第一章 - 绪论
发布时间：2020-02-28 09:30来源：未知
第一章 绪论
一、复习建议
本章在历年考试中，分数为9分，建议学员全面掌握,重点复习。从题型来讲包括单项选择题和简答题，对于一些概念和术语要加以重视。
二、本章考核知识点
1）机电一体化基本概念，名词定义及术语；
2）典型机电一体化系统类型；
3）通过实例说明机电一体化系统模块式框架结构；
4）机电一体化系统设计指标与评价准则；
5）机电一体化系统设计思想与方法；
6）机电一体化系统设计过程。
本章近几年考试分值：
第一节 机电一体化发展及基本概念
“机电一体化”一词的英文是“Mechatronics”, 是20世纪70年代初由日本首先提出的，它是取Mechanics（机械学）的前半部分和Electronics（电子学）的后半部分拼合而成的。国内也称为“机械电子学”。迄今为止，“机电一体化”一词尚没有统一的定义。一般认为，机电一体化是从系统的观点出发，将机械技术 、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新兴边缘性技术学科。机电一体化系统广泛应用于工厂自动化、办公自动化、家庭自动化和社会服务自动化（4A革命）。典型的机电一体化系统如数控机床（NC），柔性制造系统（FMS），柔性制造单元（FMC），计算机集成制造系统（CIMS），微机电系统（MEMS）等。
1）系统
“系统”一词也没有统一的定义。系统从广义可定义为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。
对于实际应用，系统可定义为任何存在某种因果关系的一组物理元件，其因称为激励或输入，其果称为响应或输出。
描述决定系统输入与输出关系的数学方程式，称为系统的数学模型。
输入和输出满足线性叠加原理的系统称为线性系统，反之称为非线性系统。
数学模型中所有系数都为与时间无关的常量的系统为定常系统，又称时不变系统，否则为时变系统。
在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称为确定性系统，否则为随机系统。
数学模型既是分析系统的基础，又是综合设计系统的依据，经典控制理论采用的数学模型主要以传递函数为基础，而现代控制理论采用状态空间方程为基础。
第二节 典型机电一体化系统
在工厂自动化中，典型的机电一体化系统有：
1）机械手关节伺服系统
其受控过程是机器人的关节运动
伺服系统又称随动系统，它是一种反馈控制系统，其受控变量是机械运动，如位置、速度和加速度等。
2）数控机床（NC）
通过数字控制系统控制加工过程的机床称为数控机床，是一种利用预先决定的指令控制一系列加工作业的系统。
3）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、工具或其它装置，以实现给定的任务。工业机器人有主体结构、终端器和控制器三个主要组成部件。最简单的工业机器人是开环搬运机器人（PNP）
具有六个自由度的机械手，六个自由度分别为：
手臂扫掠 肩旋转 肘伸展 俯仰 偏航和横滚
4）自动引导车（AGV）
能够跟踪编程路径，在工厂内将零件从一个地方搬运到另一个地方
5）顺序控制系统
按照预先规定的次序完成一系列操作的系统称为顺序控制系统。在顺序控制系统中，每一步操作是一个简单的二进制动作。
根据如何开始和终结操作，顺序控制可分为：
事件驱动顺序控制：当某一事件发生时，开始或结束操作的称为事件驱动顺序控制；
时间驱动顺序控制：当某一时刻或一定时间间隔后，开始或结束操作的称为时间驱动顺序控制
6）数控自动化制造系统
柔性制造系统（FMS）：将计算机数控机床、工业机器人及自动引导车连接起来，以适应加工成组产品。
计算机集成制造系统（CIMS）：通过计算机网络，将计算机辅助设计、计算机辅助规划及计算机辅助制造，统一连接成一个大系统，实现全厂的自动化。在CIMS的分级管理的通信网络中，最高级的是制造自动化协议网络（MAP），中间级采用增强性能结构的MAP网，最低级采用现场总线。
7）微机电系统
是电子和机械元件相结合的微装置或系统，采用与集成电路兼容的批加工技术制造，尺寸可从毫米到微米量级范围内变化。这些系统结合了传感和执行功能并进行运算处理，改变了我们感知和控制物理世界的方式。
第三节 系统结构与模块
一个典型的机电一体化系统主要有机械受控模块，测量模块，驱动模块，通信模块，微计算机模块，软件模块和接口模块。
1）机械受控模块
又称执行模块，通常包含机械传动，支承和支座。其功能是承载，传递力和运动，同时起着外观、造型和防护作用。
2）测量模块
采集有关系统状态和行为的信息，由传感器、调理电路和变换电路组成。
3）驱动模块
由电动机和驱动电路组成的技术模块，其作用时提供驱动力改变系统包含速度和方向的运行状态，产生希望的运动输出。
4）通信模块
