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机电一体化系统设计 第一章 概论 第一节 机电一体化系统的发展及其基本概念 第二节 典型机电一体化系统 第三节 系统结构与模块 第四节 设计依据与评价标准 第五节 设计思想与方法 第六节 设计过程 第一节 机电一体化系统的发展及其基本概念 机电一体化 机电一体化的英文名称是Mechatronics,是由日本人通过截取英文机械学(Mechanics)的词头和电子学(Electronics)的词尾组合在一起而创造出来的一个新的英文名词.这一名词最早出现在1971年日本的机械设计杂志副刊上,后来随着机电一体化的发展而被广泛引用 。 Mechatronics=Mechanics+Electronics 机电一体化发展史： 1946年，第一台用真空管制作的计算机ENIAC在美国问世。 1948年，控制论创立。 1952年，第一台数控机床在美国研制成功。 1962年，第一台工业机器人在美国研制成功。 1969年，世界上公认的第一台PLC在美国数字设备公司（DEC）研制成功。 20世纪70年代，微处理器出现。 20世纪70年代，Mechatronics在日本出现，并出版以此命名的学术刊物。 20世纪80年代，美国出现FMS、CIMS、FA等先进的现代机械系统。 基本概念 系统 广义上：两个或两个以上事物组成的相互依存、相互作用，共同完成某种特定功能或形成某种事物现象的一个统一整体的总称。如机电系统是机与电的结合。 实际应用：系统一般可以定义为任何存在因果关系的一组物理元件。其因称为激励或输入，其果叫做响应或输出。 系统的数学模型：描述决定系统输入与输出之间关系的数 学方程式 静态系统：实时输出值只与当时有关，数学模型为代数方程 动态系统：实时输出不仅与当时有关，而且与过去的输入输出有关 线性系统——输入输出满足线性叠加原理（弹簧系统） 非线性系统—— 不满足线性叠加原理的系统 定常系统：数学模型中所有系数都为与时间无关的常量的系统 时变系统（时不变系统）：与时间有关 如下图所示，单摆是由一个摆锤与一条绳子组成的简单机械；绳子的上端固定，下端系著摆锤。由于这绳子是无法伸缩的，绳子的长度是常数。所以，这系统是定常系统；它遵守定常约束 确定性系统：已知输出初值和给定输入的条件下，未来输出可以按照数学模型唯一确定的系统 随机系统：一种不能准确预测其未来瞬时值，也无法用数学关系式来描述的信号。 自然界和生活中有许多随机过程，例如汽车奔驰时产生的振动、环境噪声等。 本教材中主要集中讨论线性、定常、确定性、动态系统。 该类系统的数学模型一般为常系数线性微分方程，并通过进一步拉氏变换，导出系统传递函数。 机电一体化：涵义是机械与电子技术的集成技术。机电一体化是微电子技术、信息技术的快速发展并向传统机械产品渗透与结合的结果。 机电一体化不是机械与电器的简单集合，而是两者的有机的融合，即功能上和结构上巧妙地结合在一起。 核心学科：机械工程，电子工程，信息与控制技术 机电一体化系统：所有的机电一体化产品以及这些产品的集成体，都可视为机电一体化系统。 4A革命： 系统的数学建模 目的：建立控制系统的数学模型，并在此基础上对控制系统进行分析综合，是机电一体化系统重要的分析和设计方法。 第二节 典型机电一体化系统 机械手关节伺服系统 伺服系统：又称随动系统，它是一种反馈控制系统，它的受控变量是机械运动，如位置、速度及加速度。 工作特点：多数伺服系统用来控制运动机械的输出位置紧紧跟随电的输入参考信号。 数控机床 定义：通过数字控制系统控制加工过程的机床称为数控机床。 工业机器人 它是可编程多自由度的，用来通过一系列动作，搬运物料、零件、工具，或者其他装置，以实现给定的任务。 自动导引车（AGV） 是另一种形式的移动工业机器人。它能够跟踪编程路径，在