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1、第一章 机电一体化系统设计 基础知识,第一节 机电一体化系统设计基本知识 第二节 机电一体化系统设计原理与设 计方法 第三节 现代设计方法在机电一体化系统设计中的应用 习题与思考题,第一节 机电一体化系统设计 基本知识,一、 机电一体化系统的基本概念 “机电系统”这个名词，使用非常广泛。在不同的词典、手册和专著中对机电系统的定义大都是：机电系统是由相互作用和依赖的若干组成部分按一定要求和性质组合成的、具有特定功能的有机整体。 1. 机电系统的特征 (1) 集合性。机电系统是由许多不同功能单元的集合体。 (2) 关联性。机电系统的各个组成部分之间是具有互相联系和互相制约的单元。 (3) 功能性。
2、机电系统各部分具有特定的功能，特别是人们根据工程要求所设计或改造的各种系统，总是具有一定的功能性和应用性。 (4) 环境适应性。机电系统总是存在并运用到一个特定的工作环境中，与环境不断进行物质、能量、信息的交换。设计任何系统都必须适应不同环境工作要求,上一页,下一页,返回,上一页,下一页,2. 机电系统工程设计的基本原则 (1) 整体性原则。也就是说要把机电系统当作一个整体，应具有整体大于它的各部分的总和的思想，这就准确地反映了整体性原则的本质。 (2) 综合性原则。任何机电系统都具有多方面的特性，涉及多方面的技术知识 。 (3) 科学性原则。在处理设计问题时应按照科学的顺序和步骤进行，环环相
3、扣，并不断通过信息反馈加以分析检查改进，且尽量使用定量方法。 二、 机电一体化系统各组成单元的基本功能 1. 机械单元功能 机械单元是机电系统或设备的组成部分之一，机械单元的设计必须结构合理，减轻质量和提高精度。为了减轻质量，除了合理进行结构设计外，主要应考虑采用非金属复合材料。,返回,2. 传感器单元功能 传感器单元是实现物理信号的检测，转换输出功能。传感器检测信号有：压力、温度、加速度、流量、位移、速度、角度、高度、湿度等。各种传感器与其他仪器配合可组成检测系统，检测控制系统，多参数测试系统等，是机电系统设计的主要部分。 3. 控制单元功能 控制单元一般包括计算机主体、可编程序控制器及其配
4、套的输入输出接口设备。可实现程序控制、检测信号判别计算控制、多参数控制功能等。在机电一体化系统设计中，存在着处理计算速度、可靠性、抗干扰以及标准化问题。 4. 驱动单元功能 驱动单元按不同的动力源，一般可分为三类：电动、气动、液压，主要功能是驱动各种执行设备，例如，各种电动机、各种开关元件、机械装置等。 5. 动力单元功能 机电一体化系统常用的动力源有三类：电源、液压源、气压源。目前电源是动力源中应用最多的动力源，已有许多种专用电源，可供机电一体化系统设计选择,上一页,下一页,返回,6. 执行单元功能 在机电一体化系统设计中，执行单元是实现控制的关键。它包括各种电动机，带动机械负载完成各种动作
5、，各种电磁开关完成多种参数的控制。所以，执行单元必须与驱动单元匹配，提高控制精度及控制的可靠性。 7. 接口单元功能 将机电一体化系统各组成部分连接起来的元件或电路称为接口。接口设计应采用同一标准规格，这不仅给信息传输和维修带来方便，而且可以简化设计。采用标准接口可使成本降低，最基本的要求是输入、输出接口要标准，特别是计算机系统，输入输出硬件必须采用标准化接口。软件的设计与硬件接口设计必须采用标准化方式。 三、 机电一体化系统设计中的关键技术 1. 传感器与检测技术 传感器技术是机电一体化的关键性技术。机电一体化系统或产品的柔性化、功能化和智能化都与传感器的品种多少，性能好坏，结构尺寸密切相关
6、。传感器技术自身就是一门多学科、知识密集的应用技术。,上一页,下一页,返回,2. 信息处理技术 信息处理技术包括信息的输入、识别、变换、运算、存储及输出技术。信号的分析与处理是否准确，可靠、稳定、快速性，直接影响到机电一体化系统或产品的性能，因而也是机电一体化系统设计的关键技术。信息处理的硬件设备主要有输入和输出设备、显示器、磁盘、计算机、可编程序控制器及接口电路等。 3. 自动控制技术 自动控制是指在没有人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的工作规律运行。自动控制技术的广泛应用，在机电一体化系统或产品中起着极为重要的作用。 4. 伺服驱动技术 伺服系统是实现电信号到机
