第一章機(jī)械電子中的共性關(guān)鍵技術(shù)(jyl)

船舶機(jī)電傳動(dòng)控制

主講：李錦云

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E-mail：jyunl@

課程教學(xué)目標(biāo)掌握機(jī)械電子系統(tǒng)中具有普遍性和規(guī)律性的基本理論及其應(yīng)用掌握機(jī)械電子系統(tǒng)中元件及設(shè)備的工作原理,了解學(xué)科發(fā)展前沿具有機(jī)械電子系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)能力課程概述授課方式及要求：

1、課堂講解、討論

2、讀書(shū)筆記考試：開(kāi)卷成績(jī)?cè)u(píng)定：（滿(mǎn)分100分）

平時(shí)考核10%、讀書(shū)筆記20%、期末考試70%先修課程：

電工電子技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)、工程測(cè)試技術(shù)、微機(jī)原理及接口技術(shù)、控制工程等學(xué)時(shí)學(xué)分：32/2教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)安排一、機(jī)械電子中的共性關(guān)鍵技術(shù)（4h）機(jī)械技術(shù)計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)檢測(cè)與傳感技術(shù)自動(dòng)控制技術(shù)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)系統(tǒng)總體技術(shù)二、傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)（9h）檢測(cè)系統(tǒng)的功用、組成及基本要求傳感器的分類(lèi)與選用常用的傳感器及其檢測(cè)系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)安排三、可編程控制器(PLC)（5h）可編程控制器的定義和特點(diǎn)PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理PLC的編程語(yǔ)言PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟四、伺服驅(qū)動(dòng)及其控制（14h）概述步進(jìn)式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直接驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)其它伺服驅(qū)動(dòng)形式伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

參考書(shū)籍機(jī)械電子學(xué)，劉政華等，國(guó)防科技大學(xué)出版社*，2005機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，姜培剛等，機(jī)械工業(yè)出版社*，2003機(jī)電一體化原理，裴仁清等編著，上海大學(xué)出版社，1998從控制角度研究現(xiàn)代機(jī)械的結(jié)構(gòu)，研究其系統(tǒng)的組成、信息處理的規(guī)律和方法以及信息系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)等問(wèn)題。光機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，方建軍等編著，化學(xué)工業(yè)出版社，2003圍繞光、機(jī)、電有機(jī)融合的主線(xiàn)，闡述了光機(jī)電一體化系統(tǒng)各組成部件的選型和設(shè)計(jì)，并通過(guò)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例來(lái)討論光機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和方法。參考期刊ScienceDirectOnSite(SDOS)數(shù)據(jù)庫(kù)中的《Mechatronics》雜志，由國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì)創(chuàng)辦，主要刊登面向工程應(yīng)用的機(jī)械電子學(xué)領(lǐng)域的文章IEEE/ASMETransactiononMechatronics，由美國(guó)電氣工程師協(xié)會(huì)和機(jī)械工程師協(xié)會(huì)聯(lián)合創(chuàng)辦，主要刊登以下方向的高水平文章：建模與設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)動(dòng)控制、系統(tǒng)集成、振動(dòng)與噪聲控制、驅(qū)動(dòng)器與傳感器、微器件與光電子系統(tǒng)、智能控制、自主系統(tǒng)、機(jī)器人國(guó)內(nèi)的期刊主要有《機(jī)械與電子》、《機(jī)電一體化》、《無(wú)損檢測(cè)》、《自動(dòng)化儀表》等第一章緒論機(jī)械電子學(xué)的概念

機(jī)電一體化系統(tǒng)的功能構(gòu)成和組成要素機(jī)械電子學(xué)的共性關(guān)鍵技術(shù)機(jī)械電子學(xué)的應(yīng)用與發(fā)展前景

第一節(jié)機(jī)械電子學(xué)的概念

機(jī)械電子學(xué)(Mechatronics)，亦稱(chēng)機(jī)電一體化，是隨著生產(chǎn)和技術(shù)的發(fā)展，在以機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)為主的多門(mén)學(xué)科相互滲透、互相結(jié)合的過(guò)程中逐漸形成和發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興邊緣技術(shù)學(xué)科。MechanicsMechatronicsEletronics一、機(jī)械電子學(xué)的定義

歐洲經(jīng)濟(jì)共同體(

EEC)

：機(jī)械電子學(xué)是指在設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品和生產(chǎn)過(guò)程的初始階段就考慮將精密機(jī)械技術(shù)和電子控制系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合。

日本機(jī)械振興協(xié)會(huì)經(jīng)濟(jì)研究所：機(jī)械電子學(xué)是指在機(jī)械的主功能、動(dòng)力功能、信息與控制功能上引進(jìn)了電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子設(shè)備以及軟件等有機(jī)結(jié)合而成系統(tǒng)的總稱(chēng)。

