01机电一体化技术(讲稿)

1、机电一体化系统设计,一、课程简介：机电一体化（Mechatronics)技术共44学时。 理论课程38学时，试验6学时。 本门课程是一门综合性很强的专业课程，涉及的知识十分丰富，要用到前序课程的内容，如：电工与电子技术、机械设计基础、微机原理与应用、传感器及其检测技术、控制工程基础等 。 二、本课程主要学习机电一体化的基本概念；机械部件的选择与设计；执行元件的选择与设计；简介微机控制系统的选用；机电有机结合的分析与设计。着重介绍机电一体化技术的各组成部分的基本原理，特点和选用设计方法。 三、本门课程是考试课，平时成绩30%（主要是课程的参与程度），结课有考试，占70%。,参考资料,机电一体化系

2、统设计，张立勋，孟庆鑫，张今瑜等，哈尔滨工程大学出版社，1997.9 第一版 机电一体化系统设计冯浩， 武汉：华中科技大学出版社，2009.第一版 伺服系统 ，敖荣庆，航空工业出版社，2006.第一版 机电一体化系统设计，朱林，北京：石油工业出版社，2008. 第二版 机电一体化生产系统设计，谢存禧，北京：机械工业出版社，1999.10.第一版 机电一体化设计基础，郑堤，北京：机械工业出版社，1998.10.第一版 机电一体化基础，殷际英，冶金工业出版社，1997.8.第一版 机械电子学，刘政华，何将三，长沙：国防科技大学出版社，1999.10 第一版 机电一体化控制技术与系统，周祖德，唐泳洪

3、等，华中理工大学出版社，1992.1 第一版,任务,3、什么样的设备可以称为是机电一体化设备？,2、机电一体化设备能干什么？,1、机电一体化设备是如何来的？,4、如何设计制造机电一体化设备？,第一章：总论1.1 概述,机电一体化的发展经历了四个阶段： 1、5060年代准备阶段： 2、70年代初创阶段： 3、80年代发展时期： 4、90年代以后深入发展时期： 1971、日本、机械设计 Mechatronics 1976、Mechatronics design news 学习这门课程，要有系统的观念,数控车床,数控铣床,焊接机器人,汽车控制系统,工业上使用的设备,（1）,（2）,（3）,（4）,分

4、析和总结 “什么是机电一体化设备”,定义？,机电一体化的定义,1984年美国机械工程协会(ASME)的一个专家组在给美国国家科学基金会的报告中，才明确地提出现代机械系统的定义为： 由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械或机电部件相互联系的系统。,如何设计机电一体化产品,例：某零件的自动化生产线中，其中的某一工位需要钻削五个孔，五个孔的位置如图所示，请设计该工位加工使用的工作台。,1、是否有需求 2、可行性 3、组成,1.2 机电一体化系统的构成要素及功能构成,一个较完善的机电一体化系统，应包括以下几个基本要素：,目的功能,1、变换功能加工、处理 2、传

5、递功能移动、传递 3、储存功能保持、积蓄、存贮,物质 能量 信息,物质 能量 信息,具有所需特性,工业三大元素,系 统 （变换、传递、存储）,控制,系统的目的功能,内部功能,为了完成目的功能，系统的内部就需要有若干的、具有各种功能的部分组成，每一部分也要具有需要的功能，成为内部功能。 主功能 动力功能 检测功能 控制功能 构造功能,主功能 变换、传递、存储,物质 能量 信息,物质 能量 信息,检测功能,动力功能,控制功能,干扰,废弃物输出,动力的输入 能量,人或其他系统,信 息,构造功能,寻找,人体构成要素,对应关系,机电一体化系统构成要素,？,1.3 机电一体化系统构成要素的相互联接,机电一

6、体化的系统设计=接口的设计,Interface,输入接口,接口A,接口B,接口C,输出接口,自然 人 系统,自然 人 系统,系统内部与外部接口,工程系统,1.3.1接口的分类,变换和调整,输入和输出,1、零接口 2、无源接口 3、有源接口 4、智能接口,1、机械接口 2、物理接口 3、信息接口 4、环境接口,1.3.2构成要素之间的联系,控制器 （MC、PC、CNC）,接口 （智能、信息）,执行元件,运行机构 机械结构,接口 （机械）,动力源,接口 （物理）,接口 （物理）,接口 （信息）,接口 （信息）,传感器,传感器,接口 （机械）,接口 （机械）,机电一体化系统（产品）构成要素之间的联系

