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1、第二章第二章 机电一体化技术的概况机电一体化技术的概况第一节第一节 机电一体化技术的发展过程机电一体化技术的发展过程 数控机床数控机床 CAM CAD/CAMCAM CAD/CAM （19521952）（6060年代中期）年代中期）CIMSCIMS机电一体化产品机电一体化产品 机器人机器人 FMS FMS （8080年代）年代）（19591959）（7070年代）年代）其它机电一体化产品其它机电一体化产品图图21 机电一体化技术发展过程示意图机电一体化技术发展过程示意图第二节第二节 机电一体化技术出现和发展的原因机电一体化技术出现和发展的原因 一、市场对产品的需求一、市场对产品的需求 在商品经
2、济的环境中，在商品经济的环境中，市场对产品的需求是生产的最大动力市场对产品的需求是生产的最大动力。消费者对产品的品种、功能、质量等方面的要求越来越高。消费者对产品的品种、功能、质量等方面的要求越来越高。生产厂家要以最短的研制周期、最低的生产成本来生产产生产厂家要以最短的研制周期、最低的生产成本来生产产品，以确保其在市场竞争中的有利地位。品，以确保其在市场竞争中的有利地位。机电一体化技术的出现和发展是与这样的市场经济环境紧密机电一体化技术的出现和发展是与这样的市场经济环境紧密相关的，主要受到下列因素的影响：相关的，主要受到下列因素的影响：1 1某些产品的功能开发受到制约某些产品的功能开发受到制约
3、 某些传统的机械产品或以某些传统的机械产品或以机械功能为主机械功能为主的产品（如的产品（如机床、手机床、手表、照相机表、照相机等），其功能开发已达到较高的水平，如果继续单纯等），其功能开发已达到较高的水平，如果继续单纯在机械学领域中进行功能的进一步开发已经比较困难。在机械学领域中进行功能的进一步开发已经比较困难。因此，因此，引入电子技术引入电子技术对这些产品进行功能开发，可以使这些对这些产品进行功能开发，可以使这些产品具有产品具有更多的功能更多的功能或或更好的性能更好的性能，以满足用户对高性能产品的，以满足用户对高性能产品的需要。需要。2 2缩短产品研制周期，提高产品质量缩短产品研制周期，提高
4、产品质量 传传统统的的用用手手工工绘绘图图、靠靠图图纸纸组组织织整整个个生生产产过过程程的的技技术术管管理理模模式式造造成成新新产产品品研研制制周周期期长长、产产品品质质量量不不易易提提高高，已已不不能能满满足足日日益益激烈的市场竞争的需要。激烈的市场竞争的需要。在这种条件下，在这种条件下，计算机辅助设计与辅助制造计算机辅助设计与辅助制造（CAD/CAM）系统可以发挥其优势：系统可以发挥其优势：利用计算机辅助设计（利用计算机辅助设计（CAD）缩短设计周期缩短设计周期 利用计算机辅助工程（利用计算机辅助工程（CAE）提高设计质量提高设计质量 利用计算机辅助工艺设计（利用计算机辅助工艺设计（CAP
5、P）缩短工艺设计周期，缩短工艺设计周期，提高工艺设计水平提高工艺设计水平 利用数控机床缩短加工周期，提高加工质量利用数控机床缩短加工周期，提高加工质量 3 3针对多品种、中小批量产品的生产针对多品种、中小批量产品的生产 在在机机械械制制造造行行业业中中，大大批批量量生生产产的的产产品品只只占占15152525，而而中中小批量生产小批量生产的产品则占的产品则占75758585。由于中小批量产品不适于传统的由于中小批量产品不适于传统的自动生产线自动生产线加工制造，因此加工制造，因此其生产效率较低，产品成本较高。其生产效率较低，产品成本较高。应用应用柔性制造系统柔性制造系统（FMS），），成功地解决
