机电 第1章总论

机电一体化系统设计

DesignofMechatronicalSystem

机电一体化系统设计课程概况学时：总学时40，实验6学分：2.5课程性质：选修选课对象：机械类专业内容概要

《机电一体化系统设计》是一门综合性专业课，要求学生能把以前学过的机械电子学科的知识有机地结合起来，学习掌握“以机为主，以电为用，机电有机结合”的设计思路和方法，系统地培养机电一体化产品的创新和设计能力；对现代的机电一体化系统特点和发展方向有一定的了解。选用教材

1）机电一体化系统设计（第二/三版），张建民，高等教育出版社，2007；2）机电一体化系统设计课程设计指导书，尹志强等，机械工业出版社，2007。

YoursitehereLOGO第一章概论第一节机电一体化时代与机电一体化技术革命第二节优先发展机电一体化的领域及其共性关键技术第三节机电一体化系统构成要素及功能构成第六节机电一体化系统设计的考虑方法及设计类型第八节机电一体化工程与系统工程YoursitehereLOGO第一节机电一体化时代与机电一体化技术革命“机电一体化”一词的英文是“Mechatronics”,是20世纪70年代初由日本首先提出的，它是取Mechanics（机械学）的前半部分和Electronics（电子学）的后半部分拼合而成的。国内也称为“机械电子学”。迄今为止，“机电一体化”一词尚没有统一的定义。一般认为，机电一体化是从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新兴边缘性技术学科。

Mechatronics?

Mechanics+Electronics

哪些产品是机电一体化产品？YoursitehereLOGO美34年前发射的飞船到2011年已飞220亿公里

将离开太阳系据媒体报道，美国航天总署(NASA)于1977年发射的2艘航海家号宇宙飞船(Voyager)，是目前所有仍在运作、还可联系的宇宙飞船中，距离地球最远的。其中，航海家2号于1977年8月20日发射到2010年6月28日已超过1万2000天，航海家1号于1977年9月5日发射至7月13日也达到1万2000天。

YoursitehereLOGO据报道，航海家1号(Voyager1)目前已经航行超过220亿公里，距离太阳约170亿公里；而地球与太阳的平均距离为1亿5000万公里。航海家1号重815公斤，于1977年9月5日发射，曾到访过木星及土星，受惠于几次的引力加速，使得飞行速度比其它任何人造太空飞行器都还要快，即使较它早半个月发射的姊妹船航海家2号，也无法超越。YoursitehereLOGO中国第一台自行设计、自主集成研制的“蛟龙号”载人潜水器3000米级海试取得成功中国科技部、国家海洋局2010年8月26日宣布，中国第一台自行设计、自主集成研制的国家863计划重大专项“蛟龙号”载人潜水器，在南海3000米级海上试验取得成功，最大下潜深度达3759米，并在南海海底插上中国国旗。YoursitehereLOGO中国载人潜水器成功突破5000米达5056.8米

2011年7月26日上午6：09在东太平洋试验海区成功突破5000米海底深度，达5056.8米。这意味着中国深海活动能力可覆盖世界70%以上的洋底，并成功回收至“向阳红09”船。YoursitehereLOGO“蛟龙”号预计2012年将进行7000米级海试

“蛟龙”号下潜至海底5057米深处所拍摄的鱼YoursitehereLOGO2012年6月24日，“蛟龙”号载人潜水器在马里亚纳海域进行的7000米级海试第四次下潜试验中成功突破7000米深度，再创中国载人深潜新纪录。图为“蛟龙”号被布放入水（6月24日摄）。新华社记者罗沙摄

2012年6月30日15时许，在马里亚纳海沟试验区进行7000米级海试第六次下潜的“蛟龙”号返回母船，标志着我国具备了在全球99.8%的海洋深处开展科学研究、资源勘探的能力。在今年进行的6次下潜中，“蛟龙”号3次超越7000米，最大下潜深度达到7062米

