機電一體化系統(tǒng)設(shè)計第一章

機電一體化系統(tǒng)設(shè)計第一章第一頁，共63頁。機電一體化系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)自動化辦公自動化家庭自動化第二頁，共63頁。工業(yè)自動化領(lǐng)域-數(shù)控機床第三頁，共63頁。工業(yè)自動化領(lǐng)域-機器人第四頁，共63頁。機電一體化系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)自動化辦公自動化家庭自動化第五頁，共63頁。辦公自動領(lǐng)域第六頁，共63頁。機電一體化系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)自動化辦公自動化家庭自動化第七頁，共63頁。家庭自動化第八頁，共63頁。由控制器控制機械運動信息系統(tǒng)電氣系統(tǒng)計算機系統(tǒng)機械系統(tǒng)機電一體化技術(shù)把有機結(jié)合第九頁，共63頁。1、機電一體化的基本概念，對機電一體化有一個全面、正確的認識2.機電一體化機械系統(tǒng)傳動、導(dǎo)向、執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計和選擇方法3.機電一體化系統(tǒng)的接口技術(shù)4.機電一體化檢測系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié)，模擬信號和數(shù)字信號的檢測與處理方法5.機電一體化伺服和控制系統(tǒng)的設(shè)計方法

第十頁，共63頁。第一章機電一體化概論第二章機械系統(tǒng)設(shè)計第三章接口設(shè)計第四章檢測系統(tǒng)設(shè)計第五章伺服系統(tǒng)設(shè)計第六章控制系統(tǒng)設(shè)計第七章機電一體化總體設(shè)計前五章為主要內(nèi)容，二、三、四、五章為重點第十一頁，共63頁。第一節(jié)機電一體化基本概念第二節(jié)機電一體化發(fā)展概況第三節(jié)機電一體化產(chǎn)品（系統(tǒng)）構(gòu)成第四節(jié)機電一體化產(chǎn)品分類第五節(jié)機電一體化共性關(guān)鍵技術(shù)第六節(jié)機電一體化系統(tǒng)設(shè)計路線第十二頁，共63頁。機電一體化以機械、電子技術(shù)為主的多門技術(shù)學(xué)科相互滲透、相互結(jié)合過程中逐漸形成和發(fā)展起來的一門高新、綜合技術(shù)學(xué)科。其英文名字Mechatronics。

機電一體化是機械與電子技術(shù)有機結(jié)合的產(chǎn)物，還在不斷發(fā)展。第十三頁，共63頁。定義（日）：機電一體化乃是在機械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進微電子技術(shù)，并將機械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機的結(jié)合而構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱。定義（英）：機電一體化是機械工程、電子學(xué)和智能控制算法在產(chǎn)品設(shè)計和制造過程中的協(xié)同整合。第十四頁，共63頁。機電一體化技術(shù)：即技術(shù)基礎(chǔ)、技術(shù)原理、使機電一體化產(chǎn)品得以實現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術(shù)。機電一體化產(chǎn)品：即采用機電一體化技術(shù)，產(chǎn)生出來的新一代產(chǎn)品。機電一體化目的：使產(chǎn)品具有多功能、高效率、高智能、高可靠性、省材、省能、輕薄、細、巧。第十五頁，共63頁。機電一體化技術(shù)基礎(chǔ)包括：

1、機械技術(shù)、2、計算機與信息處理技術(shù)、3、檢測與傳感技術(shù)、4、自動控制技術(shù)、5、伺服驅(qū)動技術(shù)、6、系統(tǒng)總體技術(shù)－現(xiàn)代高新技術(shù)群，簡稱六項共性關(guān)鍵技術(shù)。第十六頁，共63頁。機電一體化特點：

在機械產(chǎn)品中注入了過去所沒有的新技術(shù)，把電子器件的信息處理和自動控制等功能“揉和”到機械裝置中去，從而獲得了過去單靠某種技術(shù)無法實現(xiàn)的功能和效果。第十七頁，共63頁。機電一體化的實質(zhì)：用系統(tǒng)工程的觀點和方法來分析和研究機電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)，綜合運用現(xiàn)代高新技術(shù)，通過各種技術(shù)的有機結(jié)合，實現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)部各部分合理匹配和整體效能最佳。第十八頁，共63頁。機電一體化的效果：對社會—技術(shù)進步，可持續(xù)發(fā)展對制造商—產(chǎn)品的技術(shù)附加值高對用戶—科技創(chuàng)造美好生活

