《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一章總

論張建民

編著高等教育出版社講授：何慶中機(jī)

電

工

程

系德達(dá)理勵(lì)志勤工第一章

總

論第1.1節(jié)

概述機(jī)電一體化的內(nèi)涵機(jī)械學(xué)（Mechanics）+電子學(xué)（Electronics）=機(jī)電一體化或機(jī)械電子工程（Mechatronics）機(jī)電一體化的定義和主要目的定義：在機(jī)械的主功能、動(dòng)力功能、信息功能、控制功能基礎(chǔ)上引入微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)地結(jié)合所構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。主要目的：增加機(jī)械系統(tǒng)或裝置的附加值和自動(dòng)化程度。圖1.1機(jī)電一體化的涵義德達(dá)理勵(lì)志勤工機(jī)電一體化技術(shù)主要研究方向機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)的原創(chuàng)性研究與設(shè)計(jì)——原創(chuàng)性設(shè)計(jì)。機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)（或部件）與微電子系統(tǒng)（或部件）相互轉(zhuǎn)換或有機(jī)結(jié)合研究與設(shè)計(jì)——變異性設(shè)計(jì)。機(jī)電一體化技術(shù)研究的主要內(nèi)容主要研究“省能源、省資源、智能化”三大基本要素，形成交叉學(xué)科的基礎(chǔ)理論知識(shí)，解決機(jī)電一體化（技術(shù)）設(shè)計(jì)中的核心技術(shù)問題——接口技術(shù)。德達(dá)理勵(lì)志勤工原創(chuàng)性設(shè)計(jì)德達(dá)理勵(lì)志勤工變異性設(shè)計(jì)德達(dá)理勵(lì)志勤工1.1.3機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展歷史基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論、研究方法的形成（二次世界大戰(zhàn)前）電子技術(shù)的時(shí)代（二次世界大戰(zhàn)以來）微電子技術(shù)時(shí)代（工業(yè)自動(dòng)化的大量應(yīng)用）機(jī)電一體化技術(shù)理論體系的初步形成（智能化產(chǎn)品或裝置的出現(xiàn)）計(jì)算機(jī)技術(shù)與工業(yè)控制軟件的應(yīng)用（智能化—省能源—省資源）工業(yè)自動(dòng)化和產(chǎn)品自動(dòng)化（智能化—自動(dòng)化—增加附加值）未來發(fā)展方向（高度智能化和自動(dòng)化）德達(dá)理勵(lì)志勤工第1.2節(jié)機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成要素與功能構(gòu)成1.2.1機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成要素與功能特征五大功能構(gòu)成要素：機(jī)械系統(tǒng)、電子信息處理系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、執(zhí)行控制系統(tǒng)（元件）組成及其定義與作用。德達(dá)理勵(lì)志勤工重要功能特征：以能源轉(zhuǎn)換為主功能特征。以信息轉(zhuǎn)換為主功能特征。德達(dá)理勵(lì)志勤工三大目的功能：——變換功能（加工處理）；——傳遞功能（移動(dòng)、輸送）；——儲(chǔ)存功能（保持、積蓄、記錄）?？刂品绞剑骸€性控制方式；——非線性控制方式；——智能控制方式。德達(dá)理勵(lì)志勤工1.2.2機(jī)電一體化系統(tǒng)具有的主要功能要素主功能、信息功能、控制功能、動(dòng)力功能、構(gòu)造功能。以及各子系統(tǒng)的匹配技術(shù)（核心）——

接口技術(shù)。德達(dá)理勵(lì)志勤工機(jī)電系統(tǒng)五種內(nèi)部功能構(gòu)成CNC機(jī)床內(nèi)部功能構(gòu)成接口技術(shù)的作用：為實(shí)現(xiàn)機(jī)械、電子、信息等各異技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的物質(zhì)、能源、信息的傳遞與轉(zhuǎn)換，達(dá)到系統(tǒng)所需的目的功能。接口技術(shù)的功能：系統(tǒng)輸入/輸出接口信息的匹配。系統(tǒng)信息的轉(zhuǎn)換、調(diào)整，能源信息匹配。第1.3節(jié)機(jī)電一體化系統(tǒng)構(gòu)成要素相互聯(lián)系問題——接口技術(shù)德達(dá)理勵(lì)志勤工接口技術(shù)的分類：德達(dá)理勵(lì)志勤工··按按變變換換調(diào)調(diào)整整功功能能分分類類：：零零接接口口，，無無源

