1、机电一体化技术基础 讲课 60学时，实验6学时共计66学时 主讲：肖继学Email:xjxg_163_ 1绪论 1.1机电一体化概念机电一体化概念 1.2机电一体化的共性关键技术机电一体化的共性关键技术 1.3机电一体化的功能构成原理及其组成要素机电一体化的功能构成原理及其组成要素 1.4机电一体化系统设计、广义接口和控制软件的作用机电一体化系统设计、广义接口和控制软件的作用 1.5机电一体化产品的分类机电一体化产品的分类 1.6机电一体化的特点及发展趋势机电一体化的特点及发展趋势 1.7本课程的目的和要求本课程的目的和要求1.1机电一体化概念机电一体化概念 20世纪70年代以来，以大规模集成
2、电路和微型电子计算机为代表的微电子技术迅速地应用于机械工业中，出现了种类繁多的计算机控制的机械和仪器。随着科学技术的发展，数控机床发展到加工中心，继而出现了具有柔性功能的自动化生产线、车间、工厂，为先进制造技术(Advanced Manufacturing Technology AMT)的建立和发展提供了硬件基础，大幅度地提高产品质量和劳动生产率，适应了市场对产品多样化的要求，使传统机械工业的面貌焕然一新，机电一体化(Mechatronics System)的出现，推动了机械工业和电子工业及信息技术（Information Technology,IT）的紧密结合，并发展为综合性的热门学科。1.
3、1.1机电一体化的基本含义机电一体化的基本含义 日本从1971年开始，就敏感地提出“Mechatronics”这个英语合成的名词。其中，词首Mecha表示Mechanics（机械学）；词尾tronics表示Electronics（电子学）。日本机械振兴协会经济研究所于1981年提出具有通用性定义:即“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，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称”.它体现了机电一体化产品及其技术的基本内容和特征，所以具有指导性的定义。美国是机电一体化产品开发和应用得最早的国家。如世界上第一台数控机床（1952年）、工业机器人（1
4、962年）都是美国研制成功的。数控机床数控机床 焊接机器人焊接机器人 我国一般认为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（FMS）和现代集成制造系统（CIMS）等自动化生产线和自动化制造工程包含在内，这是对机电一体化的准确定义。有人认为机电一体化产品是“在机械产品的基础上应用微电子技术和计算机技术产生出来的新一代的机电产品”，这是机械电子化的概念。区分机电一体化或非机电一体化的产品，其核心是计算机控制的伺服系统，其它都是与此匹配的部分。蒸汽机和电动机的出现为机械产品提供了动力，而机电一体化技术为机械产品提供了智力。实践证明，现有机械产品的电子化，需要系统科学的观点和综合集成
5、的技巧，使机械装置、电子技术和软件工程之间相互适应和匹配，发挥各自的优势，使系统尽可能地达到最优。这是我们应该研究的课题。1.1.2机电一体化技术的主要特征机电一体化技术的主要特征 机电一体化技术的主要特征表现在以下几个方面：1整体结构最优化整体结构最优化 在传统机械产品中，为了增加一种功能，或实现某一种控制规律，往往靠增加机械结构的办法来实现。例如，为了达到变速的目的，采取一系列齿轮组成的变速箱；为了控制机床的走刀轨迹而出现了各种形状的靠模；为了控制柴油发动机的喷油规律，出现了凸轮机构等等。随着电子技术的发展，人们逐渐发现，过去笨重的齿轮变速箱可以用轻便的电子调速装置来部分替代；精确的运动规
6、律可以通过计算机的软件来调节。由此看来，在设计机电一体化系统时，可以从机械、电子、硬件、软件四个方面去实现同一种功能。一个优秀的设计师，可以在这个更加广阔的空间里充分发挥自己的聪明才智，设计出整体结构最优的系统。这里所说的“最优”不一定是什么尖端技术，而是指满足用户的要求的最优组合。它可以是以高效、节能、安全、可靠、精确、灵活、价廉等等许多指标中用户最关心的一个或几个指标为主进行综合衡量的结果。机电一体化技术的实质是从系统的观点出发，应用机械技术和电子技术进行有机的组合、渗透和综合，以实现系统最优化。2系统控制智能化系统控制智能化 这是机电一体化技术与传统的工业的自动化最主要的区别之一。电子技
