机电一体话
机电一体化概述
单元一机电一体化概述1. 1. 1机电一体化的定义“机电一体化是在机械主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。
”“机电一体化”是将机械技术、微电子技术、信息技术等多门技术学科在系统工程的基础上相互渗透、有机结合而形成和发展起来的一门新的边缘技术学科。
1. 1. 3机电一体化的内容机电一体化包含了技术和产品两方面的内容，首先是指机电一体化技术，其次是指机电一体化产品。
1. 1. 4机电一体化的特点机电一体化产品的显著特点是多功能、高效率、高智能、高可靠性，同时又具有轻、薄、细、小、巧的优点，其目的是不断满足人们生产生活的多样性和省时、省力、方便的需求。
1. 2机电一体化系统的基本组成1. 2. 1机电一体化系统的功能组成传统的机械产品主要是解决物质流和能量流的问题，而机电一体化产品除了解决物质流和能量流以外，还要解决信息流的问题。
机电一体化系统的主要功能就是对输入的物质、能量与信息(即所谓工业三大要素)按照要求进行处理，输出具有所需特性的物质、能量与信息。
机电一体化系统的主功能包括变换(加工、处理)、传递(移动、输送)、储存(保持、积蓄、记录)三个目的功能。
主功能也称为执行功能，是系统的主要特征部分，完成对物质、能量、信息的交换、传递和储存。
机电一体化系统还应具备动力功能、检测功能、控制功能、构造功能等其他功能。
加工机是以物料搬运、加工为主，输入物质(原料、毛坯等)、能量(电能、液能、气能等)和信息(操作及控制指令等)，经过加工处理，主要输出改变了位置和形态的物质的系统(或产品)。
动力机，其中输出机械能的为原动机，是以能量转换为主，输入能量(或物质)和信息，输出不同能量(或物质)的系统(或产品)。
信息机是以信息处理为主，输入信息和能量，主要输出某种信息(如数据、图像、文字、声音等)的系统(或产品)。
1. 2. 2机电一体化系统的构成要素机电一体化系统一般由机械本体、传感检测、执行机构、控制及信息处理、动力系统等五部分组成，各部分之间通过接口相联系。
机电一体化概论
机电一体化概论第一章机电一体化概述2•机电一体化的发展趋势:智能化，模块化，网络化，微型化,绿色化，系统化.3•机电一体化的基本含义:机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进徽电子技术，并将机核装置与电子设备以及相关软件有机结合而构成的系统总称。
5•机电一体化的相关技术：机械技术、传感检测技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、系统总体技术。
6.机电一体化系统的基本要素及其功能：8•机电一体化一词最早于1971年出现在日本。
它是取机械学的前半部和电子学的后半部拼合而成，但是，机电一体化并非机械技术和电子技术的简单叠加，而是有着自身体系的新型学科。
第二章机电一体化的相关技术L机电一体化系统中的机械系统：传动部分、导向机构、执行机构、轴系、机座或机架。
2.机电一体化中机械系统的基本要求：高精度、小惯量、大刚度、快速响应性、良好的稳定性。
9•传感器的定义：传感器是一种能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用的输出信号的器件或装置。
13•常见的接近开关及其应用：电涡式接近开关（金属）、电容式接近开关（导体和非导体）、霍尔接近开关（磁性物件）、光电开关：透射型，反射型（统计产量，检测包装，精确定位等）。
16.在控制系统中根据系统信号相对于时间的连续性，通常分为连续时间系统和离散时间系统（连续系统和离散系统）。
18•计算机控制系统的类型及计算机担当的角色：操作指导控制系统（助手）、宜接数字控制系统（DDC,决策者，操作者）、监督计算机控制系统（SCC, 操作指导系统与DDC系统的综合与发展，决策人）、分级控制系统、集散控制系统（DCS）、工厂自动化（FA）系统。
