1、主讲主讲：黄：黄平平四川省崇州市职业教育培训中心四川省崇州市职业教育培训中心 第第1章章 机电一体化的概述机电一体化的概述一、机电一体化的定义一、机电一体化的定义 机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合，并综合应用到实际中去的综合技术。是现代化的自动生产设备几乎合，并综合应用到实际中去的综合技术。是现代化的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化的设备。可以说都是机电一体化的设备。第一章第一章 机
2、电一体化概述机电一体化概述 机电一体化最早出现在机电一体化最早出现在19711971年日本杂志年日本杂志机械设计机械设计的副刊上，随的副刊上，随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化的概念被我们广泛接受和普着机电一体化技术的快速发展，机电一体化的概念被我们广泛接受和普遍应用。随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，机电一体化技术获得遍应用。随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，机电一体化技术获得前所未有的发展。现在的机电一体化技术，是机械和微电子技术紧密集前所未有的发展。现在的机电一体化技术，是机械和微电子技术紧密集合的一门技术，他的发展使冷冰冰的机器有了人性化，智能化。合的一门技术，他的发展使冷冰
3、冰的机器有了人性化，智能化。Mechanics(机械学）Electronics（电子学）Mechatronics（机电一体化）+=第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述 机电一体化不是机械技术和电子技术的简单叠加，而是机电一体化不是机械技术和电子技术的简单叠加，而是将电子设备的信息处理功能和控制功能将电子设备的信息处理功能和控制功能“揉和揉和”到机械装到机械装置中去，从而达到扬长避短、互为补充的目的，使机电一置中去，从而达到扬长避短、互为补充的目的，使机电一体化产品更具有系统性、完整性和科学性。体化产品更具有系统性、完整性和科学性。 机电一体化又称机械电子学，英语称为机电一体化又称机械电子
4、学，英语称为MechatronicsMechatronics，它是由英文，它是由英文机械学机械学MechanicsMechanics的前半部分与电子学的前半部分与电子学ElectronicsElectronics的后半部分组合而成的后半部分组合而成, ,字面上表示机械学和电子学两个学科的综合，在我国通常称为机电一体字面上表示机械学和电子学两个学科的综合，在我国通常称为机电一体化或机械电子学。化或机械电子学。 机电一体化最本质的特性仍然是一个机械系统，其最主机电一体化最本质的特性仍然是一个机械系统，其最主要功能仍然是进行机械能和其他形式的能的互换，利用机械要功能仍然是进行机械能和其他形式的能的互
5、换，利用机械能实现物料搬移或形态变化以及实现信息传递和变换。机电能实现物料搬移或形态变化以及实现信息传递和变换。机电一体化系统与传统机械系统的不同之处是充分利用计算机技一体化系统与传统机械系统的不同之处是充分利用计算机技术、传感技术和可控驱动元件特性，实现机械系统的现代化、术、传感技术和可控驱动元件特性，实现机械系统的现代化、智能化、自动化。智能化、自动化。第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述 机电一体化是在机械主功能、动力功能、信息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，并将机械装置功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子设备以及相关软件有机结
6、合而构成系统的总与电子设备以及相关软件有机结合而构成系统的总称。称。二、机电一体化的基本概念第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述“机电一体化机电一体化”也就是机械技术、微电子技术相互交叉、融也就是机械技术、微电子技术相互交叉、融合的产物。合的产物。机械技术机械技术（机械学、机构学（机械学、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（半导体技术、计（半导体技术、计算机技术）算机技术）机电一体化：将多种技术融合为一体的产物机电一体化：将多种技术融合为一体的产物或者是将多种技术柔和地融合在一起的一门或者是将多种技术柔和地融合在一起的一门综合学科。综合学科。第一章第一章 机
