机电一体化系统设计第一章

1、 机电一体化系统设计 一门综合性专业技术课程先修课程：先修课程：n电子技术电子技术 n测试技术测试技术 n自动控制基础自动控制基础 n机电传动控制机电传动控制 n微机原理与应用微机原理与应用n电器与电器与PLCn机械设计机械设计机电一体化系统n机电一体化系统应用领域n工业自动化工业自动化n办公自动化n家庭自动化工业自动化领域-数控机床工业自动化领域-机器人机电一体化系统n机电一体化系统应用领域n工业自动化n办公自动化办公自动化n家庭自动化办公自动领域机电一体化系统n机电一体化系统应用领域n工业自动化n办公自动化n家庭自动化家庭自动化家庭自动化自动化设备都有共同的组成要素n由控制器控制机械运动由

2、控制器控制机械运动信息系统信息系统电气系统电气系统计算机计算机系统系统机械系统机械系统机电一体化机电一体化技术把有机技术把有机结合结合我们学什么？( (理念、系统整合）理念、系统整合）1、机电一体化的基本概念 ，对机电一体化有一个全面、正确的认识2.机电一体化机械系统传动、导向、执行机构的设计和选择方法3.机电一体化系统的接口技术4.机电一体化检测系统的组成环节，模拟信号和数字信号的检测与处理方法5.机电一体化伺服和控制系统的设计方法 全课程共分七章n第一章 机电一体化概论n第二章 机械系统设计n第三章 接口设计n第四章 检测系统设计n第五章 伺服系统设计n第六章 控制系统设计n第七章 机电一

3、体化总体设计前五章为主要内容，二、三、四、五章为重点第一节第一节 机电一体化基本概念机电一体化基本概念第二节 机电一体化发展概况第三节 机电一体化产品（系统）构成第四节 机电一体化产品分类第五节 机电一体化共性关键技术第六节 机电一体化系统设计路线第一章 机电一体化概论n机电一体化机电一体化以机械、电子技术为主的多门技术学以机械、电子技术为主的多门技术学科相互渗透、相互结合过程中逐渐形成和发展起科相互渗透、相互结合过程中逐渐形成和发展起来的一门高新、综合技术学科。其英文名字来的一门高新、综合技术学科。其英文名字Mechatronics。 n机电一体化是机械与电子技术有机结合的产物，机电一体化是

4、机械与电子技术有机结合的产物，还在不断发展。还在不断发展。第一节第一节 机电一体化基本概念机电一体化基本概念n定义（日）定义（日）：机电一体化乃是在机械的：机电一体化乃是在机械的主功能主功能、动力功能、信息功能动力功能、信息功能和和控制功能控制功能上引进微电子技上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机的术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机的结合而构成的系统的总称。结合而构成的系统的总称。n定义（英）：定义（英）：机电一体化是机械工程、电子学和智能控制算法在产品设计和制造过程中的协同整合。第一节 机电一体化基本概念n机电一体化机电一体化技术：技术：即技术基础、技术原理即技术基础

5、、技术原理、使机使机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术。电一体化产品得以实现、使用和发展的技术。n机电一体化机电一体化产品：产品：即采用机电一体化技术，产生即采用机电一体化技术，产生出来的新一代产品。出来的新一代产品。n机电一体化机电一体化目的目的 ：使产品具有多功能、高效率、使产品具有多功能、高效率、高智能、高可靠性、省材、省能、轻薄、细、巧高智能、高可靠性、省材、省能、轻薄、细、巧。第一节 机电一体化基本概念n机电一体化技术机电一体化技术基础基础包括：包括： 1、机械技术、机械技术、2、计算机与信息处理技术、计算机与信息处理技术、3、检测与传感技术、检测与传感技术、4、自动控制技术、自

6、动控制技术、5、伺服驱、伺服驱动技术、动技术、6、系统总体技术、系统总体技术现代高新技术群，现代高新技术群，简称简称六项共性关键技术。六项共性关键技术。第一节 机电一体化基本概念n机电一体化机电一体化特点：特点： 在机械产品中注入了过去所没有的新技术，把电在机械产品中注入了过去所没有的新技术，把电子器件的信息处理和自动控制等功能子器件的信息处理和自动控制等功能“揉和揉和”到到机械装置中去，从而获得了过去单靠某种技术无机械装置中去，从而获得了过去单靠某种技术无法实现的功能和效果。法实现的功能和效果。第一节 机电一体化基本概念n机电一体化的机电一体化的实质实质： 用用系统工程系统工程的观点和方法来

