第六讲 机电一体化系统设计分析
机电一体化系统设计
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。
机电一体化系统总体设计与实例分析-智能洗衣机
实例运行效果测试与分析
测试目的
对智能洗衣机的各项功能进行测试，验证其性能和可靠性。
测试方法
按照标准操作程序，对洗衣机的各项功能进行测试，记录数据并进行 分析。
测试结果
经过测试，智能洗衣机在各项功能指标上均表现出色，具有高效、稳 定的性能。
结果分析
通过对测试结果的分析，可以得出智能洗衣机在设计和制造过程中充 分考虑了用户需求和使用场景，具有较高的实用性和可靠性。
网络化
通过物联网、云计算等技术， 实现远程监控、故障诊断和协 同作业。
绿色化
注重环保和节能，推广可再生 能源和资源循环利用。
03 智能洗衣机系统设计
智能洗衣机系统概述
智能洗衣机系统是一种集成了机 械、电子、控制和信息技术的自 动化设备，用于完成洗衣、漂洗、
甩干和烘干等任务。
智能洗衣机系统具有自动化、智 能化、高效节能和环保等特点， 能够满足现代家庭和工业生产的
机电一体化系统总体设计与实例分 析-智能洗衣机
目 录
• 引言 • 机电一体化系统概述 • 智能洗衣机系统设计 • 智能洗衣机实例分析 • 结论与展望
01 引言
主题介绍
智能洗衣机
随着科技的发展，智能家电已经成为人们日常生活的重要组成部分。智能洗衣机作为其中的代表，具有自动化、 智能化、高效节能等特点，为人们提供了更加便捷、舒适的洗衣体验。
需要。
智能洗衣机系统的设计需要综合 考虑机械结构、控制系统、人机
交互和可靠性等方面的因素。
智能洗衣机系统硬件设计
电机
传感器
电机是智能洗衣机系统的核心部件，用于 驱动洗衣机的各种运动部件，如波轮、滚 筒等。
传感器用于检测水位、温度、重量等参数 ，并将数据反馈给控制系统，以 结论与展望
机电一体化系统的设计与评估
机电一体化系统的设计与评估1.引言机电一体化系统是将机械、电气和电子技术相结合，形成一个整体的系统。
其设计与评估是保证系统高效运行和性能优化的重要环节。
本文将从设计流程、关键技术和评估方法等方面进行探讨。
2.设计流程机电一体化系统的设计流程包括需求分析、系统设计、电气设计、机械设计和联合调试等环节。
首先，需求分析阶段明确系统的功能和性能要求，确定设计目标。
然后，进行系统设计，包括确定系统的整体框架、模块划分以及传感器、执行器等元件的选型。
接下来，进行电气设计，包括电路设计、控制策略设计和通信设计等。
同时，进行机械设计，包括结构设计、传动设计和配置布局等。
最后，进行联合调试，验证系统的功能和性能是否满足需求。
3.关键技术（1）传感技术：机电一体化系统需要对系统内外的物理量进行测量和控制，传感技术是实现这一功能的关键。
传感器的选型和布局要根据系统的需求进行合理选择，并考虑传感器精度、可靠性和成本等因素。
（2）控制技术：机电一体化系统的控制是对系统各部分进行协调和调整，确保整个系统的稳定运行。
控制方法可以采用传统的PID控制、模糊控制或者现代的自适应控制等。
（3）通信技术：机电一体化系统中的各个模块需要相互通信，实现信息的交互和控制命令的传递。
常见的通信技术包括CAN总线、以太网和无线通信等，根据系统的需求和规模选择合适的通信技术。
（4）集成技术：机电一体化系统的设计要求不同模块之间的紧密集成和协同工作。
集成技术包括硬件集成和软件集成，其中软件集成包括系统架构设计、接口协议设计和数据交换等。
4.评估方法机电一体化系统的评估可从性能评估和可靠性评估两个方面进行。
（1）性能评估：通过实验和数值模拟等手段，对机电一体化系统的性能进行评估。
性能评估指标可以包括系统的响应速度、能耗、精度和稳定性等。
对于不同应用领域的机电一体化系统，可以根据具体要求设计相应的性能评估指标。
（2）可靠性评估：机电一体化系统的可靠性评估主要包括MTBF（平均无故障时间）、MTTR（平均修复时间）和系统冗余设计等。
