《機電一體化技術(shù) 》課件-第1章

1.1概述1.2機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計1.3機電一體化的發(fā)展趨勢思考題1.1.1引言

機電一體化技術(shù)是20世紀(jì)60年代以來，在傳統(tǒng)的機械技術(shù)基礎(chǔ)上，隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)特別是微電子技術(shù)#,信息技術(shù)的迅猛發(fā)展而發(fā)展起來的一門新技術(shù)。

1.1概述機電一體化技術(shù)綜合應(yīng)用了機械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、檢測技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)及系統(tǒng)總體技術(shù)等群體技術(shù)，從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)目標(biāo)，以智能、動力、結(jié)構(gòu)、運動和感知等組成要素為基礎(chǔ)，對各組成要素及相互之間的信息處理、接口耦合、運動傳遞、物質(zhì)運動、能量變換機理進行研究，使得整個系統(tǒng)有機結(jié)合與綜合集成，并在系統(tǒng)程序和微電子電路的有序信息流控制下，形成物質(zhì)和能量的有規(guī)則運動，在高質(zhì)量、高精度、高可靠性、低能耗意義上實現(xiàn)多種技術(shù)功能復(fù)合的最佳功能價值的系統(tǒng)工程技術(shù)。

“機電一體化”一詞的英文名詞是“Mechatronics”，它是取Mechanics(機械學(xué))的前半部分和Electronics(電子學(xué))的后半部分拼合而成的。它是一個新興的邊緣學(xué)科，正處于發(fā)展階段，代表著機械工業(yè)技術(shù)革命的前沿方向。

現(xiàn)代高新技術(shù)(如微電子技術(shù)、生物技術(shù)、新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、空間技術(shù)、海洋開發(fā)技術(shù)、光纖通信技術(shù)及現(xiàn)代醫(yī)學(xué)等)的發(fā)展需要具有智能化、自動化和柔性化的機械設(shè)備，機電一體化正是在這種巨大的需求推動下產(chǎn)生的新興技術(shù)。微電子技術(shù)、微型計算機使信息與智能和機械裝置與動力設(shè)備有機結(jié)合，使得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。機電一體化產(chǎn)品的功能，除了具有高精度、高可靠性、快速響應(yīng)外，還將逐步實現(xiàn)自適應(yīng)、自控制、自組織、自管理等功能。

由于機電一體化技術(shù)對現(xiàn)代工業(yè)和技術(shù)的發(fā)展具有巨大的推動力，因此世界各國均將其作為工業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略之一。從20世紀(jì)70年代起，在發(fā)達(dá)國家興起了機電一體化熱，而在20世紀(jì)90年代，中國也把機電一體化技術(shù)列為重點發(fā)展的十大高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。機電一體化技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用從一般的數(shù)控機床、加工中心和機械手發(fā)展到智能機器人、柔性制造系統(tǒng)(FMS)、無人生產(chǎn)車間和將設(shè)計、制造、銷售、管理集于一體的計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)。機電一體化產(chǎn)品涉及工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、人民生活、醫(yī)療衛(wèi)生等各個領(lǐng)域，如集成電路自動生產(chǎn)線、激光切割設(shè)備、印刷設(shè)備、家用電器、汽車電子化

、微型機械、飛機、雷達(dá)、醫(yī)學(xué)儀器、環(huán)境監(jiān)測等。

機電一體化技術(shù)是其他高新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，機電一體化的發(fā)展依賴于其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展?？梢灶A(yù)料，隨著信息技術(shù)、材料技術(shù)、生物技術(shù)等新興學(xué)科的高速發(fā)展，在數(shù)控機床、機器人、微型機械、家用智能設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、現(xiàn)代制造系統(tǒng)等產(chǎn)品及領(lǐng)域，機電一體化技術(shù)將得到更加蓬勃的發(fā)展。1.1.2機電一體化系統(tǒng)的基本組成要素

一個典型的機電一體化系統(tǒng)應(yīng)包含以下幾個基本要素：機械本體、動力與驅(qū)動部分、執(zhí)行機構(gòu)、傳感測試部分、控制及信息處理部分。我們將這些部分歸納為：結(jié)構(gòu)組成要素、

動力組成要素、運動組成要素、感知組成要素、智能組成要素；這些組成要素內(nèi)部及其之間，形成通過接口耦合來實現(xiàn)運動傳遞、信息控制、能量轉(zhuǎn)換等有機融合的一個完整系統(tǒng)

。

機電一體化系統(tǒng)的組成要素及功能如圖1-1所示。圖1-1機電一體化系統(tǒng)的組成要素及功能(a)機電一體化系統(tǒng)的組成要素;(b)機電一體化系統(tǒng)的功能

1.機械本體

機電一體化系統(tǒng)的機械本體包括機身、框架、連接等。由于機電一體化產(chǎn)品的技術(shù)性能、水平和功能的提高，機械本體要在機械結(jié)構(gòu)、材料、加工工藝性以及幾何尺寸等方面

