机电一体化系统设计课件

1、机电一体化系统设计自学考试第一章概概论机电一体体化系统统的发展展及其基基本概念念1典型机电电一体化化系统3系统结构构与模块块4设计依据据与评价价标准562设计过程程设计思想想与方法法1.1机电一体体化系统统的发展展及其基基本概念念1、机电一一体化系系统的发发展1971年日本学学者提出出机械与电电子的简简单结合合（伺服服技术）20世纪80年代，高高性能微微处理器器的应用用数控机床床、工业业机器人人20世纪90年代，计计算机网网络和通通信技术术的应用用机械学科科和信息息学科融融合21世纪至今今，多样样化、个个性化、柔性化化、智能能化微机电系系统（MEMS）1.1机电一体体化系统统的发展展及其基基本

2、概念念系统所涉涉及的设设计理论论：整体最优优化理论论；智能化设设计理论论学习和自自决策功功能；柔性化设设计理论论软件代替替硬件网络化设设计理论论远程控制制融合原理理异构产品品的集成成于融合合可靠性原原理故障识别别和保护护2、基本本概念（1）系统两个或两两个以上上事物组组成相互互依赖、相互作作用、共共同完成成某种特特定功能能或形成成某种事事物现象象的一个个统一整整体的总总称。实际应用用：任何何存在某某种因果果关系的的一组物物理元件件称为系系统。数学模型型：描述述决定系系统输入入和输出出之间关关系的数数学方程程式。可以分为为静态的或动态的；线性或非线性；定常的或者时变的，确定的的或者随机的。本书主

3、要要讨论的的是线性性、定常常、确定定性、动动态系统统。（2）机电一一体化（Mechatronics)（2）机电一一体化Mechatronics=Mechanics+Electronics涵义是机械与电电子的集集成技术术。机电一一体化是是微电子子技术、信息技技术的快快速发展展并向传传统机械械产品渗渗透和融融合的结结果。（3）机电一一体化系系统机电一体体化系统统是按照照机电一一体化方方法设计计出来的的机械与与电子紧紧密结合合的产品品或制造造系统。即机电一一体化系系统应包包括机电电表体化化产品和和机电一一体化制制造系统统。核心技术术：精密机械械技术、传感检检测技术术、信息息处理技技术、自自动控制制技

4、术、伺服驱驱动技术术、系统统总体技技术。4A革命机电一体体化系统统被广泛泛应用于于工厂自动动化、办办公自动动化、家家庭自动动化以及及社会服服务自动动化（4A革命）等各种自自动化环环境条件件下中。（4）系统数数学模型型经典控制制理论：传递函函数现代控制制理论：状态空空间方程程（2）机电一一体化（Mechatronics)典型的机机电一体体化系统统包括：机械手关关节伺服服系统；数控机床床；工业机器器人；自动导引引小车；顺序控制制系统；数控自动动制造系系统；微机电系系统。1.2典型机电电一体化化系统1.2典型机电电一体化化系统1、机械手手关节伺伺服系统统伺服系统统（Servosystem）：又称作随

5、随动系统统，它的受控变变量是机机械运动动，如位位置、速速度及加加速度。2、数控机机床通过数字字控制系系统控制制加工过过程的机机床。它它是一种种利用预预先决定定的指令令控制一一系列加加工作业业的系统统。1.2典型机电电一体化化系统3、工业机机器人它是另一一类数控控机器。它是可可编程多多自由度度的，用来来通过一一系列动动作，搬搬运物料料、零件件、工具，或者者其他装装置，以以实现给给定的任任务。功能：移移动零件件、加载载NC机床、操操作压铸铸机、装配配产品、焊接、喷漆、打毛刺刺、以及及包装等等功能。1.2典型机电电一体化化系统1.2典型机电电一体化化系统工业机器器人组成成部件：主体结结构、终终端器、

6、控制器器4、自动导导引车自动导引引车是另另一种形形式的移移动工业业机器人人。他能能跟踪编编程路径径，在工工厂内江江一个零零件从一一个地方方移动到到另一个个地方。1.2典型机电电一体化化系统5、顺序控控制系统统顺序控制制系统是是按照预预先规定定的次序序完一系系列操作作的系统统。根据如何何开始和和终结操操作可分分为两类类：（1）当某一一事件发发生时，开始或或结束操操作的称称为事件驱动动顺序控控制；（2）在某一一时刻或或一定时时间间隔隔之后，开始或或结束操操作的称称为时间驱动动顺序控控制。1.2典型机电电一体化化系统6、数控自自动化制制造系统统（1）柔性生生产系统统（FMS）柔性制造造系统是是将计算