7、术的引入，显著地改变传统机械那种单纯靠操作人员，按照规定的工艺顺序或节拍，频繁、紧张、单调、重复的工作状况。可以依靠电子控制系统，按照一定的程序一步一步地协调各相关的动作及功能关系。有些高级的机电一体化系统，还可以通过被控制对象的数学模型，根据任何时刻外界各种参数的变化情况，随机自寻最佳工作程序，以实现最优化工作和最佳操作（即:专家系统Expert System ES）。大多数机电一体化系统都具有自动控制、自动检测、自动信息处理、自动修正、自动诊断、自动记录、自动显示等功能。在正常情况下，整个系统按照人的意图（通过给定指令）进行自动控制，一旦出现故障就自动采取应急措施，实现自动保护等功能。在某
8、些情 况下单靠人的操纵是难以完成的，例如危险、有害、高速的工作条件，或有高精度要求时，应用机电一体化技术不但是有利的，而且是必要的。3操作性能柔性化操作性能柔性化 计算机软件技术的引入，能使机电一体化系统的各个传动机构的动作通过预先给定的程序，一步一步地由电子系统来协调。在生产对象更改只需改变传动机构的动作规律而无须改变其硬件机构，只要调整一系列指令组成的软件，就可以达到预期的目的。这种软件可以由软件工程人员根据要求动作的规律及操作事先编好，使用磁盘或数据通信方式，装入机电一体化系统里的存储器中，进而对系统的机构动作实施控制和协调。随着技术的进步，现在在操作系统设计上大多采用操作冗余设计，正常
9、工作时由计算机控制，在计算机出现故障时，由操作人员通过控制面板的控制按钮进行操作以完成该次工作，避免因计算机故障而报废被加工工件的情况出现，可以保护重要的加工零件。目前远程操作也是研究的热点，具体技术包括无线传感；数据融合，远程控制等新技术，有学者认为是本世纪前半叶，机械学科的前沿领域。1.1.3机电一体化技术与其它技术的区机电一体化技术与其它技术的区别别机电一体化一词经常被人误解或与其他技术混淆，为了正确理解和恰当运用机电一体化技术，这里作简单说明。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 传统机电技术的操作控制大都以基于电磁学原理的各种电器（如继电器、接触
10、器等）来实现，在设计过程中不考虑或很少考虑彼此之间的内在联系。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。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子器件的相互作用和影响，整个装置包括软件在内，具有很好的灵活性。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 机电一体化技术将机械、微电子、计算机、控制和电子技术在设计、制造、使用等各阶段有机结合在一起，十分注意机械和其他部件之间的相互作用。而并行工程是将上述各种技术尽量在各自范围内齐头并进，在不同技术的内部进行设计制造，最后完成整体装置。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
11、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、控制规律、分析方法和自动控制系统的构造等。机电一体化技术是将自动控制原理及方法作为重要支撑技术，将自动控制部件作为重要控制部件。它应用自动控制原理和方法，对机电一体化装置进行系统分析和性能估测，但机电一体化技术往往强调的是机电一体化系统本身。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 机电一体化技术只是将计算机作为核心部件应用，目的在于提高和改善系统性能。机电一体化技术研究的是机电一体化系统，而不是计算机应用本身。计算机应用技术只是机电一体化技术的重要支撑技术。1.2机电一体化的共性关键技术机电一体化的共
12、性关键技术 机电一体化系统（或产品）和人体相似。人体通过感官得到的各种信息，通过神经传送给大脑，经大脑思维处理，调节并指挥各部分动作。机电一体化系统则由各种检测传感元件或检测子系统，收集各种信息（如位置、速度、加速度、温度、力、力矩、环境等），然后传给信息处理中心（如CPU），经过处理和调整，由自动控制系统控制传动系统进行工作，各个小系统通过接口联结，形成完整的系统。整个系统按软件给定的范围进行调整，使各子系统协调动作，完成系统的工作。因此机电一体化系统所面临的共性关键技术是：1检测传感技术检测传感技术 传感与检测装置是系统的感受元件，它与信息系统的输入端相联，并将检测到的信号输送到信息处理中
