1、机电一体化系统设计机电一体化系统设计课程介绍第一章。概论 第二章。机械系统设计 第三章。检测系统设计*第四章。驱动系统设计 第五章。接口技术 第六章。控制系统设计*第七章。机电一体化系统设计典型实例（机器人）参考书参考书 郑堤 等主编。机电一体化设计基础（机械工业出版社）李成华 等主编。机电一体化技术（中国农业大学出版社）刘杰 等主编。机电一体化技术基础与产品设计（冶金工业出版社）张君安主编。机电一体化系统设计（兵器工业出版社）张立勋等主编。机电一体化系统设计（哈尔滨工程大学出版社）机电一体化技术手册编委会。机电一体化技术手册（机械工业出版社）张建民 等主编.机电一体化系统设计(北京理工大学出
2、版社)第一章。第一章。机电一体化概念机电一体化概念 一一.机电一体化的基本概念机电一体化的基本概念 机电一体化的英文名称是Mechatronics,是由日本人通过截取英文机械学(Mechanics)的词头和电子学(Electronics)的词尾组合在一起而创造出来的一个新的英文名词.这一名词最早出现在1971年日本的杂志副刊上,后来随着机电一体化的发展而被广泛引用 机电一体化的含义 日本于1981年提出的解释:“机机电一体化乃是机械的主功能电一体化乃是机械的主功能、动动力功能力功能、信息功能和控制功能上信息功能和控制功能上引进微电子技术引进微电子技术,并将机械装置并将机械装置与电子装置用相关软
3、件有机结合与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称而构成系统的总称.”机电一体化是一种崭新的学术思想机电一体化是一种崭新的学术思想 按照机电一体化思想，凡是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）都应属于机电一体化的范畴.二二.机电一体化技术的发展机电一体化技术的发展 由于大规模集成电路和超大规模集成电路的出现，特别是微型电子计算机的空前发展，促进了机械技术和电子技术相互交叉和相互渗透，并使机械技术和电子技术在系统论、信息论和控制论的基础上有机地结合起来，形成今天的机电一体化技术。直到70年代初，日本人对机电一体化的长期实践和最新应用成果加以系统的概括和总
4、结，才形成一个比较完整的机电一体化概念。此后由于大规模集成电路技术和微型计算机技术的迅速发展，使得机电结合的形式更加灵活，内容更加丰富，应用更加广泛，因而在以机械工业为主的传统产业中引发了一场大规模的机电一体化技术革命。三三.机电一体化系统的基本构成机电一体化系统的基本构成 机电一体化系统由机械系统（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（驱动器）等五个子系统组成1.机电一体化系统的构成机电一体化系统的构成系统的基本构成（全闭环系统）系统的基本构成（半闭环系统）2。机电一体化系统的功能构成机电一体化系统的功能构成 机电一体化系统是由若干具有
5、特定功能的机械与微电子要素组成的有机整体，具有满足人们使用要求的功能。根据不同的使用目的，要求系统能对输入的物质、能量和信息进行某种处理，输出所需要的物质、能量和信息。三大三大“目的功能目的功能”1。变换功能2。传递功能3。储存功能系统的目的功能系统内部功能系统内部功能 主功能动力功能检测功能控制功能构造功能机电一体化系统内部功能构成机电一体化系统内部功能构成CNC机床的内部功能构成机床的内部功能构成人体五大要素极其功能的对应关系3。机电一体化基本结构要素机电一体化基本结构要素机电一体化产品的组成要素及其功能的对应关系机电一体化系统五大要素实例机电一体化系统五大要素实例#1 1。机械系统（机械
6、本体）。机械系统（机械本体）包括机身、框架、机械连接等包括机身、框架、机械连接等在内的产品支持结构，属于基础部在内的产品支持结构，属于基础部分，实现产品的构造功能。分，实现产品的构造功能。2 2。动力源。动力源 向系统提供能量，并将输入的能向系统提供能量，并将输入的能量转换成需要的形式，实现动力功量转换成需要的形式，实现动力功能。能。3 3。检测与传感装置。检测与传感装置 包括各种传感器极其信号检测电包括各种传感器极其信号检测电路，用于对产品运行时的内部状态路，用于对产品运行时的内部状态和外部环境进行检测，提供运行控和外部环境进行检测，提供运行控制所需的各种信息，实现计测功能。制所需的各种信息
