第一章-机电一体化基础知识
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 第一章 机电一体化系统设计基础知识
第二节 机电一体化系统设计原理与设计方法
一、 机电一体化系统设计分析
机电一体化系统设计是一门综合性技术，充分利用多种技术，多种设 计方法，设计出多种机电系统。由于设计的系统不同，技术要求不同, 使用条件的不同，系统的复杂程度不同，但必须是性能可靠性、适用 性与经济性要好。 设计技术人员，在设计系统中，必须是对所设计的机电系统进行详细 的设计分析，根据用户要求考虑的问题是：操作简便、使用安全可靠、 节约能源；根据设计生产考虑问题，缩短研制开发周期，加速产品更 新换代；从设计方法考虑问题，根据所设计系统特点采用现代设计方 法，创新性设计和功能具有可扩展性设计方法；从设计实践出发，把 所设计的系统进行分解，明确哪些功能由机械技术实现，哪些功能由 电子技术的硬件和软件实现，能采用电子技术实现的，就不用机械技 术实现，以利于简化机械结构，发挥各自的长处；采用图表流程图方 式描述系统功能和工作顺序要求；分析所设计的产品应用性，分析设 计的产品的自动化程度及其适用性；
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四、 机电一体化系统（产品）的分类
1. 按机电一体化产品的用途分类 (1) 工业大型成套设备。 (2) 工业机电设备。 (3) 信息机电设备。 (4) 民用机电设备。 2. 按机械和电子的功能和含量分类 机电一体化产品中，相对地以机械装置为主体的产品，可称为机械电 子产品，如工业机械； 以电子装置为主体的产品，可称为电子机械产品，如信息机械等。 3. 按机电结合的程度分类 可分为功能附加型、功能替代型和机电融合型。
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6. 执行单元功能 在机电一体化系统设计中，执行单元是实现控制的关键。它包括各种 电动机，带动机械负载完成各种动作，各种电磁开关完成多种参数的 控制。所以，执行单元必须与驱动单元匹配，提高控制精度及控制的 可靠性。 7. 接口单元功能 将机电一体化系统各组成部分连接起来的元件或电路称为接口。接口 设计应采用同一标准规格，这不仅给信息传输和维修带来方便，而且 可以简化设计。采用标准接口可使成本降低，最基本的要求是输入、 输出接口要标准，特别是计算机系统，输入输出硬件必须采用标准化 接口。软件的设计与硬件接口设计必须采用标准化方式。
机电一体化技术基础 第一章
发 展 高速化、精密化、高效率、高可靠性、智能化、轻量化、 方 微型化 向
绪论
试分析机电一体化系统设计与传统的机电产品设计的区别
机电一体化系统设计方法与用经验公式、图表和手册为设计依据 的传统方法不同，它是以计算机为手段，其设计步骤通常如下：设计 预测一→信号分析一→科学类比一→系统分析设计一→创造设计一→ 选择各种具体的现代设计方法（如相似设计法、模拟设计法、有限元 法、可靠性设计法、动态分析法、优化设计法、模糊设计法等）一→ 机电一体化系统设计质量的综合评价
绪论
1.2 机电一体化系统的基本功能要素
传感检测部分 对运行过程中所需要的系统自身和外界环境各种参数及运行状态进 行检测，并产生相应的反馈控制信息——传感器和专用仪器仪表。 研究对象：传感器及其信号检测装置（即变送器） 作 用：感受器官、反馈环节。 要 求：快速、精确获得信息并在相应的应用环境中具有高可靠性。 执行部分 由机械、电磁、电液等机构组成，根据控制信息和指令完成系统需 求的动作，实现输入能量向机械能的转换。
绪论
1.2 机电一体化系统的基本功能要素
机械本体(基础) 包括机械传动装置和机械结构装置，将系统各部分零件和子系统按 照一定的空间和时间关系安置在一定位置上。实现机电一体化产品的 主功能和构造功能，影响系统的结构、重量、体积、刚性、可靠性等。
动力部分(能源部分) 按照系统控制要求为系统提供能量和动力，应尽可能实现较小的动 力输入获得较大的功能输出。
1.4 现代机电一体化方法
机电一体化产品的开发过程：
绪论
绪论
思考
根据机电一体化技术的发展历史，你认为未来该领 域的发展方向？
绪论
作业：
1、什么是机电一体化？ 2、一个典型的机电一体化系统，应包含哪些几个基本要素,它 们之间的组成关系是什么？
机电一体化基础知识培训教材
