机电一体化系统设计张建民一总论.ppt

机电一体化系统设计机电一体化系统设计 张建民 等编著高等教育出版社讲授：刘翔高级工程师机电动力与信息工程系学以求精 行以求正第一章第一章 概概论论论论 第1.1节节 概述1.1.1 机电电一体化的内涵 机械学（Mechanics）+ 电电子学（Electronics） = 机电电一体化 或 机械电电子工程（Mechatronics）1.1.2 机电电一体化的定义义和主要目的 定义：在机械的主功能、动力功能、信息功能、控制功能基础上引入微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机地结合所构成的系统总称 主要目的：增加机械系统或装置的附加值和自动化程度 图1.1 机电一体化的涵义 学以求精 行以求正机电一体化技术主要研究方向机电一体化技术主要研究方向 机电电一体化产产品或系统统的原创创性研究与设设计计——原创创性设计设计 机电电一体化产产品或系统统的机械系统统（或部件）与微电电子系统统（或部件）相互转换转换 或有机结结合研究与设计设计 ——变变异性设计设计 机电一体化技术研究的主要内容 主要研究“省能源、省资资源、智能化”三大基本要素，形成交叉学科的基础础理论论知识识，解决机电电一体化（技术术）设计设计 中的核心技术问题术问题 ——接口技术术。

原创创性设计设计学以求精 行以求正1.1.3 1.1.3 机机电电电电一体化技一体化技术术术术的的发发发发展展 历历历历史史（1）基础设计础设计 理论论、研究方法的形成 （二次世界大战前）（2）电电子技术术的时时代（二次世界大战以来）（3）微电电子技术时术时 代 （工业自动化的大量应用）（4）机电电一体化技术术理论论体系的初步形成（智能化产品或装置的出现）（5）计计算机技术术与工业业控制软软件的应应用（智能化—省能源—省资源）（6）工业业自动动化和产产品自动动化（智能化— 自动化—增加附加值）（7） 未来发发展方向（高度智能化和 自动化）第第1.21.2节节节节 优优优优先先发发发发展机展机电电电电一体化系一体化系统统统统的的领领领领域域 及其共性关及其共性关键键键键技技术术术术 1. 检测传感技术2. 信息处理技术3. 自动控制技术4. 伺服驱动技术5. 精密机械技术6. 系统总体技术学以求精 行以求正第第1.31.3节节节节 机机电电电电一体化系一体化系统统统统的构成要素与功能构的构成要素与功能构成成 1.3.1 机电一体化系统的构成要素与功能特征 五大功能构成要素：机械系统、电子信息处理系统、动力系统、传感系统、执行控制系统（元件）。

学以求精 行以求正重要功能特征：重要功能特征： 以能源转换为主功能特征 以信息转换为主功能特征学以求精 行以求正三大目的功能：三大目的功能：——变换功能（加工处理）；——传递功能（移动、输送）；——储存功能（保持、积蓄、记录） 控制方式：——线性控制方式；——非线性控制方式；——智能控制方式学以求精 行以求正1.3.2 1.3.2 机电一体化系统具有的主要功能要素机电一体化系统具有的主要功能要素 主功能、信息功能、控制功能、动力功能、构造功能 以及各子系统的匹配技术（核心）—— 接口技术 机电电系统统五种内部功能构成 CNC机床内部功能构成学以求精 行以求正 接口技术的作用： 为实现机械、电子、信息等各异技术在机电一体化系统中的物质、能源、信息的传递与转换，达到系统所需的目的功能 接口技术的功能： 系统输入/输出接口信息的匹配 系统信息的转换、调整，能源信息匹配第1.4节节 机电电一体化系统统构成要素之间间的连接学以求精 行以求正 接口技术的分类：接口技术的分类： · 按变换调整功能分类：零接口，无源接口，有源接口，智能接口。

· 按输入输出功能分类：机械接口、物理接口、信息接口、环境接口 实际上，机电一体化技术研究的核心问题就是接口技术问题第第1.51.5节节节节 机机电电电电一体化系一体化系统统统统的的评评评评价体系价体系 依据提高机电一体化产品或系统附加价值的各项综合指标作为评价体系的制定标准，即五大内部功能要素指标系统统（产产品）内部功能 评评 价 参 数 系统统（产产品价值值）高低主功能 系统误统误 差抗干扰扰能力废废弃物输输出变换变换 效率小强少高大弱多低动动力功能 输输入能量能 源少内装多外装控制功能可控输输入输输出接口数操作动动作数多少少多构造功能尺寸、重量强度小、轻轻高大、重低计测计测 功能或信息获获取精度灵敏度高响应应快低响应应慢学以求精 行以求正图图1-7 1-7 系统内部功能的发展方向及评价内容系统内部功能的发展方向及评价内容 学以求精 行以求正第第1.61.6节节节节 机机电电电电一体化系一体化系统统统统的的设计设计设计设计 方法与方法与类类类类型型 1.6.1 机电电一体化系统设计统设计 的一般原则则 原则：从规范性、通用性、环境性、可靠性、经济性等多方面综合分析，结合现代设计方法和手段，达到机电一体化系统设计的三大目的省能源、省资源、智能化，提高机电产品的附加值和自动化程度。

