机电一体化系统设计(第一章)

可 靠 性 复 查
可靠否？
试 制 与 调 试
满意否？
汽车发动机点火系统
结
束
厚 励德 志达 勤理 工
第1.5节 机电一体化系统的评价体系 依据提高机电一体化产品或系统附加价值 的各项综合指标作为评价体系的制定标准， 即五大内部功能要素指标。
系统（产品） 内部功能 系统（产品价值） 评价参数 系统误差 抗干扰能力 废弃物输出 变换效率 输入能量 能 源 可控输入输出接口数 操作动作数 尺寸、重量 强度 精度 灵敏度 高 小 强 少 高 少 内装 多 少 小、轻 高 高 响应快 低 大 弱 多 低 多 外装 少 多 大、重 低 低 响应慢
第1.8节 机电一体化系统的设计程序、准则与规律
厚 励德 志达 勤理 工
1.8.1 设计程序 总体设计→部件设计与选择→技术设计与 工艺设计。 （1）总体设计 明确设计思想和概念—→分析系统（产品） 的综合性能指标要求—→类似产品调研和市场 调研—→划分部件或子系统的功能模块—→决 定系统和部件、子系统的性能参数—→拟定总 体可行性方案（采用不同的设计方法和手段达 到设计目的的多种方案）—→方案评价与对比、 方案定型—→编写总体方案的可行性论证书— →专家评定鉴定—→确定最终总体设计方案。
输入 输出 控制 （信息） 控制 人或其他系统
外部电源 （能源） 图纸信息等
输入 操作 控制 （信息） 人员 CNC程序 监视
机电系统五种内部功能构成
CNC机床内部功能构成
第1.3节 机电一体化系统构成要素 相互联系问题—— 接口技术
厚 励德 志达 勤理 工
接口技术的作用：
为实现机械、电子、信息等各异技术在 机电一体化系统中的物质、能源、信息的 传递与转换，达到系统所需的目的功能。 接口技术的功能：
本 章 小 结
厚 励德 志达 勤理 工
本章节应重点掌握机电一体化系统 设计的内涵、作用、目标以及研究的 主要核心技术问题，机电一体化系统 （产品）的构成要素和功能要素，以 及它们之间的相互联系；机电一体化 系统（产品）的一般设计设计工作流 程；应考虑的方法和设计类型；了解 机电一体化系统（产品）设计的基本 程序、准则与规律；现代设计方法在 机电一体化系统（产品）中的应用。
主功能
动力功能 控制功能 构造功能 计测功能 或信息获取
机电一体化系统（产品）
机电一体化系统（产品）
厚 励德 志达 勤理 工
主 功 能
高性能化 低价格化
计测、控制功能
高可靠性化 智能化 省能化
动 力 功 能
构 造 功 能
轻薄短小化
图1-7 系统内部功能的发展方向及评价内容
第1.6节 机电一体化系统的设计方法与类型
（2）部件（或关键零件）选择与设计
厚 励德 志达 勤理 工
部件主要性能指标确定—→部件选择 与设计—→明确技术手段。 （3）技术设计与工艺性设计
技术设计应充分考虑实现系统（产品） 功能要素的工艺特性、制造手段与能力— —工艺基础；反之，工艺性设计要以满足 实现系统（产品）各功能要素为前提或目 的——保证性能、质量、增加附件价值。
厚 励德 志达 勤理 工
原创性设计
厚 励德 志达 勤理 工
变异性设计
1.1.3 机电一体化技术的发展 历史
厚 励德 志达 勤理 工
（1）基础设计理论、研究方法的形成 （二次世界 大战前）
（2）电子技术的时代（二次世界大战以来）
（3）微电子技术时代 （工业自动化的大量应用） （4）机电一体化技术理论体系的初步形成（智能 化产品或装置的出现） （5）计算机技术与工业控制软件的应用（智能 化—省能源—省资源） （6）工业自动化和产品自动化（智能化— 自动 化—增加附加值） （7） 未来发展方向（高度智能化和 自动化）
厚 励德 志达 勤理 工
1.8.2 机电一体化系统（产品）设计准则 以节省能源、节省资源、智能化，提高系统 的附加值，实现系统目的功能为设计准则，使系 统具有高的可靠性、适应性、完善性为设计目标。
1.8.3 机电一体化系统设计的一般规律 （1）确定零部件之间的逻辑和物理关系 功能划分—→确定逻辑关系—→确定功能结 构—→建立数学或者物理模型—→实现系统方案 设计和技术设计 （2）确定实现系统各功能结构的手段和方法 链状结构（串联）；平行结构（并联）；反馈 闭环结构。
厚 励德 志达 勤理 工
1.6.1 机电一体化系统设计的一般原则 原则：从规范性、通用性、耐环境性、可靠性、 经济性等多方面综合分析，结合现代设计方法 和手段，达到机电一体化系统设计的三大目的 省能源、省资源、智能化，提高机电产品的附 加值和自动化程度。 常用的设计方法：机电互补法 机电结合（融合）法 机电组合法 常见的设计类型：开发性设计 适应性设计 变异性设计
三大目的功能：