7、电一体化概述机电一体化概述 机电一体化是以微型计算机为代表的微电子技术和机电一体化是以微型计算机为代表的微电子技术和信息技术迅速发展，并向机械工业领域迅猛渗透，与机信息技术迅速发展，并向机械工业领域迅猛渗透，与机械电子技术深度结合的现代工业基础上，综合应用机械械电子技术深度结合的现代工业基础上，综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术及软件编程技术等群试技术、电力电子技术、接口技术及软件编程技术等群体技术，从系统观点出发，根据系统功能目标和优化组体技术，从系统观点出发，根据系统功能目标和优化组织结
8、构目标，以智能、动力、结构、运动和感知等组成织结构目标，以智能、动力、结构、运动和感知等组成要素为基础，对各组成要素及其间的信息处理、接口耦要素为基础，对各组成要素及其间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究，使合、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究，使得整个系统有机结合与综合集成，并在系统程序和微电得整个系统有机结合与综合集成，并在系统程序和微电子电路的信息流有序控制下，形成物质和能量的有规则子电路的信息流有序控制下，形成物质和能量的有规则运动，在高功能、高质量、高精度、高可靠性、低消耗运动，在高功能、高质量、高精度、高可靠性、低消耗意义上实现多种技术功能复合的
9、最佳功能价值系统工程意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值系统工程技术。技术。三、机电一体化的基本涵义三、机电一体化的基本涵义第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述 目前世界上普遍认为机电一体化有两大分支，即生产过程目前世界上普遍认为机电一体化有两大分支，即生产过程的机电一体化和机电产品的机电一体化。生产过程的机电一体的机电一体化和机电产品的机电一体化。生产过程的机电一体化意味着整个工业体系得机电一体化，如机械制造过程机电一化意味着整个工业体系得机电一体化，如机械制造过程机电一体化、冶金生产的机电一体化、化工生产的机电一体化、粮食体化、冶金生产的机电一体化、化工生产的机电一体化、粮食及食
10、品加工过程的机电一体化、纺织工业的机电一体化、排版及食品加工过程的机电一体化、纺织工业的机电一体化、排版与印刷的机电一体化等。与印刷的机电一体化等。 生产过程的机电一体化根据生产过程的特点（如生产设备生产过程的机电一体化根据生产过程的特点（如生产设备和生产工艺是否连续）又可划分为离散制造过程的机电一体化和生产工艺是否连续）又可划分为离散制造过程的机电一体化和连续生产过程的机电一体化。前者以机械制造业为代表，后和连续生产过程的机电一体化。前者以机械制造业为代表，后者以化工生产流程为代表。者以化工生产流程为代表。 第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述 机电产品的机电一体化是机电一体化的核心，
11、是生产过程机电产品的机电一体化是机电一体化的核心，是生产过程机电一体化的物质基础。传统的机电产品加上微机控制即可机电一体化的物质基础。传统的机电产品加上微机控制即可转变为新一代的产品，而新产品较之旧产品功能强、性能好、转变为新一代的产品，而新产品较之旧产品功能强、性能好、精度高、体积小、重量轻、更可靠、更方便，具有明显的经精度高、体积小、重量轻、更可靠、更方便，具有明显的经济效益。机电一体化产品销到儿童玩具、家用电器、办公设济效益。机电一体化产品销到儿童玩具、家用电器、办公设备、大到数控机床、机器人、自动生产线等。备、大到数控机床、机器人、自动生产线等。第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概
12、述机电一体化系统机电一体化装置机电一体化产品其他技术控制技术信息技术接口技术微电子技术电气技术机械技术机电一体化技术机电一体化四、机电一体化的组成四、机电一体化的组成第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述机电一体化的组成机电一体化的组成机电一体化系统的形式多种多样，其功能也各不相同，一个较完善的机电机电一体化系统的形式多种多样，其功能也各不相同，一个较完善的机电一体化系统应包括以下几个基本要素：机械本体、动力单元、传感检测单元、一体化系统应包括以下几个基本要素：机械本体、动力单元、传感检测单元、执行单元、驱动单元、控制及信息处理单元，各要素之间通过接口相联系，执行单元、驱动单元、控制及信息