25•接口的分类（1）根据接口的变换和调整功能特征：零接口、被动接口、主动接口、智能接口。
（2）根据接口的输入\输出功能的性质：信息接口、机械接口、物理接口、环境接口。
（3）按照所联系的子系统不同：人机接口、机电接口。
机电一体化
机电一体化：是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成的系统总称。
是机械技术及信息技术相互交叉、融合的产物。
精密机械技术、微电子技术、信息技术有机结合新形势。
机电一体化的目的：是使系统高附价值化，即多功能化、高效率化、高可靠化、省材料省能源化、并使产品的结构向轻、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。
解决产品（系统）采用微电子技术所面临的共性关键技术：检测传感技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、精密机械技术、系统总体技术系统必须具有的目的功能：变换（加工、处理）功能；传递（移动、输送）功能；储存（保持、积蓄、记录）功能机电一体化系统的五大要素（即相应功能）：动力源（提供动力；内脏）；控制器（控制；头脑）；机构（构造；骨骼）；检测传感器（计测；感官）；执行元件（驱动；肌肉）接口：是各要素或各子系统相接处必须具备一定的联系条件接口变换、调整功能分为：零接口、无源接口、有源接口、智能接口接口输入/出功能分为：机械接口、物理接口、信息接口、环境接口工业三大要素：能量、物质、信息（省能、省资源、智能化）系统内部功能评价参数：1主功能：系统误差、抗干扰能力、废弃物输出、变换效率。
2动力功能：输入能量、能源。
3控制功能：控制输出/入口个数、手动操作。
4构造功能：尺寸重量、强度。
5计测功能：精度机电一体化系统的设计流程:1根据目的功能确定产品规格、性能指标；2系统功能部件、功能要素的划分；3接口的设计；4综合评价；5可靠性复查；6试调与调试运动参数：用来表征机器工作运动的轨迹、行程、方向和起、止点位置正确性的指标动力参数：用来表征机器输出动力大小的指标。
力、力矩、功率。
品质指标：用来表征运动参数和动力参数品质的指标。
机电一体化系统设计考虑方法：机电互补法；结合（融合）法；组合法机电一体化系统的设计类型：开发型设计；适应性设计；变异性设计设计程序分为：总体设计、部件的选择与设计、技术设计与工艺设计总体设计：明确设计思想；分析综合要求；划分功能模块；决定性功能参数；调研类似产品；你定总体方案；方案对比定性；编写总体设计论证书设计准则要考虑：人、机、材料、成本等。
机电一体化
1.1机电一体化的基本含义 1.1机电一体化的基本含义
日本机械振兴协会经济研究所于1981 日本机械振兴协会经济研究所于1981 年提出具有通用性定义: 年提出具有通用性定义: • 即“机电一体化是在机械主功能、动力功 机电一体化是在机械主功能、 能、信息功能和控制功能上引进微电子技 术，并将机械装置与电子装置用相关软件 有机结合而构成系统的总称”. 有机结合而构成系统的总称” • 它体现了机电一体化产品及其技术的基本 内容和特征，所以具有指导性的定义。 内容和特征，所以具有指导性的定义。 •
• 3）传感与检测系统：将机电一体化产品在运行过 传感与检测系统： 程中所需的自身和外界环境的各种参数及状态转 换成可以测定的物理量， 换成可以测定的物理量，同时利用检测系统的功 能对这些物理量进行测定， 能对这些物理量进行测定，为机电一体化产品提 供运行控制所需的各种信息。 供运行控制所需的各种信息。传感与检测系统的 功能一般有传感器或仪表来实现， 功能一般有传感器或仪表来实现，对其要求是体 积小、便与安装与连接、检测精度高、抗干扰等。 积小、便与安装与连接、检测精度高、抗干扰指的是机电一体化向微型机器和微观领域发 展的趋势。国外将其称为微电子机械系统（ 展的趋势。国外将其称为微电子机械系统（micro ,MEMS)， electro mechanical system ,MEMS)，或微机电 一体化系统，泛指几何尺寸不超过1 一体化系统，泛指几何尺寸不超过1 机电产 并向微米、纳米即发展。 品，并向微米、纳米即发展。
