【大学】机电一体化设计 概论

1、整理课件 考核方式考核方式课程考核方式:考试以讲课内容为主，以要求自学的内容为辅；考核方式：作业+考勤（30%） 卷面考试（70%）整理课件推荐参考书目推荐参考书目: 1机电一体化系统设计 王茁, 李颖卓, 张波主编. - 北京: 化学工业出版社, 20052机电一体化设计基础 朱喜林,张代治主编 科学出版社 2004年 3机械电子学.刘政华等编著.国防科技大学出版社，1999 4机电一体化系统设计.赵松年等主编.机械工业出版社， 5机电一体化技术与系统梁景凯主编，北京，机械工业出版社，1998 机电一体化设计基础.郑堤、唐可洪主编.机械工业出版社，n 教材教材整理课件课程介绍课程性质：专业方

2、向课程先修课程：电工电子技术、机械设计、理论力学、材料力学、工程测试技术、微机原理及接口技术、控制工程、单片机、可编程控制器 等。整理课件课程介绍课程学习目标： 通过本课程的学习，学生能够掌握机电一体化的基础理论与关键技术，熟悉机电一体化单元技术的接口和运用，了解典型机电一体化系统的结构、性能和特点。 通过学习机电一体化系统设计原理和综合集成技术，能够把各项技术有机地结合起来进行简单的机电一体化系统的分析和设计。整理课件生活中的机电一体化整理课件整理课件第一章 概论1 机电一体化基本概念2 机电一体化发展概况3 机电一体化产品的构成4 机电一体化产品的分类5 机电一体化共性关键技术6 机电一体

3、化设计及其工程路线整理课件F什么是机电一体化？什么是机电一体化？F机电一体化是怎么产生和发展起来的？机电一体化是怎么产生和发展起来的？F机电一体化产品的组成包括哪几个部分？机电一体化产品的组成包括哪几个部分？F机电一体化产品有哪些种类？机电一体化产品有哪些种类？F机电一体化的关键技术有哪些？机电一体化的关键技术有哪些？F机电一体化产品是怎么开发出来的？机电一体化产品是怎么开发出来的？整理课件第一章 概论1 机电一体化基本概念2 机电一体化发展概况3 机电一体化产品的构成4 机电一体化产品的分类5 机电一体化共性关键技术6 机电一体化设计及其工程路线整理课件1.1 机电一体化基本概念Mechat

4、ronics的含义：1971“Mechatronics” 出现于The supplement of Journal of Machine Design（机械设计杂志副刊）：1976一种以广告为主，专门刊载“机电一体化”新产品的杂志在日本正式发行，它的全名被冠以： Mechatronics Design News。整理课件Mechatronics = Mechanics + Electronics 机械电子学机械电子学 机电一体化机电一体化1.1 机电一体化基本概念Mechatronics的含义：TECHNICAL RESEARCH INSTITUTE JAPAN SOCIETY FOR THE

5、 PROMOTION OF MACHINE INDUSTRY（日本机械振兴协会经济研究所）: 1983.3 The Existent Condition of JAPAN Machinery Industry ()the Machinery Industry and Electronic （日本机械工业的存在条件()机械工业和电子化） ： “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。”整理课件1.1 机电一体化基本概念Mechatronics的含义：1980s中期,“Mechatronics”一词开始在

6、欧美各地使用，从此，这个日本人创造的英文单词开始在世界范围内得到普遍承认和接受。整理课件1.1 机电一体化基本概念Mechatronics的含义2. the United States：1952，MIT，the First CNC Machine Tool in the world1962 ，GM ， the First Industrial Robot整理课件1.1 机电一体化基本概念Mechatronics的含义3. Germany：Precision Engineering Technology 精密工程技术：有多钟理解，但普遍接受日本机械振兴协会所作的解释机电一体化包含两个方面：产品