第十九頁，共63頁。第二十頁，共63頁。機電一體化產(chǎn)品的范疇第二十一頁，共63頁。機電一體化技術(shù)比起傳統(tǒng)的機械技術(shù)和電子技術(shù)只有幾十年的歷史，是近三十多年才發(fā)展起來的新型邊緣學(xué)科。二戰(zhàn)時期發(fā)明的雷達系統(tǒng)是機電一體化系統(tǒng)的最早的產(chǎn)品。第二十二頁，共63頁。第一節(jié)機電一體化基本概念第二節(jié)機電一體化發(fā)展概況第三節(jié)機電一體化產(chǎn)品（系統(tǒng)）構(gòu)成第四節(jié)機電一體化產(chǎn)品分類第五節(jié)機電一體化共性關(guān)鍵技術(shù)第六節(jié)機電一體化系統(tǒng)設(shè)計路線第二十三頁，共63頁。二戰(zhàn)后，日本潛心發(fā)展機電一體化技術(shù)，經(jīng)過三十多年的發(fā)展，到七十年代已經(jīng)在工業(yè)自動化、辦公自動化、家庭自動化方面形成一系列產(chǎn)品，比如數(shù)控機床、傳真機、打印機、家用電器等，到了八十年代在世界機電一體化技術(shù)和歐美一樣處于領(lǐng)先地位。大大提升了日本國的科技水平，提升了綜合國力?？偨Y(jié)大國發(fā)展的進程，機電一體化技術(shù)的發(fā)展是一個重要基礎(chǔ)。第二十四頁，共63頁。機電一體化領(lǐng)域已經(jīng)滲透到各個領(lǐng)域中。電冰箱、全自動洗衣機、錄象機等家用電器；電子打印機、復(fù)印機、傳真機等辦公自動化設(shè)備；腦CT、核磁共振成像診斷儀、光纖束內(nèi)窺鏡等醫(yī)療器械；數(shù)控機床、工業(yè)機器人、自動化物料搬運車等機械制造設(shè)備；以及由微機控制正時點火、燃油噴射、排汽凈化等交通設(shè)備等等，都是典型的機電一體化產(chǎn)品。第二十五頁，共63頁。自改革開放以來，由國家科委和機械電子工業(yè)分別組織專家根據(jù)我國的國情對發(fā)展機電一體化的目標，原則、層次和途徑進行了深入而廣泛的研究，制定了一系列的有利于機電一體化的發(fā)展的政策法規(guī)，確定了數(shù)控機床、工業(yè)自動化控制儀表、工業(yè)機器人、汽車電子化等15個發(fā)展領(lǐng)域及6項共性關(guān)鍵技術(shù)的研究方向的課題；并明確提出要使我國的機電一體化產(chǎn)品產(chǎn)值比率發(fā)展目標。

機電一體化技術(shù)是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，是21世紀的主流技術(shù)之一。第二十六頁，共63頁。第一節(jié)機電一體化基本概念第二節(jié)機電一體化發(fā)展概況第三節(jié)機電一體化產(chǎn)品（系統(tǒng)）構(gòu)成第四節(jié)機電一體化產(chǎn)品分類第五節(jié)機電一體化共性關(guān)鍵技術(shù)第六節(jié)機電一體化系統(tǒng)設(shè)計路線第二十七頁，共63頁。第二十八頁，共63頁。一、機電一體化系統(tǒng)的構(gòu)造要素

機械系統(tǒng)（機構(gòu)）

電子信息處理系統(tǒng)（計算機）動力系統(tǒng)（動力源）傳感檢測系統(tǒng)（傳動器）執(zhí)行元件系統(tǒng)（如電機）

第二十九頁，共63頁。二、機電一體化系統(tǒng)的功能構(gòu)成

1、宏觀分析（外部）

抽象化地表明系統(tǒng)的功能，對工業(yè)三大要素：物質(zhì)、能量、信息進行變換、傳遞、儲存，產(chǎn)生新的物質(zhì)、能量和信息。

第三十頁，共63頁。機電一體化系統(tǒng)對工業(yè)三大要素的作用第三十一頁，共63頁。對物質(zhì)－加工機（加工中心、數(shù)控機床、工業(yè)機器人等）對能量－動力機（電動機、水輪機、內(nèi)燃機等）對信息－信息機（測試儀器、儀表、打印機等）

第三十二頁，共63頁。2、微觀部分（內(nèi)部）

為了實現(xiàn)上面的目的，系統(tǒng)內(nèi)部必須具備五大功能要素：

主功能或稱操作功能（完成目的功能必須的）、動力功能、控制功能、計測功能、構(gòu)造功能。第三十三頁，共63頁。五大功能要素主功能或操作功能－實現(xiàn)目的功能（與執(zhí)行機構(gòu)相對應(yīng)）。

