计算机辅助制造机电一体化第一章概论

机电一体化技术

机电学院冯华山

机电一体化设计基础

教材：机电一体化设计基础郑堤、唐可洪主编机械工业出版社第一章概论机电学院SchoolofMechatronicsEngineering

Mechatronics(Mechanics+Electronics)第一章概论第一节机电一体化基本概念第一章概论第一节机电一体化基本概念第一章概论第一节机电一体化基本概念

关于机电一体化的不同解释机电一体化是指机械装置和电子设备适当的组合起来，构成机械产品或机电一体与机信一体的新趋势。机械技术的机械学和电子技术的电子学组合起来的技术进步的总称。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。

第一章概论第一节机电一体化基本概念一、定义

机电一体化是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引入微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。

产品范畴：包括由各种现代高新技术与机械和电子技术相互结合而形成的各种技术、产品（或系统）。机电液（液压）、机电光（光学）、机电仪（仪器仪表）、机电信（信息）等，其实质都可归结为机电一体化。

第一章概论第一节机电一体化基本概念二、内容机电一体化技术

涉及机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术、自动控制技术、传感与测试技术、电力电子技术、伺服驱动技术、系统总体技术等。

包括技术基础、技术原理在内的、使机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术。第一章概论第一节机电一体化基本概念

机电一体化技术不是机械与电子技术的简单叠加，而是在信息论、控制论和系统论的基础上建立起来的应用技术。机电一体化信息科学机械学电子学第一章概论第一节机电一体化基本概念1GHzAppleA4专门设计开发、高效能及低能耗系统单芯片方向传感器环境光传感器耐指纹抗油涂层支持多种语言文字同时显示1024x768像素132ppi清晰度Wi-Fi(802.11a/b/g/n)Bluetooth2.1+EDR技术内置25Whr可充电锂聚合物电池iPad第一章概论第一节机电一体化基本概念二、内容机电一体化产品

指采用机电一体化技术，在机械产品基础上创造出来的新一代机电产品。

如数控机床、工业机器人、全自动洗衣机、电冰箱、数码相机、复印机、传真机等。第一章概论数控铣床第一章概论数控车床第一章概论汽车防抱死系统（ABS）第一章概论第一节机电一体化基本概念Ford公司E-BikeConcept概念脚踏车。9.2Ah电池驱动前轮马达，时速25km/h。也可踩踏方式带动后轮。骑乘者能够透过特定手机程序，在骑车的时候调整避震系统、监控电池电量、使用Google导航、甚至是开Pandora来听歌。第一章概论第一节机电一体化基本概念三、特点

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，从而获得过去靠单一技术无法实现的功能和效果。四、实质

利用系统工程的观点和方法来分析和研究机电一体化产品，综合运用各种现代高新技术进行产品的设计和开发，通过各种技术的有机结合，实现产品内部各组成部分的合理匹配和外部的整体效能最佳。第一章概论第二节机电一体化发展概况阶段机械技术的发展赋予机械的功能第一阶段机构的发明第二阶段使作业机构动作的动力机械的发明第三阶段自动控制技术的发明第四阶段微电子学的发明

凸轮、齿轮、轴承、传动带等

水车、风车、蒸汽机、内燃机、电动机等作业功能动力功能传感器、伺服系统等测定功能

大规模集成电路、微型计算机、各种接口等智能功能第一章概论第二节机电一体化发展概况

机电一体化技术对机械产品的影响提高性能，扩展功能：机电一体化赋予产品多种功能。简化结构：由于采用微处理机和集成电路以及新型的传动技术，代替了原有笨重的电气控制柜和驱动装置，使得机电一体化产品体积减小、零部件减少从而简化了结构。提高安全性和可靠性：在提高电子元件质量、可靠性的前提下，可以提高机电一体化产品的耐久性，减少故障率。另一方面，由于赋予其自动监视诊断功能，并采取安全联锁控制，过负荷和失控保护、停电对策，大大提高了设备的安全可靠性。节约能源：节约材料和能源。操作改善：具有数字显示、程序控制等功能，改善了设备的操作性能。第一章概论第二节机电一体化发展概况

