1、第第1.1节节 机电一体化涵义机电一体化涵义1.1.1 机电一体化的定义和主要目的机电一体化的定义和主要目的 定义：定义：在机械的主功能、动力功能、信息功能、控制功能基础上引入在机械的主功能、动力功能、信息功能、控制功能基础上引入微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机地结合所构成微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机地结合所构成系统的总称。系统的总称。( (日本机械振兴协会，日本机械振兴协会，19811981） 主要目的：主要目的：增加机械系统或装置的附加值和自动化程度。（多功能、增加机械系统或装置的附加值和自动化程度。（多功能、高效、高可靠性等）高效、高可靠性等）机械学（
2、机械学（Mechanics）+ 电子学（电子学（Electronics） = 机电一体化机电一体化 或或 机械电子工程（机械电子工程（Mechatronics）机械技术（机械学、机构学）机电一体化技术微电子技术（半导体、IC、LSI、VLSI）l机电一体化技术使机电一体化技术使机械传动部分减少机械传动部分减少，因而使，因而使机械磨损，配合间隙及受力变形等所引起的误机械磨损，配合间隙及受力变形等所引起的误差大大减少，同时由于差大大减少，同时由于采用电子技术采用电子技术实现自动实现自动检测，控制，补偿和校正因各种干扰因素造成检测，控制，补偿和校正因各种干扰因素造成的误差，从而提高精度。的误差，从而
3、提高精度。l机电一体化的三大效果：省能、省资源、智能机电一体化的三大效果：省能、省资源、智能化化为什么采用机电一体化技术可以提高系统的精度？为什么采用机电一体化技术可以提高系统的精度？ 机电一体化产品或系统的原创性研究与设机电一体化产品或系统的原创性研究与设计计原创性设计。原创性设计。 机电一体化产品或系统的机械系统（或部机电一体化产品或系统的机械系统（或部件）与微电子系统（或部件）相互转换或有件）与微电子系统（或部件）相互转换或有机结合研究与设计机结合研究与设计变异性设计。变异性设计。机电一体化技术研究的主要内容机电一体化技术研究的主要内容 主要研究主要研究“省能源、省资源、智能化省能源、省
4、资源、智能化”三大基本要素，形成交叉学科的基础理论知三大基本要素，形成交叉学科的基础理论知识，解决机电一体化（技术）设计中的核心识，解决机电一体化（技术）设计中的核心技术问题技术问题接口技术接口技术。（1）基础设计理论、研究方法的形成基础设计理论、研究方法的形成 （二次世界二次世界大战前大战前）（2）电子技术的时代（电子技术的时代（二次世界大战以来二次世界大战以来）（3）微电子技术时代微电子技术时代 （工业自动化的大量应用工业自动化的大量应用）（4）机电一体化技术理论体系的初步形成（）机电一体化技术理论体系的初步形成（智能智能化产品或装置的出现化产品或装置的出现）（5）计算机技术与工业控制软件
5、的应用（）计算机技术与工业控制软件的应用（智能智能化化省能源省能源省资源省资源）（6）工业自动化和产品自动化（）工业自动化和产品自动化（智能化智能化 自动自动化化增加附加值增加附加值）（7） 未来发展方向（未来发展方向（高度智能化和高度智能化和 自动化自动化）1.2.1 机电一体化系统的构成要素与功能特征机电一体化系统的构成要素与功能特征五大功能构成要素：五大功能构成要素：机械系统、电子信息处机械系统、电子信息处理系统、动力系统、传感系统、执行控制系理系统、动力系统、传感系统、执行控制系统（元件）组成及其统（元件）组成及其定义定义与与作用作用。l信息处理及控制系统。根据机电一体化产品的信息处理
6、及控制系统。根据机电一体化产品的功能和性能要求，信息处理及控制系统接收传功能和性能要求，信息处理及控制系统接收传感器与检测系统的反馈信息，并对其进行相应感器与检测系统的反馈信息，并对其进行相应的处理，运算和决策，以对产品的运行实施按的处理，运算和决策，以对产品的运行实施按要求的控制。要求的控制。l执行部件。在控制信息的作用下完成要求的动执行部件。在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。执行部件一般是运动作，实现产品的主功能。执行部件一般是运动部件，常采用机械、电液、气动等机构。执行部件，常采用机械、电液、气动等机构。执行机构是实现产品目的功能的直接执行者，其性机构是实现产品目的功能