• 4）信息处理及控制系统：根据机电一体化产品的 信息处理及控制系统： 功能和性能要求， 功能和性能要求，信息处理及控制系统接受传感 与检测系统反馈的信息，并对其进行相应的处理、 与检测系统反馈的信息，并对其进行相应的处理、 运算和决策， 运算和决策，以对产品的运行施以按照要求的控 实现控制功能。机电一体化产品中， 制，实现控制功能。机电一体化产品中，信息处 理及控制系统主要是由计算机的软件和硬件以及 相应的接口所组成。要求信息处理速度高， 相应的接口所组成。要求信息处理速度高，A/D D/A转换及分时处理时的输入 输出可靠， 转换及分时处理时的输入/ 和 D/A转换及分时处理时的输入/输出可靠，系统 的抗干扰能力强
机电一体化
1、机电一体化概念：机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总结。
2、机电一体化设计与传统系统设计比较特点|：（1）系统工程；（2）以计算机为工具，利用计算机辅助设计，优化设计，有限元分析等工具提高产品的设计效率和质量；（3）硬件与软件设计并重。
3、机电一体化系统应具备五种内部功能：主功能（变换、传递、储存）、动力功能、计测功能、控制功能、结构功能4、组成要素：动力源、机械本体、执行机构、检测与传感器装置、控制与信息处理装置5、共性的关键技术：机械技术、计算机与信息处理技术、传感与检测技术、自动控制技术、伺服传动技术、系统的总体技术6、应用的主要形式：功能附加、功能替代、机电融合7、机电一体化发展趋势：（1）性质上：高精度、高效率、智能化；（2）功能上：小型化、轻型化多功能化；（3）层次上：系统化、复合集成化8、机电一体化机械部分的要求：（1）高精度：机械部分的高精度是为了满足系统能完成其预定的机械操作（2）高刚度:采用高刚度的支承或架体，以减小产品本体的振动，降低噪声；为高精度的执行机构提供良好的支承，保证执行精度（3）低摩擦:导向和转动支承部分采用低摩擦阻力部件，以降低机械部分的阻力，提高系统的快速响应性（4）良好的稳定性:机械部分受外界环境变化的影响小，抗干扰能力强。
措施：（1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件（2）缩短传动链，提高传动与支承的刚度，提高安全性（3）选择最佳传动比（4）缩小反向死区误差（5）改进支承机构以提高刚性9、消除回差的方法：偏心套（轴）调整法、轴向垫片调整法、双片薄齿轮错齿调整法、斜齿轮垫片调整法、斜齿轮轴向压簧调整法、锥齿轮传动轴向压簧调整法、锥齿轮传动周向弹簧调整法10、滚动螺旋传动的特点：传动效率高、运动平稳、能够预紧、工作寿命长、定位精度和重复定位精度高、同步性好、可靠性高、不自锁、成本较高11、预紧方式：单螺母变位导程预紧（B）、单螺母增大钢球直径预紧（Z）、双螺母垫片预紧(D)、双螺母螺纹预紧（L）、双螺母齿差预紧（C）12、同步带传动的特点：（1）传动比准确，传动效率高；（2）工作平稳，能吸收振动；（3）不需润滑，耐油、水、高温、腐蚀，维护保养方便；（4）中心距要求严格，安装精度要求高（5）制造工艺复杂，成本高。
机电一体化基础知识
按输出信 号性质分
模拟型
电阻型：电位器、电阻应变片等 电压、电流型：热电偶、光电电池、压电元件等
数字型
记数型：二值＋计数器 代码型：编码器、磁尺等
传感与检测技术发展现状：
➢ 目前检测与传感技术的发展落后于机电一体化其它相关技术 的发展，使得不少机电一体化产品不能达到满意的效果或无 法实现设计。
传感器发展方向：