目录第一章化工设备第2页第一节塔器第2页第二节加热炉第6页第三节换热设备第8页第四节容器第10页第五节泵第11页第六节压缩机第16页第七节化工设备材料第18页第八节问答题第23页第二章电气、仪表第24页第一节电气概况第24页第二节电气基础知识第30页第三节常用电气基本操作第38页第四节仪表自控基本知识第40页第三章思考题第页第一章化工设备第一节塔器塔器是化工生产中实现气相和液相或液相和液相间传质的最重要的设备之一，设计压力低于10.0Mpa（包括真空），设计温度高于－40℃低于550℃。
在塔器中所进行的工艺过程虽然各不相同，结构类型各异，但总的来说仅可划分为板式塔和填料塔两大类。
不论板式塔或填料塔，从设备设计的角度来看，其基本结构可以概括为：塔体，包括筒节、端盖和联接法兰等；内件，指塔板或填料及其支撑装置及喷淋装置；支座，一般均用裙式支座；附件，包括人孔、进出料接管、各类仪表接管、液体和气体的分配装置，以及塔外的扶梯、平台、保温层等。
塔按内件分为板式塔和填料塔。
下面以板式塔为例。
1.1.1 塔体（筒体、封头、联接法兰等）(1) 筒体：筒体由数段筒节拚焊而成。
常用来制造筒体的材料有16MnR,20R,有时用0Cr18Ni9Ti 以及复合钢板。
(2) 封头：常见的压力容器的封头又称端盖，有半球形、椭圆形、蝶形、锥形及平板等。
在实际生产中，大多数塔器采用椭圆形封头，而半球形封头受力最均匀，因而常用在高压容器上；平板封头应力突变最大，一般应用于常压容器。
1.1.2 内件〔塔盘、各种气体液体出入管、除雾器、挡板及过滤器等〕塔盘结构型式很多，常见的有圆形泡罩、槽形泡罩塔盘，S型塔盘，舌型塔盘，浮阀塔盘，浮舌塔盘，浮动喷射塔盘以及筛孔塔盘，在石油、化工中，用的较多的是圆形泡罩、浮阀、浮舌和筛孔等几种。
这里就主要介绍浮阀和筛孔塔盘结构。
(1) 浮阀塔盘：浮阀按其结构又分为两大类：一是盘状浮阀，也就是浮阀是圆盘形，塔板上开圆孔，三条腿固定浮阀升高位置，另外是十字架固定升高位置，其中以FI型为多。
第一章 概论-机电一体化
机电一体化产品设计一般可分为三种类型： 开发性设计 一个从无到有的创造过程，是在没有
任何样板可供参考的情况下，根据功能和性能要求所进 行的设计。
要求：设计者具备敏锐的市场洞察力、丰富的想象 力和广泛而扎实的基础理论知识。
第五节 机电一体化共性关键技术
二、检测传感技术
研究对象：传感器及其信号检测装置（即变送器）
作用：感受器官、反馈环节。 要求：能快速、精确地获得信息并在相应的应 用环境中具有高可靠性。
第五节 机电一体化共性关键技术
三、信息处理技术 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。
其中，机电一体化产品五大要素及功能如图1-2所示。
第四节 机电一体化产品的分类
机电一体化产品可划分为功能附加型、功能替 代型和机电融合型三类。
1．功能附加型产品：主要特征是在原有机械产 品基础上，采用微电子技术，使产品功能增加和增 强，性能得到适当的提高。经济型数控机床、电子 秤、数显量具、全自动洗衣机等都属于这一类机电 一体化产品。
系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统工 程的观点和方法，将系统各个功能模块有机的结合 起来，以实现整体最优。其重要内容为接口技术。 接口包括电气接口、机械接口、人机接口。
第六节 机电一体化设计及其工程路线
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，也必须应用机电了体化技术对各种技术方案进行 分析和评价，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。
第1章机电一体化基础知识改
纺织机电一体化技术基础
第一章 机电一体化基础知识
1.1 纺织设备机电一体化的基本概念
1.1.1 机电一体化的概念和含义
柔性含义： 柔性主要包括 5)生产能力柔性：当生产量改变、系统也能经济地运行的能力。对 于根据订货而组织生产的制造系统,这一点尤为 重要。 6)扩展柔性：当生产需要的时候,可以很容易地扩展系统结构,增加 模块,构成一个更大系统的能力。 7)运行柔性：利用不同的机器、材料、工艺流程来生产一系列产品 的能力和同样的产品,换用不同工序加工的能力。 柔性制造技术： 柔性制造技术是对各种不同形状加工对象实现程序化柔性制造 加工的各种技术的总和。柔性制造技术是技术密集型的技术群,我们 认为凡是侧重于柔性,适应于多品种、中小批量(包括单件产品)的加 工技术都属于柔性制造技术。目前按规模大小划分为:
1.1 纺织设备机电一体化的基本概念
1.1.1 机电一体化的概念和含义