13、心。传感与检测是实现自动控制、主动调节的环节，它的功能越强，系统的自动化程度就越高。传感与检测的关键元件是传感器。传感器是将被测量（包括各种物理量、化学量和生物量等）变化成系统可以识别的，与被测量有确定对应关系的有用电信号的一种装置。机电一体化技术要求传感器能快速、精确地获得信息，并能应用于相应的应用环境中，且具有高的可靠性。2信息处理技术信息处理技术 信息处理技术包括信息的输入、变换、换算、存贮和输出技术。信息处理的硬件主要由计算机硬件、可编程序控制器和数控装置等构成硬件支撑平台。软件技术实现信息的数字处理。因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。在机电一体化系统中，计算机与信息处理中心实
14、时控制整个系统工作的质量和效率，因此计算机应用及信息处理技术已成为促进机电一体化技术发展和变革的最活跃的因素。3自动控制技术自动控制技术 自动控制技术范围很广，主要包括：经典控制理论和现代控制理论。在此两类理论指导下对具体控制装置或控制系统进行设计、设计后对系统进行仿真、现场调试、使系统可靠地投入运行等。由于控制对象种类繁多，所以控制技术的内容极其丰富，例如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、再现、检索等。由于计算机的广泛应用，自动控制技术越来越多的与计算机控制技术联系在一起，成为机电一体化中十分重要的关键技术。4伺服驱动技术伺服驱动技术 伺服驱动技术主要是执行系统和机构
15、中的一些技术问题。伺服驱动的动力类型包括电动、气动、液动。由微型计算机通过接口输出信息至伺服驱动系统，再由伺服驱动器控制它们的运动、带动工作机械作回转、直线以及其它各种复杂的运动。伺服驱动技术是直接执行操作的技术，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件。它对系统的动态性能、控制质量和功能具有决定性的影响。常见 的伺服驱动装置有电液马达、脉冲液压缸、步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。近年来由于变频技术的进步，交流伺服驱动技术取得突破性进展，为机电一体化系统提供高质量的伺服驱动单元，促进了机电一体化的发展。5精密机械技术精密机械技术 机电一体化技术要求精密机械减轻重量、减少体积、
16、减小变形（特别是热变形）、提高精度、提高刚度、改善动态性能，而且还应延长机械部分的使用寿命，提高关键零部件的精度和刚度。采用新材料、新工艺和新结构，使零部件模块化、标准化、规格化，从而提高维修效率，减少停工时间。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，用系统论的观点和方法，将总体分解成若干功能单元，找出能完成各个功能的技术方案组，再把功能与技术方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。系统总体技术包括的内容很多，例如接口转换、软件开发、微机应用技术、控制系统的成套性和成套设备自动化技术等。即使各个部分的性能、可靠性都很好，如果整个系统不能很好协调，系统也很难保证正常运行。
17、接口技术是系统技术中的一个重要方面，它是实现系统各部分有机连接的保证。接口包括电气接口、机械接口、人机接口、软件接口。电气接口实现系统间信号连接，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，软件接口提供软件代码共享与复用。1.3机电一体化的功能构成原理机电一体化的功能构成原理及其组成要素及其组成要素 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(如机械、流体、电磁、光、热、声等)元素组成的、具有特定目标的有机整体，并具有整体性(集合性)、关联性、目的性和相对性等四个基本属性，缺一就不可能构成一个有目标的工程系统。1.3.1机电
18、一体化的功能构成原理机电一体化的功能构成原理 从现代设计方法学的观点来看，世界是由物质、能量和信息三大要素组成的。因此，机电一体化系统的目的，是对输入的物质、能量和信息(单独的或组合的)进行预定的变换(含加工、处理)、传递(含移动、输送)和保存(含保持，存储，记录)。所以，系统的目的均可用这三种主功能及其复合来表示。因此，机电一体化系统要实现其目的，必须具备如图1.1所示的四种内部功能。其中主功能是实现系统目的所必需的，它表明了该系统的主图图1.1 机电一体化的功能构成机电一体化的功能构成 要特征和功能；任何系统无论多少都需要能量(动力功能)；为使系统正常的动作，信息处理和控制(信息与控制功能