動力功能－向系統(tǒng)提供動力，讓系統(tǒng)得以運轉(zhuǎn)。計測功能－獲取外部或內(nèi)部信息?？刂乒δ埽瓕φ麄€系統(tǒng)實施控制。構(gòu)造功能－構(gòu)成系統(tǒng)的子系統(tǒng)和元部件維持所定的時間和空間上相互關(guān)系所必須的功能第三十四頁，共63頁。五大功能要素和構(gòu)造要素對應(yīng)關(guān)系第三十五頁，共63頁。三、機電一體化系統(tǒng)構(gòu)成要素的聯(lián)接

五個基本組成要素之間并非簡單拼湊而成，工作中它們各行其職，相互協(xié)調(diào)、補充，共同完成目的功能。即在機械本體的自持下，由傳感器檢測運行狀態(tài)及環(huán)境變化，將信息反饋給計算機對計算機進行處理，并按要求控制動力源驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)工作，在結(jié)構(gòu)上各組成要素通過各種接口和相關(guān)軟件有機的結(jié)合在一起，構(gòu)成一個內(nèi)部合理、外部效能最佳的產(chǎn)品。第三十六頁，共63頁。

系統(tǒng)性能在很大程度上取決于接口性能。

機電一體化設(shè)計：接口設(shè)計。第三十七頁，共63頁。第一節(jié)機電一體化基本概念第二節(jié)機電一體化發(fā)展概況第三節(jié)機電一體化產(chǎn)品（系統(tǒng)）構(gòu)成第四節(jié)機電一體化產(chǎn)品分類第五節(jié)機電一體化共性關(guān)鍵技術(shù)第六節(jié)機電一體化系統(tǒng)設(shè)計路線第三十八頁，共63頁。根據(jù)機電結(jié)合程度和形式的不同，機電一體化產(chǎn)品分：功能附加型功能替代型機電融合型第四節(jié)機電一體化產(chǎn)品分類第三十九頁，共63頁。功能附加型：在原有的基礎(chǔ)上，采用微電子技術(shù)使產(chǎn)品功能增強，性能得到適當?shù)奶岣?。如?jīng)濟型數(shù)控機床、電子稱、數(shù)顯量具、自動化洗衣機等。第四十頁，共63頁。功能替代型：用微電子技術(shù)及裝置取代原產(chǎn)品中的機械控制功能、信息處理或主功能，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡化、性能提高、柔性增加。如電子縫紉機，自動照相機，線切割加工機床，激光手術(shù)器（取代了主功能）第四十一頁，共63頁。機電融合型：根據(jù)產(chǎn)品功能、性能要求和技術(shù)規(guī)定專門設(shè)計。采用專門的設(shè)計硬件，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更加緊湊，設(shè)計更加靈活，成本更低/更深層次的機電結(jié)合——傳真機、復(fù)印機、攝像機磁盤驅(qū)動器、CNC數(shù)控機床等。第四十二頁，共63頁。第一節(jié)機電一體化基本概念第二節(jié)機電一體化發(fā)展概況第三節(jié)機電一體化產(chǎn)品（系統(tǒng)）構(gòu)成第四節(jié)機電一體化產(chǎn)品分類第五節(jié)機電一體化共性關(guān)鍵技術(shù)第六節(jié)機電一體化系統(tǒng)設(shè)計路線第四十三頁，共63頁。機械技術(shù)計算機與信息處理技術(shù)檢測與傳感技術(shù)

自動控制技術(shù)伺服驅(qū)動技術(shù)系統(tǒng)總體設(shè)計技術(shù)機電一體化是多種技術(shù)學(xué)科相互交叉、滲透而形成的一門綜合性學(xué)科，所涉及的領(lǐng)域非常廣泛。概括說機電一體化共性關(guān)鍵技術(shù)主要有下述六項。第四十四頁，共63頁。一、機械技術(shù)

主功能、構(gòu)造功能主要靠機械技術(shù)實現(xiàn)。相對傳統(tǒng)的機械技術(shù)有不同，對機械技術(shù)提出了更高的技術(shù)要求。新材料，新工藝，新原理，新機構(gòu)等的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)代設(shè)計方法的不斷發(fā)展完善，以滿足減輕重量、縮小體積，提高精度和剛度，改善性能的產(chǎn)品要求。第四十五頁，共63頁。二、計算機與信息處理技術(shù)

信息處理技術(shù)包括信息的交換、存取，運算、判斷和決策等,實現(xiàn)信息處理的工具是計算機。計算機技術(shù)包括計算機硬件技術(shù)和軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。在機電一體化產(chǎn)品中計算機與信息處理裝置指揮整個產(chǎn)品的運行。第四十六頁，共63頁。三、檢測與傳感技術(shù)

檢測與傳感技術(shù)的研究對象是傳感器及其信號檢測裝置。機電一體化產(chǎn)品中，傳感器作為感受器官，將各種內(nèi)外信息通過相應(yīng)的信號檢測置反饋給控制及信息處理裝置。因此檢測與傳感是實現(xiàn)自動控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

