第1章  机电一体化系统概论
 
?	掌握机电一体化系统的基本概念及特点。
?	掌握机电一体化系统的组成及其相互关系。
?	了解机电一体化技术与其他技术的相互关系，了解机电一体化技术的发展。
?	了解工业三大元素，熟悉系统具有的三大目的功能。
?	重点掌握机电一体化系统各要素之间的关系，接口的定义、功能和分类。
1.1  机电一体化系统基础知识
机电一体化技术是在生产、制造机电一体化产品过程中使用的各种现代先进技术，它是一门面向应用的技术，代表了机械产品柔性化和智能化的发展方向。早在1971年，日本《机械设计》杂志副刊提出了“机电一体化”(Mechatronics)是由Mechanics(机械学)与 Electronics (电子学)组合而成。机电一体化系统通常包括机电一体化技术和机电一体化产品两个方面，具有自动化、智能化，功能、性能强大，灵活性好，节能、省材，体积小、重量轻等特点。
如图1-1所示为典型的机电一体化产品，图1-1(a)为家用全自动洗衣机，图1-1(b)为工业用数控机床。其他如照相机、全自动的玩具小车、无人驾驶的汽车、工厂加工流水线作业设备、航天器、火星探测器以及机器人等，都属于典型的机电一体化产品。
 	 
(a) 全自动洗衣机	(b) 数控机床
图1-1  典型的机电一体化产品
机电一体化系统随着生产和科学技术的发展不断被赋予新的内容。用日本“机械振兴协会经济研究所”于1981年3月提出的解释来说明机电一体化系统的概念：“机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成的系统的总称。”
 
1.2  机电一体化系统的组成及功能
机电一体化系统(产品)主要由以下5个子系统组成：机械系统(机构，起支承和连接作用)，传感检测系统(传感器、信号变换电路)，信息处理系统(计算机、可编程逻辑控制器、单片机)，动力系统(动力源)和执行元件系统(如电动机、汽缸、电磁阀)。
以图1-2所示的一维数控工作台为例加以说明。一维数控工作台，可用作纠偏系统，如制袋机、皮带输送机的左右纠偏装置等。
 
图1-2  一维数控工作台
一维数控工作台的组成能够体现典型机电一体化系统(产品)的5个子系统。
(1) 机械系统：工作台，滚珠丝杠、轴承、导轨、联轴器、步进电动机或伺服电动机等。
(2) 传感检测系统：左右限位光电传感器等。
(3) 信息处理系统：采用计算机、PLC或单片机为控制单元，也包含驱动器及人机界面。
(4) 动力源：电源、液压源、气源。
(5) 执行元件系统：步进电动机或伺服电动机。
机械系统，即机械本体包括机架、机械连接等在内的系统支持结构，属于基础部分，用以实现产品的构造功能。传感检测系统包括各种传感器及信号检测变换电路，用于对机电产品运行时的内部状态和外部环境进行检测，提供运行控制所需要的信息。信息处理系统采用计算机、PLC或单片机为控制单元，也包含驱动器及HMI人机界面，用以实现对产品运行的控制功能。动力系统包括电源、液压源、气源等。执行元件系统包括各种电机、汽缸、电磁阀等，用以实现能量转换，把输入的能量转换成需要的形式，在控制信息作用下完成要求的动作。
机电一体化系统的5个基本组成不是被简单地拼凑在一起，而是在工作中互相补充、互相协调，共同完成所需要的任务。如图1-3所示，整个机电一体化系统各部分之间，是通过计算机系统(含计算机、PLC、嵌入式系统等)联系起来的，在机械本体的支持下，由传感器检测产品的运行状态及环境变化，将信息反馈给信息处理装置(计算机)，信息处理系统对各种信息进行处理，并按要求控制动力源驱动执行机构进行工作。一般利用人机交互形式实现人的参与控制。
 