19、)是必不可少的；最后，还要将系统各要素组合起来，进行空间配置，形成一个统一的整体(结构功能或支撑功能)。关于系统的输入和输出，除了主功能的输入与输出之外，还要有能量输入和控制信息输入，如果有人或其他系统的外部控制输入，则必须有从外面了解控制状态的控制输出。同样，也需要了解能量输入状态的监视系统。此外，任何系统都会遭到外部环境的干扰(外扰)，这种外扰通常是有害的。整个系统除了有目的地输出(有用输出)之外，还会有无用的输出(既废弃输出)，废弃输出有时对环境影响很大，这在系统设计中需要特别注意。对于结构功能，除了面向主功能的输入和输出之外，还要承担外扰，废弃输出，能量和控制输入/输出的连接任务。上述
20、四种内部功能，既可有与其相应的各自独立子系统，也可有一个子系统来承担多种功能的情况，以便使整个系统更为紧凑。上述这种抽象的功能构成原理图，既有利于设计或分析各种机电一体化系统或产品，又有利于开拓思路，便于创造发明。例如，根据三种不同的主功能及其不同的输入，组合起来可形成9大类型的系统或产品，但不一定都是机电一体化的产品，见表1-1主功能输入-输出组合实例1变 换物 质材料加工或处理机2传 递物 质交通运输机3保 存物 质自动化仓库、包装机4变 换能 量动力机械5传 递能 量机械或流体传动6保 存能 量机械或流体蓄能器7变 换信 息电子计算机、仪器8传 递信 息通信系统、传真机9保 存信 息存储
21、器、录像机表1-1 不同主功能及输入输出的组合 此外，对于主功能的加工机构，其运动方式不同，也可构成不同用途的机械，例如，金属切削机床是根据工件与刀具相对运动产生切削所用的原理来进行加工的，但工件与刀具的运动方式不同，就有不同用途的机床，见表1-2。工件运动刀具运动切削加工机床实例1旋 转旋 转内、外圆磨床，滚齿机2旋 转直 线车床3直 线旋 转铣床、镗床、平磨4直 线直 线刨床5不 动旋转及直线钻床、铰孔、功丝6不 动直 线拉床、插床表1-2 不同相对运动加工的金属切削机床 对于现有的机电一体化系统，我们可以利用功能原理图来进行研究分析。图1.2是数字控制(Number Control NC
22、)机床的功能原理构成的实例。由于未指明主功能的加工机构，它代表的具有相同主功能及控制功能的一大类型的机电一体化系统，如金属切削数控机床，电加工数控机床，激光加工数控机床以及冲压加工数控机床等。显然，由于主功能的具体加工机构不同，其它功能的具体装置也会有差别，但其本质是数控加工机床。图1.2 数控机床的功能构成 1.3.2机电一体化的功能构成要素机电一体化的功能构成要素 机电一体化系统的五大组成要素 对于一般的机器，是由本质上不同的部分发动机、传动机构和执行机构构成。但是，现代的机器是机电一体化的计算机控制的自动化机器，它们除了上述三个构成要素之外，还需要有计算机和传感器，从而组成一个功能完善的
23、柔性自动化的机电一体化系统、即有五个本质上不同的基本要素:动力、机构、执行器、计算机和传感器。如图1-3所示，从仿生学观点来看，类似人的构造和功能，但不一定是拟人形，如工业机器人和数控机械。从人的五大要素来说，内脏建立了用能量来维持人的生命和活动条件(动力)；五官接受外界的信息(传感器)；手、脚作用于外界(执行器)；头脑集中处理和协调全部信息，并对其它要素和它们之间的连接进行有机的统一控制(计算机)；骨骼和肌肉用来把人体连成一体，并规定其运动(机构)。显然，无论是人还是机电一体化系统，其五大要素本身的性能及其融合、协调得越好，则整个系统最优，其最终目标是具有人工智能的灵巧机器。内脏五官头脑骨骼
24、手脚动力传感器计算机机构执行器 A B图1.3 人和机电一体化系统的五大要素1.4机电一体化系统设计、广义机电一体化系统设计、广义接口和控制软件的作用接口和控制软件的作用 1.4.1机电一体化系统设计 1机电一体化系统工程机电一体化系统工程 机电一体化技术是多学科复合交叉型综合技术。机电一体化生产是含有能量流、信息流等多参量、多输入/输出的复杂系统，构成系统的理论基础是系统论、控制论和信息论。系统论是运用完整性、集中化、拓扑结构、终极性、逻辑同构等概念，探求适用于一切系统的模式、原则与规律的理论与方法。它把整体性原则作为系统方法的基本出发点，是从系统观发展而成的一门科学。一般系统应该包括三个方
