机电一体化系统设计：第一章 概论

1、机电一体化系统设计Mechatronics System Design 课程主要内容第一章 概论（2学时）第二章 机械系统部件的选择与设计（6学时）第三章 执行元件的选择与设计（8学时）第四章 微机控制系统的选择及接口设计（6 学时）第七章 机电一体化系统机电有机结合的分析 与设计（6学时）课程学习要求按时上课，认真听讲亲笔手书，完成作业闭卷考试，成绩叠加平时成绩（作业+考勤）（30%）期末考试成绩（70%）最终成绩 =与机电一体化相关的学科机械工程学：机械原理、力学和机械零件检测与控制学科：传感器、执行装置、控制理论和数字控制电子信息学科：电子电路、信息处理和计算机编程课程所需的相关知识机械

2、工程设计基础、机械创新设计液压与气压传动电路与电机、电子技术单片机原理与接口技术电气控制与PLC应用传感器应用技术 第一章 概 论1-1 机电一体化时代与机电一体化革命 “机电一体化”：机械技术、电子技术和信息技术等各相关技术有机结合的一个新概念。 1971年，日本机械设计杂志副刊首先提出机电一体化的概念，并创造的一个英语词汇 Mechatronics 来表达这一概念。 Mechanics和Mechanism （机械） Electronics （电子学） 从这个组合词的构成来说，表达了“机械电子学”的意义。目的是为了将二者有机结合，发挥所长，弥补不足。 需要强调的是，Mechatronics表

3、达的是“ 机械技术与（微）电子技术相结合”的概念，而不是机械与电气（控制）技术的结合。 注意：电气控制包括了强电和弱电（微电子）两种控制。1-1 机电一体化时代与机电一体化革命 “机电一体化时代” 以微型计算机为代表的微电子技术逐步向机械领域渗透，并与机械技术有机地结合，为机械增添了“头脑”，增加了新的功能和性能，从而进入以机电有机结合为特征的“机电一体化时代”。“机电一体化技术革命” “将微型计算机等微电子技术用于机械并给机械以智能的技术革新潮流 ”定义2：机电一体化是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而成系统的总称。 机械

4、的主功能是指机械的结构功能、承载功能、传动功能。 “Mechatronics” is a term coined by the Japanese to describe the integration of mechanical and electronic engineering. The concept may seem to be anything but new, since we can all look around us and see a myriad of products that utilize both mechanical and electronic discipl

5、ines. 定义1：机电一体化就是“利用电子、信息（包括传感器、控制、计算机等）技术使机械柔性化和智能化”的技术。一、机电一体化的概念机电一体化信息技术（系统、应用软件）机械技术（机械学、精密机械、机构学）电子技术微电子学（IC、LSI、VLSI）机电一体化技术领域（机械、电子、信息技术的融合） 机电一体化不是机械与电子简单的叠加，而是在信息论、控制论和系统论的基础上建立起来的应用技术。一、机电一体化的概念 机电一体化一般包含机电一体化技术和机电一体化产品(系统)两层含义。二、机电一体化的含义机电一体化技术：主要包括其技术原理，即使机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术。 机电一体化产品：主

6、要是机械系统与电子系统用相关软件有机结合而构成的新的系统，且赋予其新的功能和性能的新一代产品。多功能高效率高可靠性节能结构短、小、轻薄化，智能化三、机电一体化目的目的：提高产品附加价值。仿人机器人装配机器人跑步机器人跳舞机器人三维弯管机典型的机电一体化产品(系统)有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CADCAM系统等。 四、机电一体化产品实例机电一体化产品电子产品 机电一体化实用手册日三浦宏文主编1-2 机电一体化共性关键技术 机电一体化是由多种学科综合交叉而形成的新兴技术。在其应用过程中，涉及到多种技术。1-2 机电一体化共性关键技术5）精密机械技术6）系