第六讲 机电一体化系统设计解读
第六讲 机电一体化系统设计方法
3、惯量匹配计算 1）惯量匹配的基本原理 惯量匹配是指机电传动系统负载惯量与伺服电机转子 惯量相匹配。根据牛顿第二定理，机电传动系统所需 的转矩T与转动惯量和角加速度的关系为；
角加速度越小，则从计算机发出指令脉冲到进给系 统执行完毕之间的时间越长，系统反应越慢。 角加速度变化，系统反应忽快忽慢，影响加工精度。
第六讲 机电一体化系统设计方法
一、概述
当伺服系统精度要求较高或负载较大时，应采用闭 环或半闭环控制伺服系统。 当系统精度要求很高时，应采用闭环控制系统。 它将全部机械传动机执行机构都封闭在反馈控制环 内，其误差都可以通过控制系统得到补偿，因而可 以达到很高的精度。但是闭环伺服系统结构复杂， 设计难度大，成本高，尤其机械系统的动态特性难 以提高，系统稳定性难以保证，因而除非精度要求 很高时，一般应采用半闭环控制系统。
第六讲 机电一体化系统设计方法
转动惯量J由伺服电动机转动惯量JM 与机电传动系 统负载惯量JL 两部分组成
负载惯量JL由执行部件以及夹具、工件或刀具、滚 珠丝杠、联轴器等直线和旋转运动件的质量或惯量折 合到电动机轴上的惯量组成。 JL/JM应控制在一定范围内，既不能太大，也不应太 小。这就是伺服系统中电动机转子的转动惯量与负载 惯量匹配原则。
第六讲 机电一体化系统设计方法
第六讲 机电一体化系统设计方法
执行元件的选择
选择执行元件时应考虑电机的转速、转矩、和功 率等参数应与被控对象的需要相匹配，综合考虑 负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠 性以及体积、成本等多方面要求。如冗余量大， 容易成本提高、造成浪费，如果执行元件的参数 偏低，系统将达不到要求。开环伺服系统中一般 情况下应优先选用步进电动机。
《机电一体化系统设计》机电一体化系统设计及分析方法PPT课件
• 1）产品外观和结构布置方案； • 2）产品部件或子系统划分及设计目标 ； • 3）各部件或子系统的接口设计 ； • 4）制定详细设计任务书、验收规范及进
度计划 。
详细设计
• 根据详细设计任务书，对各零部件进行详 细设计，确定各零部件的形状、尺寸、材 料等参数，设计控制软件、设计电子、电 气系统的电路，选用合适的元件，绘制详 细的零件图、装配图等工程图，编写详细 的设计技术资料。详细设计还包括制定产 品制造工艺和质量检验等内容。
• 并行工程是一种以降低产品全生命周期成本， 增强易制造性，缩短上市周期和增强市场竞 争能力为目标的，把产品(系统)的设计、制 造及其相关过程作为一个有机的整体进行综 合（并行）协调的一种模式。并行工程的设 计则强调产品的全生命周期相关部门的技术 人员共同构成设计组，研发设计和生产筹备 有机的结合在一起，有利于换代快、批量不 大的产品开发。
寻常指标：作为常规要求的指标，一般不定 量描述且不出现在优化设计模型中，只需 用常规设计方法进行保证。
• 3、性能指标分配
• 分配的目的是合理限定各子系统对总体性 能指标的影响程度，是系统整体优化的保 障。
• 由于机电系统方案的多样性，各子系统的 形式不同，因此必须逐一列出它们的作用 形式。这些内容包括：相关设计参数、设 计参数受到的特征指标约束、设计参数对 优化指标的影响等三个方面。
• 经济性指标 ：反映用户获得所需功能和性 能的产品需要付出的费用高低；对于生产 者则是完成产品生产制造的成本。对于生 产者和用户都希望在获得相同产品的同时 成本/费用越低越好。对于用户其成本包括 购置和使用费用。
• 安全性指标 ：需要根据产品特点确定，它 既指产品在运行过程中对操作者和周围其 他人员的人身安全的危害程度，又指产品 本身因其它原因受损坏的可能性。
机电一体化系统设计
1、先进制造技术