25、面：1）适用于一切（或一定的）种类的系统理论和数学系统理论。2）系统技术，或称系统工程。3）系统哲学。自觉地运用系统工程的观念和方法，把握好系统的组成和作用规律，对机电一体化生产系统设计的成败有关键意义。广义地说，系统工程包括对系统的构成要素、组织结构、信息交换、自动控制和最优管理的目标所采用的各种组织管理技术。狭义地说，系统工程包括对系统的分析、综合、模拟、最优化等技术。系统工程是一门工程学方法论。常用方法和步骤为：1）建立模型（描述系统每部分及其性能的只测定准则和决定系统重要特征的数量关系）。2）最优化（把系统可调部分调到最佳性能）。3）系统评价（对系统设计进行鉴定）。控制论是研究生物（包
26、括人类）和机器中的控制和通信的普遍原则和规律的学科，有工程控制论、生物控制论和经济控制论等不少分支。主要研究上述过程的数学关系，而不涉及过程内的物理、化学、生物、经济或其他方面的现象。控制论涉及信息论、电子计算机理论、自动控制理论、现代数学理论各门学科。通过控制论的研究，使生产自动化、国防科学、经济管理、仿生学进入到一个新的阶段。信息论是研究信息及其传输的一般规律的科学。狭义指通信系统中存在的信息传递和处理的共同规律的科学。广义指应用数学融合其他有关科学的方法，研究一切现实系统中存在的信息传递和处理以及信息识别和利用的共同规律的科学。信息学描述的规律具有高度的普遍性、被迅速应用于不同领域生产并
27、形成信息科学。信息科学是研究生物、人类和计算机信息的生产、获取、传输、存储、显示、识别、传递、控制和利用的理论，是设计、制造各种智能信息处理机器和设备，并实现操作自动化的基础理论。机电一体化系统工程是运用机电一体化技术，把各种机电一体化设备按目标产品的要求组成的一个高生产率、高柔性、高质量、高可靠性、低能耗的系统工程。机电一体化系统工程以机为主，机、电、光、气、液相互结合。它不仅包括机电工程产业中的各种系统工程，而且包括非机电工程产业的各种系统工程，覆盖面更广；生产对象以固体物料为主，兼顾液体、气体等其他物料。机电一体化系统工程的设计以系统中的物质流、能量流、信息流描述为基本线索展开，进行系统
28、分析和功能设计。功能原理设计的宗旨是根据系统的目的和要求，寻求各种（现有的或新的）物理原理来实现主功能或其他功能的最佳技术方案或技术路线，而不是具体的设计，因而更具有灵活性和创造性。2机电一体化系统设计的基本步骤机电一体化系统设计的基本步骤 图1.4所示为系统功能原理设计的基本步骤。各步骤及其注意之点简述如下：开 始1 明确系统的目的2 决定系统的规范3 决定系统的四大功能及其规范4 用功能子系统或功能要素构成各个功能5 用实际系统或要素替换各功能6 整体系统的评价7 转下一个循环图1.4 系统设计的基本步骤（1）按图中第1、2步是在系统设计中作出重大决策的阶段，不能只用技术观点看问题，还要考
29、虑到企业的经营战略、市场动向和社会利益等所引起的重大作用。近来，由于技术变革使人眼花缭乱，产品的商业寿命在缩短，新产品开发有流于表面的危险，值得设计者警惕。如果无论什么情况都要使用微型计算机，并标榜是机电一体产品，这是不正确的。开 始1 明确系统的目的2 决定系统的规范3 决定系统的四大功能及其规范4 用功能子系统或功能要素构成各个功能5 用实际系统或要素替换各功能6 整体系统的评价7 转下一个循环图1.4 系统设计的基本步骤（2）3、4步是顺次进行系统的功能设计。首先要构成如图1.2所示的四大功能，然后由若干功能子系统组成各种功能，反复进行这两步以便淘汰功能较差的方案。其中要记述各功能的必要
30、性能，暂不考虑具体的硬件，以便近可能多地试作各种功能组合方案而不作可能或不可能、优劣的评价。（3）第5步是把在第4步所得功能子系统或功能要素分类、多次探索所要完成各个功能的硬件和软件，从中选定最优方案。此时，要将现有要素或系统中能满足条件的、与需要新开发的部分区分开来，然后使后者近可能地减少，并返回第4步。显然，要尽量采用现有的较好的子系统，并注意构成功能模块。（5）第6步是对整个系统进行评价，找出需要改善的地方，重点进行研究。必要时，重复进行上述步骤，核查审定。3建立四大功能技术矩阵、寻求可能的技术方案建立四大功能技术矩阵、寻求可能的技术方案 建立功能技术矩阵是提供可行技术方案的一种方法，现
31、以数控铣床为例说明四大功能技术矩阵的构造和具体内容，其目的是说明从抽象的功能原理设计怎样逐步走向具体化。由表1-3可知，通过组合在理论上有486个可行的技术方案。根据系统的目的和要求，通过分析比较可舍去大部分的方案，如不采用直接驱动、齿轮齿条、气动马达等等。如果我们选择A1+B2+C1+D2+E1+F1方案，进行详细的分析研究，然后进行调整、取舍就可决定哪种方案较好。技术途径四大功能 123A 主功能 刀具旋转皮带齿轮传动齿轮传动直接驱动B（加工机构）工件平动梯形丝杆螺母滚珠丝杆螺母齿轮齿条C 动力功能伺服电机液压马达气动马达D 信息处理有检测传感器无检测传感器E 控制功能单片机NC装置微机N