7、分析和研究机电一体的观点和方法来分析和研究机电一体化产品或系统，化产品或系统，综合运用现代高新技术综合运用现代高新技术，通过各，通过各种技术的有机结合，实现产品内部各部分合理匹种技术的有机结合，实现产品内部各部分合理匹配和整体效能最佳。配和整体效能最佳。第一节 机电一体化基本概念n机电一体化的机电一体化的效果：效果： 对社会对社会 技术进步，可持续发展技术进步，可持续发展 对制造商对制造商产品的技术产品的技术附加值附加值高高 对用户对用户 科技创造美好生活科技创造美好生活 第一节 机电一体化基本概念第一节 机电一体化基本概念机机电电一一体体化化产产品品的的范范畴畴第一节 机电一体化基本概念n机

8、电一体化技术比起传统的机械技术和电子技术只有几十年的历史，是近三十多年才发展起来的新型边缘学科。二战时期发明的雷达系统是机电一体化系统的最早的产品。第一节 机电一体化基本概念第二节 机电一体化发展概况第三节 机电一体化产品（系统）构成第四节 机电一体化产品分类第五节 机电一体化共性关键技术第六节 机电一体化系统设计路线第一章 机电一体化概论第二节 机电一体化发展概况n二战后，日本潜心发展机电一体化技术，经过三十多年的发展，到七十年代已经在工业自动化、办公自动化、家庭自动化方面形成一系列产品，比如数控机床、传真机、打印机、家用电器等，到了八十年代在世界机电一体化技术和欧美一样处于领先地位。大大提

9、升了日本国的科技水平，提升了综合国力。总结大国发展的进程，机电一体化技术的发展是一个重要基础。第二节 机电一体化发展概况n机电一体化领域已经渗透到各个领域中。电冰箱、全自动洗衣机、录象机等家用电器；电子打印机、复印机、传真机等办公自动化设备；脑CT、核磁共振成像诊断仪、光纤束内窥镜等医疗器械； 数控机床、工业机器人、自动化物料搬运车等机械制造设备；以及由微机控制正时点火、燃油喷射、排汽净化等交通设备等等，都是典型的机电一体化产品。 第二节 机电一体化发展概况n自改革开放以来，由国家科委和机械电子工业分别组织专家根据我国的国情对发展机电一体化的目标，原则、层次和途径进行了深入而广泛的研究，制定了

10、一系列的有利于机电一体化的发展的政策法规，确定了数控机床、工业自动化控制仪表、工业机器人、汽车电子化等15个发展领域及6项共性关键技术的研究方向的课题；并明确提出要使我国的机电一体化产品产值比率发展目标。 机电一体化技术是科学技术发展的必然趋势，是机电一体化技术是科学技术发展的必然趋势，是21世纪的主流技术之一。世纪的主流技术之一。第一节 机电一体化基本概念第二节 机电一体化发展概况第三节 机电一体化产品（系统）构成第四节 机电一体化产品分类第五节 机电一体化共性关键技术第六节 机电一体化系统设计路线第一章 机电一体化概论第三节 机电一体化产品（系统）构成机电一体化产品（系统）构成第三节 机电

11、一体化产品（系统）构成机电一体化产品（系统）构成一、机电一体化系统的构造要素一、机电一体化系统的构造要素 n机械系统机械系统（机构）（机构） n电子信息处理系统电子信息处理系统（计算机）（计算机）n动力系统动力系统（动力源）（动力源）n传感检测系统传感检测系统（传动器）（传动器）n执行元件系统执行元件系统（如电机）（如电机）第三节 机电一体化产品（系统）构成机电一体化产品（系统）构成二、机电一体化系统的功能构成二、机电一体化系统的功能构成 1、宏观分析（外部）、宏观分析（外部） 抽象化地表明系统的功能，对工业三大要素抽象化地表明系统的功能，对工业三大要素：物质、能量、信息进行变换、传递、储存，

