1、1章机械电子系统总体设章机械电子系统总体设计计2022-10-4章机械电子系统总体设计二二.机械电子工程的主要目的机械电子工程的主要目的使系统（产品）高附加值化，即多功能使系统（产品）高附加值化，即多功能化、高效率化、高可靠化、省材料省能化、高效率化、高可靠化、省材料省能源化，结构轻、薄、短、小化。源化，结构轻、薄、短、小化。章机械电子系统总体设计2.2.机械电子工程关键技术机械电子工程关键技术传感检测技术传感检测技术（研究传感器及其信号处理装置）（研究传感器及其信号处理装置）传感器开发的三个重要方面传感器开发的三个重要方面：传感原理、传感材料、：传感原理、传感材料、加工制造装配技术加工制造装
2、配技术与计算机技术相比，传感检测技术的发展较缓慢与计算机技术相比，传感检测技术的发展较缓慢 信息处理技术信息处理技术研究方向研究方向：提高处理速度、可靠性、抗干扰能力、：提高处理速度、可靠性、抗干扰能力、智能化程度、标准化程度智能化程度、标准化程度章机械电子系统总体设计2.2.机械电子工程关键技术机械电子工程关键技术自动控制技术自动控制技术自动控制指在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对自动控制指在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动按预定规律运行。象或过程自动按预定规律运行。技术难点：技术难点：现代控制理论的工程化和实用化，优化控制模型的建立现代控制理论的工程化和实用化，
3、优化控制模型的建立 伺服驱动技术伺服驱动技术 主要研究机械电子产品中的执行元件和驱动装置设计中的技主要研究机械电子产品中的执行元件和驱动装置设计中的技术问题。术问题。主要研究问题主要研究问题:提高机电转换部件的精度、可靠性和快速响应性；提高提高机电转换部件的精度、可靠性和快速响应性；提高DCDC伺伺服电机的性能；交流调速系统的研究（变频调速、电子逆变、服电机的性能；交流调速系统的研究（变频调速、电子逆变、矢量变换等）；功率器件的研制；微型电磁离合器的研制等。矢量变换等）；功率器件的研制；微型电磁离合器的研制等。章机械电子系统总体设计2.2.机械电子工程关键技术机械电子工程关键技术机械技术机械技
4、术 是机械电子的基础。现代机械应实现结构上、材料上、性能是机械电子的基础。现代机械应实现结构上、材料上、性能上、功能上的改善，满足减轻重量，缩小体积，提高精度、刚上、功能上的改善，满足减轻重量，缩小体积，提高精度、刚度。度。需研究的主要问题：需研究的主要问题：研究机械零部件的动静态刚性和热变形研究机械零部件的动静态刚性和热变形问题；提高关键零部件的精度并使之能批量生产；超精加工与问题；提高关键零部件的精度并使之能批量生产；超精加工与精密测量；高性能、超硬、复合刀具材料的开发和生产；摩擦精密测量；高性能、超硬、复合刀具材料的开发和生产；摩擦磨损与润滑；零部件的模块化、标准化和规格化（提高互换性）
5、磨损与润滑；零部件的模块化、标准化和规格化（提高互换性）章机械电子系统总体设计2.2.机械电子工程关键技术机械电子工程关键技术系统总体技术系统总体技术 从整体目标出发，用系统工程的观点和方法，将系统分解为从整体目标出发，用系统工程的观点和方法，将系统分解为相互有机联系的若干功能单元，并将功能单元作为子系统继续相互有机联系的若干功能单元，并将功能单元作为子系统继续分解，直至找到可实现的技术方案，再把各方案组合，进行分分解，直至找到可实现的技术方案，再把各方案组合，进行分析、评价、综合优选。析、评价、综合优选。系统总体性能不仅与各构成要素的功能、精度、性能相关，系统总体性能不仅与各构成要素的功能、