6、了成功地解决了多品种、中小批多品种、中小批量量产品的生产制造问题，降低了生产成本，并且提高了生产效率。产品的生产制造问题，降低了生产成本，并且提高了生产效率。4 4动态多变的市场环境需要动态多变的市场环境需要 近近二二十十年年来来，传传统统的的相相对对稳稳定定的的市市场场已已变变为为动动态态多多变变的的市市场场，其主要特点是：其主要特点是：（1 1）产品生命周期缩短，产品更新加快；）产品生命周期缩短，产品更新加快；（2 2）产品品种增加，批量减少；）产品品种增加，批量减少；（3 3）产品的质量、价格和交货期日益受到重视。）产品的质量、价格和交货期日益受到重视。为适应这样的市场特点，制造企业必须
7、以实现多品种、小批为适应这样的市场特点，制造企业必须以实现多品种、小批量、低成本、高质量和缩短交货期为企业生产管理的目标。量、低成本、高质量和缩短交货期为企业生产管理的目标。计算机集成制造系统计算机集成制造系统（CIMS）应用统一的计算机系统，对应用统一的计算机系统，对企业的生产系统进行管理和控制，企业的生产系统进行管理和控制，从企业生产系统整体上解决了从企业生产系统整体上解决了生产的生产的高度灵活性高度灵活性与与高效率高效率之间的矛盾，从而可以实现上述生产之间的矛盾，从而可以实现上述生产管理目标。管理目标。二、科学技术发展的必然结果二、科学技术发展的必然结果 1.1.科学的发展使得一门学科不
8、可能孤立地存在科学的发展使得一门学科不可能孤立地存在 十五世纪下半叶，近代科学开始兴起，天文学、力学、物理十五世纪下半叶，近代科学开始兴起，天文学、力学、物理学、化学、生物学等学科从学、化学、生物学等学科从混为一体的哲学混为一体的哲学中分离出来，得到迅中分离出来，得到迅速发展。速发展。这时，自然科学处于初期阶段，研究自然界主要采用这时，自然科学处于初期阶段，研究自然界主要采用分化分化方方法，即把法，即把事物分成各个独立的部分事物分成各个独立的部分，分门别类地、孤立地进行考，分门别类地、孤立地进行考察。这种研究方法当时自然科学的发展是必要的，并且起到积极察。这种研究方法当时自然科学的发展是必要的
9、，并且起到积极的作用。的作用。二十世纪三十年代以来，自然科学向二十世纪三十年代以来，自然科学向宏观宏观和和微观微观两个方面纵两个方面纵深发展，深发展，科学分化科学分化越来越细，而越来越细，而科学综合科学综合又越来越显著。科学技又越来越显著。科学技术发展到一个新的更高级的阶段。术发展到一个新的更高级的阶段。这样，不仅揭示了事物之间这样，不仅揭示了事物之间纵向联系纵向联系，而且揭示了事物之，而且揭示了事物之间的间的横向联系横向联系。现在，人类已经进入了以系统论、信息论、控。现在，人类已经进入了以系统论、信息论、控制论等现代科学方法来揭示自然界的时代，制论等现代科学方法来揭示自然界的时代，某一学科完
10、全孤立某一学科完全孤立于其它学科几乎是不可能的事情于其它学科几乎是不可能的事情。2.工程技术的发展使得机、电和计算机等技术结合应用工程技术的发展使得机、电和计算机等技术结合应用 在工程技术领域中，机械技术、电子技术和计算机技术得在工程技术领域中，机械技术、电子技术和计算机技术得到广泛的应用：到广泛的应用：许多许多工业产品和民用产品工业产品和民用产品是由机械装置、电子装置和计是由机械装置、电子装置和计算机等组成的算机等组成的 现代的现代的生产设备生产设备绝大部分都装备有机械装置、电子装置绝大部分都装备有机械装置、电子装置和计算机和计算机 通过三者之间的通过三者之间的结合与互补结合与互补，以期达到