12、产：物质、能量、信息进行变换、传递、储存，产生新的物质、能量和信息。生新的物质、能量和信息。 第三节 机电一体化产品（系统）构成机电一体化产品（系统）构成n机电一体化系统对工业三大要素的作用机电一体化系统对工业三大要素的作用第三节 机电一体化产品（系统）构成机电一体化产品（系统）构成n对对物质物质加工机（加工中心、数加工机（加工中心、数 控机床、工业控机床、工业机器人等）机器人等）n对对能量能量动力机（电动机、水轮机、内燃机等）动力机（电动机、水轮机、内燃机等）n对对信息信息信息机（测试仪器、仪表、打印机等）信息机（测试仪器、仪表、打印机等） 第三节 机电一体化产品（系统）构成机电一体化产品（

13、系统）构成2、微观部分（内部）、微观部分（内部） 为了实现上面的目的，系统内部必须具备为了实现上面的目的，系统内部必须具备五五大功能要素大功能要素： 主功能或称操作功能主功能或称操作功能（完成目的功能必须的）、（完成目的功能必须的）、动力功能、控制功能、计测功能、构造功能。动力功能、控制功能、计测功能、构造功能。第三节 机电一体化产品（系统）构成机电一体化产品（系统）构成 五大功能要素五大功能要素n主功能或操作功能主功能或操作功能实现目的功能（与执行机构实现目的功能（与执行机构相对应）。相对应）。n 动力功能动力功能向系统提供动力，让系统得以运转。向系统提供动力，让系统得以运转。n计测功能计测

14、功能获取外部或内部信息。获取外部或内部信息。n控制功能控制功能对整个系统实施控制。对整个系统实施控制。n构造功能构造功能构成系统的子系统和元部件维持所定构成系统的子系统和元部件维持所定的时间和空间上相互关系所必须的功能的时间和空间上相互关系所必须的功能第三节 机电一体化产品（系统）构成机电一体化产品（系统）构成n五大功能要素和构造要素对应关系五大功能要素和构造要素对应关系第三节 机电一体化产品（系统）构成机电一体化产品（系统）构成三、机电一体化系统构成要素的联接三、机电一体化系统构成要素的联接 n五个基本组成要素之间并非简单拼凑而成，工作五个基本组成要素之间并非简单拼凑而成，工作中它们各行其职

15、，相互协调、补充，共同完成目中它们各行其职，相互协调、补充，共同完成目的功能。的功能。 n 即在机械本体的自持下，由传感器检测运行状态即在机械本体的自持下，由传感器检测运行状态及环境变化，将信息反馈给计算机对计算机进行及环境变化，将信息反馈给计算机对计算机进行处理，并按要求控制动力源驱动执行机构工作，处理，并按要求控制动力源驱动执行机构工作，在结构上各组成要素通过各种接口和相关软件有在结构上各组成要素通过各种接口和相关软件有机的结合在一起，构成一个内部合理、外部效能机的结合在一起，构成一个内部合理、外部效能最佳的产品。最佳的产品。第三节 机电一体化产品（系统）构成机电一体化产品（系统）构成 第

16、一节 机电一体化基本概念第二节 机电一体化发展概况第三节 机电一体化产品（系统）构成第四节 机电一体化产品分类第五节 机电一体化共性关键技术第六节 机电一体化系统设计路线第一章 机电一体化概论 根据机电结合程度和形式的不同，机电一体根据机电结合程度和形式的不同，机电一体化产品分：化产品分：n功能附加型功能附加型n功能替代型功能替代型n机电融合型机电融合型第四节 机电一体化产品分类第四节 机电一体化产品分类n功能附加型功能附加型：在原有的基础上，采用微电子技术：在原有的基础上，采用微电子技术使产品功能增强，性能得到适当的提高。如使产品功能增强，性能得到适当的提高。如 经济经济型数控机床、电子称、

17、数显量具、自动化洗衣机型数控机床、电子称、数显量具、自动化洗衣机等。等。第四节 机电一体化产品分类机电一体化产品分类n功能替代型：功能替代型：用微电子技术及装置取代原产品中用微电子技术及装置取代原产品中的机械控制功能、信息处理或主功能，使产品结的机械控制功能、信息处理或主功能，使产品结构简化、性能提高、柔性增加。如电子缝纫机，构简化、性能提高、柔性增加。如电子缝纫机，自动照相机，线切割加工机床，激光手术器（取自动照相机，线切割加工机床，激光手术器（取代了主功能）代了主功能）第四节 机电一体化产品分类n机电融合型：机电融合型：根据产品功能、性能要求和技术规根据产品功能、性能要求和技术规定专门设计