7、(系统) 与技术整理课件1.1 机电一体化基本概念机电一体化的定义机电一体化是指机械装置和电子设备适当地组合起来，构成机械产品或机电一体与机信一体的新趋势。机电一体化是把机械学和电子学有机地结合起来，提供更加优越技术的一种技术。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。整理课件1.1 机电一体化基本概念日本学术界一些有影响的人物和学术团体代言人的论述：东京大学名誉教授 渡边茂：机电一体化是在机械工程中采用微电子技术后的体现 。富士通法那克公司技术管理部长小岛利夫：机电一体化是把机械学和电子学有机地结合起

8、来，提供更加优越的技术的技术 。日经产业新闻发言人：机电一体化是机械技术与电子技术组合起来的技术进步的总称。整理课件1.1 机电一体化基本概念日本学术界一些有影响的人物和学术团体代言人的论述：日本机械设计杂志创刊言：机电一体化就是利用微电子技术，最大限度地发挥机械能力的一种技术。整理课件1.1 机电一体化基本概念机电一体化的主要目的增加机械系统或装置的 和 。整理课件附加值附加值自动化程度自动化程度1.1 机电一体化基本概念产品技术附加值与技术构成机电一体化技术的突出特点在于它在机械产品中注入了过去所没有的新技术，把电子器件的信息处理和自动控制等功能“揉和”到机械装置中去，从而获得了过去单靠某

9、一种技术而无法实现的功能和效果。其技术附加值随机电结合程度的加深而提高。整理课件1.1 机电一体化基本概念产品技术附加值与技术构成整理课件1.1 机电一体化基本概念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、高可靠性、高稳定性、高寿命。整理课件1.1 机电一体化基本概念机电一体化的作用（1）实现省能源、省资源、智能化，提高机电产品的附加值。（2）改造传统机电设备开辟了新的途径

10、。（3）加快了机电工业技术水平的发展步伐。（4）改善了机电产品及产品结构。（5）增强了机电企业的竞争和经营能力。整理课件第一章 概论1 机电一体化基本概念2 机电一体化发展概况3 机电一体化产品的构成4 机电一体化产品的分类5 机电一体化共性关键技术6 机电一体化设计及其工程路线整理课件1.2 机电一体化发展概况发展基础： 人类“精益求精”的思想 20世纪信息技术的飞速发展发展阶段：第一阶段，20世纪60年代前，称为 “萌芽阶段”第二阶段，70年代到80年代，称为 “蓬勃发展阶段”第三阶段，90年代以后，称为 “智能化阶段”整理课件IT1.2 机电一体化发展概况0.产生的技术背景Mechani

11、cal Technology 机械技术The Microelectronics and The Computer Technique 微电子、计算机技术Control Theory 控制理论System Engineering and Mechatronics Engineering 系统工程和机电一体化工程整理课件1.2 机电一体化发展概况1.准备阶段（萌芽阶段）1960年代之前In 1952: The First NC Drilling and Milling Machines 数控钻铣床In 1959 : The First Programmable Robot 可编程机器人 整理课件1

12、.2 机电一体化发展概况2.快速发展阶段1970s-1980sTechnology Foundation技术基础:Computer Technology计算机技术，Control Technology控制技术，Communications Technology通信技术整理课件1.2 机电一体化发展概况3.智能化阶段In late 1990s整理课件单片机、工业单片机、工业PC和和PLC快速发展，信息处理和计快速发展，信息处理和计算速度提高，机电一体化向智能化方向发展算速度提高，机电一体化向智能化方向发展1.2 机电一体化发展概况3.智能化阶段In late 1990sOptical Techn

13、ology 光学、Communication Technology 通信技术等进入了机电一体化；Micro Processing Technology 微细加工技术也崭露头角；出现了Optic-Mechano-Electronic（Photo-Mechatronic）光机电一体化和Tiny Mech-Electr System 微机电一体化等新分支；整理课件1.2 机电一体化发展概况3.智能化阶段In late 1990s对机电一体化系统的Modeling Design建模设计、Analysis and Integration Method分析和集成方法 of Mechatronics，机电一

