機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第一章概述《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》張建民編著高等教育出版社第一章

總

論

1.1機(jī)電一體化的概念和主要特征1.1.1機(jī)電一體化的內(nèi)涵或基本概念

機(jī)械學(xué)（Mechanics）+電子學(xué)（Electronics）=機(jī)電一體化或機(jī)械電子工程（Mechatronics）機(jī)電一體化的定義和主要目的

定義：在機(jī)械的主功能、動(dòng)力功能、信息功能、控制功能基礎(chǔ)上引入微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)地結(jié)合所構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。主要目的：增加機(jī)械系統(tǒng)或裝置的附加值和自動(dòng)化程度。

圖1.1機(jī)電一體化的涵義

1.1.2機(jī)電一體化技術(shù)的主要特征（1）整體結(jié)構(gòu)最優(yōu)化——機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、傳感技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。（2）系統(tǒng)控制智能化——自動(dòng)控制與檢測、自動(dòng)信息處理與誤差補(bǔ)償、自動(dòng)故障診斷與修復(fù)、自動(dòng)記錄與顯示、高的自適應(yīng)能力。（3）操作性能柔性化——軟件技術(shù)高柔性化的應(yīng)用。（4）產(chǎn)品高性能化——高精度、高靠性、高穩(wěn)定性、高壽命。歸納起來，機(jī)電一體化產(chǎn)品應(yīng)體現(xiàn)“省能源、省資源、智能化，提高機(jī)械/機(jī)電產(chǎn)品的附加值自動(dòng)化程度”的研究目的和要求。1.2機(jī)電一體化技術(shù)主要研究方向與主要內(nèi)容、作用

1.2.1機(jī)電一體化技術(shù)主要研究方向

·機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)的原創(chuàng)性研究與設(shè)計(jì)—原創(chuàng)性設(shè)計(jì)。·機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)（或部件）與微電子系統(tǒng)（或部件）相互轉(zhuǎn)換或有機(jī)結(jié)合研究與設(shè)計(jì)—變異性設(shè)計(jì)。1.2.2機(jī)電一體化技術(shù)研究的主要內(nèi)容

主要研究“省能源、省資源、智能化”三大基本要素，形成交叉學(xué)科的基礎(chǔ)理論知識(shí)，解決機(jī)電一體化（技術(shù)）設(shè)計(jì)中的核心技術(shù)問題—接口技術(shù)。1.2.3機(jī)電一體化的作用（1）實(shí)現(xiàn)省能源、省資源、智能化，提高機(jī)電產(chǎn)品的附加值為目標(biāo)。（2）改造傳統(tǒng)機(jī)電設(shè)備開辟了新的途徑。（3）加快了機(jī)電工業(yè)技術(shù)水平的發(fā)展步伐。（4）改善了機(jī)電產(chǎn)品幾產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。（5）增強(qiáng)了機(jī)電企業(yè)的競爭和經(jīng)營能力。1.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成（構(gòu)成要素）與功能構(gòu)成

1.3.1機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成要素與功能特征構(gòu)成要素：機(jī)械系統(tǒng)、電子信息處理系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、執(zhí)行控制系統(tǒng)（元件）組成及其定義與作用。重要功能特征：以能源轉(zhuǎn)換為主功能特征。

以信息轉(zhuǎn)換為主功能特征。三大目的功能：變換功能（加工處理）；傳遞功能（移動(dòng)、輸送）；儲(chǔ)存功能（保持、積蓄、記錄）。控制方式：線性、非線性、智能控制方式。1.3.2機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）應(yīng)具有的主要功能要素

主功能、信息功能、控制功能、動(dòng)力功能、構(gòu)造功能。各子系統(tǒng)的匹配技術(shù)（核心）——接口技術(shù)。

圖1.3機(jī)電系統(tǒng)五種內(nèi)部功能構(gòu)成圖1.4CNC機(jī)床內(nèi)部功能構(gòu)成

1.4.2按機(jī)電一體化產(chǎn)品功能分類（1）在原有機(jī)械產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，增加電子裝置，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的多功能和高性能要求。（2）用電子裝置取代原機(jī)械裝置。（3）用電子裝置取代原執(zhí)行、信息處理功能機(jī)構(gòu)。（4）用電子裝置取代原機(jī)械產(chǎn)品的主功能。如：電加工機(jī)床等。（5）信息設(shè)備與電子裝置、機(jī)械裝置有機(jī)結(jié)合形成信息電子機(jī)械產(chǎn)品。（6）檢測傳感元件、電子裝置、機(jī)械裝置的有機(jī)結(jié)合形成檢測系統(tǒng)（產(chǎn)品）。如：過程控制系統(tǒng)。（7）高智能與控制系統(tǒng)。如仿生機(jī)器人等。1.5機(jī)電一體化系統(tǒng)構(gòu)成要素相互聯(lián)系問題——接口技術(shù)接口技術(shù)的作用：為實(shí)現(xiàn)機(jī)械、電子、信息等各異的技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的物質(zhì)、能源、信息的傳遞與轉(zhuǎn)換，達(dá)到系統(tǒng)所需的目的功能。接口技術(shù)的功能：系統(tǒng)輸入/輸出接口信息的匹配。

