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机电一体化系统设计 版权信息
- ISBN：9787030508294
- 条形码：9787030508294 ; 978-7-03-050829-4
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
机电一体化系统设计 内容简介
本书以"机电一体化系统设计"为核心，从机电有机结合的角度，通过分析和解剖3-4个典型机电一体化产品（系统），如数控机床、机器人、自动生产线等，将机电一体化关键技术的讲解融入具体实例中，较系统地阐述了机电一体化系统的设计原理与设计方法。全书共分八章，内容包括：概论(简述了机电一体化原理及机电一体化系统设计的相关技术)；机电一体化系统总体设计（方法和步骤）；数控机床设计（导向与传动系统、伺服驱动系统、传感器、控制系统等的选择与设计）；工业机器人设计（机器人本体结构、伺服驱动、机器人控制等）；自动生产线（常用机构选择与设计、驱动控制等）；自动检测与智能仪表设计（常用传感器与信号接口、信号预处理、抗干扰措施等）；机电一体化系统的综合分析与设计（常用的建模与仿真方法、稳态与动态特性分析等）；机电一体化课程设计与实践（设计要求与参考题目、设计范例等）。"机电一体化系统设计"根据很好工程师教育培养的要求，突出工程应用和实践能力的培养，将机电一体化关键技术融入3-4个典型机电一体化产品（系统）的具体实例讲解中，便于学生从"系统"和"应用"的角度出发，理解和掌握机电一体化系统的设计原理与设计方法。*后一章为方便配套的教学实践环节，给出了"机电一体化系统设计"课程设计参考题目与范例。书后附有常用基本逻辑符号的中外及新旧标准对照表。
机电一体化系统设计 目录
目录
第1章 绪论 1
1.1 机电一体化概述 2
1.2 机电一体化系统的基本组成要素 4
1.3 机电一体化关键技术 5
1.4 机电一体化技术的主要特征与发展趋势 9
1.4.1 机电一体化技术的主要特征 9
1.4.2 机电一体化技术的发展趋势 10
1.5 机电一体化系统设计开发过程 12
1.5.1 机电一体化系统的设计 12
1.5.2 机电一体化系统设计的工程路线 13
习题与思考题 15
基础篇
第2章 机械设计技术 16
2.1 机械设计概述 17
2.2 齿轮(系)传动 18
2.2.1 齿轮分类及选用 18
2.2.2 传动比的确定 20
2.2.3 齿侧间隙的消除 22
2.3 谐波齿轮传动 24
2.4 滚珠丝杠螺母副 25
2.4.1 滚珠丝杠螺母副的组成及特点 25
2.4.2 滚珠的循环方式 26
2.4.3 主要设计参数 26
2.4.4 滚珠丝杠副的精度等级及标注方法 27
2.4.5 间隙消除及预紧方法 28
2.4.6 支撑方式及制动装置 29
2.4.7 润滑和密封 30
2.4.8 滚珠丝杠螺母副的选用 30
2.5 同步带传动装置 31
2.5.1 同步带传动的原理与特点 31
2.5.2 同步带的主要结构及分类 32
2.5.3 同步带轮的主要类型及规格 33
2.5.4 同步带传动的设计计算 34
2.6 导轨的设计计算与选用 38
2.6.1 导轨的技术要求 38
2.6.2 直线滑动导轨 38
2.6.3 圆运动导轨与贴塑滑动导轨 40
2.6.4 滚动直线导轨 41
2.7 工程实践例题 42
习题与思考题 44
第3章 检测传感技术 45
3.1 传感器的组成及分类 46
3.1.1 传感器的组成 46
3.1.2 传感器的分类 47
3.2 传感器特性与要求 48
3.2.1 传感器的静态模型 49
3.2.2 传感器的静态特性指标 49
3.2.3 传感器的动态特性指标 52
3.3 常用传感器及应用 54
3.3.1 光电编码器 54
3.3.2 光栅尺 57
3.3.3 温度传感器 59
3.3.4 霍尔传感器 61
3.3.5 超声波传感器 62
3.3.6 智能传感器 63
3.4 检测信号处理技术 65
3.4.1 检测信号概述 65
3.4.2 模拟信号的处理 66
3.4.3 数字信号的处理 68
3.5 传感器接口技术 70
