机电一体化系统设计 概述

1、结束放映 返回总目录1 1-1 对机电一体化涵义的理解与机电一体化技术革命 1-2 机电一体化系统的构成要素、功能构成及评价 1-3 机电一体化系统构成要素之间的相互连接 1-4 机电一体化系统设计的考虑方法、设计类型及设计流程 1-5 机电一体化系统的设计程序、准则与规律 1-6 机电一体化工程与系统工程 1-7 机电一体化系统的开发工程与现代设计方法 1-8 机电一体化的共性关键技术与优先发展领域 习题与思考题 返回 结束放映 返回本章目录2 “机电一体化”是机械技术、电子技术和信息技术等各相关技术 有机结合的一种新形式，是电子技术向机械技术领域渗透过程中逐渐形 成的一个新概念。 关于“机

2、电一体化”(mechatronics)这个名词的起源，说法很多， 早在197l年，日本机械设计杂志副刊就提出了“mechatronics”这 一名词，1976年以广告为主的日本杂志Mechatronics Design News 开始使用，其中的“mechatronics”是mechanics(机械学)与 e1ectronics (电子学)组合而成的日本造英语。 1-1 对机电一体化涵义的理解机电一体化涵义的理解 与机电一体化技术革命与机电一体化技术革命 一、一、 机电一体化机电一体化的涵义与的涵义与机电一体化时代特征机电一体化时代特征 “机电一体化”打破了传统的机械工程、电子工程、信息工程、

3、 控制工程、光学工程等学科的分类，形成了融机械工程、电子工程、信 息工程等多学科为一体，从系统的角度分析、解决问题的一门新兴的交 叉学科。 返回 结束放映 返回本章目录3 “机电一体化机电一体化”涵涵义义 较为人们所接受的“机电一体化”涵义是日本“机械振 兴协会经济研究所”提出的解释： “机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功 能和控制功能上引用微电子技术，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”。就是说， “机 电一体化”是机械技术、微电子技术及信息技术相互交叉、 融合（有机结合）的产物。 “机电一体化”含有“技术”与“产品”两方面的内容， 首先是“机电一体化技术

4、”，主要包括其技术原理，即使机 电一体化系统 (产品)得以实现、使用和发展的技术。其次是 “机电一体化产品”，该“产品”主要是机械系统(或部件) 与微电子系统(或部件)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。 返回 结束放映 返回本章目录4 机电一体化时代特征 当今，人们已经认识到“机电一体化”并不是机械技术、 电子（微电子）技术、信息（信息处理）技术以及其它新技术 的简单组合、拼凑，而是有机地相互融合（结合），是有其客 观规律的。简言之，“机电一体化”这一新兴交叉学科有其技 术基础、设计理论和研究方法，只有对其有了充分理解，才能 正确地进行“机电一体化”

5、技术工作。 随着以IC、LSI、VLSI等为代表的微电子技术的惊人发展， 计算机本身也发生了根本变革，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（交叉融 合），为曾以机械技术为主的产品增添 “头脑”，而使其具 有新的功能和性能，因此可以说我们已经进入了以机电有机结 合为特征的 “机电一体化时代”。 返回 结束放映 返回本章目录5 二、机电一体化技术革命二、机电一体化技术革命 大家知道，1g（克）铀能够释放约相当于106g(一吨)石油 所具有的能量，所以这106 （百万）的变化称得上是能源技术 的变革，即我们常说的能源技术革命。 1945年美国的第一台电子管计算机

6、“ENIAC”使用了近两万个电 子管、占地达160多平方米，其体积将近4000多立方米，其重量达 30余吨，每秒运算速度达5000多次。故从计算机的体积、重量与运 算速度来看，如今的大规模集成电路VLSI以及由其组成的微型计算 机（如单片机）等微电子技术早已经完成了这种106（百万）的变革， 并将微型计算机等微电子技术与曾以机械为主的产品（如机床、汽 车、照相机、缝纫机、打字机等）进行交叉融合（有机结合），让 其增添头脑（即智能）而具有了新的功能和性能。 如果说微型计算机等微电子技术的这个106（百万）的技术变革 也称得上是技术革命的话， 那么，这种将微型计算机等微电子技术 与机械技术有机结合