14、体化的Subject System学科体系和Development Trend发展趋势of Mechatronics都进行了深入研究。整理课件1.2 机电一体化发展概况3.智能化阶段In late 1990s Artificially Intellective Technology 人工智能、Neural Network Technology神经网络技术及Optical Fiber Technology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。整理课件1.2 机电一体化发展概况我国起步较晚1980年

15、代以来，制订了一系列有利于机电一体化发展的政策法规，确定了数控机床、工业自动化控制仪表、工业机器人、汽车电子化等15个优先发展领域及6项共性关键技术的研究方向和课题。我国第一台数控机床是于1958年由清华大学研制出最早的样机。1966年我国诞生了第一台用直线-圆弧插补的晶体管数控系统，1970年初研制成功集成电路数控系统。整理课件1.2 机电一体化发展概况我国整理课件1.2 机电一体化发展概况机电一体化发展趋势高性能化 模块化智能化柔性化、集成化、系统化开放式轻量化及微型化整理课件第一章 概论1 机电一体化基本概念2 机电一体化发展概况3 机电一体化产品的构成4 机电一体化产品的分类5 机电一

16、体化共性关键技术6 机电一体化设计及其工程路线整理课件1.3 机电一体化产品的构成产品的功能构成整理课件1.3 机电一体化产品的构成机电一体化产品的功能构成整理课件目目的的功功能能五五种种内内部部功功能能主功能主功能动力功能动力功能计测功能计测功能控制功能控制功能构造功能构造功能1.3 机电一体化产品的构成整理课件1.3 机电一体化产品的构成产品的功能构成整理课件1.3 机电一体化产品的构成产品的结构要素整理课件机电一体化产品五大要素机电一体化产品五大要素 机电一体化产品五大功能机电一体化产品五大功能 个体人个体人的构成要素的构成要素 1 1机械本体机械本体 包括机身、框架机械联接等在内的产品

17、支持 结构属于基础部分，实现产品的构造功能。 整理课件1.3 1.3 机电一体化产品的构成机电一体化产品的构成u产品的结构要素产品的结构要素2 2动力源动力源 向系统提供能量，并将输入的能量转换成需要 的形式，实现动力功能。要求：高效、多功能、可靠、节能、小型、轻量、美观。要求：效率高、可靠性好。3 3检测与传感装置检测与传感装置 包括各种传感器及其信号检测路，用 于对产品运行时的内部状态和外部环境进行检测，提供 运行控制所需的各种信息，实现计测功能。要求：体积小、便于安装、精度高、抗干扰性好。4 4控制与信息处理装置控制与信息处理装置 主要是指由计算机及其相应硬、软件所构成的控制系统。 整理

18、课件1.3 1.3 机电一体化产品的构成机电一体化产品的构成u产品的结构要素产品的结构要素5 5执行机构执行机构 包括机械传动与操作机构，在控制信息作用下 完成要求的动作，实现产品的主功能。是机电一体化产品 中最重要的组成要素之一。要求：可靠性高、柔性化、智能化。要求：可靠性、寿命。第一章 概论1 机电一体化基本概念2 机电一体化发展概况3 机电一体化产品的构成4 机电一体化产品的分类5 机电一体化共性关键技术6 机电一体化设计及其工程路线整理课件1.4 机电一体化产品的分类按机电结合程度和形式的不同：1. 功能附加型产品主要特征是在原有机械产品基础上，采用微电子技术，使产品功能增加和增强，性

19、能得到适当的提高。经济型数控机床、电子秤、数显量具、全自动洗衣机等都属于这一类。整理课件1.4 机电一体化产品的分类按机电结合程度和形式的不同：2. 功能替代型产品主要特征是采用电子技术及装置取代原产品中的机械控制功能、信息处理功能或主功能，使产品结构简化 ，性能提高，柔性增加。如电子缝纫机、自动照相机等用微电子装置取代了原来复杂的机械控制结构；电子石英钟、电子式电话交换机等用微处理器取代了原来机械式信息处理机构；线切割加工机床、激光手术器等则用因微电子技术的应用而产生的新功能，取代了原来机械的主功能。整理课件1.4 机电一体化产品的分类按机电结合程度和形式的不同：3. 机电光信融合型产品主要