3.5.1 传感器信号的采样/保持 70
3.5.2 多通道模拟信号输入 72
习题与思考题 74
第4章 伺服驱动技术 76
4.1 伺服系统的组成与分类 77
4.1.1 伺服系统的结构组成 77
4.1.2 伺服系统的分类及特点 78
4.2 步进电动机及驱动 79
4.2.1 步进电动机的结构与分类 79
4.2.2 步进电动机的工作原理 81
4.2.3 步进电动机的运行特性 82
4.2.4 步进电动机的驱动控制 82
4.3 直流伺服电动机及驱动 84
4.3.1 直流伺服电动机结构及特点 84
4.3.2 直流伺服电动机的工作原理 84
4.3.3 直流伺服电动机的驱动控制 87
4.3.4 直流电动机闭环反馈控制调速系统 88
4.4 交流伺服电动机及驱动 91
4.4.1 交流伺服电动机的工作原理 91
4.4.2 交流伺服电动机的特性 93
4.4.3 交流伺服电动机的控制和驱动 93
4.5 工程实践例题 95
习题与思考题 99
第5章 计算机控制技术 100
5.1 控制计算机的组成及要求 101
5.2 常用控制计算机的类型与特点 102
5.3 机电一体化系统的常用控制方法 105
5.3.1 控制系统的结构 105
5.3.2 控制系统的数学模型 106
5.3.3 PID控制 107
5.3.4 常见复杂控制 111
5.3.5 分布式、网络化控制 117
5.3.6 远程控制 119
5.4 机电一体化系统的智能控制技术 119
5.4.1 专家智能控制系统 120
5.4.2 自学习智能控制系统 121
5.4.3 模糊控制系统 122
5.4.4 基于神经网络的智能控制系统 123
5.4.5 机器视觉智能系统 124
习题与思考题 124
第6章 机电一体化系统设计方法 125
6.1 机电一体化系统设计方法概述 126
6.1.1 设计方法的演变 126
6.1.2 机电一体化系统的特征 127
6.1.3 机电一体化系统设计指导思想 128
6.1.4 机电一体化系统设计方法论 128
6.2 系统总体技术 130
6.2.1 系统总体技术的定义 131
6.2.2 系统总体技术方法论 131
6.2.3 系统总体方案的提出过程 133
6.2.4 系统总体技术的应用案例 134
6.3 系统分析评价方法 137
6.3.1 方案的优化设计 138
6.3.2 系统性能分析方法 139
6.4 建立系统的数学模型 143
6.4.1 数学模型的种类 143
6.4.2 数学模型的建模方法 144
6.4.3 机电一体化系统的数学模型 145
6.5 建立系统的指标体系 147
6.5.1 性能指标的种类 147
6.5.2 确定性能指标的途径 148
6.5.3 性能指标对设计的影响 149
6.6 机电系统总体设计实例 150
习题与思考题 152
应用篇
第7章 机电一体化产品设计——机器人设计 154
7.1 机器人设计概述 155
7.2 机器人机械结构设计 158
7.2.1 机器人关节设计 158
7.2.2 机器人机身设计 161
7.2.3 机器人传动机构设计 161
7.2.4 机器人行走机构设计 162
7.3 机器人驱动系统设计 164
7.4 机器人传感系统设计 166
7.4.1 机器人传感器分类 166
7.4.2 装配机器人传感系统 166
7.4.3 焊接机器人传感系统 168
7.4.4 多传感器集成手爪系统 169
7.5 机器人控制系统设计 171
7.6 机器人动态特性分析 173
7.7 工程实例 174
7.7.1 机器人运动学分析 174
7.7.2 机器人运动性能分析 176
7.7.3 机器人动力学分析 177
7.7.4 机器人动态性能分析 178
习题与思考题 181
第8章 机电一体化产品设计——自动生产线设计 182
8.1 自动生产线概述 183
8.2 自动生产线总体设计 186
8.2.1 自动生产线总体设计内容及原则 186
8.2.2 自动生产线总体设计流程 187
8.2.3 自动生产线总体设计性能指标 187
8.3 自动生产线结构设计 189
8.3.1 自动生产线结构组成 190