系統(tǒng)信息的轉(zhuǎn)換、調(diào)整，能源信息匹配。接口技術(shù)的分類：·按變換調(diào)整功能分類：零接口，無源接口，有源接口，智能接口?！ぐ摧斎胼敵龉δ芊诸悾簷C(jī)械接口、物理接口、信息接口、環(huán)境接口。實(shí)際上，機(jī)電一體化技術(shù)研究的核心問題是接口技術(shù)問題。1.6機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程設(shè)計(jì)內(nèi)容：（1）確定產(chǎn)品規(guī)格、性能指標(biāo)——運(yùn)動(dòng)參數(shù)、動(dòng)力參數(shù)、品質(zhì)參數(shù)。（2）系統(tǒng)功能部件要素的劃分——功能部件選擇、設(shè)計(jì)和與系統(tǒng)主功能的匹配。（3）接口設(shè)計(jì)——機(jī)械接口、物理接口、信息接口、環(huán)境接口。

依據(jù)提高機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)附加價(jià)值的各項(xiàng)綜合指標(biāo)作為評(píng)價(jià)體系的制定標(biāo)準(zhǔn)，即五大內(nèi)部功能要素指標(biāo)。系統(tǒng)（產(chǎn)品）內(nèi)部功能

評(píng)

價(jià)

參

數(shù)

系統(tǒng)（產(chǎn)品價(jià)值）高低主功能

系統(tǒng)誤差抗干擾能力廢棄物輸出變換效率小強(qiáng)少高大弱多低動(dòng)力功能

輸入能量能源少內(nèi)裝多外裝控制功能可控輸入輸出接口數(shù)操作動(dòng)作數(shù)多少少多構(gòu)造功能尺寸、重量強(qiáng)度小、輕高大、重低計(jì)測功能或信息獲取精度靈敏度高響應(yīng)快低響應(yīng)慢1.7

機(jī)電一體化系統(tǒng)的評(píng)價(jià)體系系統(tǒng)內(nèi)部功能的發(fā)展方向及評(píng)價(jià)內(nèi)容

1.8機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與類型原則：從規(guī)范性、通用性、耐環(huán)境性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等多方面綜合分析，結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和手段，達(dá)到機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三大目的省能源、省資源、智能化，提高機(jī)電產(chǎn)品的附加值和自動(dòng)化程度。常用的設(shè)計(jì)方法：機(jī)電互補(bǔ)法機(jī)電結(jié)合（融合）法機(jī)電組合法常見的設(shè)計(jì)類型：開發(fā)性設(shè)計(jì)適應(yīng)性設(shè)計(jì)變異性設(shè)計(jì)

機(jī)電一體化工程

機(jī)電一體化工程是系統(tǒng)工程在機(jī)電一體化工程中的具體應(yīng)用。機(jī)電一體化技術(shù)是從系統(tǒng)工程觀點(diǎn)出發(fā)，機(jī)械與電子有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)或產(chǎn)品整體最優(yōu)的綜合性技術(shù)。1.10機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)程序、準(zhǔn)則與規(guī)律1.10.1

設(shè)計(jì)程序總體設(shè)計(jì)→部件設(shè)計(jì)與選擇→技術(shù)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)。（1）總體設(shè)計(jì)

明確設(shè)計(jì)思想和概念—→分析系統(tǒng)（產(chǎn)品）的綜合性能指標(biāo)要求—→類似產(chǎn)品調(diào)研和市場調(diào)研—→劃分部件或子系統(tǒng)的功能模塊—→決定系統(tǒng)和部件、子系統(tǒng)的性能參數(shù)—→擬定總體可行性方案（采用不同的設(shè)計(jì)方法和手段達(dá)到設(shè)計(jì)目的的多種方案）—→方案評(píng)價(jià)與對(duì)比、方案定型—→編寫總體方案的可行性論證書—→專家評(píng)定鑒定—→確定最終總體設(shè)計(jì)方案。（2）部件（或關(guān)鍵零件）選擇與設(shè)計(jì)部件主要性能指標(biāo)確定—→部件選擇與設(shè)計(jì)—→明確技術(shù)手段。（3）技術(shù)設(shè)計(jì)與工藝性設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)（產(chǎn)品）功能要素的工藝特性、制造手段與能力——工藝基礎(chǔ)；反之，工藝性設(shè)計(jì)要以滿足實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)（產(chǎn)品）各功能要素為前提或目的——保證性能、質(zhì)量、增加附件價(jià)值。1.11機(jī)電一體化系統(tǒng)的開發(fā)工程

重點(diǎn)研究：★系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)；★功能組件的外購?fù)鈪f(xié)配套與標(biāo)準(zhǔn)化；★專用功能部件（子系統(tǒng)）開發(fā)和研制；★專業(yè)化生產(chǎn)方式的優(yōu)勢和特點(diǎn)；★設(shè)計(jì)能達(dá)到高效、高質(zhì)量、高可靠性的設(shè)計(jì)制造效果；機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)工程的流程1.12機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法：以計(jì)算機(jī)為輔助手段進(jìn)行系統(tǒng)（產(chǎn)品）設(shè)計(jì)方法的總稱。

機(jī)電一體化設(shè)計(jì)方法與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的融合是優(yōu)質(zhì)、高效、快速實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）設(shè)計(jì)的有效方法和基本條件。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAN）并行工程設(shè)計(jì)——全壽命周期設(shè)計(jì)虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)設(shè)計(jì)綠色環(huán)保產(chǎn)品設(shè)計(jì)反求設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同合作設(shè)計(jì)