机电一体化系统设计
机电一体化系统设计(054312)
一、单选题1.在机电一体化产品中，对一些少量的数值型参数的输入可以考虑使用（）A、控制开关B、BCD拨码盘C、行列式键盘D、鼠标答案： B2.全闭环数控机床上位置传感元件是装在（）A、电机轴端B、减速齿轮轴端C、滚珠丝杆轴端D、工作台运动部件上答案： D3.( )是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。
A、可靠性B、安全性C、保障性D、测试性答案： A4.以下那项属于机械系统的制造误差A、机构原理误差B、零件原理误差C、技术原理误差D、装配与调整误差答案： D5.在机电一体化系统中，机械传动要满足伺服控制的三个主要要求是（）A、传动精度、稳定性、快速响应性B、传动精度、稳定性、低噪声C、传动精度、高可靠性、小型轻量化D、传动精度、高可靠性、低冲击振动答案： A6.在机电一体化产品中，对于一些简单的二值性的控制参数，可以考虑采用（）。
A、控制开关B、BCD拨码盘C、行列式键盘D、鼠标答案： A7.下列几种电动机中，不属于固定磁阻电动机的是（）A、直流电机B、步进电机C、永磁同步电机D、交流感应电机答案： B8.数控机床若要求高速快进与单步点动，则伺服系统的调速范围应（）A、很窄B、很宽C、较窄D、为零答案： B9.下列哪一项属于变异性设计A、没有参照样板的设计B、原理不变，改变结构C、局部更改，适应性变动D、适应于量的方面变更要求，方案功能结构不变答案： D10.机电一体化优化设计通常采用 ( ) 的方法。
A、单目标规划B、整体规划C、多目标规划D、详细规划答案： C11.哪一项是滚珠丝杠副的特点。
A、同步性好B、运动不具有可逆性C、无法消除间隙D、低速时爬行答案： A12.要使一个空间物体定位，需要适当配置几个约束加以限制（）A、3B、4C、6D、8答案： C13.机电一体化产品的设计注重（）A、安全系数设计B、功能设计C、机械设计D、电路设计答案： B14.机电一体化系统中解决功能模块间的信号匹配问题的是（）A、通信模块B、接口模块C、测量模块D、软件模块答案： B15.机床的调速方法很多，其中最有利于实现自动化，并可简化机械结构的方法是（）。
机电一体化系统设计
1. 机电一体化技术（或产品）的定义定义：在机械的主功能，动力功能，信息功能，控制功能基础上引入微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机的结合所构成的系统的总称。
2. 机电一体化系统或产品设计的目的是什么？主要目的：增加机械系统或产品的附加值和自动化程度3. 机电一体化系统（产品）的主要构成单元或组成部分有哪些？机械系统，电子信息处理系统，动力系统，传感系统，执行控制系统4、简述机电一体化系统或产品的机电结合（融合）设计方法。
机电结合设计方法是将个组成要素有机的结合为一体而构成专用或通用的功能部件，其要素之间机电参数的有机匹配比较充分5、简述机电一体化系统（产品）的机电组合设计方法，特点是什么？。
机电一体化系统的机电组合设计方法是将用结合法制成的功能部件，功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统，特点是可以缩短设计与研制周期，节约工装设备费用，且有利于生产管理，使用和维修。
6. 机械传动系统在机电一体化系统（产品）中的基本功能和作用是什么？机械传动系统在机电一体化系统中的基本功能是传递力/转矩和速度/转速。
实质上是一种转矩，转速变换器。
作用是使执行原件与负载之间在转矩和转速方面达到合理的匹配。
7. 简答机电一体化机械传动的主要功能，目的，基本要求。
功能：传递力/转矩和速度/转速目的：使执行元件与负载之间在转矩和转速方面达到合理的匹配。
基固本要求：转动间隙小，精度高，体积小，重量轻，运动平稳，传动转矩大。
8. 机电一体化系统（产品）的机械部分与一般机械系统相比，应具备哪些特殊要求？1.较高的定位精度。
2.良好的动态响应特性－响应快，稳定性好，收敛时间合理。
3。
无间隙，低摩擦，低惯量，大刚度。
4。
高的消振频率，合理的阻尼比。
9. 简述滚珠丝杠传动装置的组成，结构和应用特点。
滚珠丝杠传动装置的组成由带螺旋槽的丝杆，螺母，滚动元件，回珠装置组成。
结构：丝杆轻动时，带动滚珠螺纹滚道滚动，为阻止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端没有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠滚动的闭合通路。