13、处理单元，各要素之间通过接口相联系，这些基本要素的关系及功能如图下所示，这是与人体的五大要素进行对比，这些基本要素的关系及功能如图下所示，这是与人体的五大要素进行对比，从而得到启发的。从而得到启发的。五、机电一体化系统的基本要素（五大要素）五、机电一体化系统的基本要素（五大要素） 机电一体化系统的组成及工作原理a)人的五大要素 b)机电一体化系统的要素 c)机电一体化系统的功能第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述各要素间联系各要素间联系1 1、机械本体、机械本体 机械本体包括机械传动装置和机械结构装置。其
14、主要功机械本体包括机械传动装置和机械结构装置。其主要功能是将构造系统的各子系统、零部件按照一定的空间和时间关能是将构造系统的各子系统、零部件按照一定的空间和时间关系安置在一定的位置上，并保持特定的关系。随着机电一体化系安置在一定的位置上，并保持特定的关系。随着机电一体化产品技术性能、水平和功能的提高，机械本体需在机械结构、产品技术性能、水平和功能的提高，机械本体需在机械结构、材料、加工工艺以及几何尺寸等方面都适应产品高效、多功能、材料、加工工艺以及几何尺寸等方面都适应产品高效、多功能、可靠、节能、小型、轻量、美观等要求。可靠、节能、小型、轻量、美观等要求。第一章第一章 机电一体化概述机电一体化
15、概述2 2、动力单元、动力单元 动力单元的功能是按照机电一体化系统的控制要求，为系动力单元的功能是按照机电一体化系统的控制要求，为系统提供能量和动力以保证系统正常运行。机电一体化的显著特征统提供能量和动力以保证系统正常运行。机电一体化的显著特征之一是用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出。之一是用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出。第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述3 3、传感检测单元、传感检测单元 传感检测单元的功能是对系统进行运行过程中所需要的本传感检测单元的功能是对系统进行运行过程中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，并转换成可识别身和外界环境的各种参数及状
16、态进行检测，并转换成可识别信号，传输到控制信息处理单元，经过分析、处理产生相应信号，传输到控制信息处理单元，经过分析、处理产生相应的控制信息。传感器检测单元通常由专门的传感器和仪器仪的控制信息。传感器检测单元通常由专门的传感器和仪器仪表组成。表组成。第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述4 4、执行单元、执行单元 执行单元的功能是根据控制信息和指令完成所要求的动作。执行单元的功能是根据控制信息和指令完成所要求的动作。执行单元是运动部件，一般采用机械、电磁、电液等方式将输执行单元是运动部件，一般采用机械、电磁、电液等方式将输入的各种形式的能量转换为机械能。根据机电一体化系统的匹入的各种形式的
17、能量转换为机械能。根据机电一体化系统的匹配性要求，需要考虑改善执行机构的工作性能，如提高刚性，配性要求，需要考虑改善执行机构的工作性能，如提高刚性，减轻重量，实现组件化、标准化和系列化，以提高系统整体工减轻重量，实现组件化、标准化和系列化，以提高系统整体工作可靠性等。作可靠性等。第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述5 5、驱动单元、驱动单元 驱动单元的功能是在控制信息作用下，驱动各种执行机驱动单元的功能是在控制信息作用下，驱动各种执行机构完成各种动作和功能。机电一体化技术一方面要求驱动单元构完成各种动作和功能。机电一体化技术一方面要求驱动单元具有高频率和快速响应等特性，同时又要求其对水、
18、油、温度、具有高频率和快速响应等特性，同时又要求其对水、油、温度、尘埃等外部环境具有适应性和可靠性；另一方面由于受几何上尘埃等外部环境具有适应性和可靠性；另一方面由于受几何上动作范围狭窄等限制，还需考虑维修方便，并且尽可能实现标动作范围狭窄等限制，还需考虑维修方便，并且尽可能实现标准化。随着电力电子技术的高度发展，高性能步进电动机、直准化。随着电力电子技术的高度发展，高性能步进电动机、直流和交流伺服电动机将大量应用于机电一体化系统。流和交流伺服电动机将大量应用于机电一体化系统。第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述6 6、控制与信息处理单元、控制与信息处理单元 控制与信息处理单元是机电一体
