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机电一体化系统设计 东北大学机械工程与自动化学院 机械电子工程研究所 第1章 机电一体化概论 1.1 机电一体化的概念 1.2 机电一体化技术的分类 1.3 机电一体化的相关技术 1.4 机电一体化设计方法 1.5 机电一体化产品的设计开发步骤 1.1 机电一体化的概念 1.1.1机电一体化的概念 机电一体化技术(机械电子技术)——Mechatronics 机械技术、电子技术、信息技术的结合 发展的结果 电子技术， 分离电子元件，集成电路(IC)， 大规模集成电路(LSI)，超大规模集成电路(VLSI) 从机械产品到机电一体化产品的4个阶段 机电一体化的概述 1971年日本《机械设计》副刊特集 Mchanics + Electronics = Mechatronics 机电一体化的基本含义 日本 “将机械装置与电子设备以及软件等有机结合而成系统”； 美国 “由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等多动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统； 德国 “包括机械(含液压、气动及微机械)、电工与电子、光学及其不同技术的组合”。 1.1.2 机电一体化技术的发展 (1)微电子器件的发展 集成度越来越高 单片集成达 1.4亿个元器件 门阵列达200万~500万门阵列 可编程逻辑器件PLD (2) 微控制器的发展 ①采用双CPU结构提高处理能力 ②增加数据总线的宽度 ③采用串行总线结构 ④采用流水线结构 ⑤双单片机结构 (3) 先进制造技术(AMT——Advanced Manufacturing Technology) 先进制造技术——是传统制造技术与信息技术、综合自动化技术和现代企业管理技术有机结合而产生的高技术群。 先进制造技术的核心是制造系统集成技术，它正在由企业内部信息的集成(计算机集成制造系统CIMS)逐步向产品开发过程的集成(并行工程)和企业间的集成(敏捷制造AM——Agile Manufacturing)。 (4) 并行工程(CE——Concurrent Engineering) 在产品开发过程中传统的方式是串行方式。 并行工程(CE)即并行设计，要求产品开发人员在设计一开始就考虑到产品整个生命周期的各种因素，并行地集成地进行产品设计，使产品设计一次成功。它包括产品设计、工艺设计、工装设计、装配设计，并强调各项设计是集成设计，一体化设计。 并行设计的两种方法 (1)小组化方法 成立由相关专业人员组成的并行设计小组，在计算机集成环境下相互协作、共享信息。 (2)计算机化方法 利用不同功能的一组应用程序(专家系统)来代替相应的专业人员，与设计者组成虚拟的并行工作小组 (5) 计算机集成制造系统(CIMS) CIMS 包含的内容 自动化技术 信息技术 计算机网络及数据库 完成的任务 全部生产活动所需要的各种分散自动化系统有机地结合在一起 完成从采购原料到售出产品的一系列生产过程的高效益、高柔性的制造系统。 (6) 微机械加工与微机械 微机械加工技术：容积硅微加工、金属电镀、立体电沉积、电火花线切割、激光加工等 例如：美国加州大学的Φ60μm的静电马达； 日本精工的小于1cm3的自行走机器人(包括97个零件)，重仅为1.5g； 日本东芝的机器人1cm3，重仅为2g； 长春光机所的Φ3mm微电机； 上海交大的Φ2mm微电机。 (7)虚拟现实技术 虚拟现实(Virtual Reality)是一种高级的人机交互系统，它采用高性能的计算机和先进的电子技术产生逼真的视、听、触、力环境，给人以身临其境的感觉。 采用计算机图形仿真技术或立体摄像技术产生虚拟景物；用三维位置传感器跟踪人体的运动；用数据手套感知虚拟物体的几何、物理性质，并对他们进行操作；用立体声发声器产生虚拟声音 。 (8) 智能材料系统(智能结构) 智能材料作为传感系统、信号处理与控制系统、驱动系统，将其植入工程结构，使设备具有智能功能。例如健康的自诊断、环境的自适应、损伤的自修复。 应用在大型空间结构振动主动控制；机敏自适应机翼形状控制；飞机与潜艇结构声的主动控制。 机电一体化系统的构成 五块论　德国Drmstadt大学的Rolf Isermann 控制功能、动力功能、传感检测功能、操作功能、结构功能等五大功能模块组成 三环论　丹麦理工大学的Jacob Baur等 机械、电子、软件三个相关圆环，以此表示了机电一体化系统的组成和相互关联。 两个系统　挪威科技大学的Bassam A Hussein 物理系统与控制系统两大子