.,機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì),.,課程介紹,第一章。概論第二章。機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)第三章。檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*第四章。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第五章。接口技術(shù)第六章?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)*第七章。機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)典型實(shí)例（機(jī)器人）,.,參考書,鄭堤等主編。機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（機(jī)械工業(yè)出版社）李成華等主編。機(jī)電一體化技術(shù)（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社）劉杰等主編。機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)（冶金工業(yè)出版社）張君安主編。機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)（兵器工業(yè)出版社）張立勛等主編。機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)（哈爾濱工程大學(xué)出版社）機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)編委會(huì)。機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)（機(jī)械工業(yè)出版社）張建民等主編.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)(北京理工大學(xué)出版社),.,第一章。機(jī)電一體化概念,一.機(jī)電一體化的基本概念機(jī)電一體化的英文名稱是Mechatronics,是由日本人通過(guò)截取英文機(jī)械學(xué)(Mechanics)的詞頭和電子學(xué)(Electronics)的詞尾組合在一起而創(chuàng)造出來(lái)的一個(gè)新的英文名詞.這一名詞最早出現(xiàn)在1971年日本的雜志副刊上,后來(lái)隨著機(jī)電一體化的發(fā)展而被廣泛引用,.,機(jī)電一體化的含義,日本于1981年提出的解釋:“機(jī)電一體化乃是機(jī)械的主功能、動(dòng)力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)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)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱.”,.,機(jī)電一體化是一種嶄新的學(xué)術(shù)思想,按照機(jī)電一體化思想，凡是由各種現(xiàn)代高新技術(shù)與機(jī)械和電子技術(shù)相互結(jié)合而形成的各種技術(shù)、產(chǎn)品（或系統(tǒng)）都應(yīng)屬于機(jī)電一體化的范疇.,.,二.機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展,由于大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，特別是微型電子計(jì)算機(jī)的空前發(fā)展，促進(jìn)了機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)相互交叉和相互滲透，并使機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)在系統(tǒng)論、信息論和控制論的基礎(chǔ)上有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，形成今天的機(jī)電一體化技術(shù)。,.,直到70年代初，日本人對(duì)機(jī)電一體化的長(zhǎng)期實(shí)踐和最新應(yīng)用成果加以系統(tǒng)的概括和總結(jié)，才形成一個(gè)比較完整的機(jī)電一體化概念。此后由于大規(guī)模集成電路技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使得機(jī)電結(jié)合的形式更加靈活，內(nèi)容更加豐富，應(yīng)用更加廣泛，因而在以機(jī)械工業(yè)為主的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中引發(fā)了一場(chǎng)大規(guī)模的機(jī)電一體化技術(shù)革命。,.,三.機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本構(gòu)成,機(jī)電一體化系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)（機(jī)構(gòu)），電子信息處理系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)），動(dòng)力系統(tǒng)（動(dòng)力源），傳感檢測(cè)系統(tǒng)（傳感器），執(zhí)行元件系統(tǒng)（驅(qū)動(dòng)器）等五個(gè)子系統(tǒng)組成,1.機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成,.,系統(tǒng)的基本構(gòu)成（全閉環(huán)系統(tǒng)）,.,系統(tǒng)的基本構(gòu)成（半閉環(huán)系統(tǒng)）,.,2。機(jī)電一體化系統(tǒng)的功能構(gòu)成,機(jī)電一體化系統(tǒng)是由若干具有特定功能的機(jī)械與微電子要素組成的有機(jī)整體，具有滿足人們使用要求的功能。根據(jù)不同的使用目的，要求系統(tǒng)能對(duì)輸入的物質(zhì)、能量和信息進(jìn)行某種處理，輸出所需要的物質(zhì)、能量和信息。,.,三大“目的功能”,1。變換功能2。傳遞功能3。儲(chǔ)存功能,.,系統(tǒng)的目的功能,.,系統(tǒng)內(nèi)部功能,主功能動(dòng)力功能檢測(cè)功能控制功能構(gòu)造功能,.,機(jī)電一體化系統(tǒng)內(nèi)部功能構(gòu)成,.,CNC機(jī)床的內(nèi)部功能構(gòu)成,.,人體五大要素極其功能的對(duì)應(yīng)關(guān)系,3。機(jī)電一體化基本結(jié)構(gòu)要素,.,機(jī)電一體化產(chǎn)品的組成要素及其功能的對(duì)應(yīng)關(guān)系,.,機(jī)電一體化系統(tǒng)五大要素實(shí)例#,.,1。