美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)：機(jī)電一體化系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)與控制的，用于完成機(jī)械力、運(yùn)動(dòng)和能量流等動(dòng)力學(xué)任務(wù)的機(jī)械和(或)機(jī)電部件相互聯(lián)系的系統(tǒng)。定義分析和理解

機(jī)械技術(shù)與微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等高新技術(shù)的有機(jī)結(jié)合是機(jī)械電子學(xué)的靈魂。這種結(jié)合，不是簡(jiǎn)單的組合、拼湊，而是相互融合。

在技術(shù)上體現(xiàn)為：橫向交叉、滲透和綜合集成，產(chǎn)生一種新的學(xué)術(shù)思想和技術(shù)手段，達(dá)到各自單獨(dú)所不能達(dá)到的境界。

在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)為：機(jī)械裝置與電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)硬件與軟件合理配置，形成互相聯(lián)系的有機(jī)整體，協(xié)調(diào)一致地實(shí)現(xiàn)其目的功能。

目的在于：設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)性能優(yōu)良、功能完善、效率高、柔性自動(dòng)化的工程系統(tǒng)，為人類(lèi)的生產(chǎn)和生活領(lǐng)域的自動(dòng)化服務(wù)。產(chǎn)生原因及發(fā)展發(fā)展階段：①20世紀(jì)60年代前為第一階段，“萌芽階段”②70年代到80年代為第二階段，“蓬勃發(fā)展階段”③90年代后期開(kāi)始為第三階段，“智能化階段”發(fā)展基礎(chǔ)：①人類(lèi)在開(kāi)發(fā)利用大自然的過(guò)程中需要智能化、自動(dòng)化和柔性化的機(jī)械設(shè)備②20世紀(jì)信息技術(shù)的飛速發(fā)展二、機(jī)械電子學(xué)的研究?jī)?nèi)容

①微型計(jì)算機(jī)（包括大規(guī)模集成電路LSI），通過(guò)計(jì)算與控制實(shí)現(xiàn)智能功能，相當(dāng)于人的頭腦②傳感器，通過(guò)信息流通實(shí)現(xiàn)感知功能，相當(dāng)于人的感覺(jué)器官③軟件，實(shí)現(xiàn)信息功能，相當(dāng)于人的神經(jīng)系統(tǒng)

三、機(jī)械電子學(xué)的特點(diǎn)和范疇

特點(diǎn)①機(jī)械電子學(xué)的技術(shù)是機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)有機(jī)結(jié)合而成的一種高級(jí)技術(shù)。（控制論）②計(jì)算機(jī)硬件和軟件共同組成的信息處理技術(shù)，是機(jī)電一體化技術(shù)不可缺少的組成部分。③

系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)和方法是機(jī)械電子學(xué)的基本方法，機(jī)電一體化系統(tǒng)是一種含有高新技術(shù)的比較復(fù)雜的工程系統(tǒng)。

范疇

屬于機(jī)械工程范疇，是其中新興學(xué)科。多種學(xué)科相互交叉、滲透的產(chǎn)物，涵蓋面相當(dāng)寬凡是由各種現(xiàn)代高新技術(shù)與機(jī)械和電子技術(shù)相結(jié)合而形成的各種技術(shù)、產(chǎn)品(或系統(tǒng))都應(yīng)屬于機(jī)電一體化的范疇。柔性制造系統(tǒng)(FMS)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)及自動(dòng)化生產(chǎn)工程也包括在機(jī)電一體化之內(nèi)嶄新的學(xué)術(shù)思想，除了強(qiáng)調(diào)機(jī)械與電子的有機(jī)結(jié)合，還具有更深刻更廣泛的涵義，并且將隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷被賦予新的內(nèi)容，范疇還將繼續(xù)延伸。（光機(jī)電一體化技術(shù)、魯棒控制、被（主）動(dòng)減振等）第二節(jié)機(jī)電一體化系統(tǒng)的功能構(gòu)成和組成要素一、機(jī)電一體化系統(tǒng)的功能構(gòu)成實(shí)例二、機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成要素機(jī)電一體化系統(tǒng)要素與人體要素之比較機(jī)電一體化產(chǎn)品的五大要素1．機(jī)械本體

包括：機(jī)身、框架、機(jī)械連接等實(shí)現(xiàn)：系統(tǒng)的構(gòu)造功能要求：高效、多功能、可靠和節(jié)能、小型、輕量、美觀2．動(dòng)力源

包括：電源、電動(dòng)機(jī)等驅(qū)動(dòng)裝置作用：提供能量，轉(zhuǎn)換成需要的形式實(shí)現(xiàn)：動(dòng)力功能要求：效率高、響應(yīng)快、可靠性好3．執(zhí)行機(jī)構(gòu)