7、械动作的控制转换系统，对机电一体化系统的动态性能，控制质量和功能具有决定性的影响。伺服传动装置是伺服系统的一部分，主要包括伺服驱动器和伺服机械传动装置两个内容。常见的伺服驱动器有电液电机、脉冲油缸、步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等。,上一页,下一页,返回,5. 接口技术 机电一体化系统是机械、电子和信息等性能不同的技术有机地结合一体的集合系统，其构成单元或子系统之间的接口极其重要。从系统整体看，机电一体化系统是通过许多接口将各组成单元的输入/输出联系为一体的系统。 6. 机械技术 在机电一体化系统设计中，各种机电产品的结构设计，都需要利用机械设计技术，例如：智能式静态压力标定系统、工业机
8、器人、正弦压力校准系统、动态力校准系统，各种自动化生产线系统，磁带机，打印机等，这些系统的机械结构的设计和制造问题，都属于机械技术的范畴。 7. 机电系统总体技术 机电系统总体技术是以整体目标出发，用系统的观点和方法，把机械与电子的功能在结构上用机电一体化的技术结合。机电一体化系统的多功能、高精度、高性能要求不可避免地要使产品复杂化。所以，在设计机电系统中要求组成单元的功能、精度、性能都要好，如果整体系统不能很好协调，系统照样难以正常运行而不能发挥其应有的性能和作用。,上一页,下一页,返回,四、 机电一体化系统（产品）的分类,1. 按机电一体化产品的用途分类 (1) 工业大型成套设备。 (2)
9、 工业机电设备。 (3) 信息机电设备。 (4) 民用机电设备。2. 按机械和电子的功能和含量分类 机电一体化产品中，相对地以机械装置为主体的产品，可称为机械电子产品，如工业机械； 以电子装置为主体的产品，可称为电子机械产品，如信息机械等。3. 按机电结合的程度分类 可分为功能附加型、功能替代型和机电融合型。,上一页,下一页,返回,五、 现代机电一体化系统设计技术的发展,1. 现代机电一体化系统的发展目标 机电一体化系统设计综合利用传感器、机械、电子、计算机、控制等各种相关技术优势，扬长补短，实现机电系统设计优化的效果，达到显著的社会效益和经济效益，使机电产品性能、功能达到了应用目标 (1)
10、提高机电系统精度。 (2) 提高机电系统功能。 (3) 提高生产效率，降低成本。 (4) 节约能源，降低消耗。 (5) 提高安全性、可靠性。 (6) 提高操作性和使用性。 (7) 减轻劳动强度，改善劳动条件。 (8) 优化结构，减轻质量。 (9) 降低价格。 (10) 增强扩展应用功能。,上一页,下一页,返回,2. 机电一体化技术的发展 根据微电子技术的发展，机电结合的深度以及机械产品发展的要求，机械产品的机电一体化 技术发展大致可分成以下几种类型： (1) 在原有机械系统的基础上采用微机控制装置，使系统的性能提高和功能增强。 (2) 用电子装置局部替代机械传动和控制装置，以简化结构，增强控制
11、灵活性。 (3) 用电子装置完全替代原来执行信息处理功能的机构，不仅简化了结构，还极大地丰富了信息传输的内容，提高了速度。 (4) 用电子装置取代机械的主功能，形成特殊的加工能力。 (5) 机电技术的完全融合形成新型机电一体化产品。3. 机械制造过程中的机电一体化发展 机械制造生产过程包括产品设计、工艺设计、工艺装备、工艺实施、产品检验甚至市场与生产管理等多个生产环节。机械制造生产过程的机电一体化，是机械产品的市场需求与现代生产过程发展的必然趋势。,上一页,返回,返回,第二节 机电一体化系统设计原理与设计方法,一、 机电一体化系统设计分析 机电一体化系统设计是一门综合性技术，充分利用多种技术，
12、多种设计方法，设计出多种机电系统。由于设计的系统不同，技术要求不同,使用条件的不同，系统的复杂程度不同，但必须是性能可靠性、适用性与经济性要好。 设计技术人员，在设计系统中，必须是对所设计的机电系统进行详细的设计分析，根据用户要求考虑的问题是：操作简便、使用安全可靠、节约能源；根据设计生产考虑问题，缩短研制开发周期，加速产品更新换代；从设计方法考虑问题，根据所设计系统特点采用现代设计方法，创新性设计和功能具有可扩展性设计方法；从设计实践出发，把所设计的系统进行分解，明确哪些功能由机械技术实现，哪些功能由电子技术的硬件和软件实现，能采用电子技术实现的，就不用机械技术实现，以利于简化机械结构，发挥