7、（相互融合），并给机械以“智能”的技术革 新潮流，就可以被称为“机电一体化技术革命”。 返回 结束放映 返回本章目录6 机电一体化技术革命的机电一体化技术革命的“目的目的”是提高系 统(产品)的附加价值，即多功能、高效率、高 可靠性、省材料省能源，并使产品结构向短、 小、轻、薄化方向发展，从而不断满足人们生 活的多样化、生产的省力化、自动化需求。因 此，机电一体化的研究方法应该改变过去那种 拼拼凑凑的混合设计法，应该从系统整体的角 度出发，采用现代设计、分析的方法，充分发 挥相关学科的技术优势。 机电一体化技术革命的“目的” 返回 结束放映 返回本章目录7 1-2 机电一体化系统构成要素 及功

8、能构成及其价值评价 机电一体化系统构成系统（要素）机电一体化系统构成系统（要素） 机电一体化系统（产品）由 五个子系统组成 。 返回 结束放映 返回本章目录8 系 统 （产品） 基 本 构 成 返回 结束放映 返回本章目录9 机电一体化系统的功能构 成及价值评价 系统目的功能系统目的功能 返回 结束放映 返回本章目录10 机电一体化系统的变换、传递 与储存功能 根据不同的使用目的，要求系统能对输入的物 质、能量和信息(即工业三大要素)进行某一处理， 输出所需要的物质、能量和信息。 （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。 返回 结束放

9、映 返回本章目录11 机电一体化系统的内部功能 返回 结束放映 返回本章目录12 CNC机床的内部功能构成 返回 结束放映 返回本章目录13 主主 功功 能：能： 实现系统“目的功能” 必需的功能 。 动力功能：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：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：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 系统的内部功能 返回 结束放映 返回本章目录14 机电一体化系统的内部功能与系

10、统价值评价 返回 结束放映 返回本章目录15 机电一体化系统的 内部功能之性能评价内容 系统的内部功能 高附加价值 主 功 能： 高性能、低价格、高可靠性 控 制 功 能： 智能化 计 测 功 能： 智能化 动 力 功 能： 省能化 构 造 功 能： 短小轻薄化 返回 结束放映 返回本章目录16 工业三大要素与机电一体化工业三大要素与机电一体化 的三大效果的三大效果 工业三大要素 物质、能量和信息 机电一体化对三大要素的三大效果： 省能源 省资源 智能化 返回 结束放映 返回本章目录17 为充分发挥机电一体化的三大效 果,使系统(或产品)得到最佳性能，一方 面要求设计机械系统时应选择与控制系

11、统的电气参数相匹配的机械系统参数， 同时也要求设计控制系统时，应根据机 械系统的固有结构参数来选择和确定电 气参数，综合应用机械技术和微电子技 术，使二者密切结合、相互协调、相互 补充,充分体现机电一体化的优越性。 返回 结束放映 返回本章目录18 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。为此， 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 条件就可称为接口（interface）。 从系统外部看，机电一体化系统的输入输出是与人、自然 及其它系统之间的接口；从系统内部看，机电一体化系统是由 许多接口将系统的构成要素输入输出联

12、系为一体的系统。从 这一观点出发，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。机电一体化系统是机械、电子和信息等功能各异 的技术融为一体的综合系统，其构成要素或子系统之间的接口 极为重要，在某种意义上讲，机电一体化系统设计归根结底就 是“接口设计”。 1-3 机电一体化系统构成要素 之间的相互连接 返回 结束放映 返回本章目录19 构成要素之相互联系构成要素之相互联系 返回 结束放映 返回本章目录20 根据接口的变换、调整功能，可将接口分成以下四种根据接口的变换、调整功能，可将接口分成以下四种： 1)1)零接口零接口。不进行任何

13、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 2）无源接口无源接口。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)3)有源接口有源接口。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)4)智能接口智能接口。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