包括：機(jī)械傳動(dòng)與操作機(jī)構(gòu)作用：接收控制信息，完成要求的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)：產(chǎn)品的主功能要求：高性能4．檢測(cè)與傳感裝置

包括：各種傳感器及其信號(hào)檢測(cè)電路作用：檢測(cè)產(chǎn)品內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境實(shí)現(xiàn)：計(jì)測(cè)功能要求：體積小、便于安裝和連接、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等5.控制與信息處理裝置包括：計(jì)算機(jī)及其相應(yīng)硬件、軟件構(gòu)成的控制系統(tǒng)作用：處理、運(yùn)行和決策實(shí)現(xiàn)：控制功能要求：高可靠性、柔性和智能化

典型實(shí)例：機(jī)器人世界第一臺(tái)氣動(dòng)機(jī)器人機(jī)械電子學(xué)的關(guān)鍵組成第三節(jié)機(jī)械電子學(xué)的共性關(guān)鍵技術(shù)機(jī)械技術(shù)計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)檢測(cè)與傳感技術(shù)自動(dòng)控制技術(shù)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)系統(tǒng)總體技術(shù)

一、機(jī)械技術(shù)

機(jī)電一體化技術(shù)的基礎(chǔ)。主功能和結(jié)構(gòu)功能，往往是以機(jī)械技術(shù)為主實(shí)現(xiàn)的。機(jī)械與電子相互結(jié)合的實(shí)踐中，不斷對(duì)機(jī)械技術(shù)提出更高的要求，使現(xiàn)代機(jī)械技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械技術(shù)發(fā)生了很大變化。新材料、新工藝、新原理、新機(jī)構(gòu)等不斷出現(xiàn)，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法不斷發(fā)展和完善，以滿(mǎn)足機(jī)電一體化產(chǎn)品對(duì)減輕重量、縮小體積、提高精度和剛度、改善性能等多方面的要求。

新材料對(duì)機(jī)械技術(shù)的影響

半導(dǎo)體材料的加工需要超聲焊接、超聲清洗、光刻、刻蝕、離子注入等新型尖端設(shè)備納米科技給機(jī)械行業(yè)帶來(lái)了大量輕質(zhì)高強(qiáng)度的材料，同時(shí)也需要微細(xì)加工技術(shù)和掃描探針技術(shù)高硅鋁合金用于制造汽車(chē)活塞，玻璃纖維、碳素纖維等陸續(xù)用于航空等高技術(shù)領(lǐng)域高效能的光電轉(zhuǎn)換材料的發(fā)展極大促進(jìn)了航空科技的發(fā)展新工藝對(duì)機(jī)械技術(shù)的影響

光刻工藝的改進(jìn)，使集成電路線(xiàn)寬降低為現(xiàn)在的90nm，帶來(lái)了IC業(yè)的迅猛發(fā)展；導(dǎo)電膠互連工藝、超聲焊接工藝直接導(dǎo)致了電子封裝行業(yè)的變革，如CPU的倒裝超聲焊，RFID封裝的導(dǎo)電膠互連等。注塑模(IMD)工藝的逐漸成熟與廣泛應(yīng)用，給日常消費(fèi)品和家電行業(yè)帶來(lái)巨大變革；激光加工通過(guò)控制激光束與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可以在一臺(tái)機(jī)床上加工孔、槽、三維曲面等各種形狀，完成鉆、鏜、銑等動(dòng)作；新原理對(duì)機(jī)械技術(shù)的影響

利用電極與工件之間的火花通電時(shí)，所產(chǎn)生的瞬時(shí)間的高溫，去層層蝕除工件表面上的材料，這即為電火花加工的原理；用帶電粒子轟擊靶材，加速的離子轟擊固體表面時(shí)，發(fā)生表面原子碰撞并發(fā)生能量和動(dòng)量的轉(zhuǎn)移，使靶材原子從表面逸出并淀積在襯底材料上，稱(chēng)為濺射；新機(jī)構(gòu)

H4并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)和繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，適合用于快速移動(dòng)和姿態(tài)調(diào)整的場(chǎng)合，最高速度可達(dá)5m/s，加速度可達(dá)10g.Canadarm2andSpecial-PurposeDextrousManipulator(theCanadianSpaceAgency)A6DOFflightsimulator(CAEElectronicsLtd.)二、計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)

信息的交換、存取、運(yùn)算、判斷和決策等，主要工具是計(jì)算機(jī)，包括硬件技術(shù)和軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等。計(jì)算機(jī)與信息處理裝置指揮整個(gè)產(chǎn)品的運(yùn)行。信息處理是否正確、及時(shí)，直接影響到系統(tǒng)工作的質(zhì)量和效率。因此，計(jì)算機(jī)應(yīng)用和信息處理技術(shù)已成為促進(jìn)機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的活躍因素。人工智能、專(zhuān)家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等都屬于計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)。