8.3.2 自动生产线结构形式 190
8.3.3 自动生产线工件传送装置设计 197
8.3.4 典型自动生产线结构装置 200
8.4 自动生产线传感器的选择与应用 202
8.4.1 自动生产线对传感器的要求 202
8.4.2 自动生产线传感器的选择原则 203
8.4.3 自动生产线传感器的布置 203
8.4.4 自动生产线传感器的应用 204
8.5 自动生产线执行器的选择与应用 206
8.5.1 自动生产线对执行器的要求 206
8.5.2 自动生产线执行器的种类 206
8.5.3 自动生产线执行器的使用性能特点 206
8.5.4 自动生产线执行器的选择 207
8.6 自动生产线控制装置的技术应用 209
8.6.1 自动生产线对控制装置的要求 209
8.6.2 自动生产线控制装置的种类 209
8.6.3 自动生产线控制装置的性能比较 210
8.6.4 自动生产线控制装置的应用 211
习题与思考题 213
第9章 计算机数控系统与应用实例 214
9.1 数控系统概述 215
9.1.1 计算机数控系统的组成 215
9.1.2 计算机数控系统的分类 219
9.1.3 计算机数控系统的发展 219
9.2 典型数控系统简介 220
9.2.1 FANUC数控系统 221
9.2.2 西门子数控系统 222
9.2.3 三菱数控系统 223
9.2.4 华中数控系统 224
9.2.5 广州数控系统 225
9.3 开放式数控系统简介 226
9.3.1 开放式数控系统的特点 226
9.3.2 开放式数控系统国内外发展现状 227
9.3.3 数控系统开放的途径 228
9.3.4 基于PC的开放式数控系统 229
9.4 中走丝线切割机床数控系统的设计 230
9.4.1 中走丝数控系统硬件组成 231
9.4.2 中走丝线切割CAD/CAM自动编程系统 233
9.4.3 中走丝线切割CNC控制软件 234
习题与思考题 238
第10章 机电一体化课程设计与实践 240
10.1 课程设计概述 240
10.2 参考选题 240
10.2.1 轴承外圈外径自动检测机设计 240
10.2.2 轴承内圈内径自动检测机设计 241
10.2.3 轴径自动检测机设计 242
10.2.4 长度自动检测机(滚柱)设计 243
10.2.5 长度自动检测机(短轴)设计 243
10.2.6 输送纠偏装置设计 244
10.2.7 自动绕线机设计 245
10.2.8 自动绕管机设计 246
10.2.9 数控直线位移工作台设计 246
10.2.10 数控车床四工位自动刀架设计 247
10.2.11 电路板外形检测机设计 248
10.2.12 自动定量包装机设计 249
10.2.13 线圈自动装配机设计 250
10.2.14 物料自动搬运小车设计 250
10.2.15 联轴器自动搬运机械手设计 251
10.2.16 海绵硬度检测机设计 252
10.2.17 乒乓球硬度测量机设计 252
10.2.18 凸轮轴升程检测装置设计 253
10.2.19 小型电子分度头设计 254
10.2.20 精密直线电动执行器设计 255
部分习题参考答案 256
参考文献 258
第1章 绪论 1
1.1 机电一体化概述 2
1.2 机电一体化系统的基本组成要素 4
1.3 机电一体化关键技术 5
1.4 机电一体化技术的主要特征与发展趋势 9
1.4.1 机电一体化技术的主要特征 9
1.4.2 机电一体化技术的发展趋势 10
1.5 机电一体化系统设计开发过程 12
1.5.1 机电一体化系统的设计 12
1.5.2 机电一体化系统设计的工程路线 13
习题与思考题 15
基础篇
第2章 机械设计技术 16
2.1 机械设计概述 17
2.2 齿轮(系)传动 18
2.2.1 齿轮分类及选用 18
2.2.2 传动比的确定 20
2.2.3 齿侧间隙的消除 22
2.3 谐波齿轮传动 24
2.4 滚珠丝杠螺母副 25
2.4.1 滚珠丝杠螺母副的组成及特点 25
2.4.2 滚珠的循环方式 26
2.4.3 主要设计参数 26
2.4.4 滚珠丝杠副的精度等级及标注方法 27