图1-3  机电一体化系统各部分的相互关系
可以说，计算机技术、电子技术和信息技术为机械增添了“头脑”和“神经”，给机械以“智能”，并提供了新的功能和性能。
1.3  机电一体化技术与其他技术关系
1.3.1  与传统机电技术的区别
传统机电技术的操作控制主要通过具有电磁特性的电器如继电器、接触器等来实现，在设计中不考虑或很少考虑彼此间的内在联系，机械本体和电气驱动界限分明，不涉及软件和计算机控制。
机电一体化技术是以计算机为控制中心，在设计过程中强调机械部件和电气部件间的相互作用和影响，整个装置在计算机控制下具有一定的智能性。
1.3.2  与自动控制技术的区别
自动控制技术的侧重点是讨论控制原理、控制规律、分析方法和自动系统的构造等。
机电一体化技术是将自动控制原理及方法作为重要支撑技术，将自控部件作为重要控制部件，应用自控原理和方法，对机电一体化装置进行系统分析、性能计算和动作实现。
1.3.3  与计算机应用技术的区别
计算机在机电一体化系统中的应用仅仅是计算机应用技术的一部分，它还可以在办公、管理及图像处理等其他很多方面得到广泛应用。
机电一体化技术将计算机作为核心部件应用，目的是提高和改善系统性能。机电一体化技术研究的是机电一体化系统，而不是计算机应用本身。
1.3.4  对应的共性关键技术
1. 精密机械技术
机械技术是机电一体化技术的基础，因为机电一体化产品的主功能和构造功能大都以机械技术为主来实现。在机械传动和控制与电子技术相互结合的过程中，对机械技术提出了更高的要求，如对传动的精密性和精确度的要求与传统机械技术相比有了很大的提高。在机械系统技术中，新材料、新工艺、新原理以及新结构等方面在不断发展和完善，以满足机电一体化产品对缩小体积、减轻重量、提高精度和刚度以及改善工作性能等方面的要求。
2. 检测与传感器技术
在机电一体化产品中，工作过程的各种参数、工作状态以及与工作过程有关的相应信息都要通过传感器进行接收，并通过相应的信号检测装置进行测量，然后送入信息处理装置并反馈给控制装置，以实现产品工作过程的自动控制。机电一体化产品要求传感器能快速、准确地获取信息并且不受外部工作条件和环境的影响，同时检测装置能不失真地对信息信号进行放大、输送及转换。
3. 自动控制技术及信息处理技术
机电一体化产品中的自动控制技术包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、校正、补偿等。由于机电一体化产品中自动控制功能的不断加强，使产品的精度和效率迅速提高。通过自动控制，使机电一体化产品在工作过程中能及时发现故障，并自动实施切换，减少了停机时间，使设备的有效利用率得以提高。由于计算机的广泛应用，自动控制技术越来越多地与计算机控制技术结合在一起，它已成为机电一体化技术中十分重要的关键技术。该技术的难点在于现代控制理论的工程化和实用化，控制过程中边界条件的确定，优化控制模型的建立以及抗干扰等。
机电一体化产品中的信息处理技术是指在机电一体化产品工作过程中，与工作过程各种参数和状态以及自动控制有关的信息的交换、存取、运算、判断和决策分析等。在机电一体化产品中，实现信息处理技术的主要工具是计算机。计算机技术包括硬件和软件技术、网络与通信技术、数据处理技术和数据库技术等。在机电一体化产品中，计算机信息处理装置是产品的核心，它控制和指挥整个机电一体化产品的运行。因此，计算机应用及其信息处理技术是机电一体化技术中最关键的技术，它包括目前被广泛研究并得到实际应用的人工智能技术、专家系统技术以及神经网络技术等。
4. 伺服驱动技术
伺服驱动技术主要是指机电一体化产品中的执行元件和驱动装置设计中的技术问题，它涉及设备执行操作的技术，对所加工产品的质量具有直接的影响。机电一体化产品中的执行元件有电动、气动和液压等类型，其中多采用电动式执行元件，驱动装置主要是各种电动机的驱动电源电路，目前多采用电力电子器件及集成化的功能电路构成。执行元件一方面通过接口电路与计算机相连，接受控制系统的指令；另一方面通过机械接口与机械传动机构和执行机构相连，以实现规定的动作。因此，伺服驱动技术直接影响着机电一体化产品的功能执行和操作，对产品的动态性能、稳定性能、操作精度和控制质量等具有决定性的影响。
5. 系统总体技术
系统总体技术是从整体目标出发，用系统的观点和方法，将机电一体化产品的总体功能分解成若干功能单元，找出能够完成各个功能的可能技术方案，再把功能与技术方案组合成方案组进行分析、评价，综合优选出适宜的功能技术方案。系统总体技术的主要目的是在机电一体化产品各组成部分的技术成熟、组件的性能和可靠性良好的基础上，通过协调各组件的相互关系和所用技术的一致性来保证产品的经济、可靠、高效率和操作方便等。系统总体技术是最能体现机电一体化设计特点的技术，也是保证其产品工作性能和技术指标得以实现的关键技术。
1.4  机电一体化系统的分类及应用
目前，机电一体化系统或产品已深入社会的各个方面。具体地说，包括以下几个方面。
1.4.1  生产用机电一体化产品和系统
生产用机电一体化产品和系统如数控机床、机器人、加工中心、自动生产设备、柔性生产单元(Flexible Manufacturing Cell，FMC)、自动组合生产单元、柔性制造系统(Flexible Manufacturing System，FMS )、无人化工厂、计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)等。如图1-4所示为产品生产线上使用的一种码垛机器人，如图1-5所示为计算机集成制造系统(CIMS)示意图。
 
图1-4  产品生产线上使用的码垛机器人
由图1-5可见，CIMS体系结构是用来描述研究对象整个系统各个部分和各个方面的相互关系和层次结构的。从功能层方面来看，CIMS大致可以分为6层：生产/制造系统、硬事务处理系统、技术设计系统、软事务处理系统、信息服务系统、决策管理系统。
 
图1-5  CIMS示意图
 
1.4.2  运输、包装及工程用机电一体化产品
食品、医药、饮料、线缆和电子等行业常采用不同规格的纸箱进行产品装箱运输。早期基本采用人工进行纸箱封箱，工人劳动强度大，封箱操作单调，效率低。现在基本可以用自动、半自动的封箱机进行封箱，封箱速度可在20箱/min左右。如图1-6所示的纸箱封箱机，可以根据不同纸箱规格自动调节宽度及高度，通过两侧皮带驱动上下封箱。
 
图1-6  纸箱封箱机
再如，微机控制的汽车、机车等交通运输工具，数控包装机械及系统，数控运输机械及工程机械设备等，都属于运输、包装及工程用机电一体化产品。
1.4.3  储存、销售用机电一体化产品
储存、销售用机电一体化产品也很多，如自动仓库，自动空调与制冷系统及设备，自动称量、分选、销售及现金处理系统。
如图1-7所示为智能仓储系统。智能仓储系统是由立体货架、有轨巷道堆垛机、出入库输送系统、信息识别系统、自动控制系统、计算机监控系统、计算机管理系统以及其他辅助设备组成的智能化系统。通过对控制、总线、通信和信息技术的应用，智能仓储系统协调各类设备动作，以实现物品的自动出入库作业。智能仓储系统也是智能制造工业4.0快速发展的一个重要组成部分。
 