適應(yīng)產(chǎn)品高效率、多功能、高可靠性和節(jié)能、小型、輕量、美觀等要求。

2.動力與驅(qū)動

動力部分的功能是按照系統(tǒng)控制要求，為系統(tǒng)提供能量和動力，使系統(tǒng)正常運行。

用盡可能小的動力輸入獲得盡可能大的功能輸出，是機電一體化產(chǎn)品的顯著特征之一。

驅(qū)動部分的功能是在控制信息作用下提供動力，驅(qū)動各執(zhí)行機構(gòu)完成各種動作和功能。機電一體化系統(tǒng)一方面要求驅(qū)動的高效率和快速響應(yīng)特性，另一方面要求對水、油、溫度、塵埃等外部環(huán)境的適應(yīng)性和可靠性。由于電力電子技術(shù)的高度發(fā)展，高性能的步進驅(qū)動、直流伺服和交流伺服驅(qū)動方式大量應(yīng)用于機電一體化系統(tǒng)。

3.傳感測試部分

傳感測試部分的功能是對系統(tǒng)運行中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進行檢測，生成相應(yīng)的可識別信號，傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?，?jīng)過分析、處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息。這一功能一般由專門的傳感器及轉(zhuǎn)換電路完成。

4.執(zhí)行機構(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)的功能是根據(jù)控制信息和指令，完成要求的動作。執(zhí)行機構(gòu)是運動部件，一般采用機械、電磁、電液等機構(gòu)。根據(jù)機電一體化系統(tǒng)的匹配性要求，執(zhí)行機構(gòu)需要考慮改善系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能，如提高剛性、減小重量和保持適當(dāng)?shù)淖枘?，?yīng)盡量考慮組件化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，以提高系

統(tǒng)的整體可靠性等。

5.控制及信息單元

控制及信息單元的功能是將來自各傳感器的檢測信息和外部輸入命令進行集中、儲存、分析、加工，根據(jù)信息處理結(jié)果，按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令，控制整個系統(tǒng)有目的地運行。該單元一般由計算機、可編程邏輯控制器(PLC)、數(shù)控裝置以及邏輯電路、A/D與D/A轉(zhuǎn)換、I/O(輸入/輸出)接口和計算機外部設(shè)備等組成。機電一體化系統(tǒng)對控制和信息處理單元的基本要求是提高信息處理速度和可靠性，增強抗干擾能力以及完善系統(tǒng)自診斷功能，實現(xiàn)信息處理智能化。

以上這五部分我們通常稱為機電一體化的五大組成要素。在機電一體化系統(tǒng)中的這些單元和它們內(nèi)部各環(huán)節(jié)之間都遵循接口耦合、運動傳遞、信息控制、能量轉(zhuǎn)換的原則

，我們稱它們?yōu)樗拇笤瓌t。

6.接口耦合與能量轉(zhuǎn)換

(1)變換。兩個需要進行信息交換和傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)之間，由于信息的模式不同(數(shù)字量與模擬量、串行碼與并行碼、連續(xù)脈沖與序列脈沖等等)，無法直接實現(xiàn)信息或能量的

交流，需要通過接口完成信息或能量的統(tǒng)一。

(2)放大。在兩個信號強度相差懸殊的環(huán)節(jié)間，經(jīng)接口放大，達(dá)到能量的匹配。

(3)耦合。變換和放大后的信號在各環(huán)節(jié)間能可靠、快速、準(zhǔn)確地交換，必須遵循一致的時序、信號格式和邏輯規(guī)范。接口具有保證信息的邏輯控制功能，使信息按規(guī)定模式

進行傳遞。

(4)能量轉(zhuǎn)換。其執(zhí)行元件包含了執(zhí)行器和驅(qū)動器。該轉(zhuǎn)換涉及到不同類型能量間的最優(yōu)轉(zhuǎn)換方法與原理。

7.信息控制

在系統(tǒng)中，作為智能組成要素的系統(tǒng)控制單元，在軟、硬件的保證下，完成數(shù)據(jù)采集、分析、判斷、決策功能，以達(dá)到信息控制的目的。對于智能化程度高的系統(tǒng)，還包含

了知識獲取、推理及知識自學(xué)習(xí)等以知識驅(qū)動為主的信息控制。

8.運動傳遞

運動傳遞是指運動各組成環(huán)節(jié)之間的不同類型運動的變換與傳輸，如位移變換、速度變換、加速度變換及直線運動和旋轉(zhuǎn)運動變換等。運動傳遞還包括以運動控制為目的的運動優(yōu)化設(shè)計，目的是提高系統(tǒng)的伺服性能。1.1.3機電一體化系統(tǒng)的技術(shù)組成

機電一體化系統(tǒng)是多學(xué)科技術(shù)的綜合應(yīng)用，是技術(shù)密集型的系統(tǒng)工程。其技術(shù)組成包括機械技術(shù)、檢測技術(shù)、伺服傳動技術(shù)、計算機與信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)和系統(tǒng)總體技術(shù)等?，F(xiàn)代的機電一體化產(chǎn)品甚至還包含了光、聲、化學(xué)、生物等技術(shù)的應(yīng)用。

1.機械技術(shù)

機械技術(shù)是機電一體化的基礎(chǔ)。隨著高新技術(shù)引入機械行業(yè)，機械技術(shù)面臨著挑戰(zhàn)和變革。在機電一體化產(chǎn)品中，機械技術(shù)不再是單一地完成系統(tǒng)間的連接，而是要優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、重量、體積、剛性和壽命等參數(shù)對機電一體化系統(tǒng)的綜合影響。機械技術(shù)的著眼點在于如何與機電一體化的技術(shù)相適應(yīng)，利用其他高新技術(shù)來更新概念，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上、材料上、性能上以及功能上的變更，以滿足減少重量、縮小體積、提高精度、提高剛度、改善性能和增加功能的要求。