2.4.5 间隙消除及预紧方法 28
2.4.6 支撑方式及制动装置 29
2.4.7 润滑和密封 30
2.4.8 滚珠丝杠螺母副的选用 30
2.5 同步带传动装置 31
2.5.1 同步带传动的原理与特点 31
2.5.2 同步带的主要结构及分类 32
2.5.3 同步带轮的主要类型及规格 33
2.5.4 同步带传动的设计计算 34
2.6 导轨的设计计算与选用 38
2.6.1 导轨的技术要求 38
2.6.2 直线滑动导轨 38
2.6.3 圆运动导轨与贴塑滑动导轨 40
2.6.4 滚动直线导轨 41
2.7 工程实践例题 42
习题与思考题 44
第3章 检测传感技术 45
3.1 传感器的组成及分类 46
3.1.1 传感器的组成 46
3.1.2 传感器的分类 47
3.2 传感器特性与要求 48
3.2.1 传感器的静态模型 49
3.2.2 传感器的静态特性指标 49
3.2.3 传感器的动态特性指标 52
3.3 常用传感器及应用 54
3.3.1 光电编码器 54
3.3.2 光栅尺 57
3.3.3 温度传感器 59
3.3.4 霍尔传感器 61
3.3.5 超声波传感器 62
3.3.6 智能传感器 63
3.4 检测信号处理技术 65
3.4.1 检测信号概述 65
3.4.2 模拟信号的处理 66
3.4.3 数字信号的处理 68
3.5 传感器接口技术 70
3.5.1 传感器信号的采样/保持 70
3.5.2 多通道模拟信号输入 72
习题与思考题 74
第4章 伺服驱动技术 76
4.1 伺服系统的组成与分类 77
4.1.1 伺服系统的结构组成 77
4.1.2 伺服系统的分类及特点 78
4.2 步进电动机及驱动 79
4.2.1 步进电动机的结构与分类 79
4.2.2 步进电动机的工作原理 81
4.2.3 步进电动机的运行特性 82
4.2.4 步进电动机的驱动控制 82
4.3 直流伺服电动机及驱动 84
4.3.1 直流伺服电动机结构及特点 84
4.3.2 直流伺服电动机的工作原理 84
4.3.3 直流伺服电动机的驱动控制 87
4.3.4 直流电动机闭环反馈控制调速系统 88
4.4 交流伺服电动机及驱动 91
4.4.1 交流伺服电动机的工作原理 91
4.4.2 交流伺服电动机的特性 93
4.4.3 交流伺服电动机的控制和驱动 93
4.5 工程实践例题 95
习题与思考题 99
第5章 计算机控制技术 100
5.1 控制计算机的组成及要求 101
5.2 常用控制计算机的类型与特点 102
5.3 机电一体化系统的常用控制方法 105
5.3.1 控制系统的结构 105
5.3.2 控制系统的数学模型 106
5.3.3 PID控制 107
5.3.4 常见复杂控制 111
5.3.5 分布式、网络化控制 117
5.3.6 远程控制 119
5.4 机电一体化系统的智能控制技术 119
5.4.1 专家智能控制系统 120
5.4.2 自学习智能控制系统 121
5.4.3 模糊控制系统 122
5.4.4 基于神经网络的智能控制系统 123
5.4.5 机器视觉智能系统 124
习题与思考题 124
第6章 机电一体化系统设计方法 125
6.1 机电一体化系统设计方法概述 126
6.1.1 设计方法的演变 126
6.1.2 机电一体化系统的特征 127
6.1.3 机电一体化系统设计指导思想 128
6.1.4 机电一体化系统设计方法论 128
6.2 系统总体技术 130
6.2.1 系统总体技术的定义 131
6.2.2 系统总体技术方法论 131
6.2.3 系统总体方案的提出过程 133
6.2.4 系统总体技术的应用案例 134
6.3 系统分析评价方法 137
6.3.1 方案的优化设计 138
6.3.2 系统性能分析方法 139
6.4 建立系统的数学模型 143
6.4.1 数学模型的种类 143
6.4.2 数学模型的建模方法 144
6.4.3 机电一体化系统的数学模型 145
6.5 建立系统的指标体系 147
6.5.1 性能指标的种类 147
6.5.2 确定性能指标的途径 148
6.5.3 性能指标对设计的影响 149