图1-7  智能仓储系统
 
1.4.4  社会服务及家庭用机电一体化产品
机电一体化技术在社会服务及家用产品中有很多应用，自动化办公设备中的复印机、打字机、扫描仪等，医疗设备中的CT机、心电图机、X光机等，环保及公共服务自动化设备中的自动清扫机、取款机、取票排队机等；文教、体育、娱乐等领域中的机电一体化产品如投影仪、跑步机、游戏机等；家电产品中除了全自动洗衣机、数字化空调、冰箱等，自动扫地机器人、服务型机器人也得到越来越广泛的应用。
图1-8为一种带定位导航的扫地机器人系统。扫地机器人(见图1-8(a))带有轻触传感器，轻轻碰触家具后，能够自动避开并绕行清扫。由于带有导航定位系统(见图1-8(b))，扫地机器人可以记录清扫路径，因此在导航范围内其清扫轨迹可以覆盖家庭的各个角落。
 
                           (a) 扫地机器人                  (b) 扫地机器人导航盒
图1-8  一种带定位导航的扫地机器人
1.4.5  科研及民用机电一体化产品
科研工作离不开测试设备、控制设备和信息处理系统，如各种分析仪器、测量与控制设备等，航空航天中的航天器、宇宙飞船、探月车等都是机电一体化产品。民用机电一体化产品包括挖掘机、收割机等。
虽然机电一体化产品深入到生活的各个方面，但机电一体化技术主要应用在数控机床、工业机器人、计算机集成与制造系统以及一些控制系统中。在未来的发展中，机电一体化技术是工业机械化发展的必然趋势。
1.5  机电一体化系统各要素之间的关系
机电一体化系统(或产品)是由若干具有特定功能的机械与微电子要素组成的有机整体，具有满足人们使用要求的功能(目的功能)。根据不同的使用目的，要求系统能对输入的物质、能量和信息进行某种处理，输出所需要的物质、能量和信息。
物质、能量和信息被称为“工业三大要素”。机电一体化系统的功能主要是对工业三大要素进行变换、传递和储存，其功能构成包括主功能、动力功能、检测功能、控制功能和构造功能。
 
1.5.1  机电一体化系统的功能构成
1. 主功能
(1) 变换(加工、处理)功能。
以物料搬运、加工为主，输入物质(原料、毛坯等)、能量(电能、液能、气能等)和信息(操作及控制指令等)，经过加工处理，主要输出改变了位置和形态的物质的系统(或产品)，被称为“加工机”。例如，各种机床(切削、锻压、铸造、电加工、焊接设备、高频淬火等)、交通运输机械、食品加工机械、起重机械、纺织机械、印刷机械、轻工机械等。
(2) 传递(移动、输送)功能。
以能量转换为主，输入能量(或物质)和信息，输出不同形式能量(或物质)的系统(或产品)，被称为“动力机”。其中输出机械能的为原动机，例如电动机、水轮机、内燃机等。
(3) 储存(保持、积蓄、记录)功能。
以信息处理为主，输入信息和能量，主要输出某种信息(如数据、图像、文字、声音等)的系统(或产品)，被称为“信息机”。例如，各种仪器、仪表、电子计算机、电报传真机以及各种办公机械等。
2. 动力功能
动力功能是为系统提供所需动力、让系统得以运转的功能，其主要参数有输入能量、能源。
3. 检测功能
检测功能的作用是检测系统内部信息和外部信息，其主要参数有精度和速度。
4. 控制功能
控制功能的作用是根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转，以实现“目的功能”，其主要参数有控制输入/输出口个数、手动操作、自动操作。
5. 构造功能
构造功能是将组成系统的各要素组合起来，进行空间匹配，以形成一个统一整体，其主要参数有尺寸、重量、强度。
图1-9表明了机电一体化系统对工业三大要素进行变换、传递和储存的功能。表1-1表明了机电一体化系统要素及功能与人体要素的对应关系。
 
图1-9  机电一体化系统的功能
 
表1-1  机电一体化系统要素及功能与人体要素的对应关系
机电一体化系统要素	功  能	人体要素
控制器(计算机等)	控制(信息存储、处理、传送)	头脑
检测传感器	计测(信息收集与变换)	感官
执行元件	驱动(操作)	肌肉
动力源	提供动力	内脏
机构	构造	骨骼
1.5.2  机电一体化系统中接口的定义
机电一体化系统由许多要素或子系统构成，各要素或子系统之间必须能顺利进行物质、能量和信息的传递与交换。为此，各要素或各子系统相接处必须具备一定的联系条件，这些联系条件被称为“接口”(interface)。如图1-10所示为机电一体化系统的内外部接口示意图。
 
