1、1.1机械电子工程的概念及发展过程机械电子工程的概念及发展过程 nMechatronics（机械电子工程或机械电子学）是（机械电子工程或机械电子学）是20世纪世纪70年代首先在日本被提出来用于描述机械年代首先在日本被提出来用于描述机械工程和电子工程有机结合的一个术语，这个词的工程和电子工程有机结合的一个术语，这个词的英文原名是取机械学（英文原名是取机械学（Mechanics）的前半部分和）的前半部分和电子学（电子学（Electronics）的后半部分组合而成的。）的后半部分组合而成的。Mechanics+Electronics=Mechatronics1机械工程的演进机械工程的演进n有史以来，
2、机械系统就进入了人类社会的每个角落。最简有史以来，机械系统就进入了人类社会的每个角落。最简单的机械装置，如齿轮、滑轮、弹簧及车轮组成了工具的单的机械装置，如齿轮、滑轮、弹簧及车轮组成了工具的基础。基础。n十八世纪末第一次技术革命以来，机械工程逐步发展成为十八世纪末第一次技术革命以来，机械工程逐步发展成为重要的基础工业部门，并为其它工业部门提供基本装备。重要的基础工业部门，并为其它工业部门提供基本装备。n机械工程可分为两大类，即制造类的机械工程和动力类的机械工程可分为两大类，即制造类的机械工程和动力类的机械工程。机械工程。制造类的机械工程可分为毛坯制造、机械加工和装配等三个生产制造类的机械工程可
3、分为毛坯制造、机械加工和装配等三个生产过程；过程；动力类的机械工程主要研究的是各种发动机，如蒸汽发动机、内动力类的机械工程主要研究的是各种发动机，如蒸汽发动机、内燃机、燃气轮机和喷气发动机等。燃机、燃气轮机和喷气发动机等。2制造类的机械工程发展阶段制造类的机械工程发展阶段n制造类的机械工程发展可划分为四个时期：制造类的机械工程发展可划分为四个时期：手工机械时期手工机械时期蒸汽动力的简单机械时期蒸汽动力的简单机械时期电机驱动的精密化和半自动化时期电机驱动的精密化和半自动化时期数控和群控的自动化时期。数控和群控的自动化时期。3机械与电子的结合机械与电子的结合n随着科学和技术的发展，机械系统变得越来
4、越复杂，随着科学和技术的发展，机械系统变得越来越复杂，对动力或动作控制的要求也越来越高，因此，机械工对动力或动作控制的要求也越来越高，因此，机械工程越来越紧密地和电子技术、尤其是计算机技术联系程越来越紧密地和电子技术、尤其是计算机技术联系在一起。在一起。n电子技术完全是属于电子技术完全是属于20世纪的。迄今为止，电子技术世纪的。迄今为止，电子技术一直被用来提高机械系统的性能，但重点仍放在机械一直被用来提高机械系统的性能，但重点仍放在机械系统上，从来没有如何实现机电一体化的主导计划。系统上，从来没有如何实现机电一体化的主导计划。n过去，机械和电子一体化是通过相互没有直接联系的过去，机械和电子一体
5、化是通过相互没有直接联系的“块和块块和块”之间的结合来完成的。然而最近由于电子之间的结合来完成的。然而最近由于电子学和用它来简化机械结构方面引人注目的进展，技术学和用它来简化机械结构方面引人注目的进展，技术界和学术界开始重新评价机械和电子这两种原理的有界和学术界开始重新评价机械和电子这两种原理的有机结合。机结合。4机械与电子的结合机械与电子的结合n现在对机械电子系统的看法是：除了现在对机械电子系统的看法是：除了“块块与块与块”之间的动力（肌肉）联系之外，还之间的动力（肌肉）联系之外，还有信息（神经）之间的相互联系，并由具有信息（神经）之间的相互联系，并由具有数值运算和逻辑推理能力的计算机来对有
6、数值运算和逻辑推理能力的计算机来对机械电子系统的所有信息进行智能处理。机械电子系统的所有信息进行智能处理。n机械电子工程的本质是：机械与电子技术的规划机械电子工程的本质是：机械与电子技术的规划应用和有效的结合，以构成一个最优的产品或系应用和有效的结合，以构成一个最优的产品或系统统。5机械电子的设计思想机械电子的设计思想n在激烈竞争的环境中，只有用电子学和机械工程在激烈竞争的环境中，只有用电子学和机械工程有效结合生产出来的产品才有可能取胜。有效结合生产出来的产品才有可能取胜。n一般说来，在这种结合过程中，一般说来，在这种结合过程中，一个易犯的错误一个易犯的错误是：电子学在工业中的应用受到遏制是：