11、，以期达到增加功能增加功能、提高性能提高性能的目的。的目的。在在现代生产设备的设计、制造、安装、调试和维修等方面，现代生产设备的设计、制造、安装、调试和维修等方面，机械技术、电子技术和计算机技术的机械技术、电子技术和计算机技术的关系更为密切关系更为密切。因此，机械、电子、计算机技术所处的重要地位以及它们之因此，机械、电子、计算机技术所处的重要地位以及它们之间的间的密切联系密切联系，往往是其它学科所无法比拟的。，往往是其它学科所无法比拟的。它们的相互结合既有它们的相互结合既有先天的基础先天的基础，又有又有实际应用的价值实际应用的价值。因此，可以说：因此，可以说：机电一体化技术的出现和发展是科学技
12、术发机电一体化技术的出现和发展是科学技术发展的必然结果。展的必然结果。第第三节三节 怎样正确应用机电一体化技术怎样正确应用机电一体化技术 机机电电一一体体化化是是一一门门不不同同于于传传统统技技术术的的新新技技术术，因因而而从从技技术术、思想方法、思想观念、知识结构等方面都有别于其它技术。思想方法、思想观念、知识结构等方面都有别于其它技术。一、技术上趋向更多学科交叉一、技术上趋向更多学科交叉 首先，机电一体化技术应该与首先，机电一体化技术应该与生产工艺生产工艺相结合。相结合。其次，机电一体化技术应该与其次，机电一体化技术应该与管理科学管理科学相结合相结合 客观地说，只要适应市场需要和技术发展需
13、要，机电一体化客观地说，只要适应市场需要和技术发展需要，机电一体化技术扩展到技术扩展到更多学科更多学科的交叉和结合是合理的。的交叉和结合是合理的。二、思想方法上注重整体性二、思想方法上注重整体性 所所谓谓整整体体性性是是一一种种系系统统思思想想，整整体体性性主主张张人人们们不不要要把把一一个个系系统分解成许多统分解成许多孤立的部分孤立的部分，然后把这些部分，然后把这些部分机械地相加机械地相加。整整体体性性要要求求把把系系统统作作为为有有机机整整体体来来考考察察，从从整整体体与与部部分分、部部分分与与部部分分之之间间相相互互依依赖赖、相相互互结结合合、相相互互制制约约的的关关系系中中揭揭示示系系
14、统统的特征和运动规律。的特征和运动规律。整体性实例整体性实例 实例实例1：米格米格25战斗机的设计战斗机的设计 米格米格25战斗机的战斗机的整体机能整体机能（主要是爬高能力和飞行速度）是（主要是爬高能力和飞行速度）是世界一流世界一流的。的。米格米格25战斗机的零件制造水平战斗机的零件制造水平远低于远低于美国战斗机的零件制造美国战斗机的零件制造水平。水平。米格米格25战斗机的设计师以整体性为原则，合理地进行设计，战斗机的设计师以整体性为原则，合理地进行设计，用较低水平的制造技术，实现了飞机的用较低水平的制造技术，实现了飞机的整体机能最佳整体机能最佳的目标。的目标。实例实例2：阿波罗登月计划阿波罗
15、登月计划 1969年年10月美国实施了月美国实施了“阿波罗登月计划阿波罗登月计划”，日本政府派出，日本政府派出代表团到美国进行考察，得出的结论是：代表团到美国进行考察，得出的结论是：在设备和制造技术方面，日本不亚于美国；在设备和制造技术方面，日本不亚于美国；在系统工程方面，日本与美国之间存在很大差距。在系统工程方面，日本与美国之间存在很大差距。实例实例3：都江堰水利工程都江堰水利工程 都江堰水利工程建于都江堰水利工程建于公公元前元前250年。年。都江堰水利工程的特点：都江堰水利工程的特点：鱼嘴鱼嘴、宝瓶口宝瓶口和和飞沙堰飞沙堰三个部分，相辅相成，巧妙三个部分，相辅相成，巧妙地结合为一个整体，实