先进制造技术（AMT－Advanced Manufacturing Technology）先进制造 技术是传统制造技术不断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理 等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、 使用Байду номын сангаас服务的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产， 并取得理想技术经济效果的制造技术的总称。
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
• 1)单推一单推式 • 2)双推一双推式 • 3)双推一简支式 • 4)双推一自由式
1)单推一单推式
• 止推轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧 力。其特点是轴向刚度较高，预拉伸安装时， 预紧力较大，但轴承寿命比双推一双推式低。
2)双推一双推式
• 两端分别安装止推轴承与深沟球轴承的组合，并施加 预紧力，其轴向刚度最高。该方式适合于高刚度、高 转速、高精度的精密丝杠传动系统。但随温度的升高 会使丝杠的预紧力增大，易造成两端支承的预紧力不 对称。
机电一体化系统的设计与实现
机电一体化系统的设计与实现机电一体化系统是指将机械和电子控制系统结合在一起，通过智能化控制实现自动化操作和精确控制的系统。
在现代工业生产中，机电一体化系统已经成为各行各业的重要组成部分。
本文将探讨机电一体化系统的设计与实现，并介绍其在不同领域的应用。
机电一体化系统的设计需要考虑多个方面，包括机械设计、电气设计和控制系统设计。
首先，机械设计要考虑系统的结构和运动方式，以及与其他部件的相互配合。
其次，电气设计要考虑系统的电力供应和电路设计，包括各类传感器和执行器的选型和接线。
最后，控制系统设计是机电一体化系统的关键，要设计出高效稳定的控制算法，并选择适合的控制器和编程平台。
在机电一体化系统的实现过程中，有几个关键的步骤。
首先，需要进行系统的建模与仿真。
通过建立系统的数学模型，可以对系统的性能进行预测和优化。
其次，需要进行硬件设计与制造。
这个步骤包括选型和采购各类机械和电气元件，并进行装配和调试。
然后，需要进行软件开发与编程。
根据系统的需求，设计控制算法并进行编程实现。
最后，需要进行系统的调试与优化。
通过对系统进行运行测试和参数调整，改进系统的稳定性和性能。
机电一体化系统在多个领域都有广泛的应用。
在制造业中，机电一体化系统可以实现产品的自动化生产和质量控制，提高生产效率和降低人力成本。
在能源领域，机电一体化系统可以实现能源的高效转换和利用，提高能源利用率和减少能源浪费。
在农业领域，机电一体化系统可以实现农业机械的智能化管理和作业，提高农业生产效益和减少对自然资源的消耗。
在医疗领域，机电一体化系统可以实现医疗设备的自动化操作和监控，提高医疗服务的质量和效率。
然而，机电一体化系统的设计与实现过程中也存在一些挑战。
首先，不同领域的应用对机电一体化系统的要求不同，需要根据具体需求进行设计和优化。
其次，机电一体化系统的开发成本较高，需要投入大量的资金和人力资源。
此外，机电一体化系统的维护和升级也需要专业的技术支持和培训。
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控制系统设计教学课件
详细描述
机电一体化是一门跨学科的综合性技术，它将机械技术、电子技术、计算机技 术等多项技术进行有机融合，实现各种技术之间的优势互补。其主要特点包括 高效、精确、自动化和智能化。
机电一体化系统的组成
总结词
机电一体化系统的组成
详细描述
机电一体化系统主要由机械本体、动力部分、传感检测装置、执行机构、控制系 统以及信息处理部分等组成。这些组成部分相互协作，共同实现系统的功能。
VS
执行器的工作原理
不同类型的执行器工作原理不同，但基本 原理都是基于能量转换。例如，电动式执 行器通过电能驱动电动机转动，实现控制 动作；气动式执行器通过压缩气体驱动活 塞或气动马达工作，实现控制动作。
