第十五章 机械电子系统总体设计
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Ch15 第十五章 机械电 子系统总体设计
机械工业出版社
1
机械电子系统的构成
测量系统、控制器和执行器都是机械电子系统的 基本组成部分。这些部分要构成完整的机械电子 系统，还需要适当的组合和连接，因此需要有适 当的机构、结构、封装和人机界面。
机构能够实现原动机到执行器的运动转换；
结构件不仅给传感器、微处理器、人机界面提供 了安装、定位的基准，而且给运动转换机构和执 行机构提供运动的参照基准；
质量大 精度取决于机构配合的公差 手工操作，或用机械方式实现自动化
机械电子工程设计方法
系统结构紧凑 机构简单
运动可通过编程控制 驱动马达速度可变
以电子技术实现同步 质量小
精度取决于反馈 自动和可编程控制
4
软齿轮箱（电子齿轮）的实例
机械电子工程的设计思想是如何影响机械设计的， 不妨用一种软齿轮箱为例说明。
11
机构的替代
(b) 电控飞行
在电控飞行(fly-by-wire)这个例子中，飞行员操纵杆与 水平翼、方向舵之间的连接部分被一台微处理器，一 根信号线和一个执行器代替，大的杠杆式操纵杆被装 在飞行员坐椅扶手上的一个小电子装置代替，对力的 放大作用则由机翼上的执行机构完成。
12
机构的综合
由于采用了嵌入式微处理器，有可能进行机构和 功能的综合设计。
例如，一台自动洗衣机由一台单向电机驱动，洗涤和 甩干两种工作需要两种不同的转速，洗涤还需要电机 双向运行，这样就需要一个机构来产生双速双向的运 动。如果采用变速电机和一个控制器，就可以综合变 速和换向两种功能，直接产生双速双向运动而无需换 向机构。
13
机械电子系统中的控制
仍以例子说明几种典型控制方法在机械电子系统 中的应用 ：
8
机构的简化
(b)大型天文望远镜
在大型天文望远镜上，采用了由常速马达驱动的体积庞 大的机构。但如果采用机械电子工程的设计方法，就可 以造出一种由计算机控制的有两个自由度的平衡支撑结 构，它十分紧凑，可以跟踪宇宙空间的任何目标。
9
机构功能的增强
将优良的机械设计与闭环控制相结合，可以提高 运动的速度和精度，增强运动的灵活性。
在传统的设计方法中，利用机械式凸轮和连杆提供必 要的受控运动路径，调整或重新配置路径要更换齿轮、 凸轮或连杆，只有在停机时才有可能进行，而且十分 困难。
软齿轮箱技术利用多个同步转动的伺服电机来模拟齿 轮、凸轮和连杆，所以任何变动都很容易用软件来实 现，从而适应不同的要求。
5
机械电子工程对齿轮传动系统的改进
机构的替代
机构的综合
7
机构的简化
(a) 打字机
传统的打字机一般由一些击键和字头运动的机构、回 车换行机构及进纸机构组成。
加上了电子控制后，打字机的发展经历了菊花轮式打 字机、带有微处理器的点阵打印机、一直到带有微处 理器的激光打印机，这种打印机既可以打印文字又可 以打印高分辨率的彩色图形。
程序控制
机械电子工程设计方法的一个特点就是系统功能可以 用软件方便地重新设定。在某些情况中，这一点可以 通过让用户从一系列预先编好的、已存储在存贮器中 的程序中选择所需程序来实现，也可以从外部给系统 装入新的程序。
自适应控制 分布式系统
14
程序控制实例
(a) 自动制造单元
在本例中，产品的说明 信息存储在中央计算机 里，中央计算机将信息 向下传送到各制造单元， 如数控机床、机器人和 其他有关设备，信息的 通讯是通过局域网或全 厂范围的计算机网络完 成的。
封装、外壳和人-机界面有时难以分割开，它们不 仅要保护系统和操作者的安全，还要提供人机交 互设备的安装，保证良好的工效，此外要还保证 电磁兼容性。
2
15.1 机械电子系统设计概述
工程设计中的机械电子工程方法是一种集体创造 活动，需要参加者的各种经验，设计者应该来自 不同的方面，且应具有跨学科交流的能力和探索 新领域的愿望。
输入轴
输出1
输出2
输出3
t
V
参考转速 编码器 －V
t 电机3
换档
V
V
t
t
电机1