在制造過程的機電一體化系統(tǒng)中，經(jīng)典的機械理論與工藝應(yīng)借助于計算機輔助技術(shù)，同時采用人工智能與專家系統(tǒng)等，形成新一代的機械制造技術(shù)。這里原有的機械技術(shù)以知識和技能的形式存在。計算機輔助工藝規(guī)程編制(CAPP)是目前CAD／CAM系統(tǒng)研究的瓶頸，其關(guān)鍵問題在于如何將各行業(yè)、企業(yè)、技術(shù)人員中的標(biāo)準(zhǔn)、習(xí)慣和經(jīng)驗進行表達(dá)和陳述，從而實現(xiàn)計算機的自動工藝設(shè)計與管理。

2.計算機與信息處理技術(shù)

信息處理技術(shù)包括信息的交換、存取、運算、判斷和決策，實現(xiàn)信息處理的工具是計算機，因此計算機技術(shù)與信息處理技術(shù)是密切相關(guān)的。計算機技術(shù)包括計算機的軟件技術(shù)和硬件技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)，數(shù)據(jù)技術(shù)等。

在機電一體化系統(tǒng)中，計算機信息處理部分指揮整個系統(tǒng)的運行。信息處理是否正確、及時，直接影響到系統(tǒng)工作的質(zhì)量和效率。計算機應(yīng)用及信息處理技術(shù)已成為促進機

電一體化技術(shù)發(fā)展和變革的最活躍的因素。

人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等都屬于計算機信息處理技術(shù)。

3.自動控制技術(shù)

自動控制技術(shù)范圍很廣，機電一體化的系統(tǒng)設(shè)計在基本控制理論指導(dǎo)下，對具體控制裝置或控制系統(tǒng)進行設(shè)計；對設(shè)計后的系統(tǒng)進行仿真和現(xiàn)場調(diào)試；最后使研制的系統(tǒng)可靠地投入運行。由于控制對象種類繁多，所以控制技術(shù)的內(nèi)容極其豐富，例如高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷、校正、補償、再現(xiàn)、檢索等。

隨著微型機的廣泛應(yīng)用，自動控制技術(shù)越來越多地與計算機控制技術(shù)聯(lián)系在一起，成為機電一體化中十分重要的關(guān)鍵技術(shù)。

4.傳感與檢測技術(shù)

傳感與檢測裝置是系統(tǒng)的感受器官，它與信息系統(tǒng)的輸入端相連并將檢測到的信息輸送到信息處理部分。傳感與檢測是實現(xiàn)自動控制、自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的功能越強，系統(tǒng)的自動化程度就越高。傳感與檢測的關(guān)鍵元件是傳感器。傳感器是將被測量(包括各種物理量、化學(xué)量和生物量等)變換成系統(tǒng)可識別的，與被測量有確定對應(yīng)關(guān)系的有用電信號的一種裝置。

現(xiàn)代工程技術(shù)要求傳感器能快速、精確地獲取信息，并能經(jīng)受各種嚴(yán)酷環(huán)境的考驗。與計算機技術(shù)相比，傳感器的發(fā)展顯得緩慢，難以滿足技術(shù)發(fā)展的要求。不少機電一體化裝置不能達(dá)到滿意的效果或無法實現(xiàn)設(shè)計的關(guān)鍵原因在于沒有合適的傳感器。因此大力開展傳感器的研究對于機電一體化技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的意義。

5.伺服傳動技術(shù)

伺服傳動包括電動、氣動、液壓等各種類型的驅(qū)動裝置，由微型計算機通過接口與這些傳動裝置相連接，控制它們的運動，帶動工作機械作回轉(zhuǎn)、直線以及其他各種復(fù)雜的運動。伺服傳動技術(shù)是直接執(zhí)行操作的技術(shù)，伺服系統(tǒng)是實現(xiàn)電信號到機械動作的轉(zhuǎn)換裝置或部件，對系統(tǒng)的動態(tài)性能、控制質(zhì)量和功能具有決定性的影響。常見的伺服驅(qū)動有電液馬達(dá)、脈沖油缸、步進電機、直流伺服電機和交流伺服電機等。由于變頻技術(shù)的發(fā)展，交流伺服驅(qū)動技術(shù)取得突破性進展，為機電一體化系統(tǒng)提供了高質(zhì)量的伺服驅(qū)動單元，極大地促進了機電一體化技術(shù)的發(fā)展。

6.系統(tǒng)總體技術(shù)

系統(tǒng)總體技術(shù)是一種從整體目標(biāo)出發(fā)，用系統(tǒng)的觀點和全局角度，將總體分解成相互有機聯(lián)系的若干單元，找出能完成各個功能的技術(shù)方案，再把功能和技術(shù)方案組成方案組進行分析、評價和優(yōu)選的綜合應(yīng)用技術(shù)。系統(tǒng)總體技術(shù)解決的是系統(tǒng)的性能優(yōu)化問題和組成要素之間的有機聯(lián)系問題，即使各個組成要素的性能和可靠性很好，但如果整個系統(tǒng)不能很好協(xié)調(diào)，系統(tǒng)也很難正常運行。

接口技術(shù)是系統(tǒng)總體技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要有電氣接口、機械接口、人機接口。電氣接口實現(xiàn)系統(tǒng)間的信號聯(lián)系；機械接口則完成機械與機械部件、機械與電氣裝置的連接；人機接口提供人與系統(tǒng)間的交互界面。1.1.4機電一體化技術(shù)與其他技術(shù)的區(qū)別