14、线、STD总线等。 返回 结束放映 返回本章目录21 （一）（一） 变换、调整功能变换、调整功能 （二（二 ） 输入输出功能输入输出功能 1) 零接口零接口 2) 无源接口无源接口 3) 有源接口有源接口 4) 智能接口智能接口 广义的接口功能有广义的接口功能有 两种两种 返回 结束放映 返回本章目录22 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 （眼、耳、鼻、舌、口） 动力源 内脏提供能量 机构 骨架 机电一体化系统要素与人体组成要素 返回 结束放映 返回本章目录23 1-4 机电一体化系统设计的 考虑方

15、法与设计类型及设计流程 一、系统（产品）设计的 考虑方法 机电一体化系统(产品)的主要特征是自动 化操作。因此。设计人员应从其通用性、耐环 境性、可靠性、经济性的观点进行综合分析， 使系统(或产品)充分发挥机电一体化的三大效 果。 返回 结束放映 返回本章目录24 1) 1) 机电互补法 2) 2) 结合(融合)法 3) 3) 组合法 机电一体化系统（产品）设计系统（产品）设计 的考虑的考虑 方方 法法 返回 结束放映 返回本章目录25 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。 1) 1) 机电互补

16、法 返回 结束放映 返回本章目录26 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。 2）结合(融合)法 返回 结束放映 返回本章目录27 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。 3）组合法 返回 结束放映 返回本章目录28 二、机电一体化系统 的设计类型 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。 1 1）开发性设计）开发性设计 机电一体化系统(产品)的设计类型 返回 结束放映 返回本章目录2

17、9 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。 2)适应性设计 返回 结束放映 返回本章目录30 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 更的要求。 3)变异性设计 返回 结束放映 返回本章目录31 三、机电一体化系统(产品)的设计流程 (1) 根据目的功能确定产品规格、性能指标 (2) 系统功能部件、功能要素的划分 (3) 接口的设计 (4) 综合评价(或整体评价) (5) 可靠性复查 (

18、6) 试制与调试 返回 结束放映 返回本章目录32 机电一体化系统(产品) 的设计流程 返回 结束放映 返回本章目录33 1-5 系统（产品）的设计 程序、准则与规律 设计中一般采用三阶段法，即总 体设计、部件（零件）的选择与设计或 初步设计、技术设计与工艺设计。在试 验性设计与计算机辅助设计中，多采用 既分阶段又平行兼顾的设计即并行设计， 以便相互协调。 1) 1) 设计程序 返回 结束放映 返回本章目录34 设计准则主要考虑“人、机、 材料、成本”等因素，而产品的可 靠性、适用性与完善性设计最终可 归结于在保证目的功能要求与适当 寿命的前提下不断降低成本。 2) 2) 设计准则 返回 结束

19、放映 返回本章目录35 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，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， 其设计必然不合理。 3) 3) 设计规律 返回 结束放映 返回本章目录36 1-6 机电一体化工程 与系统工程 给定机电一体化系统(产品)“目的功能”与“规 格”后，机电一体化技术人员利用机电一体化技术进 行设计、制造的整个过程为机电一体化工程。 表1-3 系统工程与机电一体化工程 返回 结束放映 返回本章目录37 系统工程是系统科学的一个工作领域

20、，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、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”。 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

21、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 返回 结束放映 返回本章目录38 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。 机电一体化工程 返回 结束放映 返回本章目录39 一、机电一体化系统开发工程 机电一体化系统（产品）种类繁多，涉及的技术领域及 其技术的复杂程度不同，系统（产品）设计的类型也有区别。 因此，机电一体化系统（产品）开发设计及其商品化过程也各 有其具体特点。归纳其基本规律，机电一体化系统