➢ 传感与检测技术研究对象是传感器及其信号检测装置，将各种被测参 数转换为标准的电信号输入到信息处理系统中。
➢ 传感器是实现检测的核心，传感器一般由敏感元件、转换元件、基本 转换电路三部分组成。
被测量 敏感பைடு நூலகம்件
转换元件
基本转换电路
电量
➢ 敏感元件直接感受被测量，并以确定关系输出某一物理量。 ➢ 转换元件将敏感元件输出的非电物理量转换成电路参数量。 ➢ 基本转换电路将电路参数量转换成便于测量的电信号。
➢ 自动控制技术范围很广，包括自动控制理论、控制系统设 计、系统仿真、现场调试、可靠运行等从理论到实践的整 个过程。
➢ 以传递函数为基础，研究单输入、单输出线性自动控制系 统分析与设计问题的古典控制技术发展较早，已趋成熟。
➢ 现代控制技术主要以状态空间法为基础，研究多输入、多 输出、非线性、高精度、高效能控制系统的分析和设计。
➢ 采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑部件。
➢ 缩短传动链，提高传动与支撑刚度。
➢ 选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率, 并尽可能提高 加速能力。
➢ 缩小反向死区误差，采取消除传动间隙、减少支撑变形 的措施。
➢ 改进支撑及架体的结构设计以提高刚性，减小振动，降 低噪声。
➢ 适应精密化、高速化、小型化及轻量化的发展趋势 。
第1章 机电一体化
机电一体化系统的组成及工作原理 a)人的五大要素 b)机电一体化系统的要素 c)机电一体化系统的功能
第 一 章 机 电 一 体 化 概 述
第 一 章 机 电 一 体 化 概 述
各要素间联系
第 一 章 机 电 一 体 化 概 述
1、机械本体 机械本体包括机械传动装置和机械结构装置。其主要功 能是将构造系统的各子系统、零部件按照一定的空间和时间关 系安置在一定的位置上，并保持特定的关系。随着机电一体化
(机械学）
（电子学）
（机电一体化）
机电一体化不是机械技术和电子技术的简单叠加，而是 将电子设备的信息处理功能和控制功能“揉和”到机械装 置中去，从而达到扬长避短、互为补充的目的，使机电一 体化产品更具有系统性、完整性和科学性。
第 一 章 机 电 一 体 化 概 述
机电一体化是在机械主功能、动力功能、信息 功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置 与电子设备以及相关软件有机结合而构成系统的总 称。
第 一 章 机 电 一 体 化 概 述
四、机电一体化的组成
机械技术 电气技术 微电子技术 机电一体化技术 接口技术 信息技术 机电一体化 控制技术 其他技术 机电一体化装置 机电一体化产品 机电一体化系统
二、机电一体化的基本概念
第 一 章 机 电 一 体 化 概 述
机电一体化：将多种技术融合为一体的产物 或者是将多种技术柔和地融合在一起的一门 综合学科。
微电子技术 （半导体技术、计 算机技术）
机械技术 （机械学、机构学）
机电一体化 技术领域
“机电一体化”也就是机械技术、微电子技术相互交叉、融 合的产物。
机电一体化最本质的特性仍然是一个机械系统，其最主 要功能仍然是进行机械能和其他形式的能的互换，利用机械 能实现物料搬移或形态变化以及实现信息传递和变换。机电 一体化系统与传统机械系统的不同之处是充分利用计算机技 术、传感技术和可控驱动元件特性，实现机械系统的现代化、 智能化、自动化。
机电一体化
机电一体化系统的功能构成： 机电一体化系统的功能构成：
School of Mechanical Engineering ＆ Automation