传递信息，实现系统的内部、外部、近程和远程通信，实现方法有有线和无线两种。
5）微计算机模块
负责处理由测量模块和接口模块提供的信息。
6）软件模块
包括系统的操作指令和预先定义的各种算法，负责控制微计算机模块工作。
7）接口模块
主要用于各级之间的信息传递。
机电一体化关键技术
1）机械技术
机械技术是机电一体化技术的基础。机电一体化产品的主功能和结构功能，往往是以机械技术为主实现的。在机械与电子相互结合的实践中，不断对机械技术提出更高的要求，使现代机械技术相对于传统机械技术发生了很大变化。新材料、新工艺、新原理、新机构等不断出现，现代设计方法不断发展和完善，以满足机电一体化产品对减轻重量、缩小体积、提高精度和刚度、改善性能等多方面的要求。
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。
在机电一体化产品中，计算机与信息处理装置指挥整个产品的运行。信息处理是否正确、及时，直接影响到系统工作的质量和效率。因此，计算机应用和信息处理技术已成为促进机电一体化技术和产品发展的员活跃的因素。
3）传感与检测技术
检测与传感技术的研究对象是传感器及其信号检测装置。机电一体化产品中，传感器作为感受器官，将各种内、部信息通过相应的信号检测装置反馈给控制与信息处理装置。因此，传感与检测是实现自动控制的关键环节。机电一体化要求传感器能快速、精确地获取信息，并能经受各种严酷环境的考验。
4）自动控制技术
自动控制技术的范围报广，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过程。由于被控对象种类繁多,所以控制技术的内容十分丰富，包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、示教再现、检索等控制技术。其主要技术关键在于现代控制理论在机电一体化技术中的工程化与实用化、优化控制模型的建立及边界条件的确定等。由于微型计算机的广泛应用，自动控制技术越来越多地与计算机控制技术联系在一起，成为机电一体化中十分重要的关键技术。
5）伺服传动技术
伺服驱动技术的主要研究对象是伺服驱动单元及其驱动装置。伺服驱动单元有电动、气动、液压等多种类型，机电一体化产品中多数各种电机，其驱动装置即驱动电源电路，目前多数采用电力电子器件及集成化功能电路。伺服驱动单元一方面通过电气接口向上与计算机相联，以接受计算机的控制指令，另一方面又通过机械接口向下与机械传动和执行机构相联，以实现规定的动作。因此，伺服驱动技术是直接执行操作的技术，对机电一体化产品的动态性能、稳态精度、控制质量等具有决定性的影响。
实际上，机电一体化系统与非机电一体化机械系统的区别，核心是其是否具有计算机控制的伺服驱动系统。
6）系统总体技术
机电一体化技术不是几种技术的简单叠加，而是通过系统总体设计使它们形成一个有机整体。为了解决多种技术的融合问题，有许多新课题需要进行探讨和研究。
系统总体技术就是按照系统工程的观点和方法，以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将系统总体分解成相互有机联系的若干功能单元，并以功能单元为子系统继续分解，直至找到可实现的技术方案，然后再把功能和技术方案组合成方案组进行分析、评价和优选。
第四节 设计依据与评价标准
设计依据
1）系统功能2）性能指标3）使用条件4）社会经济效益
第五节 设计思想与方法★
设计思想包括：
1）系统的设计思想
2）机电融合的设计思想
替代机械系统：机械的功能完全由微计算机和执行器取代，从而使机械产品变为电子产品。
简化机械系统：在许多情况下，机械系统可采用机电一体化方法加以简化。
增强机械系统：将正常设计的机械与闭环控制回路相结合，可以实现增强机械系统的运动速度，精度和柔性等。
综合机械系统:采用嵌入式微处理器，有能力综合不同的机械系统以及相关的功能
3）注重创新的设计思想
工作原理创新
技术方案创新
结构创新
用材和制造工艺创新
控制方面创新
驱动和传动方面创新
其它方面创新
第六节 设计过程
1）市场调研、需求分析和技术预测
2）概念设计
概念设计主要特性：创新性、工艺可实现性、多样性、层次性、避免不良结构性、反复迭代性。
3）可行性分析4）编制设计任务书5）初步设计—方案设计6）方案设计评估和优化7）详细设计和参数核算8）完成全部设计文件
设计文件主要包括：产品的全套样图；产品零件明细表、备件表和装箱单；产品使用说明书、维护说明书、检验标准和检验方法说明书。
本章在考试中占9分，1个选择，2个简答，要求要熟记本章概念！
一、复习建议
本章在历年考试中，分数为9分，建议学员全面掌握,重点复习。从题型来讲包括单项选择题和简答题，对于一些概念和术语要加以重视。
二、本章考核知识点
1）机电一体化基本概念，名词定义及术语；
