机电一体化系统设计

1、12课程性质课程性质 “机电一体化系统设计机电一体化系统设计”是一门新兴的综是一门新兴的综合的学科，是将机械与电子装置有机融合的学科，是将机械与电子装置有机融为一体的技术。为一体的技术。 该课程是该课程是“机械电子工程机械电子工程”专业必修的一专业必修的一门主干专业课程，其目的是与其他相关课门主干专业课程，其目的是与其他相关课程一起培养机电一体化人才。程一起培养机电一体化人才。3教材与参考书教材与参考书教教 材材教材名称教材名称主编主编出版社出版社机电一体化系统设计机电一体化系统设计张建民张建民 高等教育出版社高等教育出版社2007参参考考书书机电一体化机械系统机电一体化机械系统设计设计赵松年

2、赵松年 机械工业出版社机械工业出版社1996 机电一体化控制技术机电一体化控制技术与系统与系统周祖德周祖德华中科技大学出版社华中科技大学出版社2003电机与运动控制系统电机与运动控制系统杨杨 耕耕清华大学出版社清华大学出版社2006机电一体化系统设计机电一体化系统设计禁忌禁忌高安邦高安邦机械工业出版社机械工业出版社20084考核方式考核方式 期末考核方式：闭卷笔试期末考核方式：闭卷笔试 期末考核所占比例期末考核所占比例 70 平时考核占平时考核占 30 平时作业平时作业 课堂考勤课堂考勤 课堂表现课堂表现5课程任务课程任务 （1）使学生了解机电一体化特点与）使学生了解机电一体化特点与机电一体化

3、的发展趋势；机电一体化的发展趋势； （2）掌握机电有机结合的理论、机电一体）掌握机电有机结合的理论、机电一体化系统设计的基本规律及其关键技术的基化系统设计的基本规律及其关键技术的基本设计方法。本设计方法。 （3）树立正确的系统设计思想，培养理论）树立正确的系统设计思想，培养理论联系实际、调查研究、锐意创新的能力联系实际、调查研究、锐意创新的能力 6课程先修知识课程先修知识 工程制图、机械原理、机械设计、制工程制图、机械原理、机械设计、制造工艺、机械装备造工艺、机械装备 电工技术、电子技术、微机单片机原理与电工技术、电子技术、微机单片机原理与应用、机电接口技术、软件技术应用、机电接口技术、软件技

4、术 控制工程基础、计算机控制技术、机电检控制工程基础、计算机控制技术、机电检测技术、测试信号技术、数控技术、伺服测技术、测试信号技术、数控技术、伺服驱动技术等驱动技术等78从生产实际体会机电一体化从生产实际体会机电一体化技术技术9机电一体化的优点和效益机电一体化的优点和效益 （1）生产能力和工作质量提高）生产能力和工作质量提高（2）使用安全性和可靠性提高）使用安全性和可靠性提高（3）调整和维护方便，使用性能改善）调整和维护方便，使用性能改善 （4）具有复合功能，使用面广）具有复合功能，使用面广 （5）改善劳动条件，有利于自动化生产）改善劳动条件，有利于自动化生产（6）节约能源，减少耗材）节约能

5、源，减少耗材10一、本章教学目标及要求一、本章教学目标及要求 理解机电一体化的概念和内涵；理解机电一体化的概念和内涵； 掌握机电一体化的五大功能和组成要素；掌握机电一体化的五大功能和组成要素； 了解机电一体化的一般设计方法。了解机电一体化的一般设计方法。 理解机电一体化的广义接口；理解机电一体化的广义接口；1112一、机电一体化的概念和一、机电一体化的概念和内涵内涵 “机电一体化机电一体化”是新生事物是新生事物,由日本造英语由日本造英语Mechatronics (Mechanics和和Electronics)翻译而来，关于它的确切含义各国专家、学翻译而来，关于它的确切含义各国专家、学者论点也各