图1-10  机电一体化系统的内外部接口
根据接口的变换、调整功能，可将接口分成以下4种。
(1) 零接口。不进行任何变换和调整、输出即为输入等，仅起连接作用的接口，被称为“零接口”。例如，输送管、接插头、接插座、接线柱、传动轴、导线、电缆等。 
(2) 无源接口。只用无源要素进行变换、调整的接口，被称为“无源接口”。例如，齿轮减速器、进给丝杠、变压器、可变电阻器及透镜等。
(3) 有源接口。含有有源要素、主动进行匹配的接口，被称为“有源接口”。例如，电磁离合器、放大器、光电耦合器、D/A转换器、A/D转换器及力矩变换器等。
(4) 智能接口。含有微处理器，可进行程序编制或可适应性地改变接口条件的接口，被称为“智能接口”。例如，自动变速装置，通用输入/输出LSI(8255等通用I/O)、GP-IB总线、STD总线等。
根据接口的输入、输出功能，也可将接口分为4种。
(1) 机械接口：由输入/输出部位的形状、尺寸、精度、配合、规格等进行机械连接的接口，被称为“机械接口”。例如，联轴节、管接头、法兰盘、万能插口、接线柱、插头与插座等。
(2) 物理接口：受通过接口部位的物质、能量与信息的具体形态和物理条件约束的接口，被称为“物理接口”。例如，受电压、频率、电流、电容、传递扭矩的大小及气体成分(压力或流量)约束的接口等。
(3) 信息接口：受规格、标准、法律、语言、符号等逻辑、软件约束的接口，被称为“信息接口”。例如，GB、ISO、ASCII码、RS232、FORTRAN、C、C++、C#等。
(4) 环境接口：对周围环境条件(温度、湿度、磁场、火、振动、放射能、水、气、灰尘)有保护作用和隔绝作用的接口，被称为“环境接口”。例如，防尘过滤器、防水连接器、防爆开关等。
广义的接口功能有两种，一种是输入、输出，另一种是变换、调整。
从这一观点出发，系统的性能在很大程度上取决于接口的性能，各要素和各子系统之间的接口性能就成为综合系统性能好坏的决定性因素。
如图1-11(a)所示为构成人体的五大要素，如图1-11(b)所示为机电一体化产品的五大要素。由此可以看出，机电一体化是由机械本体(相当于人体的骨骼)、控制系统(相当于人体的大脑)、检测装置(相当于人体的感官)、动力装置(相当于人体的肌肉)、执行机构(相当于人体的四肢)几部分构成。
 
                              (a)                          (b)
图1-11  机电一体化产品五大要素与人体五大要素的对应关系
总之，构成机电一体化系统的要素很多，各要素之间并非彼此无关或简单拼凑、叠加在一起，工作中它们各司其职，互相补充、互相协调，共同完成所规定的功能。在结构上，机电一体化系统的各组成要素通过各种接口及相关软件有机地结合在一起，构成一个内部合理匹配、外部效能最佳的完整产品。
1.6  机电一体化的发展
机电一体化的发展大体可以分为三个阶段。
20世纪60年代以前为第一阶段，这一阶段被称为“初级阶段”。在这一时期，人们利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。例如，美国在1952年成功研制出世界上第一台数控机床，并发明了可编程机器人。
20世纪70—90年代为第二阶段，这一阶段为“蓬勃发展阶段”。这一时期，计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础；大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。机电一体化的发展具体体现在机电一体化技术在汽车工业上的应用，然后在工程机械方面的推广，其主要应用领域是数控机床，提高了数控机床的技术精度和操控性，极大地提高了工作效率。随着微电子技术的研究和发展，机电一体化产品也在不断更新；传感测控技术和信息转换技术的结合运用，在工业机器人的软件设计和编程等关键领域取得了技术上的巨大进步。
20世纪90年代后期，开启了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段，机电一体化进入深入发展时期。一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头角，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面，对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势的研究不断深入。通信和计算机网络技术的发展，以及人工智能技术在这一时期取得的巨大进步，促进了分布式系统的形成，使不少机器可以遥控操作、智能化操作。
进入21世纪以来，机电一体化技术得到了更大的发展，传感器的性能也进一步得到提高，对传感器信号处理和判断的智能化程度达到了更高的水平，出现了具有更高柔性和自适应性的机电一体化系统。随着科学技术的进步，国内外机电一体化将朝着绿色化、智能化、网络化、微型化、模块化方向发展，各种技术相互融合的趋势也将越来越明显。以机械技术、微电子技术、计算机技术的有机结合为主体的机电一体化技术是机械工业发展的必然趋势，机电一体化技术的发展前景也将越来越广阔。
1.6.1  智能化
智能化是机电一体化与传统机械自动化的主要区别之一，也是21世纪机电一体化的发展方向。近几年，处理器速度的提高、微机的高性能化、传感器系统的集成化与智能化为嵌入智能控制算法创造了条件，有力地推动着机电一体化产品向智能化方向发展。智能机电一体化产品可以模拟人类智能，具有某种程度的判断推理、逻辑思维和自主决策能力，从而可以取代制造工程中人的部分脑力劳动。
图1-12为快递智能分拣机器人。这种智能分拣机器人的体型很小，动作灵活，主要针对小件包裹。它可以扫码、称重及分拣，运行速度可达到3m/s，每小时可完成分拣约20万件。若采用人工操作，每天只能分拣5万件，机器人将分拣效率提高到四倍，准确率达100%，避免了人工分拣差错率高带来的二次处理成本的浪费，也避免了分拣员操作中出现的抛件现象。
 