厚 励德 志达 勤理 工
——变换功能（加工处理）； ——传递功能（移动、输送）； ——储存功能（保持、积蓄、记录）。 控制方式： ——线性控制方式； ——非线性控制方式； ——智能控制方式。
1.2.2 机电一体化系统具有的主要功能要素
厚 励德 志达 勤理 工
主功能、信息功能、控制功能、动力功能、 构造功能。 以及各子系统的匹配技术（核心）—— 接 口技术。
N
评价与审定
Y
数学、物理模型 分析求解、模拟试验 硬件 结构与功能分析 软件
模块化设计 制造 详细设计 制造/外购 外购 市场调查 制造 详细设计
模块化设计 制造/外购 外购 市场调查
样 机 试 制 总体性能测试 总体性能测试 市场调查 小批量生产
N Y
数学/物理模型修改

Y
技术评价与审定
N
是否修改原构思
N
试销效果是否好
Y
Y
市场调查 市场调查 市场调查 收集用户意见
N
初步方案设计结束
N
Y
收集用户意见
第1.10节 机电一体化系统设计与现代设计方法
厚 励德 志达 勤理 工
现代设计方法：以计算机为辅助手段进行 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。 计算机辅助设计与制造（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
课外作业：
厚 励德 志达 勤理 工
1 题：机电一体化的涵义、目的、特征、 基本组成要素以及分别实现哪些功能。 2 题：工业三大要素指的是什么？机电 一体化设计的目标是哪些？ 3 题：机电一体化的接口功能有哪些？ 根据不同的接口功能试说明接口的种类。 4 题：说明机电一体化系统设计的设计 思想、方法。 5 题：开发性设计、变异性设计、适应 性设计有何异同？
厚 励德 志达 勤理 工
设计内容：
（1）确定产品规格、性能指标
—— 运动参数、动力参数、品质参数。 （2）系统功能部件要素的划分 —— 功能部件选择、设计和与系统主功能 的匹配。
（3）接口设计
—— 机械接口、物理接口、信息接口、环 境接口
（4）综合评价或系统评价
厚 励德 志达 勤理 工
—— 系统性能、结构质量的各种定量指标 和参数，系统的附加价值，满足设计或用户 需求的功能性产品或系统为前提。评价方法 依据产品要求有所不同。
机械技术 （机械学、 机构学） 微电子技术 （半导体 、IC、LSI 、VLSI）
机电一体 化技术
图1.1 机电一体化的涵义
机电一体化技术主要研究方向
厚 励德 志达 勤理 工
·机电一体化产品或系统的原创性研究与设 计——原创性设计。 ·机电一体化产品或系统的机械系统（或部 件）与微电子系统（或部件）相互转换或有 机结合研究与设计——变异性设计。 机电一体化技术研究的主要内容 主要研究“省能源、省资源、智能化” 三大基本要素，形成交叉学科的基础理论知 识，解决机电一体化（技术）设计中的核心 技术问题——接口技术。
机电一体化系统设计
厚 励德 志达 勤理 工
第一章 总 论 张建民 编著 高等教育出版社
讲授：何庆中 机械工程学院
第一章 总 论
厚 励德 志达 勤理 工
第1.1节 概述
1.1.1 机电一体化的内涵 机械学（Mechanics）+ 电子学（Electronics） = 机电一体化 或 机械电子工程（Mechatronics） 1.1.2 机电一体化的定义和主要目的 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 软件有机地结合所构成系统的总称。 主要目的：增加机械系统或装置的附加值和自动化程度。
热、振动 原输入 物质 能源 信息 构 造 功 能 主功能 （变换、传递、储存） 计测功能 动力功能 控制功能 干扰 废弃物输出 新输出 物质 能源 信息 原输入 毛 坯 切削加工 物 质 机 械 结 构 能 （加工机构） 位置检测 电 源 控制器CNC 物 质 热、振动、切屑 新输出 工 件
动力输入 （能源）
第1.9节 机电一体化系统的开发工程
拟定系统目标及初步技术规范
厚 励德 志达 勤理 工
重点研究： ★系统模块化设计； ★功能组件的外购 外协配套与标准化； ★专用功能部件 （子系统）开发和 研制； ★专业化生产方式 的优势和特点； ★设计能达到高效、 高质量、高可靠性 的设计制造效果；
市场调研、需求分析、销售预测 可行性论证、技术经济分析 构思（初步设计）
（5）可靠性复查
（6）试制与调试
—— 样机制造与调试、试验。
（7）最终产品结果评价 —— 是否达到设计或用户要求
设计流程：
厚 励德 志达 勤理 工
开
始
依据系统目的功能确定产品规格及性能指标