20、特征是根据产品的功能和性能要求及技术规范，采用单片机或专门设计的具有特定用途的集成电路来实现产品中的控制和信息处理等功能，因而使产品结构更加紧凑、设计更灵活、成本进一步降低。传真机、复印机、摄像机、磁盘驱动器、CNC数控机床等都是这一类机电一体产品。整理课件 数控机床、机器人、自动生产设备 生产用机电一体化产品 柔性生产单元、自动组合生产单元 FMS、无人化工厂、CIMS 微机控制汽车、机车等交通运输工具 运输、包装及工程用机电一体化产品 数控包装机械及系统 数控运输机械及工程机械设备 自动仓库 储存、销售用机电一体化产品 自动空调与制冷系统及设备 自动称量、分选、销售及现金处理系统 自动化办

21、公设备 社会服务性机电一体化产品 动力、医疗、环保及公共服务自动化设备 文教、体育、娱乐用机电一体化产品 微机或数控型耐用消费品 家庭用机电一体化产品 炊事自动化机械 家庭用信息、服务设备 测试设备 科研及过程控制用机电一体化产品 控制设备 信息处理系统 农、林、牧、渔及其它民用机电一体化产品 航空、航天、国防用武器装备等机电一体化产品整理课件1.4 1.4 机电一体化产品的分类机电一体化产品的分类u按用途不同：按用途不同：1.4 机电一体化产品的分类按功能不同：1.在原有机械本体上采用电子控制设备实现高性能和多功能2.用电子设备局部置换机械机构3.在信息机器中与电子设备有机结合的机构4.用电

22、子设备全面置换机械机构的信息处理机构5.在检测系统中与电子设备有机结合的机构6.利用电子设备代替机械工作整理课件(数控机床，机器人）数控机床，机器人） (电子缝纫机，电子打印机电子缝纫机，电子打印机)(电报机，传真机，复印机，录象机电报机，传真机，复印机，录象机)(石英电子钟，电子计算机石英电子钟，电子计算机)(自动探伤机，自动探伤机，CT扫描仪扫描仪)(电火花机床，线切割机床电火花机床，线切割机床)第一章 概论1 机电一体化基本概念2 机电一体化发展概况3 机电一体化产品的构成4 机电一体化产品的分类5 机电一体化共性关键技术6 机电一体化设计及其工程路线整理课件1.5 机电一体化共性关键技

23、术一、机械技术机械技术是机电一体化的基础。机电一体化产品中的 功能和 功能，往往是以机械技术为主实现的。新材料、新工艺、新原理、新机构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。与一般的机械装置相比，要求质量小、转动惯量小、摩擦小、误差小、效率高、精度高，同时要能提高刚度及改善性能。整理课件主主构造构造1.5 机电一体化共性关键技术二、计算机与信息处理技术实现信息处理的主要工具是计算机。计算机技术包括计算机硬件技术和软件技术、网络与通信技术、数据库技术等。在机电一体化产品中，计算机与信息处理装置指挥整个产品的运行。计算机应用及信息处理技术已成为促进机电一体化技术和产品

24、发展的最活跃的因素。根据各种理论和算法，信息输入输出，交换、存储、运算、判断、决策等。人工智能、专家系统、神经网络等。整理课件1.5 机电一体化共性关键技术三、检测与传感技术检测与传感技术的研究对象是传感器及其信号检测装置。机电一体化产品中，传感器作为感受器官，将各种内、外部信息通过相应的信号检测装置反馈给控制及信息处理装置。因此检测与传感是实现自动控制的关键环节。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。传感器检测的精度和分辨力直接决定系统所能达到的最高精度,其检测的信息全面与否决定着系统的自动化程度，而检测信息的准确度和灵敏度直接影响系统的精度。整理课件1.5 机电