7、电子学在工业中的应用受到遏制。n在许多产品的革新中，人们总是先从机械部分在许多产品的革新中，人们总是先从机械部分（硬件）着手，但实际上最好的方法应该是在设（硬件）着手，但实际上最好的方法应该是在设计初期用电子学、控制工程和计算机等技术进行计初期用电子学、控制工程和计算机等技术进行设计。设计。n这种打破传统束缚的机械和电子工程结合的核心这种打破传统束缚的机械和电子工程结合的核心在于采用机械电子工程的方法进行设计，在于采用机械电子工程的方法进行设计，并且这并且这也是对当今发展深刻领会的关键。也是对当今发展深刻领会的关键。6产品开发和工程设计过程产品开发和工程设计过程n产品开发和工程设计产品开发和工
8、程设计是包括许多技术和学是包括许多技术和学科在内的相互作用的科在内的相互作用的复杂过程复杂过程 图图1.1 产品开发过程产品开发过程图图1.2 工程设计过程工程设计过程7机械电子的设计思想机械电子的设计思想n机械电子工程并不是一机械电子工程并不是一门有严格界线并且独立门有严格界线并且独立的工程学科，而是在设的工程学科，而是在设计过程中一个综合的思计过程中一个综合的思想。在完成这种综合的想。在完成这种综合的过程中，机械电子工程过程中，机械电子工程把它的核心部分把它的核心部分机械机械工程、电子工程、计算工程、电子工程、计算机技术机技术与许多种不同与许多种不同的领域，如制造技术、的领域，如制造技术、
9、管理技术和生产加工实管理技术和生产加工实践等结合在一起。践等结合在一起。8机械电子设计思想实例机械电子设计思想实例n事实上，用机械电子工程的设计方法设计出来的事实上，用机械电子工程的设计方法设计出来的机械系统比全部采用机械装置的方法更简单，所机械系统比全部采用机械装置的方法更简单，所包含的元件和运动部件较少。例如，在以机电方包含的元件和运动部件较少。例如，在以机电方法设计的一台缝纫机内，利用一块单片集成电路法设计的一台缝纫机内，利用一块单片集成电路控制针脚花样，可以代替老式缝纫机约控制针脚花样，可以代替老式缝纫机约350个部件。个部件。91.2机械电子工程在产品及其设计中的应用机械电子工程在产
10、品及其设计中的应用n本书所讨论的机电系统，是以完成动作的传递、本书所讨论的机电系统，是以完成动作的传递、变换，以及机械能的利用为其主要功能的变换，以及机械能的利用为其主要功能的。n早期的机电一体化产品主要强调的是物理上和动早期的机电一体化产品主要强调的是物理上和动力上的联结，而力上的联结，而20世纪世纪80年代末以来，机电产品年代末以来，机电产品越来越强调基于传感器信息的驱动，这样可以实越来越强调基于传感器信息的驱动，这样可以实现更加精准的动作。现更加精准的动作。n对目前已有的机电产品，有必要把它们区分为以对目前已有的机电产品，有必要把它们区分为以下两类情况：下两类情况：用机械电子技术对现有产
11、品进行改造以提高其性能；用机械电子技术对现有产品进行改造以提高其性能；用机械电子方法设计开发全新的产品。用机械电子方法设计开发全新的产品。10用机械电子技术对现有产品进行改造用机械电子技术对现有产品进行改造n照相机：照像机：增加自动调焦、调光圈和快门照相机：照像机：增加自动调焦、调光圈和快门系统，因此，拍照时只需找到被摄物体的位置而系统，因此，拍照时只需找到被摄物体的位置而不需要掌握任何专门摄影技术。不需要掌握任何专门摄影技术。胶卷相机胶卷相机数码相机数码相机11用机械电子技术对现有产品进行改造用机械电子技术对现有产品进行改造n加工设备加工设备：动力装置（如钻孔机床）具有速度和：动力装置（如钻