图1-12  快递智能分拣机器人
机电一体化技术虽然不能达到人脑的智能化程度，但是机电一体化产品微处理器的准确性和高性能还是可以实现的。因此，智能化是机电一体化的发展方向。
1.6.2  系统化 
系统化的表现特征之一是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意的剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现特征之二是通信功能大大加强，除RS-232等常用通信方式外，实现远程及多系统通信联网需要的局部网络正逐渐被采用。对机电一体化产品还可根据一些生物体优良的构造研究某种新型机体，使其向着生物系统化方向发展。图1-13为餐厅送餐机器人，机器人可以通过色彩感应或者磁条感应进行准确送餐，且具有避障、语音识别功能，可以和客人对话互动。因此，机电一体化产品的系统化将是它发展的必然趋势。
1.6.3  微型化 
微型机电一体化系统高度融合了微机械技术、微电子技术和软件技术，是机电一体化的一个新的发展方向。国外称微电子机械系统的几何尺寸一般不超过1cm，并正向微米、纳米级方向发展。
由于微机电一体化系统具有体积小、耗能小、运动灵活等特点，可进入一般机械无法进入的空间并易于进行精细操作，故在生物医学、航空航天、信息技术、工农业乃至国防等领域都有广阔的应用前景。图1-14为美国哥伦比亚大学科学家研制的纳米蜘蛛机器人，大小仅有4nm。利用纳米机器人，可以帮助人们进行外科手术、清理动脉血管垃圾等。
 
图1-14  纳米蜘蛛机器人
1.6.4  模块化 
模块化也是机电一体化产品的一个发展趋势，是一项重要而艰巨的工程。由于机电一体化产品的种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、信息接口的机电一体化产品单元是一项复杂而重要的事，它需要制定一系列标准，以便各部件、单元进行匹配和接口。机电一体化产品生产企业可利用标准单元迅速开发新产品，同时也可以不断扩大生产规模。 
 
1.6.5  网络化 
网络技术的飞速发展对机电一体化有重大影响，使其朝着网络化方向发展。机电一体化产品的种类很多，面向网络的方式各有不同。由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。 
“基于物联网的机电产品协同设计制造”是近年来提出的一种产品开发、设计、制造模式，在物联网支持的环境中，一个群体协同工作完成一项机电产品的开发。作为以互联网为基础而延伸形成的新一代网络技术，物联网将成为未来实现机电产品智能化、实现产业升级与行业进步的必经之路。
1.6.6  绿色化 
工业发达使人们物质丰富、生活舒适的同时也使资源减少，生态环境受到严重污染，于是绿色产品应运而生。绿色化是时代的趋势，其目标是使产品在从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对生态环境无危害或危害极小，资源利用率极高。机电一体化产品的绿色化主要是指使用时不污染生态环境，报废时能回收利用。绿色制造业是现代制造业的可持续发展模式。
综上所述，机电一体化是众多科学技术发展的结晶，是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。它促使机械工业发生战略性的变革，使传统的机械设计方法和设计概念发生革命性的变化。大力发展新一代机电一体化产品，不仅是改造传统机械设备的要求，而且是推动机械产品更新换代、开辟新领域以及发展与振兴机械工业的必由之路。
复习思考题
一、简答题
1. 简述机电一体化设备的特点。
2. 简述机电一体化系统的发展方向。
3. 机电一体化的接口有哪些？
4. 机电一体化的相关技术有哪些？
5. 什么是“机电一体化”？
6. 说明“基于物联网的机电产品协同设计制造”的关键技术。
7. 说明快递分拣机器人所包括的功能及实现方法。
8. 说明机电一体化系统的组成。
9. 机电一体化系统通常包括哪两个方面？其特点是什么？
10. 举例说明典型的机电一体化产品有哪些。
11. 说明机电一体化系统的概念。
12. 举例说明社会服务性机电一体化产品。
13. 举例说明储存、销售用机电一体化产品。
14. 举例说明印刷包装机电设备产品。
15. 简要说明机电一体化系统中接口的定义。
16. 简要说明什么是零接口并举例。
17. 举例说明机械接口有哪些。
18. 从人体构成五大要素说明机电一体化系统的五大要素。
19. 机电一体化系统产品的设计类型大致有三种，开发性设计、适应性设计和变异性设计，请回答变异性设计的内容。
20. 一个典型的机电一体化系统应包含哪些基本要素？
二、填空题
1. (    )技术、(    )技术和(    )技术为机械增添了“头脑”和“神经”，给机械以“智能”，并提供了新的功能和性能。
2. 机电一体化技术是以(    )为控制中心，在设计过程中强调(    )部件和(    )部件间的相互作用和影响，整个装置在计算机控制下具有一定的智能性。
3. 机电一体化产品中的执行元件有(    )、(    )和(    )等类型。
4. 工业三大要素：(    )、(    )和(    )。
5. 机电一体化系统具有三大目的功能：(    )、(    )和(    )。
6. 广义的接口功能有两种，一种是(    )；另一种是(    )。
7. 社会服务性机电一体化产品有(    )、(    )和(    )等。
8. 智能机电一体化产品可以模拟某些(    )智能，具有某种程度的(    )、(    )和(    )能力，从而取代制造工程中人的部分脑力劳动。
9. 机电一体化产品系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用(    )和(    )的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意的(    )和(    )，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。
10. 机电一体化系统是由若干具有特定功能的(    )要素组成的有机整体。
11. 机电一体化的发展有一个从自发状况向(    )发展的过程。
12. 用来评价机电一体化产品或系统质量的基本指标，是指那些为了满足(    )要求而必须具备的输出参数。
13. 机电一体化的研究方法应该从系统的角度出发，采用(    )分析方法，充分发挥(    )学科技术的优势。
14. 机电一体化系统的设计程序包括(    )、(    )和(    )。
15. (     )设计是现代设计最前沿的一种方法。
16. 在某种意义上讲，机电一体化系统设计归根结底就是(    )。
17. 机电一体化系统设计考虑的方法通常有(    )、(    )和(    )。
18. 防尘过滤器、防水连接器和防爆开关为(    )接口。