机电一体化系统设计典型实例
1
优势
提高劳动效率，降低成本，增强品质和可靠性，利于维护和管理，并且有一定的 生态效益。
2
挑战
需要协调多个领域的专业技能和信息，需要对未来市场趋势和新技术有敏锐的洞 察力。
结论和总结
未来趋势
随着城市化进程加速，智慧城市崛起，机电一体 化技术将发挥更加重要的作用。
应用广泛
除了上述提到的几个行业，机电一体化技术还可 以广泛应用于医疗、农业、能源等领域。
利用机器视觉技术和高精度 地图，实现自动驾驶，减少 人为事故，提高交通规划的 效率。
智能设施
借助物联网技术和现代传感 器，交通设施变得更加智能 化，如自动收费、智慧路灯、 快速充电等。
流量管理
交通监测和分析系统可以帮 助城市管理者更好地解决交 通拥堵、路况状况和安全问 题。
机电一体化系统设计的优势和挑战
典型实例1：自动化生产线
质量控制
为了生产一致的高质量产品，生产线上使用了 各种传感器、机器视觉技术，以及即时数据处 理软件。
智能机械
生产线使用了各类高效率的机械装备，如机器 人和自动化部件来执行重复性工作。
实时监控
使用先进仪表和监控系统来跟生产量、质量， 及时发现和解决问题。
典型实例2：智能家居系统
提高质量
优秀的系统设计可以增加 可靠性和一致性，减少错 误率，提高产品质量。
机电一体化系统设计的基本原则
1
综合考虑
根据具体需求和环境条件，综合考虑
高效稳定
2
机械、电气、控制等因素。
设计系统要注重功能稳定性，保证机
电作用的高效协同。
3
安全实用
系统设计要符合安全要求，具有便于 维修、保养和更新升级的特点。
机电一体化系统设计-概论
三大“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
• 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
• 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
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<机械设计>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<<机械振兴协会经济研 究所>>于1981年提出的解释:“机 电一体化乃是机械的主功能、动 力功能、信息功能和控制功能上 引进微电子技术,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.”
• 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。
机电一体化系统设计
1.机电一体化技术涵义
• 机电一体化
Mechatronics
(mechanis lectronics)
• 机电一体化三要素：
机械系统（机构）是基础 微电子（微处理器CPU）是核心 软件是系统控制中心
机电一体化的特征： 有机械机构、 有 CPU、有软件 （有微机、单片机、PLC等）
系统的五个子系统及其功能
• 1 计算机（微机） • 2 执行元件 • 3 机构 • 4 传感器 • 5 动力源
控制功能 操作功能 构造功能 检测功能 动力功能
2、机电一体化相关技术
机械技术、微电子技术、信息技术、 控制技术、传感器技术、驱动技术、 计算机技术、软件技术
等多种学科的技术融合在一起，紧密结合在一起。
机电一体化系统设计步骤：
• 1明确任务 • 2调研 • 3方案拟定（设计） • 4机械部件设计 • 5电气控制硬件设计 • 6控制软件设计 • 7组织生产、调试 • 8改进设计 • 9整理资料
机电一体化机械系统（特点）要求
• 1低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件。 • 2缩短传动链，提高传动与支承刚度。 • 3最佳传动比，减少系统等效转动惯量，提高加
各支承方式特性比较
方式 刚度
单-单
2
双-双
1
双-简
3
双-自
4
精度
2 1 3 4
轴承寿命 适用
4
刚度特高
3
高精度、高刚
度、高速
2
中速、长行程、
高精度
1
低速、
• 轴承的组合安装支承 • 制动装置
•超 越
机电一体化系统设计第7章机电一体化系统总体设计
1
9.1 系统原理方案设计
一、功能分析设计法
一切从系统的功能出发， 将设计任务抽象化 1、为什么要抽象化？
复杂的设计 分析 抽象 简单的模式
突出基本的、必要的 要求，摈弃偶然情况 和枝节问题，便于抓 住设计问题核心