機電一體化技術(shù)有著自身的顯著特點和技術(shù)范疇，為了正確理解和恰當(dāng)運用機電一體化技術(shù)，我們必須認(rèn)識機電一體化技術(shù)與其他技術(shù)之間的區(qū)別。

1.機電一體化技術(shù)與傳統(tǒng)機電技術(shù)的區(qū)別

傳統(tǒng)機電技術(shù)的操作控制主要通過具有電磁特性的各種電器來實現(xiàn)，如繼電器、接觸器等，在設(shè)計中不考慮或很少考慮彼此間的內(nèi)在聯(lián)系；機械本體和電氣驅(qū)動界限分明，整個裝置是剛性的，不涉及軟件和計算機控制。機電一體化技術(shù)以計算機為控制中心，在設(shè)計過程中強調(diào)機械部件和電器部件間的相互作用和影響，整個裝置在計算機控制下具有一定的智能性。

2.機電一體化技術(shù)與并行工程的區(qū)別

機電一體化技術(shù)將機械技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)和檢測技術(shù)在設(shè)計和制造階段就有機地結(jié)合在一起，十分注意機械和其他部件之間的相互作用。而并行工程將上述各種技術(shù)盡量在各自范圍內(nèi)齊頭并進，只在不同技術(shù)內(nèi)部進行設(shè)計制造，最后通過簡單疊加完成整體裝置。

3.機電一體化技術(shù)與自動控制技術(shù)的區(qū)別

自動控制技術(shù)的側(cè)重點是討論控制原理、控制規(guī)律、分析方法和自動系統(tǒng)的構(gòu)造等。機電一體化技術(shù)將自動控制原理及方法作為重要支撐技術(shù)，將自控部件作為重要控制部件

應(yīng)用自控原理和方法，對機電一體化裝置進行系統(tǒng)分析和性能測算。

4.機電一體化技術(shù)與計算機應(yīng)用技術(shù)的區(qū)別

機電一體化技術(shù)只是將計算機作為核心部件應(yīng)用，目的是提高和改善系統(tǒng)性能。計算機在機電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用僅僅是計算機應(yīng)用技術(shù)中的一部分，它還可以在辦公、管理及圖像處理等方面得到廣泛應(yīng)用。機電一體化技術(shù)研究的是機電一體化系統(tǒng)，而不是計算機應(yīng)用本身。在機電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)的設(shè)計過程中，一直要堅持貫徹機電一體化技術(shù)的系統(tǒng)思維方法，要從系統(tǒng)整體的角度出發(fā)分析和研究各個組成要素間的有機聯(lián)系，從而確定系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的設(shè)計方法，并用自動控制理論的相關(guān)手段，進行系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性分析，實現(xiàn)機電一體化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。1.2機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計1.2.1機電一體化系統(tǒng)的分類

從控制的角度來講,機電一體化系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。

開環(huán)控制的機電一體化系統(tǒng)是沒有反饋的控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的輸入直接送給控制器，并通過控制器對受控對象產(chǎn)生控制作用。一些家用電器、簡易NC機床和精度要求不高的機電一體化產(chǎn)品都采用開環(huán)控制方式。開環(huán)控制機電一體化系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,成本低,維修方便;缺點是精度較低，對輸出和干擾沒有診斷能力。

閉環(huán)控制的機電一體化系統(tǒng)的輸出結(jié)果經(jīng)傳感器和反饋環(huán)節(jié)與系統(tǒng)的輸入信號比較后產(chǎn)生輸出偏差，輸出偏差經(jīng)控制器處理再作用到受控對象，對輸出進行補償，實現(xiàn)更高精度的系統(tǒng)輸出。現(xiàn)在的許多制造設(shè)備和具有智能的機電一體化產(chǎn)品都選擇閉環(huán)控制方式，如數(shù)控機床、

加工中心、機器人、雷達(dá)、汽車等。閉環(huán)控制的機電一體化系統(tǒng)具有高精度，動態(tài)性能好，抗干擾能力強等優(yōu)點。它的缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，維修難度較大。

從用途分類，機電一體化系統(tǒng)的種類繁多，如機械制造業(yè)機電一體化設(shè)備、電子器件及產(chǎn)品生產(chǎn)用自動化設(shè)備、軍事武器及航空航天設(shè)備、家庭智能機電一體化產(chǎn)品、醫(yī)學(xué)診斷及治療機電一體化產(chǎn)品,以及環(huán)境、考古、探險、玩具等領(lǐng)域的機電一體化產(chǎn)品等。1.2.2機電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)開發(fā)的類型

機電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)開發(fā)的類型依據(jù)該系統(tǒng)與相關(guān)產(chǎn)品比較的新穎程度和技術(shù)獨創(chuàng)性，可分為開發(fā)性設(shè)計、適應(yīng)性設(shè)計和變參數(shù)設(shè)計。

1.開發(fā)性設(shè)計

開發(fā)性設(shè)計是一種獨創(chuàng)性的設(shè)計方式，即在沒有參考樣板的情況下，通過抽象思維和理論分析，依據(jù)產(chǎn)品性能和質(zhì)量要求設(shè)計出系統(tǒng)原理和制造工藝。開發(fā)性設(shè)計屬于產(chǎn)品發(fā)明專利范疇。最初的電視機和錄像機、中國的神5航天飛船等都屬于開發(fā)性設(shè)計。