传感器与执行器的选择与使用
选择原则
在选择传感器和执行器时，应根据具体的应用需求和条件综合考虑，选择性能稳定、可 靠性强、易于维护的传感器和执行器。同时要考虑其精度、灵敏度、响应速度等参数是
02
控制系统设计基础
控制系统的基本概念
控制系统的定义
控制系统的分类
控制系统是一种通过反馈机制，对被 控对象进行自动调节的系统，以实现 预定的目标或过程。
根据不同的分类标准，如控制方式、 控制结构、控制参数等，可以将控制 系统分为多种类型。
控制系统的基本原理
控制系统基于负反馈原理，通过比较 期望值与实际值之间的偏差，调整系 统输出，以减小偏差。
闭环控制策略
根据系统输出信号的反馈，实时调整控制信 号，以实现精确控制。
模糊控制策略
基于模糊逻辑和模糊集合理论的控制策略， 适用于不确定性和非线性系统的控制。
神经网络控制策略
模拟生物神经网络的自适应学习算法，用于 处理复杂的、非线性的系统控制问题。
机电一体化系统的设计分析
机电一体化系统的设计分析机电一体化系统主要是在机械原有功能的基础上，将微电子技术应用在其中，从而使机械与电子得到有机结合，使机械具备更强大的功能。
机电一体化系统的应用使得机械的控制功能越来越复杂，使得机械的控制难度得到加大，对机械控制系统的要求也日益提高。
将计算机技术应用在机电一体化系统中，可提高机械的控制力度，从而促进机械性能的提升，让机械的操作更便捷和灵活，提高机械操作的效率和质量。
1 机电一体化系统的设计策略1.1 纵向分层设计法纵向分析设计法主要从机电一体化系统的整体来考虑，对机电一体化系统的纵向结构和功能进行系统化设计，从而使机电一体化系统的结构层次更加分明，并且提高结构层次与组织架构的对应性。
当面对不同的操作任务时，可以实现不同任务由不同结构层次负责，使机电一体化系统的结构层次得到充分的利用，体现了机电一体化系统纵向设计的精细化和科学化，实现了机电一体化系统宏观设计和微观设计的有机结合。
当然，宏观设计和微观设计隶属不同的机构层次。
宏观设计具有一定的战略性，主要为了实现机电一体化系统的经济目标和技术目标，主要在结合企业的管理层意见的基础上，再考虑企业高级技术进行完成；微观设计也属于战略性设计，但是其战略性主要体现在具体的设计技术和方案等方面，因此微观设计一般由技术部门独立完成。
1.2 横向分块设计法在应用机电一体化系统横向分块设计法时，主要包括以下方式：①替代法。
替代法主要是将机械中的复杂部件进行替换，将电子元件取代原有机械部件的位置，从而完善机械的功能，使机电一体化系统更加的优化。
例如，在对齿轮调速系统进行调整时，可利用伺服机电来弥补齿轮调速系统的不足，扩大调速范围和调速精度，从而使扭矩发生转变，让机电一体化系统的机构更加简洁，使机电一体化系统制造的周期得到缩减。
值得注意的是，在进行电子原件的替换时，必须严格遵守摩尔定律，从而在确保机电一体化系统性能的基础上，减低生产的投入。
而且随着科学技术水平的提高，电子原件替代法也将成为机电一体化系统设计的趋势之一；②融合法。
机电一体化系统设计机电一体化系统设计和分析方法
1）产品外观和结构布置方案； 2）产品部件或子系统划分及设计目标 ； 3）各部件或子系统的接口设计 ； 4）制定详细设计任务书、验收规范及进
度计划 。
详细设计
根据详细设计任务书，对各零部件进行详 细设计，确定各零部件的形状、尺寸、材 料等参数，设计控制软件、设计电子、电 气系统的电路，选用合适的元件，绘制详 细的零件图、装配图等工程图，编写详细 的设计技术资料。详细设计还包括制定产 品制造工艺和质量检验等内容。
技术可行性分析
•根据产品的成本分析和技术风险分析，对 产品的技术规格、性能指标和市场定位等 参数提出修改建议，确定产品是否立项。
•产品立项应给出生产设计要求表，表中所 列要求分为特征指标、优化指标和寻常指 标，即包括新产品的功能要求、技术规格、 性能指标、成本控制目标等。
概念设计阶段