19、化系统的核心单元，其控制与信息处理单元是机电一体化系统的核心单元，其功能是将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、功能是将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序发出储存、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序发出相应的控制信号，通过输出接口送往执行机构，控制整个系统相应的控制信号，通过输出接口送往执行机构，控制整个系统有目的地运行，并达到预期的性能。控制与信息处理单元一般有目的地运行，并达到预期的性能。控制与信息处理单元一般由计算机、可编程控制器、数控装置以及逻辑电路等组成。由计算机、可编程控制器、数控装置以及逻辑电路等组
20、成。第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述7 7、接口、接口 机电一体化系统由许多要素或子系统组成，各子系统之间机电一体化系统由许多要素或子系统组成，各子系统之间要能顺利地进行物质、能量和信息的传递和交换，必须在各要要能顺利地进行物质、能量和信息的传递和交换，必须在各要素或各子系统的相接处具备一定的连接部件，这个连接部件称素或各子系统的相接处具备一定的连接部件，这个连接部件称为接口。为接口。 接口的作用是将各要素或子系统连接成为一个有机整体，接口的作用是将各要素或子系统连接成为一个有机整体，使各个功能环节有目的地协调一致运动，从而形成机电一体化使各个功能环节有目的地协调一致运动，从而形成机
21、电一体化的系统工程。的系统工程。第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述 接口的基本功能主要有三个：一是变换。在需要进行信息交接口的基本功能主要有三个：一是变换。在需要进行信息交换和传输的环节之间，由于信号的模式不同（如数字量与模拟量、换和传输的环节之间，由于信号的模式不同（如数字量与模拟量、串行码与并行码、连续脉冲与序列脉冲等）无法直接实现信息或串行码与并行码、连续脉冲与序列脉冲等）无法直接实现信息或能量的交流，必须通过接口完成信号或能量的转换和统一。二是能量的交流，必须通过接口完成信号或能量的转换和统一。二是放大。在两个信号强度相差悬殊的环节间，经接口放大，达到能放大。在两个信号强度相差
22、悬殊的环节间，经接口放大，达到能量匹配。三是传递。变换和放大后的信号要在环节间能可靠、快量匹配。三是传递。变换和放大后的信号要在环节间能可靠、快速、准确地交换，必须遵循协调一致的时序、信号格式和逻辑规速、准确地交换，必须遵循协调一致的时序、信号格式和逻辑规范。接口具有保证信息传递的逻辑控制功能，使信息按规定模式范。接口具有保证信息传递的逻辑控制功能，使信息按规定模式进行传递。进行传递。第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述 构成机电一体化系统的五大组成要素其内部及相互构成机电一体化系统的五大组成要素其内部及相互之间都必须遵循结构接口耦合、运动传递、信息控制与之间都必须遵循结构接口耦合、运动
23、传递、信息控制与能量转换四大原则。能量转换四大原则。 1. 1.接口耦合：两个需要进行信息交换和传递的环节之间，接口耦合：两个需要进行信息交换和传递的环节之间，由于信息模式不同（数字量与模拟量，串行码与并行码，连续由于信息模式不同（数字量与模拟量，串行码与并行码，连续脉冲与序列脉冲等）无法直接传递和交换，必须通过接口耦合脉冲与序列脉冲等）无法直接传递和交换，必须通过接口耦合来实现。而两个信号强弱相差悬殊的环节之间，也必须通过接来实现。而两个信号强弱相差悬殊的环节之间，也必须通过接口耦合后，才能匹配。变换放大后的信号要在两个环节之间可口耦合后，才能匹配。变换放大后的信号要在两个环节之间可靠、快速
24、、准确的交换、传递，必须遵循一致的时序、信号格靠、快速、准确的交换、传递，必须遵循一致的时序、信号格式和逻辑规范才行，因此接口耦合时就必须具有保证信息的逻式和逻辑规范才行，因此接口耦合时就必须具有保证信息的逻辑控制功能，使信息按规定的模式进行交换与传递。辑控制功能，使信息按规定的模式进行交换与传递。 第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述六、机电一体化系统的四大原则六、机电一体化系统的四大原则 2. 2.能量转换：两个需要进行传输和交换的环节之间，能量转换：两个需要进行传输和交换的环节之间，由于模式不同而无法直接进行能量的转换和交流，必须进由于模式不同而无法直接进行能量的转换和交流，必须进