常用的设计方法：机电互补法 机电结合（融合）法 机电组合法 常见的设计类型：开发性设计 适应性设计 变异性设计 学以求精 行以求正第第1.71.7节节节节 机机电电电电一体化系一体化系统统统统的的设计设计设计设计 流流程程 1.7.1 设计内容（1）确定产品规格、性能指标 —— 运动参数、动力参数、品质参数2）系统功能部件要素的划分 —— 功能部件选择、设计和与系统主功能的匹配3）接口设计 —— 机械接口、物理接口、信息接口、环境接口（（4 4）综合评价或系统评价）综合评价或系统评价—— 系统性能、结构质量的各种定量指标和参数，系统的附加价值，满足设计或用户需求的功能性产品或系统为前提评价方法依据产品要求有所不同 （5）可靠性复查 （6）试制与调试 —— 样机制造与调试、试验7）最终产品结果评价 —— 是否达到设计或用户要求 1.7.2 1.7.2 设计设计 流程：流程：学以求精 行以求正第第1.81.8节节节节 机机电电电电一体化工程与系一体化工程与系统统统统工程工程1.8.1 机电一体化工程 机电一体化工程是系统工程在机电一体化系统设计中的具体应用。

它是从系统工程观点出发，应用机械、微电子相关技术，使机械技术、微电子技术有机结合，实现系统或产品整体优化的综合性技术1.8.2 系统工程 系统工程是数学方法和工程方法的汇集，是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，既包括“系统”，又包括：“工程”第第1.91.9节节节节 机机电电电电一体化系一体化系统统统统的的设计设计设计设计 程序、准程序、准则则则则与与规规规规律律1.9.1 设计程序 总体设计→部件设计与选择→技术设计与工艺设计1）总体设计 明确设计思想和概念—→分析系统（产品）的综合性能指标要求—→类似产品调研和市场调研—→划分部件或子系统的功能模块—→决定系统和部件、子系统的性能参数—→拟定总体可行性方案（采用不同的设计方法和手段达到设计目的的多种方案）—→方案评价与对比、方案定型—→编写总体方案的可行性论证书—→专家评定鉴定—→确定最终总体设计方案（（2 2））部件（或关键零件）选择与设计部件（或关键零件）选择与设计 部件主要性能指标确定—→部件选择与设计—→明确技术手段3）技术设计术设计 与工艺艺性设计设计 技术设计应充分考虑实现系统（产品）功能要素的工艺特性、制造手段与能力——工艺基础；反之，工艺性设计要以满足实现系统（产品）各功能要素为前提或目的——保证性能、质量、增加附件价值。

1.9.2 机电电一体化系统统（产产品）设计设计 准则则 以节省能源、节省资源、智能化，提高系统的附加值，实现系统目的功能为设计准则，使系统具有高的可靠性、适应性、完善性为设计目标1.9.3 机电电一体化系统设计统设计 的一般规规律（1）确定零部件之间的逻辑和物理关系 功能划分—→确定逻辑关系—→确定功能结构—→建立数学或者物理模型—→实现系统方案设计和技术设计（2）确定实现系统各功能结构的手段和方法 链状结构（串联）；平行结构（并联）；反馈闭环结构第第1.101.10节节节节 机机电电电电一体化系一体化系统统统统的开的开发发发发工程工程 与与现现现现代代设计设计设计设计 方法方法1.10.1 开发工程重点研究：★系统模块化设计；★功能组件的外购外协配套与标准化；★专用功能部件（子系统）开发和研制；★专业化生产方式的优势和特点；★设计能达到高效、高质量、高可靠性的设计制造效果第第1.101.10节节节节 机机电电电电一体化系一体化系统统统统的开的开发发发发工程与工程与现现现现代代设计设计设计设计 方方法法 学以求精 行以求正第第1.101.10节节节节 机机电电电电一体化系一体化系统统统统开开发发发发工程与工程与现现现现代代设计设计设计设计 方方法法 1.10.2 现代设计方法 以计算机为辅助手段进行系统（产品）设计方法的总称。

机电一体化设计方法与现代设计方法的融合是优质、高效、快速实现机电一体化系统（产品）设计的有效方法和基本条件 计算机辅助设计与制造（CAD/CAN） 并行工程设计——全寿命周期设计 虚拟产品设计与实现 快速响应设计 绿色环保产品设计 反求设计 网络协同合作设计 本本 章章 小小 结结 本章节应重点掌握机电一体化系统设计的内涵、作用、目标以及研究的主要核心技术问题，机电一体化系统（产品）的构成要素和功能要素，以及它们之间的相互联系；机电一体化系统（产品）的一般设计工作流程；应考虑的方法和设计类型；了解机电一体化系统（产品）设计的基本程序、准则与规律；现代设计方法在机电一体化系统（产品）中的应用课课课课外作外作业业业业：： 1 .机电一体化的涵义、目的、特征、基本组成要素以及分别实现哪些功能 2 .工业三大要素指的是什么？机电一体化设计的目标是哪些？ 3 .机电一体化的接口功能有哪些？根据不同的接口功能试说明接口的种类 4 .说明机电一体化系统设计的设计思想、方法。