析自动控制原理和方法，对机电一体化装置进行分析和性能测算。和性能测算。384 4 4 4、机电一体化技术与计算机应用技术的区别、机电一体化技术与计算机应用技术的区别、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。用，目的是提高和改善系统性能。其研究的是机电其研究的是机电一体化系统，而不是计算机应用本身。一体化系统，而不是计算机应用本身。计算机在机电一体化系统中的应用仅仅计算机计算机在机电一体化系统中的应用仅仅计算机应用技术的一部分，它还可以在其他方面得到广泛应用技术的一部分，它还可以在其他方面得到广泛应用。应用。39机电一体化产品的设计机电一体化产品的设计二、系统（产品）评价二、系统（产品）评价三、设计的方法三、设计的方法四、设计类型四、设计类型五、设计程序、准则和规律五、设计程序、准则和规律一、设计流程一、设计流程40根据系统（产品）的目的功能确定产品规格及性能指标根据系统（产品）的目的功能确定产品规格及性能指标开开 始始按系统（产品）内部五大功能划分功能部件或功能子系统按系统（产品）内部五大功能划分功能部件或功能子系统确定各功能部件或子系统的功能要素确定各功能部件或子系统的功能要素接接 口口 设设 计计整整 体体 评评 价价是优否是优否修修 正正 改改 进进可可 靠靠 性性 复复 查查可靠否可靠否试试 制制 与与 调调 试试满意否满意否结结 束束 一一、机机电电一一体体化化系系统统（产产品品）设设计计流流程程NOYESYESYESNONO41二、系统（产品）的评价二、系统（产品）的评价高附加值化高附加值化高性能化高性能化低价格化低价格化高可靠性化高可靠性化智能化智能化省能化省能化轻薄短小化轻薄短小化机电一体化系统（产品）机电一体化系统（产品）主功能主功能计测、控制功能计测、控制功能动力功能动力功能构造功能构造功能1）评价内容）评价内容422）系统（产品）内部功能价值评价的方法）系统（产品）内部功能价值评价的方法系统（产品）内部功系统（产品）内部功能能评价参数评价参数系统（产品）的价值系统（产品）的价值高高低低主功能主功能系统误差系统误差抗干扰能力抗干扰能力废弃物输出废弃物输出变换效率变换效率少少强强少少高高大大弱弱多多低低动力功能动力功能输入能量输入能量能能源源少少内装内装多多外设外设控制功能控制功能控制控制I/O口个数口个数手动操作手动操作多多少少少少多多构造功能构造功能尺寸、重量尺寸、重量强度强度小、轻小、轻高高大、重大、重低低计测功能计测功能精度精度高高低低43a、机电互补法（取代法）、机电互补法（取代法）三、系统（产品）设计的常用方法三、系统（产品）设计的常用方法b、结合（融合）法、结合（融合）法c、组合法、组合法44四、系统（产品）的设计类型四、系统（产品）的设计类型a、开发性设计、开发性设计b、适应性设计、适应性设计c、变异性设计、变异性设计是没有参照产品的设计是没有参照产品的设计,仅仅是根据抽象的设计原仅仅是根据抽象的设计原理和要求理和要求,设计出在质量和性能方面满足目的要求的产设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品或系统。品或系统。是在总的方案原理基本保持不变的情况下是在总的方案原理基本保持不变的情况下,对现有系对现有系统功能及结构进行局部更改统功能及结构进行局部更改,以使产品的性能和质量增加以使产品的性能和质量增加某些附加价值。某些附加价值。是在设计方案和功能结构不变的情况下是在设计方案和功能结构不变的情况下,仅改变现仅改变现有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有所变更的要求有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有所变更的要求。45五、设计程序准则和规律五、设计程序准则和规律设计中一般采用三阶段法。设计中一般采用三阶段法。在试验性设计与计算机辅助设计中，多采用既分阶在试验性设计与计算机辅助设计中，多采用既分阶段又平行兼顾的设计，即并行设计，以便相互协调。段又平行兼顾的设计，即并行设计，以便相互协调。总体设计总体设计部件（零件）的选择与设计或初步设计部件（零件）的选择与设计或初步设计技术设计与工艺设计技术设计与工艺设计461）总体设计程序）总体设计程序明确设计思想；明确设计思想；分析综合要求；分析综合要求；划分功能模块；划分功能模块；决定性能参数；决定性能参数；调研类似产品；调研类似产品；拟定总体方案；拟定总体方案；方案对比定型；方案对比定型；编写总体设计论证书。