25、行能量的转换，能量的转换包括执行器，驱动器和他们的行能量的转换，能量的转换包括执行器，驱动器和他们的不同类型能量的最优转换方法及原理。不同类型能量的最优转换方法及原理。 3.3.信息控制：在系统中，所谓智能组成要素的系统控信息控制：在系统中，所谓智能组成要素的系统控制单元，在软、硬件的保证下，完成信息的采集、传输、制单元，在软、硬件的保证下，完成信息的采集、传输、储存、分析、运算、判断、决策，以达到信息控制的目的。储存、分析、运算、判断、决策，以达到信息控制的目的。对于智能化程度高的信息控制系统还包含了知识获得、推对于智能化程度高的信息控制系统还包含了知识获得、推理机制以及自学习功能等知识驱动
26、功能。理机制以及自学习功能等知识驱动功能。 4.4.运动传递：运动传递使构成机电一体化系统各组成运动传递：运动传递使构成机电一体化系统各组成要素之间，不同类型运动的变换与传输以及以运动控制为要素之间，不同类型运动的变换与传输以及以运动控制为目的的优化。目的的优化。 第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述七、机电一体化共性的关键技术七、机电一体化共性的关键技术自动化控制技术自动化控制技术; 计算机与信息处理技术计算机与信息处理技术; 检测与传感器技术检测与传感器技术; 执行与驱动技术执行与驱动技术; 精密机械技术精密机械技术;总体设计技术总体设计技术;接口技术。接口技术。第一章第一章 机电一
27、体化概述机电一体化概述 机电一体化是多学科领域技术综合交叉的技术密集型系统机电一体化是多学科领域技术综合交叉的技术密集型系统工程，其主要相关技术可以归纳成六个方面，即：机械技术、工程，其主要相关技术可以归纳成六个方面，即：机械技术、传感检测技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术传感检测技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术和系统总体技术。和系统总体技术。1 1、机械技术、机械技术 与一般的同类机械装置相比，机电一体化系统中的机械部与一般的同类机械装置相比，机电一体化系统中的机械部分精度要求更高，结构更简单，功能更强大，性能更优越，同分精度要求更高，结构更简单，功能更强大，性能更
28、优越，同时还要有更好的可靠性、维护性和更新颖的结构。零部件要求时还要有更好的可靠性、维护性和更新颖的结构。零部件要求模块化、标准化、规格模块化、标准化、规格 ，还有许多新的课题要加以研究和运，还有许多新的课题要加以研究和运用用 。八、机电一体化的相关技术八、机电一体化的相关技术第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述 因此机械技术的出发点在于如何与机电一体化技术相适应，因此机械技术的出发点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其他高新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上利用其他高新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上以及功能上的变革。以及功能上的变革。 2 2、传感检测技术、传感检
29、测技术 传感检测装置是机电一体化系统的感觉器官，它可从待测传感检测装置是机电一体化系统的感觉器官，它可从待测对象那里获取能反映待测对象特征与状态的信息。它是实现自对象那里获取能反映待测对象特征与状态的信息。它是实现自动控制、自动调节的关键环节，其功能越强，系统的自动化程动控制、自动调节的关键环节，其功能越强，系统的自动化程度就越高。传感检测技术的研究内容包括两方面：一是研究如度就越高。传感检测技术的研究内容包括两方面：一是研究如何将各种被测量（包括物理量、化学量和生物量等）转换为与何将各种被测量（包括物理量、化学量和生物量等）转换为与之成比例的电量；二是研究如何对转换后的电信号进行加工处之成比
30、例的电量；二是研究如何对转换后的电信号进行加工处理，如放大、补偿、标定、变换等。传感器是检测部分的核心。理，如放大、补偿、标定、变换等。传感器是检测部分的核心。 第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述3 3、信息处理技术、信息处理技术 信息技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策。实信息技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策。实现信息处理的主要工具是计算机，它相当于人的大脑，指挥现信息处理的主要工具是计算机，它相当于人的大脑，指挥整个系统的运行。计算机技术包括计算机软件技术、硬件技整个系统的运行。计算机技术包括计算机软件技术、硬件技术和网络与通信技术等。机电一体化系统中主要采用工业控