16、现地结合为一个整体，实现分分流流、引灌引灌、排沙排沙、分洪分洪等多等多种功能。种功能。都江堰水利工程有两项都江堰水利工程有两项世界之最世界之最：至今仍在使用至今仍在使用 没有水坝和闸门没有水坝和闸门 实例实例4：丁谓重建皇宫丁谓重建皇宫 北宋年间，有一次皇宫失火，把皇宫烧毁。北宋年间，有一次皇宫失火，把皇宫烧毁。皇帝派大臣丁谓主持重建皇宫。皇帝派大臣丁谓主持重建皇宫。在修建皇宫的工程中，除了建造皇宫以外，还有在修建皇宫的工程中，除了建造皇宫以外，还有三个工作量三个工作量浩大的工程浩大的工程：（1）把大量的木材运到工地；）把大量的木材运到工地；（2）把大量的砖瓦运到工地；）把大量的砖瓦运到工地；
17、（3）把施工后的垃圾运走。）把施工后的垃圾运走。对于这三大工程，丁谓做了如下安排：对于这三大工程，丁谓做了如下安排：从皇宫到汴河，挖一条大沟从皇宫到汴河，挖一条大沟 取土烧砖瓦；引汴河水形成运河，运送木材。取土烧砖瓦；引汴河水形成运河，运送木材。把垃圾填沟，形成大道把垃圾填沟，形成大道结果：结果：节省的经费（银两）以节省的经费（银两）以亿万亿万计。计。实例实例5：长江三峡导流明渠于长江三峡导流明渠于2002年年11月上旬月上旬截流成功。截流成功。每年的每年的11月来年月来年3月月是长江的枯水期，其中以是长江的枯水期，其中以每年每年1月月江水江水流量最小，最有利于截流。流量最小，最有利于截流。选
18、择截流时间时，还要考虑长江的选择截流时间时，还要考虑长江的汛期汛期是每年的是每年的5月月9月月。如果选定如果选定1月月截流，其利弊分别为：截流，其利弊分别为：截流截流易于完成易于完成 建坝工期约建坝工期约4个月个月 如果选定如果选定11月月截流，其利弊分别为：截流，其利弊分别为：截流截流难度稍大难度稍大 建坝工期约建坝工期约6个月个月 权衡各方面利弊后，确定权衡各方面利弊后，确定11月初月初进行截流。进行截流。三、思想观念要更新三、思想观念要更新 1 1实用性第一实用性第一 机电一体化技术本身是一项机电一体化技术本身是一项实用技术实用技术，在应用中主要以其应，在应用中主要以其应用效果为评判的依
19、据，而不过多地强调理论的系统性和高深程度。用效果为评判的依据，而不过多地强调理论的系统性和高深程度。2 2拿来主义拿来主义 机电一体化技术的一个特点是本身基本机电一体化技术的一个特点是本身基本没有基础理论没有基础理论，主要，主要通过合理运用其它学科成熟的理论、技术或元器件，组成新的产通过合理运用其它学科成熟的理论、技术或元器件，组成新的产品或制造系统。品或制造系统。3 3信息化概念信息化概念 机电一体化技术是在系统理论基础上建立起来的应用学科。机电一体化技术是在系统理论基础上建立起来的应用学科。系统理论系统理论解决问题时，解决问题时，把任何通讯系统和控制系统看作一个把任何通讯系统和控制系统看作
20、一个信息的传输、加工处理系统信息的传输、加工处理系统，认为正是由于系统内部存在的信息，认为正是由于系统内部存在的信息流才使系统维持正常的、有目的性的运动，进而把流才使系统维持正常的、有目的性的运动，进而把任何实践活动任何实践活动简化为三股流简化为三股流：人流、物流、信息流。其中：人流、物流、信息流。其中信息流起着支配的作信息流起着支配的作用用，它调节着人流和物流的数量、方向、速度、目标，它调节着人流和物流的数量、方向、速度、目标，驾驭人和驾驭人和物作有目的、有规则的运动物作有目的、有规则的运动。4 4服务意识服务意识 在从事机电一体化技术的工作中，始终要树立在从事机电一体化技术的工作中，始终要
21、树立用户第一用户第一的为的为用户服务的意识，为用户提供最好的产品和最好的服务。用户服务的意识，为用户提供最好的产品和最好的服务。在为用户服务的过程中：在为用户服务的过程中：从技术开发的角度考虑怎样为用户提供最好的产品和服务；从技术开发的角度考虑怎样为用户提供最好的产品和服务；提倡提倡换位思考换位思考，即要从用户的角度考虑问题，确定什么才，即要从用户的角度考虑问题，确定什么才是用户是用户真正需要真正需要的产品和服务。的产品和服务。Give the customer what he wants,not what you think he wants.5 5市场决定一切市场决定一切 机电一体化产品和