7、算机数控控机床、工业机机器人以以及自动动引导车车连接起起来以适适应加工工成组产产品。1.2典型机电电一体化化系统（2）计算机机集成制制造系统统（CIMS）它是通过过计算机机网络，将计算算机辅助助设计、计算机机辅助规规划以及及计算机机辅助制制造，统统一连接接成一个个大系统统，实现现了全工工厂的自自动化。1.2典型机电电一体化化系统7、微机电电系统微机电系系统（MEMS）是电子和机机械元件件相结合的微装装置或系系统，采用与与集成电电路兼容容的批加加工技术制制造，尺尺寸可以以从毫米米到微米米量级范范围变化。这些些系统结结合传感感和执行行功能并并进行运运算处理，改变变了我们们感知和和控制物物理世界界的

8、方式式。特点：体体积和质质量小、成本和和能耗低低、集成度和智智能化程程度高。1.2典型机电电一体化化系统1.3系统结构构与模块块控制模块驱动模块测量模块机械受控模块环境现场1、机械受受控模块块代表系统统的机械械结构，又称为为执行模模块输入输出功能设计原则承载、传递力和运动，也有外观、造型和防护的作用。输入：驱动模块和环境；输出：测量模块接收，并转化为电信号考虑刚度和强度精度、惯量、阻尼、最小和外形美观灯设计原则功能：采采集有关关系统状状态和行行为的信信息；组成：由由传感器器、调理理电路、变换电电路组成成输入：确确定机械械受控模模块性能能的物理理变量，如：压压力、位位移、速速度等；输出：被被测量

9、的的特征值值，如：电压、电流、相位等等；设计要求求：不失失真地反反映被测测物理量量的时间间变化曲曲线。包包含分辨辨率、精精度、线线性范围围、动态态响应特特性等指指标。2、测量模模块3、驱动模模块指有电动动机及其其驱动电电路组成成的技术术模块。作用：提提供驱动动力改变变系统包包含速度度和方向向的运行状状态，产产生所希希望的运运动输出出。输入条件件：控制制器的输输出指令令设定设计参数数：运动动形式、运动变变量、额额定力矩矩、电源源功率、效率等等通信模块块、微计计算机模模块、软软件模块块和接口口模块总合为控制模模块。它的作用用是：处处理测量量模块提提供的信信息、生生成控制制指令，输出给给驱动模模块的

10、执执行部件件电动机机。通信模块块通讯模块块功能是是传递信信息，实实现系统统内部、外部，近程、远程通通信。实现的方方法有：有线和和无线4、控制模模块微计算机机模块作用：在在系统中中负责处处理由测测量模块块和接口口模块提提供的信信息。输入参数数：被测测量的反反馈量和和与系统统运行有有关的设设定参数数输出：一一部分决决定驱动动模块的的工作状状态；另另一部分分供给接接口模块块的信息息设计要求求：取决决于原始始的系统统功能。软件模块块软件模块块包括系系统的操操作指令令和预定定指令的的各种算算法接口模块块接口模块块在系统统内主要要用于各各级之间间的信息息传递4、控制模模块1.4设计依据据与评价价标准机电一

11、体体化系统统的依据据和评价价指标：1、系统功功能开发机电电一体化化产品的的依据：（1）需求牵牵动；（2）技术推推动（主主要是市市场导向向，其次次技术导导向）2、性能指指标3、使用条条件4、社会经经济效益益1.5设设计思思想与方方法机电一体体化系统统设计的的思想：系统的设设计思想想1、并行设设计；2、按系统统工程的的理论和和方法分分析处理理问题；3、多学科科交叉进进行设计计；4、掌握有有关各领领域信息息资料；5、以达到到顾客满满意的设设计目标标和评价价标准为为系统设设计的最最终目标标。机和电融融合的设设计思想想如何处理理”机”与”电”的关系？（1）替代机机械系统统（2）简化机机械系统统（3）增强

