机电一体化系统设计张建民第一章总论.ppt

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1、机电一体化系统设计机电一体化系统设计 张建民张建民 等编著等编著高等教育出版社高等教育出版社讲授：刘翔讲授：刘翔高级工程师高级工程师机电动力与信息工程系机电动力与信息工程系学学以以求求精精 行行以以求求正正第一章第一章 概论概论 第第1.1节节 概述概述1.1.1 机电一体化的内涵机电一体化的内涵 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）1.1.2 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、控制功能基础上在机械的主

2、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的系统总称。合所构成的系统总称。主要目的：主要目的：增加机械系统或装置的附加值和自动化程度。增加机械系统或装置的附加值和自动化程度。图图1.1 1.1 机电一体化的涵义机电一体化的涵义 学学以以求求精精 行行以以求求正正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机电一体化产品或系统的原创性研究与设计计原创性设计。原创性设计。机电一体化产品或系统的机械系统（或部机电一体化产品或系统的机械系统

3、（或部件）与微电子系统（或部件）相互转换或有机件）与微电子系统（或部件）相互转换或有机结合研究与设计结合研究与设计变异性设计。变异性设计。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”三三大基本要素，形成交叉学科的基础理论知识，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解决机电一体化（技术）设计中的核心技术问题题接口技术接口技术。原创性设计原创性设计学学以以求求精精 行行以以求求正正1.1.3 机电一体化技术的发展机电一体化技术的发展 历史历史（1）基础设计理论、研究方法的形成基础

4、设计理论、研究方法的形成（二次世界大战前二次世界大战前）（2）电子技术的时代（电子技术的时代（二次世界大战以来二次世界大战以来）（3）微电子技术时代微电子技术时代（工业自动化的大量应用工业自动化的大量应用）（4）机电一体化技术理论体系的初步形成（）机电一体化技术理论体系的初步形成（智能化产品或智能化产品或装置的出现装置的出现）（5）计算机技术与工业控制软件的应用（）计算机技术与工业控制软件的应用（智能化智能化省能源省能源省资源省资源）（6）工业自动化和产品自动化（）工业自动化和产品自动化（智能化智能化 自动化自动化增加附增加附加值加值）（7）未来发展方向（未来发展方向（高度智能化和高度智能化和

5、 自动化自动化）第第1.2节节 优先发展机电一体化系统的领域优先发展机电一体化系统的领域 及其共性关键技术及其共性关键技术 1.检测传感技术检测传感技术。2.2.2.2.信息处理技术。信息处理技术。3.3.3.3.自动控制技术。自动控制技术。4.4.4.4.伺服驱动技术。伺服驱动技术。5.5.5.5.精密机械技术。精密机械技术。6.6.6.6.系统总体技术。系统总体技术。学学以以求求精精 行行以以求求正正第第第第1.31.3节节节节 机电一体化系统的构成要素与功能构成机电一体化系统的构成要素与功能构成机电一体化系统的构成要素与功能构成机电一体化系统的构成要素与功能构成 1.3.1 机电一体化系

6、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 五大功能构成要素：机械系统、电子信息处理系五大功能构成要素：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）。统、动力系统、传感系统、执行控制系统（元件）。学学以以求求精精 行行以以求求正正重要功能特征：重要功能特征：以能源转换为以能源转换为主功能特征。主功能特征。以信息转换为以信息转换为主功能特征。主功能特征。学学以以求求精精 行行以以求求正正三大目的功能：三大目的功能：变换功能（加工处理）；变换功能（加工处理）；传递功能（移动、输送）；传递功能（移动、输送）；储存功能（保持、积蓄、记录）。储存功能（保持、积蓄、记

7、录）。控制方式：控制方式：线性控制方式；线性控制方式；非线性控制方式；非线性控制方式；智能控制方式。智能控制方式。学学以以求求精精 行行以以求求正正1.3.2 1.3.2 机电一体化系统具有的主要功能要素机电一体化系统具有的主要功能要素机电一体化系统具有的主要功能要素机电一体化系统具有的主要功能要素 主功能、信息功能、控制功能、动力功能、构造主功能、信息功能、控制功能、动力功能、构造功能。功能。以及各子系统的匹配技术（核心）以及各子系统的匹配技术（核心）接口技接口技术。术。机电系统五种内部功能构成机电系统五种内部功能构成 CNC机床内部功能构成机床内部功能构成学学以以求求精精 行行以以求求正正

8、 接口技术的作用：接口技术的作用：为实现机械、电子、信息等各异技术在机电一为实现机械、电子、信息等各异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。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。第第1.4节节 机电一体化系统构成要素之间机电一体化系统构成要素之间的连接学学以以求求精精 行行以以求求正正 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，按变换调整功

9、能分类：零接口，无源接口，有源接口，智能接口。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、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。信息接口、环境接口。实际上实际上，机电一体化技术研究的核心问题就是机电一体化技术研究的核心问题就是接口技术问题接口技术问题。第第第第1.51.5节节节节 机电一体化系统的评价体系机电一体化系统的评价体系机电一体化系统的评价体系机电一体化系统的评价体系 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的各项综合指标作为评价体系的制定标准，即五大内部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。

