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机电一体化系统设计机电一体化系统设计 第一章第一章 概概 述述机电一体化系统设计张建民机电一体化系统设计张建民 编著编著高等教育出版社高等教育出版社四川理工学院四川理工学院 机械工程学院机械工程学院第一章第一章 总总 论论 1.1 机电一体化的概念和主要特征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电一体化的内涵或基本概念 机械学（机械学（Mechanics）+电子学（电子学（Electronics）=机电一体化机电一体化 或或 机械电子工程（机械电子工程（Mechatronics）机电一体化的定义和主要目的机电一体化的定义和主要目的 定义：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。构成系统的总称。主要目的：主要目的：增加机械系统或装置的附加值和自动增加机械系统或装置的附加值和自动化程度。化程度。图图1.1 1.1 机电一体化的涵义机电一体化的涵义 1.1.2 机电一体化技术的主要特征机电一体化技术的主要特征（1）整体结构最优化）整体结构最优化机械、电子、计算机、传感技机械、电子、计算机、传感技术的有机结合。术的有机结合。（2）系统控制智能化）系统控制智能化自动控制与检测、自动信息处自动控制与检测、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、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。高的自适应能力。（3）操作性能柔性化）操作性能柔性化软件技术高柔性化的应用。软件技术高柔性化的应用。（4）产品高性能化）产品高性能化高精度、高靠性、高稳定性、高高精度、高靠性、高稳定性、高寿命。寿命。归纳起来，机电一体化产品应体现归纳起来，机电一体化产品应体现“省能源、省资源、省能源、省资源、智能化，提高机械智能化，提高机械/机电产品的附加值自动化程度机电产品的附加值自动化程度”的研的研究目的和要求。究目的和要求。1.1.3 机电一体化的共性关键技术机电一体化的共性关键技术（1）精密机械技术）精密机械技术结构紧凑，体积小，零部件模块化、结构紧凑，体积小，零部件模块化、标准化、通用化、规格化等。标准化、通用化、规格化等。（2）信息处理技术）信息处理技术信息输入输出，交换、存储，运算，信息输入输出，交换、存储，运算，判断，决策等。判断，决策等。（3）自动控制技术）自动控制技术自动控制理论与系统设计，自动控制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、补偿控制系统仿真，位置、速度、自适应控制，诊断、校正、补偿控制等。等。（4）检测传感技术）检测传感技术传感器技术，信号输入输出与处理，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。传感系统自动控制、调节与检测技术。（5）伺服驱动技术）伺服驱动技术机、电、液（气）等执行元件的驱动机、电、液（气）等执行元件的驱动与控制技术。与控制技术。（6）接口与信息转换技术）接口与信息转换技术接口信息匹配与转换，抗干扰接口信息匹配与转换，抗干扰能力与措施。能力与措施。（7）系统总体设计技术）系统总体设计技术传统设计方法与现代设计方法的传统设计方法与现代设计方法的融合技术融合技术1.2 机电一体化技术主要研究方向与主要内容、作用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机电一体化产品或系统的原创性研究与设计原创性设计原创性设计。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（或部件）相互转换或有机结合研究与设计变异性设计变异性设计。1.2.2 机电一体化技术研究的主要内容机电一体化技术研究的主要内容 主要研究主要研究“省能源、省资源、智能化省能源、省资源、智能化”三大基本要素，形成三大基本要素，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核心技术问题接口技术接口技术。1.2.3 机电一体化的作用机电一体化的作用（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。）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。）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。）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。）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。）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机电一体化系统的构成要素与功能特征构成要素：构成要素：机械系统、电子信息处理系统、动力系统、传感机械系统、电子信息处理系统、动力系统、传感系统、执行控制系统（元件）组成及其系统、执行控制系统（元件）组成及其定义定义与与作用作用。重要功能特征：重要功能特征：以能源转换为主功能特征。以能源转换为主功能特征。以信息转换为主功能特征。以信息转换为主功能特征。三大目的功能：三大目的功能：变换功能（加工处理）；传递功能（移动、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）。输送）；储存功能（保持、积蓄、记录）。控制方式：控制方式：线性、非线性、智能控制方式。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。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）各子系统的匹配技术（核心）接口技术。接口技术。图图1.3 机电系统五种内部功能构成机电系统五种内部功能构成 图图1.4 CNC机床内部功能构成机床内部功能构成 1.4 机电一体化系统的分类机电一体化系统的分类1.4.1 按产品用途分类按产品用途分类（1）工业生产用机电产品。）工业生产用机电产品。（2）运输、包装、工程机电产品。）运输、包装、工程机电产品。（3）储存、销售机电产品。）储存、销售机电产品。（4）社会服务办公机电产品。）社会服务办公机电产品。