电机2
a)传统的齿轮箱
b) 可编程的同步转动电机系统
6
机械电子工程设计方法的特点
机械电子工程方法能够为传统机械产品的改进和 新型机电产品开发的设计提供新的思路，这里用 以下几方面的例子进行说明
机构的简化
机构功能的增强
3
机械电子工程设计方法的特点
以往在机械系统中引入控制的方法与机械电子工程设 计方法之间有着根本的差别。前者是在已完成设计、 甚至已完成制造的机械系统中附加上测量和控制装置， 而后者为了充分利用微处理器功能，要求对机械系统 进行重新设计。
Hale Waihona Puke Baidu
传统设计方法
系统体积庞大 机构复杂
运动不可调节 驱动马达速度恒定 以机械方法实现同步
10
机构的替代
在某些特定的情况中，机构完全可以省略，而以 微处理器和执行器来代替完成其功能。
(a) 电子钟表
在这个例子中，精密的机械装置可以用一块集成电路 来代替，并带有发光二极管、液晶显示或模拟显示和 控制按钮组成的用户界面。
实际上机械系统已被完全 取代了，这里我们看到的 由机械电子工程方法代替 传统方法是完全彻底的。
工业设计人员与市场销售人员参加设计的作用在于增 强各种不同工程技术领域的结合能力，可以使产品的 封装和用户界面更加优化。有时还需要计算机辅助建 模的支持，以优化、预测系统的性能。
传统的机械产品和系统逐渐以各种方式转变为机械电 子工程的产品和系统，这一转变的主要表现是引入日 益精密复杂的控制。
以一个在两个固定端之间作往复运动的机构为例，在 采用比例控制的闭环控制系统中，执行器零件上所受 的力较小，构件可以造得较轻，从而其惯性也就较小； 而工作在两个固定端之间的执行器零件上所受的力较 大，因此构件也较笨重。
一些早期的机械手就是在两个固定制动端之间往复运 动的，这种机械手有着十分复杂的机构来使它们的抓 取装置沿直线运动。后来的设计是对机器的每一根轴 使用直流伺服驱动电机及谐波减速器，从而对每一根 轴进行可编程的比例转速控制，但是由于这些电机空 间运动的惯性效应十分显著，最近又采用直流力矩电 机，它安装在机器人的底座上，通过同轴的钢管和钢 带驱动各轴。
机械工业出版社
1
机械电子系统的构成
测量系统、控制器和执行器都是机械电子系统的 基本组成部分。这些部分要构成完整的机械电子 系统，还需要适当的组合和连接，因此需要有适 当的机构、结构、封装和人机界面。
机构能够实现原动机到执行器的运动转换；
结构件不仅给传感器、微处理器、人机界面提供 了安装、定位的基准，而且给运动转换机构和执 行机构提供运动的参照基准；
质量大 精度取决于机构配合的公差 手工操作，或用机械方式实现自动化
机械电子工程设计方法
系统结构紧凑 机构简单
运动可通过编程控制 驱动马达速度可变
以电子技术实现同步 质量小
精度取决于反馈 自动和可编程控制
4
软齿轮箱（电子齿轮）的实例
机械电子工程的设计思想是如何影响机械设计的， 不妨用一种软齿轮箱为例说明。
11
机构的替代
(b) 电控飞行
在电控飞行(fly-by-wire)这个例子中，飞行员操纵杆与 水平翼、方向舵之间的连接部分被一台微处理器，一 根信号线和一个执行器代替，大的杠杆式操纵杆被装 在飞行员坐椅扶手上的一个小电子装置代替，对力的 放大作用则由机翼上的执行机构完成。
12
机构的综合
由于采用了嵌入式微处理器，有可能进行机构和 功能的综合设计。
例如，一台自动洗衣机由一台单向电机驱动，洗涤和 甩干两种工作需要两种不同的转速，洗涤还需要电机 双向运行，这样就需要一个机构来产生双速双向的运 动。如果采用变速电机和一个控制器，就可以综合变 速和换向两种功能，直接产生双速双向运动而无需换 向机构。
13
机械电子系统中的控制
仍以例子说明几种典型控制方法在机械电子系统 中的应用 ：
8
机构的简化
(b)大型天文望远镜
在大型天文望远镜上，采用了由常速马达驱动的体积庞 大的机构。但如果采用机械电子工程的设计方法，就可 以造出一种由计算机控制的有两个自由度的平衡支撑结 构，它十分紧凑，可以跟踪宇宙空间的任何目标。
9