2）典型机电一体化系统类型；
3）通过实例说明机电一体化系统模块式框架结构；
4）机电一体化系统设计指标与评价准则；
5）机电一体化系统设计思想与方法；
6）机电一体化系统设计过程。
本章近几年考试分值：
| 选择题 | 简答题 | 计算题 | 简单应用 | 综合应用 | 合计 |
| 1（第二节） | 8（3、5） | 9 | |||
| 1（第三节） | 8（1、5） | 9 | |||
| 1（第三节） | 8（5、6） | 9 | |||
| 1（第三节） | 8（3、5） | 9 | |||
| 1（第三节） | 8（2、5） | 9 | |||
| 1（第二节） | 8（1、5） | 9 |
第一节 机电一体化发展及基本概念
“机电一体化”一词的英文是“Mechatronics”, 是20世纪70年代初由日本首先提出的，它是取Mechanics（机械学）的前半部分和Electronics（电子学）的后半部分拼合而成的。国内也称为“机械电子学”。迄今为止，“机电一体化”一词尚没有统一的定义。一般认为，机电一体化是从系统的观点出发，将机械技术 、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新兴边缘性技术学科。机电一体化系统广泛应用于工厂自动化、办公自动化、家庭自动化和社会服务自动化（4A革命）。典型的机电一体化系统如数控机床（NC），柔性制造系统（FMS），柔性制造单元（FMC），计算机集成制造系统（CIMS），微机电系统（MEMS）等。
1）系统
“系统”一词也没有统一的定义。系统从广义可定义为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。
对于实际应用，系统可定义为任何存在某种因果关系的一组物理元件，其因称为激励或输入，其果称为响应或输出。
描述决定系统输入与输出关系的数学方程式，称为系统的数学模型。
输入和输出满足线性叠加原理的系统称为线性系统，反之称为非线性系统。
数学模型中所有系数都为与时间无关的常量的系统为定常系统，又称时不变系统，否则为时变系统。
在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称为确定性系统，否则为随机系统。
数学模型既是分析系统的基础，又是综合设计系统的依据，经典控制理论采用的数学模型主要以传递函数为基础，而现代控制理论采用状态空间方程为基础。
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第二节 典型机电一体化系统
在工厂自动化中，典型的机电一体化系统有：
1）机械手关节伺服系统
其受控过程是机器人的关节运动
伺服系统又称随动系统，它是一种反馈控制系统，其受控变量是机械运动，如位置、速度和加速度等。
2）数控机床（NC）
通过数字控制系统控制加工过程的机床称为数控机床，是一种利用预先决定的指令控制一系列加工作业的系统。
3）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、工具或其它装置，以实现给定的任务。工业机器人有主体结构、终端器和控制器三个主要组成部件。最简单的工业机器人是开环搬运机器人（PNP）
具有六个自由度的机械手，六个自由度分别为：
手臂扫掠 肩旋转 肘伸展 俯仰 偏航和横滚
4）自动引导车（AGV）
能够跟踪编程路径，在工厂内将零件从一个地方搬运到另一个地方
5）顺序控制系统
按照预先规定的次序完成一系列操作的系统称为顺序控制系统。在顺序控制系统中，每一步操作是一个简单的二进制动作。
根据如何开始和终结操作，顺序控制可分为：
事件驱动顺序控制：当某一事件发生时，开始或结束操作的称为事件驱动顺序控制；
时间驱动顺序控制：当某一时刻或一定时间间隔后，开始或结束操作的称为时间驱动顺序控制
6）数控自动化制造系统
柔性制造系统（FMS）：将计算机数控机床、工业机器人及自动引导车连接起来，以适应加工成组产品。
计算机集成制造系统（CIMS）：通过计算机网络，将计算机辅助设计、计算机辅助规划及计算机辅助制造，统一连接成一个大系统，实现全厂的自动化。在CIMS的分级管理的通信网络中，最高级的是制造自动化协议网络（MAP），中间级采用增强性能结构的MAP网，最低级采用现场总线。
7）微机电系统
是电子和机械元件相结合的微装置或系统，采用与集成电路兼容的批加工技术制造，尺寸可从毫米到微米量级范围内变化。这些系统结合了传感和执行功能并进行运算处理，改变了我们感知和控制物理世界的方式。
第三节 系统结构与模块
一个典型的机电一体化系统主要有机械受控模块，测量模块，驱动模块，通信模块，微计算机模块，软件模块和接口模块。
1）机械受控模块
又称执行模块，通常包含机械传动，支承和支座。其功能是承载，传递力和运动，同时起着外观、造型和防护作用。