柔性制造技术包括： 2)柔性制造单元(ＦＭＣ) ＦＭＣ的问世并在生产中使用约比ＦＭＳ晚6～8年,ＦＭＣ可视 为一个规模最小的ＦＭＳ,是ＦＭＳ向廉价化及小型化方向发展的一 种产物,它是由1～2台加工中心、工业机器人、数控机床及物料运送 存贮设备构成,其特点是实现单机柔性化及自动化,具有适应加工多品 种产品的灵活性。迄今已进入普及应用阶段。 3)柔性制造线(ＦＭＬ) 它是处于单一或少品种大批量非柔性自动线与中小批量多品种 ＦＭＳ之间的生产线。其加工设备可以是通用的加工中心、ＣＮＣ (Computer Numerical Control)机床;亦可采用专用机床或ＮＣ (Numerical Control)专用机床,对物料搬运系统柔性的要求低于ＦＭＳ ,但生产率更高。它是以离散型生产中的柔性制造系统和连续生过程 中的分散型控制系统(ＤＣＳ)为代表,其特点是实现生产线柔性化及 自动化,其技术已日臻成熟,迄今已进入实用化阶段。
第1章 机电一体化概述
1.2.3 机电一体化系统的接口
一、接口定义：
• 接口——各要素或各子系统相接处的联系条件。系
统的性能在很大程度上取决于接口的性能。
• 接口设计的总任务是解决功能模块间的信号匹配问 题.
二、接口分类
1.据变换/调整 功能 1) 零接口 2) 被动（无源）接口 3) 主动（有源）接口 4) 智能接口 2. 据输入／输出 功能 1） 机械接口 2） 物理接口 3） 信息接口 4） 环境接口
化或机械电子学，实质上是机械工程与电子工程的综合集成，
是在机械的主功能、动力功能、信息与控制功能上引进了电子
技术，并将机械装置与电子设备以及软件等有机结合而成系统
的总称”。这个定义体现了机电一体化系统的基本构成和特
征，即将机械结构与运动、电子、信息获取与处理、控制及 软件等技术学科交叉融合，组成功能完善的、柔性自动化乃 至智能化的工程系统，为人类的生产和生活等各个领域的发 展服务。
执行机构是液压驱动的机械装置，控制机构是接受电信号的 液压伺服阀。
（5） 信息控制类
信息控制类主要产品为电报机、磁盘存储器、磁 带录像机、录音机、复印机以及传真机等办公自 动化设备。其主要特点为执行机构的动作完全由 所接收的信息控制。
1.4 机电一体化系统的优点与效益
1、生产能力和工作质量提高
• 数控机床生onics ）涵义
日本机械振兴协会经济研究所”于1981年对机电一体化概念所 做的解释--------
“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的系统总称。”
由此而产生的功能系统，则成为一个机电一体化系统 或机电一体化产品。 首先是指机电一体化技术，其次是指机电一体化产品 机电一体化是机械技术与电子技术有机结合的产物， 是一个有着自身的新体系的新型学科。
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。
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纺织机电一体化技术基础
⏹本章知识点
➢了解机电一体化概念
➢了解机电一体化相关技术
➢了解机电一体化产品的开发步骤
➢第一节机电一体化概述
➢第二节机电一体化相关技术
第一节机电一体化概述
一机电一体化的概念
➢机电一体化技术（Mechatronics ）又称机械电子技术，是机械技术、电子技术和信息技术有机结合的产物。
➢利用微电子技术、信息技术(主要包括通信技术、控制技术、计算机技术等技术)使机械设备实现柔性化和智能化的技术。
机电一体化涵盖“技术”和“产品”两个方面。
机械技术机电一体化技术
电子技术信息技术
二机电一体化系统的构成执行元件控制
信息控制单元部分动力源检测传感部分机械机构
参数变
化信息驱
动
力
能量检测参数
位置,速度检测单元电机
机械部件位置,速度反馈
CNC 单元数控机床伺服系统组成
机械本体动力部件传感器控制器执行器
五大要素结构功能运转功能检测功能控制功能驱动功能
五大功能机械部件（身躯）
动力
（内脏）
传感（五官）驱动
（肌、筋）控制
（大脑）机电一体化系统的组成要素及其相应功能
三机电一体化技术的发展
➢第二阶段：20世纪70年代至20世纪80年代，为蓬勃发展的阶段。
➢第二阶段特征：人们自觉地、主动地利用计算机技术、控制技术、通信技术的成果创造新的机电一体化产品。
⏹机电一体化技术的发展阶段
➢第三阶段：从20世纪90年代后期开始。
➢第三阶段特征：人工智能技术及网络技术等领域取得的巨大进步，
使机电一体化技术向智能化新阶段迈进。
➢第一阶段：20世纪60年代以前，也可称为萌芽阶段。
➢第一阶段特征：在这一阶段，由于电子技术的迅速发展，人们自觉或不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。