6.6 机电系统总体设计实例 150
习题与思考题 152
应用篇
第7章 机电一体化产品设计——机器人设计 154
7.1 机器人设计概述 155
7.2 机器人机械结构设计 158
7.2.1 机器人关节设计 158
7.2.2 机器人机身设计 161
7.2.3 机器人传动机构设计 161
7.2.4 机器人行走机构设计 162
7.3 机器人驱动系统设计 164
7.4 机器人传感系统设计 166
7.4.1 机器人传感器分类 166
7.4.2 装配机器人传感系统 166
7.4.3 焊接机器人传感系统 168
7.4.4 多传感器集成手爪系统 169
7.5 机器人控制系统设计 171
7.6 机器人动态特性分析 173
7.7 工程实例 174
7.7.1 机器人运动学分析 174
7.7.2 机器人运动性能分析 176
7.7.3 机器人动力学分析 177
7.7.4 机器人动态性能分析 178
习题与思考题 181
第8章 机电一体化产品设计——自动生产线设计 182
8.1 自动生产线概述 183
8.2 自动生产线总体设计 186
8.2.1 自动生产线总体设计内容及原则 186
8.2.2 自动生产线总体设计流程 187
8.2.3 自动生产线总体设计性能指标 187
8.3 自动生产线结构设计 189
8.3.1 自动生产线结构组成 190
8.3.2 自动生产线结构形式 190
8.3.3 自动生产线工件传送装置设计 197
8.3.4 典型自动生产线结构装置 200
8.4 自动生产线传感器的选择与应用 202
8.4.1 自动生产线对传感器的要求 202
8.4.2 自动生产线传感器的选择原则 203
8.4.3 自动生产线传感器的布置 203
8.4.4 自动生产线传感器的应用 204
8.5 自动生产线执行器的选择与应用 206
8.5.1 自动生产线对执行器的要求 206
8.5.2 自动生产线执行器的种类 206
8.5.3 自动生产线执行器的使用性能特点 206
8.5.4 自动生产线执行器的选择 207
8.6 自动生产线控制装置的技术应用 209
8.6.1 自动生产线对控制装置的要求 209
8.6.2 自动生产线控制装置的种类 209
8.6.3 自动生产线控制装置的性能比较 210
8.6.4 自动生产线控制装置的应用 211
习题与思考题 213
第9章 计算机数控系统与应用实例 214
9.1 数控系统概述 215
9.1.1 计算机数控系统的组成 215
9.1.2 计算机数控系统的分类 219
9.1.3 计算机数控系统的发展 219
9.2 典型数控系统简介 220
9.2.1 FANUC数控系统 221
9.2.2 西门子数控系统 222
9.2.3 三菱数控系统 223
9.2.4 华中数控系统 224
9.2.5 广州数控系统 225
9.3 开放式数控系统简介 226
9.3.1 开放式数控系统的特点 226
9.3.2 开放式数控系统国内外发展现状 227
9.3.3 数控系统开放的途径 228
9.3.4 基于PC的开放式数控系统 229
9.4 中走丝线切割机床数控系统的设计 230
9.4.1 中走丝数控系统硬件组成 231
9.4.2 中走丝线切割CAD/CAM自动编程系统 233
9.4.3 中走丝线切割CNC控制软件 234
习题与思考题 238
第10章 机电一体化课程设计与实践 240
10.1 课程设计概述 240
10.2 参考选题 240
10.2.1 轴承外圈外径自动检测机设计 240
10.2.2 轴承内圈内径自动检测机设计 241
10.2.3 轴径自动检测机设计 242
10.2.4 长度自动检测机(滚柱)设计 243
10.2.5 长度自动检测机(短轴)设计 243
10.2.6 输送纠偏装置设计 244
10.2.7 自动绕线机设计 245
10.2.8 自动绕管机设计 246
10.2.9 数控直线位移工作台设计 246
10.2.10 数控车床四工位自动刀架设计 247
10.2.11 电路板外形检测机设计 248
10.2.12 自动定量包装机设计 249
10.2.13 线圈自动装配机设计 250