31、术和网络与通信技术等。机电一体化系统中主要采用工业控制机（包括可编程序控制器、单片微控制器、总线式工业空制机（包括可编程序控制器、单片微控制器、总线式工业空驶机等）进行信息处理。计算机应用及信息处理技术已成为驶机等）进行信息处理。计算机应用及信息处理技术已成为机电一体化技术发展和变革的最重要因素。机电一体化技术发展和变革的最重要因素。 第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述4 4、自动控制技术、自动控制技术 自动控制技术包括高精度位置控制、速度控制、自适应控自动控制技术包括高精度位置控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、检索等技术。在急电一体化技术中，制、自诊断、校正、补偿、检索
32、等技术。在急电一体化技术中，自动控制主要是解决如何提高产品的精度、提高加工效率、提自动控制主要是解决如何提高产品的精度、提高加工效率、提高设备的有效利用率，从而实现机电一体化系统在设计之后进高设备的有效利用率，从而实现机电一体化系统在设计之后进行系统仿真，现场调试，最后使研制的系统可靠地投入运行，行系统仿真，现场调试，最后使研制的系统可靠地投入运行，尤其是计算机技术高速发展，使得自动控制技术与计算机技术尤其是计算机技术高速发展，使得自动控制技术与计算机技术的结合越趋密切，因此自动控制技术是机电一体化技术中十分的结合越趋密切，因此自动控制技术是机电一体化技术中十分重要的关键技术。重要的关键技术。
33、第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述5 5、伺服驱动技术、伺服驱动技术 “伺服伺服”（ServerServer）即）即“伺候服侍伺候服侍”的意思。伺服驱动技的意思。伺服驱动技术就是在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械的运动术就是在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械的运动部件按照指令的要求进行运动，并具有良好的动态性能。伺部件按照指令的要求进行运动，并具有良好的动态性能。伺服驱动技术包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，服驱动技术包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，这部分的功能相当于人的手足的功能，这些驱动装置通过接这部分的功能相当于人的手足的功能，这些驱动装置通过接口与
34、计算机相连接，在计算机控制下，带动机械部件作机械口与计算机相连接，在计算机控制下，带动机械部件作机械回转、直线或其他各种复杂运动。回转、直线或其他各种复杂运动。 第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述 常见的伺服驱动系统主要有液压和电气伺服系统。液压伺常见的伺服驱动系统主要有液压和电气伺服系统。液压伺服系统（如液压马达、脉冲液压缸等）具有工作稳定、响应速服系统（如液压马达、脉冲液压缸等）具有工作稳定、响应速度快、输出力矩大等特点，特别是在低速运行时其性能更突出，度快、输出力矩大等特点，特别是在低速运行时其性能更突出，但液压系统需要增加液压泵等动力源，设备复杂、体积大、维但液压系统需要增加液
35、压泵等动力源，设备复杂、体积大、维修难及污染环境；而电气伺服系统（如步进电动机、直流伺服修难及污染环境；而电气伺服系统（如步进电动机、直流伺服电动机等）具有控制灵活、费用小、可靠性高等优点，但低速电动机等）具有控制灵活、费用小、可靠性高等优点，但低速时输出力矩不够大。时输出力矩不够大。 第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述6 6、系统总体技术、系统总体技术 系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统的观点和方系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统的观点和方法，将总体分解成若干功能单元，找出能完成各个功能的技术法，将总体分解成若干功能单元，找出能完成各个功能的技术方案，再将各个功能与技术方
36、案组进行分析、评价、优选的综方案，再将各个功能与技术方案组进行分析、评价、优选的综合应用技术。它通过所用技术的协调一致来保证在给定环境条合应用技术。它通过所用技术的协调一致来保证在给定环境条件下经济、可靠、高效地实现目标，并使其操作和维修更加方件下经济、可靠、高效地实现目标，并使其操作和维修更加方便。便。第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述九、机电一体化技术与其他技术的区别九、机电一体化技术与其他技术的区别传统机电技术：以继电器传统机电技术：以继电器-接触器控制为主接触器控制为主 刚性刚性机电一体化技术：以计算机为控制中心机电一体化技术：以计算机