 
第2章  位置控制的数学方法
 
?	掌握插补的基本概念和原理。
?	重点掌握逐点比较法的直线插补和圆弧插补的概念和原理，能够进行插补程序设计。
?	了解轮廓步长法插补方法。
2.1  概    述
传统凸轮、连杆等机构可以实现复杂的运动规律，这些机构的运动规律是不可变化的。
机电一体化系统中经常需要运动规律能够实现变化的装置或设备，典型如数控机床、机器人等。运动规律的变化往往通过旋转运动或直线运动的合成来实现。
每个旋转、直线的运动轴被称为“坐标轴”(维数、自由度)，每个坐标轴的运动控制是由可控执行元件实现的(其位置、速度、方向可控)。运动的合成需要由计算机控制程序、数学算法实现,  位置控制精度决定机电一体化系统的性能。
2.2  插 补 运 算
完成位置控制的数学方法——插补运算。
插补(轨迹离散化)是在运动轨迹的起点和终点间再密集确定出一系列中间点，用来合成和协调各坐标轴运动，使目标沿这些中间点移动来逼近设定的轨迹。
位置控制驱动有两大类系统：一类是开环系统，采用步进电动机驱动，没有检测装置和反馈；另一类是闭环(半闭环)系统，采用交流或直流伺服电动机驱动，有检测装置和反馈。
目前针对上述两类系统的插补运算方法很多，本章将以直角坐XY数控工作台为例(如图2-1所示)，介绍适合步进电动机驱动的逐点比较法插补和适合交直流伺服电动机驱动的轮廓步长法插补。
2.3  逐点比较法的直线和圆弧的插补原理 
逐点比较法的直线和圆弧的插补原理适用于开环系统。采用步进电动机驱动, 每个时刻只有一个坐标轴运动。运动每走一步就与设定轨迹比较一下，以确定下一步的走向，从而逼近设定的轨迹。
逐点比较法插补原理可分为4个节拍。
① 偏差判别→判别运动点是否偏离设定轨迹及偏离程度。    
② 驱动→根据①的结果运动点向逼近设定轨迹方向前进一步。
③ 偏差计算→运动到新点计算新的偏差。
④ 终点判别→是否到达轨迹终点，若没有到达终点返回到①节拍，若到终点则停止。
步进电动机驱动实现的轨迹实际是折线，与设定轨迹存在误差，其最大误差为脉冲当量。 
2.3.1  逐点比较法插补原理
1. 动点运动方向
如图2-2所示，设 为直线 上的点，则直线方程为
                               (2-1)
式中： ， ——插补直线的终点坐标。
根据式(2-1)，取函数 
                              (2-2)
式(2-2)的值被称为“偏差函数”。
如图2-2所示， 为步进电动机驱动实现运动轨迹上的点，也被称为“动点”。该动点可以在直线上，也可以在直线的上方或者下方，即动点轨迹与直线 的关系有3种情形。
(1) 动点在直线的上方： ，或 。
(2) 动点在直线上： 。
(3) 动点在直线的下方： 。
因此，根据判别式偏差函数的大小，可决定下一步是 轴上的还是 轴上的步进电动机工作。
 	 
图2-2  直线插补	图2-3  动点的运动方向
如图2-3所示，动点的运动方向可规定为：
当 时，表明动点在直线的上方或在直线上，应沿 方向走一步(即 方向走一个脉冲当量)；当 时，表明动点在直线的下方，应沿 方向走一步(即沿 方向走一个脉冲当量)。
为什么这么规定？可用图2-3所示的动点运动方向加以说明(注：实际计算中所有坐标值( 和 )均取脉冲数)。
如图2-3所示，点在直线上方和下方各有4个可以运动的方向，显然上 、上 、下 、下 运动偏离设定的轨迹；只有上 和下 使合成运动朝终点目标方向；其他组合会产生振荡或与终点目标方向相反。点在直线上时沿 和 均可。
2. 偏差计算公式
步进电动机每走一步，都要重新计算偏差函数，以便确定下一步动点的运动方向。为了简化计算，可以采用递推公式的方法来计算偏差。
采用递推公式计算偏差，方法如下。
向 方向走一步，则 
                    (2-3)
向 方向走一步，则 ，即
                             (2-4)
上述式(2-3)和式(2-4)被称为偏差计算的递推公式，即使用前一次计算的偏差值和终点值，只做一次加(或减)法便可得到新的偏差值，相对采用式(2-2)来计算偏差，少算两次乘法运算，其运算量在早期的控制器上可大大提高运算速度。如果控制器的运算速度很高，则也可用式(2-2)来计算偏差函数。采用式(2-2)进行计算，不存在迭代累积误差。
3. 插补的终点判别
(1) 按插补总步数。
插补运算实现预定轨迹，可用插补总步数作为判别是否到达终点的条件，即 
                              (2-5)
式中： ——插补的总步数。
式(2-5)表明 方向脉冲数+ 方向脉冲数为总的插补步数。设插补步数计数变量 = , 每向 或 方向走一步， 步数减1，直到等于总步数 =0，停止。
(2) 分别判断各坐标轴的运动步数，即用 、 作为判别条件。
4. 逐点比较法直线插补举例
图2-4中，对于第一象限直线 ，终点坐标 ， ，插补从直线起点 开始，故 ；终点判别是判断进给总步数 ，将其存入终点判别计数器中，每运动一步减1，若 ，则停止插补，运动轨迹如图2-4所示。
表2-1表示该直线逐点比较法直线插补计算的步骤。第一步，偏差为0，应向+ 走一步，重新计算偏差小于0，同时将终点判别变量减1，进入第二步，由于偏差小于0，因此应向+ 走一步。其余类推。
表2-1  逐点比较法直线插补计算
步  数	偏差判别	驱动方向	偏差计算 
终点判别 			 
    1	 
 
