第1章 緒論

1.1 機(jī)電系統(tǒng)

1.1.1 機(jī)電系統(tǒng)的組成

機(jī)電系統(tǒng)又稱為機(jī)電一體化系統(tǒng)，是一門交叉學(xué)科，它所涉及的主要技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域包括傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)、電子技術(shù)、經(jīng)典控制理論等內(nèi)容，同時(shí)又包括現(xiàn)代信息處理技術(shù)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法、軟件工程，以及自適應(yīng)控制、模糊識(shí)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(xué)技術(shù)的發(fā)展，這些學(xué)科之間的相互滲透會(huì)越來越多，它們之間的界限將越來越模糊。

機(jī)電系統(tǒng)一般含有控制部分，因此往往將機(jī)電系統(tǒng)稱為機(jī)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(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。

1.傳感器

傳感器主要用來從被測(cè)對(duì)象中提取各種信息，檢測(cè)機(jī)電控制系統(tǒng)工作時(shí)所要監(jiān)測(cè)的各種物理量，大多數(shù)傳感器要將被測(cè)的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。被測(cè)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(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)指的是直接推動(dòng)被控對(duì)象，完成控制任務(wù)的機(jī)構(gòu)，包括以電、氣壓、液壓等為動(dòng)力源的各種元器件及裝置，如以電為動(dòng)力源的直流電動(dòng)機(jī)、三相交流異步電動(dòng)機(jī)、交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，以氣壓作為動(dòng)力源的氣動(dòng)電動(dòng)機(jī)和汽缸，以液壓作為動(dòng)力源的液壓缸、液壓電動(dòng)機(jī)等。

3.驅(qū)動(dòng)裝置

驅(qū)動(dòng)裝置與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連接，給執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)裝置一般按不同的動(dòng)力源分為三類：電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓，主要功能是驅(qū)動(dòng)各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

4.控制器

機(jī)電控制系統(tǒng)的核心是控制器，機(jī)電控制系統(tǒng)的各部分均要由控制器實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)與匹配，控制器測(cè)試傳感部分的信息及外部直接輸入的指令，進(jìn)行集中、存儲(chǔ)、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(yīng)的指令，控制整個(gè)系統(tǒng)有目的地運(yùn)行。

典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)有數(shù)控機(jī)床、機(jī)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(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展

現(xiàn)代機(jī)電產(chǎn)品正朝著智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。智能化主要體現(xiàn)在目前的機(jī)電產(chǎn)品在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收了人工智能、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動(dòng)力學(xué)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(dòng)洗衣機(jī)、電冰箱等。

模塊化主要體現(xiàn)在目前的一些機(jī)電產(chǎn)品已經(jīng)具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、電氣接口、動(dòng)力接口、環(huán)境接口、機(jī)電一體化產(chǎn)品模塊，這些模塊化的設(shè)計(jì)為機(jī)電產(chǎn)品的選用、互相之間的連接提供了極大的方便。

機(jī)電產(chǎn)品的另一發(fā)展趨勢(shì)是網(wǎng)絡(luò)化，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)迅速發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線和局域網(wǎng)技術(shù)已在眾多機(jī)電產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。

我國(guó)從20世紀(jì)80年代初開始進(jìn)行機(jī)電一體化的研究和應(yīng)用，國(guó)務(wù)院成立了機(jī)電一體化領(lǐng)導(dǎo)小組并將其列為“863計(jì)劃”，許多大專院校、研究機(jī)構(gòu)及一些大中型企業(yè)對(duì)這一技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)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(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá)50%。工業(yè)機(jī)器人方面，我國(guó)1986年將機(jī)器人的研究開發(fā)列入國(guó)家科技計(jì)劃，現(xiàn)已掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)和軟件編程技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人的關(guān)鍵元器件，并進(jìn)入實(shí)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(jī)器人。目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)已掌握了工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的優(yōu)化制造技術(shù)，機(jī)器人軟件的設(shè)計(jì)和編程等關(guān)鍵技術(shù)，還掌握了弧焊、點(diǎn)焊及大型機(jī)器人自動(dòng)生產(chǎn)線（工作站）與周邊配套設(shè)備的開發(fā)和制備技術(shù)。

在計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）方面，我國(guó)經(jīng)過多年的理論和技術(shù)準(zhǔn)備，CIMS已經(jīng)有了較快發(fā)展。目前，已在清華大學(xué)建成了國(guó)家CIMS工程研究中心，在著名高校和研究單位建立了7個(gè)CIMS單元技術(shù)實(shí)驗(yàn)室和8個(gè)CIMS培訓(xùn)中心。當(dāng)前，CIMS的進(jìn)一步試點(diǎn)推廣應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到機(jī)械、電子、航空、航天、輕工、紡織、冶金、石油化工等諸多領(lǐng)域，正得到各行各業(yè)越來越多的關(guān)注和投入。

隨著我國(guó)對(duì)外貿(mào)易持續(xù)快速增長(zhǎng)，機(jī)電產(chǎn)品出口也步入了世界前列，但我國(guó)機(jī)電產(chǎn)品出口增長(zhǎng)的質(zhì)量還不高，尤其缺乏自主出口品牌。目前我國(guó)自主品牌出口所占比例較低，而機(jī)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(guó)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平與國(guó)際先進(jìn)水平相比還有相當(dāng)大的差距，主要表現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平的落后導(dǎo)致產(chǎn)品性能、質(zhì)量的落后，且設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏，設(shè)計(jì)規(guī)范、手冊(cè)陳舊，設(shè)計(jì)方法落后，對(duì)不少先進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)還沒有掌握。

1.1.3 機(jī)電系統(tǒng)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

在市場(chǎng)發(fā)展越來越成熟的今天，現(xiàn)代機(jī)電產(chǎn)品所涉及的學(xué)科和工業(yè)門類眾多，用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法很難達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。因此，對(duì)現(xiàn)代的機(jī)電產(chǎn)品來說，其設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法都會(huì)有一些全新的內(nèi)容。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法包括計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)、反求工程、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)、工業(yè)藝術(shù)設(shè)計(jì)、價(jià)值工程等。

機(jī)電產(chǎn)品現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法領(lǐng)域有待重點(diǎn)解決的科學(xué)問題包括仿真與虛擬設(shè)計(jì)，建模/仿真方法學(xué)，分布式仿真系統(tǒng)，虛擬制造產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)、功能仿真、性能模擬及工藝設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬加工、裝配、拆卸、工藝評(píng)估及決策支持的系統(tǒng)工具。

與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論與方法相比，現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法具有創(chuàng)新性，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化、智能化、虛擬化等是其主要特點(diǎn)。設(shè)計(jì)理論與方法從“傳統(tǒng)”走向“現(xiàn)代”，體現(xiàn)了現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法的科學(xué)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(shè)計(jì)、工程圖、樣機(jī)制作、試驗(yàn)評(píng)估及生產(chǎn)幾個(gè)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(yàn)，而且產(chǎn)品的性能只有在樣機(jī)制造完成后才能夠通過產(chǎn)品一系列的性能試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)判。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題，必須等到下一次設(shè)計(jì)才可能修改，因此傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程一般需要通過反復(fù)多次才能最終滿足設(shè)計(jì)要求，所以，開發(fā)周期較長(zhǎng)、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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)階段就可以對(duì)各種方案進(jìn)行分析、對(duì)比和優(yōu)化，可以在物理樣機(jī)制造之前預(yù)測(cè)產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)，從而大大減少了生產(chǎn)與試驗(yàn)評(píng)估的次數(shù)，提高了開發(fā)效率，節(jié)約了開發(fā)經(jīng)費(fèi)。