22、（产品）的 开发工程之流程如下图所示。在机电一体化系统开发过程中， 应注意：当系统（产品）模块化设计之后，关于某些功能组 件是外购还是自己制造的问题，应充分考虑专业化生产方式以 取得高效、高质量、高可靠性的效果：应充分利用广告宣传 开拓产品市场。 1-7 机电一体化系统(产品)的 开发工程与现代设计方法 返回 结束放映 返回本章目录40 机电一体化系统开发工程的流程图 返回 结束放映 返回本章目录41 二、机电一体化系统设计的现代设计方法 不同种类的机电一体化系统，其设计方法也不尽相同。 现代设计方法与用经验公式、图表和手册为设计依据的传统 设计方法不同，它是以计算机为辅助手段进行机电一体化系

23、 统（产品）设计的有效方法。其设计步骤通常是：技术预测 市场需求信息分析科学类比系统设计创新性设计 因时制宜地选择各种具体的现代设计方法(相似设计法、 模拟设计法、有限元设计法、可靠性设计法、动态分析设计 法、优化设计法等)机电一体化系统设计的质量综合评价 等。 科学技术日新月异，技术创新发展迅猛。现代设计方法 的内含在不断扩展，新概念层出不穷。例如：计算机辅助设 计与并行工程、虚拟设计、快速响应设计、绿色设计、反求 设计，等等。 返回 结束放映 返回本章目录42 1. 1.计算机辅助设计与并行工程计算机辅助设计与并行工程 计算机辅助设计（CAD）是设计机电一体化产品(系统)的有力工具。 用来

24、设计一般机械产品的CAD的研究成果，包括计算机硬件和软件，以 及图像仪和绘图仪等外围设备，都可以用于机电一体化产品（系统）的设 计，需要补充的不过是有关机电一体化系统（产品）设计和制造的数据、 计算方法和特殊表达的形式而已。 并行工程（concurrent engineeringconcurrent engineering，CECE） 是把产品（系统）的设计、 制造及其相关过程作为一个有机整体进行综合（并行）协调的一种工作模 式。这种工作模式力图使开发者们从一开始就考虑到产品全寿命周期 从 概念形成到产品（系统）报废 内的所有因素。并行工程的目标是提高产 品（系统）的生命全过程（包括设计、工艺

25、、制造、服务）中的全面质量， 降低产品（系统）全寿命周期内（包括产品设计、制造、销售、客户应用、 售后服务直至产品报废处理等）的成本，缩短系统的研发周期。并行工程 与串行工程的差异就在于在产品的设计阶段就要按并行、交互、协调的工 作模式进行产品（系统）设计，就是说，在设计过程中对产品（系统）寿 命周期内的各个阶段的要求尽可能同时进行交互式协调。 返回 结束放映 返回本章目录43 计算机辅助设计与并行工程计算机辅助设计与并行工程 返回 结束放映 返回本章目录44 虚拟产品是虚拟环境中的产品模型，是现实世界 中的产品在虚拟环境中的映像。 虚拟产品设计是基于虚拟现实技术的新一代计算 机辅助设计，是在

26、基于多媒体的、交互的渗入式或侵 入式的三维计算机辅助设计环境中，设计者不仅能够 直接在三维空间中通过三维操作、语言指令、手势等 高度交互的方式进行三维实体建模和装配建模，并且 最终生成精确的产品（系统）模型，以支持详细设计 与变型设计，同时能在同一环境中进行一些相关分析， 从而满足工程设计和应用的需要。 2. 2.虚拟产品设计虚拟产品设计 返回 结束放映 返回本章目录45 快速响应设计是实现快速响应工程的重要一环。快速响应工 程是企业面对瞬息万变的市场环境，不断迅速开发适应市场需求 的新产品（系统），以保证企业在激烈竞争环境中立于不败之地 的重要工程。实现快速响应设计的关键是有效开发和利用各种

27、产 品（系统）信息资源 的高度存储、传播及加工的能力，主要采 取三项基本策略，以达到对产品（系统）设计需求的快速响应。 这三项策略是：利用产品信息资源进行创新设计或变异性设计； 虚拟设计利用数字化技术加快设计过程；远程协同、分布 设计。概括讲，这些策略就是信息的资源化、产品（系统）的数 字化、设计的网络化。 3. 3. 快速响应设计快速响应设计 返回 结束放映 返回本章目录46 绿色设计是从并行工程思想发展而出现的一个 新概念。所谓绿色设计，是在新产品（系统）的开 发阶段，就考虑其整个生命周期内对环境的影响， 从而减少对环境的污染、资源的浪费、使用安全和 人类健康等所产生的负作用。绿色产品设计