避免构思方案前形成 的条条框框，放开视 野，寻求更为理想的 设计方案
此外还有一些原则，如：合理力流原则、变形协调原则、 变形最小原则、平均效应原则、稳定性原则等。
18
9.3 机电一体化系统的评价
机电一体化的一个主要目的是提高产品的附加 价值，因而附加价值就成为机电一体化系统的综 合评价指标。 机电一体化系统的评价内容 ：
机电一体化系统
高附加价值化
主功能
高性能化
样机的试验分为实验室试验和实际工况试 验，通过试验考核样机的各种性能指标是否 满足设计要求，考核样机的可靠性。如果样 机的性能指标和可靠性不满足设计要求，则 要修改设计，重新制造样机，重新试验。如 果样机的性能指标和可靠性满足设计要求， 则进入产品的小批量生产阶段。
26
五、小批量生产
产品的小批量生产阶段实际上是产品的试生产试销 售阶段。这一阶段的主要任务是跟踪调查产品在市场 上的情况，收集用户意见，发现产品在设计和制造方 面存在的问题，并反馈给设计、制造和质量控制部门。
总功能
分功能
分功能的原理方案
5
Ⅰ层
总功能
1
23
Ⅱ层 1.1 1.2 1.3
3.1 3.2
Ⅲ层 1.2.1 1.2.2
3.1.1 3.1.2
功能结构示意图
6
最小的基本分功能或满足功能要求的最小单位称之为功能元。
机电一体化系统基本功能元 物理功能元：变换、合并分离、传导隔阻、储存 逻辑功能元：与、或、非 数学功能元：加、减、乘、除、乘方、开方、微分、积分
机电一体化系统设计有机结合分析与设计
推动模块的标准化和互换性，降低维护成本和提高系统灵活性。
结合实例分析
实例一
数控机床的机电一体化系统设计， 通过电子系统实现对机床运动的
精确控制，提高加工精度和效率。
实例二
智能机器人的机电一体化系统设计， 集成传感器、控制器和执行器，实 现机器人的自主导航、物体识别和 抓取等功能。
实例三
机床的性能和稳定性。
数控机床的应用范围广泛，可适用于各种复杂零件的 加工，为现代制造业的发展提供了重要的技术支持。
自动化生产线设计
自动化生产线是机电一体化系统设计 的又一重要应用，通过自动化技术实 现生产过程的连续性和高效性。
自动化生产线在汽车、电子产品、食 品等领域得到广泛应用，提高了生产 效率和产品质量，降低了生产成本。
结合原则
确保机电一体化系统的稳定性、可靠性、高效性 和低成本。
接口设计
合理设计机械与电子系统之间的接口，实现数据 和信号的有效传输。
结合策略与实现
策略
采用模块化设计方法，将机电一体化系统划分为若干个功能模块， 分别进行设计、优化和集成。
实现
利用现代计算机辅助设计工具进行建模、仿真和分析，确保各模块 之间的协调性和整体性能的最优化。
风力发电机的机电一体化系统设计， 将机械能转换为电能，同时考虑风 能利用率和系统稳定性。
04
机电一体化系统设计案例
数控机床设计
数控机床是机电一体化系统设计的典型案例，通过将 机械、电子、控制等技术有机结合，实现高精度、高
效率的加工能力。
数控机床设计过程中，需要考虑机床的整体布局、传 动系统、控制系统、冷却系统等方面的设计，以确保
机械系统设计是机电一体化系统 的核心部分，包括机械结构、传
机电一体化系统设计
机电一体化系统设计一、引言机电一体化系统是指将机械和电气控制系统相结合，实现自动化控制和监测，以提高生产效率和产品质量。
在现代制造业中，机电一体化系统已经成为不可或缺的重要部分。
本文将探讨机电一体化系统设计的重要性、原则和实施步骤。
二、机电一体化系统设计的重要性1.提高生产效率机电一体化系统可以实现自动化生产，减少人为操作，提高生产效率。
通过优化机械和电气系统的配合，可以实现更高的生产速度和稳定性。
2.优化产品质量机电一体化系统可以实现精准控制和监测生产过程，减少因人为因素引起的错误，提高产品质量和一致性。
3.节约能源资源机电一体化系统可以实现能源的合理利用和分配，优化能源消耗结构，降低生产成本。
4.提升生产安全性机电一体化系统可以实现安全监测和自动报警，减少生产过程中的安全隐患，提高生产操作的安全性。
5.降低维护成本机电一体化系统可以实现在线监测和故障诊断，及时发现和排除问题，减少维护和维修成本。
三、机电一体化系统设计的原则1.整体性原则机电一体化系统设计要以整体性为原则，全面考虑机械和电气系统之间的协调和配合，确保系统各部分之间的一致性和稳定性。
2.可靠性原则机电一体化系统设计要考虑到系统的可靠性，选择高品质的机械和电气元器件，确保系统长期稳定运行。
3.灵活性原则机电一体化系统设计要具有一定的灵活性，能够根据生产需求进行调整和改进，适应市场的变化。