机电一体化技术对机械工业的影响进一步促进工业企业的设备更新换代机械加工大幅度减小，生产组织和劳动组织也要作相应的调整或改进将自动化、柔性和加工控制等技术融合在一起，构成柔性制造系统，进一步实现无人生产系统或无人化工厂第一章概论第三节机电一体化产品的构成一、机电一体化产品的功能构成系统（变换、传递、储存）物质能量信息物质能量信息控制工业三大要素具有所需特性第一章概论第三节机电一体化产品的构成一、机电一体化产品的功能构成产品的目的功能是通过内部功能实现的。五种内部功能：主功能、动力功能、计测功能、控制功能、构造功能第一章概论第一章概论第三节机电一体化产品的构成第一章概论第三节机电一体化产品的构成第一章概论第三节机电一体化产品的构成二、机电一体化基本结构要素机械本体：机身、框架、机械联结等，实现构造功能。是产品的基础部分。动力源：给系统提供能量，实现动力功能。形式有电能、气能、液压能。检测与传感装置：传感器及信号检测电路，检测产品运行的内部状态及外部环境，实现计测功能。控制与信息处理装置：对输入的信息进行处理、运算、决策，控制产品运行，实现控制功能。执行机构：机械传动与操作机构，完成要求的动作，实现主功能。第一章概论第一章概论第四节机电一体化产品的分类一、按机电结合程度和形式分功能附加型：原机械产品+微电子装置，增强或增加产品功能，如经济型数控机床、全自动洗衣机、电子称。功能替代型：采用微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。如电子石英钟、激光手术器等。机电融合型：根据产品要求专门设计，如CNC、机器人、传真机等。第一章概论二、按用途分（表1-1，1-2）第一章概论第一章概论第五节机电一体化共性关键技术机械技术：要求高，使用新材料、新工艺、新原理、新机构、现代设计方法，满足产品重量轻、体积小、精度刚度高等要求。计算机与信息处理技术：计算机技术包括软硬件技术、网络与通信技术、数据库技术等。检测与传感技术：是实现自动控制的关键环节，要求能快速、精确地获取信息，抗干扰能力强。自动控制技术：包括自动控制理论、控制系统设计、系统仿真、现场调试等。难点在于自动控制理论的工程化和实用化。伺服驱动技术：研究执行元件及其驱动装置，电、气、液等。系统总体技术：用系统工程的观点和方法进行系统分析和设计，接口技术是关键。第一章概论系统工程简介系统是由互相关联、互相制约、互相作用的若干组成部分构成的具有某种功能的有机整体。人们在长期的社会实践中逐渐形成了把事物的各个组成部分联系起来从整体角度进行分析和综合的思想，即系统思想。系统工程是运用系统思想直接改造客观世界的一大类工程技术的总称。系统思想古已有之，但系统工程的诞生却是近40年来的事。随着科学技术的迅速发展和生产规模的不断扩大，迫切地需要发展一种能有效地组织和管理复杂系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的技术，即系统工程。

第一章概论系统工程简介系统工程是一个用于实现产品的跨学科方法。通过它能够把每个产品作为一个整体来理解－更好地构建产品规划、开发、制造和维护过程。企业利用系统工程来对一个产品的需求、子系统、约束和部件之间的交互作用进行建模/分析，并进行优化和权衡－在整个产品生命周期做出重要决策。在整个生命周期，系统工程师利用各种的模型和工具来捕捉、组织、优先分级、交付并管理系统信息。例如，通过质量功能展开QFD、质量屋（HouseofQuality）、六个西格玛设计(DFSS)、TRIZ以及其它技术，系统工程能够在前端就捕捉并对客户要求进行优先分级；然后，用功能建模、面向对象方法、状态图表等进行上至替代评估，下至功能和物理划分。第一章概论第六节机电一体化设计及其工程路线一、机电一体化设计定义：按照机电一体化思想、原理和方法进行的机电一体化产品设计，是一项复杂的系统工程，需要综合应用各项共性关键技术才能完成。设计原则：

采用现代设计方法，提高设计效率和质量；在保证产品目的功能、性能和使用寿命的前提下，尽量降低成本。机电一体化设计必须充分考虑各种技术方案的等效性、互补性和可比性第一章概论第六节机电一体化设计及其工程路线一、机电一体化设计设计类型：开发性设计----从无到有的创造依靠市场洞察力、想象力和扎实的理论基础第一章概论第六节机电一体化设计及其工程路线一、机电一体化设计设计类型：适应性设计—原理不变，局部修改了解原有产品、市场变化和技术的发展第一章概论第六节机电一体化设计及其工程路线一、机电一体化设计设计类型：变异性设计—改变参数，系列化设计第一章概论第六节机电一体化设计及其工程路线二、机电一体化工程路线

机电一体化工程是指应用机电一体化技术进行产品开发的整个过程体系。机电一体化工程包括市场调研、产品构思、方案设计与评价、详细设计、质量规划与控制、制造工艺规划、样机试制、正式生产、用户意见反馈、修改与完善等各个阶段。第一章概论第一章概论1、市场调研

市场调研包括市场调查和市场预测。所谓市场调查就是运用科学的方法，系统地、全面地收集所设计产品市场需求和经销方面的情况和资料，分析研究产品在供需双方之间进行转移的状况和趋势，而市场预测就是在市场调查的基础上，运用科学方法和手段，根据历史资料和现状，通过定性的经验分析或定量的科学计算，对市场未来的不确定因素和条件做出预计、测算和判断，为产品的方案设计提供依据。第一章概论2、总体方案设计产品方案构思产品方案构思完成后，以方案图的形式将设计方案表达出来。方案图应尽可能简洁明了，反映机电一体化系统各组成部分的相互关系，同时应便于后面的修改。方案的评价对多种构思和多种方案进行筛选，选择较好的可行方案进行分析组合和评价，从中再选几个方案按照机电一体化系统设计评价原则和评价方法进行深入的综合分析评价，最后确定实施方案。第一章概论3、详细设计

详细设计是根据综合评价后确定的系统方案，从技术上将其细节逐层全部展开，直至完成产品样机试制所需全部技术图纸及文件的过程。

第一章概论4、样机试制与试验

完成产品的详细设计后，即可进入样机试制与试验阶段。根据制造的成本和性能试验的要求，一般制造几台样机供试验使用。样机的试验分为实验室试验和实际工况试验，通过试验考核样机的各种性能指标是否满足设计要求，考核样机的可靠性。如果样机的性能指标和可靠性不满足设计要求，则要修改设计，重新制造样机，重新试验。如果样机的性能指标和可靠性满足设计要求，则进入产品的小批量生产