（5）家电、生活服务机电产品。）家电、生活服务机电产品。（6）科研、信息过程控制与处理机电产品。）科研、信息过程控制与处理机电产品。（7）航空、航天、武器装备产品。）航空、航天、武器装备产品。（8）其他机电产品。如：玩具、娱乐、食品加工、农）其他机电产品。如：玩具、娱乐、食品加工、农业生产装备等。业生产装备等。1.4.2 按机电一体化产品功能分类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）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。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。）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。）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）用电子装置取代原机械产品的主功能。如：电加工机床等。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）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。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）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。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。）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 接口技术接口技术接口技术的作用：接口技术的作用：为实现机械、电子、信息等各异的技术为实现机械、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，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。达到系统所需的目的功能。接口技术的功能：接口技术的功能：系统输入系统输入/输出接口信息的匹配。输出接口信息的匹配。系统信息的转换、调整，能源信息匹配。系统信息的转换、调整，能源信息匹配。接口技术的分类：接口技术的分类：按变换调整功能分类：零接口，无源接口，有源接按变换调整功能分类：零接口，无源接口，有源接口，智能接口。口，智能接口。按输入输出功能分类：机械接口、物理接口、信息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。接口、环境接口。实际上实际上，机电一体化技术研究的核心问题是接口技术问题机电一体化技术研究的核心问题是接口技术问题。机电一体化系统的设计流程机电一体化系统的设计流程设计内容：设计内容：（1）确定产品规格、性能指标）确定产品规格、性能指标 运动参数、动力参数、品质参数。运动参数、动力参数、品质参数。（2）系统功能部件要素的划分）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。功能部件选择、设计和与系统主功能的匹配。（3）接口设计）接口设计 机械接口、物理接口、信息接口、环境接口。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）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，系统性能、结构质量的各种定量指标和参数，系统的附加价值，系统的附加价值，满足设计或用户需求的功能性满足设计或用户需求的功能性产品或系统为前提。产品或系统为前提。评价方法依据产品要求有所评价方法依据产品要求有所不同不同（5）可靠性复查）可靠性复查（6）试制与调试）试制与调试 样机制造与调试、试验。样机制造与调试、试验。（7）最终产品结果评价）最终产品结果评价 是否达到设计或用户要求是否达到设计或用户要求 依据提高机电一体化产品依据提高机电一体化产品或系统附加价值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，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。即五大内部功能要素指标。系统（产品）系统（产品）内部功能内部功能 评评 价价 参参 数数 系统（产品价值）系统（产品价值）高高低低主功能主功能 系统误差系统误差抗干扰能力抗干扰能力废弃物输出废弃物输出变换效率变换效率小小强强少少高高大大弱弱多多低低动力功能动力功能 输入能量输入能量能能 源源少少内装内装多多外装外装控制功能控制功能可控输入输出接口数可控输入输出接口数操作动作数操作动作数多多少少少少多多构造功能构造功能尺寸、重量尺寸、重量强度强度小、轻小、轻高高大、重大、重低低计测功能计测功能或信息获取或信息获取精度精度灵敏度灵敏度高高响应快响应快低低响应慢响应慢1.7 机电一体化系统的评价体系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机电一体化系统的设计方法与类型原则：原则：从规范性、通用性、耐环境性、可靠性、经从规范性、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、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省资源、智能化，提高机电产品的附加值和自动化程度。化程度。常用的设计方法：常用的设计方法：机电互补法机电互补法 机电结合（融合）法机电结合（融合）法 机电组合法机电组合法常见的设计类型：常见的设计类型：开发性设计开发性设计 适应性设计适应性设计 变异性设计变异性设计 系统工程是系统科学的一个工作领域，而系统科学本身是一门关于“针对目的要求而进行合理的方法学处理”的边缘科学，系统工程的概念不仅包括“系统”，即具有特定功能的、相互之间具有有机联系的许多要素所构成的一个整体，也包括“工程”，即产生一定效能的方法。1978年，钱学森就曾指出：“系统工程是组织管理系统的规划、研究、系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方法有系统都具有普遍意义的科学方法”。