输入的是产品规划的结果—设计要求表， 输出总体方案。机电一体化系统总体方 案包括产品外观和结构布置方案、产品 部件或子系统划分及设计目标、各部件 或子系统的接口设计等三个方面，并给 出详细设计任务书、验收规范及进度计 划。
市场预测：产品的前期调研工作。调研内容 可分为三个方面：面向用户的产品市场调 研 ；面向产品设计的技术调研 ；面向产品 生命周期的社会环境调研。
技术可行性分析
内容包括 ：
1）关键技术和技术路线； 2）可选技术方案 ； 3）主要性能指标及技术规格的可行性 ； 4）主要技术风险 ； 5）成本分析 ； 6）结论及产品建议 。
第2章 机电一体化系统设计和分析方法
2.1 机电一体化系统设计概述 2.2 性能指标及分配方法 2.3 机电一体化系统的建模和仿真 2.4 系统的分析方法 2.5 知识扩展
机电一体化设计是一个自上而下的过程， 系统的功能和性能指标在各子系统中的合 理分配是机电系统集成的基础；
机电一体化系统的设计与控制
机电一体化系统的设计与控制引言机电一体化系统是指将机械与电气控制系统相结合，实现工业控制与自动化的一种综合应用技术。
在现代制造业中，机电一体化系统已经得到广泛应用，它不仅可以提高生产效率和产品质量，还可以降低生产成本和人工投入。
本文将重点探讨机电一体化系统的设计与控制方法。
一、机电一体化系统的设计原理1.1 机电一体化系统的概念机电一体化系统是将机械设备与电气控制系统紧密结合，通过传感器、执行器、控制器等元件的相互配合和协同工作，实现自动化控制和监测。
其设计原理主要包括机械结构设计、电气控制设计和系统集成设计。
1.2 机械结构设计机械结构设计是机电一体化系统设计的基础，它涉及到机械元件的选择、布局设计和传动系统等方面。
在机械结构设计中，需要考虑到设计的可靠性、稳定性和功能性，并进行相关的力学和动力学分析，以保证系统的正常运行和性能优化。
1.3 电气控制设计电气控制设计是机电一体化系统设计中非常重要的一环，它包括电气元件的选型、电气线路的布置以及编程控制等方面。
在电气控制设计中，需要充分考虑到系统的安全性、稳定性和可靠性，并进行相关的电气参数计算和控制逻辑设计，以实现对机械系统的精确控制。
1.4 系统集成设计系统集成设计是将机械结构设计和电气控制设计有机地结合在一起，形成完整的机电一体化系统。
在系统集成设计中，需要考虑到机械部分与电气部分之间的相互连接和协调，确保系统各个部分之间能够有效地协同工作。
二、机电一体化系统的控制方法2.1 传统控制方法传统控制方法是指基于PID控制器的控制方式，通过对机械系统的位置、速度和加速度等参数进行反馈控制，实现对机械系统的闭环控制。
传统控制方法简单、稳定性好，适用于一些简单的机械系统，但对于复杂的机电一体化系统来说，传统控制方法往往无法满足其复杂性和高精度的控制要求。
2.2 智能控制方法智能控制方法是指基于人工智能和专家系统的控制方式，通过对机械系统的学习和自适应调整，实现对机械系统的智能化控制。
7.2 机电一体化系统总体设计的分析
7.2机电一体化系统总体设计的分析7.2.1机电一体化系统设计分析的意义机电一体化系统（产品）的设计过程是机电参数相互匹配，即机电有机结合的过程。
机电伺服系统是最典型的机电一体化系统。
现以机电伺服系统为例，说明机电一体化系统设计的一般考虑方法。
伺服系统中的位置伺服控制系统和速度伺服控制系统的共同点是通过系统执行元件直接驱动或经过传动系统驱动被控对象，从而完成所需要的机械运动。
因此，工程上是围绕机械运动的规律和运动参数对它们提出技术要求的。
在进行机电伺服系统设计时，首先要了解被控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的设计方案。
该方案通常只是一个初步的轮廓，包括系统主要零部件和元器件的种类、各部分之间的连接方式、系统的控制方式、所需能源形式、校正补偿方法以及信号转换的方式等。
有了初步设计方案就要进行定量的分析计算，分析计算包括稳态设计计算和动态设计计算。