37、为控制中心 智能性智能性机电一体化是将计算机作为系统的核心部件来应用；而机电一体化是将计算机作为系统的核心部件来应用；而计算机在机电一体化中的应用则仅仅是计算机应用的一计算机在机电一体化中的应用则仅仅是计算机应用的一部分。部分。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2.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第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述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4.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讨论的重点是将自动控制技术作为重要支
38、撑机电一体化讨论的重点是将自动控制技术作为重要支撑技术之一，将自动控制部件作为重要控制部件来使用；技术之一，将自动控制部件作为重要控制部件来使用；而自动控制技术讨论的重点则是系统控制原理、控制规而自动控制技术讨论的重点则是系统控制原理、控制规律、分析方法及系统构造等。律、分析方法及系统构造等。机电一体化将多种技术有机地结合在一起，十分注重各机电一体化将多种技术有机地结合在一起，十分注重各部件间的相互作用；而并行式程则是尽量保证各部件在部件间的相互作用；而并行式程则是尽量保证各部件在自己范围内齐头并进。自己范围内齐头并进。十、机电一体化产品的主要特征十、机电一体化产品的主要特征机械手机械手例例1
39、-1 机械手机械手 机械手定义：能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序机械手定义：能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
40、 机械手构成：机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组机械手构成：机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构
41、的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有空间中任意位置和方位的物体，需有6 6个自由度。自由度是机个自由度。自由度是机 械手设械手设计的关计的关 键参数。自由键参数。自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有其结构也越复杂。一般专用机械手有2 23 3个自由度。控制系统是通过个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。
42、同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或机或dspdsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。 机械手机械手整体结构最佳化整体结构最佳化系统控制智能化系统控制智能化操作性能柔性化操作性能柔性化 机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位
43、控制和连续轨迹控制机械手等。迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。 机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善
44、热、累等劳动条件。进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。 机电一体化产品的主要特征机电一体化产品的主要特征机电一体化产品的主要特征机电一体化产品的主要特征第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述一、机电一体化系统的基本结构一、机电一体化系统的基本结构传感检测部分传感检测部分控制及信息控制及信息处理部分处理部分驱动部分驱动部分机械部分机械部分动力部分动力部分机电一体化系统的基本结构机电一体化系统的基本结构第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述传感检测部分传感检测部分传感检测系统传感检测系统控制及信息处理部分控制及信息处理部分电子信息处理系统电子信息处理系统驱动部分驱动部分驱动