 
    2	 
 
 
  
续表
步  数	偏差判别	驱动方向	偏差计算 
终点判别    3	 
 
 
    4	 
 
 
    5	 
 
 
 
5. 直线插补其他象限与第一象限关系
(1) 由图2-5可看出，各象限进方向与 或 轴是对称的。
(2) 只需改变运动方向(改变电机转向)，其计算方法可以不用改变。因此可用式(2-6)、式(2-7)作为4个象限通用的递推公式(终点坐标取绝对值)。 
 
图2-5  直线插补各象限关系
向 终点方向走一步：
                            (2-6)
向 终点方向走一步：
                               (2-7)
直线插补象限判别发电机转向关系如表2-2所示。
表2-2  直线插补象限判别及电机转向关系
象  限	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅳ
终点坐标xe	>0	<0	<0	>0
终点坐标ye	>0	>0	<0	<0
x向电机	正转	反转	反转	正转
y向电机	正转	正转	反转	反转

6. 直线插补程序流程
直线插补程序流程框图如图2-6所示。
初始化包括：
(1) 根据 和 值判断直线所在象限，并确定电机转向。
(2) 确定 的值。
(3)  。
 
图2-6  直线插补程序流程框图
2.3.2  圆弧插补原理
如图2-7所示为第一象限(逆时针)圆弧插补法。
 
图2-7  圆弧插补法
设圆弧半径为R，则圆弧方程为： 。
 
取 作为偏差判别函数，则动点 有三种情形。
(1) 在圆弧外： ；
(2) 在圆弧上： ；
(3) 在圆弧内： 。
规定在第一象限逆时针(逆圆)插补：当动点在圆弧内时，向 方向走一步；当动点在圆弧外或圆弧上时，向 方向走一步。由于插补向 和向 每次走的步数不一定相同，因此，动点 用角标i表示，动点 用角标j 表示，即
向 走一步后，动点 ： ,动点 不变，则
                     (2-8)
向 走一步后，动点 i不变，动点y： ，则
                        (2-9)
同理，可推导第一象限的顺时针圆弧递推公式。
向 走一步后： 
                             (2-10)
向 走一步后： 
                             (2-11)
第一象限顺逆圆弧和其他象限圆弧的关系如图2-8所示。
 
                     (a)                                               (b)
图2-8  第一象限顺逆圆弧和其他象限圆弧关系
 
如图2-8(a)所示, 第一象限为逆圆插补；第二象限，顺圆；第三象限，逆圆；第四象限，顺圆。如图2-8(b)所示，第一象限为顺圆插补；第二象限，逆圆；第三象限，顺圆；第四象限，逆圆。
仅以图2-8(a)第二象限的顺时针圆插补为例，第二象限顺圆与第一象限的逆时针圆弧相对于 轴对称，可以用第一象限的逆时针圆弧插补公式，不过要注意轴的驱动方向，以及坐标值应取绝对值。
表2-3表明各象限顺圆、逆圆，根据偏差判别，确定插补的走向关系。
表2-3  圆弧插补象限判别及电机转向关系
圆弧方向	偏差判别	第一象限	第二象限	第三象限	第四象限
顺时针	 
 
 
 
 	 
 
 
 
 逆时针	 
 
 
 
 	 
 
 
 
 2.3.3  逐点比较法圆弧插补举例
如图2-9所示，对于第一象限圆弧 ，起点 ，终点 ，采用逐点比较法实现圆弧插补，其实现过程可用表2-4进行说明。
 
图2-9  第一象限圆弧逆圆插补轨迹
表2-4  第一象限圆弧逆圆插补方法
偏差判别	驱  动	偏差计算	坐标计算	终点判断
		 
  
    
  
  
  
    
  
  
 
    
  
  
  
    
  
  
  
   
续表
偏差判别	驱  动	偏差计算	坐标计算	终点判断
  
  
  
  
    
  
  
  
    
  
  
  
    
  
  
  
  2.3.4  多段组合位置控制说明
对于多段组合，可以先通过移动坐标系方式，然后再用相关的插补方法进行位置控制。
如图2-10所示，图中直线 、 ，圆弧 、 为设定轨迹，由 点运动到 点，经过坐标系移动，可以看出直线 在第三象限，直线 在第一象限，圆弧 、 、 分别是第二象限、第一象限、第四象限的顺时针圆弧(圆弧象限需要过象限处理)。
 
图2-10  多段组合位置控制曲线
2.4  轮廓步长法插补
以交、直流伺服电动机为驱动的闭环系统中，采用时间分割法(亦称“数据采样法”)插补，根据计算机的运算速度确定时间间隔，被称为“插补周期”。在此周期中完成一次插补运算，使各轴在坐标方向上移动一段距离，同时对各坐标运动增量采样，反馈给计算机进行比较，根据目标点移动速度把轮廓分割成插补周期内移动段——轮廓步长。   
采用时间分割法，根据进给运动速度 和插补周期 ，将轮廓型曲线分割成一段段的轮廓步长 (一个插补采样周期的轮廓步长)，然后计算出每个插补周期的各个坐标增量。
轮廓步长：                                                 (2-12)
式中： ——插补周期内轮廓步长,mm；
   ——动点进给运动速度，mm/min；
   ——插补周期，ms。
插补周期大于插补运算时间与完成其他实时任务时间之和，现代闭环系统一般为毫秒级，有的已达到零点几毫秒。
由式(2-12)计算出系统的轮廓步长，再把其分解各个坐标轴的分量(增量) 、 ，由伺服系统控制各轴电机在插补周期 时间内以各轴分速度移动一个分量长度。
2.4.1  轮廓步长法直线插补
如图2-11所示， 为直线与 轴的夹角。由此可以计算出 轴和 轴的增量 、 。
 
