机电一体化教学(教案)

机电一体化系统中的机械设计要遵循机电结合、机电互补的原则，满足高精度、
快速响应速度和稳定性的要求。具体包括两大部分的内容：一是机械传动装置的设计，
一是机械结构的设计。
机械设计技术
机械传动装置设计
滚珠丝杠传动 无侧隙齿轮传动 谐波齿轮传动 同步齿形带传动 膜片弹性联轴器
机械结构设计
导轨设计 支承装置 主轴组件设计
产品技术开发 目标
可行性论证
产品构思
评价与审定
制造/外购 试制样机
思考题：
模块化设计
软/硬件分配
功能与结构 分析
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总体性能测 试
技术评价
机电一体化产品开发的基本路线
总结经验教 训
第 2 章 机电一体化机械系统设计理论
2.1 概述 2.2 机械传动设计的原则 2.3 机械系统性能分析 2.4 机械系统的运动控制
计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。 这个时期的特点是：
① mechatronics（机电一体化）一词首先在日本被普遍接受，大约到 20 世纪 80 年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；
② 机电一体化技术和产品得到了极大发展； ③ 各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。 3、90 年代后期为第三阶段，“智能化阶段” ① 光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头 脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支。 ② 对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发 展趋势都进行了深入研究。 ③ 由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电 一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的 基础和逐渐形成完整的科学体系。 4、总的发展趋势 ① 性能上，向高精度、高效率、智能化的方向发展，以数控机床为例，控制精度 0.1um，进给速度 100m/min 以上，联动轴数 15 轴以上，界面、通讯等长足发展； ② 功能上，向小型化、轻型化、多功能化方向发展。 ③ 层次上，向系统化、复合集成化方向发展。 有资料总结为六化：（1）智能化（2）模块化（3）网络化 （4）微型化（5）绿色化（6）人性化 1.1.2 机电一体化的基本组成要素
计算机技术包括计算机硬件技术和软件技术、网络与通信技术、数据库技术等。其主
要工具是计算机。
传感器
A/D 计算机
D/A
执行装置
3、自动控制技术 自动控制技术就是通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。自
动控制技术范围很广，包括自动控制理论、控制系统设计、系统仿真、现场调试、可 靠运行等从理论到实践的整个过程。由于被控对象种类繁多，所以控制技术的内容极 其丰富，包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、示教 再现、检索等控制技术。 4、传感与检测技术
1.2.3 机电一体化系统（产品）设计方案的常用方法 在进行机电一体化系统（产品）设计之前，要依据该系统的通用性、可靠性、经
济性和防伪性等要求合理地确定系统的设计方案。拟定设计方案的方法通常有取代法、 整体设计法和组合法。
取代法 整体设计法 组合法
1.2.4 机电一体化系统（产品）设计与工程路线
增速或减速；变速； 改变运动规律或形式
动力机的动力传递给执行 机的驱动力(力矩）
机电一体化系统的传动装置是伺服系统的一部分，通过控制装置，使机械传动部 分与伺服电动机的动态特性相匹配，并且满足传动精度、定位精度高，响应速度快， 速度的稳定性好。 性能要求满足以下几个方面：
1.2 机电一体系统的设计
1.2.1 机电一体化系统的分类 分为开环控制系统和闭环控制系统 电机典型闭环控制系统：
1.2.2 机电一体化系统（产品）开发的类型 机电一体化系统（产品）开发的类型依据该系统与相关产品比较的新颖程度和技
术独创性，可分为以下几种设计类型： 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）
机电一体化一般包含机电一体化技术和机电一体化产品(系统) 两层含义。
1、 机电一体化技术：从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、信息技术、
控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新科学
技术。
2、 机电一体化产品：新型机械与微电子器件，特别是微处理器、微型机相结合
而开发出来的新一代电子代机械产品。
5、控制及信息处理单元：处理、运算、决策，实现控制功能。计算机 PLC A/D D/A 光耦 要求：高可靠性、柔性、智能化
能源部分
信息输入
信息处理与控制
驱动部分
执行元件
机械本体
检测部分
以上这五部分通常称为机电一体化的五大组成要素。在机电一体化系统中的这些 单元和它们内部各环节之间都遵循接口耦合、运动传递、信息控制、能量转换的原则， 称为四大原则。 1、 接口耦合与能量转换：变换、放大、耦合、能量转换 2、 信息控制 3、 运动传递
1.1.3 机电一体化系统的技术组成
1、机械技术
机械技术是机电一体化的基础。机电一体化产品中的主功能和构造功能，往往是
以机械技术为主实现的。特别是关键部件，如导轨、滚珠丝杠、轴承、传动部件等的
材料、精度对机电一体化产品的性能、控制精度等多方向的要求。实现机电一体化产
品的主功能和构造功能，影响系统的结构、重量、体积、刚性、可靠性等。
权威定义： 起源：日本，20 世纪 70 年代； 合 成 词 ： Mecha—tronics 。 它 取 英 语
Mechanics(机械学)的前半部和 Electronics（电子
机械学
电子学
学）的后半部分拼成一个新词； (ASME)由计算机信息网络协调与控
机电一体化
制的用于完成包括机械力、运动和能量流等动力
课程定位 《机电一体化技术与系统》课程是机械工程及自动化专业学生的专业基础必修 课。 是学生经过三年基础课和技术基础课学习之后，带有总结意义的一门综合性设 计课程。 在学生掌握一定的专业基础知识的基础上，以机械设计为主线，综合运用所学 知识，从整体角度掌握机电一体化系统设计的思想、原理、方法和程序。