7、的直接执行者，其性能的好坏决定着整个产品的性能。能的好坏决定着整个产品的性能。l机械本体：用于机械本体：用于支撑支撑和和连接连接其它要素，并把这些要素合理地其它要素，并把这些要素合理地结合起来，形成有机的整体。必要的组成部分，没有它，系结合起来，形成有机的整体。必要的组成部分，没有它，系统的各部件就支离破碎。统的各部件就支离破碎。l动力系统。为机电一体化产品提供能量和动力功能，去驱动动力系统。为机电一体化产品提供能量和动力功能，去驱动执行机构工作以完成预定的主功能，包括电、液、气等多种执行机构工作以完成预定的主功能，包括电、液、气等多种动力源。动力源。l传感与检测系统。将机电一体化产品在运行过
8、程中所需要的传感与检测系统。将机电一体化产品在运行过程中所需要的自身和外界环境的各种参数及状态转换成可以测定的物理量，自身和外界环境的各种参数及状态转换成可以测定的物理量，同时利用检测系统的功能对这些物理量进行测定，为机电一同时利用检测系统的功能对这些物理量进行测定，为机电一体化产品提供运行控制所需的各种信息体化产品提供运行控制所需的各种信息。NC指令指令位置控制位置控制速度控制速度控制电机电机工作台工作台比较器比较器测速机测速机旋变旋变变换功能（加工处理）；变换功能（加工处理）；传递功能（移动、输送）；传递功能（移动、输送）；储存功能（保持、积蓄、记录）。储存功能（保持、积蓄、记录）。 控制
9、方式：控制方式：线性控制方式；线性控制方式；非线性控制方式；非线性控制方式；智能控制方式。智能控制方式。 主功能、信息功能、控制功能、动力功能、主功能、信息功能、控制功能、动力功能、构造功能。构造功能。 以及各子系统的匹配技术（核心）以及各子系统的匹配技术（核心） 接接口技术。口技术。 （变换、传递、储存）主功能计测功能动力功能控制功能信息能源物质新输出干扰废弃物输出动力输入（能源）（信息）输入控制输出控制人或其他系统构造功能（加工机构）位置检测切削加工机械结构能外部电源（能源）电 源毛坯物质原输入热、振动操作人员输入控制（信息）控制器CNC新输出工件物质热、振动、切屑监视CNC程序图纸信息等
10、原输入物质能源信息 机电系统五种内部功能构成机电系统五种内部功能构成 CNC机床内部功能构成机床内部功能构成接口技术的作用：接口技术的作用： 实现机械、电子、信息等各种技术在机实现机械、电子、信息等各种技术在机电一体化系统中的物质、能源、信息的传电一体化系统中的物质、能源、信息的传递与转换，达到系统所需目的。递与转换，达到系统所需目的。接口技术的功能：接口技术的功能： 系统输入系统输入/ /输出接口信息的匹配。输出接口信息的匹配。 系统信息的转换、调整，能源信息匹配。系统信息的转换、调整，能源信息匹配。 第第1.3节节 机电一体化系统构成要素机电一体化系统构成要素相互联系问题相互联系问题 接口
11、技术接口技术 按变换按变换/ /调整功能分类：调整功能分类： 零接口零接口（导线）：不进行任何变换和调整导线）：不进行任何变换和调整 无源接口无源接口（齿轮减速器）：只用无源要素进行变换、调整（齿轮减速器）：只用无源要素进行变换、调整 有源接口有源接口: :（电磁离合器、放大器、（电磁离合器、放大器、A/DA/D等）含有有源要素、主等）含有有源要素、主 动进行匹配的接口动进行匹配的接口 智能接口智能接口: : 按输入输出功能分类：按输入输出功能分类：机械接口、物理接口、信息接口、环境接口机械接口、物理接口、信息接口、环境接口（对周围环境有保护作（对周围环境有保护作用）。用）。 实际上实际上，机