6、精度、性能相关，而且有赖于各构成要素间是否很好的协调与融合。而且有赖于各构成要素间是否很好的协调与融合。需研究的问题需研究的问题：软件开发与应用；接插件技术；通用接口与：软件开发与应用；接插件技术；通用接口与数据总线标准化；控制系统成套性和成套设备自动化；软件标数据总线标准化；控制系统成套性和成套设备自动化；软件标准化等。准化等。章机械电子系统总体设计全闭环控制系统全闭环控制系统3.机械电子系统的构成要素与功能构成机械电子系统的构成要素与功能构成 章机械电子系统总体设计半闭环控制系统半闭环控制系统3.机械电子系统的构成要素与功能构成机械电子系统的构成要素与功能构成 章机械电子系统总体设计系统的
7、五个子系统系统的五个子系统机械系统机械系统检测传感系统检测传感系统电子信息处理系统（控制系统）电子信息处理系统（控制系统）执行元件系统执行元件系统动力系统动力系统章机械电子系统总体设计机械电子系统三大目的功能机械电子系统三大目的功能变换变换（加工、处理）功能；（加工、处理）功能；传递（移动、运输）功能传递（移动、运输）功能储存（保持、积蓄、记录）功能储存（保持、积蓄、记录）功能图图15 系统目的功能系统目的功能工业三大要素工业三大要素n物质物质n能量能量n信息信息章机械电子系统总体设计系统分类系统分类动力机动力机以能量转换为主，插入能量以能量转换为主，插入能量(或物质或物质)和信息，输出不同能
8、量和信息，输出不同能量加工机加工机以物料搬运、加工为主，输以物料搬运、加工为主，输入物质入物质(原料、毛坯等原料、毛坯等)、能量、能量(电能、液电能、液能、气能等能、气能等)和信息和信息(操作及控制指令等操作及控制指令等)，经过加工处理，主要输出改变了位置和经过加工处理，主要输出改变了位置和形态的物质的系统形态的物质的系统(或产品或产品)信息机信息机以信息处理为主，输入信息以信息处理为主，输入信息和能量，主要输出某种信息和能量，主要输出某种信息章机械电子系统总体设计系统的五种内部功能系统的五种内部功能主功能主功能检测功能检测功能控制功能控制功能构造功能构造功能动力功能动力功能章机械电子系统总体
9、设计图图16 系统五种内部功能系统五种内部功能章机械电子系统总体设计图图17 CNC机床的内部功能构成机床的内部功能构成目的功能：搬运、加工、处理毛坯目的功能：搬运、加工、处理毛坯主功能主功能构造功构造功能能动力功动力功能能检测功检测功能能控制功控制功能能章机械电子系统总体设计图图18 机械电子系统机械电子系统(产品产品)的五大要素及其相应的五大功能的五大要素及其相应的五大功能章机械电子系统总体设计图图19 机械电子系统机械电子系统(产品产品)的五大要素实例的五大要素实例章机械电子系统总体设计一、一、接口接口 构成机械电子系统的各子要素或子系统相构成机械电子系统的各子要素或子系统相接处必须具备
10、的联系条件。接处必须具备的联系条件。二、接口的作用二、接口的作用 实现机械电子系统中各子系统间的物质、实现机械电子系统中各子系统间的物质、能源、信息的传递与转换，达到系统所需的目能源、信息的传递与转换，达到系统所需的目的功能。的功能。4.机械电子系统构成要素的相互连接机械电子系统构成要素的相互连接章机械电子系统总体设计三、三、接口功能接口功能 广义的接口功能：广义的接口功能：输入输入/输出输出 变换变换/调整调整1.4 机械电子系统构成要素的相互连接机械电子系统构成要素的相互连接零接零接口口无源接无源接口口 有源接有源接口口 智能接智能接口口 机械接口机械接口物理接物理接口口 信息接信息接口口