机电一体化技术的主要特征： 机电一体化技术的主要特征： ①整体结构最优化：在传统机械产品中，为了增加功能，或实现某一种控制 整体结构最优化：在传统机械产品中，为了增加功能， 规律，往往靠增加机械机构的办法来实现。如果采用机电一体化系统， 规律，往往靠增加机械机构的办法来实现。如果采用机电一体化系统，可以 从机械、电子、硬件、软件四个方面去实现同一种功能。 从机械、电子、硬件、软件四个方面去实现同一种功能。 ②系统控制智能化：这是机电一体化技术与传统的工业自动化技术最主要的 系统控制智能化： 区别之一。电子技术的引入，显著地改变了传统机械那种单纯靠操作人员， 区别之一。电子技术的引入，显著地改变了传统机械那种单纯靠操作人员， 按照规定的工艺顺序频繁重复的工作状况。 按照规定的工艺顺序频繁重复的工作状况。 ③操作性能柔性化：计算机软件技术的引入，能使机电一体化系统的各个传 操作性能柔性化：计算机软件技术的引入， 动机构的动作通过预先给定的程序，一步一步地由电子系统来协调。 动机构的动作通过预先给定的程序，一步一步地由电子系统来协调。在生产 动作通过预先给定的程序 对象变更需要改变传动机构的动作规律时，无须改变其硬件机构， 对象变更需要改变传动机构的动作规律时，无须改变其硬件机构，只要调整 由一系列指令组成的软件，就可以达到预期的目的。 由一系列指令组成的软件，就可以达到预期的目的。
School of Mechanical Engineering ＆ Automation
机电一体化的相关技术： 机电一体化的相关技术： ①机械技术：机械技术是机电一体化的基础。 机械技术：机械技术是机电一体化的基础。 ②计算机与信息处理技术：计算机应用及信息处理技术是促进机电一体化技 计算机与信息处理技术： 术和系统发展的最活跃的因素。 术和系统发展的最活跃的因素。 ③检测与传感技术：传感与检测是实现自动控制、自动调节的关键环节，它 检测与传感技术：传感与检测是实现自动控制、自动调节的关键环节， 的功能越强，系统的自动化程度就越高。 的功能越强，系统的自动化程度就越高。 ④自动控制技术：自动控制技术与计算机控制技术相联系，是机电一体化中 自动控制技术：自动控制技术与计算机控制技术相联系， 十分重要的关键技术。 十分重要的关键技术。 ⑤伺服驱动技术：伺服驱动技术是直接执行操作的技术，伺服系统是实现电 伺服驱动技术：伺服驱动技术是直接执行操作的技术， 信号到机械动作的转换装置与部件。它对系统的动态性能、 信号到机械动作的转换装置与部件。它对系统的动态性能、控制质量和功能 具有决定性的影响。 具有决定性的影响。
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6.2控制系统的=有哪些分类，及类型
按控制器所依据的判定准则顺序控制系统反馈控制系统
按系统输出的变化规律镇定控制系统程序控制系统随动控制系统
按被控对象自身的特性线性系统与非线性系统确定系统与随机系统集中参数系统与分布参数系统
时变系统与时不变系统功能性要求、
6.3建立被控
对象数学模型的方法有那些，各种方法的特点计适合用的场合？
确定建模方法
分析法：将复杂被控对象分解成若干独立单元，并进一步分解成元件或环节，对每一环节的物理、化学规律采用数学分析的方法列出运动规律方程，将这些方程式按照系统结构原理和相互作用关系关联起来，从而得到方程或方程组表达的整个被控对象数学模型，即机理模型。
缺点是模型可能复杂，难于计算。
实验法：在实测系统输入、输出数据的基础上，分析其内在规律，建立一个与所测系统等效的数学模型，即系统辨识模型。
关键在于测试方法及试验信号的选择。
时域分析法、频率分析法和统计方法。
6。
4微型机控制系统的组成及特点
组成：控制器，A/D转化器，执行机构，被控对象，传感与检测装置，D/A转化器
特点
具有完善的模拟量、数字量的输入输出通道
具有实时控制功能
可靠性高
具有丰富的指令功能
·6.21 设计快速无波纹系统必须具备的条件是必须使数字控制器的输出在有限拍后保持恒定值
6.22串联控制系统与单回路反馈控制系统相比的特点：系统复杂，但其控制质量优于后者。
