机电一体化系统设计(第一章)

1、第一章第一章 总总 论论张建民张建民 编著编著高等教育出版社高等教育出版社讲授：何庆中讲授：何庆中机械工程学机械工程学院院厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工第第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

2、装置用相关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构成系统的总称。软件有机地结合所构成系统的总称。 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 机 械 技 术（ 机 械 学 、机 构 学 ）机 电 一 体化 技 术微 电 子 技 术（ 半 导 体、 IC、 LSI、 VLSI）厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 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

3、产品或系统的机械系统（或部件）与微电子系统（或部件）相互转换或有件）与微电子系统（或部件）相互转换或有机结合研究与设计机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”三大基本要素，形成交叉学科的基础理论知三大基本要素，形成交叉学科的基础理论知识，解决机电一体化（技术）设计中的核心识，解决机电一体化（技术）设计中的核心技术问题技术问题接口技术接口技术。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工原创性设计原创性设计厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工变异性设计变异性设计厚德达理厚德达理 励志勤工

4、励志勤工（1）基础设计理论、研究方法的形成基础设计理论、研究方法的形成 （二次世界二次世界大战前大战前）（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（智能智能化产品或装置的出现化产品或装置的出现）（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（智能智能化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 自动自动化化增加附加值增加附加值）（7）

5、未来发展方向（未来发展方向（高度智能化和高度智能化和 自动化自动化）厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工1.2.1 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五大功能构成要素：五大功能构成要素：机械系统、电子信息处机械系统、电子信息处理系统、动力系统、传感系统、执行控制系理系统、动力系统、传感系统、执行控制系统（元件）组成及其统（元件）组成及其定义定义与与作用作用。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 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。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工变换功能（加工处理）；变换功能（加工处理

6、）；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。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 主功能、信息功能、控制功能、动力功能、主功能、信息功能、控制功能、动力功能、构造功能。构造功能。 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） 接接口技术。口技术。 （变换、传递、储存）主功能计测功能动力功能控制功能信息能源物质新输出干扰废弃物输出动力输入（能源）（信息）输入控制输出控制人或其他系统构造功能（加工机构）位置检

7、测切削加工机械结构能外部电源（能源）电 源毛坯物质原输入热、振动操作人员输入控制（信息）控制器CNC新输出工件物质热、振动、切屑监视CNC程序图纸信息等原输入物质能源信息厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 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。传递与转换，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

8、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1.3节节 机电一体化系统构成要素机电一体化系统构成要素相互联系问题相互联系问题 接口技术接口技术 厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 按变换调整功能分类：零接口，无源按变换调整功能分类：零接口，无源接口，有源接口，智能接口。接口，有源接口，智能接口。 按输入输出功能分类：机械接口、物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。理接口、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机电一体化技术研究的核心问题就是接口技术问题题就是接口技术问题。厚德

9、达理厚德达理 励志勤工励志勤工 按变换调整功能分类：零接口，无源按变换调整功能分类：零接口，无源接口，有源接口，智能接口。接口，有源接口，智能接口。 按输入输出功能分类：机械接口、物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。理接口、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机电一体化技术研究的核心问题就是接口技术问题题就是接口技术问题。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功能

10、部件选择、设计和与系统主功能的匹配。的匹配。（3）接口设计）接口设计 机械接口、物理接口、信息接口、环机械接口、物理接口、信息接口、环境接口境接口厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 系统性能、结构质量的各种定量指标系统性能、结构质量的各种定量指标和参数，系统的附加价值，和参数，系统的附加价值，满足设计或用户满足设计或用户需求的功能性产品或系统为前提。需求的功能性产品或系统为前提。评价方法评价方法依据产品要求有所不同。依据产品要求有所不同。 （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

11、计或用户要求是否达到设计或用户要求厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工结 束满 意 否 ？试 制 与 调 试确 定 各 功 能 部 件 或 子 系 统 的 功 能 要 素按 产 品 内 部 五 大 功 能 划 分 功 能 部 件 和 子 系 统依 据 系 统 目 的 功 能 确 定 产 品 规 格 及 性 能 指 标修 正 改 进可 靠 否 ？可 靠 性 复 查是 否 优 ？整 体 评 价接 口 设 计开 始汽车发动机点火系统汽车发动机点火系统厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 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

12、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

13、响应快低低响应慢响应慢厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工机电一体化系统（产品）主 功 能计测、控制功能动 力 功 能构 造 功 能高性能化机电一体化系统（产品）低价格化智能化高可靠性化轻薄短小化省能化厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工1.6.1 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、耐环境性、可靠性、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，提高机电产品的附省能源、省资源

14、、智能化，提高机电产品的附加值和自动化程度。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 厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工1.8.1 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技术设计与工艺设计。工艺设计。（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）分析系统（产品）的综合性能指标要求的综合性能指标要求类似产品调研和市场类似产品调研和市场调研调研划分部件

15、或子系统的功能模块划分部件或子系统的功能模块决决定系统和部件、子系统的性能参数定系统和部件、子系统的性能参数拟定总拟定总体可行性方案（采用不同的设计方法和手段达体可行性方案（采用不同的设计方法和手段达到设计目的的多种方案）到设计目的的多种方案）方案评价与对比、方案评价与对比、方案定型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。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 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

16、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，工艺性设计要以满足工艺基础；反之，工艺性设计要以满足实现系统（产品）各功能要素为前提或目实现系统（产品）各功能要素为前提或目的的保证性能、质量、增加附件价值。保证性能、质量、增加附件价值。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工1.8.2 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的附加值，实现系统目的功能为设计准则，使系，使

17、系统具有高的统具有高的可靠性、适应性、完善性为设计目标可靠性、适应性、完善性为设计目标。1.8.3 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确定功能结构构建立数学或者物理模型建立数学或者物理模型实现系统方案实现系统方案设计和技术设计设计和技术设计（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）；反馈链状结构（串联）；平行结构（并联）；反馈闭环结构。闭环结构。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 重点

18、研究：重点研究：系统模块化设计；系统模块化设计；功能组件的外购功能组件的外购外协配套与标准化；外协配套与标准化；专用功能部件专用功能部件（子系统）开发和（子系统）开发和研制；研制；专业化生产方式专业化生产方式的优势和特点；的优势和特点；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；拟定系统目标及初步技术规范市场调研、需求分析、销售预测可行性论证、技术经济分析构思（初步设计）评价与审定数学、物理模型分析求解、模拟试验结构与功能分析模块化设计模块化设计制造/外购市场调查样 机 试 制详细设计硬件制造外购外购制造/外购制造详细设计市场调查NY软件总体

19、性能测试技术评价与审定是否修改原构思市场调查总体性能测试小批量生产试销效果是否好NYYN市场调查市场调查收集用户意见市场调查YN收集用户意见N初步方案设计结束Y数学/物理模型修改YN厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 现代设计方法：现代设计方法：以计算机为辅助手段进行以计算机为辅助手段进行系统（产品）设计方法系统（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机电一体化设计方法与现代设计方法的融合融合是优质、高效、快速实现机电一体化是优质、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。系统（产品）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 厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 本章