12、机机械系统统（4）综合机机械系统统注重创新新的设计计思想1.5设设计思思想与方方法1.6设计过程程机电一体体化产品品的设计计流程如如图1-15：1、市场调调研、需需求分析析和技术术预测以设计模模具加工工中心为为例，调调研的主主要内容容：（1）现有的的模具技技术（2）现代模模具加工工装备的的结构形形式（3）用户对对开发设设计新型型模具加加工中心心的意见见和要求（4）市场情情况（5）发展趋趋势调研的目目的就是是给设计计的新产产品有个个明确的的定位1.6设计过程程2、概念设设计产品的概概念设计计是实现现产品创创新的关关键。概概念设计计本质上上就是一一个产品品的创新新过程概念设计计就是确确定设计计任务

13、和和用简图图形式表表达的广广义解。概念设计计的主要要特性：（1）创新性性（2）工艺可可实现性性（3）多样性性（4）层次性性（5）避免不不良结构构性（6）反复迭迭代性1.6设计过程程3、可行性性分析从理论、技术和和经济是是三个方方面评估估。4、编制设设计任务务书5、初步设设计方案设计计工作内容容（1）划分模模块和子子模块（2）提出实实现每个个模块功功能的技技术方案案（3）对提出出的方案案中所含含的主要要元器件件及其主主要参数数进行预预选和粗粗算。6、方案设设计评估估与优化化7、详细设设计和参参数核算算8、完成全全部设计计文件设计文件件主要包包括：（1）产品的的全套图图样（2）产品零零件明细细表、

14、备备件表和和装箱单单（3）产品使使用说明明书、维维护说明明书、检检验标准准和检验验方法说明明书等1.6设计过程程真题解析析选择题（13、7）(08、4)1、利用预预先决定定的指令令控制一一系列加加工作业业的系统统成为【】A自动引引导车B伺服系系统C工业机机器人D数控系系统（13、4）1.系统的输输入输出出满足线线性叠加加原理的的系统称称为【】A线性系系统B时变系系统C定常系系统D随机系系统DA真题解析析选择题（11、4）1、负责系系统内部部个模块块之间信信息传递递的模块块称为【】A软件模模块B接口模模块C通信模模块D驱动模模块（10、4）1.在系统中中负责处处理由测测量模块块和接口口模块提提供

15、信息息的模块块称【】A软件模模块B通信模模块C驱动模模块D微计算算机模块块CD真题解析析选择题（12、4）1用于承承载、传传递力和和运动的的模块是是【 】A机械受受控模块块B驱动模模块C接口模模块D 微计计算机模模块（09、4）1系统中中用于提提供驱动动力改变变系统运运行状态态，产生生所希望望运动的的模块称称为【】A驱动模模块B接口模模块C .微计算机机模块D测量模模块AA真题解析析选择题（07、4）1受控变变量是机机械运动动，如位位置、速速度及加加速度的的一种反反馈控制制系统称称为【】A数控机机床B伺服系系统C自动导导引车D顺序控控制系统统（06、4）有伺伺服放大大器、执执行机构构、传动动装

16、置等等组成的的模块称称【】A机械结结构模块块B测量模模块C驱动模模块D接口模模块BA真题解析析选择题（05、4）1、主要用用于系统统中各级级间的信信息传递递的模块块称为【】A软件模模块B接口模模块C通信模模块D驱动模模块（04、4）1由计算算机网络络将计算算机辅助助设计、计算机机辅助规规划、计计算机辅辅助制造造联接成成的系统统称为【 】A顺序控控制系统统B自动引引导车系系统C柔性制制造系统统D 计算算机集成成制造系系统DB真题解析析选择题（03、4）1.将计算机机数控机机床、工工业机器器人以及及自动引引导车联联接起来来的系统统称()A.顺序控制制系统B.计算机集集成制造造系统C.柔性制造造系统

17、D.伺服系统统（02、4）1.受控变量量是机械械运动的的一种反反馈控制制系统称称()A.顺序控制制系统B.伺服系统统C.数控机床床D.工业机器器人BC真题解析析问答题（13、7）11简述典典型机电电一体化化系统中中微计算算机模块块的定义义与功能能。12简述机机电一体体化设计计，“简简化机械械系统”的设计计思想。答案：11、微计算机机模块在系统中中负责处处理由测测量模块块和接口口模块提提供的信信息。12、机械系系统可采采用机电电一体化化方法加加以简化化。依靠靠微计算算机和执执行器可可以提供供诸如轮轮廓、速速度以及及定位控控制任务务的功能能。真题解析析问答题（13、4）11什么是是非线性性时变系系