4.通用性原则机电一体化系统设计要具有一定的通用性，可以适用于不同的生产场景和环境，提高系统的适用性和可扩展性。
5.安全性原则机电一体化系统设计要考虑到系统的安全性，确保生产过程中的操作安全和人员安全，防止事故的发生。
四、机电一体化系统设计的实施步骤1.需求分析首先进行生产需求分析，明确机电一体化系统的功能和性能要求，确定系统的基本架构和设计方案。
2.系统设计根据需求分析的结果，进行系统设计，包括机械结构设计、电气控制系统设计、传感器和执行器的选择等。
《机电一体化系统设计课程设计》设计说明书
《机电一体化系统设计课程设计》设计说明书一、课程设计的目的机电一体化系统设计是一门综合性很强的课程，通过本次课程设计，旨在让我们将所学的机电一体化相关知识进行综合运用，培养我们独立设计和解决实际问题的能力。
具体来说，课程设计的目的包括以下几个方面：1、加深对机电一体化系统概念的理解，掌握系统设计的基本方法和步骤。
2、熟悉机械、电子、控制等多个领域的知识在机电一体化系统中的融合与应用。
3、培养我们的工程实践能力，包括方案设计、图纸绘制、参数计算、器件选型等。
4、提高我们的创新思维和团队协作能力，为今后从事相关工作打下坚实的基础。
二、课程设计的任务和要求本次课程设计的任务是设计一个具有特定功能的机电一体化系统，具体要求如下：1、确定系统的功能和性能指标，包括运动方式、精度要求、速度范围等。
2、进行系统的总体方案设计，包括机械结构、驱动系统、控制系统等的选择和布局。
3、完成机械结构的详细设计，绘制装配图和零件图。
4、选择合适的驱动电机、传感器、控制器等器件，并进行参数计算和选型。
5、设计控制系统的硬件电路和软件程序，实现系统的控制功能。
6、对设计的系统进行性能分析和优化，确保满足设计要求。
三、系统方案设计1、功能需求分析经过对任务要求的仔细研究，确定本次设计的机电一体化系统为一个小型物料搬运机器人。
该机器人能够在规定的工作空间内自主移动，抓取和搬运一定重量的物料，并放置到指定位置。
2、总体方案设计（1）机械结构采用轮式移动平台，通过直流电机驱动轮子实现机器人的移动。
机械手臂采用关节式结构，由三个自由度组成，分别实现手臂的伸缩、升降和旋转，通过舵机进行驱动。
抓取机构采用气动夹爪，通过气缸控制夹爪的开合。
（2）驱动系统移动平台的驱动电机选择直流无刷电机，通过减速器与轮子连接，以提供足够的扭矩和速度。
机械手臂的关节驱动选择舵机，舵机具有控制精度高、响应速度快等优点。
抓取机构的气缸由气泵提供气源，通过电磁阀控制气缸的动作。
机电的一体化系统设计
机电的一体化系统设计机电一体化系统设计是指将机械、电子、电气、自动化等技术相结合的一种综合性设计。
它通过将机械结构、电气设备、传感器、执行器和控制系统等有机地结合在一起来实现系统的功能。
一体化设计能够提高系统的整体性能和运行效率。
因为机械、电子和自动化等不同专业领域的知识被集成在一起，可以更好地协同工作，提升系统的综合效益。
在机电一体化系统设计中，首先需要进行系统分析和需求分析，明确系统的功能和性能要求。
然后进行系统设计，包括机械结构设计、电气设计、自动化控制设计等方面。
机械结构设计是机电一体化系统设计的重要组成部分。
在设计机械结构时，需要考虑系统的稳定性、刚度和强度等因素。
同时还需要考虑材料的选择和加工工艺的优化，以提高系统的可靠性和寿命。
电气设计是机电一体化系统设计的另一个重要方面。
在电气设计时，需要选择适当的电气设备和元件，并设计电路图和布线图。
同时还需要进行电气参数计算和控制系统设计，以实现对整个系统的控制和监测。
此外，还需要考虑系统的电磁兼容性和安全性等因素。
自动化控制设计是机电一体化系统设计中的关键一环。
通过使用传感器和执行器，可以实现对系统的自动化控制。
在自动化控制设计中，需要选择合适的传感器和执行器，并进行控制算法的设计和优化。
同时还需要进行系统的建模和仿真，以验证设计的正确性和可行性。
在机电一体化系统设计中，还需要考虑系统的可拓展性和模块化设计。
通过模块化设计，可以将整个系统划分为若干个独立的子系统，每个子系统都具有独立的功能和自主控制。
这样可以提高系统的灵活性和可维护性，同时也方便对系统进行拓展和更新。
此外，在机电一体化系统设计中还需要考虑系统的能效和环保性。
通过优化设计和选择节能设备和材料，可以提高系统的能源利用效率和减少对环境的影响。
综上所述，机电一体化系统设计是一项复杂而综合的工作。
它需要综合运用机械、电子、自动化等多个学科的知识，进行系统的分析、设计和优化。
只有通过科学的设计和综合考虑各个方面的因素，才能确保机电一体化系统具有良好的性能和可靠性。
