第一章机电简述

综上所述，机电一体化包括了两个方面的内容：机电一体的技术； 机电一体化产品。
技术——包括技术基础、技术原理在内的、使机电一体化产品得以实 现、使用和发展的技术。其具体主要包含有： 机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术、自动控制技术、 检测与传感技术、电力电子技术、伺服驱动技术、系统总体技术等。
对设计者的要求
开发性设计 要求设计者具有扎实的基础理论、丰富的想象力和敏锐 的市场洞察力。 适应性设计 要求设计者对原有产品及相关的市场需求、变化和技术 进步要有充分的了解和掌握。 变异性设计
要求设计者注意防止因参数变化可能对产品性能产生 的影响。
进行机电一体化产品设计时，应尽量以计算机为工具，充分利用计 算机辅助设计、仿真分析、模拟设计、优化设计、动态分析设计、可 靠性设计等现代化设计方法，以提高产品的效率和质量。 机电一体化设计同样也要遵循产品的一般性设计原则，即在保证 产品目的功能、性能和使用寿命的前提下，尽量降低成本。这意味着，
因此，系统必须具有以下三大“目的功能”：① 变换 （加工、处理）功能；② 传递（移动、输送）功能；② 储存（保持、积蓄、记录）功能。下图为系统目的功能图。
物质
工业三 大要素 特定形式
能量
信息
系统（变换、 传递、储存）
物质
能量
信息
控制
产品目的功能图
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）。
产品 采用机电一体化技术，在机械产品基础上创造出来的新一代机电 产品。该“产品”主要是机械系统（或部件）与微电子系统（或部件 与软件）相互置换或有机结合而构成的新的“系统”，且赋予其新的 功能和性能的新一代产品。

机电一体化的实质
利用系统工程的观点来分析和研究机电一体化产品和系统，综合 运用各种现代高新技术进行产品的设计与开发，通过各种技术的有机 结合，实现产品内部各组成部分之间的合理匹配和外部的整体效果最 佳。

