机电一体化系统设计课件

机电一体化系统设计

第一章概述《机电一体化系统设计》张建民编著高等教育出版社第一章

总

论

1.1机电一体化的概念和主要特征1.1.1机电一体化的内涵或基本概念

机械学（Mechanics）+电子学（Electronics）=机电一体化或机械电子工程（Mechatronics）机电一体化的定义和主要目的

定义：在机械的主功能、动力功能、信息功能、控制功能基础上引入微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机地结合所构成系统的总称。主要目的：增加机械系统或装置的附加值和自动化程度。

图1.1机电一体化的涵义

1.1.2机电一体化技术的主要特征（1）整体结构最优化——机械、电子、计算机、传感技术的有机结合。（2）系统控制智能化——自动控制与检测、自动信息处理与误差补偿、自动故障诊断与修复、自动记录与显示、高的自适应能力。（3）操作性能柔性化——软件技术高柔性化的应用。（4）产品高性能化——高精度、高靠性、高稳定性、高寿命。归纳起来，机电一体化产品应体现“省能源、省资源、智能化，提高机械/机电产品的附加值自动化程度”的研究目的和要求。1.2机电一体化技术主要研究方向与主要内容、作用

1.2.1机电一体化技术主要研究方向

·机电一体化产品或系统的原创性研究与设计—原创性设计。·机电一体化产品或系统的机械系统（或部件）与微电子系统（或部件）相互转换或有机结合研究与设计—变异性设计。1.2.2机电一体化技术研究的主要内容

主要研究“省能源、省资源、智能化”三大基本要素，形成交叉学科的基础理论知识，解决机电一体化（技术）设计中的核心技术问题—接口技术。1.2.3机电一体化的作用（1）实现省能源、省资源、智能化，提高机电产品的附加值为目标。（2）改造传统机电设备开辟了新的途径。（3）加快了机电工业技术水平的发展步伐。（4）改善了机电产品几产品结构。（5）增强了机电企业的竞争和经营能力。1.3机电一体化系统的组成（构成要素）与功能构成

1.3.1机电一体化系统的构成要素与功能特征构成要素：机械系统、电子信息处理系统、动力系统、传感系统、执行控制系统（元件）组成及其定义与作用。重要功能特征：以能源转换为主功能特征。

以信息转换为主功能特征。三大目的功能：变换功能（加工处理）；传递功能（移动、输送）；储存功能（保持、积蓄、记录）。控制方式：线性、非线性、智能控制方式。1.3.2机电一体化系统（产品）应具有的主要功能要素

主功能、信息功能、控制功能、动力功能、构造功能。各子系统的匹配技术（核心）——接口技术。

图1.3机电系统五种内部功能构成图1.4CNC机床内部功能构成

1.4.2按机电一体化产品功能分类（1）在原有机械产品的基础上，增加电子装置，实现产品的多功能和高性能要求。（2）用电子装置取代原机械装置。（3）用电子装置取代原执行、信息处理功能机构。（4）用电子装置取代原机械产品的主功能。如：电加工机床等。（5）信息设备与电子装置、机械装置有机结合形成信息电子机械产品。（6）检测传感元件、电子装置、机械装置的有机结合形成检测系统（产品）。如：过程控制系统。（7）高智能与控制系统。如仿生机器人等。1.5机电一体化系统构成要素相互联系问题——接口技术接口技术的作用：为实现机械、电子、信息等各异的技术在机电一体化系统中的物质、能源、信息的传递与转换，达到系统所需的目的功能。接口技术的功能：系统输入/输出接口信息的匹配。

系统信息的转换、调整，能源信息匹配。接口技术的分类：·按变换调整功能分类：零接口，无源接口，有源接口，智能接口。·按输入输出功能分类：机械接口、物理接口、信息接口、环境接口。实际上，机电一体化技术研究的核心问题是接口技术问题。1.6机电一体化系统的设计流程设计内容：（1）确定产品规格、性能指标——运动参数、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。

依据提高机电一体化产品或系统附加价值的各项综合指标作为评价体系的制定标准，即五大内部功能要素指标。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装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1.7

机电一体化系统的评价体系系统内部功能的发展方向及评价内容

1.8机电一体化系统的设计方法与类型原则：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

机电一体化工程

机电一体化工程是系统工程在机电一体化工程中的具体应用。机电一体化技术是从系统工程观点出发，机械与电子有机结合，实现系统或产品整体最优的综合性技术。1.10机电一体化系统的设计程序、准则与规律1.10.1

设计程序总体设计→部件设计与选择→技术设计与工艺设计。（1）总体设计

明确设计思想和概念—→分析系统（产品）的综合性能指标要求—→类似产品调研和市场调研—→划分部件或子系统的功能模块—→决定系统和部件、子系统的性能参数—→拟定总体可行性方案（采用不同的设计方法和手段达到设计目的的多种方案）—→方案评价与对比、方案定型—→编写总体方案的可行性论证书—→专家评定鉴定—→确定最终总体设计方案。（2）部件（或关键零件）选择与设计部件主要性能指标确定—→部件选择与设计—→明确技术手段。（3）技术设计与工艺性设计技术设计应充分考虑实现系统（产品）功能要素的工艺特性、制造手段与能力——工艺基础；反之，工艺性设计要以满足实现系统（产品）各功能要素为前提或目的——保证性能、质量、增加附件价值。1.11机电一体化系统的开发工程

重点研究：★系统模块化设计；★功能组件的外购外协配套与标准化；★专用功能部件（子系统）开发和研制；★专业化生产方式的优势和特点；★设计能达到高效、高质量、高可靠性的设计制造效果；机电一体化系统开发工程的流程1.12机电一体化系统设计与现代设计方法

现代设计方法：以计算机为辅助手段进行系统（产品）设计方法的总称。

机电一体化设计方法与现代设计方法的融合是优质、高效、快速实现机电一体化系统（产品）设计的有效方法和基本条件。

计算机辅助设计与制造（CAD/CAN）并行工程设计——全寿命周期设计虚拟产品设计与实现快速响应设计绿色环保产品设计反求设计网络协同合作设计