机电一体化系统的设计步骤
机电一体化系统的设计步骤机电一体化系统设计就像搭积木，但这个积木超级复杂又超酷。
一、需求分析。
这是第一步啦。
就好比你要盖房子，得先知道住的人有啥需求。
要是给小两口设计机电一体化系统，和给大工厂设计肯定不一样。
得了解这个系统是干啥用的，要达到啥功能。
比如说，是要一个能精确控制温度的设备呢，还是一个快速搬运东西的机械臂。
这一步就像侦探找线索，把各种需求都挖出来，越详细越好。
二、方案构思。
有了需求就开始想办法啦。
这时候就像厨师做菜，各种食材（技术、部件）在脑袋里组合。
是用液压传动好呢，还是电动的更合适。
就像你搭配衣服，要找最适合的风格。
要考虑系统的整体布局，各个部分怎么连接，是串联还是并联。
这个阶段可以脑洞大开，多画几个草图，把各种可能的方案都列出来，哪怕有些看起来很奇葩。
三、模型制作。
想好了方案就动手做个小模型呗。
这就像做个小手工，把想法变成实实在在能看到的东西。
可以用简单的材料先搭个架子，看看各个部分的配合是不是像想象中那么完美。
这个模型不一定要很精致，但要能体现出系统的主要结构和功能。
在这个过程中，可能会发现一些之前没想到的问题，比如说某个部件太大，装不下，或者某个连接的地方很别扭。
四、详细设计。
模型有了，问题也发现了，就开始详细设计。
这一步就像给房子画施工图，每个细节都不能放过。
要确定每个部件的具体尺寸、材料、性能参数。
比如说电机要用多大功率的，传感器的精度要多高。
这时候要参考很多资料，像个学霸一样去研究各种标准和规范。
而且要和不同的供应商联系，看看有没有合适的部件可以买，要是没有可能还得自己设计制造。
五、系统集成。
把各个精心设计的部件组合在一起就像拼拼图。
要保证它们之间能完美协作。
这时候要进行各种调试，就像给乐队调音一样。
看看系统整体的功能是不是达到了预期的要求。
如果有问题，就像医生看病一样，一点点排查是哪个部件出了毛病，是线路接错了，还是程序有bug。
六、测试优化。
最后就是测试优化啦。
让系统跑一跑，看看在各种情况下的表现。
机电一体化系统设计简介
机电一体化系统设计简介
1、机电一体化系统（产品）设计方案的常用方法：
1）取代法
取代法就是用电气掌握取代原系统中的机械掌握机构。
该方法是改造旧产品、开发新产品或对原系统进行技术改造常用的方法，也是改造传统机械产品的常用方法。
2）整体设计法
整体设计法主要用于新产品的开发设计。
在设计时完全从系统的整体目标动身，考虑各子系统的设计。
3）组合法
组合法就是选用各种标准功能模块组合设计成机电一体化系统。
2、现代设计方法：以计算机为帮助手段进行系统（产品）设计方法的总称。
机电一体化设计方法与现代设计方法的融合是优质、高效、快速实现机电一体化系统（产品）设计的有效方法和基本条件。
计算机帮助设计与制造（CAD/CAN）；并行工程设计——全寿命周期设计；虚拟产品设计与实现；快速响应设计；绿色环保产品设计；反求设计；网络协同合作设计
例1：机电一体化系统在数控机床中的应用
图1 数控系统组成简图
机电一体化实际上是机、电、液、气、光、磁一体化的统称，只不过机电之间的结合更紧密和常见而已。
机电一体化通过综合利用现代高新技术的优势，在提高精度、增加功能、改善操作性和使用性、提高生产率和降低成本、节省能源和降低消耗、减轻劳动强度和改善劳动条件、提高平安性和牢靠性、简化结构和减轻重量、增加柔性和智能化程度、降低价格等诸多方面都取得了显著的技术经济效益和社会效益，促使社会和科学技术又向前大大迈进了一步。
机电一体化是集机械、电子、光学、掌握、计算机、信息等多学科的交叉综合，它的进展和进步依靠并促进相关技术的进展和进步。
机电一体机电一体化系统设计方法
7.3 优化设计
7.3.1 优化设计概念
优化设计：优化设计（optimization design）是将设计问题的物理模型转 化为数学模型，运用最优数学理论，选用适当的优化方法，以计算机为 手段求解数学模型，从而得出最佳设计方案的一种设计方法。产品的优 化设计是在规定的各种设计限制条件下，优选设计参数，使某项或几项 设计指标获得最优值。优化设计在机电一体化系统中主要应用于结构设 计与控制系统中。
确定性能指标：产品技术与性能指标包括功能性指标、经济性指标、 可靠性指标、安全性标等。
拟定开发计划：开发计划是为了实现决策，预先明确所追求的目标以 及相应的行动方案的活动，即为设定目标以及决定如何达成目标，指 明路线的过程。
9
7.2.2 机电一体系统开发工作
2.设计阶段