12、孔机床）具有速度和扭矩控制，正反转和加速度控制等特点。扭矩控制，正反转和加速度控制等特点。数控钻铣床数控钻铣床立式钻床立式钻床12用机械电子技术对现有产品进行改造用机械电子技术对现有产品进行改造n发动机和传动装置：发动机和动力控制系统可以发动机和传动装置：发动机和动力控制系统可以减少排放物、提高燃料效率、防止在低速状态下减少排放物、提高燃料效率、防止在低速状态下注入过多的燃料而引起驱动装置误动作，并且具注入过多的燃料而引起驱动装置误动作，并且具有反锁制动和换档等特点。有反锁制动和换档等特点。13用机械电子方法设计开发全新的产品用机械电子方法设计开发全新的产品n袖珍式光盘放像机：该系统中的激光系
13、统用来从袖珍式光盘放像机：该系统中的激光系统用来从盘上读取数字编码信号，其控制是由一个微处理盘上读取数字编码信号，其控制是由一个微处理系统完成的，此系统还具有磁道选择、扫描和预系统完成的，此系统还具有磁道选择、扫描和预检等功能。检等功能。14用机械电子方法设计开发全新的产品用机械电子方法设计开发全新的产品n模块化机器人：普通工模块化机器人：普通工业机器人的几何结构限业机器人的几何结构限制了其功能，而模块化制了其功能，而模块化机器人，由于其众多的机器人，由于其众多的结构单元和执行器是由结构单元和执行器是由一个中央控制器控制的，一个中央控制器控制的，克服了普通机器人的缺克服了普通机器人的缺点，用户
14、可以根据自己点，用户可以根据自己的需要来选择单元。的需要来选择单元。15机械电子工程的设计思想机械电子工程的设计思想n在第一类产品中，由于在最初的设计中只考虑了在第一类产品中，由于在最初的设计中只考虑了动力之间的联系，而没有考虑动力之间的联系，而没有考虑“信息驱动信息驱动”，因，因此传感器和控制器是在后来的改造中加上去的，此传感器和控制器是在后来的改造中加上去的，某些时候就有可能因为零部件或元器件的性能或某些时候就有可能因为零部件或元器件的性能或者安装空间不能满足要求而使改造失败。者安装空间不能满足要求而使改造失败。n而对第二类产品，由于在一开始设计的时候就同而对第二类产品，由于在一开始设计的
15、时候就同时考虑了动力和信息之间的联系，特别是强调了时考虑了动力和信息之间的联系，特别是强调了通过通过“嵌入式嵌入式”设计来实现设计来实现“机电一体机电一体”，产品，产品性能得到了极大的提高。性能得到了极大的提高。n用机械电子方法进行工程设计的核心是将电子技用机械电子方法进行工程设计的核心是将电子技术和计算机技术与机械系统有机地结合起来。术和计算机技术与机械系统有机地结合起来。16构成机械电子系统的模块构成机械电子系统的模块 n工程设计中的机械电工程设计中的机械电子方法与系统结构的子方法与系统结构的配置有关，在这种方配置有关，在这种方法中，可以实现各种法中，可以实现各种技术的集成，并对其技术的集
16、成，并对其进行评估。为达到这进行评估。为达到这个目的，通常采用一个目的，通常采用一种基于信息的自顶向种基于信息的自顶向下的策略，就可以将下的策略，就可以将系统分解成一些模块。系统分解成一些模块。17构成机械电子系统的模块构成机械电子系统的模块n在设计过程中的每一阶段在设计过程中的每一阶段(级级)，能够确定每个模，能够确定每个模块提供的信息特征，这样，就可以按特征块提供的信息特征，这样，就可以按特征(而不是而不是形式形式)来传递信息。在较高级上所定义的模块其本来传递信息。在较高级上所定义的模块其本身就构成了一个机械电子系统。在这种情形下，身就构成了一个机械电子系统。在这种情形下，对下一级的详细描
17、述，就构成了进一步的模块子对下一级的详细描述，就构成了进一步的模块子集。集。n采用这种方法，整个系统中的每个部件的设计，采用这种方法，整个系统中的每个部件的设计，都可以从与该部件与其它部件的相关处着手。而都可以从与该部件与其它部件的相关处着手。而管理这样的一个设计过程是一个复杂的问题，至管理这样的一个设计过程是一个复杂的问题，至今还没有切实可行的通用解决办法。今还没有切实可行的通用解决办法。181.3机械电子工程在制造业中的应用机械电子工程在制造业中的应用 n要使制造业能快速适应市场，要求生产的产品品要使制造业能快速适应市场，要求生产的产品品种多、转产快，就需要有与之相适应的制造系统。种多、转
