1、机电一体化系统设计主讲人：郑海明主讲人：郑海明E-mail: QQ： 870736608华北电力大学机械系华北电力大学机械系* 国际机电一体化项目资源 http:/ 国际机电一体化课程资源 http:/manufacturinghub.org/ 国际机器人网站 http:/ 中国机电一体化网 http:/ 一些网络资源单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式* 6机电一体化系统设计课程是多学科的交叉和综合，涉及的相关专业知识较多，讲授的 主要内容包括： 机电一体化系统基本知识； 机电一体化系统总体设计； 机电一体化系统机械设计技术； 机电一体化控制系统设计技术； 机电一体化伺服系统设
2、计技术。 机电一体化检测技术； 机电一体化技术的应用。第 1章 绪论 1.1 机电一体化概念机电一体化是在新技术浪潮中，电子技术、信息技术向机械工业渗透并与机械技术 相互融合 的产物。 机电一体化技术综合应用了机械技术、微电子技术、信息处理技术、自动控制技术、检测技术 、 电力电子技术、接口技术及系统总体技术等 群体技术 。从 系统 的观点出发 ,根据系统功能目标和优化组织结构目标 ,以智能、动力、结构、运动和感知等组成要素为基础 ,对各组成要素及相互之间的信息处理、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有序信息流控
3、制下 ,形成物质和能量的有规则运动 ,在 高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上 实现多种技术功能复合的最佳功能价值的 系统工程技术 。 机电一体化机电一体化的外文名词是 Mechatronics ， 来源于日本（ 70年代）。取英语 Mechanics（ 机械学）的前半部和 Electronics（ 电子学）的后半部拼合而成。我国通常称为 机电一体化或机械电子学； 涉及到许多相关的学科 机械学 ：机械设计、机械制造等电子学 ：电工学、电机学、数字电路、模拟电路 等控制论 ：经典控制（控制工程基础 )、现代控制（多变量 )等计算机科学 ：微处理系统及接口技术，应用软件技术（ CAD、CAM、
4、FMS、 CAT、 CNC） 等1.1 机电一体化基本概念机电一体化技术机电一体化技术 ：从 系统的观点 出发，将机械技术 、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上 有机地 加以综合，以实现整个 系统最佳化 的一门新科学技术。机电一体化不是机械与电子 简单的叠加 ，而是在 信息论、控制论和系统论等 的基础上建立起来的 应用技术 。机电一体化信息科学机械学电子学是使系统 (产品 )高附加价值化 ，即多功能化、高效率化、高可靠化、省材料省能源化，并使产品结构向 轻、薄、短、小巧化 方向发展，不断满足人们生活的多样化需求和生产的省力化、自动化需求。 。机电一体化的 “目的 ” 机电一体化相
5、关学科关系 从 控制的角度 来讲 , 机电一体化系统可分为 开环控制系统和闭环控制系统。开环控制的机电一体化系统是 没有反馈 的控制系统 ,这种系统的输入直接送给控制器 ,并通过控制器对受控对象产生控制作用。一些家用电器、简易 NC机床和精度要求不高的机电一体化产品都采用开环控制方式。 开环控制机电一体化系统的 优点 是结构简单 , 成本低 , 维修方便 ; 缺点 是精度较低 ,对输出和干扰没有诊断能力。机电一体化系统的分类 从 用途 和 功能 两个方面分类按照用途分：按照功能分：产业机械：用于工业生产的电子控制机械，如数控设备信息机械：用于信息处理、存储的机械如自动化办公设备民生机械：用于人
6、民生活的电子机械产品家用电器数控机械类：数控机床、机器人电子设备类：如自动洗衣机电液伺服类：如电液振动台信息控制类：如传真机机电结合类：如自动售货机数控铣床数控车床数控车床焊接机器人焊接机器人汽车防抱死系统 (ABS)一个典型的机电一体化系统应包含以下几个基本要素： 机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分 。我们将这些部分归纳为： 结构组成要素、 动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、智能组成要素 ； 这些组成要素内部及其之间 ,形成通过 接口耦合 来实现运动传递、信息控制、能量转换等 有机融合 的一个完整系统。机电一体化系统的组成要素及功能如图 1-1至 1
7、-3所示：1.2 机电一体化系统的基本组成要素 构成机电一体化系统的要素很多，其中五大要素是必须的，可以从构成人体的五大要素得到启发。图 1.1所示为人体的五大要素 图 1.3所示为机电一体化的五大要素 脑心脏骨骼五官 四肢控制系统动力装置检测装置 执行机构机械本体图 1.1图 1.2 机电一体化系统的功能 图 1.3位置位置 ,速度速度检测单元检测单元电机电机机械机械部件部件位置位置 ,速速度反馈度反馈CNC数控机床伺服系统组成数控机床伺服系统组成执行器执行器控制控制信息信息电子控制单元电子控制单元 动力源动力源检测传检测传感部分感部分 机械本体机械本体参数变参数变化信息化信息驱驱动动力力能
8、能 量量检测检测参数参数1.机械本体机电一体化系统的机械本体包括机身、框架、连接等。是机电一体化技术的 基础 ，对系统的结构、重量、体积刚性、耐用性等有重要影响。强调精密机械设计技术的运用，即利用高、新技术手段，实现结构上、材料上、性能上的变更，满足： 减轻重量，减小体积； 提高刚度； 实现标准化、通用化、系列化； 提高系统整体的可靠性。 2.动力与驱动 (能源能源 )动力部分的功能是按照系统控制要求 ,为系统提供能量和动力 ,使系统正常运行。 用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出 ,是机电一体化产品的显著特征之一 。驱动部分的功能是在控制信息作用下提供动力 ,驱动各执行机构完成各种动作
9、和功能。要求：效率高、可靠性好要求：效率高、可靠性好3. 传感测试部分 传感测试部分的功能是对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测 ,生成相应的可识别信号 ,传输到信息处理单元 ,经过分析、处理后产生相应的控制信息。 这一功能一般由专门的传感器及转换电路完成。 4. 执 行机构 执 行机构的功能是根据控制信息和指令 ,完成要求的动 作 ,实现主功能实现主功能 。 执 行机构是运 动 部件 ,一般采用机械、电 磁、 电液等机构 。 要求：体积小、精度高、抗干扰要求：体积小、精度高、抗干扰5. 控制及信息单元控制及信息单元的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、
10、储存、分析、加工 ,根据信息处理结果 ,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。 要求：高可靠性、柔性、智能化要求：高可靠性、柔性、智能化1. 3 机电一体化系统的功能构成机电一体化系统是由若干具有特定功能的机械与微电子要素组成的有机整体，具有满足人们使用要求的功能 (目的功能 )。根据不同的使用目的，要求系统能对输入的 物质、能量和信息 (即工业三大要素 )进行某一处理，输出所需要的物质、能量和信息。因此系统须具有以下三大“ 目的功能 ” ： 变换 (加工、处理 )功能、 传递 (移动、输送 )功能和 储存 (保持、积累、记录 )功能。系统目的功能不管那类系统（或产品），其系统内部必须具备如所示的 五种内部功能 ，即 主功能、动力功能、检测功能、控制功能、构造功能。系统的五种内部功能CNC机床内部功能构成实例机电一体化系统要素与人体要素的比较机 电 一体化系 统 要素 功能 人体要素控制器（ 计 算机） 控制（信息存 储 、处 理、 传 送）头脑网 络 信息 传递 神 经检测 、 传 感器 计测 （信息收集与变换 ）感官执 行元件 驱动 （操作） 肌肉动 力源 提供 动 力（能量） 内 脏机构 构造 骨骼