13、各自的长处；采用图表流程图方式描述系统功能和工作顺序要求；分析所设计的产品应用性，分析设计的产品的自动化程度及其适用性；,上一页,下一页,返回,可靠性分析；结构尺寸及空间布置分析；外形设计分析；特殊功能与可扩展性分析；系统整体结构单元匹配性分析；控制的稳定性、可靠性分析；技术可实现性分析； 除了现有技术上实现的单元部件，需要开发研究的单元部件设计分析；制作工艺技术的可实现性分析；产品性能可评价方法分析等，都是需要设计技术人员所明确的问题，有利于缩短设计研制周期和提高设计效率。,上一页,下一页,返回,二、 机电一体化系统的设计程序,1.确定机电系统的功能指标 机电一体化系统的功能是用来改变物质的
14、形状、状态、位置尺寸或特性，归根到底必须实现一定的运动，并提供必要的动力。 2.机电系统总体设计 机电一体化系统总体设计的核心是构思系统原理方案，即从系统工程的观点出发，把所设计的系统中检测单元、驱动控制单元、执行器单元、负载单元、系统整体结构单元、系统外观等融合在一起通盘考虑，各个单元都采用最能发挥其特长的物理效应实现，并通过信息处理技术把信息流、能量流与系统各单元有机最佳组合，实现系统组合最佳原理方案。 3.机电系统单元的设计 机电系统总体设计指标是由各子系统单元性能指标来完成，系统单元的设计必须服从系统总体设计要求，因此在设计系统单元时，应按照设计指标进行分析。,上一页,下一页,返回,4
15、.接口单元的设计 接口单元要完成系统单元的匹配。机械接口有两种形式，一种是运行单元与执行负载机械之间的联轴器和传动轴，以及直接将执行元件或执行机构联结在一起的联轴器、螺钉、铆钉等，直接连接时不存在任何运动和运动变换。另一种是机械传动机构，如皮带轮、减速器、丝杆、螺母等。 5.机电系统设计总体方案的评价 在机电一体化系统设计中，系统总体方案的设计必须进行全面的评价分析，主要是对所设计的方案原理上是否合理，系统的功能和性能、结构尺寸设计是否可实现，研制费用计算是否合适等进行全面评价，从中找出最佳方案。 6.可靠性、安全性复查 在机电一体化系统设计中，无论采用何种现代化的设计方法，选择最先进的高科技
16、系统单元，对于任何一种机电产品既可能产生机械故障，又可能产生电子故障，计算机软件问题。,上一页,下一页,返回,三、 机电一体化系统设计的技术文件,在设计机电一体化系统时，应形成一整套设计技术文件，这些设计技术文件是设计工作中每一步研究工作的结果，同时还包括该系统用于制造验收、使用和维护的说明。 1. 机电一体化系统设计论证报告编写方法 (1) 设计目的与需求分析。 (2) 研究内容与范围。 根据设计的机电一体化系统（或产品）分解成子系统具体阐述本设计项目研究所涉及的理论、技术、装置及软件。 画出设计系统的框图及软件设计的模块流程图。 给出设计系统或装置的主要技术参数和主要技术指标。 给出设计系
17、统的单元系统分项技术要求。 (3) 经济效益与社会效益预测。 从本项目设计研究的应用和市场需求量，进行价值评估或经济效益预测。,上一页,下一页,返回,(4) 机电系统设计实施途径。 根据所设计的机电一体化系统（或产品）的内容，分解为单元系统说明实施途径。 软硬件设计实施途径应对自行设计加工、技术引进、单元部件购买、合作开发研究等实施方式详细说明。 技术实施途径应对采用的设计制作原理、方法、技术和理论作说明。 技术实施途径应对单项新型技术研究的方法、研究方案作详细说明。 (5) 机电一体化系统设计的可行性分析。 重点阐述本设计项目的关键技术及解决关键技术的可行性分析。 设计系统可选择的单元，技术合作的研究单元的分析报告。 设计的机电一体化系统，对于市场需求的产品给出市场信息报告 (6) 完成项目所需要条件。 具备的研究基础:给出已开展过的与本设计系统相关的理论、技术、方法、测试手段、试验设备等研究内容。 具备的技术条件: 给出已开展过的系统设计，技术条件，研究方法，为完成本项设计的技术支持条件。,