18、统？12简述机机械受控控模块的的定义与与功能答案：11、非线性性时变系系统是指指随时间间变化的的并且不不满足线线性叠加加原理的的系统。12、机械受受控模块块又称为为执行模模块，包包含机械械传动、支承和和支座等等，其主主要作用用是承载载、传递递力和运运动，同同时也起起着外观观、造型型和防护护作用。真题解析析问答题（12、4）11伺服系系统的工工作特点点是什么么?12简述通通信模块块及接口口模块的的作用。答案：11、伺服系系统又称称为随动动系统，是一种种反馈控控制系统统，受控控变量是是机械运运动，如如位置、速度及及加速度度的一种种反馈控控制系统统12、通讯模模块功能能是传递递信息，实现系系统内部部

19、、外部部，近程程、远程程通信。接口模模块主要要用于系系统中各各级间的的信息传传递真题解析析问答题（11、4）11机电一一体化产产品设计计中需要要贯彻哪哪些设计计思想？12简述典典型机电电一体化化系统中中测量模模块的功功能及组组成。答案：11、系统的设设计思想想、机和和电融合合的设计计思想、注重创创新的设设计思想想12、测量模模块的作作用是采采集有关关系统和和行为的的信息，它由传传感器、调理电电路及变变换电路路等组成成。（10、4）11处理“机”与与“电”关系采采用哪些些设计思思想?12机电一一体化系系统设计计过程包包括哪些些内容?真题解析析问答题答案：11、（1）替代机机械系统统；（2）简化机

20、机械系统统；（3）增强机机械系统统；（4）综合机机械系统统12、（1） 市场场调研需需求分析析和技术术预测（2）概念设设计（3）可行性性分析（4）编制设设计任务务书（5）初步设计计（6）方案设计计评估与与优化（7）详细设设计和参参数核算算（8）完成全全部设计计文件（09、4）11机电一一体化的的所渭“4A革命”是是指什么么?12.机电一体体化设计计中，“增强机机械系统统”的设设计思想想是什么么?真题解析析问答题答案：11、机电一体体化的4A革命是指指工厂自自动化、办公自自动化、家庭自自动化和和社会服服务自动动化12、将正常常设计的的机械与与闭环控控制回路路相组合合，可以以实现增增强机械械系统的

21、的运动速速度、精精度以及及柔性，有关的的部件可可以做得得更轻、惯量更更小。（08、4）11机电一一体化系系统中，机械受受控模块块的作用用是什么么?12机电一一体化设设计思想想是什么么?真题解析析问答题答案：11、机电一一体化系系统中，机械受受控模块块的作用用是承载、传传递力和和运动。12、系统的的设计思思想、机机和电融融合的设设计思想想、注重重创新的的设计思思想（07、4）二、名词词解释题题15.线性系统统、定常常系统三、问答答题20.简述典型型机电一一体化系系统中的的微处理理机模块块真题解析析问答题答案：15、输入和和输出满满足线性性叠加原原理的系系统称为为线性系系统；数数学模型型中所有有系

22、数都都为常量量的称为为定常系系统。20、微处理理机模块块在系统统中负责责处理由由测量模模块和接接口模块块提供的的信息。输入参数数：被测测量的反反馈量和和与系统统运行有有关的设设定参数数输出：一一部分决决定驱动动模块的的工作状状态；另另一部分分供给接接口模块块的信息息（06、4）二、名词词解释题题)15计算机机集成制制造系统统三、问答答题20机电一一体化设设计中，“替代代机械系系统”的的设计思思想是什什么?真题解析析问答题20、在极端端情况下下，机械械的功能能可以完完全由微微计算机机和执行行器取代代，从而而使机械械产品变变成电子子产品。答案：15、计算机机集成制制造系统统是通过过计算机机网络，将计算算机辅助助设计、计算机机辅助规规划以及及计算机机辅助制制造统一一连成一一个大系系统，以以实现自自动化。（05、4）二、名词词解释题题)15处理机机电关系系原则中中的增强强机械系系统三、问答答题20简述机机电一体体化设计计中，“简化机机械系统统”的设设计思想想是什么么?真题解析析问答题答案：15、将正常设设计的机机械与闭闭环回路路相组合合，可以以实现增增强机械械系统的的运动速速度、精精度以及及柔韧性性，有关关的部件件可以做做的更轻轻，惯量量更小。16、机械系系统可采采用机电电一体化化方法加加以简化化。依靠靠微计算算机和执执行器可可以提供供诸如轮轮