第四十七頁，共63頁。四、自動控制技術(shù)

自動控制技術(shù)范圍很廣，包括自動控制理論、控制系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)仿真，現(xiàn)場調(diào)試、可靠運行等理論到實踐的整個過程?？刂萍夹g(shù)內(nèi)容包括高精度定位、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷、效正、補償、示教再現(xiàn)、檢索等控制技術(shù)。第四十八頁，共63頁。五、伺服驅(qū)動技術(shù)

研究對象：執(zhí)行元件及其驅(qū)動裝置（執(zhí)行機構(gòu)：氣動、電動、液壓等）（驅(qū)動裝置：電動機驅(qū)動電源、電力電子器件、集成化的功能電路）第四十九頁，共63頁。六、系統(tǒng)總體設(shè)計技術(shù)

從整體目標出發(fā)，用系統(tǒng)工程的觀點和方法將系統(tǒng)總體分成相互有機聯(lián)系的若干功能單元，并以功能單元為系統(tǒng)繼續(xù)分解，直到找到可實現(xiàn)的技術(shù)方案，然后把功能和技術(shù)方案組成方案組進行分析、評價和優(yōu)選的綜合應(yīng)用技術(shù)。接口技術(shù)是其主要內(nèi)容。第五十頁，共63頁。第一節(jié)機電一體化基本概念第二節(jié)機電一體化發(fā)展概況第三節(jié)機電一體化產(chǎn)品（系統(tǒng)）構(gòu)成第四節(jié)機電一體化產(chǎn)品分類第五節(jié)機電一體化共性關(guān)鍵技術(shù)第六節(jié)機電一體化系統(tǒng)設(shè)計路線第五十一頁，共63頁。

一、機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計思想與設(shè)計類型

1、設(shè)計思想：機電相互協(xié)調(diào)，相互補充設(shè)計機械機構(gòu)時要考慮與控制系統(tǒng)相匹配、設(shè)計控制系統(tǒng)時應(yīng)根據(jù)機械系統(tǒng)的固有參數(shù)來選擇和確定電氣參數(shù)。

不論對三種類型的機電一體化產(chǎn)品中的任一種設(shè)計思想均相同。如果細分一下思想方法有三種：

機電互補法，用于功能替代型產(chǎn)品，用通用專用電子部件取代傳統(tǒng)機械中的部件以彌補機械技術(shù)不足。

結(jié)合法，用于機電融合型產(chǎn)品，將各組成要素有機結(jié)合為一體構(gòu)成專用或通用的功能部件。

組合法，將結(jié)合法設(shè)計制成的功能部件（標準件，通用件）、功能模塊組合成機電一體化系統(tǒng)。第五十二頁，共63頁。

2、設(shè)計類型

開發(fā)性設(shè)計：是一個從無到有的創(chuàng)造過程，根據(jù)功能和性能要求，按照機電一體化設(shè)計原理。為滿足市場要求所進行的設(shè)計。要求設(shè)計者具備敏銳的市場洞察力，豐富的想象力和廣泛而扎實的基礎(chǔ)理論知識。

適應(yīng)性設(shè)計：在原有產(chǎn)品總的原理方案基本不變的情況下，對產(chǎn)品的某些局部加以變動或改進，以增加功能、提高性能和質(zhì)量或降低成本為目的所進行的設(shè)計。

變異性設(shè)計：在設(shè)計方案和功能結(jié)構(gòu)不變的情況下，通過改變尺寸、速度、力或功率等參數(shù)，以滿足市場對產(chǎn)品規(guī)格方面的要求所進行的系列化設(shè)計。

第五十三頁，共63頁。二、機電一體化設(shè)計方法1、設(shè)計程序三階段：總體設(shè)計部件設(shè)計系統(tǒng)測試第五十四頁，共63頁?？傮w設(shè)計明確設(shè)計思想分析綜合要求劃分功能模塊決定性能參數(shù)調(diào)研類似產(chǎn)品擬定總體方案方案對比定型編寫總體設(shè)計論證書第五十五頁，共63頁。

2、設(shè)計準則：要遵循產(chǎn)品的一般性原則，即在保證產(chǎn)品目的功能、性能和使用壽命的前提下，盡量降低成本。機電一體化產(chǎn)品

并不是盲目追求“高，精，尖”而是在充分分析用戶要求的基礎(chǔ)上，

努力以最新的技術(shù)手段、最廉價的材料或元器件、最簡單的結(jié)構(gòu)，

最低的消耗，向用戶提供最滿意的產(chǎn)品。第五十六頁，共63頁。3、設(shè)計規(guī)律：

幾個關(guān)系：

邏輯關(guān)系－各元件（元素）之間的邏輯關(guān)系。

物理關(guān)系－各元部件相互間的作用關(guān)系。