YoursitehereLOGO目前，国外共有各类深海载人潜水器13艘，性能与“蛟龙号”大体相当的有5艘，分别是：美国的“阿尔文号”(下潜深度4500米，1963年服役)、日本的“深海6500号”(下潜深度6500米，1989年服役)、俄罗斯的“和平1号”与“和平2号”(下潜深度均为6000米，1987年服役)、法国的“鹦鹉螺号”(下潜深度6000米，1984年服役)。最大下潜深度纪录由“深海6500号”于1989年8月创造，为6527米。YoursitehereLOGO定义“机电一体化”乃是在机械的主功能、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构成系统的总称。YoursitehereLOGO发展概况1、20世纪60年代前为第一阶段，“萌芽阶段”工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结合，以提高机械产品的性能。但是由于电子技术的发展相对落后，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。2、70年代到80年代为第二阶段，“蓬勃发展阶段”

计算机技术、控制技术、通信技术（3C技术）的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。这个时期的特点是：①mechatronics一词首先在日本被普遍接受，大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；②机电一体化技术和产品得到了极大发展；③各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。

YoursitehereLOGO3、90年代后期开始为第三阶段，“智能化阶段”

①光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；②对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。③由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。

YoursitehereLOGO数控机床的问世，写下了“机电一体化”历史的第一页。2.微电子技术为“机电一体化”带来勃勃生机。3.“可编程序控制器”、“电力电子”等的发展为“机电一体化”提供了坚强基础。4.激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使“机电一体化”跃上新台阶。YoursitehereLOGO机电一体化技术应用举例加湿器的结构组成及原理采用超声波高频振荡的原理，将水雾化为1—5微米的超微粒子，通过风动装置，将水雾扩散到空气中

YoursitehereLOGOSIEMENS可编程序控制器产品YoursitehereLOGO数控铣床YoursitehereLOGO焊接机器人-FAUNC车身车间焊接机器人

YoursitehereLOGO汽车1、EFI系统2、自动变速箱3、安全气囊4、ABS系统5、自动巡航系统YoursitehereLOGO电子燃油喷射（EFI）系统电子控制燃油喷射系统（EFI）——简称汽油喷射。它是汽车汽油发动机取消化油器而采用的一种先进的喷油装置。使用EFI，汽车发动机燃烧将更充分，从而提高功率，降低油耗，实现低公害排放的目的。当EFI功能与发动机其它功能结为一体时，称“发动机管理系统（EMS）”，这将达到更高要求的环保目标。YoursitehereLOGOYoursitehereLOGOCVT自动变速器原理图

奥迪A4的自动变速器。绿色圆筐中的部分就是多片离合器式的行星齿轮制动机构

YoursitehereLOGO汽车防抱死系统(ABS)YoursitehereLOGO基本工作原理是，汽车制动时，首先由轮速传感器测出与制动车轮转速成正比的交流电压信号，并将该电压信号送入电子控制器（ECU）。由ECU中的运算单元计算出车轮速度、滑动率及车轮的加、减速度，然后再由ECU中的控制单元对这些信号加以分析比较后，向压力调节器发出制动压力控制指令。使压力调节器中的电磁阀等直接或间接地控制制动压力的增减，以调节制动力矩，使之与地面附着状况相适应，防止制动车轮被抱死。YoursitehereLOGO工作原为：上电后，系统进行自检，当自检正常时，通过32位微处理器LM3S1138不断对加速度传感器MMA7260测得的信号进行采样。当汽车受到一定角度内的高速碰撞时，系统经算法分析确认后，立即触发气囊包内的点火器，气囊迅速充满气体，阻挡驾驶员与汽车构件之间可能发生的碰撞，通过气囊上排气孔的节流阻尼作用来缓冲吸收驾驶员动能，从而达到保护驾驶员安全的目的。YoursitehereLOGO位置,速度检测单元电机机械部件位置,速度反馈CNC数控机床伺服系统组成YoursitehereLOGO机电一体化系统的构成执行器控制信息电子控制单元动力源检测传感部分机械本体参数变化信息驱动力能量检测参数YoursitehereLOGO1、机械本体机械本体包括机架、机械连接、机械传动等，它是机电一体化的基础，起着支撑系统中其他功能单元、传递运动和动力的作用。与纯粹的机械产品相比，机电一体化系统的技术性能得到提高、功能得到增强，这就要求机械本体在机械结构、材料、加工工艺性以及几何尺寸等方面能够与之相适应，具有高效、多功能、可靠和节能、小型、轻量、美观的特点。2、动力源是机电一体化产品的能量供应部分，其作用是按照系统控制要求，为系统提供能量和动力，使系统正常运行。提供能量的方式包括电能、气能和液压能，以电能为主。YoursitehereLOGO3、传感检测单元对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测。一般由传感器及转换电路等完成。要求：体积小、精度高、抗干扰4、控制与信息处理单元将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地运行。