2.適應(yīng)性設(shè)計

所謂適應(yīng)性設(shè)計，就是在參考同類產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，在主要原理和設(shè)計方案保持不變的情況下，通過技術(shù)更新和局部結(jié)構(gòu)調(diào)整使產(chǎn)品的性能、質(zhì)量提高或成本降低的產(chǎn)品開發(fā)方式。這一類設(shè)計屬于實用新型專利范疇，如用電腦控制的洗衣機代替機械控制的半自動洗衣機，用照相機的自動曝光代替手動調(diào)整等。

3.變參數(shù)設(shè)計

所謂變參數(shù)設(shè)計，就是在設(shè)計方案和結(jié)構(gòu)原理不變的情況下，僅改變部分結(jié)構(gòu)尺寸和性能參數(shù)，使之適用范圍發(fā)生變化的設(shè)計方式。例如，同一種產(chǎn)品的不同規(guī)格型號的相同設(shè)計即屬此設(shè)計。1.2.3機電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)設(shè)計方案的常用方法

在進行機電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)設(shè)計之前，要依據(jù)該系統(tǒng)的通用性、可靠性、經(jīng)濟性和防偽性等要求合理地確定系統(tǒng)的設(shè)計方案。擬定設(shè)計方案的方法通常有取代法、整體設(shè)計法和組合法。

1.取代法

取代法就是用電氣控制取代原系統(tǒng)中的機械控制機構(gòu)。該方法是改造舊產(chǎn)品、開發(fā)新產(chǎn)品或?qū)υ到y(tǒng)進行技術(shù)改造常用的方法，也是改造傳統(tǒng)機械產(chǎn)品的常用方法。如用電氣調(diào)速控制系統(tǒng)取代機械式變速機構(gòu)，用可編程序控制器取代機械凸輪控制機構(gòu)及中間繼電器等。這不但大大簡化了機械結(jié)構(gòu)和電器控制，而且提高了系統(tǒng)的性能和質(zhì)量。

2.整體設(shè)計法

整體設(shè)計法主要用于新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計。在設(shè)計時完全從系統(tǒng)的整體目標(biāo)出發(fā)，考慮各子系統(tǒng)的設(shè)計。由于設(shè)計過程始終圍繞著系統(tǒng)整體性能要求，各環(huán)節(jié)的設(shè)計都兼顧了相關(guān)環(huán)節(jié)的設(shè)計特點和要求，因此使系統(tǒng)各環(huán)節(jié)間接口有機融合、銜接方便，且大大提高了系統(tǒng)的性能指標(biāo)和制約了仿冒產(chǎn)品生產(chǎn)的難度。該方法的缺點是設(shè)計和生產(chǎn)過程的難度較大，周期較長，成本較高，維修和維護難度較大。例如，機床的主軸和電機轉(zhuǎn)子合為一體，直線式伺服電機的定子繞組埋藏在機床導(dǎo)軌之中，帶減速裝置的電動機和帶測速的伺服電機等。

3.組合法

組合法就是選用各種標(biāo)準(zhǔn)功能模塊組合設(shè)計成機電一體化系統(tǒng)。例如，設(shè)計一臺數(shù)控機床，可以依據(jù)機床的性能要求，通過對不同廠家的計算機控制單元、伺服驅(qū)動單元、位移和速度測試單元及主軸、導(dǎo)軌、刀架、傳動系統(tǒng)等產(chǎn)品的評估分析，研究各單元間接口關(guān)系和各單元對整機性能的影響，通過優(yōu)化設(shè)計確定機床的結(jié)構(gòu)組成。用此方法開發(fā)的機電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)具有設(shè)計研制周期短、質(zhì)量可靠、生產(chǎn)成本低、有利于生產(chǎn)管理和系統(tǒng)的使用維護等優(yōu)點。1.2.4機電一體化系統(tǒng)設(shè)計

所謂的系統(tǒng)設(shè)計，就是用系統(tǒng)思維綜合運用各有關(guān)學(xué)科的知識、技術(shù)和經(jīng)驗，在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，通過總體研究和詳細(xì)設(shè)計，實現(xiàn)滿足設(shè)計目標(biāo)的產(chǎn)品研發(fā)過程。系統(tǒng)設(shè)計的基本原則是使設(shè)計工作獲得最優(yōu)化效果，在保證目的功能要求與適當(dāng)使用壽命的前提下不斷降低成本。系統(tǒng)設(shè)計的過程就是“目標(biāo)—功能—結(jié)構(gòu)—效果”的多次分析與綜合的過程。綜合可理解為各種解決問題要素的拼合的模型化過程，這是一種高度的創(chuàng)造行為。分析是綜合的反行為，也是提高綜合水平的必要手段。分析就是分解與剖析，對綜合后的解決方案提出質(zhì)疑、論證和改革。通過分析，排除不合適的方案或方案中不合適的部分，為改善、提高和評價作準(zhǔn)備。綜合與分析是相互作用的。當(dāng)一種基本設(shè)想(方案)產(chǎn)生后，接著就要分析它，找出改進方向。這個過程一直持續(xù)進行，直到一個方案繼續(xù)進行或被否定為止。隨著工業(yè)技術(shù)的高度發(fā)展和人民生活水平的提高，人們迫切要求大幅度提高機電一體化系統(tǒng)設(shè)計工作的質(zhì)量和速度，因此在機電一體化系統(tǒng)設(shè)計中推廣和運用現(xiàn)代設(shè)計方法，提高設(shè)計水平，是機電一體化系統(tǒng)設(shè)計發(fā)展的必然趨勢。現(xiàn)代設(shè)計方法與以經(jīng)驗公式、圖表和手冊為設(shè)計依據(jù)的傳統(tǒng)方法不同，它是以計算機為手段，其設(shè)計步驟通常如下：