7、，实现计测功能。4 4。控制与信息处理装置。控制与信息处理装置 根据产品的功能和性能要求以根据产品的功能和性能要求以及传感器的反馈信息，进行处理及传感器的反馈信息，进行处理、运算和决策，对产品运行施以相应运算和决策，对产品运行施以相应的控制，实现控制功能。的控制，实现控制功能。5 5。执行机构。执行机构 包括机械传动与操作机构，在控制信息作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。执行机构因作业对象不同而形式各异。四。机电一体化的意义 机电一体化技术可以用来设计新型的机电一体化产品，改造旧的机电产品，使机电产品的面貌大大改观，达到功能增强、精度提高、结构简化(体积减少、重量减轻)、可靠性提高、改善
8、操作、提高柔性、性能价格比大大改善的目的。实施机电一体通常可以获得以下一些效果（1）功能增强 （2）提高精度 （3）结构简化（4）可靠性提高 （5）改善操作 （6）提高柔性五.机电一体化技术的分类 1 机电一体化技术分类概述 目前世界上普遍认为机电一体化有两大分支，即生产过程的机电一体化和机电产品的机电一体化。生产过程的机电一体化 生产过程的机电一体化意味着整个工业体系的机电一体化，生产过程的机电一体化根据生产过程的特点又可划分为离散制造过程的机电一体化和连续生产过程的机电一体化。机电产品的机电一体化 机电产品的机电一体化是机电一体化的核心，是生产过程机电一体化的物质基础。机电一体化产品根据结
9、构和电子技术与计机电一体化产品根据结构和电子技术与计算机技术在系统中的作用可以分为三类：算机技术在系统中的作用可以分为三类：（1）原机械产品采用电子技术和计算机控制技术;（2）用集成电路或计算机及其软件代替原机械的部分结构;（3）利用机电一体化原理设计的全新的机电一体化产品.2 机械制造过程的机电一体化 机械制造过程的机电一体化包括产品设计、加工、装配、检验的自动化，生产过程自动化，经营管理自动化等，其高级形式是计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System，简称CIMS）。(1)计算机辅助设计,(CAD)(2)计算机辅助工艺过程设计,(C
10、APP)(3)计算机辅助制造,(CAM)(4)CAD/CAM集成系统(5)柔性制造系统(FMS)(6)柔性制造单元(FMC)(7)计算机集成制造系统（CIMS）CIMS集成关系 六.机电一体化的相关技术 涉及到四大基础科学，即机械学、控制论、电子学和计算机科学。1.机械技术 对于绝大多数的机电一体化产品，机械本体在质量、体积等方面都占有绝大部分，如原动机、工作机和传动装置一般都采用机械结构。这些机械结构的设计和制造问题，都属于机械技术的范畴。2.传感技术#传感技术的核心是传感器。传感器按照一定的精度将被测量转换为与之有确定对应关系的电信号，通常由敏感元件、转换元件和转换电路组成。3.信息处理技
11、术 信息处理技术是指利用电子计算机及其外部设备对信息进入输入、转换、运算、存储和输出等技术，这里所说的电子计算机包括工控机、单片机和可编程控制器等。4.接口技术 在机电一体化系统中，计算机与外部设备（如执行机构、传感器、机械本体、动力源和人机交互设备等）之间的连接和信息交换环节称为接口，接口功能的实现除硬件电路外，还应包括相应的接口软件（驱动程序），通常通过接口硬件和接口软件的结合来实现接口任务。5 伺服驱动技术 伺服驱动技术主要是指与执行机构相关的一些技术问题。伺服驱动的方式主要有电动、气动和液压等各种类型。6 系统总体技术 系统总体技术是一种从全局角度和系统目标出发，用系统的观点和方法，将