源接源接口接，口，口有，有，有源有接源接源接口接口，口，智，智能智能接能口接口?？?。。··按按輸輸入入輸輸出出功功能能分分類類：：機(jī)機(jī)械械接接口口、、物

物理物理接理接口接、口、口信、信、息信息接息接口接口、口、環(huán)、環(huán)境環(huán)境接境接口接口。口。。實(shí)實(shí)際際上上，，機(jī)機(jī)電電一一體體化化技技術(shù)術(shù)研研究究的的核核心心問問

題就是接口技術(shù)問題。第1.4節(jié)

機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程設(shè)計(jì)內(nèi)容：確定產(chǎn)品規(guī)格、性能指標(biāo)——運(yùn)動(dòng)參數(shù)、動(dòng)力參數(shù)、品質(zhì)參數(shù)。系統(tǒng)功能部件要素的劃分——功能部件選擇、設(shè)計(jì)和與系統(tǒng)主功能的匹配。接口設(shè)計(jì)——機(jī)械接口、物理接口、信息接口、環(huán)境接口德達(dá)理勵(lì)志勤工（4）綜合評(píng)價(jià)或系統(tǒng)評(píng)價(jià)——系統(tǒng)性能、結(jié)構(gòu)質(zhì)量的各種定量指標(biāo)和參數(shù)，系統(tǒng)的附加價(jià)值，滿足設(shè)計(jì)或用戶

需求的功能性產(chǎn)品或系統(tǒng)為前提。評(píng)價(jià)方法依據(jù)產(chǎn)品要求有所不同?？煽啃詮?fù)查試制與調(diào)試——樣機(jī)制造與調(diào)試、試驗(yàn)。最終產(chǎn)品結(jié)果評(píng)價(jià)——是否達(dá)到設(shè)計(jì)或用戶要求德達(dá)理勵(lì)志勤工設(shè)計(jì)流程：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)德達(dá)理勵(lì)志勤工第1.5節(jié)

機(jī)電一體化系統(tǒng)的評(píng)價(jià)體系系統(tǒng)（產(chǎn)品）內(nèi)部功能評(píng)價(jià)參數(shù)系統(tǒng)（產(chǎn)品價(jià)值）高低主功能系統(tǒng)誤差抗干擾能力廢棄物輸出變換效率小強(qiáng)少高大弱多低動(dòng)力功能輸入能量能

源少內(nèi)裝多外裝控制功能可控輸入輸出接口數(shù)操作動(dòng)作數(shù)多少少多構(gòu)造功能尺寸、重量強(qiáng)度小、輕高大、重低計(jì)測功能或信息獲取精度靈敏度高響應(yīng)快低響應(yīng)慢依據(jù)提高機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)附加價(jià)值的各項(xiàng)綜合指標(biāo)作為評(píng)價(jià)體系的制定標(biāo)準(zhǔn)，即五大內(nèi)部功能要素指標(biāo)。德達(dá)理勵(lì)志勤工圖1-7系統(tǒng)內(nèi)部功能的發(fā)展方向及評(píng)價(jià)內(nèi)容德達(dá)理勵(lì)志勤工第1.6節(jié)

