第1章 緒論

1.1 機電系統(tǒng)

1.1.1 機電系統(tǒng)的組成

機電系統(tǒng)又稱為機電一體化系統(tǒng)，是一門交叉學科，它所涉及的主要技術(shù)科學領域包括傳統(tǒng)的機械設計、電子技術(shù)、經(jīng)典控制理論等內(nèi)容，同時又包括現(xiàn)代信息處理技術(shù)、現(xiàn)代設計方法、軟件工程，以及自適應控制、模糊識別、系統(tǒng)仿真、人工智能等現(xiàn)代控制技術(shù)，而且隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)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(tǒng)一般含有控制部分，因此往往將機電系統(tǒng)稱為機電控制系統(tǒng)，如圖1.1所示，通常由以下幾部分組成：傳感器、控制器、驅(qū)動裝置、執(zhí)行機構(gòu)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(tǒng)工作時所要監(jiān)測的各種物理量，大多數(shù)傳感器要將被測的非電信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角、流量、溫度等。

2.執(zhí)行機構(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)指的是直接推動被控對象，完成控制任務的機構(gòu)，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(qū)動裝置

驅(qū)動裝置與執(zhí)行機構(gòu)相連接，給執(zhí)行機構(gòu)提供動力，驅(qū)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(qū)動各種執(zhí)行機構(gòu)。

4.控制器

機電控制系統(tǒng)的核心是控制器，機電控制系統(tǒng)的各部分均要由控制器實現(xiàn)協(xié)調(diào)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(jié)果和規(guī)定的程序與節(jié)奏發(fā)出相應的指令，控制整個系統(tǒng)有目的地運行。

典型的機電一體化系統(tǒng)有數(shù)控機床、機器人、汽車電子化產(chǎn)品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統(tǒng)、CAD/CAM系統(tǒng)等。

1.1.2 機電系統(tǒng)的發(fā)展

現(xiàn)代機電產(chǎn)品正朝著智能化、模塊化、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。智能化主要體現(xiàn)在目前的機電產(chǎn)品在控制理論的基礎上，吸收了人工智能、模糊數(shù)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(chǎn)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(xiàn)在目前的一些機電產(chǎn)品已經(jīng)具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、環(huán)境接口、機電一體化產(chǎn)品模塊，這些模塊化的設計為機電產(chǎn)品的選用、互相之間的連接提供了極大的方便。

機電產(chǎn)品的另一發(fā)展趨勢是網(wǎng)絡化，基于網(wǎng)絡的各種遠程控制和監(jiān)視技術(shù)迅速發(fā)展，現(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術(shù)已在眾多機電產(chǎn)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(gòu)及一些大中型企業(yè)對這一技術(shù)的發(fā)展及應用做了大量的工作。數(shù)控技術(shù)起步于1958年，到“九五”末期，國產(chǎn)數(shù)控機床的國內(nèi)市場占有率達50%。工業(yè)機器人方面，我國1986年將機器人的研究開發(fā)列入國家科技計劃，現(xiàn)已掌握了機器人操作機的設計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)和軟件編程技術(shù)、運動學和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人的關(guān)鍵元器件，并進入實用化階段，已開發(fā)出可用于裝配、能前后行走、爬墻、水下作業(yè)的多種機器人。目前，國內(nèi)相關(guān)科研機構(gòu)和企業(yè)已掌握了工業(yè)機器人操作機的優(yōu)化制造技術(shù)，機器人軟件的設計和編程等關(guān)鍵技術(shù)，還掌握了弧焊、點焊及大型機器人自動生產(chǎn)線（工作站）與周邊配套設備的開發(fā)和制備技術(shù)。

在計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）方面，我國經(jīng)過多年的理論和技術(shù)準備，CIMS已經(jīng)有了較快發(fā)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(shù)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(jīng)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(yè)越來越多的關(guān)注和投入。

隨著我國對外貿(mào)易持續(xù)快速增長，機電產(chǎn)品出口也步入了世界前列，但我國機電產(chǎn)品出口增長的質(zhì)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(chǎn)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(mào)易和以貼牌為主的訂單貿(mào)易。

總的來說，我國機電產(chǎn)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(xiàn)在產(chǎn)品設計水平的落后導致產(chǎn)品性能、質(zhì)量的落后，且設計基礎數(shù)據(jù)缺乏，設計規(guī)范、手冊陳舊，設計方法落后，對不少先進產(chǎn)品的設計還沒有掌握。

1.1.3 機電系統(tǒng)的現(xiàn)代設計方法

在市場發(fā)展越來越成熟的今天，現(xiàn)代機電產(chǎn)品所涉及的學科和工業(yè)門類眾多，用傳統(tǒng)的設計方法很難達到設計的要求。因此，對現(xiàn)代的機電產(chǎn)品來說，其設計思想和設計方法都會有一些全新的內(nèi)容。

現(xiàn)代設計方法包括計算機設計計算、優(yōu)化設計、反求工程、現(xiàn)代設計方法學、工業(yè)藝術(shù)設計、價值工程等。

機電產(chǎn)品現(xiàn)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(tǒng)，虛擬制造產(chǎn)品數(shù)字化設計、功能仿真、性能模擬及工藝設計技術(shù)，實現(xiàn)虛擬加工、裝配、拆卸、工藝評估及決策支持的系統(tǒng)工具。

與傳統(tǒng)設計理論與方法相比，現(xiàn)代設計理論與方法具有創(chuàng)新性，數(shù)字化、網(wǎng)絡化、協(xié)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(tǒng)”走向“現(xiàn)代”，體現(xiàn)了現(xiàn)代設計理論與方法的科學性、前沿性。

傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)流程如圖1.2所示，主要經(jīng)過方案設計、工程圖、樣機制作、試驗評估及生產(chǎn)幾個步驟。

可以看出，傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)過程主要依靠產(chǎn)品開發(fā)人員的經(jīng)驗，而且產(chǎn)品的性能只有在樣機制造完成后才能夠通過產(chǎn)品一系列的性能試驗對設計結(jié)果進行評判。試驗中發(fā)現(xiàn)的問題，必須等到下一次設計才可能修改，因此傳統(tǒng)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(fā)周期較長、質(zhì)量差，開發(fā)流程已越來越難以滿足產(chǎn)品開發(fā)的要求。

采用多軟件聯(lián)合仿真的現(xiàn)代產(chǎn)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(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)流程相比，采用多軟件聯(lián)合仿真的產(chǎn)品開發(fā)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(yōu)化，可以在物理樣機制造之前預測產(chǎn)品的各項性能指標，從而大大減少了生產(chǎn)與試驗評估的次數(shù)，提高了開發(fā)效率，節(jié)約了開發(fā)經(jīng)費。