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（如电动机）的参数选择、功率（或转矩）的匹配及过载能力的验算、各主要元器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等，并为后面动态设计中校正装置的引入留有余地。
通过稳态设计，系统的主回路各部分特性、参数已初步确定，便可着手建立系统的数学模型，为系统的动态设计做好准备。
动态设计主要是设计校正补偿装置，使系统满足动态技术指标要求；通常要进行计算机仿真，或借助计算机进行辅助设计。
通过上述理论设计计算，完成的还仅仅是一个较详细的设计方案，这种工程设计计算一般是近似的，只能作为工程实践的基础。
系统的实际路线及其实际参数，往往要通过样机的试验与调试，才能最后确定下来。
这并不等于以上设计计算时多余的，因经过设计计算后确定的方案，考虑了机电参数的有机结合与匹配，这对工程实践是必须的，有利于减少盲目性和加快样机的调试与电路参数的确定。
7.2.2机电一体化系统的稳态设计分析1.负载分析位置控制系统和和速度控制系统的被控对象作机械运动时，该被控对象就是系统的负载，它与系统执行元件的机械传动联系有多种样式。
机电一体化系统设计PPT
四、系统论、控制论和信息论的相互关系 系统论、
信息论研究的是如何认识信息和度量信息。 而系统论和控制论是研究如何利用信息，系统 论是利用信息来实现系统最优化，控制论是利 用信息来实现系统的有目的最佳控制。
1.5.2 关键技术（技术构成） 关键技术（技术构成）
1、机械技术 、
数控机床、机器人、自动生产设备 生产用机电一体化产品和系统 柔性生产单元、自动组合生产单元 FMS、无人化工厂、CIMS 微机控制汽车、机车等交通运输工具 运输、包装及工程用机电一体化产品 数控包装机械及系统 数控运输机械及工程机械设备 自动仓库 储存、销售用机电一体化产品 自动空调与制冷系统及设备 自动称量、分选、销售及现金处理系统 自动化办公设备 社会服务性机电一体化产品 动力、医疗、环保及公共服务自动化设备 文教、体育、娱乐用机电一体化产品 微机或数控型耐用消费品 家庭用机电一体化产品 炊事自动化机械 家庭用信息、服务设备 测试设备 科研及过程控制用机电一体化产品 控制设备 信息处理系统 农、林、牧、渔及其它民用机电一体化产品 航空、航天、国防用武器装备等机电一体化产品
机电一体化技术只是将计算机作为核心部件应用，目 的是提高和改善系统性能。计算机在机电一体化系统中 的应用仅仅是计算机应用技术的一部分，它还可以在办 公、管理及图像处理等方面得到广泛应用。机电一体化 技术研究的是机电一体化系统，而不是计算机应用本身。
1.2 机电一体化系统的基本组成
1.2.1 机电一体化系统的功能组成
D、节约能源
• 机电一体化的产品 ， 可以节约材料、 节约 机电一体化的产品， 可以节约材料 、
能源。 能源。例如： • 我国目前各类电风扇的调整器为电磁机械 式 ， 如果用电子式调整器每年全国可节约 电600万度； 600万度； • 汽油机电子点火； • 液压挖掘机电子节能。
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
第6章 机电一体化技术系统设计
第六章 机电一体化系统设计
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设计过程包括以下活动：功能建模、行为建模、结 构建模及评价和决策。
功能建模 确定某个抽象层次的功能，分解功能， 建立功能结构图和功能结构。 行为建模 寻找实现功能的物理效应、化学效应或 生物效应，构思实现功能的行为，即进行功能→行 为的映射。 结构建模 指定能产生所要求行为、完成预定功能 的系统结构，即进行行为→结构的映射。 评价和决策 测试和评价设计方案，检验功能域、 行为域和结构域上变量的一致性、完备性，决定是 接收、改进或是放弃该设计方案，并决定是继续进 行概念设计循环还是返回到需求分析或进入详细设 计。