18、。采用专门的设计硬件，使产品结构定专门设计。采用专门的设计硬件，使产品结构更加紧凑，设计更加灵活，成本更低更加紧凑，设计更加灵活，成本更低/更深层次更深层次的机电结合的机电结合传真机、复印机、摄像机磁盘驱传真机、复印机、摄像机磁盘驱动器、动器、CNC数控机床等。数控机床等。第一节 机电一体化基本概念第二节 机电一体化发展概况第三节 机电一体化产品（系统）构成第四节 机电一体化产品分类第五节 机电一体化共性关键技术第六节 机电一体化系统设计路线第一章 机电一体化概论第五节 机电一体化共性关键技术n机械技术机械技术n计算机与信息处理技术计算机与信息处理技术n检测与传感技术检测与传感技术 n自动控制

19、技术自动控制技术n伺服驱动技术伺服驱动技术n系统总体设计技术系统总体设计技术第五节 机电一体化共性关键技术 一、机械技术一、机械技术 主功能、构造功能主要靠机械技术实现。相主功能、构造功能主要靠机械技术实现。相对传统的机械技术有不同，对机械技术提出了更对传统的机械技术有不同，对机械技术提出了更高的技术要求。新材料，新工艺，新原理，新机高的技术要求。新材料，新工艺，新原理，新机构等的不断出现，现代设计方法的不断发展完善构等的不断出现，现代设计方法的不断发展完善，以满足减轻重量、缩小体积，提高精度和刚度，以满足减轻重量、缩小体积，提高精度和刚度，改善性能的产品要求，改善性能的产品要求。第五节 机电

20、一体化共性关键技术 二、计算机与信息处理技术二、计算机与信息处理技术 信息处理技术包括信息的交换、存取，运算信息处理技术包括信息的交换、存取，运算、判断和决策等、判断和决策等,实现信息处理的工具是计算机。实现信息处理的工具是计算机。计算机技术包括计算机硬件技术和软件技术、网计算机技术包括计算机硬件技术和软件技术、网络与通信技术、数据库技术等。在机电一体化产络与通信技术、数据库技术等。在机电一体化产品中计算机与信息处理装置指挥整个产品的运行品中计算机与信息处理装置指挥整个产品的运行。第五节 机电一体化共性关键技术 三、检测与传感技术三、检测与传感技术 检测与传感技术的研究对象是传感器及其信检测与

21、传感技术的研究对象是传感器及其信号检测装置。机电一体化产品中，传感器作为感号检测装置。机电一体化产品中，传感器作为感受器官，将各种内外信息通过相应的信号检测置受器官，将各种内外信息通过相应的信号检测置反馈给控制及信息处理装置。因此检测与传感是反馈给控制及信息处理装置。因此检测与传感是实现自动控制的关键环节。实现自动控制的关键环节。 第五节 机电一体化共性关键技术 四、自动控制技术四、自动控制技术 自动控制技术范围很广，包括自动控制理论自动控制技术范围很广，包括自动控制理论、控制系统设计、系统仿真，现场调试、可靠运、控制系统设计、系统仿真，现场调试、可靠运行等理论到实践的整个过程。控制技术内容包

22、括行等理论到实践的整个过程。控制技术内容包括高精度定位、速度控制、自适应控制、自诊断、高精度定位、速度控制、自适应控制、自诊断、效正、补偿、示教再现、检索等控制技术。效正、补偿、示教再现、检索等控制技术。第五节 机电一体化共性关键技术 五、伺服驱动技术五、伺服驱动技术 研究对象：执行元件及其驱动装置（执行机研究对象：执行元件及其驱动装置（执行机构：气动、电动、液压等）（驱动装置：电动机构：气动、电动、液压等）（驱动装置：电动机驱动电源、电力电子器件、集成化的功能电路）驱动电源、电力电子器件、集成化的功能电路）第五节 机电一体化共性关键技术 六、系统总体设计技术六、系统总体设计技术 从整体目标出

23、发，用系统工程的观点和方法从整体目标出发，用系统工程的观点和方法将系统总体分成相互有机联系的若干功能单元，将系统总体分成相互有机联系的若干功能单元，并以功能单元为系统继续分解，直到找到可实现并以功能单元为系统继续分解，直到找到可实现的技术方案，然后把功能和技术方案组成方案组的技术方案，然后把功能和技术方案组成方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。接口技进行分析、评价和优选的综合应用技术。接口技术是其主要内容。术是其主要内容。第一节 机电一体化基本概念第二节 机电一体化发展概况第三节 机电一体化产品（系统）构成第四节 机电一体化产品分类第五节 机电一体化共性关键技术第六节 机电一体化系统设计