6、不相同，迄今尚无统一标准。者论点也各不相同，迄今尚无统一标准。 较为人们接受的是由日本机械振兴协会较为人们接受的是由日本机械振兴协会经济研究所经济研究所1981年提出的解释：年提出的解释：131.机电一体化的概念机电一体化的概念 机电一体化机电一体化乃是在机械的乃是在机械的主功能主功能、动力动力功能功能、信息功能信息功能和和控制功能控制功能上引进上引进微电微电子技术子技术，并将，并将机械装置机械装置与与电子装置电子装置用相用相关关软件软件有机结合有机结合而构成而构成系统系统的总称。的总称。机床电器化能不能称为机机床电器化能不能称为机电一体化？电一体化？142.机电一体化的内涵机电一体化的内涵

7、机电一体化的内涵包括机电一体化的内涵包括产品产品和和技术技术。 典型机电典型机电一体化产一体化产品：品： BKX-I型型 并联机床并联机床一、一、 典型机电一体化产品典型机电一体化产品15并并联联机机床床加加工工的的工工件件16典型机电一体化产品：典型机电一体化产品： 飞行模拟器飞行模拟器17典型机电一体化产品典型机电一体化产品：FAST巨型球面射电望远镜巨型球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope) 18典型机电一体化产品：典型机电一体化产品：工业机器人工业机器人19典型机电一体化产品：典型机电一体化产品：特种机器人特种机

8、器人20典型机电一体化产品：典型机电一体化产品： RD2型铁路型铁路货车滚动轴承故障诊断仪货车滚动轴承故障诊断仪21典型机电一体化产品：典型机电一体化产品：血管（大血管（大C臂）造影机臂）造影机22典型机电一体化产品：典型机电一体化产品：剥线机剥线机 23典型机电一体化产品：典型机电一体化产品：点钞机点钞机24二、机电一体化产品的分二、机电一体化产品的分类类1.生产用：生产用：数控机床、机器人、数控机床、机器人、FMC、FMS、CIMS2.运输包装用：运输包装用：电梯、包装机械、数控运输机械电梯、包装机械、数控运输机械3.销售及银行用：销售及银行用：自动称量机、自动售货机、自动取款机自动称量机

9、、自动售货机、自动取款机4.家庭用：家庭用：录音机、录音机、CD/VCD/DVD、全自动洗衣机、微波、全自动洗衣机、微波炉、儿童玩具炉、儿童玩具5.办公用：办公用：打印机、复印机、传真机、磁盘驱动器打印机、复印机、传真机、磁盘驱动器6.医疗用：医疗用：X-射线机、造影机、电子血压计射线机、造影机、电子血压计此外，还有航空、航天、国防、天文等及其他民用此外，还有航空、航天、国防、天文等及其他民用机电一体化产品，如雷达跟踪系统、射电望远镜机电一体化产品，如雷达跟踪系统、射电望远镜25分类标准分类标准 机电一体化产品的分类并没有统一的标准，机电一体化产品的分类并没有统一的标准，一件产品是否属于机电一

10、体化产品应一件产品是否属于机电一体化产品应根据前根据前述机电一体化定义述机电一体化定义来判断。来判断。 尽管机电一体化产品（系统）中引入了微电子尽管机电一体化产品（系统）中引入了微电子（计算机）技术，但其中的机械本体仍然是主体，（计算机）技术，但其中的机械本体仍然是主体，产品（系统）的产品（系统）的主要功能必须由机械来完成主要功能必须由机械来完成，否，否则就不能称其为机电一体化产品。则就不能称其为机电一体化产品。 电子计算器，非指针式电子表电子计算器，非指针式电子表等主要功能是由电等主要功能是由电子器件和电路等完成，机械退居次要地位，应归子器件和电路等完成，机械退居次要地位，应归属属电子产品电

11、子产品，而不是机电一体化产品。，而不是机电一体化产品。 26三、机电一体化相关技术三、机电一体化相关技术相关技术相关技术基础技术基础技术机电结合共性技术机电结合共性技术机械技术机械技术电工电子技术电工电子技术系统技术系统技术电液气伺服技术电液气伺服技术机械学机械学机械加工技术机械加工技术精密机械技术精密机械技术逻辑代数逻辑代数计算机计算机电路原理电路原理电子技术电子技术接口技术接口技术传感器技术传感器技术计算机控制技术计算机控制技术顺序控制技术顺序控制技术27四、机电一体化系统的功能构成四、机电一体化系统的功能构成及组成要素及组成要素图图机机电电一一体体化化系系统统的的功功能能构构成成281.