32、C装置多微机NC装置F 结构功能（床身）铸造结构焊接结构人造花岗岩结构表1-3 数控铣床功能原理设计的技术矩阵 采用功能原理设计寻求技术方案时，不但是上述的现有的技术的综合集成，而且是一个创新的过程，一般具有以下的特征：1)采用新的物理原理，使主功能发生根本性的变化，开发新产品。例如：激光加工机床、微波炉和石英电子钟表都是典型的例子。2)采用创新思维和新技术成果。新思路、新构思通常与新技术、新能源、新材料、新工艺等有密切的联系。例如：激光加工是利用产生激光束的特殊材料；微波炉是用磁控管产生微波来烹饪食物；石英电子钟表是用石英晶体震荡器控制的电磁摆来代替机械游丝摆制成的；采用碳纤维增强的复合材料
33、可以做成自行车的车架或工业机器人的手臂等。3)机电一体化产品的一个主要特征是采用微电子装置来取代机械控制装置及其原来执行信息处理的机构，这种微电子装置不但具有自动地进行信息处理、调节和控制功能，还有自动检测、显示、记录或打印，以及自动诊断和保护等各种功能，而且，具有速度快、可靠性和精度高等一系列特点。另 一个特征是微电子控制装置通常是在软件的支持下工作的，从而具有柔性自动化功能。因此，在设计中应充分考虑到这种微电子硬件和软件结合装置的优越功能，构成一个完善的真正的机电一体化系统 综上所述，机电一体化系统的功能原理设计，不仅是现有技术的综合集成过程，也是一个创新构思的过程，这取决于设计者的知识、
34、经验、才能、灵感以及坚定的创新开拓精神，并通过实际工作的磨练才能成功。1.4.2广义接口和控制软件的作用广义接口和控制软件的作用 1.广义接口广义接口 机电一体化系统中，最重要的是系统和各要素之间的“广义接口”这个基本概念。仅有机械或者电子的系统，接口概念并不太突出，但在不同技术的复合过程中，接口技术是重点。在系统各要素或子系统之间，必须平稳地进行物质、能量和信息的一些输入输出。因此，在相互连接要素的交界面上必须具备相应的某些条件，才能连接，该交界面就称为接口。接口可分为直接接口和接口系统两种基本形式，如图1.5所示，直接接口就是利用子系统或要素本身具有接口性能的那一部分进行连接；接口系统是借
35、助中间系统的接口部分与相应子系统进行连接。复杂系统中采用接口系统的可能性居多。与系统一样，接口是由物质、能量和信息的输入输出功能和参数变换与调整功能两部分功能组成的。系 接统 口A A接 系 口 统 B B.系 接统 口A A接 系 口 统 B B.接接 口 接口 系 口 统A）直接接口 B）接口系统中介 图1.5 接口型式（1）接口按其变换与调整功能的特征分类 1)零接口：不进行参数的变换和调整，即输入输出的直接接口。如联轴器、输送管、插头、插座、导线、电缆等。2)被动接口：仅对被动要素的参数进行变换或调整。如齿轮减速器、进给丝杆、变压器、可变电阻及光学透镜等。3)主动接口：含有主动要素、并
36、能与被动要素进行匹配的接口。如电磁离合器、放大器、光电偶合器、A/D、D/A转换器等。软件（程序系统）软件接口计算机智能接口控制电机机械接口机械系统电气接口电气接口位置传感器转速传感器机械接口机械接口图1-6 机电一体化系统原理 Fig.1-6 Theory of Mechatronics System 4)智能接口：含有微处理器，可进行程序编制或适应条件而变化的接口。如自动调速装置、通用输出输入芯片（如8255芯片）、RS232串行接口、UBS串行接口、STD总线、通用接口总线（GPIB）等。（2）根据接口输入输出的性质分类 1)信息接口（软件接口）：逻辑上要满足软件的约束条件，如程序设计的
37、语言、格式、标准、符号等各项规定。如GB、ISO标准，ASC码，IGES、STEP等数据转换标准。网络协议IP/TIC等。2)机械接口：机械的输入、输出部分在几何上、位置上（形状、尺寸、配合、精度等）要相互匹配。3)电气接口：电气的物理参数要相互匹配，如频率、电压、电流、阻抗等。4)环境接口：对周围的环境条件（温度、湿度、电磁场、放射能、振动、水分、粉尘等）要有具体的要求，如屏蔽、减振、隔热、防爆、防潮、防射线等各种防护措施。在机电一体化系统中，认真处理接口设计是很重要的，它是保证产品具有高性能、高质量的必要条件。这是由于机电一体化系统的复杂性决定的，在如图1-6所示的机电一体化系统的原理图中
