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1、机电一体化技术与系统机电一体化技术与系统手手 机：机：E-mail:2考核方式考核方式l l作业占总成绩的作业占总成绩的20；l l平时考勤，占总成绩的平时考勤，占总成绩的20；l l期末考试占总成绩的期末考试占总成绩的60。主要参考书主要参考书机电一体化系统设计机电一体化系统设计，姜培刚、盖玉先主编，姜培刚、盖玉先主编，机，机械工业出版社，械工业出版社，2003第一章第一章 绪论绪论n第一节第一节 机电一体化的机电一体化的定义定义n第二节第二节 机电一体化机电一体化系统的基本功能要素系统的基本功能要素n第三节第三节 机电一体化的相关技术机电一体化的相关技术n第四节第四节 机电一体化机电一体化
2、的目标与发展的目标与发展第一节第一节 机电一体化的定义机电一体化的定义n n机电一体化术语的来源：机电一体化术语的来源：机电一体化术语的来源：机电一体化术语的来源：最早（最早（最早（最早（19711971年）起源于年）起源于年）起源于年）起源于日本。日本。日本。日本。n n英文名称：英文名称：英文名称：英文名称：MechatronicsMechatronics（MechanicsMechanics的前半部的前半部的前半部的前半部+Electronics+Electronics的后半部）的后半部）的后半部）的后半部）n n机电一体化的定义：机电一体化的定义：机电一体化的定义：机电一体化的定义：利
3、用电子技术、信息技术（包括传感利用电子技术、信息技术（包括传感利用电子技术、信息技术（包括传感利用电子技术、信息技术（包括传感器、控制、计算机等）使机械柔性化和智能化的技术。器、控制、计算机等）使机械柔性化和智能化的技术。器、控制、计算机等）使机械柔性化和智能化的技术。器、控制、计算机等）使机械柔性化和智能化的技术。n n机电一体化不是机械与电子机电一体化不是机械与电子机电一体化不是机械与电子机电一体化不是机械与电子简单的叠加，而是在简单的叠加，而是在简单的叠加，而是在简单的叠加，而是在信息论、信息论、信息论、信息论、控制论和系统论控制论和系统论控制论和系统论控制论和系统论的基础上的基础上的基
4、础上的基础上建立起来的建立起来的建立起来的建立起来的应用技术应用技术应用技术应用技术机电一体化信息学机械学电子学数数控控铣铣床床数数控控铣铣床床数控车床数控车床数控车床数控车床空间机器人空间机器人 相相扑扑机机器器人人仿仿人人型型机机器器人人汽车防抱死系统汽车防抱死系统汽车防抱死系统汽车防抱死系统(ABS)(ABS)第二节第二节 机电一体化系统的基本功能要素机电一体化系统的基本功能要素机电一体化系统的基本要素之间的关系机电一体化系统的基本要素之间的关系机电一体化系统的基本要素之间的关系机电一体化系统的基本要素之间的关系能源能源能源能源3 3、传感检测单元（传感器）、传感检测单元（传感器）检测机
5、械运动（位移、速度、检测机械运动（位移、速度、检测机械运动（位移、速度、检测机械运动（位移、速度、位置）和外部环境信息，位置）和外部环境信息，位置）和外部环境信息，位置）和外部环境信息，实现实现实现实现检测功能。检测功能。检测功能。检测功能。要求：体积小、精度高、抗干扰性好要求：体积小、精度高、抗干扰性好要求：体积小、精度高、抗干扰性好要求：体积小、精度高、抗干扰性好4 4、控制单元（计算机）、控制单元（计算机）处理、运算、决策，实现处理、运算、决策，实现处理、运算、决策，实现处理、运算、决策，实现控制功能控制功能控制功能控制功能。要求：高可靠性、柔性、智能化要求：高可靠性、柔性、智能化要求：
6、高可靠性、柔性、智能化要求：高可靠性、柔性、智能化第二节第二节 机电一体化系统的基本功能要素机电一体化系统的基本功能要素能源能源能源能源5 5、执行单元（执行装置）、执行单元（执行装置）驱动机械传动装置运动，驱动机械传动装置运动，驱动机械传动装置运动，驱动机械传动装置运动，完成所要求的动作。完成所要求的动作。完成所要求的动作。完成所要求的动作。如电动机、液压缸等如电动机、液压缸等如电动机、液压缸等如电动机、液压缸等要求：高性能、高精度、高效率要求：高性能、高精度、高效率要求：高性能、高精度、高效率要求：高性能、高精度、高效率第二节第二节 机电一体化系统的基本功能要素机电一体化系统的基本功能要素