18、产快，就需要有与之相适应的制造系统。n在制造业的广大领域内，采用机械电子方法设计在制造业的广大领域内，采用机械电子方法设计的主要优点是：制造系统的结构易于改变，且产的主要优点是：制造系统的结构易于改变，且产品的质量可以顺利地上档次。品的质量可以顺利地上档次。n近年来，英、美等国的基础制造业由于缺乏应变近年来，英、美等国的基础制造业由于缺乏应变能力而受到了严重的影响，在与日本同行竞争中能力而受到了严重的影响，在与日本同行竞争中处于劣势处于劣势。n日本人认为产品革新的未来属于那些能将电子系日本人认为产品革新的未来属于那些能将电子系统和机械系统有机地结合起来的人们，并已经在统和机械系统有机地结合起来
19、的人们，并已经在这些方面卓有成效。这些方面卓有成效。19柔性制造系统柔性制造系统n增加加工过程灵活性的要求，导致了柔性制造系增加加工过程灵活性的要求，导致了柔性制造系统（统（FMS）的产生和发展。）的产生和发展。n柔性制造系统包括许多单元，如数控机床、机器柔性制造系统包括许多单元，如数控机床、机器人和物流小车等，用这些单元的组合可以成批加人和物流小车等，用这些单元的组合可以成批加工产品。系统中各个单元之间的信息传递是由局工产品。系统中各个单元之间的信息传递是由局域网络（域网络（LAN）实现的。在生产环境内部，这些）实现的。在生产环境内部，这些相互联系的部分都是作为自动化系统的独立单元相互联系的
20、部分都是作为自动化系统的独立单元使用的。使用的。20用于生产控制的分层通讯系统用于生产控制的分层通讯系统 n在建立整个加工过程信息交换模型时，使用了制造在建立整个加工过程信息交换模型时，使用了制造自动化通讯协议（自动化通讯协议（MAP）、技术管理通讯协议）、技术管理通讯协议（TOP）和开放系统互联标准（）和开放系统互联标准（OSI）等标准）等标准。21机械电子在制造业中应用范例机械电子在制造业中应用范例n就化工厂本身而言，可以看作是一个机械电子系统，微处就化工厂本身而言，可以看作是一个机械电子系统，微处理机和相关信息处理技术的使用，对分布式控制和局部决理机和相关信息处理技术的使用，对分布式控制
21、和局部决策能力都起了重要的作用。分布式系统的使用，也使工厂策能力都起了重要的作用。分布式系统的使用，也使工厂的优化、基于故障诊断的维护和数据处理方面都发生了巨的优化、基于故障诊断的维护和数据处理方面都发生了巨大的变化。大的变化。传统方法传统方法机械电子方法机械电子方法 化化工工过过程程计算机集中控制计算机集中控制全部仪表和传感器用导线全部仪表和传感器用导线联接到中心控制计算机联接到中心控制计算机过程的各部分缺乏灵活性过程的各部分缺乏灵活性出于安全考虑大量采用出于安全考虑大量采用 电电-气动元件气动元件具有局部决策能力的分布式处理具有局部决策能力的分布式处理 采用局部控制回路减少电缆联接采用局部
22、控制回路减少电缆联接 既可全过程优化也可分段优化既可全过程优化也可分段优化 大规模集成电路的使用降低了功耗大规模集成电路的使用降低了功耗 系统本身的安全性得到改善，从而系统本身的安全性得到改善，从而 可以使用电控手段可以使用电控手段 22机械电子在制造业中应用范例机械电子在制造业中应用范例n在加工业中，基于可编程控制器的廉价微处理机作为许多在加工业中，基于可编程控制器的廉价微处理机作为许多工厂的基本控制单元已有多年。并且，传感技术方面也有工厂的基本控制单元已有多年。并且，传感技术方面也有了长足的发展，为了满足高精度的自校正、监控、检测技了长足的发展，为了满足高精度的自校正、监控、检测技术要求，
23、大规模集成电路（术要求，大规模集成电路（VLSI）技术也被广泛使用。）技术也被广泛使用。传统方法传统方法机械电子方法机械电子方法 机械制造系统机械制造系统专用数控机床控制器专用数控机床控制器基本上是独立工作方式基本上是独立工作方式人工完成质量检验和质量保证人工完成质量检验和质量保证手工装卸工件和刀具手工装卸工件和刀具设备损坏后才进行修理设备损坏后才进行修理网络化的数控机床控制器，能网络化的数控机床控制器，能够遥控够遥控 构成柔性制造系统构成柔性制造系统 加工过程中自动进行质量检验加工过程中自动进行质量检验、数据采集和报告、数据采集和报告 由机械手自动装卸工件和变换由机械手自动装卸工件和变换刀具