設(shè)計預(yù)測→信號分析→科學(xué)類比→系統(tǒng)分析設(shè)計→創(chuàng)造設(shè)計→選擇各種具體的現(xiàn)代設(shè)計方法(如相似設(shè)計法、模擬設(shè)計法、有限元法、可靠性設(shè)計法、動態(tài)分析法、優(yōu)化設(shè)計法、模糊設(shè)計法等)→機電一體化系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量的綜合評價。

現(xiàn)代設(shè)計方法還在不斷發(fā)展，它必將為機電一體化系統(tǒng)設(shè)計提供更新穎、更廣闊的思路與視野。圖1-2機電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)的工程路線1.2.5機電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)的工程路線

各種機電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)的研究、開發(fā)、生產(chǎn)及銷售的過程各自有其自身特點，歸納其基本規(guī)律，機電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)的工程路線如圖1-2所示。1.3.1機電一體化的技術(shù)現(xiàn)狀

機電一體化占據(jù)主導(dǎo)地位是制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，而制造產(chǎn)業(yè)是整個科學(xué)技術(shù)和國家經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)工業(yè)，因而機電一體化在當(dāng)前激烈的國際政治、軍事、經(jīng)濟競爭中起著舉足輕重的作用，受到各工業(yè)國家的極大重視。

日本將智能傳感器，計算機芯片制造技術(shù)，具有視頻、

觸覺和人機對話能力的人工智能工業(yè)機器人，柔性制造系統(tǒng)等，列為高技術(shù)領(lǐng)域的重大研究課題。1.3機電一體化的發(fā)展趨勢西歐高技術(shù)發(fā)展規(guī)劃“尤里卡”計劃，提出五大關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域、24個重點攻關(guān)項目作為歐洲高技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，其中包括研制可自由行動、決策并易于人機對話的歐洲第

三代安全民用機器人，廣泛合作研究計算機輔助設(shè)計、制造、生產(chǎn)、管理的柔性系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠全面自動化等機電一體化研究方向。

1991年3月，美國國家關(guān)鍵技術(shù)委員會在向總統(tǒng)提交的首份雙年度報告《國家關(guān)鍵技術(shù)》中，列舉了22項對于美國國家經(jīng)濟繁榮和國防安全至為關(guān)鍵的技術(shù)，并對各項入選技

術(shù)的內(nèi)容范圍，選擇依據(jù)和國際發(fā)展趨勢進行了評述，著重強調(diào)了技術(shù)的有效利用。其中包括機器人、傳感器、控制技術(shù)和CIMS及與CIMS相關(guān)的其他工具和技術(shù)，如仿真系統(tǒng)、計算機輔助設(shè)計(CAD)、計算機輔助工程(CAE)、成組技術(shù)(GT)、計算機輔助工藝規(guī)程編制(CAPP)、工廠調(diào)度工具等。報告指出：在制造業(yè)方面，目前的發(fā)展趨勢是加速產(chǎn)品推廣，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，增加柔性以及實現(xiàn)設(shè)計—生產(chǎn)—質(zhì)量控制一體化技術(shù)，那些未朝這一方向努力的公司將變得愈加缺乏競爭力。要實現(xiàn)合理的生產(chǎn)經(jīng)營活動，制造廠家必須在整個生產(chǎn)經(jīng)營

中實施先進的制造技術(shù)及管理策略。鑒于資金、技術(shù)密集型的高技術(shù)發(fā)展初期投資大、回收少的特點，多數(shù)國家政府給予資金支持和必要的政策優(yōu)惠。如前西德1984~1988年的五年計劃確定，提供5．3億馬克用于資助計算機輔助設(shè)計和制造的應(yīng)用，擴大工業(yè)機器人、軟件操作系統(tǒng)和外圍設(shè)備的工業(yè)基礎(chǔ)等先進生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用。日本政府早在1971年制定的《特定的電子工業(yè)和特定的機械工業(yè)臨時措施法》中，已把數(shù)控機床作為重點扶植對象。1978年頒布的《特定的機械信息產(chǎn)業(yè)振興臨時措施法》又規(guī)定：

促進高精度、高性能機器人的工業(yè)化和實用化，開展特殊環(huán)境作業(yè)用的機器人研究。為此，1978～1984年間撥款90億日元開發(fā)數(shù)控技術(shù)；1983年組織了機器人、計算機、機械等行業(yè)10家制造廠參加極限作業(yè)環(huán)境機器人的開發(fā)研制，總投資300億日元，其中1/2由政府資助。

號稱“數(shù)控王國”的日本，2000年金屬切削機床(簡稱金切機床)的產(chǎn)值數(shù)控化率為88.5%，產(chǎn)量數(shù)控化率為59.4%。美國1983年制定的“星球大戰(zhàn)(SDI)”計劃投資1000億美元以發(fā)展高技術(shù)，其中也包括發(fā)展空間機器人、核能機器人、軍事機器人及工業(yè)機器人等相關(guān)技術(shù)。美國國家科學(xué)