12、机电一体化系统的功能构成机电一体化系统的功能构成（1）主功能：对输入的物质、能量和信息进行预定的变换(含加工、处理)、传递(含移动、输送)和保存(含保持、存储、记录)），这些变换及其组合就构成了系统的主功能，它表明了系统的主要特征。（2）动力功能：为系统的正常运行提供能量。（3）计测功能：采集系统内部和外部信息。（4）控制功能：将来自传感器的检测信息和外部输入命令进行处理并发出指令控制整个系统有目的运行。（5）构造功能：将系统各要素进行空间配置，形成统一整体。29动力功能动力功能构造功能构造功能计测功能计测功能控制功能控制功能主功能主功能1.机电一体化系统的功能构成机电一体化系统的功能构成主功

13、能：主功能：对输入的物质、能量和信息进行预定对输入的物质、能量和信息进行预定的变换的变换( (含加工、处理含加工、处理) )、传递、传递( (含移动、输送含移动、输送) )和保存和保存( (含保持、存储、记录含保持、存储、记录) )），这些变换及），这些变换及其组合就构成了系统的主功能，它表明了系统其组合就构成了系统的主功能，它表明了系统的主要特征。的主要特征。为系统的正常为系统的正常运行提供能运行提供能量量采集系统内部和外采集系统内部和外部信息部信息将来自传感器的检测信息和外将来自传感器的检测信息和外部输入命令进行处理并发出指部输入命令进行处理并发出指令控制整个系统有目的运行。令控制整个系统

14、有目的运行。将系统各要素进行空将系统各要素进行空间配置，形成统一间配置，形成统一整体。整体。30系统的输入输出组成系统的输入输出组成 主功能的输入输出主功能的输入输出 动力输入动力输入 控制信息的输入输出控制信息的输入输出 因外部环境引起的干扰输入因外部环境引起的干扰输入 非目的性输出非目的性输出(如废弃物等如废弃物等) 例如汽车的废气和噪音对外部环境影响，这在例如汽车的废气和噪音对外部环境影响，这在系统设计中需要特别注意系统设计中需要特别注意 312.机电一体化系统的组成要素机电一体化系统的组成要素动力系统动力系统（动力源）（动力源）机械系统机械系统（机构）（机构）传感检测系统传感检测系统（

15、传感器）（传感器）执行元件系统执行元件系统（电动机等）（电动机等）电子信息处理系统电子信息处理系统（计算机）（计算机）32（1）机械系统（机构）机械系统（机构）五大要素五大要素 即机械结构部分，如数控车床的机械系统包括即机械结构部分，如数控车床的机械系统包括床身、床身、主轴箱、尾架以及连接等。主轴箱、尾架以及连接等。 机电一体化系统对其基本要求是机电一体化系统对其基本要求是轻、薄、短、小、轻、薄、短、小、可靠可靠等等33（2）电子信息处理系统（计算机）电子信息处理系统（计算机） 五大要素五大要素 一般由计算机、可编程序控制器（一般由计算机、可编程序控制器（PLC）、数控装置）、数控装置及计算机

16、外围设备组成，如数控车床中的及计算机外围设备组成，如数控车床中的CPU板、板、CRT显示器、键盘等。显示器、键盘等。 对其基本要求是：高速、可靠、智能、标准化、抗干对其基本要求是：高速、可靠、智能、标准化、抗干扰能力强、自诊断功能丰富等。扰能力强、自诊断功能丰富等。34（3）动力系统（动力源）动力系统（动力源）五大要素五大要素 通常有电力、液压和气压三种动力源，如数控车床通常有电力、液压和气压三种动力源，如数控车床用的是电能。用的是电能。 该部分的要求是：效率高、响应快，同时要求对水、该部分的要求是：效率高、响应快，同时要求对水、油、温度、尘埃等外部环境有较强的适应性和可靠性。油、温度、尘埃等