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第六章 机电一体化系统设计
目录
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6
概 述 机电系统的产品规划 机电系统的概念设计 机电系统的造型与环境设计 机电系统的评价与决策 机电系统的现代设计方法
第六章 机电一体化系统设计
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6.1 概 述
一、 机电一体统设化 系计流程
主要设计过程分为 五个阶段：产品规 划、概念设计、详 细设计、设计实施 和设计定型阶段。
第六章 机电一体化系统设计
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能量流、物料流和信息流：机电一体化系统与其它 系统一样，都存在着能量流、物料流和信息流的传 递与变换。
第六章 机电一体化系统设计
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能量流是机电一体化系统中存在于能量变换与传递 的整个过程中，系统完成特定工作过程所需的能量 形态变化和实现动作过程所需的动力。 物料流是机电一体化系统完成特定工作过程中工作 的对象和载体，物料的形式有固体、液体和气体。
第六章 机电一体化系统设计
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第六讲 机电一体化系统设计方法
步进电机与丝杠螺母间的运动传递可能有多种形式：
采用齿轮传动时，但应采取措施消除其传动间隙。ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第六讲 机电一体化系统设计方法
执行机构方案的选择
执行机构是伺服系统中的被控对象，是进行实际操 作的机构，应根据具体操作对象及其持点来选择和 设汁。执行机构方案的选择主要是指导向机构的选 择。主要有滑动和滚动两大类，在伺服系统中应用 较多的是塑料贴面滑动导轨和滚动导轨。
第六讲 机电一体化系统设计方法
3、惯量匹配计算 1）惯量匹配的基本原理 惯量匹配是指机电传动系统负载惯量与伺服电机转子 惯量相匹配。根据牛顿第二定理，机电传动系统所需
的转矩T与转动惯量和角加速度的关系为；
角加速度越小，则从计算机发出指令脉冲到进给系 统执行完毕之间的时间越长，系统反应越慢。 角加速度变化，系统反应忽快忽慢，影响加工精度。
第六讲 机电一体化系统设计方法
第六讲 机电一体化系统设计方法
控制系统方案的选择
包括微机、步进电机控制方式、驱动电路、接口电 路等的选择和设计
常用的微型机有单板机、单片机、工业控制微型机 等，其中单片机由于在体积、成本、可靠件和控制 指令功能等许多方面的优越性，在伺服系统的控制 中得到了非常广泛的应用。
第六讲 机电一体化系统设计方法
如果比值太大，则伺服系统的动态特性主要取决于负载特性 ，负载质量、刚度、阻尼等的变化，将导致系统动态待性的 较大变化，影响系统的稳定。 如果该比值太小，说明电动机选择或传动系统设计不太合理 ，经济性较差。
第六讲 机电一体化系统设计方法
传动机构方案的选择
传动机构实质上是执行元件和执行机构之间的一个机 械接口，用于对运动和力进行变换和传递，伺服系统 中执行元件以输出转速和转矩为主，而执行机构多为 直线运动或旋转运动，将旋转运动转换为直线运动的 传动机构有：
第六讲 机电一体化系统设计方法
齿轮齿条传动可获得较大的传动比和较高的传动效 率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿条制 造困难，且为消除传动间隙而结构复杂。滚珠丝杠 传动结构简单、制造容易而应用广泛，丝杠螺母副 已成为伺服系统中的首选传动机构。