38、就采用了大量不同性质的接口，正确选择接口形式，就成为决定系统综合性能的关键因素。软件（程序系统）软件接口计算机智能接口控制电机机械接口机械系统电气接口电气接口位置传感器转速传感器机械接口机械接口图1-6 机电一体化系统原理Fig.1-6 Theory of Mechatronics System 2控制软件在系统中的作用控制软件在系统中的作用 在机电一体化系统中，除了机械装置、电子设备（计算机及接口电路等）和软件（计算机程序）以外，通常还有一个辅助装置，即操纵器，它是由操作类型元件（如按钮开关、功率计和话筒）和指示器（如指示灯、显示器、警铃、语音提示或报警器）等组成的，具有操纵启、停和监视系统
39、程序运行的功能。控制软件在系统中的作用，可用图1.7来解释，以了解软件与其它部分之间的关系。机械程序电子图 1-7控制软件在系统中的作用操纵器控制功能所必需的软件解决一个问题所必需的总功能A B C 对于产品所需功能的均衡，可通过移动边界A来改变，特殊情况也可通过机械电子系统与操纵器协调解决。系统内部功能由机械、电子和程序之间的分支来实现。接口边界B、C和计算机程序必须在电子硬件环境中运行，如微处理器。但程序与机械之间不存在直接接口。电子电路要通过执行机构（如伺服电动机）、传感器和机械接口才能起作用。电子电路也可与操纵器有相应的接口，操纵器则根据需要可与系统本身进行协调与配合。在上述结构条件下
40、，系统的控制功能就可由操纵器、机械、电子逻辑电路和程序来共同承担，但要考虑所需控制软件的总量，然后在分配给上述四个部分。显然，操纵器、机械、电子逻辑电路所能完成的控制功能，一般是固定不变的，即所谓的“刚性自动化”。这种方法可以简化计算机程序，所以刚、柔结合的控制功能也是常见的。此外，在计算机程序中，有两类信息：功能控制程序（如伺服电动机的控制规律）和处理程序（如图像处理系统）。任何一个程序层次上的处理信息和控制信息均可供下一个层次使用，并可相互交换。如由一个图像传感器传出来的信息，在用来控制下一层程序之前，需要进行处理，由此可以推断在如图1.8所示的模型程序中，应该含有一个“快动系统”来处理这
41、类事情，以代替上述抽象的特殊层次。总之，在机电一体化的系统设计中，要巧妙地运用综合集成技巧。即尽可能的采用现有专业化生产的机电元部件、子系统和接口，然后，根据系统组成原理，构成以功能模块（功能子模块）为单位的系统；实在没有的或需要改进的，再自行开发和研制。同时，要采用“软、硬件结合”的技巧来处理具有控制作用的信息，以利于简化系统的结构和程序。由于机电一体化系统涉及到多学科的融合，各子系统的功能原理、技术方案和具体的结构是非常丰富和复杂的，需要进行创造性的工作。1.4.3 机电一体化系统的技术评价机电一体化系统的技术评价 机电一体化系统的价值，通常是根据系统内部功能的有关参数来进行评价的。内部功
42、能主要参数系统价值主功能系统误差抗外扰能力废弃输出变换效率小大强弱少多高低动力功能输入动力动力源小大内部外部信息与控制功能控制输入输出数手动操作多少少多结构功能尺寸、重量强度刚度、抗振性小大高低表1-4系统内部功能和系统的价值 表1-4表示系统内部功能的主要参数与系统整体评价之间的关系。此外，机电一体化系统是一种多功能、高性能、高效率、节能、节材的高附加值的产品。显然，这种高质量、高技术的最终目标是智能机械或具有人工智能的机电一体化系统。1.5机电一体化产品的分类机电一体化产品的分类 到目前为止，机电一体化产品还在不断地发展，很难进行正确地分类。下面按其用途和功能两个方面进行粗略地分类，就可看
43、到机电一体化产品的概貌。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（1）产业机械：指用于生产过程的电子控制机械。如数控机床、数控锻压设备、微机控制的焊接设备、工业机器人、电子控制的食品包装机械、塑料成型机械、皮革机械、纺织机械以及自动导引车系统(Automatic Guide Vehicle System AGVS)等。（2）信息机械：用于信息处理、存储等的电子机械产品。如电报传真机、电子打字机、自动绘图机、磁盘存储器、办公室自动化设备等。（3）民生机械：用于人民生活领域的电子机械产品或机械电子产品。如收录机、电冰箱、录像机、影碟机、全自动洗衣机、电子照相机、数码照相机、手机、汽车
44、电子化产品和医疗器械等。2机电一体化产品的功能分类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：这样就可实现高性能和多功能。如产业机械的电子化产品、工业机器人、发动机控制系统、装有微处理器的洗涤机等。（2）用电子装置局部取代机械控制装置：如电子缝纫机、自动售货机、无刷电动机、电子控制的针织机和汽车电子化等。（3）用电子装置取代原来执行信息处理功能的机构：如石英电子钟表、电子计算器、电子计费器、电子秤、字符处理机、电子交换机和按钮式电话等。（4）用电子装置取代机械的主功能：如电加工机床、激光加工机和超声波缝纫机等。（5）信息设备和电子装置有机结合的信息电子机械设备：如电报传真