11、 环境接环境接口口 章机械电子系统总体设计接口设计的核心接口设计的核心“匹配匹配”1.4 机械电子系统构成要素的相互连接机械电子系统构成要素的相互连接从某种意义上讲，机械电子技术设计就是从某种意义上讲，机械电子技术设计就是“接口设计接口设计”。章机械电子系统总体设计一、机械电子系统设计的目标一、机械电子系统设计的目标提高精度提高精度 增强功能增强功能提高生产效率提高生产效率节约能源，降低能耗节约能源，降低能耗 低能耗机构，最佳调节控制，提高能源利用率低能耗机构，最佳调节控制，提高能源利用率1.5 机械电子系统设计的目标与方法机械电子系统设计的目标与方法章机械电子系统总体设计1.5 机械电子系统
12、设计的目标与方法机械电子系统设计的目标与方法一、机械电子系统设计的目标一、机械电子系统设计的目标提高安全性、可靠性提高安全性、可靠性 自动监测、报警、诊断、保护功能自动监测、报警、诊断、保护功能 采用电子元器件，代替机械产品中可动及易磨损部件（遥采用电子元器件，代替机械产品中可动及易磨损部件（遥控控 器、光电鼠标、光声控开关、无刷直流电动机等）器、光电鼠标、光声控开关、无刷直流电动机等）改善操作性和实用性改善操作性和实用性减轻劳动强度，改善劳动条件减轻劳动强度，改善劳动条件简化结构，减轻重量简化结构，减轻重量 系统功能主要的实现途径转移：系统功能主要的实现途径转移：从机械系统从机械系统 微电子
13、、计算机系统；微电子、计算机系统；硬件系统硬件系统 软件系统软件系统降低价格降低价格增强柔性应用功能增强柔性应用功能章机械电子系统总体设计二、机械电子系统设计类型二、机械电子系统设计类型1 1、开发型设计（原创型设计）、开发型设计（原创型设计）将机电技术完全融合形成新的机械电子产品将机电技术完全融合形成新的机械电子产品2 2、适应型设计、适应型设计在原有机械系统基础上采用微机控制，使系统性能提高，功能在原有机械系统基础上采用微机控制，使系统性能提高，功能增强。（全自动洗衣机、数控机床）增强。（全自动洗衣机、数控机床）用电子装置局部替代机械传动装置和机械控制装置（变频调速用电子装置局部替代机械传
14、动装置和机械控制装置（变频调速器代替变速齿轮）器代替变速齿轮）用电子装置完全替代原来执行信息处理功能的机构（电子秤）用电子装置完全替代原来执行信息处理功能的机构（电子秤）用电子装置替代机械的主功能，形成特殊加工能力（激光切割用电子装置替代机械的主功能，形成特殊加工能力（激光切割机，电火花加工）机，电火花加工）3 3、变异型设计、变异型设计 一大趋势：轻薄小巧化一大趋势：轻薄小巧化章机械电子系统总体设计三、机械电子系统开发的设计思想三、机械电子系统开发的设计思想相互匹配、相互协调、有机结合相互匹配、相互协调、有机结合章机械电子系统总体设计四、机械电子系统设计方法四、机械电子系统设计方法1 1、取
15、代法（机电互补法）、取代法（机电互补法）利用电子部件取代传统机械产品中的复杂机械功能部件或利用电子部件取代传统机械产品中的复杂机械功能部件或功能子系统（如用微机控制取代机械式变速机构、凸轮机构、功能子系统（如用微机控制取代机械式变速机构、凸轮机构、离合器等机构）离合器等机构）2 2、整体设计法（融合法）、整体设计法（融合法）完全从系统目标考虑各子系统的设计，将各构成要素融合完全从系统目标考虑各子系统的设计，将各构成要素融合在一起形成专用或通用的功能部件（电机、变频器、主轴单元在一起形成专用或通用的功能部件（电机、变频器、主轴单元作为一个整体来设计，即电主轴单元）作为一个整体来设计，即电主轴单元
16、）3 3、组合法、组合法 选用各种标准功能模块，选用各种标准功能模块，“搭积木搭积木”（如工业机器人）（如工业机器人）三种方法的特点及适用场合？三种方法的特点及适用场合？章机械电子系统总体设计1.6 机械电子系统的评价机械电子系统的评价附加价值附加价值是是机械电子系统的综合评价指标机械电子系统的综合评价指标机械电子产品的评价内容机械电子产品的评价内容章机械电子系统总体设计工业三大要素工业三大要素:物质、能量、信息物质、能量、信息工业三大要素与机械电子的三大效果工业三大要素与机械电子的三大效果1.6 机械电子系统的评价机械电子系统的评价章机械电子系统总体设计1.7 机械电子系统的设计流程机械电子