12、电一体化技术研究的核心问题就是机电一体化技术研究的核心问题就是接口技术接口技术问题问题。设计内容：设计内容：（1）确定产品规格、性能指标）确定产品规格、性能指标 运动参数、动力参数、品质参数。运动参数、动力参数、品质参数。（2）系统功能部件要素的划分）系统功能部件要素的划分 功能部件选择、设计和与系统主功能功能部件选择、设计和与系统主功能的匹配。的匹配。（3）接口设计）接口设计 机械接口、物理接口、信息接口、环机械接口、物理接口、信息接口、环境接口境接口 系统性能、结构质量的各种定量指标系统性能、结构质量的各种定量指标和参数，系统的附加价值，和参数，系统的附加价值，满足设计或用户满足设计或用户
13、需求的功能性产品或系统为前提。需求的功能性产品或系统为前提。评价方法评价方法依据产品要求有所不同。依据产品要求有所不同。 （5）可靠性复查）可靠性复查 （6）试制与调试）试制与调试 样机制造与调试、试验。样机制造与调试、试验。（7）最终产品结果评价）最终产品结果评价 是否达到设计或用户要求是否达到设计或用户要求 依据提高机电一体化产品依据提高机电一体化产品或系统附加价值或系统附加价值的各项综合指标作为评价体系的制定标准，的各项综合指标作为评价体系的制定标准，即五大内部功能要素指标。即五大内部功能要素指标。系统（产品）系统（产品）内部功能内部功能 评评 价价 参参 数数 系统（产品价值）系统（产
14、品价值）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小小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装外装控制功能控制功能可控输入输出接口数可控输入输出接口数操作动作数操作动作数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或信息获取或信息获取精度精度灵敏度灵敏度高高响应快响应快低低响应慢响应慢机电一体化系统（产品）主 功 能计测、控制功能动 力 功 能构 造 功 能高性能化机电一体化系统（产品）低价格化智能化高可靠性化轻薄短小化省能化1
15、.6.1 机电一体化系统设计的一般原则机电一体化系统设计的一般原则原则：原则：从规范性、通用性、耐环境性、可靠性、从规范性、通用性、耐环境性、可靠性、经济性等多方面综合分析，结合现代设计方法经济性等多方面综合分析，结合现代设计方法和手段，达到机电一体化系统设计的三大目的和手段，达到机电一体化系统设计的三大目的省能源、省资源、智能化，提高机电产品的附省能源、省资源、智能化，提高机电产品的附加值和自动化程度。加值和自动化程度。常用的设计方法：常用的设计方法：机电互补法机电互补法 机电结合（融合）法机电结合（融合）法 机电组合法机电组合法常见的设计类型：常见的设计类型：开发性设计开发性设计 适应性设
16、计适应性设计 变异性设计变异性设计 本章节应重点掌握机电一体化系统本章节应重点掌握机电一体化系统设计的内涵、作用、目标以及研究的设计的内涵、作用、目标以及研究的主要核心技术问题，机电一体化系统主要核心技术问题，机电一体化系统（产品）的构成要素和功能要素，以（产品）的构成要素和功能要素，以及它们之间的相互联系；机电一体化及它们之间的相互联系；机电一体化系统（产品）的一般设计设计工作流系统（产品）的一般设计设计工作流程；应考虑的方法和设计类型；了解程；应考虑的方法和设计类型；了解机电一体化系统（产品）设计的基本机电一体化系统（产品）设计的基本程序、准则与规律；现代设计方法在程序、准则与规律；现代设
17、计方法在机电一体化系统（产品）中的应用。机电一体化系统（产品）中的应用。 1 题：机电一体化的涵义、目的、特征、题：机电一体化的涵义、目的、特征、基本组成要素以及分别实现哪些功能。基本组成要素以及分别实现哪些功能。 2 题：工业三大要素指的是什么？机电题：工业三大要素指的是什么？机电一体化设计的目标是哪些？一体化设计的目标是哪些？ 3 题：机电一体化的接口功能有哪些？题：机电一体化的接口功能有哪些？根据不同的接口功能试说明接口的种类。根据不同的接口功能试说明接口的种类。 4 题：说明机电一体化系统设计的设计题：说明机电一体化系统设计的设计思想、方法。思想、方法。 5 题：开发性设计、变异性设计、适应题：开发性设计、变异性设计、适应性设计有何异同？性设计有何异同？