17、外部环境有较强的适应性和可靠性。35（4）传感检测系统（传感器）传感检测系统（传感器）五大要素五大要素 主要由传感器和仪器仪表构成，用于检测系统内、外主要由传感器和仪器仪表构成，用于检测系统内、外部的参数及状态，以进行显示或位置反馈。部的参数及状态，以进行显示或位置反馈。 如数控车床用直线感应同步器检测刀具的位置状态。如数控车床用直线感应同步器检测刀具的位置状态。 其要求是能快速、精确地获取信息，并能经受各种严其要求是能快速、精确地获取信息，并能经受各种严酷环境的考验。酷环境的考验。36（5）执行元件系统（电动机等）执行元件系统（电动机等）五大要素五大要素 工作方式有电动机、液压缸工作方式有电

18、动机、液压缸/马达、气压缸马达、气压缸/马达三马达三种。如数控车床刀具走刀运动就是利用步进电机驱种。如数控车床刀具走刀运动就是利用步进电机驱动滚珠丝杠完成。动滚珠丝杠完成。 对其要求是：刚性高，重量轻，实现组件化，标准对其要求是：刚性高，重量轻，实现组件化，标准化和系列化，提高系统整体可靠性等。化和系列化，提高系统整体可靠性等。37动力功能动力功能构造功能构造功能计测功能计测功能控制功能控制功能主功能主功能动力源动力源机构机构传感器传感器电动机电动机计算机计算机内脏内脏骨骼骨骼感官感官四肢四肢大脑大脑机电一体化系统的要素与功能与人的构造及功能的关系机电一体化系统的要素与功能与人的构造及功能的关

19、系38思考题：请划分图示系统的功能要素？思考题：请划分图示系统的功能要素？39思考题：请划分图示系统的功能要素？思考题：请划分图示系统的功能要素？40四、机电一体化系统构成要素的相互联接四、机电一体化系统构成要素的相互联接 接口性能的好坏直接影响系统性能的好坏。接口性能的好坏直接影响系统性能的好坏。广义的接口功能有两种，广义的接口功能有两种， 一种是一种是输入输入/输出功能输出功能， 一一 种是种是变换调整功能变换调整功能。 机电一体化系统各要素或子系统之间必须能顺机电一体化系统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，在利进行物质、能量和信息的传递与交换，在相互联接要素的

20、交界面上必须具备的一定的相互联接要素的交界面上必须具备的一定的联系条件。联系条件。接接口口广广义义接接口口在仅有机械或电子的系统中，接口概念并不突在仅有机械或电子的系统中，接口概念并不突出。机电一体化系统中由机械和电子等不同技出。机电一体化系统中由机械和电子等不同技术复合形成的接口。术复合形成的接口。411. 接口的分类接口的分类按输入输出功能分按输入输出功能分接口接口机械接口机械接口电气接口电气接口（物理接口）（物理接口）信息接口信息接口（软件接口）（软件接口）按输入按输入/ /输出输出功能分功能分环境接口环境接口42 对机械的输入对机械的输入/输出部分进行几何上（形状、输出部分进行几何上（

21、形状、尺寸、配合、精度等）的匹配，如管接头，尺寸、配合、精度等）的匹配，如管接头，法兰盘，联轴节，减速器法兰盘，联轴节，减速器 （物理接口）对电气物理参数（电压，电流，（物理接口）对电气物理参数（电压，电流，阻抗等）进行匹配，如变压器、驱动器阻抗等）进行匹配，如变压器、驱动器 （软件接口）对软件的（软件接口）对软件的I/O进行语言、格式、进行语言、格式、标准、符号等的规定。如标准、符号等的规定。如GB，ISO，ASCII，TCP/IP，各种程序语言等，各种程序语言等 对周围的环境条件（温度，湿度，电磁场，对周围的环境条件（温度，湿度，电磁场，振动，水份，粉尘等）的保护作用和隔绝作用，振动，水份