24、路线第一章 机电一体化概论第六节 机电一体化系统设计路线 一、机电一体化系统的设计思想与设计类型一、机电一体化系统的设计思想与设计类型 1、设计思想：机电相互协调，相互补充、设计思想：机电相互协调，相互补充 设计机械机构时要考虑与控制系统相匹配、设计控制设计机械机构时要考虑与控制系统相匹配、设计控制系统时系统时 应根据机械系统的固有参数来选择和确定电气参应根据机械系统的固有参数来选择和确定电气参数。数。 不论对三种类型的机电一体化产品中的任一种设计思不论对三种类型的机电一体化产品中的任一种设计思想均相同。如果细分一下思想方法有三种：想均相同。如果细分一下思想方法有三种： 机电互补法机电互补法，

25、用于功能替代型产品，用通用专用电子，用于功能替代型产品，用通用专用电子部件取代传统机械中的部件以弥补机械技术不足。部件取代传统机械中的部件以弥补机械技术不足。 结合法，结合法，用于机电融合型产品，将各组成要素有机结用于机电融合型产品，将各组成要素有机结合为一体构成专用或通用的功能部件。合为一体构成专用或通用的功能部件。 组合法组合法，将结合法设计制成的功能部件（标准件，通，将结合法设计制成的功能部件（标准件，通用件）、功能模块组合成机电一体化系统。用件）、功能模块组合成机电一体化系统。第六节 机电一体化系统设计路线 2、设计类型、设计类型 开发性设计开发性设计：是一个从无到有的创造过程，根据功

26、是一个从无到有的创造过程，根据功能和性能要求，按照机电一体化设计原理。为满足市场要能和性能要求，按照机电一体化设计原理。为满足市场要求所进行的设计。要求设计者具备敏锐的市场洞察力，丰求所进行的设计。要求设计者具备敏锐的市场洞察力，丰富的想象力和广泛而扎实的基础理论知识。富的想象力和广泛而扎实的基础理论知识。 适应性设计适应性设计：在原有产品总的原理方案基本不变的情在原有产品总的原理方案基本不变的情况下，对产品的某些局部加以变动或改进，以增加功能、况下，对产品的某些局部加以变动或改进，以增加功能、提高性能和质量或降低成本为目的所进行的设计。提高性能和质量或降低成本为目的所进行的设计。 变异性设计

27、变异性设计：在设计方案和功能结构不变的情况下，在设计方案和功能结构不变的情况下，通过改变尺寸、速度、力或功率等参数，以满足市场对产通过改变尺寸、速度、力或功率等参数，以满足市场对产品规格方面的要求所进行的系列化设计。品规格方面的要求所进行的系列化设计。 二、机电一体化设计方法二、机电一体化设计方法1、设计程序、设计程序 三阶段：三阶段：n 总体设计总体设计n 部件设计部件设计n 系统测试系统测试第六节 机电一体化系统设计路线第六节 机电一体化系统设计路线第六节 机电一体化系统设计路线 2、设计准则、设计准则：要遵循产品的一般性原则，即在：要遵循产品的一般性原则，即在保证产品目的功能、性能和使用

28、寿命的前提下，保证产品目的功能、性能和使用寿命的前提下，尽量降低成本。机电一体化产品尽量降低成本。机电一体化产品 并不是盲目追求并不是盲目追求“高，精，尖高，精，尖”而是在充分分析用户要求的基础而是在充分分析用户要求的基础上，上， 努力以最新的技术手段、最廉价的材料或元努力以最新的技术手段、最廉价的材料或元器件、最简单的结构，器件、最简单的结构， 最低的消耗，向用户提供最低的消耗，向用户提供最满意的产品。最满意的产品。第六节 机电一体化系统设计路线3、设计规律、设计规律： 几个关系：几个关系： 逻辑关系逻辑关系各元件（元素）之间的逻辑关系。各元件（元素）之间的逻辑关系。 物理关系物理关系各元部件相互间的作用关系。各元部件相互间的作用关系。 结