10.2.14 物料自动搬运小车设计 250
10.2.15 联轴器自动搬运机械手设计 251
10.2.16 海绵硬度检测机设计 252
10.2.17 乒乓球硬度测量机设计 252
10.2.18 凸轮轴升程检测装置设计 253
10.2.19 小型电子分度头设计 254
10.2.20 精密直线电动执行器设计 255
部分习题参考答案 256
参考文献 258
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机电一体化系统设计 节选
第1章 绪论 你见过机器人吸尘器么？图 1-1是一款由美国 iRobot公司生产的机器人吸尘器，英文名称为“Roomba”。1990年美国麻省理工学院教授罗德尼 布鲁克斯( Rondy Brooks)与其学生科林 安格尔(Colin Angle)和海伦 格雷纳( Helen Greiner)创办了 iRobot公司。iRobot*初专注于军用机器人的研究，后来开始涉足家用机器人市场，并在 2002年推出了具有历史意义的机器人吸尘器 Roomba。至 2015年底， iRobot在全球已售出超过 1400万台家用机器人，缔造有史以来消费型机器人*好的销售佳绩。如今在中国的许多商场也能看到类似的国产品牌家用吸尘机器人在销售，越来越多的家庭开始使用机器人吸尘器来替代人工完成枯燥、劳累的房间地面清洁工作。 图1-1 iRobot 家用机器人 Roomba 类似机器人吸尘器这样包含了机构、控制器、传感器、驱动电动机以及算法软件的工业及民用产品还有很多，统称为机电一体化产品。在当今世界经济与科技的各个领域，都能看到机电一体化技术的渗透和机电一体化产品的应用。想了解机电一体化技术么？想知道机电一体化产品是如何设计和开发出来的么？通过本章及后续章节的学习，你会找到答案。 1.1 机电一体化概述 机电一体化又称机械电子学，英文为“ Mechatronics”，由机械学“ Mechanics”的前半部分与电子学“Electronics”的后半部分组合而成。机电一体化*早出现在 1971年日本《机械设计》杂志的副刊上。 1996年出版的韦氏大词典收录了这个日本造的英文单词，这不仅意味着“Mechatronics”这个单词得到了世界各国的普遍认同，而且还意味着“机电一体化”的思想和哲理为世人所接受。 顾名思义，机电一体化技术是机械技术、电子技术和信息技术有机结合的产物。它包括产品和技术两方面：机电一体化产品是集机械、微电子、自动控制和通信技术于一体的高科技产品；机电一体化技术是指其技术基础、技术原理和使机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术。 在工业生产和日常生活中，随处可见机电一体化产品。现代化的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化设备，如数控机床、工业机器人、自动生产线等。而常用的家电和信息产品如洗衣机、吸尘器、打印机等也是典型的机电一体化产品。图 1-2是一些典型的机电一体化产品，广泛应用于各行各业。 图1-2 典型的机电一体化产品 分析机电一体化产品，不难发现它与传统机械产品相比，具有一些共同的特点，即：在机械产品中注入了过去所没有的新技术，把电子器件的信息处理和自动控制等功能“糅合”到机械装置中去，从而获得了过去单靠某种技术无法实现的功能和效果，达到多功能、高效率、高智能、高可靠性、省材、节能、轻巧的目的。也正因如此，机电一体化成为渗透各个领域的 21世纪主流技术之一，对社会，是实现技术进步、可持续发展的强力助推剂；对制造商，是提升产品技术附加值的有效手段；对用户，则是科技创造美好生活的*佳体现。 机电一体化涉及的技术及应用领域十分广泛，如图 1-3所示。有别于一般的多学科系统，机电一体化系统的设计强调系统性和集成性，而多学科系统设计通常采用按学科顺序设计的方法。例如，机电系统是一种*常见的多学科系统，传统的设计方法是从机械设计开始，当机械设计完成后，再设计电气系统，接着是控制算法的设计和实施。