22、，粉尘等）的保护作用和隔绝作用，如防尘过滤器，防水连接器，防爆开关等如防尘过滤器，防水连接器，防爆开关等机械接口机械接口电气接口电气接口信息接口信息接口环境接口环境接口1. 接口的分类接口的分类按输入输出功能分按输入输出功能分432.接口的分类接口的分类按变换与调整功能分按变换与调整功能分接口接口零接口零接口无源接口无源接口有源接口有源接口按变换与调整按变换与调整功能功能分功能功能分智能接口智能接口44 不进行任何参数变换和调整，输出即输入的接口。不进行任何参数变换和调整，输出即输入的接口。如机械接口中的管接头，法兰盘，联轴节等，但如机械接口中的管接头，法兰盘，联轴节等，但减速器不属于此类减速

23、器不属于此类 仅对无源要素的参数进行变换和调整，一般不改变参仅对无源要素的参数进行变换和调整，一般不改变参数的性质，如齿轮减速器，变压器，可变电阻器以及数的性质，如齿轮减速器，变压器，可变电阻器以及光学透镜等光学透镜等 含有有源要素，能与变换或调整的参数主动匹配，可含有有源要素，能与变换或调整的参数主动匹配，可以改变参数的性质，如电磁离合器，光电耦合器，以改变参数的性质，如电磁离合器，光电耦合器，A/D，D/A转换器等转换器等 含有微处理器，可通过程序编制适应性地改变接口条含有微处理器，可通过程序编制适应性地改变接口条件，如件，如 通用通用I/O芯片芯片8255，Z80-PIO，RS232串行

24、串行接口，接口，STD总线等。总线等。零接口零接口无源接口无源接口有源接口有源接口智能接口智能接口2.接口的分类接口的分类按变换与调整功能分按变换与调整功能分45机电一体化系统各构成要素之间机电一体化系统各构成要素之间的接口关系图的接口关系图 46五、机电一体化的特点及发展五、机电一体化的特点及发展1.机电一体化的特点机电一体化的特点 （1） 简化机械结构，提高精度简化机械结构，提高精度 （2） 易于实现多功能和柔性自动化易于实现多功能和柔性自动化 （3） 产品开发周期缩短、竞争能力增强产品开发周期缩短、竞争能力增强 （4） 生产方式向高柔性、综合自动化发展生产方式向高柔性、综合自动化发展 （

25、5） 促进经营管理体制发生根本性的变化促进经营管理体制发生根本性的变化472.机电一体化的发展过程机电一体化的发展过程（1）准备阶段）准备阶段 从从1952年第一台数控铣床研制成功和年第一台数控铣床研制成功和1959年第一台可编程机器人问世，到年第一台可编程机器人问世，到60年代末期，是机电一体化的准备阶段，年代末期，是机电一体化的准备阶段，当时的研制、开发总体上还处于自发状当时的研制、开发总体上还处于自发状态，技术水平较低。态，技术水平较低。48（2）发展阶段）发展阶段 进入进入70年代后，年代后，LSI，VLSI和微型计算机的和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化技术的发展准备了充迅猛发展，

26、为机电一体化技术的发展准备了充分的物质基础，以分的物质基础，以“Mechatronics”一词的出一词的出现为标志，一直到现为标志，一直到80年代末，称为机电一体年代末，称为机电一体化的发展阶段。化的发展阶段。 此间，此间， Mechatronics在世界范围内得到承认，在世界范围内得到承认，机电一体化技术和产品得到了极大发展，并受机电一体化技术和产品得到了极大发展，并受到各国的关注和支持。到各国的关注和支持。49（3）深入发展）深入发展 进入进入90年代以后，机电一体化进入深入发展年代以后，机电一体化进入深入发展时期，并出现了新的研究分支，如光机电一体时期，并出现了新的研究分支，如光机电一体化和微细加工技术的机电一体化。同时，其学化和微细加工技术的机电一体化。同时，其学科体系也日益发展完善。科体系也日益发展完善。 21世纪以来，机电一体化技术和新能源世纪以来，机电一体化技术和新能源/新材新材料料/微制造微制造/光电等新技术结合焕发出了更为惊光电等新技术结合焕发出了更为惊人的能量！人的能量！503.机电一体化的发展趋势机电一体化的发展趋势 科技的发展和社会经济的进步，对机电一体化也科技的发展和社会经济的进步，对机电一体化也提出了许多新的和更高的要求。提出了许多新的和更高的要求。 数控系统，数控系统，FMS，CIM