10、功能要素指标。系系统统（产产品）品）内部功能内部功能 评评 价价 参参 数数 系系统统（产产品价品价值值）高高低低主功能主功能 系系统误统误差差抗干抗干扰扰能力能力废废弃物弃物输输出出变换变换效率效率小小强强少少高高大大弱弱多多低低动动力功能力功能 输输入能量入能量能能 源源少少内装内装多多外装外装控制功能控制功能可控可控输输入入输输出接口数出接口数操作操作动动作数作数多多少少少少多多构造功能构造功能尺寸、重量尺寸、重量强强度度小、小、轻轻高高大、重大、重低低计测计测功能功能或信息或信息获获取取精度精度灵敏度灵敏度高高响响应应快快低低响响应应慢慢学学以以求求精精 行行以以求求正正图图图图1-7

11、 1-7 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 学学以以求求精精 行行以以求求正正第第第第1.61.6节节节节 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 机电一体化系统设计的一般原则机电一体化系统设计的一般原则 原则：原则：从规范性、通用性、环境性、可靠性、经从规范性、通用性、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，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、

12、省资源、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。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：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 学学以以求求精精 行行以以求求正正第第1.7节节 机电一体化系统的设计流程机电一体化系统的设计流程 1.7.1 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）

13、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 4）综合评价或系统评价）综合评价或系统评价）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产品满足设计或用户需求的功能性产品或系统为前提。或系统为前提。评价方法依据产品要求有所不同。评价方法依据产品要求有所不同。（5）可靠性复查）可

14、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 1.7.2 1.7.2 设计流程：设计流程：学学以以求求精精 行行以以求求正正第第第第1.81.8节节节节 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电一体化工程与系统工程机电一体化工程与系统工程 机电一体化工程机电一体化工程 机电一体化工程是系统工程在机电一体化系统设机电一体化工程是系统工程在机电一体化系统设计中的计中的具体应用。它是从具体应用。它是从系统工程观点出发，应用机系统工程观点出发，应用机械、微电子相关技术

15、，使机械技术、微电子技术有机械、微电子相关技术，使机械技术、微电子技术有机结合，实现系统或产品整体优化的综合性技术。结合，实现系统或产品整体优化的综合性技术。系统工程系统工程 系统工程是数学方法和工程方法的汇集，是组织系统工程是数学方法和工程方法的汇集，是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，既包括科学方法，既包括“系统系统”，又包括：，又包括：“工程工程”。第第第第1.91.9节节节节 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

16、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）的综分析系统（产品）的综合性能指标要求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划分部件或子系统的功能模块分部件或子系统的功能模块决定系统和部件、子决定系统和部件、子系统的性能参数系统的性能参数拟定总体可行性方案（采用不同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）的设计方法和手段达到设计目的的多种方案）方方案评价与对比、方案定型案评价与对比、方案定型编写总体方案的可行性

17、编写总体方案的可行性论证书论证书专家评定鉴定专家评定鉴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与设计部件选择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）功能要技术设计应充分考虑实现系统（产品）功能要素的工艺特性、制造手段与能力素的工艺特性、制造手段与能力工艺基础；反工艺基础；反之，工艺性设计要以满足实现系统（产品）各功能之，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要素为前提或目的保证性能、

18、质量、增加附件保证性能、质量、增加附件价值。价值。1.9.2 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值，实现系统目的功能为设计准则，使系统具有高的，使系统具有高的可可靠性、适应性、完善性为设计目标靠性、适应性、完善性为设计目标。1.9.3 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（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者物理模型建立数学

19、或者物理模型实现系统方案设计和技术设实现系统方案设计和技术设计计（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）；反馈闭环链状结构（串联）；平行结构（并联）；反馈闭环结构。结构。第第1.10节节 机电一体化系统的开发工程机电一体化系统的开发工程 与现代设计方法与现代设计方法1.10.1 1.10.1 开发工程重点研究：开发工程重点研究：系统模块化设计；系统模块化设计；功能组件的外购外协配套与标准化；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；专业化

20、生产方式的优势和特点；设计能达到高效、高质量、高可靠性的设计设计能达到高效、高质量、高可靠性的设计制造效果。制造效果。第第第第1.101.10节节节节 机电一体化系统的开发工程与现代设计方法机电一体化系统的开发工程与现代设计方法机电一体化系统的开发工程与现代设计方法机电一体化系统的开发工程与现代设计方法 学学以以求求精精 行行以以求求正正第第第第1.101.10节节节节 机电一体化系统开发工程与现代设计方法机电一体化系统开发工程与现代设计方法机电一体化系统开发工程与现代设计方法机电一体化系统开发工程与现代设计方法 1.10.2 1.10.2 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

21、（产品）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。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优是优质、高效、快速实现机电一体化系统（产品）设计的质、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。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

22、重点掌握机电一体化系统设计的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内涵、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）的构成要素和功题，机电一体化系统（产品）的构成要素和功能要素，以及它们之间的相互联系；机电一体能要素，以及它们之间的相互联系；机电一体化系统（产品）的一般设计工作流程；应考虑化系统（产品）的一般设计工作流程；应考虑的方法和设计类型；了解机电一体化系统（产的方法和设计类型；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系统（产品）中的应用。方法在机电一体化系统（产品）中的应用。课外作业：课外作业：1.机机电电一一体体化化的的涵涵义义、目目的的、特特征征、基本组成要素以及分别实现哪些功能。基本组成要素以及分别实现哪些功能。2.工工业业三三大大要要素素指指的的是是什什么么？机机电电一一体化设计的目标是哪些？体化设计的目标是哪些？3.机机电电一一体体化化的的接接口口功功能能有有哪哪些些？根根据不同的接口功能试说明接口的种类。据不同的接口功能试说明接口的种类。4.说说明明机机电电一一体体化化系系统统设设计计的的设设计计思思想、方法。想、方法。