图2-11  x、y轴增量与轮廓步长关系
由于 ， ，所以可得
                                 (2-13)
                                 (2-14)
2.4.2  轮廓步长法圆弧插补(逆时针)
第一象限逆时针圆弧如图2-12所示, 可得圆方程
                                 (2-15)
设 弦线为内接弦，作为系统 的轮廓步长 ，代替弧线进给； 为其中点, 则 垂直 , 与 轴夹角为 ，两个直角三角形相似。则有
                                (2-16)
                                 (2-17)
将式(2-16)和式(2-17)代入式(2-15)可得
                   (2-18)
由式(2-18)可得
                        (2-19)
 
 
图2-12  第一象限圆弧
如图2-12所示，可得
                              (2-20)
                             (2-21)
                    (2-22)
由于 点位置的变化,  不是固定值，在此取近似值 ，并用 代替 和 , 得 
                       (2-23)
由于 和 远大于 ，上述近似误差很小。
由此，可以按4个公式顺序，即 ， ， 和 ，计算出 和 增量 、 。
由圆方程得到 增量，保证了 点落在圆弧上。以内接弦进给代替弧线进给，提高了圆弧插补的精度。
对于第一象限顺时针圆弧，读者可以自行进行推导。
轮廓步长法象限处理可参考逐点比较法。
对于复杂的、没有数学函数的曲线，可以用圆弧、直线拟合方式转化为圆弧、直线插补。空间曲线插补可以参考相关文献。
 
复习思考题
一、填空题
1. 每个旋转、直线的运动轴被称为“坐标轴”，每个坐标轴的运动控制是由(可控执行元件)实现的。运动的合成需要由计算机(    )、数学算法实现，(    )精度决定机电一体化系统的性能。
2. 步进电动机驱动实现的轨迹实际是(    )，与设定轨迹存在误差，其最大误差为(    )。 
3. 插补运算实现预定轨迹，可用(    )作为判别是否到达终点的条件。
4. 机电一体化系统中经常需要运动规律能够实现变化的装置或设备，典型的如(    )、(    )等。
5. 机电一体化系统中完成位置控制的数学方法是(    )。
6. 机电一体化系统运动规律的变化往往通过由(    )运动或(   )运动的合成实现的。
7. 机电一体化系统位置控制驱动有两大类系统：一类是(    )系统，采用步进电动机驱动，没有检测装置和反馈；另一类是(    )系统，采用交流或直流伺服电动机驱动，有检测装置和反馈。
8. 第一象限逆圆插补，当动点在圆弧内时，向(    )方向走一步；当动点在圆弧外时，向(    )方向走一步。
9. 第二象限逆圆插补，当动点在圆弧内时，向(    )方向走一步；当动点在圆弧外时，向(    )方向走一步。
10. 逐点比较法的直线和圆弧的插补原理适用于(    )系统。
二、简答题
1. 简要说明插补的概念。
2. 说明插补的原理？
3. 说明逐点比较法4个节拍及含义是什么？
三、选择题
1. 如图2-13所示，直线插补运动轨迹走向由A到B，属于(    )直线插补。
A. 第一象限	B. 第二象限	C. 第三象限	D. 第四象限
 
图2-13  直线插补
2. 如图2-13所示，直线插补运动轨迹走向由B到A，属于(    )直线插补。
A. 第一象限	B. 第二象限	C. 第三象限	D. 第四象限
3. 传统凸轮、连杆等机构可以实现复杂的运动规律，这些机构的运动规律是(    )的。
A. 不可变化		B. 可变化
C. 根据程序可修改	D. 未知
4. 如图2-14所示，组合位置控制直线插补，动点轨迹由A点运动到B点，然后到C点，经过坐标系移动，可以看出直线AB在(    )，直线BC在第一象限。
A. 第一象限	B. 第二象限	C. 第三象限	D. 第四象限
 
图2-14  组合位置控制直线插补
5. 在第一象限的直线插补，起点坐标为A(0,0)，B(3000,2000)，单位为脉冲数，终点使用总步数判别，总的步数是(    )。
A. 3000	B. 2000	C. 5000	D. 10000
四、综合题
如图2-15所示，设圆心 为原点，给出圆弧起点坐标 和终点坐标 ，由于圆的半径为 ，设圆弧上任一点坐标为 ，则有
 
选择判别函数 为
 
(1) 根据动点所在区域不同，说明：
①  ,  动点所在位置。
②  ,  动点所在位置。
③  ,  动点所在位置。
(2) 说明按什么规则，实现第一象限逆时针方向的圆弧插补。
(3) 设起点坐标 和终点坐标 分别为 和 ，系统的脉冲当量 ，则 向和 向步进电动机各需走多少步？
(4) 如何控制步进电动机的插补速度？
(5) 终点是如何判别的？
 
 
图2-15  逆时针圆弧插补