进电机的步距角α 及丝杠导程Ph。传动比的确定既要
使减速比达到最佳匹配，同时又要满足脉冲当量与步 距角之间的关系。
第六讲 机电一体化系统设计方法
2）各级传动比的确定 传动比的分配有三个原则：
1 2）质量最小原则 3）输出轴转角误差最小原则：
在总传动比确定的情况下，通常按最小负载惯量原则 来分配齿轮副的传动比，即按该原则设计的齿轮系统， 折算到电动机轴上的负载惯量最小。 如算出的传动比较小，可采用同步带或一级齿轮传动， 否则应采用多级齿轮传动。齿轮传动级数增加时，使 齿隙和静摩擦增加，传动效率降低而且结构复杂。
第六讲 机电一体化系统设计方法
目前大多数数控机床和工业机器人的伺服系统都采 用半闭环系统。
从控制原理上讲，闭环和半闭环控制原理是一样的 ，都要对系统输出进行实时监测和反馈，并根据偏 差对系统实施控制。两者的区别仅区别在于传感器 检测信号位置不同，因而导致设计、制造的难易程 度不同及工作性能的不同，但两者的设计及分析方 法是基本一致的。
第六讲 机电一体化系统设计方法
1、确定脉冲当量，初选步进电机
根据系统精度要求确定，对于开环伺服系统，一般
取 =0.001-0.01mm/pulse。取得太大，无法满足系
统精度要求；取得太小，或者机械系统难以实现， 或者对其精度和动态性能要求过高，经济性降低。
第六讲 机电一体化系统设计方法
2、齿轮传动计算 1）总传动比的确定 在开环系统中，步进电动机至丝杠间设有齿轮副传动 装置，其传动比i的大小决定于系统的脉冲当量δ 、步
第六讲 机电一体化系统设计方法
系统方案确定之后，应进行机械系统的设计计算， 其内容包括执行元件参数及规格的确定、系统结构 的具体设计、系统惯量、刚度等参数的计算，功率 的匹配及过载能力的验算等。
第六讲 机电一体化系统设计方法
三、开环伺服机械系统设计计算
开环控制系统设计的主要内容包括计算机硬件电路、 接口电路、步进电机驱动电路、控制算法、及相应控 制软件的具体工程设计。 设计时，先根据运动精度选定脉冲当量δ，再根据负 载确定步进电机的参数α，并选定丝杠的型号、导程 等参数，计算传动比，最后设计传动齿轮的各参数等。
第六讲 机电一体化系统设计方法
第六讲 机电一体化系统设计方法
执行元件的选择
选择执行元件时应考虑电机的转速、转矩、和功 率等参数应与被控对象的需要相匹配，综合考虑 负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠 性以及体积、成本等多方面要求。如冗余量大， 容易成本提高、造成浪费，如果执行元件的参数 偏低，系统将达不到要求。开环伺服系统中一般 情况下应优先选用步进电动机。
第六讲 机电一体化系统设计方法
第六讲 机电一体化系统设计方法
当伺服系统的负载不大、精度要求不高时，可采用开 环控制。一般来讲，设计时应主要考虑满足精度方面 的要求，并通过合理的结构参数设计，使系统共有良 好的动态响应性能。
二、系统方案确定（开环系统） 在机电一体化产品中，典型的开环控制位置伺服系统 是简易数控机床的伺服进给系统及数控x、y工作台等。 其结构原理如图所示：
第六讲 机电一体化系统设计方法
一、概述
当伺服系统精度要求较高或负载较大时，应采用闭 环或半闭环控制伺服系统。 当系统精度要求很高时，应采用闭环控制系统。 它将全部机械传动机执行机构都封闭在反馈控制环 内，其误差都可以通过控制系统得到补偿，因而可 以达到很高的精度。但是闭环伺服系统结构复杂， 设计难度大，成本高，尤其机械系统的动态特性难 以提高，系统稳定性难以保证，因而除非精度要求 很高时，一般应采用半闭环控制系统。
第六讲 机电一体化系统设计方法
转动惯量J由伺服电动机转动惯量JM 与机电传动系 统负载惯量JL 两部分组成
负载惯量JL由执行部件以及夹具、工件或刀具、滚
珠丝杠、联轴器等直线和旋转运动件的质量或惯量折 合到电动机轴上的惯量组成。
JL/JM应控制在一定范围内，既不能太大，也不应太
小。这就是伺服系统中电动机转子的转动惯量与负载 惯量匹配原则。