7、能源能源能源能源肌肉肌肉肌肉肌肉位置位置位置位置,速度速度速度速度检测单元检测单元检测单元检测单元电机电机电机电机机械机械机械机械部件部件部件部件位置位置位置位置,速速速速度反馈度反馈度反馈度反馈CNCCNC数控机床伺服系统组成数控机床伺服系统组成数控机床伺服系统组成数控机床伺服系统组成机械本体机械本体机械本体机械本体控制单元控制单元控制单元控制单元执行装置执行装置执行装置执行装置传感器传感器传感器传感器数数控控铣铣床床控制单元控制单元控制单元控制单元执行装置执行装置执行装置执行装置机械本体机械本体机械本体机械本体传感器传感器传感器传感器能源能源能源能源第三节第三节 机电一体化的相关技术机电一
8、体化的相关技术n n1 机械技术（第二章）机械技术（第二章）n n2 传感检测技术（第三章）传感检测技术（第三章）n n3 信息处理技术（第五章）信息处理技术（第五章）n n4 自动控制技术（第五章）自动控制技术（第五章）n n5 伺服传动技术（第四章）伺服传动技术（第四章）考虑设计机械传动方案，支承联结相关部考虑设计机械传动方案，支承联结相关部件等，实现机电一体化产品的件等，实现机电一体化产品的主功能主功能和和构造构造功能功能。1 1、机械技术（第二章）、机械技术（第二章）第三节第三节第三节第三节 机电一体化的相关技术机电一体化的相关技术机电一体化的相关技术机电一体化的相关技术3 3、信息处
9、理技术（第五章）、信息处理技术（第五章）主要完成信息的交换、存取、运算、判断主要完成信息的交换、存取、运算、判断和决策等。其主要工具是计算机。和决策等。其主要工具是计算机。传感传感器器A/A/D D计算计算机机D/D/A A执行装执行装置置4 4、控制技术（第五章）、控制技术（第五章）关于控制算法编制技术，主要以控制理论关于控制算法编制技术，主要以控制理论为指导，对控制系统设计、仿真、现场调试、为指导，对控制系统设计、仿真、现场调试、可靠运行等。可靠运行等。第三节第三节第三节第三节 机电一体化的相关技术机电一体化的相关技术机电一体化的相关技术机电一体化的相关技术5 5、伺服传动技术（第四章）、
10、伺服传动技术（第四章）执行元件种类：执行元件种类：电电动动、液压液压、气压气压 研究对象：研究对象：执行元件执行元件及其及其驱动装置驱动装置驱动装置：例如驱动装置：例如各种电动机的驱动电源电路各种电动机的驱动电源电路第三节第三节第三节第三节 机电一体化的相关技术机电一体化的相关技术机电一体化的相关技术机电一体化的相关技术第四节第四节 机电一体化的应用目标和发展方向机电一体化的应用目标和发展方向n 应用目标：应用目标：n n1 1、提高精度、扩展功能、提高精度、扩展功能 今日的数控机床充分发挥计算机的威力，已今日的数控机床充分发挥计算机的威力，已今日的数控机床充分发挥计算机的威力，已今日的数控机
11、床充分发挥计算机的威力，已有可能实时预报包括随机误差在内的机床误差，有可能实时预报包括随机误差在内的机床误差，有可能实时预报包括随机误差在内的机床误差，有可能实时预报包括随机误差在内的机床误差，然后自动校正，从而达到前所未有的精度。采用然后自动校正，从而达到前所未有的精度。采用然后自动校正，从而达到前所未有的精度。采用然后自动校正，从而达到前所未有的精度。采用对阻尼进行预报，一旦接近临界值时就自动调整对阻尼进行预报，一旦接近临界值时就自动调整对阻尼进行预报，一旦接近临界值时就自动调整对阻尼进行预报，一旦接近临界值时就自动调整切削用量，这又可能出现永不颤振的机床，保证切削用量，这又可能出现永不颤
12、振的机床，保证切削用量，这又可能出现永不颤振的机床，保证切削用量，这又可能出现永不颤振的机床，保证很高的生产率和良好的加工表面。很高的生产率和良好的加工表面。很高的生产率和良好的加工表面。很高的生产率和良好的加工表面。n n3 3、提高可靠性、提高可靠性 在提高电子元件质量、可靠性的前提下，机电在提高电子元件质量、可靠性的前提下，机电在提高电子元件质量、可靠性的前提下，机电在提高电子元件质量、可靠性的前提下，机电一体化产品可以提高耐久性，减少故障率。另一一体化产品可以提高耐久性，减少故障率。另一一体化产品可以提高耐久性，减少故障率。另一一体化产品可以提高耐久性，减少故障率。另一方面由于赋予其方
13、面由于赋予其方面由于赋予其方面由于赋予其自动监视诊断功能自动监视诊断功能自动监视诊断功能自动监视诊断功能，并采取安全，并采取安全，并采取安全，并采取安全联锁控制，联锁控制，联锁控制，联锁控制，过负荷和失控保护、停电对策过负荷和失控保护、停电对策过负荷和失控保护、停电对策过负荷和失控保护、停电对策，提高提高提高提高了设备的安全可靠性。了设备的安全可靠性。了设备的安全可靠性。了设备的安全可靠性。第四节第四节 机电一体化的应用目标和发展方向机电一体化的应用目标和发展方向n n4 4、节约能源、节约能源 例如目前我国各类电风扇年产量在例如目前我国各类电风扇年产量在例如目前我国各类电风扇年产量在例如目前