总体设计：总体设计也称为初步设计，是应用系统总体技术，从整体 目标出发，统一分析产品的性能要求及各组成单元的特性，选择最合 理的单元组合方案，实现机电一体化产品整体优化设计的过程。机电 一体化系统总体设计内容包括总体方案拟订、工作原理设计、功能模 块划分、技术方案评价等。
• 适应性设计：是指在工作原理和总体结构基本保持不变的情况下对现有产 品进行局部更改，或增设某种新部件，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修改，以改善产品的性能 和质量。例如，在内燃机上增加增压器以增大输出功率，增加节油器以节 约燃料，均属于适应性设计。
5
7.1.2 设计类型
11
7.2.2 机电一体系统开发工作
定型阶段：定型是产品在正式投产前的一个重要环节，产品定型阶段 主要任务是准备定型文件（设计图纸、软件清单、机械零部件清单、 电气元器件清单及调试记录），编写技术资料（设计说明书、使用说 明书等），组织产品鉴定等。批准定型投产的产品必须由技术标准、 工艺规程、装配图、零件图、工装图以及其他相关技术资料。
机电一体化系统设计课件
机械传动系统设计
选择合适的传动方式
根据工作需求和条件，选择合适的传 动方式，如齿轮传动、带传动、链传 动等。
确定传动装置的参数
根据机械系统的功率、转速和运动特 性，确定传动装置的参数，如齿轮模 数、带轮直径等。
优化传动装置的结构
在满足功能和可靠性的前提下，优化 传动装置的结构，降低制造成本和维 护成本。
控制系统的基本概念是指通过一定的 控制手段，使被控对象根据设定的目 标进行运作的系统。
控制系统的组成
控制系统的分类
根据不同的分类标准，控制系统可以 分为开环控制系统和闭环控制系统、 连续控制系统和离散控制系统等。
控制系统通常由控制器、受控对象、 执行机构和反馈回路等部分组成。
控制系统设计方法
系统工程方法
考虑传动装置的安装和维修
在设计传动装置时，应考虑其安装和 维修的便利性，以确保机械系统的长 期稳定运行。
机械结构设计
确定机械结构的基本布局 根据机械系统的功能和使用要求 ，确定合理的机械结构基本布局 。
进行结构优化 在满足功能和可靠性的前提下， 对机械结构进行优化，降低制造 成本和维护成本。
设计关键零部件
数控机床的机电一体化设计特点
数控机床的机电一体化设计主要体现在数字化控 制技术的应用上，包括高精度定位、高速切削、 高刚性结构等。
工业机器人的机电一体化设计
工业机器人概述
01
工业机器人是一种自动化生产设备，能够实现高效、精准、快
速的作业。
工业机器人的组成
02
工业机器人由机械臂、控制系统、伺服系统等部分组成，各部
机电一体化的发展历程与趋势
总结词
发展与展望
详细描述
机电一体化技术的发展经历了多个阶段，从最初的简单机械与电气组合，到计算机控制 和可编程逻辑控制器的出现，再到现代的智能制造和物联网技术，其发展历程体现了技 术与工业需求的不断进步。未来，随着人工智能、大数据等新技术的融合，机电一体化
机电一体化系统设计及应用实例
6.3
6.3.1 有轨小车（RGV） 有轨小车（RailGuideVehicle）是一种沿着铁轨行
走的运输工具，有自驱和它驱两种驱动方式。自驱动 有轨小车通过车上的小齿轮和安装在铁轨一侧的齿条 啮合，利用交、直流伺服电动机驱动。它驱式有轨小 车由外部链索牵引，在小车底盘的前、后各装一导向 销，地面上修有一组固定路线的沟槽，导向销嵌入沟 槽内，保证小车行进时沿着沟槽移动。
图6-2 柔性制造单元
图6-3所示是加工棱体零件的柔性制造单元。单元 主机是一台卧式加工中心，刀库容量为70把，采用双 机械手换刀，配有8工位自动交换托盘库。托盘库为环 形转盘，托盘库台面支承在圆柱环形导轨上，由内侧 的环链拖动而回转，链轮由电机驱动。
图6-3 带托盘库的柔性制造单元
6.1.3柔性制造系统(FMS) 柔 性 制 造 系 统 （ FlexibleManufacturingSystem ） 由
图6-1所示为加工曲拐零件的刚性自动线总体布局 图。该自动线年生产曲拐零件17000件，毛坯是球墨铸 铁件。由于工件形状不规则，没有合适的输送基面， 因而采用了随行夹具安装定位，便于工件的输送。
图6-1 (a)正视图；(b)俯视图
该曲拐加工自动线由七台组合机床和一个装卸工 位组成。全线定位夹紧机构由一个泵站集中供油。工 件的输送采用步伐式输送带，输送带用钢丝绳牵引式 传动装置驱动。
6.2 数控机床
6.2.1 一般数控机床通常是指数控车床、数控铣床、数
控镗铣床等，它们的下述特点对其组成自动化制造系 统是非常重要的。
1. 2.自动化程度高 3.加工精度高且质量稳定
4.生产效率较高
5.