系统工程是以大系统为对象、以数学方法和大型计算机等为工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目标，以便充分发挥人力、物力和财力，通过各种组织管理技术，使局部与整体之间协调配合，实现系统的综合最优化。系统工程是数学方法和工程方法的汇集。系系统统工工程程1.9 1.9 机电一体化工程与系统工程机电一体化工程与系统工程机机电电一一体体化化工工程程 机电一体化工程是系统工机电一体化工程是系统工程在机电一体化工程中的具体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应用。机电一体化技术是从系统工程观点出发，机械与电子统工程观点出发，机械与电子有机结合，实现系统或产品整有机结合，实现系统或产品整体最优的综合性技术。体最优的综合性技术。1.10 机电一体化系统的设计程序、准则与规律机电一体化系统的设计程序、准则与规律 设计程序设计程序 总体设计总体设计部件设计与选择部件设计与选择技术设计与工艺设技术设计与工艺设计。计。（1）总体设计总体设计 明确设计思想和概念明确设计思想和概念分析系统（产品）的分析系统（产品）的综合性能指标要求综合性能指标要求类似产品调研和市场调研类似产品调研和市场调研划分部件或子系统的功能模块划分部件或子系统的功能模块决定系统决定系统和部件、子系统的性能参数和部件、子系统的性能参数拟定总体可行性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）的多种方案）方案评价与对比、方案定型方案评价与对比、方案定型编写总体方案的可行性论证书编写总体方案的可行性论证书专家评定鉴专家评定鉴定定确定最终总体设计方案。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（或关键零件）选择与设计 部件主要性能指标确定部件主要性能指标确定部件选择部件选择与设计与设计明确技术手段。明确技术手段。（3）技术设计与工艺性设计）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）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）各功能要素为前满足实现系统（产品）各功能要素为前提或目的提或目的保证性能、质量、增加附保证性能、质量、增加附件价值。件价值。1.10.2 机电一体化系统（产品）设计准则机电一体化系统（产品）设计准则 以以节省能源、节省资源、智能化，提高系统的附加值，实现节省能源、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系统目的功能为设计准则，使系统具有高的，使系统具有高的可靠性、适应性、可靠性、适应性、完善性为设计目标完善性为设计目标。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散元素间的逻辑关系，然后研究其相互间的物理关系，确定离散元素间的逻辑关系，然后研究其相互间的物理关系，这样就可根据设计要求和手册确定其结构关系，最终完成全部这样就可根据设计要求和手册确定其结构关系，最终完成全部设计工作；其中确定逻辑关系阶段是关键，如逻辑关系不合理，设计工作；其中确定逻辑关系阶段是关键，如逻辑关系不合理，其设计必然不合理。其设计必然不合理。（1）确定零部件之间的逻辑和物理关系）确定零部件之间的逻辑和物理关系 功能划分功能划分确定逻辑关系确定逻辑关系确定功能结构确定功能结构建立数学或建立数学或者物理模型者物理模型实现系统方案设计和技术设计实现系统方案设计和技术设计（2）确定实现系统各功能结构的手段和方法）确定实现系统各功能结构的手段和方法 链状结构（串联）；平行结构（并联）；反馈闭环结构。链状结构（串联）；平行结构（并联）；反馈闭环结构。1.11 机电一体化系统的开发工程机电一体化系统的开发工程 重点研究：重点研究：系统模块化设计；系统模块化设计；功能组件的外购外功能组件的外购外协配套与标准化；协配套与标准化；专用功能部件（子专用功能部件（子系统）开发和研制；系统）开发和研制；专业化生产方式的专业化生产方式的优势和特点；优势和特点；设计能达到高效、设计能达到高效、高质量、高可靠性高质量、高可靠性的设计制造效果；的设计制造效果；机电一体化系统开发工程的流程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机电一体化系统设计与现代设计方法 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以计算机为辅助手段进行系统（产品）设计方法（产品）设计方法 的总称。的总称。机电一体化设计方法与现代设计方法的融合机电一体化设计方法与现代设计方法的融合是是优质、高效、快速实现机电一体化系统（产品）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。设计的有效方法和基本条件。计算机辅助设计与制造（计算机辅助设计与制造（CAD/CANCAD/CAN）并行工程设计并行工程设计全寿命周期设计全寿命周期设计 虚拟产品设计与实现虚拟产品设计与实现 快速响应设计快速响应设计 绿色环保产品设计绿色环保产品设计 反求设计反求设计 网络协同合作设计网络协同合作设计 本本 章章 小小 结结 本章节应重点掌握机电一体化系统设计的内涵、本章节应重点掌握机电一体化系统设计的内涵、作用、目标以及研究的主要核心技术问题，机电作用、目标以及研究的主要核心技术问题，机电一体化系统（产品）的构成要素和功能要素，以一体化系统（产品）的构成要素和功能要素，以及它们之间的相互联系；机电一体化系统（产品）及它们之间的相互联系；机电一体化系统（产品）的一般设计设计工作流程；应考虑的方法和设计的一般设计设计工作流程；应考虑的方法和设计类型；了解机电一体化系统（产品）设计的基本类型；了解机电一体化系统（产品）设计的基本程序、准则与规律；现代设计方法在机电一体化程序、准则与规律；现代设计方法在机电一体化系统（产品）中的应用。系统（产品）中的应用。第第1章课外作业：章课外作业：（1）机电一体化的涵义是什么？）机电一体化的涵义是什么？（2）机电一体化设计研究产品应达到的目标是什么？）机电一体化设计研究产品应达到的目标是什么？（3）机电一体化技术的主要特征是什么？共性关键技术）机电一体化技术的主要特征是什么？共性关键技术有哪些？有哪些？（4）机电一体化技术的作用和目的是什么？）机电一体化技术的作用和目的是什么？（5）机电一体化有哪些基本组成要素？）机电一体化有哪些基本组成要素？（6）机电一体化五大要素是什么？相对应的五大功能是）机电一体化五大要素是什么？相对应的五大功能是什么？什么？