7、,1.4 设计流程,必须具备的输出参数：,运动参数： 动力参数： 品质参数：,考虑的指标：,工艺性指标： 人机工程学指标： 美学指标： 标准化指标,1.5 机电一体化系统的评价,评价内容,机电一体化系统,高附加值化,主功能,计测功能,动力功能,构造功能,高性能化,低价格化,高可靠性化,智能化,省能化,轻薄短小化,工业三大要素与机电一体化三大效果,工业三大要素,机电一体化三大效果,能量,物质,信息,省能,省资源,智能化,高效执行元件,高效换能器等,复合材料、塑料,复合纤维、陶瓷,微型机、单片机,VLSI、传感器等,very large scale integrated circuits:vlsi

8、,1.6 设计的考虑方法及设计类型,1.6.1 考虑方法 1、机电互补法： 2、结合（融合）法： 3、组合法： 1.6.2 设计类型 1、开发性设计 2、适应性设计 3、变异性设计,1.7 机电一体化工程与系统工程,机电一体化工程？,系统（产品）目的功能与规格,要素+技术,机电一体化设计与制造,机电一体化技术人员,机械产品,电子产品,机电一体化系统（产品）,系统工程的概念 最优,系统工程与机电一体化系统,1.8 设计程序、准则和规律,1.8.1 设计程序 三阶段法：,总体设计,零件 （部件） 的选择与设计 （初步设计）,技术设计 工艺设计,明确设计思想,分析综合要求,划分功能模块,决定性能参数

9、,调研类似产品,拟定总体方案,方案对比定型,编写总体设计论证书,注意问题,1、以机电互补原则进行功能划分，权衡用机械技术或微电子技术实现其功能的利弊，明确哪些功能由机械技术来实现，哪些功能由微电子技术的硬件和软件来实现，以利于简化机械结构，发挥机电一体化效果； 2、用图表说明功能要求与动作顺序要求； 3、分析产品的通用性与专用性以及批量的要求； 4、重点明确产品的主要特性； 5、分析产品的自动化程度及其适用性； 6、分析环境条件要求； 7、动力源特性分析； 8、光、机、电、液(气)驱动的最佳匹配； 9、可靠性分析； 10、结构尺寸及空间布置分析； 11、特殊功能分析，如低速稳定性、抖动要求、快

10、速响应性与定位精度要求等。,1.8.2 设计准则,在保证目的功能要求与适当寿命的前提下不断降低成本。,1.8.3 设计规律,确定逻辑关系,研究物理关系,确定结构关系,完成全部设计,功能分解 （确定逻辑关系 功能结构）,建立物理模型 （确定物理作用关系）,功能：是元素或子系统的输出满足设计要求。,功能结构有三种：链状结构；平行结构；闭式结构。,1.9 系统的开发工程,1.10 机电一体化系统设计 与现代设计方法,现代设计方法的步骤：,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,选择设计方法,设计质量综合评价,相似设计,模拟设计,有限元设计,可靠性设计,动态分析设计,优化设计,计

11、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。,作业,按划分的小组进行讨论： 举例：举出课堂未提及的2种机电一体化产品，并说明其为什么能够称为“机电一体化产品”。 每个小组上交1份报告即可。下次上课上交。,习题,1.机电一体化系统由五个子系统组成，分别是：机械系统、电子信息处理系统、 、传感检测系统、 。 2.机电一体化系统内部具备五种内部功能，分别是： 、动力功能、 、控制功能、构造功能。 3.机电一体化系统的设计归根结底就是接口的设计，根据接口的输入/输出功能可将接口分成以下四种： 、物理接口、 、环境接口。 4.评价机电一体化系统或产品的基本指标是： 、 、 。在满足基本指标的前提下，还需考虑一些指标： 、 、 、 。 5.说明机电一体化的涵义 。 6.机电一体化系统或产品的设计类型有哪些？简要说明 7.什么是系统工程？ 8.机电一体化总体设计的程序是什么？应注意哪些问题？设计的准则是什么？ 9.机电一体化设计规律是什么？ 10.功能结构的基本形式有哪三种？ 11.机电一体化系统的设计步骤是什么？ 12.现代设计方法有哪些？简要说明,12. 下列说法错误的是（ ）。 A.并行工程是把系统（产品）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