按学科顺序设计的方法存在的*大问题是，各个学科环节的设计如果仅考虑自身的约束而采取折中方案，会传递和影响下一个环节，*终可能对控制系统的设计产生冲突性的限制，由此对整个机电系统性能产生不利的影响，而这种影响又往往由于各个环节的独立设计而难以界定和消除。 图1-3 机电一体化涉及多学科领域 机电一体化系统的设计是基于系统工程学方法，在设计的各个阶段，采用并行、协同的方法，将机械、电气及计算机系统和信息系统进行有机结合与综合集成。在这个过程中所应用的技术称为机电一体化技术，它综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术及软件编程技术等多学科高新技术，从系统理论出发根据系统功能目标和优化组织结构目标，以智力、动力、结构、运动和感知组成要素为基础，对各组成要素及其间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换进行研究，使得整个系统有机集成，在高功能、高质量、高精度、高可靠性、低能耗等诸方面实现多种功能复合、总体性价比*优的系统工程技术。 简而言之，机电一体化是以机械、电气、传感测试、计算机控制和信息技术为主的多学科技术在机电产品发展过程中相互渗透、相互融合而形成的一门新兴交叉学科，它的实质是，用系统工程的观点和方法来分析和研究机电一体化产品或系统，综合运用现代高新技术，通过各种技术的相互协调和有机结合，实现产品内部各部分合理匹配和整体效能*佳。 1.2 机电一体化系统的基本组成要素 一个产品的功能是通过其功能要素来实现的。机电一体化系统要实现其目的功能，通常需要具备五大功能要素：主功能、动力功能、检测功能、控制功能和构造功能。其中，主功能或操作功能是实现系统目的功能直接必需的功能，表明了系统的主要特征；动力功能是向系统提供动力、让系统得以运转的功能；检测功能用于获取外部或内部信息；控制功能对整个系统实施控制；构造功能则将系统各要素组合起来，进行空间配置，形成一个统一的整体。 上述五大功能要素对应机电一体化系统的五大组成部分，包括机械本体、动力源、测试传感部分、控制及信息处理单元、执行机构，分别构成了结构组成要素、动力组成要素、感知组成要素、智能组成要素、运动组成要素。 机械本体(结构组成要素)：是系统所有功能要素的机械支持结构，一般包括有机身、框架、支撑、连接等，实现系统的构造功能。 动力驱动部分(动力组成要素)：为系统提供能量和动力，并依据系统控制要求将输入的能量转换成需要的形式，实现动力功能。 测试传感部分(感知组成要素)：包括各种传感器和信号处理电路，对系统运行时的内部状态和外部环境进行检测，提供进行控制所需的各种信息，实现检测功能。 控制及信息处理单元(智能组成要素)：根据系统的功能和性能要求以及传感器反馈的信息，进行分析、处理、存储和决策，控制整个系统有目的的运行，实现控制功能。 执行机构(运动组成要素)：包括执行元件和机械传动机构，执行元件通常基于电气、机械、流体动力或气动，根据控制及信息处理部分发出的指令，把电气输入转化为机械输出，如力、角度和位置，完成规定的动作，实现系统的主功能。 五大功能要素和组成要素对应关系如图 1-4所示。 机电一体化系统的五大组成要素在工作中各行其职，相互协调、补充，共同完成目的功能。即在机械本体的支撑下，由传感器检测系统的运行状态及环境变化，将信息反馈给计算机进行处理，并按要求控制动力源驱动执行机构工作，完成要求的动作。其中系统控制单元在软、硬件的保证下，完成信息的采集、传输、储存、分析、运算、判断、决策，以达到信息控制的目的。对于智能化程度高的信息控制系统还包含了知识获得、推理机制以及自学习功能等知识驱动功能。 需要指出的是，构成机电一体化系统的五个基本组成要素之间并非简单拼凑而成，其内部及相互之间的接口耦合、信息处理、运动传递和能量变换都必须遵循其基本原则进行有机结合与综合优化。在结构上各组成要素通过各种接口和相关软件有机地结合在一起，构成一个内部合理、外部效能*佳的机电一体化系统，如图 1-5所示。 图1-4 机电一体化五大功能要素和组成要素对应关系 图1-5 机电一体化系统各组成要素的有机结合 接口技术是机电一体化系统技术的重要内容，是实现系统各个部分有机连接、可靠工作的保证。机电一体化系统接口包括机械接口、电气接口、人机接口等。