基金會(NST)每年投資100萬美元，國家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)每年投資150萬美元用于發(fā)展相關(guān)技術(shù)。1985～1995年間，美國用于研制軍用機器人和智能機器人的經(jīng)費從1.86億美元增至9.75億美元。國家規(guī)劃和支持對美國機器人技術(shù)的發(fā)展起了很大的推動作用。我國是發(fā)展中國家，與發(fā)達(dá)國家相比工業(yè)技術(shù)水平存在一定差距，但有廣闊的機電一體化應(yīng)用開拓領(lǐng)域和技術(shù)產(chǎn)品潛在市場。改革開放以來，面對國際市場激烈競爭的形勢

，國家和企業(yè)充分認(rèn)識到機電一體化技術(shù)對我國經(jīng)濟發(fā)展具有戰(zhàn)略意義，因此十分重視機電一體化技術(shù)的研究、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化，在利用機電一體化技術(shù)開發(fā)新產(chǎn)品和改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及裝備方面都有明顯進展，取得了較大的社會經(jīng)濟效益。

1986年我國開始實施的《高技術(shù)研究發(fā)展計劃綱要》即“八六三”計劃，將自動化技術(shù)，重點是CIMS和智能機器人技術(shù)等機電一體化前沿技術(shù)確定為國家高技術(shù)重點研究發(fā)展領(lǐng)域。1985年12月，國家科委組織完成了《我國機電一體化發(fā)展途徑與對策》的軟科學(xué)研究，探討我國機電一體化發(fā)展戰(zhàn)略，提出了數(shù)控機床、工業(yè)自動化控制儀表等15個機電一體化優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域和6項共性關(guān)鍵技術(shù)的研究方向和課題，提出機電一體化產(chǎn)品的產(chǎn)值比率(即機電一體化產(chǎn)品總產(chǎn)值占當(dāng)年機械工業(yè)總產(chǎn)值的比值)在2000年達(dá)到15％～20％的發(fā)展目標(biāo)。

我國的數(shù)控技術(shù)經(jīng)過“六五”、“七五”、“八五”和“九五”計劃這20年的發(fā)展，基本上掌握了關(guān)鍵技術(shù)，建立了多處數(shù)控開發(fā)和生產(chǎn)基地，培養(yǎng)了一批數(shù)控人才，初步形成了自己的數(shù)控產(chǎn)業(yè)。

“八五”計劃攻關(guān)開發(fā)的成果——華中1號、中華1號、航天1號和藍(lán)天1號4種基本系統(tǒng)建立了具有中國自主版權(quán)的數(shù)控技術(shù)平臺。1990年，我國數(shù)控金切機床產(chǎn)量僅2634臺，而到2001年產(chǎn)量和消費量已分別上升至17521臺和28535臺，在1990~2001年的11年中，數(shù)控金切機床產(chǎn)量和消費量的年均增幅分別達(dá)到18.8%和25.3%。2000年我國機床的數(shù)控化率已達(dá)到6%。據(jù)預(yù)測分析，到2005年我國機床的數(shù)控化率為9.5%~10.36%，到2010年將達(dá)到16.5%~19.27%。

我國汽車電子化的水平與先進工業(yè)國家相比有較大差距。據(jù)統(tǒng)計,1988年我國每輛汽車的電子產(chǎn)品費用為300元人民幣，平均占整車成本的1.5％，而且能改善汽車性能的電子產(chǎn)品極少。我國在20世紀(jì)90年代已形成很大的汽車電子化產(chǎn)品市場，如1995年高能觸點點火裝置的需求量為50萬部，電壓調(diào)節(jié)器需150萬部，微機控制點火裝置需10萬部，汽車專用集成電路需3000萬塊，汽車用各種傳感器需200萬只，所以在這方面需要進行大量的工作。

近年來，我國已研制成功了用于噴漆、焊接、搬運以及能前后行走的、能爬墻、能上下臺階、能在水下作業(yè)的多種類型機器人。

CIMS研究方面，我國已在清華大學(xué)建成國家CIMS工程研究中心(ERC)，在一些著名大學(xué)和研究單位建立了7個CIMS單元技術(shù)實驗室和8個CIMS培訓(xùn)中心，在國家立項實施CIMS的企業(yè)已達(dá)70余家。1994年清華大學(xué)榮獲美國制造工程師協(xié)會(SME)頒發(fā)的CIMS研究“大學(xué)領(lǐng)先獎”。1995年北京第一機床廠榮獲SME頒發(fā)的“工業(yè)領(lǐng)先獎”。上述成果的取得使我國在制造業(yè)機電一體化的研究和應(yīng)用方面積累了一定的經(jīng)驗，它必將推動機電一體化技術(shù)向更高層次縱深發(fā)展。1.3.2機電一體化的發(fā)展趨勢

隨著科技的發(fā)展和社會經(jīng)濟的進步，人們對機電一體化技術(shù)提出了許多新的和更高的要求，制造業(yè)中的機電一體化應(yīng)用就是典型的事例。毫無疑問，機械制造自動化中的計算機數(shù)控、柔性制造、計算機集成制造及機器人等技術(shù)的發(fā)展代表了機電一體化技術(shù)的發(fā)展水平。為了提高機電產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，發(fā)展高新技術(shù)，現(xiàn)在有越來越多的零件要求的制造精度越來越高，形狀也越來越復(fù)雜，如高精度軸承的滾動體圓度要求小于0.2μm；液浮陀螺球面的球度要求為0.1～0.5μm；激光打印機的平面反射鏡和錄像機磁頭的平面度要求為0.4μm，粗糙度為0.2μm。所有這些，要求數(shù)控設(shè)備具有高性能、高精度和穩(wěn)定加工復(fù)雜形狀零件表面的能力。因而新一代機電一體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。