機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與類型1.6.1機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則原則：從規(guī)范性、通用性、耐環(huán)境性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等多方面綜合分析，結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和手段，達(dá)到機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三大目的省能源、省資源、智能化，提高機(jī)電產(chǎn)品的附加值和自動(dòng)化程度。常用的設(shè)計(jì)方法：機(jī)電互補(bǔ)法機(jī)電結(jié)合（融合）法機(jī)電組合法常見的設(shè)計(jì)類型：開發(fā)性設(shè)計(jì)適應(yīng)性設(shè)計(jì)變異性設(shè)計(jì)德達(dá)理勵(lì)志勤工第1.8節(jié)機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)程序、準(zhǔn)則與規(guī)律1.8.1設(shè)計(jì)程序總體設(shè)計(jì)→部件設(shè)計(jì)與選擇→技術(shù)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)。（1）總體設(shè)計(jì)明確設(shè)計(jì)思想和概念—→分析系統(tǒng)（產(chǎn)品）的綜合性能指標(biāo)要求—→類似產(chǎn)品調(diào)研和市場調(diào)研—→劃分部件或子系統(tǒng)的功能模塊—→決定系統(tǒng)和部件、子系統(tǒng)的性能參數(shù)—→擬定總體可行性方案（采用不同的設(shè)計(jì)方法和手段達(dá)到設(shè)計(jì)目的的多種方案）—→方案評(píng)價(jià)與對(duì)比方案定型—→編寫總體方案的可行性論證書—→專家評(píng)定鑒定—→確定最終總體設(shè)計(jì)方案。德達(dá)理勵(lì)志勤工（2）部件（或關(guān)鍵零件）選擇與設(shè)計(jì)部件主要性能指標(biāo)確定—→部件選擇與設(shè)計(jì)—→明確技術(shù)手段。（3）技術(shù)設(shè)計(jì)與工藝性設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)（產(chǎn)品）功能要素的工藝特性、制造手段與能力——工藝基礎(chǔ)；反之，工藝性設(shè)計(jì)要以滿足實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)（產(chǎn)品）各功能要素為前提或目的——保證性能、質(zhì)量、增加附件價(jià)值。德達(dá)理勵(lì)志勤工1.8.2機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以節(jié)省能源、節(jié)省資源、智能化，提高系統(tǒng)

的附加值，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目的功能為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，使系

統(tǒng)具有高的可靠性、適應(yīng)性、完善性為設(shè)計(jì)目標(biāo)。德達(dá)理勵(lì)志勤工1.8.3機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般規(guī)律確定零部件之間的邏輯和物理關(guān)系功能劃分—→確定邏輯關(guān)系—→確定功能結(jié)構(gòu)—→建立數(shù)學(xué)或者物理模型—→實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和技術(shù)設(shè)計(jì)確定實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各功能結(jié)構(gòu)的手段和方法鏈狀結(jié)構(gòu)（串聯(lián)）；平行結(jié)構(gòu)（并聯(lián)）；反饋閉環(huán)結(jié)構(gòu)。第1.9節(jié)

機(jī)電一體化系統(tǒng)的開發(fā)工程重點(diǎn)研究：★系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)；★功能組件的外購?fù)鈪f(xié)配套與標(biāo)準(zhǔn)化；★專用功能部件（子系統(tǒng)）開發(fā)和研制；★專業(yè)化生產(chǎn)方式的優(yōu)勢和特點(diǎn)；★設(shè)計(jì)能達(dá)到高效、高質(zhì)量、高可靠性的設(shè)計(jì)制造效果；德達(dá)理勵(lì)志勤工第1.10節(jié)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法：以計(jì)算機(jī)為輔助手段進(jìn)行系統(tǒng)（產(chǎn)品）設(shè)計(jì)方法

的總稱。機(jī)電一體化設(shè)計(jì)方法與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的

融合是優(yōu)質(zhì)、高效、快速實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化

系統(tǒng)（產(chǎn)品）設(shè)計(jì)的有效方法和基本條件。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAN）并行工程設(shè)計(jì)——全壽命周期設(shè)計(jì)虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)設(shè)計(jì)綠色環(huán)保產(chǎn)品設(shè)計(jì)反求設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同合作設(shè)計(jì)德達(dá)理勵(lì)志勤工本

章

小

結(jié)本章節(jié)應(yīng)重點(diǎn)掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)涵、作用、目標(biāo)以及研究的主要核心技術(shù)問題，機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的構(gòu)成要素和功能要素，以及它們之間的相互聯(lián)系；機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的一般設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)工作流程；應(yīng)考慮的方法和設(shè)計(jì)類型；了解機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）設(shè)計(jì)的基本程序、準(zhǔn)則與規(guī)律；現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）中的應(yīng)用