12、系统分解成若干个相互有联系的功能单元，找出能完成各个功能的技术方案，并将其进行分析、评价和优化的综合应用技术。七.机电一体化设计方法 传统的设计方法和各种现代设计方法是普遍适用的，当然也适用机电一体化产品的设计。而机电产品的机电一体化设计方法又是现代设计方法的重要组成部分。1 模块化设计方法 机电一体化产品或设备可设计成由相应于五大要素的功能部件组成，也可以设计成由若干功能子系统组成，而每个功能部件或功能子系统又包含若干组成要素。这些功能部件或功能子系统经过标准化、通用化和系列化，就成为功能模块。每一个功能模块可视为一个独立体，在设计时只需了解其性能规格，按其功能来选用，而无须了解其结构细节。
13、2 柔性化设计方法 将机电一体化产品或系统中完成某一功能的检测传感元件、执行元件和控制器作成机电一体化的功能模块，如果控制器具有可编程的特点，则该模块就成为柔性模块。3 取代设计方法 取代设计方法又称为机电互补设计方法。该方法的主要特点是利用通用或专用电子器件取代传统机械产品中的复杂机械部件，以便简化结构，获得更好的功能和特性。4.4.融合设计方法融合设计方法 融合设计方法是把机电一体化产品融合设计方法是把机电一体化产品的某些功能部件或子系统设计成该的某些功能部件或子系统设计成该产品所专用的。用这种方法可以使产品所专用的。用这种方法可以使该产品各要素和参数之间的匹配问该产品各要素和参数之间的匹
14、配问题考虑的更充分、更合理、更经济、题考虑的更充分、更合理、更经济、更能体现机电一体化的优越性。融更能体现机电一体化的优越性。融合法还可以简化接口，使彼此融为合法还可以简化接口，使彼此融为一体。一体。5 优化设计方法 (1)机械技术和电子技术的综合与优化.(2)硬件和软件的交叉与优化(3)机电一体化产品的整体优化 八.系统设计的评价分析方法 (1)工效实用性 (2)系统可靠性(3)运行稳定性(4)操作宜人性(5)人机安全性(6)环境完善性(7)技术经济性(8)结构工艺性 (9)造型艺术性(10)成果规范性九.机电一体化产品的设计开发步骤 (1)市场调查 所谓市场调查就是运用科学的方法，系统地、
15、全面地收集有关市场需求和经销方面的有关资料。在市场调查的基础上，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作出预测，为企业提供依据。(2)初步设计 初步设计的主要任务是建立产品的功能模型，提出总体方案、投资预算，拟定实施计划等初步设计的主要工作内容包括：（A）系统的总体结构方案设计；（B）系统的功能及技术性能设计；（C）确定产品模型的信息和联系；（D）提出系统内部和外部接口要求；（E）找出关键技术，逐一提出每个关键技术的解决方案；（F）确定系统配置；（G）确定实施进度计划；（H）提出经费预算；（I）进行技术经济效益分析；（J）编写初步设计报告。(3)详细设计 详细设计主要
16、是对系统总体方案进行具体实施步骤的设计，其主要的依据是总体方案框图。从技术上将其细节逐步全部展开，直至完成试制产品样机所需的全部技术图纸和文档，机电一体化的详细设计主要应包括以下内容：(A)机械本体设计 这里所说的机械本体一般由减速装置、蜗轮蜗杆副、丝杠螺母副等各种线性传动部件，连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件，挠性传动部件、间歇传动部件等特殊传动部件，导向支承部件、旋转支承部件以及机架等支承部件组成。(B)接口设计 对于一种产品（或系统），其各部件之间，各子系统之间往往需要传递动力、运动、命令或信息，这都是通过各种接口来实现的。按功能可以将接口划分为以下按功能可以将接口划分为以下3 3种：
17、种：（I）零接口。（II）普通转换接口。（III）智能转换接口。(C)微控制器设计与制作步骤 单片机应用系统又称微控制器或嵌入式微处理器。微控制器设计包括硬件设计和软件设计，其一般设计开发步骤如下：（1）制定控制系统总体方案。（2）选择单片机及其扩展芯片。（3）硬件系统设计。（4）绘制印刷线路板图。（5）制作印刷线路板（PCB）。（6）焊接芯片插座及其他电子元器件，并组装成单片机应用系统。（7）微控制软件设计。（8）微控制器硬件调试。（9）软件调试。（10）现场调试。（11）脱机运行。习题 1-1 机电一体主要有哪两大分支，试简要说明之。1-2 机电一体主要有哪些设计方法？1-3 简述用单片机开发机电一体化产品的过程。