45、机、复印机、录像机、录音机、和办公室自动化设备等。（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：如自动探伤机、形状识别装置、CT扫描诊断仪以及生化自动分析仪等。在以上各种产品中，应根据前述机电一体化定义来判断是否是机电一体化产品。否则，可称为以机械装置为主体的机械电子产品或以电子装置为主体的电子机械产品。这样一来，机电一体化的产品的含义就进一步延拓，其产品就会包罗万象了。1.6机电一体化的特点及发展趋势（1）简化机械机构，提高精度 在机电一体化产品中，通常采用调速电机来驱动机械系统，从而缩短甚至取消了机械传动链，这不但简化了机械结构，而且减少了由于摩擦、磨损、间隙等引起的传动误差
46、。并且，可以用闭环控制来补偿机械系统的误差，从而提高了系统精度。（2）易于实现多功能和柔性自动化 在机电一体化产品中，计算机控制系统，不但取代其他的信息和控制装置，且易于实现自动检测、数据处理、自动调节和控制、自动诊断和保护，还可自动显示、记录和打印等。此外，计算机硬件和软件结合就能实现柔性自动化，并具有很大的灵活性。（3）产品开发周期短、竞争能力强 机电一体化产品可以采用专业化生产的、高质量的机电部件，通过综合集成技巧来实现设计和制造，因而不但产品的 可靠性高，甚至在使用期限内无需维修，从而缩短了产品开发周期，增强了产品在市场上的竞争能力。（4）生产方式向高柔性、综合自动化发展 各种机电一体
47、化设备构成的FMS和CIMS，使加工、检测、物流和信息流过程融为一体，就可形成人少或无人化生产线、车间和工厂。近10年来，美国有些大公司已采用所谓“灵活的生产体系”，即根据市场需要，在同一生产线上可分时生产批量小、型号或品种多的“系列产品家族”，如计算机、汽车、摩托车、肥皂和化妆品的系列产品。（5）促进经营管理体制发生根本变化 由于市场的导向作用，产品的商业寿命日益缩短。为了占领国内、外市场和增强竞争能力，企业必须重视用户信息的收集和分析，迅速做出决策，迫使企业从传统的生产型向以经营为中心的决策管理体制转变，实现生产、经营和管理体系的全面计算机化。2机电一体化的发展趋势机电一体化的发展趋势 机
48、电一体化的应用范围广、覆盖面宽。主要应用领域有：工厂自动化（FA）其中典型的研究课题为计算机集成系统（CIS）、机器人(Robot)、灵巧（Smart）精密机器、机器视觉和自动导引车系统（Automatic Guide Vehicle System），办公室自动化（Office Automation OA）等。其中的课题为安全、能量控制、娱乐及家庭办公等。近几年来，由于科学技术的迅猛发展和市场竞争的加剧，机电一体化不但向商业、银行、医疗和农业自动化等领域拓展，而且，在机械产品，工厂自动化领域中涌现出不少新概念和高新技术。如微机械或纳米机械(Micro-machine。Nanometric-ma
49、chine)、智能机械或灵巧机械、快速原型或零件制造（RPMRapid Prototype or Part Manufacturing）、并行工程或同步工程（Concurrent Engineering or Simultaneous Engineering）、制造单元工程（Manufacture Cell Engineering MCE）、智能制造控制（Intellective Manufacture Control IMC）、灵活敏捷制造（Agile Manufacturing）。这些新概念和高新技术，几乎无一不以机电一体化作为基础。而机电一体化技术，也将在生产实践中，随着高新技术的发展而
50、发展。1.7本课程的目的和要求本课程的目的和要求 机电一体化是多学科的交叉和综合，涉及的学科和技术非常广泛，且其应用领域众多，要全面精通它是很不容易的，还要对新概念、新技术具有浓厚的兴趣，以便在开发产品或系统设计中及时采用。这不但需要强化训练学科综合的思维能力，也要加强相应的实践环节，不断地提高学生的学习兴趣和自觉性，将来才能成为机电一体化复合人才。本课程的目的是研究怎样利用系统设计原理和综合集成技巧，将控制电机、传感器、机械系统、微机控制系统、接口及控制软件等机电一体化要素组成各种性能优良的、可靠的机电一体化产品或系统。为了突出重点，本教材以机械为基础、机电结合为重点；以机电元部件、系统设计