17、系统的设计流程1.1.准备阶段准备阶段(1)(1)对用户需求进行理论抽象，确定产品规格、性能对用户需求进行理论抽象，确定产品规格、性能参数参数 对于加工机械，包括如下几个方面：对于加工机械，包括如下几个方面：运动参数运动参数 动力参数动力参数 品质参数品质参数 环境参数环境参数 结构参数结构参数 界面参数界面参数章机械电子系统总体设计1.7 机械电子系统的设计流程机械电子系统的设计流程1.1.准备阶段准备阶段(2)(2)拟定总体方案、划分系统功能要素和功能模块拟定总体方案、划分系统功能要素和功能模块 根据设计对象的要求，进行技术分析，拟定系统总体设计根据设计对象的要求，进行技术分析，拟定系统总
18、体设计方案，划分组成系统的各方案，划分组成系统的各功能要素和功能模块功能要素和功能模块 功能模块功能模块是构成系统的基本单元，在形式上表现为具体设是构成系统的基本单元，在形式上表现为具体设备、装置或电路板（硬件），具体应用子程序或软件包（软备、装置或电路板（硬件），具体应用子程序或软件包（软件）。件）。一个一个功能要素功能要素可能是一个功能模块，也可能由若干功能模块可能是一个功能模块，也可能由若干功能模块组合而成，或者就是一个机械电子子系统。组合而成，或者就是一个机械电子子系统。(3)(3)方案论证、确定模块设计目标，人员组织方案论证、确定模块设计目标，人员组织 对各种方案进行可行性研究对比，
19、确定最佳总体方案、模对各种方案进行可行性研究对比，确定最佳总体方案、模块设计目标和设计人员的组织块设计目标和设计人员的组织章机械电子系统总体设计1.7 机械电子系统的设计流程机械电子系统的设计流程2.2.理论设计阶段理论设计阶段(1)(1)接口和功能模块细部设计接口和功能模块细部设计 根据设计目标、功能要素和根据设计目标、功能要素和功能模块，画出系统工作时功能模块，画出系统工作时序图和机械传动原理简图；序图和机械传动原理简图；有过程控制要求的系统应建立各要素的数学模型，确定控有过程控制要求的系统应建立各要素的数学模型，确定控制算法；制算法；计算各功能模块间接口计算各功能模块间接口I/O参数，确
20、定接口设计任务归属；参数，确定接口设计任务归属；以功能模块为单元，根据接口参数要求进行功能模块的以功能模块为单元，根据接口参数要求进行功能模块的选型、组配选型、组配 (2)(2)理论设计总体评价理论设计总体评价 对设计结果进行整体技术经济评价、设计目标考核和系对设计结果进行整体技术经济评价、设计目标考核和系统优化，挑选综合性能指标最优的设计。统优化，挑选综合性能指标最优的设计。章机械电子系统总体设计1.7 机械电子系统的设计流程机械电子系统的设计流程3.3.产品的设计实施阶段产品的设计实施阶段(1)(1)功能模块制作、调试功能模块制作、调试 根据机械、电气图样，制造装配各功能模块；根据机械、电气图样，制造装配各功能模块；模块的调试模块的调试(2)(2)系统整体安装调试，可靠性复核系统整体安装调试，可靠性复核 4.4.设计定型阶段设计定型阶段(1)(1)工艺定型工艺定型 整理设计图纸、软件清单、零部件清单、元器件清单、整理设计图纸、软件清单、零部件清单、元器件清单、调试记录等；调试记录等；(2)(2)编写技术文档资料编写技术文档资料 编写设计说明书，为产品投产时的工艺设计、材料采购编写设计说明书，为产品投产时的工艺设计、材料采购和销售提供详细的技术档案资料。和销售提供详细的技术档案资料。章机械电子系统总体设计2022-10-4章机械电子系统总体设计