6. 现代数控机床一般都具有通信接口，可以实现上层计 算机与数控机床之间的通信，也可以实现几台数控机床之 间的数据通信，同时还可以直接对几台数控机床进行控制。 通信功能是实现DNC、FMC、FMS的必备条件。 图6-10是数控装置的基本组成框图。图6-10中的4为数 控系统，它是数控机床的核心环节。
机电一体化系统设计机电一体化系统设计和分析方法
详细设计
概念设计
产品规划
形态学矩阵 模糊理论 知识方法维
方法维，是设计过程 的各种思维方法、工 作方法和涉及的相关 领域知识
时间维
时间维，描述按时间 排列的设计目标流程；
分 综评 决 析 合价 策
逻辑维
逻辑维，是解决问题的逻 辑步骤，是在设计的工作 流程中的每一个阶段内所 要进行的工作内容和遵循 的思维程序；
统的设计更为合理和完善。
机电产品设计开 发交互过程
新产品想法
机电产品设计和开发的实际过 程是一个交互过程，在概念设 计和细节设计过程中需要不断 地进行验证和修改。
需求
概念设计
细节设计
原型循环
设计
有效性
原型、实验和验证
实现
新产品需求改进
开发
回收
产品
维护
2.3.4机电系统的数学模型举例：
图示为电枢控制式直流电动机的工作原理图。图中电机线圈的电
数学仿真：对实际系统进行抽象，并将其特 性用数学关系加以描述而得到系统的数学 模型，对数学模型进行实验的过程称为数 学仿真。
优点：方便、灵活、经济。缺点：受限于系 统建模技术，即系统数学模型不易建立。
半实物仿真：将数学模型与物理模型甚至实 物联合起来进行实验。
系统仿真时模型所采用的时钟称为仿真时 钟，而实际动态系统的时钟称为实际时钟。 根据仿真时钟与实际时钟的比例关系，仿 真又分为实时、亚实时和超实时仿真三种。
机电一体化系统设计的类型
开发性设计（全新设计）; 适应性设计（原理方案不变，仅对功
能及结构进行重新设计）; 变参数设计（仅改变部分结构尺寸而
形成系列产品）
机电一体化系统设计原则
机电一体化设计要遵循产品的一般设计原则 （在保证产品目的功能、性能和使用寿命的前 提下，尽量降低成本），以计算机为辅助手段， 充分利用现代设计方法，以多功能化，节能化， 高效化满足市场要求。
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机电一体化系统设计
一、概论
1、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进微电子技术，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。
2、对检测传感器的要求：要求检测传感器具有高精度、高灵敏度和高可靠性。
3、检测传感技术的主要难点：提高可靠性、精度和灵敏度。
需要研究的问题有：
①提高各种敏感材料和元件灵敏度及可靠性②改进传感器结构，开发温度与湿度、视觉与触觉同时存在的符合传感器③研究在线检测技术，提高抗干扰能力④研究具有自动诊断与自动补偿功能的传感器。
4、自动控制：自动控制是指在没有人参与的情况下，通过控制装置使被控制的对象或控制过程自动的按照预定的规律运行。
5、系统总体技术：系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统的观点和方法将总体分解成若干功能单元，找出能完成各个功能的技术方案，再把功能与技术方案组合成方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。
6、系统总体技术包括：插件、接口转换、软件开发、微机应用技术、控制系统的成套性和成套设备自动化技术。
7、系统总体技术需要研究的问题：①软件开发与应用技术，包括过程参数应用软件、实时精度补偿软件②研究接插件技术，体改可靠性③通过接口和数据总线标准化④控制系统成套性和成套设备自动化⑤软件的标准化。
8、机电一体化系统由机械系统、信息处理系统、动力系统、传感检测系统、执行元件系统五个系统组成。
9、系统的五种内部功能：即主功能、动力功能、计策功能、控制功能、构造功能。
主功能是实现系统“目的功能”直接必须的功能，主要是对物质、能量、信息及其相互结合进行变换、传递和存储。
动力功能的作用是根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转，实时“目的功能”。
而构造功能则是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须的功能。
10、机电一体化系统设计的考虑方法同城有：几点互补法、融合法和组合法。
11、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。
12、机电一体化系统的设计程序：①明确设计思想②分析、综合总体要求③拟定总体设计方案④决定性能参数⑤调研类似产品⑥划分功能模块⑦方案对比定性
⑧编写总体设计论证书。
13、机电一体化的设计类型------开发性设计：他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满足目的要求的产品。
如最初的录像机、摄影机。
14、机电一体化绿色设计：绿色设计是从并行工程思想发展而出现的一个新概念。
绿色设计就是在新系统的开发阶段，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副作用。
15、机电一体化的发展方向：智能化、模块化、网络化、微型化、系统化、绿色化。
