1、第一章第一章 概概 论论第一章第一章 概概 论论第一节 机电一体化基本概念第二节 机电一体化发展方向第三节 机电一体化系统的构成第四节 机电一体化共性关键技术第五节 机电一体化系统设计 机电一体化的基本概念；机电一体化系统的构成；机电一体化共性关键技术等； 机电一体化系统的设计。第一节第一节 机电一体化基本概念机电一体化基本概念 机电一体化机电一体化又称机械电子学，英文称为Mechatronics。Mechatronics= Mecha（nics）+（Elec）tronics机电一体化机电一体化是以机械学、电子学和信息科学为主的多门技术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
2、边缘性技术学科。 机电一体化机电一体化技术 机电一体化产品概念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，有检测传感技术、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:我们日常生活中使用的全自动洗衣机、空调及全自动照相机，都是典型的机电一体化产品；在机械制造领域中广泛使用的各种数控机床、工业机器人、三坐标测量仪及全自动仓储，也是典型的机电一体化产品； 应用举例 机电一体化技术的发展机电一体化技术的发展 ：分为萌芽阶段、快速发展阶段和智能化阶段三个阶段。 第二节第二节 机电一体化发展概况机电一体化发展概况萌芽阶段： 指20世纪7
3、0年代以前的时期。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。 快速发展阶段： 指20世纪70年代到80年代，人们自觉地、主动地利用技术的成果创造新的机电一体化产品。 3C技术：通信技术、计算机技术、控制技术（Communication，Computer，Control）的合称。 智能化阶段： 指从20世纪90年代开始机电一体化技术向智能化方向迈进，其主要标志是模糊逻辑、人工神经网络和光纤通信等领域的研究成果应用到机电一体化技术中。 模糊逻辑与人的思维过程相类似，用模糊逻辑工具编写的模糊控制软件与微处理器构成的模糊控制器，广泛地应用于机电一体化产品
4、中，进一步提高了产品的性能。 人工神经网络（ 简称“ANN”）也开始应用于机电一体化系统中。“ANN”是研究了生物神经网络（）的结果，是对人脑的部分抽象、简化和模拟，反映了人脑学习和思维的一些特点 。 智能化将是本世纪机电一体化技术发展的方向。 机电一体化的构成要素机电一体化的构成要素是与人体相对应的。第三节第三节 机电一体化系统的构成机电一体化系统的构成机电一体化的构成要素机电一体化的构成要素是与人体相对应的。人的五大要素头脑四肢骨骼五官内脏计算机执行机构机械结构传感器动力机电一体化系统的五大要素机电一体化的五大功能机电一体化的五大功能控制运转检测驱动结构 传统的机械产品由动力源、传动机构和
5、工作机构等组成。 机电一体化系统除了包含传统机械产品的组成部分以外，还含有与电子技术和信息技术相关的组成要素。 机电一体化系统包括：机械本体，检测传感部分、电子控制单元、执行器和动力源，各要素之间通过接口相联系。机电一体化系统的构成机械本体：机械本体： 与纯粹的机械产品相比，机电一体化系统的技术性能得到提高、功能得到增强，这就要求机械本体在机械结构、材料、加工工艺性以及几何尺寸等方面能够与之相适应，具有高效、多功能、可靠和节能、小型、轻量、美观的特点。 机械本体包括机架、机械连接、机械传动等。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。检测传感部分检测传感部分
6、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；不易受被测对象特征（如电阻、导磁率等）的影响；对抗恶劣环境条件（如油污、高温、泥浆等）的能力强；体积小、重量轻、对整机的适应性好；不受高频干扰和强磁场等外部环境的影响；操作性能好，现场维修处理简单；价格低廉。电子控制单元电子控制单元 又称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
7、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。 执行器执行器 一方面要求执行器效率高、响应速度快，同时要求对水、油、温度、尘埃等外部环境的适应性好。由于几何尺寸上的限制，动作范围狭窄，还需考虑维修和实行标准化。目前高性能步进驱动、直流和交流伺服驱动电机已大量应用于机电一体化系统。 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。动力源动力源 除了要求可靠性好以外，机电一体化产品还要求动力源的效率高，即用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功率输出。 作用就是按照系统控制要求向机器系统提供能量和动力
8、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。 机电一体化产品的五个基本组成要素之间共同完成所规定的功能，即在机械本体的支持下，由传感器检测产品的运行状态及环境变化，将信息反馈给电子控制单元，电子控制单元对各种信息进行处理，并按要求控制执行器的运动，执行器的能源则由动力部分提供。在结构上，各组成要素通过各种接口及相关软件有机地结合在一起，构成一个内部合理匹配、外部效能最佳的完整产品。 全自动照相机 测光传感器测光测距传感器测距微处理器微型电动机驱动快门、变焦及卷片倒片机构 举例机电一体化 第一章发动机燃油喷射控制系统发动机燃油喷射控制系统 空气流量计水温传感器节气门位置传感