编写总体设计论证书。472）设计准则）设计准则48既然是机电一体化系统，就要打破传统设计的既然是机电一体化系统，就要打破传统设计的思维方式，综合机械技术和电子技术各自的特思维方式，综合机械技术和电子技术各自的特点，达到优势互补，例如在经常需要调整转速点，达到优势互补，例如在经常需要调整转速的场合，用电子调速装置代替齿轮变速装置。的场合，用电子调速装置代替齿轮变速装置。不仅可以提高调速精度，而且灵活方便；采用不仅可以提高调速精度，而且灵活方便；采用可编程控制器代替电磁式继电器，不但可以提可编程控制器代替电磁式继电器，不但可以提高调速精度，而且可以减小系统的体积和重量，高调速精度，而且可以减小系统的体积和重量，给系统设计提供更大的灵活性，这就要求系统给系统设计提供更大的灵活性，这就要求系统设计工作者从机械技术、电子技术、硬件技术设计工作者从机械技术、电子技术、硬件技术和软件技术四个方面权衡经济和技术上的利弊和软件技术四个方面权衡经济和技术上的利弊得失，采取正确的选择方法。得失，采取正确的选择方法。(1)(1)机电互补原则机电互补原则49 在系统设计时，要抓住用户最关心的技术指标，特在系统设计时，要抓住用户最关心的技术指标，特别是系统的可靠性、实用性，经济性等。对各种相关技别是系统的可靠性、实用性，经济性等。对各种相关技术进行优化组合，而不是片面追求高指标、全功能。术进行优化组合，而不是片面追求高指标、全功能。(2)(2)功能优化原则功能优化原则 高精度、高效率、高可靠性是机电一体化生产系统高精度、高效率、高可靠性是机电一体化生产系统的重要指标，因此要求系统在运行过程中能实现自动控的重要指标，因此要求系统在运行过程中能实现自动控制、自动检测、自动调节、自动记录及自动显示；在出制、自动检测、自动调节、自动记录及自动显示；在出现故障时能进行自动诊断，自动采取应急措施，实现自现故障时能进行自动诊断，自动采取应急措施，实现自动保护等；在工作对象变化时，能够灵活改变其工作状动保护等；在工作对象变化时，能够灵活改变其工作状态，实现最大限度的柔性化；最大限度地减少人的干预，态，实现最大限度的柔性化；最大限度地减少人的干预，降低人的体力和智力劳动强度，尽可能排除人为的不利降低人的体力和智力劳动强度，尽可能排除人为的不利因素影响。因素影响。(3)(3)自动化、省力化原则自动化、省力化原则50 要在满足用户的目标功能和适应的使用寿命的前提要在满足用户的目标功能和适应的使用寿命的前提下，最大限度地降低成本。要合理选用材质和零件，正下，最大限度地降低成本。要合理选用材质和零件，正确进行结构设计，简化制造工艺，降低生产成本。积极确进行结构设计，简化制造工艺，降低生产成本。积极采用先进适用的成熟技术，提高系统的技术附加价值，采用先进适用的成熟技术，提高系统的技术附加价值，增强系统的竞争力。要使系统运行可靠，维修方便，减增强系统的竞争力。要使系统运行可靠，维修方便，减少消耗，合理利用自然资源，降低用户的使用成本。要少消耗，合理利用自然资源，降低用户的使用成本。要实现系统的合理排放，减少对环境的污染，以提高其社实现系统的合理排放，减少对环境的污染，以提高其社会效益。会效益。(4)(4)效益最大原则效益最大原则（2）从制造厂的立场出发降低设计与制造成本。）从制造厂的立场出发降低设计与制造成本。降低成本的措施：降低成本的措施：（1 1）从用户需求出发降低使用成本。）从用户需求出发降低使用成本。51 要以一组标准、规范或约定的原则来统一这个系统要以一组标准、规范或约定的原则来统一这个系统的接口、通信和与外部的连接，使系统能容纳不同厂家的接口、通信和与外部的连接，使系统能容纳不同厂家制造的设备及软件产品，同时又有适应未来新技术的发制造的设备及软件产品，同时又有适应未来新技术的发展。要使系统具有开放性，在系统设计时必须选择并贯展。要使系统具有开放性，在系统设计时必须选择并贯彻一系列的标准、规范和约定，这样，才能在此基础上彻一系列的标准、规范和约定，这样，才能在此基础上比较容易地实现软件的可移植性和可操作性。比较容易地实现软件的可移植性和可操作性。(5)(5)开放性原则开放性原则523）设计规律）设计规律设计要求设计要求确定离散元素间的逻辑关系确定离散元素间的逻辑关系确定离散元素间的物理关系确定离散元素间的物理关系确定离散元素间的结构关系确定离散元素间的结构关系53智能化智能化模块化模块化网络化网络化微型化微型化绿色化绿色化系统化系统化机电一体化的发展趋势机电一体化的发展趋势541.