⏹机电一体化技术的发展趋势
➢智能化
➢网络化
➢模块化
➢微型化
➢绿色化
➢人性化
➢自带能源化
四机电一体化技术的分类
⏹生产过程的机电一体化
➢计算机辅助设计
➢计算机辅助制造
➢计算机辅助工艺设计
➢柔性制造系统
➢计算机集成制造系统
⏹机电产品的机电一体化
➢机、电、仪一体化产品
➢机、电、液一体化产品
➢光、机、电一体化产品
➢功能增强
➢提高系统精度
➢简化系统结构
➢提高可靠性
➢方便操作
➢提高系统柔性
第二节机电一体化相关技术➢机械技术
➢传感与检测技术
➢计算机与信息处理技术
➢自动控制技术
➢执行与驱动技术
➢系统总体技术
一机械技术
➢机械技术是机电一体化技术的基础，机电一体化产品中的主功能和构造功能往往是以机械技术为主实现的。
➢机械系统应包括传动机构、导向机构及执行机构，并应具有良好的动态品质。
即响应要快、稳定性要好。
➢机械系统的设计要考虑产品的总体布局、机构选型、结构造型的合理化和最优化。
➢制造时很难全部挽回机械系统设计不合理造成的损失。
➢系统精度和稳定性、快速性和稳定性之间有一种对立的关系，特别是对于闭环控制系统，因此，驱动部分与机械部分的关系及其对系统特性的影响至关重要。
重点应考虑机械部分的刚性、惯性矩、固有频率及启动力与驱动部分参数间的关系。
提高机械系统动态响应特性应采取的措施
➢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。
二传感与检测技术
➢
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。
➢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。
转换元件敏感元件基本转换电路被测量电量
传感器的分类
➢按被测量物理量的不同分：位移、距离、速度、加速度、力、力矩、温度、湿度、图像传感器等。
➢按测量原理分：电阻式、电感式、电容式、磁电式、压电式、光电式、热电式、气电式等传感器。
➢按用途分有：位置、压力、流量、温度、湿度、气味、声音、亮度等传感器。
按输出信号性质分开关型
接触型：如微动开关、接触开关等
非接触型：光电开关、接近开关
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
传感器的现状及发展
⏹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：
➢向高灵敏度、高精度和高可靠性方向发展。
➢向集成化、智能化和微型化的方向发展。
三计算机与信息处理技术
➢在机电一体化产品中，信息处理是否正确、及时，直接影响到产品工作的质量和效率，因此，计算机应用及信息处理技术己成为促进机电一体化技术和产品发展的最活跃的要素。
➢信息处理技术包括信息的输入、识别、变换、运算、存取及决策等，它们大都与计算机技术密切相关。
➢机电一体化系统中主要采用工业控制器进行信息处理。
可通过提高集成度来提高计算机及其外部设备的运算速度和便于嵌入机械本体；通过自诊断、自恢复及容错技术来提高其可靠性；通过人工智能技术和专家系统来加速其智能化；使计算机适应恶劣的工业环境。
四自动控制技术
➢自动控制技术就是通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。
➢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。
➢自动控制技术的难点在于自动控制理论的工程化。
➢自动控制技术越来越多地与计算机控制技术联系在一起。
五执行与驱动技术
➢执行与驱动技术是实现机电一体化产品运动功能的基础。
➢电动驱动执行元件主要包括交流伺服电机、直流伺服电机、电磁铁、开关磁阻电机、直线电机和步进电机等。
➢液压和气动执行元件主要包括泵、阀、油（气）缸、液压（气动）电动机及其附属液（气）压元器件等。
➢伺服驱动技术主要是指在控制指令的指挥下控制执行元件，使机械的运动部件按照指令的要求进行运动，并具有良好动态性能的技术。
六系统总体技术
➢系统总体技术是一种从全局角度和系统目标出发，
用系统的观点和方法，将系统分解成若干个相互有
联系的功能单元，找出能完成各个功能单元的技术
方案，并将其进行分析、评价和优化的综合应用技
术。
➢机电一体化系统作为一个整体，即使各个部分的性
能、可靠性都很好，如果整个系统不能很好地协调，
它也很难保证正常、可靠地运行。
而相反，即使是
性能一般的元件，只要从系统出发组合得恰当，也
可能构成性能优良的系统。
汽车防抱死系统
焊接机器人。