第1章 緒論

1.1 機電系統

1.1.1 機電系統的組成

機電系統又稱為機電一體化系統，是一門交叉學科，它所涉及的主要技術科學領域包括傳統的機械設計、電子技術、經典控制理論等內容，同時又包括現代信息處理技術、現代設計方法、軟件工程，以及自適應控制、模糊識別、系統仿真、人工智能等現代控制技術，而且隨著現代科學技術的發展，這些學科之間的相互滲透會越來越多，它們之間的界限將越來越模糊。

機電系統一般含有控制部分，因此往往將機電系統稱為機電控制系統，如圖1.1所示，通常由以下幾部分組成：傳感器、控制器、驅動裝置、執行機構等。

1.傳感器

傳感器主要用來從被測對象中提取各種信息，檢測機電控制系統工作時所要監測的各種物理量，大多數傳感器要將被測的非電信號轉換為電信號。被測得的物理量一般有位移、速度、加速度、力、力矩、轉角、流量、溫度等。

2.執行機構

執行機構指的是直接推動被控對象，完成控制任務的機構，包括以電、氣壓、液壓等為動力源的各種元器件及裝置，如以電為動力源的直流電動機、三相交流異步電動機、交流永磁伺服電動機、步進電動機，以氣壓作為動力源的氣動電動機和汽缸，以液壓作為動力源的液壓缸、液壓電動機等。

3.驅動裝置

驅動裝置與執行機構相連接，給執行機構提供動力，驅動裝置一般按不同的動力源分為三類：電動、氣動、液壓，主要功能是驅動各種執行機構。

4.控制器

機電控制系統的核心是控制器，機電控制系統的各部分均要由控制器實現協調與匹配，控制器測試傳感部分的信息及外部直接輸入的指令，進行集中、存儲、分析、加工處理后，按照信息處理結果和規定的程序與節奏發出相應的指令，控制整個系統有目的地運行。

典型的機電一體化系統有數控機床、機器人、汽車電子化產品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統、CAD/CAM系統等。

1.1.2 機電系統的發展

現代機電產品正朝著智能化、模塊化、網絡化的方向發展。智能化主要體現在目前的機電產品在控制理論的基礎上，吸收了人工智能、模糊數學、心理學、生理學和混沌動力學等新思想、新方法，模擬人類智能，使產品具有判斷推理、邏輯思維、自主決策、故障診斷等能力，如具有模糊控制功能的全自動洗衣機、電冰箱等。

模塊化主要體現在目前的一些機電產品已經具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、環境接口、機電一體化產品模塊，這些模塊化的設計為機電產品的選用、互相之間的連接提供了極大的方便。

機電產品的另一發展趨勢是網絡化，基于網絡的各種遠程控制和監視技術迅速發展，現場總線和局域網技術已在眾多機電產品中得到了廣泛的應用。

我國從20世紀80年代初開始進行機電一體化的研究和應用，國務院成立了機電一體化領導小組并將其列為“863計劃”，許多大專院校、研究機構及一些大中型企業對這一技術的發展及應用做了大量的工作。數控技術起步于1958年，到“九五”末期，國產數控機床的國內市場占有率達50%。工業機器人方面，我國1986年將機器人的研究開發列入國家科技計劃，現已掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統和軟件編程技術、運動學和軌跡規劃技術，生產了部分機器人的關鍵元器件，并進入實用化階段，已開發出可用于裝配、能前后行走、爬墻、水下作業的多種機器人。目前，國內相關科研機構和企業已掌握了工業機器人操作機的優化制造技術，機器人軟件的設計和編程等關鍵技術，還掌握了弧焊、點焊及大型機器人自動生產線（工作站）與周邊配套設備的開發和制備技術。

在計算機集成制造系統（CIMS）方面，我國經過多年的理論和技術準備，CIMS已經有了較快發展。目前，已在清華大學建成了國家CIMS工程研究中心，在著名高校和研究單位建立了7個CIMS單元技術實驗室和8個CIMS培訓中心。當前，CIMS的進一步試點推廣應用已經擴展到機械、電子、航空、航天、輕工、紡織、冶金、石油化工等諸多領域，正得到各行各業越來越多的關注和投入。

隨著我國對外貿易持續快速增長，機電產品出口也步入了世界前列，但我國機電產品出口增長的質量還不高，尤其缺乏自主出口品牌。目前我國自主品牌出口所占比例較低，而機電產品名牌更是少之又少，絕大部分出口是使用外方品牌的加工貿易和以貼牌為主的訂單貿易。

總的來說，我國機電產品設計水平與國際先進水平相比還有相當大的差距，主要表現在產品設計水平的落后導致產品性能、質量的落后，且設計基礎數據缺乏，設計規范、手冊陳舊，設計方法落后，對不少先進產品的設計還沒有掌握。

1.1.3 機電系統的現代設計方法

在市場發展越來越成熟的今天，現代機電產品所涉及的學科和工業門類眾多，用傳統的設計方法很難達到設計的要求。因此，對現代的機電產品來說，其設計思想和設計方法都會有一些全新的內容。

現代設計方法包括計算機設計計算、優化設計、反求工程、現代設計方法學、工業藝術設計、價值工程等。

機電產品現代設計理論與方法領域有待重點解決的科學問題包括仿真與虛擬設計，建模/仿真方法學，分布式仿真系統，虛擬制造產品數字化設計、功能仿真、性能模擬及工藝設計技術，實現虛擬加工、裝配、拆卸、工藝評估及決策支持的系統工具。

與傳統設計理論與方法相比，現代設計理論與方法具有創新性，數字化、網絡化、協同化、智能化、虛擬化等是其主要特點。設計理論與方法從“傳統”走向“現代”，體現了現代設計理論與方法的科學性、前沿性。

傳統的產品開發流程如圖1.2所示，主要經過方案設計、工程圖、樣機制作、試驗評估及生產幾個步驟。

可以看出，傳統的產品開發過程主要依靠產品開發人員的經驗，而且產品的性能只有在樣機制造完成后才能夠通過產品一系列的性能試驗對設計結果進行評判。試驗中發現的問題，必須等到下一次設計才可能修改，因此傳統的設計過程一般需要通過反復多次才能最終滿足設計要求，所以，開發周期較長、質量差，開發流程已越來越難以滿足產品開發的要求。

采用多軟件聯合仿真的現代產品設計流程如圖1.3所示。

從流程圖可以很明顯看出，與傳統的產品開發流程相比，采用多軟件聯合仿真的產品開發流程由于在設計階段就可以對各種方案進行分析、對比和優化，可以在物理樣機制造之前預測產品的各項性能指標，從而大大減少了生產與試驗評估的次數，提高了開發效率，節約了開發經費。