1.機電一體化的高性能化

高性能化一般包含高速化、高精度、高效率和高可靠性?，F(xiàn)代數(shù)控設(shè)備就是以此“四高”為基礎(chǔ)，為滿足生產(chǎn)急需而誕生的。它采用32位多CPU結(jié)構(gòu)，以多總線連接，以32位數(shù)據(jù)寬度進行高速數(shù)據(jù)傳遞。因而，在相當(dāng)高的分辨率(0.1μm)情況下，系統(tǒng)仍有高速度(100m／min)，可控及聯(lián)動坐標(biāo)達(dá)16軸，并且有豐富的圖形功能和自動程序設(shè)計功能。為獲取高效率，減少輔助時間，就必須在主軸轉(zhuǎn)速進給率、刀具交換、托板交換等各關(guān)鍵部分實現(xiàn)高速化；為提高速度，一般采用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，進行并行處理，使運算能力進一步加強，通過設(shè)置多重緩沖器，保證連續(xù)微小加工段的高速加工。對于復(fù)雜輪廓，采用快速插補運算將加工形狀用微小線段來逼近是一種通用的方法。在高性能數(shù)控系統(tǒng)中，除了具有直線、圓弧、螺旋線插補等一般功能外，還配置有特殊函數(shù)插補運算，如樣條函數(shù)插補等。微位置段命令用樣條函數(shù)來逼近，保證了位置、速度、加速度都具有良好的性能，并設(shè)置專門函數(shù)發(fā)生器、坐標(biāo)運算器進行并行插補運算。超高速通信技術(shù)、全數(shù)字伺服控制技術(shù)是高速化的一個重要方面。高速化和高精度是機電一體化的重要指標(biāo)。高分辨率、高速響應(yīng)的絕對位置傳感器是實現(xiàn)高精度的檢測部件。采用這種傳感器并通過專用微處理器的細(xì)分處理，可達(dá)極高的分辨率。

采用交流數(shù)字伺服驅(qū)動系統(tǒng)，其位置、速度及電流環(huán)都實現(xiàn)了數(shù)字化，實現(xiàn)了幾乎不受機械載荷變動影響的高速響應(yīng)伺服系統(tǒng)和主軸控制裝置。與此同時，還出現(xiàn)了所謂高速響應(yīng)內(nèi)裝式主軸電機，它把電機作為一體裝入主軸之中，實現(xiàn)了機電融合一體。這樣就使得系統(tǒng)的高速性、高精度性極佳。如法國IBAG公司等的磁浮軸承的高速主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)15×104r/min，一般轉(zhuǎn)速為7×103～25×103r/min；加工中心換刀時間可達(dá)1.5s；切削速度方面，目前硬質(zhì)合金刀具和超硬材料涂層刀具車削和銑削低碳鋼的速度達(dá)500m/min以上，而陶瓷刀具可達(dá)800~1000m/min，比高速鋼刀具30～40m/min的速度提高數(shù)十倍。精車速度甚至可達(dá)1400m/min。前饋控制可使位置跟蹤誤差消除，同時使系統(tǒng)位置控制達(dá)到高速響應(yīng)。至于系統(tǒng)可靠性方面，一般采用冗余,故障診斷,自動檢錯,系統(tǒng)自動恢復(fù)以及軟、硬件可靠性等技術(shù)，使得機電一體化產(chǎn)品具有高性能。對于普及經(jīng)濟型以及升級換代提高型的機電一體化產(chǎn)品，因組成它們的命令發(fā)生器、控制器、驅(qū)動器、執(zhí)行器以及檢測傳感器等各個部分都在不斷采用高速、高精度、高分辨率、高速響應(yīng)、高可靠的零部件，所以產(chǎn)品性能在不斷提高。

2.機電一體化的智能化趨勢

人工智能在機電一體化技術(shù)中的研究日益得到重視，機器人與數(shù)控機床的智能化就是其重要應(yīng)用。智能機器人通過視覺、觸覺和聽覺等各類傳感器檢測工作狀態(tài)，根據(jù)實際變化過程反饋信息并做出判斷與決定。數(shù)控機床的智能化主要用各類傳感器對切削加工前后和加工過程中的各種參數(shù)進行監(jiān)測，并通過計算機系統(tǒng)作出判斷，自動對異常現(xiàn)象進行調(diào)整與補償，以保證加工過程的順利進行，并保證加工出合格產(chǎn)品。目前，國外數(shù)控加工中心多具有以下智能化功能：對刀具長度、直徑的補償和刀具破損的監(jiān)測,切削過程的監(jiān)測,工件自動檢測與補償?shù)取?/p>

隨著制造自動化程度的提高，信息量與柔性也同樣提高，出現(xiàn)了智能制造系統(tǒng)(IMS)控制器來模擬人類專家的智能制造活動。該控制器對制造中的問題進行分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策，其目的在于取代或延伸制造工程中人的部分腦力勞動，并對人類專家的制造智能進行