机电一体化第一章概论

第一章概论

第一节机电一体化时代与机电一体化技术革命第二节优先发展机电一体化的领域及其共性关键技术第三节机电一体化系统构成要素及功能构成第四节机电一体化系统构成要素之间的连接第五节机电一体化系统的评价第六节机电一体化系统设计的考虑方法及设计类型第七节机电一体化系统的设计流程第八节

机电一体化工程与系统工程第九节机电一体化系统的设计程序、准则与规律第十节机电一体化系统的开发工程与现代设计方法

思考题和习题1机电一体化第一章概论

“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Mechatronicsdesignnews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。第一节机电一体化时代与机电一体化技术革命2机电一体化第一章概论

“机电一体化”含义

较为人们所接受的含义：“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”3机电一体化第一章概论

“机电一体化时代”

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，为机械增添了“头脑”，增加了新的功能和性能，从而进入以机电有机结合为特征的“机电一体化时代”。4机电一体化第一章概论“机电一体化技术革命”“将微型计算机等微电子技术用于机械并给机械以智能的技术革新潮流”5机电一体化第一章概论

是使系统(产品)高附加价值化，即多功能化、高效率化、高可靠化、省材料省能源化，并使产品结构向轻、薄、短、小巧化方向发展，不断满足人们生活的多样化需求和生产的省力化、自动化需求。机电一体化的“目的”

6机电一体化第一章概论

第二节

优先发展机电一体化的

领域及其共性关键技术

优先发展的机电一体化领域必须同时具备下述几个条件：

①短期或中期普遍需要；②具有显著的经济效益；③具备或经过短期努力能具备必需的物质技术基础；

④社会效益十分显著的领域。

7机电一体化第一章概论机电一体化技术内部联系与外部影响8机电一体化第一章概论发展机电一体化技术与产品的支持系统9机电一体化第一章概论

优先发展的系统(或产品）领域实现机电一体化,必须解决这些系统采用微电子技术所面临的共性关键技术，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。共性关键技术10机电一体化第一章概论第三节机电一体化系统

构成要素及功能构成

构成要素机电一体化系统（产品）由机械系统(机构)、电子信息处理系统(计算机)、动力系统(动力源)、传感检测系统(传感器)、执行元件系统(如电动机)

五个子系统组成。11机电一体化第一章概论

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12机电一体化第一章概论

系统（产品）基本构成13机电一体化第一章概论

功能构成

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。

“目的功能”

:

（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。

14机电一体化第一章概论

系统目的功能15机电一体化第一章概论主功能：实现系统“目的功能”直接必需的功能。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：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：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：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

系统的五种内部功能

16机电一体化第一章概论

机电一体化系统的五种内部功能17机电一体化第一章概论主功能

动力功能

控制功能

构造功能计测功能机电一体化系统（产品）的内部功能18机电一体化第一章概论

CNC机床的内部功能构成

19机电一体化第一章概论

第四节

机电一体化系统构成

要素的相互连接

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）。20机电一体化第一章概论

构成要素之相互联系21机电一体化第一章概论

（一）变换、调整功能（二）输入／输出功能

1)零接口

2)无源接口

3)有源接口

4)智能接口广义的接口功能有两种22机电一体化第一章概论

根据接口的变换、调整功能，可将接口分成以下四种：

1)零接口。不进行任何变换和调整、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）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)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)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总线、STD总线等。23机电一体化第一章概论

根据输入／输出功能可分成以下四种广义接口：

1）机械接口

2）物理接口

3）信息接口

4）环境接口

24机电一体化第一章概论第五节

机电一体化系统

的功能评价附加价值：高性能化低价格化高可靠性化智能化省能化短小轻薄化25机电一体化第一章概论机电一体化系统的内部功能与系统价值26机电一体化第一章概论

第六节

机电一体化系统

设计的考虑方法及设计类型

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。27机电一体化第一章概论

工业三大要素与机电一体化

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28机电一体化第一章概论

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。29机电一体化第一章概论1)机电互补法

2)结合(融合)法

3)组合法机电一体化系统（产品）设计的考虑方法30机电一体化第一章概论

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)机电互补法31机电一体化第一章概论

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32机电一体化第一章概论

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33机电一体化第一章概论二、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）开发性设计34机电一体化第一章概论

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35机电一体化第一章概论

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36机电一体化第一章概论第七节

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(6)试制与调试

37机电一体化第一章概论机电一体化系统(产品)的设计流程38机电一体化第一章概论

第八节机电一体化工程

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。39机电一体化第一章概论

系统工程是系统科学的一个工作领域，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。系统工程40机电一体化第一章概论

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41机电一体化第一章概论第九节

系统（产品）的设计

程序、准则和规律

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)设计程序

42机电一体化第一章概论

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)设计准则43机电一体化第一章概论

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)设计规律44机电一体化第一章概论第十节

机电一体化系统(产品)

设计与现代设计方法

机电一体化系统(产品)的种类不同，其设计方法也不同。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→因时制宜的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)→机电一体化设计质量的综合评价等。45机电一体化第一章概论

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。46机电一体化第一章概论机电一体化系统开发工程的流程47机电一体化第一章概论

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。48机电一体化第一章概论计算机辅助设计与并行工程49机电一体化第一章概论（CE-concurrentengineering）

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、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，缩短系统的研法周期。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。并行工程50机电一体化第一章概论

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。

虚拟产品设计51机电一体化第一章概论

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：①利用产品信息资源进行创新设计或变异性设计；②虚拟设计—利用数字化技术加快设计过程；③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。

快速响应设计52机电一体化第一章概论

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，还充分考虑到产品（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。绿色设计53机电一体化第一章概论传统产品设计与绿色产品设计54机电一体化第一章概论

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