7、统总体技术 1）检测传感技术 在机电一体化技术中，检测技术的作用相当于人的感受器官。2）信息处理技术 信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策。 3）自动控制技术 在机电一体化产品和制造系统中，使用了多种自动控制技术，例如高精度位置控制、速度控制、自适应控制、自诊断、模糊控制、智能控制等控制技术。4）伺服（Servo随动)传动技术 伺服传动技术是以快速响应的方式执行操作的技术，包括电动、气动、液压等类型的驱动装置，带动工作机构作回转、直线以及其它复杂运动。例如： 我们要测量一个直线运动的汽车的加速度（规定的被测量）。可以设计一个简单的实验装置。敏感元件 转换元件 + 电子线路 输出

8、1）检测传感技术敏感元件 转换元件 转换 电路 被测量 电量 砝码 m千克 弹簧 k 转换 电路 加速度 电量 a 力 ma ma/k 位移vma/kL机械技术：就是关于机械的机构及利用这些机构传递运动的技术。 2）机械技术机电一体化技术展望传感器性能的提高高精度传感器智能传感器组合传感器高智能化处理自适应性微型机械1-3 机电一体化构成要素及功能构成机电一体化系统(产品)基本构成 机械系统（机构） 信息处理系统（计算机） 动力系统（动力源） 传感检测系统（传感器） 执行元件系统（如电动机、液压缸、马达）一、构成五要素典型机电一体化实例机械装置：机器人手指、手臂、手臂连接部分、基座等能使机器人

9、运动的结构。执行装置：驱动集体、手臂、手指等运动的电机和电磁铁等。能源：驱动电机的电源和驱动液压系统、气压系统的液压源和气压源。传感器：检测旋转角度和旋转角速度的编码器和测速电机等。计算机：根据来自旋转编码器或测速发电机的信号，判断机器人的当前状态，并计算和判断所希望达到的状态及下一步的目标。二、功能构成工业三大要素：物质、能量、信息。1、目的功能 （1）变换(加工、处理)功能； （2）传递(移动、输送)功能； （3）储存(保持、积蓄、记录)功能。 举例：变换功能 物质：材料加工或处理机、各种机床 信息：打印机 能量：电动机、水轮机、内燃机传递功能 物质：交通运输机械 信息：通信系统、传真机

10、能量：机械或流体传动？存储功能 物质：自动化仓库 信息：录像机 能量：机械或流体蓄能器2、内部功能主 功 能：实现系统“目的功能”直接必需的功能。动力功能：向系统提供动力、让系统得以运转的功能。计测功能：对系统内部信息和外部信息进行检测与计算 处理的功能。控制功能：对整个系统进行控制，使系统正常运转以实 施 “目的功能”。构造功能：使构成系统的子系统及元、部件维持所定的 时间和空间上的相互关系所必需的功能。三、机电一体化构成要素与人体相对应关系机电一体化系统 人体组成要素 组成要素 控制器(计算机等) 大脑 执行元件 驱动(操作、肌肉伸缩） 检测传感器 五种感官 动力源 内脏提供能量 机构 骨

11、架机电一体化系统要素与人体组成要素1-4 机电一体化构成要素之间的连接 机电一体化系统由许多要素或子系统构成，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。接口（interface）：各要素或各子系统相接处必须具备一定的“联系条件”，这些联系条件就称为接口。 系统的性能在很大程度上取决于接口的性能，各要素或各子系统之间的接口性能就成为整个系统性能好坏的决定性因素。广义的接口功能有两种（1） 变换、调整功能 1) 零接口 2) 无源接口 3) 有源接口 4) 智能接口（2） 输入输出功能 1）机械接口 2） 物理接口 3）信息接口 4） 环境接口 根据接口的变换、调整功能，可将接