二、机械系统部件的选择与设计
1、平面四杆机构：机架、两个连架杆、连杆。
2、机械传动部件的功能要求：应设计和选择传动隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。
3、齿轮传动间隙的调整方法（圆柱齿轮传动）：偏心套调整法、轴向垫片调整法、双片薄齿轮错齿调整法。
4、蜗形凸轮传动机构：凸轮机架、从动架。
5、导向支承部件的作用：是支承和限制运动不部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。
6、常用的导轨副的种类很多，按其接触面的摩擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨。
7、机电一体化系统对导轨的基本要求是导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好。
8、导轨副的组合形式：双三角形、矩形和矩形组合、三角形和矩形组合、三角形和平面组合、燕尾形导轨及其组合。
9、滚动导轨副的基本要求：导向精度、耐磨性、刚度、工艺性（导轨副要便于装配、调整、测量、防尘、润滑和维修保养）。
三、执行元件的选择与设计
1、执行元件的基本要求：①惯量小、动力大②体积小、重量轻③便于维修、安装④宜于微机控制。
2、用于私服控制的交流电动机主要有：同步型、异步型两种
反馈元件、比较元件、放大元件、执行元件、控制对象。
3、步进电机的特点：步进电机又称脉冲电动机。
他是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。
4、步进电机的种类：可变磁阻型、永磁型、混合型。
5、步进电机的驱动（环形脉冲分配器）：软环分、三相六拍环形脉冲分配器、专用环形分配器器件。
6、开环步进电机控制系统主要由;环形分配器、功率放大器、步进电机、负载。
7、伺服控制系统应具有很好的稳定性、准确性、快速性。
四、微机控制系统的选择及接口设计
1、微型计算机的选择：微机应具有较完善的中断系统、足够的存储容量、完善的输入输出/通道和实时时钟。
2、传感器：是将被检测对象的各种物理变化量变为电信号的一种变换器。
他主要用于检测机电一体化系统自身与作业对象、作业环境的状态，为有效的控制机电一体化系统的动作提供信息。
3传感器的选用原则：首先要根据使用要求在众多传感器中选择适合自己需要的，用户只需根据使用要求按其主要性能参数选用即可。
4、传感器选用的注意事项：①对于具体的传感器应根据实际的需要和可能，在确保其主要性能指标的情况下，适当放宽对次要性能指标的要求，切忌盲目追求各种特性参数均高指标②还可以采取某些技术措施来改善传感器的性能③注意不同系列产品的应用环境、使用条件和维护要求④为保证测量精度，根据使用目的可对环境和使用条件提出一定要求或采取措施。
5、灵敏度：灵敏度就是指传感器在稳态下的输出变化值和输入变化值的比值。
6、知道传感器检测系统（敏感元件、转换元件、基本转换电路）三部分的作用——P 191 图4.62
五、机电一体化系统的元、部件特征分析
1、反馈控制：就是通过适当的检测传感装置将输出量的全部或一部分返回到输出端，是之与输入量进行比较，用其偏差对系统进行控制，反馈控制的目标是使该偏差为零。
六、计算机数字控制程序编制基础简介
1、数控技术是指：用数字化信息发出指令并实现自动控制的技术。
2、数控机床是一种由计算机或专用控制装置的高效自动化机床，是综合应用计算机、自动控制、精密机械设计以及精密测量等技术的典型机电一体化产品。
3、数控机床的特点：高效、高精度、低劳动强度、高度自动化。
数控机床适用于多品种、小批量零件的加工。
4、按道具相对工件移动的轨迹，数控机床可分为点位控制数控起床、点位直线控制数控机床、轮廓控制数控机床。
5、数控机床主要由：输入/输出设备、计算机控制装置、伺服系统、机床本体、检测反馈装置5部分组成。
6、数控机床主要作用是对刀具和工件之间的相对运动进行控制。
七、机电一体化系统机电有机结合的分析与设计
1、设计机电伺服系统时，要了解被控制对象的特点和对系统的具体要求，通过调查研究制定出系统初步设计方案。
该方案包括系统主要元部件的种类、各部件之间的连接方式、系统的控制方式、所需能源形式、系统的控制方式、校正补偿方法以及信号转换的方式。
2、稳态设计包括使系统的输出运动参数达到技术要求、执行元件的参数选择、功率的匹配及过载能力的验算、各主要元部件的选择与控制电路设计、信号的有效传递、各级增益的分配、各级之间阻抗的匹配和抗干扰措施，并为后面动态设计中的校正补偿装置的引入留有余地。
3、机电伺服系统的动态设计包括：选择系统的控制方式和校正形式，设计校正装置，将其有效的连接到稳态设计阶段所设计的系统中去，使补偿后的系统成为稳定系统，并满足各项动态指标要求。
4、柔性制造系统的优点：良好的柔性、设备利用率高、投资小、产品质量高、加工费用低。
5、柔性制造系统由机床、控制系统、物料运送系统、操作人员组成。
九、典型机电一体化系统设计简介
1、自由生产线由：基础设备、运输存储设备、控制系统。
2、工业机器人：是一种能模拟人的手、臂的部分动作，按照预定的程序、轨迹及其他要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置，是典型的机电一体化产品，在实现柔性制造、提高产品质量、代替人在恶劣环境下工作中发挥着重要的作用。
3、工业机器人的技术参数：握取重量、运动速度、自由度、定位精度、程序编制与存储容量。