2）测量模块
采集有关系统状态和行为的信息，由传感器、调理电路和变换电路组成。
3）驱动模块
由电动机和驱动电路组成的技术模块，其作用时提供驱动力改变系统包含速度和方向的运行状态，产生希望的运动输出。
4）通信模块
传递信息，实现系统的内部、外部、近程和远程通信，实现方法有有线和无线两种。
5）微计算机模块
负责处理由测量模块和接口模块提供的信息。
6）软件模块
包括系统的操作指令和预先定义的各种算法，负责控制微计算机模块工作。
7）接口模块
主要用于各级之间的信息传递。
机电一体化关键技术
1）机械技术
机械技术是机电一体化技术的基础。机电一体化产品的主功能和结构功能，往往是以机械技术为主实现的。在机械与电子相互结合的实践中，不断对机械技术提出更高的要求，使现代机械技术相对于传统机械技术发生了很大变化。新材料、新工艺、新原理、新机构等不断出现，现代设计方法不断发展和完善，以满足机电一体化产品对减轻重量、缩小体积、提高精度和刚度、改善性能等多方面的要求。
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。
在机电一体化产品中，计算机与信息处理装置指挥整个产品的运行。信息处理是否正确、及时，直接影响到系统工作的质量和效率。因此，计算机应用和信息处理技术已成为促进机电一体化技术和产品发展的员活跃的因素。
3）传感与检测技术
检测与传感技术的研究对象是传感器及其信号检测装置。机电一体化产品中，传感器作为感受器官，将各种内、部信息通过相应的信号检测装置反馈给控制与信息处理装置。因此，传感与检测是实现自动控制的关键环节。机电一体化要求传感器能快速、精确地获取信息，并能经受各种严酷环境的考验。
4）自动控制技术
自动控制技术的范围报广，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过程。由于被控对象种类繁多,所以控制技术的内容十分丰富，包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、示教再现、检索等控制技术。其主要技术关键在于现代控制理论在机电一体化技术中的工程化与实用化、优化控制模型的建立及边界条件的确定等。由于微型计算机的广泛应用，自动控制技术越来越多地与计算机控制技术联系在一起，成为机电一体化中十分重要的关键技术。
5）伺服传动技术
伺服驱动技术的主要研究对象是伺服驱动单元及其驱动装置。伺服驱动单元有电动、气动、液压等多种类型，机电一体化产品中多数各种电机，其驱动装置即驱动电源电路，目前多数采用电力电子器件及集成化功能电路。伺服驱动单元一方面通过电气接口向上与计算机相联，以接受计算机的控制指令，另一方面又通过机械接口向下与机械传动和执行机构相联，以实现规定的动作。因此，伺服驱动技术是直接执行操作的技术，对机电一体化产品的动态性能、稳态精度、控制质量等具有决定性的影响。
实际上，机电一体化系统与非机电一体化机械系统的区别，核心是其是否具有计算机控制的伺服驱动系统。
6）系统总体技术
机电一体化技术不是几种技术的简单叠加，而是通过系统总体设计使它们形成一个有机整体。为了解决多种技术的融合问题，有许多新课题需要进行探讨和研究。
系统总体技术就是按照系统工程的观点和方法，以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将系统总体分解成相互有机联系的若干功能单元，并以功能单元为子系统继续分解，直至找到可实现的技术方案，然后再把功能和技术方案组合成方案组进行分析、评价和优选。
第四节 设计依据与评价标准
设计依据
1）系统功能2）性能指标3）使用条件4）社会经济效益
第五节 设计思想与方法★
设计思想包括：
1）系统的设计思想
2）机电融合的设计思想
替代机械系统：机械的功能完全由微计算机和执行器取代，从而使机械产品变为电子产品。
简化机械系统：在许多情况下，机械系统可采用机电一体化方法加以简化。
增强机械系统：将正常设计的机械与闭环控制回路相结合，可以实现增强机械系统的运动速度，精度和柔性等。
综合机械系统:采用嵌入式微处理器，有能力综合不同的机械系统以及相关的功能
3）注重创新的设计思想
工作原理创新
技术方案创新
结构创新
用材和制造工艺创新
控制方面创新
驱动和传动方面创新
其它方面创新
第六节 设计过程
1）市场调研、需求分析和技术预测
2）概念设计
概念设计主要特性：创新性、工艺可实现性、多样性、层次性、避免不良结构性、反复迭代性。
3）可行性分析4）编制设计任务书5）初步设计—方案设计6）方案设计评估和优化7）详细设计和参数核算8）完成全部设计文件
设计文件主要包括：产品的全套样图；产品零件明细表、备件表和装箱单；产品使用说明书、维护说明书、检验标准和检验方法说明书。
本章在考试中占9分，1个选择，2个简答，要求要熟记本章概念！