25、一体化共性关键技术四、自动控制技术自动控制技术范围很广，包括自动控制理论、控制系统设计、系统仿真、现场调试、可靠运行等从理论到实践的整个过程。高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、示教再现、检索难点在于自动控制理论的工程化与实用化。整理课件1.5 机电一体化共性关键技术五、伺服驱动技术机、电、液（气）等执行元件的驱动与控制技术。伺服驱动技术的主要研究对象是执行元件及其驱动装置。执行元件有电动、气动、液压等多种类型，多采用电动式执行元件。驱动装置主要是指各种电动机的驱动电源电路，多采用电力电子器件及集成功能电路。伺服驱动技术是直接执行操作的技术，对机电一体化产品的动态性能、稳

26、态精度、控制质量等具有决定性的影响。整理课件1.5 机电一体化共性关键技术六、系统总体技术系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统工程的观点和方法，将系统总体分解成相互有机联系的若干功能单元，并以功能单元为子系统继续分解，直至找到可实现的技术方案，然后再把功能和技术方案组合成方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。接口与信息转换技术接口信息匹配与转换，抗干扰能力与措施。接口技术是系统中非常重要的部分，它实现了各种相互关联的若干功能单元之间的有机连接，因此，也有人将机电一体化技术称为接口技术。整理课件第一章 概论1 机电一体化基本概念2 机电一体化发展概况3 机电一体化产品的构成4 机电一体化

27、产品的分类5 机电一体化共性关键技术6 机电一体化设计及其工程路线整理课件1.6 机电一体化设计及其工程路线一、机电一体化设计机电一体化设计突出体现在两个方面：一方面，当产品的某一功能单靠某一种技术无法实现时，必须进行机械与电子及其它多种技术有机结合的一体化设计；另一方面，当产品某一功能的实现有多种可行的技术方案时，也必须应用机电一体化技术对各种技术方案进行分析和评价，在充分考虑同其它功能单元的联接与匹配的条件下，选择最优的技术方案。因此，机电一体化设计必须充分考虑各种技术方案的等效性、互补性及可比性。整理课件1.6 机电一体化设计及其工程路线一、机电一体化设计机电一体化设计一般可分为三种类型

28、：开发性设计 一个从无到有的创造过程，是在没有任何样板可供参考的情况下，根据功能和性能要求所进行的设计。开发性设计要求设计者具备敏锐的市场洞察力、丰富的想象力和广泛而扎实的基础理论知识。适应性设计 在原有产品总的方案基本不变的情况下，对产品的某些局部加以变动或改进，以增加功能、提高性能和质量或降低成本为目的所进行的设计。适应性设计要求设计者对原有产品及相关的市场需求变化和技术进步有充分的了解和掌握。整理课件1.6 机电一体化设计及其工程路线一、机电一体化设计机电一体化设计一般可分为三种类型：变异性设计 在设计方案和功能结构不变的情况下，通过改变尺寸、速度、力或功率等参数，以满足市场对产品规格方

29、面的需求所进行的系列化设计。变异性设计比较容易，但设计中必须注意采取措施防止因参数变化可能对产品性能产生的影响。整理课件1.6 机电一体化设计及其工程路线一、机电一体化设计注意：产品功能的多少或强弱，往往与其复杂程度和功能成本直接相关。优先满足利用率最高的功能要求，然后再在成本允许的条件下考虑其它功能要求。注意通过软件来改善产品的操作性能，使机电一体化产品向多功能化、智能化、“傻瓜化”方向发展。整理课件1.6 机电一体化设计及其工程路线二、机电一体化系统的设计流程1. 设计程序三阶段法 ： 总体设计、部件设计 、零件设计 Or：初步设计、技术设计 、工艺设计 .整理课件1.6 机电一体化设计及其工程路线二、机电一体化系统的设计流程2. 设计步骤（图1-6）确定产品规格、性能指标运动参数、动力参数、品质参数系统功能部件、功能要素的划分 功能部件选择、设计和与系统主功能的匹配。接口设计 机械接口、物理接口、信息接口、环境接口。综合评价(或整体评价、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整理课件1.6 机电一体化设计及其工程路线二、机电一体化系统的设计流程2. 设计步骤可靠性复查试制与调试 样机制造与调试、试验。最终产品结果评价是否达到设