要求：高可靠性、处理速度快、智能化YoursitehereLOGO5、执行机构其作用是根据控制指令驱动机械部件的运动。通常采用电力驱动、气压驱动和液压驱动等几种方式。要求：高性能、高精度、高效率6、驱动单元在控制信息作用下，驱动各执行机构完成各种动作和功能。要求：高效率、快速响应、高可靠性7、接口将各组成单元或子系统连接成一有机的整体。接口包括：电气接口—实现系统间电信号的连接。机械接口—完成机械与机械部分、机械与电气装置部分的连接。人机接口—提供人与系统间的交互界面。YoursitehereLOGO第二节机电一体化共性关键技术

（1）检测传感技术传感器技术，信号输入输出与处理，传感系统自动控制、调节与检测技术。（2）信息技术信息输入输出，交换、存储，运算，判断，决策等。（3）自动控制技术自动控制理论与系统设计，自动控制系统仿真，位置、速度、自适应控制，诊断、校正、补偿控制等。（4）伺服驱动技术机、电、液（气）等执行元件的驱动与控制技术。（5）精密机械技术结构紧凑，体积小，零部件模块化、标准化、通用化、规格化等。（6）系统总体技术传统设计方法与现代设计方法的融合技术YoursitehereLOGO第三节机电一体化系统构成要素及功能构成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）等组成。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。YoursitehereLOGOYoursitehereLOGO

图1.6系统五种内部功能构成图1.7CNC机床内部功能构成

YoursitehereLOGO1.5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。YoursitehereLOGO1.6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。（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YoursitehereLOGO1.7机电一体化系统的评价体系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YoursitehereLOGO系统内部功能的发展方向及评价内容YoursitehereLOGO1.8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(取代法):就是用电气控制取代原系统中的机械控制机构。该方法是改造旧产品、开发新产品或对原系统进行技术改造常用的方法,也是改造传统机械产品的常用方法。机电结合（融合）法(整体设计法):主要用于新产品的开发设计。在设计时完全从系统的整体目标出发,考虑各子系统的设计。某些子系统可融为一体，使结构更加紧凑。

机电组合法(组合法):就是选用各种标准功能模块组合设计成机电一体化系统。例如,设计一台数控机床,可以依据机床的性能要求,通过对不同厂家的计算机控制单元、伺服驱动单元、位移和速度测试单元及主轴、导轨、刀架、传动系统等产品的评估分析,研究各单元间接口关系和各单元对整机性能的影响,通过优化设计确定机床的结构组成。YoursitehereLOGO常见的设计类型：开发性设计没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理和要求，设计出质量和性能方面满足目的要求的系统。适应性设计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，或为了微电子控制进行局部适应性设计，以提高产品的性能和质量。变异性设计是在设计方案和结构不变的情况下，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要求。YoursitehereLOGO1.10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。YoursitehereLOGO（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；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。YoursitehereLOGO1.10.2机电一体化系统（产品）设计准则

以节省能源、节省资源、智能化，提高系统的附加值，实现系统目的功能为设计准则，使系统具有高的可靠性、适应性、完善性为设计目标。1.10.3机电一体化系统设计的一般规律总结一般系统的设计，具有以下规律：根据设计要求首先确定离