22、制造系统的使用效果如何，最终取决于在机电一体化产品和制造系统的使用效果如何，最终取决于在市场中的地位和处境。市场中的地位和处境。但市场也不是一成不变的，市场实际上包括但市场也不是一成不变的，市场实际上包括成熟市场成熟市场和和潜在潜在市场市场：成熟市场成熟市场要尽可能要尽可能多占市场份额多占市场份额；潜在市场潜在市场则需要进行则需要进行培育培育，即引导消费者认识和接受新产品。，即引导消费者认识和接受新产品。四、知识结构要广度与深度结合四、知识结构要广度与深度结合 毫无疑问，从事机电一体化技术的人员必须具有较宽的专业毫无疑问，从事机电一体化技术的人员必须具有较宽的专业知识面。知识面。但是，如果但是
23、，如果没有没有在某一技术方面在某一技术方面从事较深入研究工作的经历从事较深入研究工作的经历，他对工程技术的规律和研究开发工作的特点他对工程技术的规律和研究开发工作的特点很难有深刻认识和理很难有深刻认识和理解解，对研究开发工作的困难，对研究开发工作的困难估计不足估计不足，对出现的复杂情况不能，对出现的复杂情况不能妥妥善处理善处理。在在研究开发工作中，研究开发工作中，触类旁通触类旁通的效果不可低估。的效果不可低估。因此，要提倡因此，要提倡知识结构要广度和深度结合。知识结构要广度和深度结合。五、要防止三种倾向五、要防止三种倾向 1.1.重计算机，轻工艺技术重计算机，轻工艺技术 2.2.重软件，轻硬件
24、重软件，轻硬件 3.3.重技能技巧，轻思想方法重技能技巧，轻思想方法第四节第四节 正确应用机电一体化技术的评判标准正确应用机电一体化技术的评判标准 从从原原则则上上讲讲，是是否否正正确确应应用用机机电电一一体体化化技技术术，首首先先要要看看生生产产的的产产品品或或系系统统在在市市场场上上是是否否受受到到顾顾客客的的欢欢迎迎。这这是是最最具具有有说说服服力力的的最终结果最终结果。从从工工作作细细节节来来看看，在在机机电电一一体体化化技技术术研研究究开开发发工工作作过过程程中中随随时对自己的工作进行评判的标准主要有两条：时对自己的工作进行评判的标准主要有两条：第一，第一，系统的整体性能是否最优；系
25、统的整体性能是否最优；第二，第二，系统的整体功能是否大于它的组成部分的功能之总和。系统的整体功能是否大于它的组成部分的功能之总和。一、系统整体性能是否最优一、系统整体性能是否最优 问题：问题：各组成部分都是最优各组成部分都是最优整体最优整体最优？实例实例1：东风东风2号导弹的研发过程号导弹的研发过程 钱学森提出钱学森提出综合设计综合设计的概念，最终解决问题。的概念，最终解决问题。实例实例2：计算机攒机和品牌计算机计算机攒机和品牌计算机 系统整体性能最优可分为两种情况：系统整体性能最优可分为两种情况：1 1绝对绝对整体性能最优整体性能最优 2 2相对相对整体性能最优整体性能最优 二、系统的整体功能是否大于它的组成部分的功能之总和二、系统的整体功能是否大于它的组成部分的功能之总和 例如：某一系统由例如：某一系统由两部分两部分组成，每一部分有组成，每一部分有两个功能两个功能。这个系统这个系统总功能总功能的数目可能存在三种情况：的数目可能存在三种情况：2 22 42 42 4 实例：实例：某一科学计算计算器有某一科学计算计算器有25个函数功能键个函数功能键 SIN 30=0.5 SHIFT SIN 0.5 30 251 50 我们应该怎样来评价自己的工作效果呢？我们应该怎样来评价自己的工作效果呢？工作很差工作很差工作平庸工作平庸工作出色工作出色