01机电一体化技术(讲稿)

12. 下列说法错误的是（ ）。 A.并行工程是把系统（产品）的设计、制造及其相关过程 作为一个有机整体进行综合（并行）协调的一种工作模式。 B.快速响应设计就是利用已有的信息资源和最新的数字化、 网络化工具，用最快的速度进行创新性和变异性的机电一 体化系统（产品）的设计方法。 C.绿色设计就是在新产品（系统）的开发阶段，就考虑其 整个生命周期对环境的影响，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。 D.反求设计就使用现代的技术手段对已有的产品进行分析、 测量，然后快速制造的一种方法。
具有所需特性
系统的目的功能
内部功能

为了完成目的功能， 系统的内部就需要 有若干的、具有各 种功能的部分组成， 每一部分也要具有 需要的功能，成为 内部功能。
干扰
废弃物输出
物质 能量 信息
主功能
变换、传递、存储
物质 能量 信息
构造功能
检测功能 动力功能

主功能


控制功能
动力功能
检测功能 控制功能
1.8 设计程序、准则和规律

1.8.1 设计程序 零件 三阶段法：
总体设计 （部件） 的选择与设计 （初步设计）
技术设计 工艺设计
明确设计思想 调研类似产品
分析综合要求 拟定总体方案
划分功能模块 方案对比定型
决定性能参数 编写总体设计论证书
注意问题




1、以机电互补原则进行功能划分，权衡用机械技术或微 电子技术实现其功能的利弊，明确哪些功能由机械技术来 实现，哪些功能由微电子技术的硬件和软件来实现，以利 于简化机械结构，发挥机电一体化效果； 2、用图表说明功能要求与动作顺序要求； 3、分析产品的通用性与专用性以及批量的要求； 4、重点明确产品的主要特性； 5、分析产品的自动化程度及其适用性； 6、分析环境条件要求； 7、动力源特性分析； 8、光、机、电、液(气)驱动的最佳匹配； 9、可靠性分析； 10、结构尺寸及空间布置分析； 11、特殊功能分析，如低速稳定性、抖动要求、快速响应 性与定位精度要求等。
1、是否有需求 2、可行性 3、组成
1.2 机电一体化系统的构成要素及功能构成
一个较完善的机电一体化系统，应包括以下几个基本要素：
目的功能



1、变换功能——加工、处理 2、传递功能——移动、传递 3、储存功能——保持、积蓄、存贮 控制
物质 能量 信息
工业三大元素
系
统
（变换、传递、存储）
物质 能量 信息
现代设计方法的步骤：
技术预测 市场需求 信息分析 科学类比
系统设计
创新性设计
选择设计方法
设计质量综合评价
相似设计
模拟设计 动态分析设计
有限元设计 优化设计
可靠性设计
计算机辅助设计与并行工程；虚拟设计； 快速响应设计；绿色设计；反求设计……等。
作业

按划分的小组进行讨论： 举例：举出课堂未提及的2种机电一体化产
最优
机电一体化工程 20世纪70年代 小系统、机器 机电一体化概念（系统及 接口概念） 硬件的超精密定位、超精 密加工、优化设计、微机 控制及仿真等 微型计算机 ROBOT（机器人） VRT（录像机） 摄像机
产生年代 对象 基本思想 技术方法
信息处理系统Biblioteka 实例共同点应用计算机、具有实用性、综合性、复合性
省 能 省 资 源 智 能 化
物 质
信 息
机 电 一 体 化 三 大 效 果
1.6 设计的考虑方法及设计类型

1.6.1 考虑方法

1、机电互补法： 2、结合（融合）法： 3、组合法： 1、开发性设计 2、适应性设计 3、变异性设计

1.6.2 设计类型

1.7 机电一体化工程与系统工程
Y
生产设计
小批量生产 分 析 原 因 修 改 设 计
物理、数学模型的建立 分析求解、模拟实验
硬件模块化设计 制造/外购
试销效果 是否好 Y 正常生产 广告宣传 销售 收集用户意见
N
功能与结构分析
外购
制造
制造
详细设计 市场调查 试制样机 详细设计 市场调查
1.10 机电一体化系统设计 与现代设计方法
机电一体化的定义