希望列举法 3、方案评价
对多种构思和多种方案进行筛选，选择较好的可行方案进行组合和概略评价，从 中再选几个方案，按照机电一体化水平系统评价原则和评价方法，进行深入的综合分 析评价，最后确定实施方案。 4、详细设计
根据综合评价后确定的基本方案，从技术上将其细节逐层全部展开，直至完成试 制产品样机所需全部技术图纸及文件的过程。 5、 基本设计和工程路线
解成相互有机联系的若干功能单元，并以功能单元为子系统继续分解，直至找到可实 现的技术方案，然后再将系统各个功能模块有机的结合起来，以实现整体最优。其重 要内容为接口技术。接口包括电气接口、机械接口、人机接口 小结：
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、增强功能、改善操 作性和使用性、提高生产率和降低成本、节约能源和降低消耗、减轻劳动强度和改善 劳动条件、提高安全性和可靠性、简化结构和减轻重量、增强柔性和智能化程度、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。
1、市场调查与预测 市场调查与预测是产品开发成败的关键性的第一步。 市场调查就是运用科学方法，系统地、全面地收集有关市场需求和经销方面的情
况和资料，分析研究产品在供需双方之间进行转移的状况和趋势。 市场预测就是在市场调查的基础上，运用科学方法和手段，根据历史资料和现状，
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计、 测算和判断，为企业提供决策依据。
定性预测：在数据和信息缺乏时，依靠经验和综合分析能力，对未来的发展状况 作出推测和估计，多采用下述调查法。
走访调研、查资料 抽样调查 类比调查 专家调查 通过调查表向专家征询意见。 定量预测：运用相关系数法，对影响预测结果的各种因素进行相关性分析和筛选， 根据主要影响因素和预测对象的数量关系建立数学模型，对市场发展情况作出定量预 测。它多采用下述方法： 时间序列回归法 因果关系回归法 预测目标与影响因素之间存在因果关系； 产品寿命周期法 产品都有一个开发、投产、成长、成熟直至淘汰的过程， 整个过程中所经历的时期称为产品的寿命周期，通常分为投入期、成长期、成熟期和 衰退期。 2、构思比较 机电一体化产品设计应鼓励创新，充分发挥创造力和聪明才智来构思、创造新的 方案。 专家调查法 头脑风暴法 检查提问法 检索查表法 特性列举法 缺点列举法
研究对象：传感器及其信号检测传输装置（即变送器）。检测传感技术是机电一体 化的关键技术，它将所测得的各种参量如位移、位置、速度、加速度、力、温度、酸 度和其他形式的信号等转换为统一规格的电信号输入到信息处理系统中，并由此产生 出相应的控制信号以决定执行机构的运动形式和动作幅度。传感器检测的精度、灵敏 度和可靠性将直接影响到机电一体化的性能。
2.1 概 述
2.1.1 机电一体化对机械系统的基本要求 1. 高精度 2. 快速相应 3. 良好的稳定性
2.1.2 机械系统的组成 1. 传动机构 2. 导向机构 3. 执行机构
2.1.3 机械系统的设计思路 1. 静态设计 2. 动态设计
2.2 机械传动设计的原则
2.2.1 机械传动装置功能及性能要求 功能：传递运动（速度、位移）和动力（力、力矩）
着眼点：如何与机电一体化技术相适应。CAPP（计算机辅助工艺规程编制）、 CAD、
CAM 等
2、计算机与信息处理技术
信息处理技术包括信息的输入、识别、变换、运算、存储及格出技术，它们大都
是依靠计算机来进行的，因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。信息处理技
术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策等，实现信息处理的主要工具是计算机。
1、机械本体：机身、框架、机械联接等产品支持机构，实现构造功能。
要求：可靠、小型、美观 2、动力与驱动：提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能。
要求：效率高、可靠性好 3、传感测试装置：检测产品内部状态和外部环境，实现计测功能。物理量/化学
量电信号 要求：体积小、精度高、抗干扰
4、执行机构：包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成要求的动作，实现 主功能。 要求：高性能、高精度、高效率
学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统。
理解：
信息科学
机电一体化不是机械与电子简单的叠加，而是在信息论、控制论和系统论的
基础上建立起来的应用技术 典型的机电一体化产品(系统)有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、智
能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CAD／CAM 系统等。常用的机电一体化产品：
1.1 概述 1.2 机电一体化系统的设计 1.3 机电一体化系统的发展趋势
美国《技术评论》认为，有十种新兴技术在不远的将来会产生巨大影响：无线传 感器网络；可注入组织工程；纳米太阳能电池；机电一体化技术；分子成像；纳米印 刷刻蚀；软件保证；糖原组学；量子密码术。
1.1 概述
1.1.1 引言
要求：能快速、精确地获得信息并在相应的应用环境中具有高可靠性。
5、伺服驱动技术 研究对象：执行元件及其驱动装置 执行元件种类：电动、液压、气压 驱动装置指各种电动机的驱动电源电路，目前多采用电力电子器件及集成化的 功能电路构成。
6、系统总体技术 系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统工程的观点和方法，将系统总体分
学习方法 1、认真听课 2、参考教材自学 3、网络自学和自测检查 3、认真实验，主动参加自选实验 4、积极参加讨论和完成作业（可以网络提交）
课程的考核办法 理论课：百分制 闭卷考试 70% 平时成绩 30% 平时成绩：课堂效果、作业效果、 网上答疑、实验效果
第 1 章 概论
数控铣床、焊接机器人、汽车防抱死系统(ABS)
发展概况： 1. 20 世纪 60 年代前为第一阶段，“萌芽阶段”
工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结合，以提高机械产品的性 能。但是由于电子技术的发展相对落后，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应 用。 2. 70 年代到 80 年代为第二阶段，“蓬勃发展阶段”