12、口分成以下四种： 1) 零接口。不进行任何变换和调整、输出即为输入等，仅起连接作用的接口，称为零接口。例如输送管、接插头、接插座、接线柱、传动轴、导线、电缆等。 2）无源接口。只用无源要素进行变换、调整的接口，称为无源接口。例如齿轮减速器、进给丝杠、变压器、可变电阻器以及透镜等。 3) 有源接口。含有有源要素、主动进行匹配的接口，称为有源接口。例如电磁离合器、放大器、光电耦合器、D/A转换器、A/D转换器以及力矩变换器等。 4) 智能接口。含有微处理器，可进行程序编制或可适应性地改变接口条件的接口，称为智能接口。 例如自动变速装置， 通用输入输出LSI(8255等通用I/O)、GP-IB总线、

13、STD总线等。 根据接口的输入、输出功能，可将接口分成以下四种： 1) 机械接口。由输入输出部位的形状、尺寸精度、配合规格等进行机械连接的接口，例如联轴器、管接头、法兰盘、万能插扣、接线柱、接插头、接插座等。 2) 物理接口。受通过接口部位的物质、能量与信息的具体形态和物理条件约束的接口，例如受电压、电流、电容、频率、传递扭矩的大小、气（液）体成分（压力或流量）约束的接口。 3) 信息接口。受规格、标准、法律、语言、符号等逻辑、软件约束的接口，例如GB、ISO、ASCII、RS232C、CC+、VC、VB等。 4) 环境接口。对周围环境条件（温度、湿度、磁场、火、振动、放射能、水、气、灰尘）有

14、保护作用和隔绝作用的接口，例如防尘过滤器、防水连接器、防爆开关等。 举例：1-5 机电一体化系统的功能评价机电一体化目的：提高产品附加价值。系统（产品）内部功能 评 价 参 数 系统（产品价值）高低主功能 系统误差抗干扰能力废弃物输出变换效率小强少高大弱多低动力功能 输入能量能 源少内装多外设控制功能可控输入输出接口数操作动作数多少少多构造功能尺寸、重量强度小、轻高大、重低计测功能或信息获取精度灵敏度高响应快低响应慢1、机电一体化系统的内部功能与系统价值2、机电一体化系统的主要评价内容3、工业三要素与机电一体化的三大效果机电一体化的三大效果：省能、省资源、智能化。1-6 机电一体化系统设计的考

15、虑方法及设计类型原则：从规范性、通用性、耐环境性、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 P13机电互补法（数控机床） 机电互补法又称取代法。该方法的特点是利用通用或专用电子部件取代传统机械产品（系统)中的复杂机械功能部件或功能子系统，以弥补其不足。结合(融合)法（激光扫描镜） 它是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(子系统)，其要素之间机电参数的有机匹配比较充分。

16、组合法（机器人） 它是将结合法制成的功能部件(子系统)、功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统（品），故称组合法。开发性设计（电视机、摄像机等） 它是没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理和要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品或系统。适应性设计（电子照相机的自动对焦等功能） 它是在总的方案原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品的性能和质量增加某些附加价值。变异性设计（自动化包装机） 它是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有所变更的

17、要求。1-7 机电一体化系统设计流程（1）确定产品规格、性能指标运动、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）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。 设计流程：机电一体化的定义、含义、目的机电一体化的构成要素接口的定义、广义接口功能小 结机电一体化的设计方法、设计类型机电一

18、体化目的功能、内部功能机电一体化的相关概念定义：在机械的主功能、动力功能、信息功能和控 制功能上引进微电子技术，并将机械装置 和电子装置用相关软件有机结合而构成系 统的总称。含义：包括机电一体化技术和机电一体化产品。目的：提高产品的附加价值。 构成要素：机械系统、信息处理系统、动力系统、传感检测系统和执行元件系统。机电一体化构成要素机电一体化功能构成工业三大要素：物质、能量、信息。目的功能： （1）变换(加工、处理)功能； （2）传递(移动、输送)功能； （3）储存(保持、积蓄、记录)功能。内部功能： 主功能、构造功能、计测功能、控制功能、动力功能。接口定义和功能接口（interface）定义：各要素或各子系统相接处必须具备一定的“联系条件”，这些联系条件就称为接口。广义的接口功能