24、刀具 在线诊断和工作状态监测，能在线诊断和工作状态监测，能预测故障预测故障23学习机械电子工程的意义与要求学习机械电子工程的意义与要求 n机械电子工程的设计既与初步设计有关，也与具机械电子工程的设计既与初步设计有关，也与具体设计有关。这就需要每个设计者在整个设计过体设计有关。这就需要每个设计者在整个设计过程中对所设计部分有充分的了解，以保证最终设程中对所设计部分有充分的了解，以保证最终设计和产品目标的顺利完成。计和产品目标的顺利完成。n为此，设计者必须具备足够的知识，充分了解在为此，设计者必须具备足够的知识，充分了解在某一特殊的技术领域中，哪些知识是可资利用的，某一特殊的技术领域中，哪些知识是
25、可资利用的，哪些是不能利用的。哪些是不能利用的。24中型载重卡车中的自适应柔性悬挂系统中型载重卡车中的自适应柔性悬挂系统 n这个悬挂系统这个悬挂系统是支撑在空气是支撑在空气弹簧之上的，弹簧之上的，每个弹簧对应每个弹簧对应其中的一个轮其中的一个轮子（该系统的子（该系统的三个轴上装有三个轴上装有六个轮子）。六个轮子）。通过传感器可通过传感器可以测量到每个以测量到每个轮子的垂直位轮子的垂直位置、速度和加置、速度和加速度等当前值。速度等当前值。25中型载重卡车中的自适应柔性悬挂系统中型载重卡车中的自适应柔性悬挂系统n在车载微处理器的控制下，就可使用快速横向气在车载微处理器的控制下，就可使用快速横向气流
26、阀来调整各个弹簧的压力；电气切换的双比阻流阀来调整各个弹簧的压力；电气切换的双比阻尼器可调整车辆的行驶状态。尼器可调整车辆的行驶状态。n系统有三种可能的运行模式：系统有三种可能的运行模式：静态情形：要有静态持平能力，能调节装载高度，确静态情形：要有静态持平能力，能调节装载高度，确保车厢载货底板处于水平状态；保车厢载货底板处于水平状态；拟静态情形：当车辆转弯及改道时，即产生一个侧向拟静态情形：当车辆转弯及改道时，即产生一个侧向加速度，这个加速度可能会导致翻车。加速度，这个加速度可能会导致翻车。动态情形：当卡车在粗糙的路面上行驶时，在每个轮动态情形：当卡车在粗糙的路面上行驶时，在每个轮子上监测悬挂
27、系统的状况，就可调整阻尼比，得到理子上监测悬挂系统的状况，就可调整阻尼比，得到理想的行驶状况。想的行驶状况。26中型载重卡车中的自适应柔性悬挂系统中型载重卡车中的自适应柔性悬挂系统n系统从概念到硬、软件的实现，要由许多个设计者来系统从概念到硬、软件的实现，要由许多个设计者来完成，这需要他们具有以下各方面的知识和能力：完成，这需要他们具有以下各方面的知识和能力：1)具有多自由度的质量弹簧阻尼系统的数学建模，具有多自由度的质量弹簧阻尼系统的数学建模，以数学方法来完成系统的表达和编程。以数学方法来完成系统的表达和编程。2）传感器的选择和应用。）传感器的选择和应用。3）仪器使用，包括数据采集及测试。）
28、仪器使用，包括数据采集及测试。4）电液及电器控制系统的设计和应用。）电液及电器控制系统的设计和应用。5）微处理器的使用。）微处理器的使用。6）系统控制算法的建立。）系统控制算法的建立。7）测试设备及试制品的一般性机械设计。）测试设备及试制品的一般性机械设计。8）有关电路的设计、安装和调试。）有关电路的设计、安装和调试。27机械电子工程需要综合利用诸多领域的技术机械电子工程需要综合利用诸多领域的技术n机械电子工程需要综合利用诸多领域的技术，特机械电子工程需要综合利用诸多领域的技术，特别是：别是：驱动与执行装置。驱动与执行装置。传感器及仪器仪表系统。传感器及仪器仪表系统。嵌入式微处理系统。嵌入式微处理系统。工程设计与优化方法。工程设计与优化方法。n本书的结构是围绕这四个方面展开讨论的，以期本书的结构是围绕这四个方面展开讨论的，以期能揭示在设计机械电子系统时所涉及到的问题。能揭示在设计机械电子系统时所涉及到的问题。当然，本书不可能包括各个领域内所存在的全部当然，本书不可能包括各个领域内所存在的全部问题，而主要讨论一些与机械电子系统有关的技问题，而主要讨论一些与机械电子系统有关的技术问题。术问题。28