14、我国各类电风扇年产量在200200200200万台左万台左万台左万台左右，如每台电扇的调速器和定时器右，如每台电扇的调速器和定时器右，如每台电扇的调速器和定时器右，如每台电扇的调速器和定时器(现常用电磁机现常用电磁机现常用电磁机现常用电磁机械式械式械式械式)用电子调速器和定时器代替，估计每台风扇用电子调速器和定时器代替，估计每台风扇用电子调速器和定时器代替，估计每台风扇用电子调速器和定时器代替，估计每台风扇可节电可节电可节电可节电5W5W5W5W以上，全年以用扇以上，全年以用扇以上，全年以用扇以上，全年以用扇100100100100天，每天开扇天，每天开扇天，每天开扇天，每天开扇6h6h6h6
15、h计，计，计，计，则每年可节约用电量则每年可节约用电量则每年可节约用电量则每年可节约用电量600600600600万万万万kWhkWhkWhkWh，还可节省大批，还可节省大批，还可节省大批，还可节省大批铜材和钢材。铜材和钢材。铜材和钢材。铜材和钢材。第四节第四节 机电一体化的应用目标和发展方向机电一体化的应用目标和发展方向n 机电一体化的发展方向机电一体化的发展方向n n1 1、智能化、智能化 人工智能在机电一体化建设中的研究日益得到人工智能在机电一体化建设中的研究日益得到人工智能在机电一体化建设中的研究日益得到人工智能在机电一体化建设中的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用
16、。重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。这里所说的这里所说的这里所说的这里所说的“智能化智能化智能化智能化”是对机器行为的描述，是是对机器行为的描述，是是对机器行为的描述，是是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌计算机科学、模糊
17、数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有具有具有具有判断推理、逻辑思维、自主决策判断推理、逻辑思维、自主决策判断推理、逻辑思维、自主决策判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以等能力，以等能力，以等能力，以求得到更高的控制目标。求得到更高的控制目标。求得到更高的控制目标。求得到更高的控制目标。第四节第四节 机电一体化的应用目标和发展方向机电一体化的应用目标和发展方向n n2 2、网络化、网络化 由于网络的普及，基于网络的各种由于网络的普及，
18、基于网络的各种由于网络的普及，基于网络的各种由于网络的普及，基于网络的各种远程控制远程控制远程控制远程控制和和和和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。因此，机电一体化产品无就是机电一体化产品。因此，机电一体化产品无就是机电一体化产品。因此，机电一体化产品无就是机电一体化产品。因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。疑朝着网络化方向发展。疑朝着网络化方向发展。疑朝着网络化方向发展。第四节第四节 机电一体化的应用目标和发展方向机电一体化的应用目
19、标和发展方向n n3 3、微型化、微型化 微型化兴起于微型化兴起于微型化兴起于微型化兴起于20202020世纪世纪世纪世纪80808080年代末，指的是机年代末，指的是机年代末，指的是机年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为国外称其为国外称其为国外称其为微机电系统（微机电系统（微机电系统（微机电系统（MEMSMEMSMEMSMEMS），），），），泛指几何尺泛指几何尺泛指几何尺泛指几何尺寸寸寸寸不超过不超过不超过不超过1cm1cm1cm1cm3 3
20、 3 3的机电一体化产品，并向微米、的机电一体化产品，并向微米、的机电一体化产品，并向微米、的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小纳米级发展。微机电一体化产品体积小纳米级发展。微机电一体化产品体积小纳米级发展。微机电一体化产品体积小 、耗、耗、耗、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。方面具有不可比拟的优势。方面具有不可比拟的优势。方面具有不可比拟的优势。第四节第四节 机电一体化的应用目标和发展方向机电一体化的应用目标和发展方向