机电一体化的涵义
国际：① “机电一体化是指机械装置和电子设备适当结合而构成的一种机械产 品或机电一体与机信一体的新趋势。”② “机电一体化是机械技术中的机械学与 电子技术中的电子学组合起来的技术进步的总称。”③“机电一体化是机械学和 电子学有机结合起来，提供更加优越的一种技术。”
国内：“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系统的总称。”
工业三 大要素
物质
能量
信息
系统（变换、 传递、储存）
特定形式
物质
能量
信息
控制
产品目的功能图
不管哪类系统（或产品），其系统内部必须具备五 种内部功能，即主功能、动力功能、检测功能、控制功 能、构造功能。
其中“主功能”是实现系统“目的功能”直接必需 的功能，主要是对物质、能量、信息或其相互结合进行 变换、传递和存储。“动力功能”是向系统提供动力、 让系统得以运转的功能；“检测功能和控制功能”的作 用是根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制， 使系统正常运转，实施“目的功能”。
第三节
机电一体化产品的分类
微机电一体化产品 机电一体化产品 功能附加型 功能 功能替代型 机电融合型
Байду номын сангаас
尺寸 大小 机电一体化产品
按功能划分
功能附加型产品 在原有机械产品基础上，采用微电子技术使产品功 能增加和加强，性能提高。经济型数控机床、电子秤、 数显量具、全自动洗衣机等。 功能替代型产品 采用微电子技术及装置取代原产品中的机械控制功 能、信息处理功能或主功能，使产品简化，性能提高， 柔性提高。电子缝纫机、自动照相机采用微电子装置取 代了原有的机械装置；电子石英钟、线切割加工机床采 用微电子技术取代了原来的机械主功能。 机电融合型产品 根据产品的功能和性能要求及技术规范，采用专门 设计的或具有特定用途的集成电路来实现产品中的控制 和信息处理功能。传真机、复印机、摄相机、CNC机床 等。
由图知：在当代机电一体化产品中，单纯的机械技术 的附加值越来越少，而微电子技术的附加值越来越高， 因此其经济效益也相应增高。
二、机电一体化产品设计及其工程路线
1、机电一体化设计
机电一体化设计是按机电一体化思想，原理和方法进行的机电一体 化设计，它是一项复杂的系统工程，需要综合应用各项共性关键技术才 能完成。
程包括市场调研、产品构思、方案设计、详细
设计、质量规划与控制、制造工艺规范、样机
试制、正式生产、用户意见反馈、修改及完善
等各个阶段。
三、机电一体化系统设计与现代设计方法
设计步骤 机电一体化系统（产品）的种类不同，其设计方法也不同。 现代设计方法与用经验公式、图表和手册为设计依据的传统设计 方法不同，它是以计算机为辅助手段进行机电一体化系统（产品） 设计的有效方法。 技术预测→市场需求→信息分析→科学类比→系统设计→创 新设计→选择具体的现代设计方法（相似设计法、模拟设计法、 有限元设计法、可靠性设计法、动态分析设计法、优化设计法） →机电一体化设计质量的综合评价。 上述步骤的顺序不是绝对的，只是一个大致的设计路线。但 现代设计方法对传统设计中的某些精华必须予以承认，在各个设 计步骤中，应考虑传统设计的一般原则，如技术经济分析及价值 分析、造型设计、市场需求、类比原则、冗余原则、自动原则 （能自动完成目的功能并具有自诊断、自动补偿、自动保护功能 等）、经验原则（考虑以往经验），以及模块原则（积木式、标 准化设计）等。
通过传感器直接检 测目标运动并进行反馈 控制的系统称为全闭环 系统，但只检测某一部 位（如伺服电动机）运 动并反馈称为半闭环系 统。
机电一体化系统是由若干具有特定功能的机械与微电子要 素组成的有机整体，具有满足人们使用要求的功能（目的 功能）。根据不同的使用目的，要求系统能对输入的物质、 能量和信息（即工业三大要素）进行某种处理，输出所需 要的物质、能量和信息。
切削加工 （加工机构）
机 械
工 件 （ 物 质 ）
位置检测
结
构
电 源
外部电源 （信息）
控制器
操作 人
图样信息
CNC程序
纸带
数控机床的内部功能构成
主功能(目的功能)——切削加工 动力功能——电能通过电机转换成机械能 构造功能——机床结构、机床本体 计测功能——实时检测机床内部和外部信息 控制功能——实施控制
机电一体化产品的组成要素 机械本体 动力单元
检测与传感装置
执行机构 驱动单元 控制与信息处理装置 接口
功能要素之间的相互关系
在机械本体（构造功能）的支持下，由检 测传感装置（计测功能）检测出产品的运行状 态及环境变化，将信息反馈给控制及信息处理 装置（控制功能），控制及信息处理装置对各 种信息进行处理，并按要求控制动力源（动力 功能）驱动执行机构（主功能）进行工作。 在结构上，各组成要素通过各种接口及相 关软件有机结构在一起，构成一个内部匹配、 外部效能最佳的完整产品。
机电一体化设计并非盲目追求”高、精、尖”,而是在充分分析用户要
求的基础上，努力以最新的技术手段，最廉价的材料或元器件、最简 单的结构、最低能耗，向用户提供最满意的产品。
处理好产品功能与成本及宜人性的关系。
2、机电一体化产品的开发体系
机电一体化工程是指应用机电一体化技术
进行产品开发的整个过程体系，机电一体化工
机电一体化设计突出体现在两个方面：一方面，当产品的某一功能 单靠某一种技术无法实现时，必须进行机械与电子工业及其它多种技术 有机结合的一体化设计。另一方面，当产品某一功能的实现有多种可行 的技术方案时，也必须应用机电一体化技术对各种技术方案进行分析和 评价，在充分考虑同其它功能单元的联接与匹配的条件下，选择最优的 技术方案。因此，机电一体化设计必须充分考虑各种技术方案的等效性、 互补性及可比性。
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），称为加工机。例如：各种机床（切削、 锻压、铸造、电加工、焊接设备、高频淬火等）、交通运 输机械、食品加工机械、起重机械、纺织机械、印刷机械、 轻工机械等。
物质 能量 信息
工业三 大要素
系统（变换、 传递、储存）
特定形式
物质 能量 信息
控制

第五节 机电一体化产品设计及其工程路线 一、机电一体化产品附加值与技术构成的关系
机械元器件为主，1948年出现电子元器件 发 展 历 程 机械元器件+电子元器件，1974年电子微处 理开始应用 机械元器件+标准电子电器硬件+软件， 1987年专用集成电路开始应用 机械元器件+标准电子电器硬件++专用硬件 +软件
1、机械产品结构组成
传统观点：原动机、传动机构、执行机构。 现代观点：主机、驱动部分、检测显示部分、控制部分 2、机械产品的功能构成 传统观点： ①主功能——实现目的功能所必须具备的功能。 ②动力功能——实现能量转换所需要的功能。 ③构造功能——实现各功能部件保持规定的位置关系的功能。

第一章
第一节
绪论
机电一体化的基本概念
机电一体化的由来
机电一体化的涵义
机电一体化的实质
机电一体化的由来
机电一体化是随着生产技术的发展而逐渐形成的一门新兴的边缘学 科，其英文名“ Mechatronics” ， Mechanics 词头和 Electronics 的词尾而 创造出来的一个新的英文单词。其最早出现在1971年。
产品目的功能图
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），称为动力机。其中 输出机械能的为原动机，例如电动机、水轮机、内燃机等。
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），称 为信息机。例如各种仪器、仪表、计算机、传真机以及各 种办公机械等。