三、檢測(cè)與傳感技術(shù)

傳感器及其信號(hào)檢測(cè)裝置。傳感器作為感受器官，將各種內(nèi)、外部信息通過(guò)相應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)裝置反饋給控制與信息處理裝置，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。要求傳感器快速、精確地獲取信息，并能經(jīng)受各種嚴(yán)酷環(huán)境的考驗(yàn)。但是，由于目前檢測(cè)與傳感技術(shù)還不能與機(jī)電一體化的發(fā)展相適應(yīng)，使得不少機(jī)電一體化產(chǎn)品不能達(dá)到滿(mǎn)意的效果或無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，因此，大力開(kāi)展檢測(cè)與傳感技術(shù)的研究對(duì)發(fā)展機(jī)電一體化具有十分重要的意義。精密電位器角度傳感器壓力傳感器熱電偶溫度傳感器光學(xué)接近傳感器四、自動(dòng)控制技術(shù)

包括自動(dòng)控制理論、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、可靠運(yùn)行等從理論到實(shí)踐的過(guò)程。由于被控對(duì)象種類(lèi)繁多，所以控制技術(shù)的內(nèi)容十分豐富，包括高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷、校正、補(bǔ)償、示教再現(xiàn)、檢索等控制技術(shù)。由于微型機(jī)的廣泛應(yīng)用，自動(dòng)控制技術(shù)越來(lái)越多地與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)聯(lián)系在一起，成為機(jī)電一體化中十分重要的關(guān)鍵技術(shù)。

五、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)

主要研究伺服驅(qū)動(dòng)單元及其驅(qū)動(dòng)裝置。驅(qū)動(dòng)單元有電、氣、液等多種類(lèi)型，而多數(shù)采用步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)、電液馬達(dá)等，其驅(qū)動(dòng)裝置即驅(qū)動(dòng)電源電路，多數(shù)采用電力電子器件及集成化功能電路。驅(qū)動(dòng)單元：通過(guò)電氣接口向上接受計(jì)算機(jī)的控制指令；通過(guò)機(jī)械接口向下與機(jī)械傳動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)相聯(lián)，實(shí)現(xiàn)規(guī)定動(dòng)作。伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)是直接執(zhí)行操作的技術(shù)，對(duì)動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)精度、控制質(zhì)量等具有決定性影響。*機(jī)電一體化系統(tǒng)與非機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的區(qū)別，核心是其是否具有計(jì)算機(jī)控制的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).直流電機(jī)-DCMotor交流電機(jī)-ACMotor步進(jìn)電機(jī)-StepperMotor音圈電機(jī)-VoiceCoilMotor六、系統(tǒng)總體技術(shù)

按照系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)和方法，以整體的概念組織應(yīng)用各種相關(guān)技術(shù)，從全局角度和系統(tǒng)目標(biāo)出發(fā)，將系統(tǒng)總體分解成相互有機(jī)聯(lián)系的若干功能單元，并以功能單元為子系統(tǒng)繼續(xù)分解，直至找到可實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案，然后再把功能和技術(shù)方案組合成方案組進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)和優(yōu)選。系統(tǒng)總體技術(shù)包含的內(nèi)容很多，接口技術(shù)是其重要內(nèi)容之一，機(jī)電一體化產(chǎn)品的各功能單元通過(guò)接口聯(lián)接成一個(gè)有機(jī)的整體。第四節(jié)機(jī)械電子學(xué)的應(yīng)用與發(fā)展前景機(jī)電一體化的效益和應(yīng)用機(jī)械電子學(xué)的發(fā)展前景

一、機(jī)電一體化的效益和應(yīng)用提高精度；增強(qiáng)功能和可用性；提高生產(chǎn)效率，降低成本；提高安全性和可靠性；減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件；簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減輕重量；增加系統(tǒng)柔性和智能化。

目前的應(yīng)用①

功能附加型（變異性設(shè)計(jì)）原有機(jī)械產(chǎn)品基礎(chǔ)上采用微電子技術(shù)，提高性能。如：經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床、全自動(dòng)洗衣機(jī)等②

功能替代型（適應(yīng)性設(shè)計(jì)）采用微電子技術(shù)及裝置取代原產(chǎn)品中復(fù)雜的機(jī)械控制功能，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)柔性。如：電子縫紉機(jī)、電子石英鐘等③

機(jī)電融合型（開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)）采用具有特定用途或?qū)ｉT(mén)設(shè)計(jì)的集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品中的控制和信息處理等功能，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊。如：傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、CNC機(jī)床等二、機(jī)械電子學(xué)的發(fā)展前景