1984年美国机械工程协会(ASME)的一个 专家组在给美国国家科学基金会的报告中，
才明确地提出现代机械系统的定义为：

由计算机信息网络协调与控制的，用于完
成包括机械力、运动和能量流等动力学任
务的机械或机电部件相互联系的系统。
如何设计机电一体化产品

例：某零件的自动化生产线中，其中的某一 工位需要钻削五个孔，五个孔的位置如图所 示，请设计该工位加工使用的工作台。
1.8.2 设计准则

在保证目的功能要求与适当寿命的前提下 不断降低成本。
设计者
用户的需求
制造厂的制造
1.8.3 设计规律
确定逻辑关系 研究物理关系 确定结构关系 完成全部设计
功能分解 （确定逻辑关系 功能结构）
建立物理模型 （确定物理作用关系）
功能：是元素或子系统的输出满足设计要求。 功能结构有三种：链状结构；平行结构；闭式结构。
执行元件 接口 （机械）
传 感 器
接口 （机械）
运行机构 机械结构 动力源
接口 （物理）
接口 （物理）
1.4 设计流程
必须具备的输出参数： 运动参数： 动力参数： 品质参数： 考虑的指标：
工艺性指标： 人机工程学指标：
美学指标：
标准化指标
1.5 机电一体化系统的评价
内部功能 评价参数 价 高 值 低

机电一体化工程？
要素+技术 机械 产品 机电一 体化系 统（产 品）
系统 （产品） 目的功 能与规 格
机电一体化设计 与制造 机电一体化技术 人员
电子 产品
系统工程与机电一体化系统

系统工程的概念
系统工程 20世纪50年代（美国） 大系统 系统概念 利用软件进行优化、仿真、鉴 定、检查等 大型计算机 阿波罗计划 银行在线系统 日本新干线
品，并说明其为什么能够称为“机电一体
化产品”。

每个小组上交1份报告即可。下次上课上交
。
习题





1.机电一体化系统由五个子系统组成，分别是：机械系统、电子信息处理系 统、 、传感检测系统、 。 2.机电一体化系统内部具备五种内部功能，分别是： 、动力功能、 、 控制功能、构造功能。 3.机电一体化系统的设计归根结底就是接口的设计，根据接口的输入/输出功 能可将接口分成以下四种： 、物理接口、 、环境接口。 4.评价机电一体化系统或产品的基本指标是： 、 、 。在满足基本指标的前提下，还需考虑一些指标： 、 、 、 。 5.说明机电一体化的涵义 。 6.机电一体化系统或产品的设计类型有哪些？简要说明 7.什么是系统工程？ 8.机电一体化总体设计的程序是什么？应注意哪些问题？设计的准则是什么？ 9.机电一体化设计规律是什么？ 10.功能结构的基本形式有哪三种？ 11.机电一体化系统的设计步骤是什么？ 12.现代设计方法有哪些？简要说明
1、零接口
变换和调整
2、无源接口 3、有源接口 4、智能接口 1、机械接口
输入和输出
2、物理接口
3、信息接口 4、环境接口
1.3.2构成要素之间的联系
机 构电 成一 要体 素化 之系 间统 的（ 联产 系品 ）
接口 （信息）
控制器
（MC、PC、CNC）
接口 （智能、信息）
接口 （信息）
传 感 器
接口 （机械）
1.9 系统的开发工程
拟定新产品目标及初步的技术规范 市场调查、需求分析、销售预测 总体性能测试
技术评价与审定
可行性论证、技术经济分析 构思初步设计 否 评价与评审 Y N N
物理、数学模 型是否修改
N
Y 是否在原 构思上改 N 初步方案设计 是否结束 Y 总结经验教训 软件模块化设计 制造/外购 外购
动力的输入 能量
信息
人或其他系统
构造功能
寻找
机电一体化系统构成要素
对应关系
？
人体构成要素
1.3 机电一体化系统构成要素的相互联接
工程系统
自然
人 系统
输 入 接 口
接口 A
接口 B
接口 C
输 出 接 口
自然
人 系统
系统内部与外部接口
机电一体化的系统设计=接口的设计 Interface
1.3.1接口的分类
主功能
系统误差 抗干扰能力 废弃物输出 变换效率
输入能量 能源 控制输入/输出口个数 手动操作 尺寸、重量 强度 精度
小 强 少 高
少 内装 多 少 小、轻 高 高
大 弱 多 低
多 外设 少 多 大、重 低 低
动力功能 控制功能 构造功能 计测功能
评价内容
机电一体化系统 主功能 高附加值化
高性能化 低价格化
计测功能
动力功能 构造功能
高可靠性化
智能化
省能化 轻薄短小化
工业三大要素与机电一体化三大效果
能 量
工 业 三 大 要 素 高效执行元件 高效换能器等 复合材料、塑料 复合纤维、陶瓷 微型机、单片机 VLSI、传感器等
very large scale integrated circuits:vlsi