智能化 智能机电一体化产品可以模拟人类智能,具有某种程度的判断推理、逻辑思维和自主决策能力,从而取代制造工程中人的部分脑力劳动。人工智能学科552.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,进行任意的剪裁和组合,同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。未来的机电一体化更加注重产品与人的关系,如何赋予机电一体化产品以人的智能、情感、人性显得越来越重要563.微型化 国外称微电子机械系统的几何尺寸一般不超过1 cm3,并正向微米、纳米级方向发展。目前,利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术,在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。1962 1962 硅微型压力传感器，其后硅微型压力传感器，其后50500m50500m齿轮、齿齿轮、齿轮泵、气动蜗轮及连杆件。轮泵、气动蜗轮及连杆件。1965 1965 斯坦福大学斯坦福大学 硅微电极探针、扫描隧道显微镜硅微电极探针、扫描隧道显微镜 1987 1987 加州大学伯克利分校加州大学伯克利分校 1260m1260m 硅微型电机硅微型电机574.模块化模块化也是机电一体化产品的一个发展趋势,机电一体化产品生产企业可利用标准单元迅速开发新产品,同时也可以不断扩大生产规模。585.网络化网络技术的飞速发展对机电一体化有重大影响,使其朝着网络化方向发展。机电一体化产品的种类很多,面向网络的方式也不同。由于网络的普及,基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾,而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。596.绿色化工业的发达使人们物质丰富、生活舒适的同时也使资源减少,生态环境受到严重污染,于是绿色产品应运而生。绿色化是时代的趋势,其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中,对生态环境无危害或危害极小,资源利用率极高60搬运机器人搬运机器人装配机器人装配机器人数控机床数控机床数控机床数控机床61我国发展我国发展“机电一体化机电一体化”面临的形势和任务面临的形势和任务机电一体化工作主要包括两个层次：一是用微电子技术改造传统产业，其目的是节能、节材，提高工效，提高产品质量，把传统工业的技术进步提高一步；二是开发自动化、数字化、智能化机电产品，促进产品的更新换代62我国我国“机电一体化机电一体化”工作面临的形势工作面临的形势1.我国用微电子技术改造传统工业的工作量大而广，有难度 2.我国用机电一体化技术加速产品更新换代，提高市场占有率的呼声高，有压力。3.我国用机电一体化产品取代技术含量和附加值低，耗能、耗水、耗材高，污染、扰民产品的责任重，有意义。63我国我国“机电一体化机电一体化”工作的任务工作的任务我国在机电一体化方面的任务可以概括为两句话：一句话是广泛深入地用机电一体化技术改造传统产业；另一句话是大张旗鼓地开发机电一体化产品，促进机电产品的更新换代。总的目的是促进机电一体产业的形成、为我国产业结构和产品结构调整作贡献。总之，机电一体化技术既是振兴传统机电工业的新鲜血液和源动力，又是开启我国机电行业产品结构、产业结构调整大门的钥匙。64激光传真机激光传真机活动硬盘活动硬盘打印机打印机绘图仪绘图仪65666768平面电机平面电机69森精机公司的车铣复合加工中心70Table-in-Table(台中台台中台)结构结构71采用框架式的箱形结构，将一个移动部件嵌入另一个部件的框架箱中，达到提高刚度，减轻移动部件质量的目的，以适应60m/min以上快速移动和进给的要求。德国DS-Technology公司的Ecospeed加工中心72将一个回转体嵌入另一个回转体中，例如，在B轴工作台中配置C轴工作台，就构成了双坐标工作台的台中台结构(Table-in-table)德国德国EEW衍架结构衍架结构HSM-Model可按客户的场地空间大小和使用需要组合不同的衍架跨距、立柱高度和间距，最大加工范围可达151m9m4.25m。73747576