机械接口实现机械与机械、机械与电气装置的物理连接，主要用于能量和运动的传递，如联轴器、法兰、离合器等。电气接口完成系统间电信号的连接，实现电信号的传递、转换和匹配，起到电平转换和功率放大、抗干扰隔离、 A/D或 D/A转换、调制和解调等作用，如放大器、光电耦合器、 A/D和 D/A转换器等。人机接口则提供了人与系统间的交互界面，实现操作者与机电系统(主要是控制微机)之间的信息交换，按照信息的传递方向，可以分为输入与输出接口两大类。机电系统通过输出接口向操作者显示系统的各种状态、运行参数及结果等信息；另一方面，操作者通过输入接口向机电系统输入各种控制命令，干预系统的运行状态，以实现所要求的功能。 1.3 机电一体化关键技术 机电一体化是多种学科技术相互交叉、渗透而形成的一门综合性学科，所涉及的领域非常广泛。概括说机电一体化共性关键技术主要有下述六项：机械技术、计算机与信息处理技术、检测与传感技术、自动控制技术、伺服驱动技术、系统总体设计技术。 1．机械技术 机电一体化系统的主功能、构造功能主要靠机械技术实现，因此机械技术是机电一体化的基础。相对于传统的机械技术，机电一体化对机械技术提出了更高的要求。随着新材料、新工艺、新原理、新机构等的不断出现，现代设计与制造方法的不断发展完善，机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其他高新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上的变更，满足减轻重量、缩小体积、提高精度和刚度、改善性能等多方面的要求。例如，对结构进行优化设计，采用新型复合材料，在减轻机械本体的重量、缩小体积、减小惯性的同时，又保证了必要的机械强度和静、动刚度；开发高精度导轨、轴承、齿轮以及精密滚珠丝杠等，提高关键部件的精度和可靠性；研究新型传动机构和减速器，减小传动误差、提高传动效率等。 机械技术的核心是考虑力作用下物体的特性。机械系统按其性质可分为刚性的、可变形的(柔性的)和可流动的(液体)。刚体系统假定系统中所有的物体和连接都是完全刚性的。在实际系统中，完全刚性的系统是不存在的，当施加各种各样的载荷时，总会有一些变形。变形很微小不至于影响系统的运动特性时，可视为刚体系统。当变形较大，尤其是出现材料失效特性时，系统的柔性不可忽略。大多数机电一体化系统都可近似为刚体系统，近年来，随着非金属复合材料、新型驱动器、仿生机械等新兴技术的发展与应用，越来越多的刚柔混合机械系统向经典的机械设计理论提出了挑战，推动了多刚体和刚柔混合机械系统的分析理论与仿真设计方法的发展。为了使机电一体化产品安全可靠地工作，其结构系统必须具有良好的静、动态特性，为此，必须对其进行动态分析与动态设计，以满足机械结构静态、动态特性的要求。针对不同的性能要求与使用环境，从静强度、静刚度设计到动强度、动刚度设计，从单元零部件可靠性分析到整机系统的可靠性研究，以及机械结构的损伤容限设计、动力优化设计、低噪声设计、抗磨防蚀设计等，机电一体化产品的机械设计内容与方法在不断拓展和发展中。 2．计算机与信息处理技术 信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策等，实现信息处理的主要工具是计算机。计算机技术包括计算机硬件技术和软件技术、网络与通信技术、数据库技术等。在机电一体化系统中计算机与信息处理装置相当于人的大脑，指挥整个系统的运行。基于微电子技术和计算机技术的信息处理技术是使机电一体化产品具有自动化、数字化和智能化的关键所在，也是促进机电一体化技术和产品发展*活跃的因素。近年来备受关注的人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等均属于计算机信息处理技术。 机电一体化系统中常用的计算机与信息处理装置包括微型计算机、单片机、可编程序控制器 PLC、数字信号处理器 DSP和其他与之配套的输入输出器件、显示器、存储芯片等。信息处理是否正确、及时，直接影响到机电一体化系统的工作质量和效率。因此
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