45、系统驱动系统机械部分机械部分机械系统、机械机构机械系统、机械机构动力部分动力部分动力系统、动力源动力系统、动力源第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述例例1-2 平面关节型机械手平面关节型机械手机构手的结构由执行机构、驱动机构手的结构由执行机构、驱动传动机构、控制系统、智能系传动机构、控制系统、智能系统、检测系统等部分组成。统、检测系统等部分组成。例例1-2 平面关节型机械手平面关节型机械手第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述例例1-2 平面关节型机械手平面关节型机械手第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述例例1-2 平面关节型机械手平面关节型机械手第一章第一章 机电一体化概述机
46、电一体化概述二、机电一体化系统的功能二、机电一体化系统的功能第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述一一 、按功能划分、按功能划分l数控机械类数控机械类l电子设备类电子设备类l机电结合类机电结合类l信息处理类信息处理类l其他类其他类第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述二二 、按用途划分、按用途划分l生产用类l运输、包装及工程用类l存储、销售用类l社会服务用类l家庭用类l科研及过程控制用类l其他类一、机电一体化的产生一、机电一体化的产生 早在早在40多年前，美国的科技人员就发明了世界上第一台机器多年前，美国的科技人员就发明了世界上第一台机器人，接着他们又发明了数控机床和用于小型汽车的电子
47、燃油喷人，接着他们又发明了数控机床和用于小型汽车的电子燃油喷射装置等自动化产品和设备。这些自动化产品或设备都是典型射装置等自动化产品和设备。这些自动化产品或设备都是典型的机电一体化的产品或设备，但是美国的工程技术人员始终没的机电一体化的产品或设备，但是美国的工程技术人员始终没有为自己发明的新技术取个名字。有为自己发明的新技术取个名字。 擅长引进、吸收和消化国外先进技术日本工程技术人员，在推广擅长引进、吸收和消化国外先进技术日本工程技术人员，在推广机电一体化先进技术的同时还大力宣传机电一体化的技术，并在机电机电一体化先进技术的同时还大力宣传机电一体化的技术，并在机电一体化方面进行了许多专题研究。
48、因此，日本机电一体化产品很快就一体化方面进行了许多专题研究。因此，日本机电一体化产品很快就接近了世界一流水平。此外，接近了世界一流水平。此外，2020世纪世纪7070年代初，日本人率先将英语词年代初，日本人率先将英语词汇汇MechanicsMechanics（机械学）的前半部和（机械学）的前半部和ElectronicsElectronics（电子学）的后半（电子学）的后半部拼在一起，构成了部拼在一起，构成了MechatronicsMechatronics。这个由日本人创造的日式英语词，。这个由日本人创造的日式英语词，现已被正式采用。现已被正式采用。第一章第一章 机电一体化概述机电一体化概述 在
49、中国，在中国，MechatronicsMechatronics被译成机电一体化，这个术语比较恰被译成机电一体化，这个术语比较恰当地描绘了这一新技术的含义，因而很快被广大工程技术人员所当地描绘了这一新技术的含义，因而很快被广大工程技术人员所接受。由于科学技术在不断地发展，机电一体化产品或设备的内接受。由于科学技术在不断地发展，机电一体化产品或设备的内容也在不断地更新，并不断地采用先进的技术，因此在理解机电容也在不断地更新，并不断地采用先进的技术，因此在理解机电一体化的含义时，可以将一体化的含义时，可以将“机电机电”一词模糊为一词模糊为“先进技术先进技术”。这。这样，机电技术应用就意味着先进技术的
50、应用。样，机电技术应用就意味着先进技术的应用。 机电一体化的产生和迅速发展的根本原因在于社会的发展和科机电一体化的产生和迅速发展的根本原因在于社会的发展和科学技术的进步。系统工程、控制论和信息论是机电一体化的理论学技术的进步。系统工程、控制论和信息论是机电一体化的理论基础，也是机电一体化技术的方法论。目前，机电一体化技术已基础，也是机电一体化技术的方法论。目前，机电一体化技术已广泛应用于机械、建筑、农业、医疗等行业，并正向具有自适应广泛应用于机械、建筑、农业、医疗等行业，并正向具有自适应性的智能化发展。性的智能化发展。 目前，有自适应性的智能系统已进入采用模糊理论和模糊计目前，有自适应性的智能