28、将产品 （系统）寿命周期内各个阶段（设计、制造、使用、 回收处理等）看成一个有机整体，在保证产品良好 性能、质量及成本等要求的情况下，还充分考虑产 品（系统）的维护资源及能源的回收利用以及对环 境的影响等问题。 4. 4. 绿色设计绿色设计 返回 结束放映 返回本章目录47 传统产品设计与绿色产品设计 返回 结束放映 返回本章目录48 反求设计思想属于反向推理、逆向思维体系。反求设计 是以现代设计理论、方法和技术为基础，运用各种专业人员 的工程设计经验、知识和创新思维，对已有的产品（系统） 进行剖析、重构、再创造的设计。 如某种系统（产品），仅知其外在的功能特性而没有其 设计图纸及相关详细设计

29、资料即其内部结构为一“暗箱”， 在某种情况下需要进行具体的反向推理来设计具有同等外在 功能特性的系统（产品）时，运用反求设计方法进行设计极 为合适。从某中意义上来说，反求设计就是设计者根据现有 机电一体化系统（产品）的外在功能特性，利用现代设计理 论和方法，设计能实现该外在功能特性要求的内部子系统并 构成整个机电一体化系统（产品）的设计。 5. 5.反求设计反求设计 返回 结束放映 返回本章目录49 网络上合作设计是现代设计方法最前沿的一种方法。其 核心是利用网络工具来汇集设计知识与资源及知识获取的 方法进行设计。它包含了设计所需要的网络上提供的知识 以及获取这些知识的过程与所需的各种资源。

30、在技术进步日新月异的今天，系统（产品）的设计更加 依赖于新知识的汇集与获取。应该看到，国内外有着丰富 的设计知识和潜在的设计资源，称之为“知识获取资源”， 而拥有这些资源的单位往往在某些技术领域雄踞一方，如 果能利用现代化的网络技术将这些知识、资源有效地集中、 实现资源的共享，将是实现网络合作设计的必由之路，也 将是实现技术创新和跨越式发展的重要途径之一。 6. 6. 网络上合作设计网络上合作设计 返回 结束放映 返回本章目录50 1-8 机电一体化系统的共性关键技术 与优先发展领域 一、 机电一体化系统设计的共性关键技术 机电一体化系统设计中,必须解决这些系统 (或产品)采用微电子技术所面临

31、 的共性关键技术，这些共性关键技术有检测传感技术、信息处理技术、伺服驱 动技术、自动控制技术、精密机械技术及系统总体技术等。目前这些技术包括 的内容如下： 1. 检测传感技术：检测传感器属于机电一体化系统(或产品)的检测传感元 件。检测传感器的检测对象有温度、流量、压力、位移、速度、加速度、力和 力矩等物理量以及物品的几何参数等，其检测精度的高低直接影响机电一体化 产品的性能好坏。 2. 信息（信息处理）技术：信息技术包括信息的输入、变换、运算、存储 和输出技术。信息处理的硬件包括输入输出设备、显示器、磁盘、计算机、 可编程逻辑控制器和数控装置等。 3.自动控制技术：自动控制技术包括高精度定位控制、速度控制、自适应 控制、自诊断、校正、补偿、再现、检索等技术。这些都是机电一体化技术中 十分重要的关键技术。其技术难点是现代控制理论的工程化与实用化，以及优 化控制模型的建立等。 返回 结束放映 返回本章目录51 4.伺服驱动技术：伺服驱动技术主要是指执行元件中的一些 技术问题。伺服驱动包括电动、气动、液动等各种类型。伺服 驱动技术对产品质量产生直接影响。机电一体化系统（产品） 对机电转换部件（如电磁螺线管、电动机、液压马达等）执行 元件的精度要求更高、可靠性更好、响应速度更快；对直流伺 服电机，要求