9、器曲轴位置传感器进气歧管绝对压力传感器爆燃传感器氧传感器 检测发动机的工作状况和燃油在燃烧室的燃烧情况 机电一体化 第一章电子控制装置ECU 计算基本喷油时间 ，确定最佳喷油持续时间 控制发动机的空燃比（还可控制发动机的点火时间、怠速转速、废气再循环率、故障自诊断等功能）第四节第四节 机电一体化共性关键技术机电一体化共性关键技术 机电一体化共性关键技术主要有：检测传感技术、信息处理技术、控制技术、伺服驱动技术、机械技术和系统总体技术。 检测传感技术检测传感技术 指与传感器及其信号检测装置相关的技术。在机电一体化产品中，传感器就像人体的感觉器官一样，将各种内、外部信息通过相应的信号检测装置感知并
10、反馈给控制及信息处理装置。因此检测与传感是实现自动控制的关键环节。信息处理技术信息处理技术 technology 信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策等，实现信息处理的主要工具是计算机,因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。 计算机技术 computer technology 包括计算机硬件技术和软件技术、网络与通信技术、数据库技术等。 自动控制技术自动控制技术 Automatic control technology 包括自动控制理论、控制系统设计、系统仿真、现场调试、可靠运行等从理论到实践的整个过程。由于被控对象种类繁多，所以控制技术的内容极其丰富，包括高精度定位控制、速
11、度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、示教再现、检索等控制技术 自动控制技术的难点在于自动控制理论的工程化与实用化，这是由于现实世界中的被控对象往往与理论上的控制模型之间存在较大差距，使得从控制设计到控制实施往往要经过多次反复调试与修改，才能获得比较满意的结果。 伺服驱动技术伺服驱动技术 主要研究对象是执行元件及其驱动装置。执行元件有电动、气动、液压等多种类型，机电一体化产品中多采用电动式执行元件，其驱动装置主要是指各种电动机的驱动电源电路，目前多采用电力电子器件及集成化的功能电路构成。 执行元件一方面通过电气接口向上与微型机相联，以接受微型机的控制指令，另一方面又通过机械接口向下与机械传动
12、和执行机构相联，以实现规定的动作。因此伺服驱动技术是直接执行操作的技术，对机电一体化产品的动态性能、稳态精度、控制质量等具有决定性的影响。 机械技术机械技术 在机械与电子相互结合的实践中，不断对机械技术提出更高的要求，使现代机械技术发生了很大变化。新机构、新原理、新材料、新工艺等不断出现，现代设计方法不断发展和完善，以满足机电一体化产品对减轻重量、缩小体积、提高精度和刚度、改善性能等多方面的要求。系统总体技术系统总体技术 System overall technology 是一种从整体目标出发，用系统工程的观点和方法，将系统总体分解成相互有机联系的若干功能单元，并以功能单元为子系统继续分解，直
13、至找到可实现的技术方案，然后再把功能和技术方案组合成方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。 系统总体技术中，接口技术是其重要内容之一，机电一体化产品的各功能单元通过接口联接成一个有机的整体。接口包括电气接口、机械接口、人机接口。电气接口实现系统间电信号连接；机械接口则完成机械与机械部分、机械与电气装置部分的连接；人机接口提供了人与系统间的交互界面。 机电一体化系统是从简单的机械产品发展而来，其设计方法、程序与传统的机械产品类似，一般要经过市场调查、方案设计、详细设计、样机试制、小批量生产和正常生产几个阶段。市场调研市场调研 包括市场调查和市场预测。市场调查就是收集所设计产品市场需求和经销方
14、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。 总体方案设计总体方案设计 Overall plan design 1产品方案构思 Product plan idea 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。 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
15、入的综合分析评价，最后确定实施方案。 2方案的评价 Plan appraisal详细设计详细设计 Detailed design 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样及文件的过程。可以分解为硬件系统设计与软件系统设计。 在详细设计过程中还需完成后备系统的设计，设计说明书的编写和产品出厂及使用文件的设计等。 样机试制与试验样机试制与试验 Prototypical trial manufacturing and test 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
16、，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。 小批量生产小批量生产 short run production 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。大批量生产大批量生产 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。参考文献1 潘忠堂浅析传感器技术是机电一体化的一项关键技术机械电子工程，1998(1)：13-17,392 冯正进机电一体化技术进展工业工程，2000(1)：1-43 郑 堤，唐可洪主编机电一体化设计基础北京：机械工业出版社，19974 黄筱调，赵松年编著机电一体化技术基础及应用北京：机械工业出版社，19985 王信义主编机电一体化技术手册(上册)北京：机械工业出版社，1999