机构功能的增强
将优良的机械设计与闭环控制相结合，可以提高 运动的速度和精度，增强运动的灵活性。
在传统的设计方法中，利用机械式凸轮和连杆提供必 要的受控运动路径，调整或重新配置路径要更换齿轮、 凸轮或连杆，只有在停机时才有可能进行，而且十分 困难。
软齿轮箱技术利用多个同步转动的伺服电机来模拟齿 轮、凸轮和连杆，所以任何变动都很容易用软件来实 现，从而适应不同的要求。
5
机械电子工程对齿轮传动系统的改进
机构的替代
机构的综合
7
机构的简化
(a) 打字机
传统的打字机一般由一些击键和字头运动的机构、回 车换行机构及进纸机构组成。
加上了电子控制后，打字机的发展经历了菊花轮式打 字机、带有微处理器的点阵打印机、一直到带有微处 理器的激光打印机，这种打印机既可以打印文字又可 以打印高分辨率的彩色图形。
程序控制
机械电子工程设计方法的一个特点就是系统功能可以 用软件方便地重新设定。在某些情况中，这一点可以 通过让用户从一系列预先编好的、已存储在存贮器中 的程序中选择所需程序来实现，也可以从外部给系统 装入新的程序。
自适应控制 分布式系统
14
程序控制实例
(a) 自动制造单元
在本例中，产品的说明 信息存储在中央计算机 里，中央计算机将信息 向下传送到各制造单元， 如数控机床、机器人和 其他有关设备，信息的 通讯是通过局域网或全 厂范围的计算机网络完 成的。
封装、外壳和人-机界面有时难以分割开，它们不 仅要保护系统和操作者的安全，还要提供人机交 互设备的安装，保证良好的工效，此外要还保证 电磁兼容性。
2
15.1 机械电子系统设计概述
工程设计中的机械电子工程方法是一种集体创造 活动，需要参加者的各种经验，设计者应该来自 不同的方面，且应具有跨学科交流的能力和探索 新领域的愿望。
输入轴
输出1
输出2
输出3
t
V
参考转速 编码器 －V
t 电机3
换档
V
V
t
t
电机1
电机2
a)传统的齿轮箱
b) 可编程的同步转动电机系统
6
机械电子工程设计方法的特点
机械电子工程方法能够为传统机械产品的改进和 新型机电产品开发的设计提供新的思路，这里用 以下几方面的例子进行说明
机构的简化
机构功能的增强
3
机械电子工程设计方法的特点
以往在机械系统中引入控制的方法与机械电子工程设 计方法之间有着根本的差别。前者是在已完成设计、 甚至已完成制造的机械系统中附加上测量和控制装置， 而后者为了充分利用微处理器功能，要求对机械系统 进行重新设计。
Hale Waihona Puke Baidu
传统设计方法
系统体积庞大 机构复杂
运动不可调节 驱动马达速度恒定 以机械方法实现同步
10
机构的替代
在某些特定的情况中，机构完全可以省略，而以 微处理器和执行器来代替完成其功能。
(a) 电子钟表
在这个例子中，精密的机械装置可以用一块集成电路 来代替，并带有发光二极管、液晶显示或模拟显示和 控制按钮组成的用户界面。
实际上机械系统已被完全 取代了，这里我们看到的 由机械电子工程方法代替 传统方法是完全彻底的。
工业设计人员与市场销售人员参加设计的作用在于增 强各种不同工程技术领域的结合能力，可以使产品的 封装和用户界面更加优化。有时还需要计算机辅助建 模的支持，以优化、预测系统的性能。
传统的机械产品和系统逐渐以各种方式转变为机械电 子工程的产品和系统，这一转变的主要表现是引入日 益精密复杂的控制。
以一个在两个固定端之间作往复运动的机构为例，在 采用比例控制的闭环控制系统中，执行器零件上所受 的力较小，构件可以造得较轻，从而其惯性也就较小； 而工作在两个固定端之间的执行器零件上所受的力较 大，因此构件也较笨重。
一些早期的机械手就是在两个固定制动端之间往复运 动的，这种机械手有着十分复杂的机构来使它们的抓 取装置沿直线运动。后来的设计是对机器的每一根轴 使用直流伺服驱动电机及谐波减速器，从而对每一根 轴进行可编程的比例转速控制，但是由于这些电机空 间运动的惯性效应十分显著，最近又采用直流力矩电 机，它安装在机器人的底座上，通过同轴的钢管和钢 带驱动各轴。