串联控制系统的特点：1，串联控制系统对进入副回路的二次干扰具有很强的抑制能力。
2，由于副回路的反馈控制作用，是副对象部分的时间常数大大减小，改善了对象特性，提高了系统性能。
3串联控制系统能自动适应副对象的非线性，使系统的输出不受影响。
6.24选择控制装置中的微型机时考虑的因素有：计算精度，计算速度，控制方法，系统规模，成本批量以及设计周期
6.26专用控制设计的内容：1确定输入接口的性质和数量2确定输出接口的性质和数量3.微控制器的选择4控制装置电路及结构设计5，控制装置软件设计
其软件设计的一般步骤和方法：选择开发工具、软件和程序语言；分析理解控制系统的任务，合理安排软件流程和程序结构：初始化、存储器分配、运行状态设置与监控、输入输出设备管理、实时控制、数据采集和处理、巡回检测、数据管理等内容；准确定义数据结构和变量类型，合理设计算法；合理分配系统资源；采用模块化设计方法、提高代码重用率和可读性；
6.27冗余结构的种类：并联和后备
并联的原理：并联冗余是设计两个或两个以上的相同单元并联运行，平均负担工作载荷，当有一个单元失效时则其他单元自动将其负荷平均分担，保证正常工作。
后备原理：后备冗余是将几个具有相同功能的单元并联，但只有一个单元参与运行，其他单元备用，当参与运行的单元失效后，可通过手动或自动的方式将一个备用单元切换到工作状态。
6.28常见的干扰以抗干扰措施有哪些
供电干扰抗干扰措施：稳压，滤波，隔离
过程通道干扰抗干扰措施：1，用RC电路或二极管吸收在感性负载断开时产生的过电压2，用光电耦合器在输入输出接口出进行电器隔离以切断干扰信号进入控制装置的通道。
3采用双绞线作为接口连线和进行信号的长距离传输，以抑制共模噪声和周围电磁场的影响4，对长距离传输线进行阻抗匹配以防信号波形的畸变，5采用电流传输代替电压传输
空间干扰抗干扰措施：1采用屏蔽导线和机箱2，采用RC电路吸收按钮，继电器和接触器等电器在操作时产生的火花及高频辐射3合理进行控制装置内电源，数字电路，模拟电路，执行元件的驱动电路以及输入输出接口电路的设计布局，4，合理设计底线系统
6.29为何印制电路板上的地线和电源线都很粗增强抗干扰能力
7.1机电一体化总体设计是应用总体技术，从整体目标出发，综合分析产品的性能要求以及各机，电组成单元的特性，选择最合理的单元组合方案，实现机电一体化产品的整体优化设计的过程
总体设计的内容：技术资料准备，性能指标确定（功能性指标，安全性指标，经济性指标）总体方案拟定
7.2机电一体化产品的指标1功能指标（功能范围，精度指标可靠性指标维修性指标）
2经济性指标购置费用，使用费用
安全指标人身安全，产品安全
7.3在设阶段怎样降低成本和使用费用合理选择零部件、避免大材小用。
简化结构和装配工艺。
设计标准化、系列化和通用化。
通过产品创新设计（结构、技术、材料、元件等），降低成本、
7.4特性指标是决定产品功能和基本性能的指标。
是设计中必须设法达到的指标。
特性指标在优化设计中起到约束条件的作用。
优化指标是在产品优化设计中用来进行方案对比的评价指标
寻常指标是设计产品中作为常规要求的一类指标。
7.5等效性等效性机械与电子、硬件与软件设计方案可实现相同的功能
互补性机、电环节相互耦合的特性
总体设计：多方案优化
－－组合筛选列出可行方案
－－找出可比性进行比较
－－多目标规划进行优化设计
7.6常用的多目标规划问题的方法有那几种，他们的基本思想和共同特点是什么
降维法
用一个起主要作用的指标作为目标函数，而将其它优化指标转化为约束条件，从而使多目标优化问题转化为单目标优化问题。
顺序单目标法
首先对各优化指标按重要程度排序，按单目标优化方法依序求出每个指标所对应的最优解，然后对这些单目标优化解进行折衷处理，从而得到整体最优解。
评价函数法
首先将各优化指标依一定关系进行组合，从而构造出一个单目标问题的目标函数，被称为评价函数，然后依据这个评价函数对各种方案进行评价，最终确定出最优方案。