機(jī)械系統(tǒng)（機(jī)械本體）,包括機(jī)身、框架、機(jī)械連接等在內(nèi)的產(chǎn)品支持結(jié)構(gòu)，屬于基礎(chǔ)部分，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的構(gòu)造功能。,.,2。動(dòng)力源,向系統(tǒng)提供能量，并將輸入的能量轉(zhuǎn)換成需要的形式，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力功能。,.,3。檢測(cè)與傳感裝置,包括各種傳感器極其信號(hào)檢測(cè)電路，用于對(duì)產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)的內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，提供運(yùn)行控制所需的各種信息，實(shí)現(xiàn)計(jì)測(cè)功能。,.,4?？刂婆c信息處理裝置,根據(jù)產(chǎn)品的功能和性能要求以及傳感器的反饋信息，進(jìn)行處理、運(yùn)算和決策，對(duì)產(chǎn)品運(yùn)行施以相應(yīng)的控制，實(shí)現(xiàn)控制功能。,.,5。執(zhí)行機(jī)構(gòu),包括機(jī)械傳動(dòng)與操作機(jī)構(gòu)，在控制信息作用下完成要求的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的主功能。執(zhí)行機(jī)構(gòu)因作業(yè)對(duì)象不同而形式各異。,.,四。機(jī)電一體化的意義,機(jī)電一體化技術(shù)可以用來(lái)設(shè)計(jì)新型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，改造舊的機(jī)電產(chǎn)品，使機(jī)電產(chǎn)品的面貌大大改觀，達(dá)到功能增強(qiáng)、精度提高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化(體積減少、重量減輕)、可靠性提高、改善操作、提高柔性、性能價(jià)格比大大改善的目的。,.,實(shí)施機(jī)電一體通常可以獲得以下一些效果,（1）功能增強(qiáng)（2）提高精度（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化（4）可靠性提高（5）改善操作（6）提高柔性,.,五.機(jī)電一體化技術(shù)的分類,1機(jī)電一體化技術(shù)分類概述目前世界上普遍認(rèn)為機(jī)電一體化有兩大分支，即生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)電一體化和機(jī)電產(chǎn)品的機(jī)電一體化。,.,生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)電一體化,生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)電一體化意味著整個(gè)工業(yè)體系的機(jī)電一體化，生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)電一體化根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)又可劃分為離散制造過(guò)程的機(jī)電一體化和連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)電一體化。,.,機(jī)電產(chǎn)品的機(jī)電一體化,機(jī)電產(chǎn)品的機(jī)電一體化是機(jī)電一體化的核心，是生產(chǎn)過(guò)程機(jī)電一體化的物質(zhì)基礎(chǔ)。,.,機(jī)電一體化產(chǎn)品根據(jù)結(jié)構(gòu)和電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)在系統(tǒng)中的作用可以分為三類：,（1）原機(jī)械產(chǎn)品采用電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù);（2）用集成電路或計(jì)算機(jī)及其軟件代替原機(jī)械的部分結(jié)構(gòu);（3）利用機(jī)電一體化原理設(shè)計(jì)的全新的機(jī)電一體化產(chǎn)品.,.,2機(jī)械制造過(guò)程的機(jī)電一體化,機(jī)械制造過(guò)程的機(jī)電一體化包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工、裝配、檢驗(yàn)的自動(dòng)化，生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，經(jīng)營(yíng)管理自動(dòng)化等，其高級(jí)形式是計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（ComputerIntegratedManufacturingSystem，簡(jiǎn)稱CIMS）。,.,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),(CAD)計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程設(shè)計(jì),(CAPP)計(jì)算機(jī)輔助制造,(CAM)CAD/CAM集成系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)(FMS)柔性制造單元(FMC)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）,.,CIMS集成關(guān)系,.,六.機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù),涉及到四大基礎(chǔ)科學(xué)，即機(jī)械學(xué)、控制論、電子學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)。,.,1.機(jī)械技術(shù),對(duì)于絕大多數(shù)的機(jī)電一體化產(chǎn)品，機(jī)械本體在質(zhì)量、體積等方面都占有絕大部分，如原動(dòng)機(jī)、工作機(jī)和傳動(dòng)裝置一般都采用機(jī)械結(jié)構(gòu)。這些機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造問(wèn)題，都屬于機(jī)械技術(shù)的范疇。,.,2.傳感技術(shù)#,傳感技術(shù)的核心是傳感器。傳感器按照一定的精度將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電信號(hào)，通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路組成。,.,3.信息處理技術(shù),信息處理技術(shù)是指利用電子計(jì)算機(jī)及其外部設(shè)備對(duì)信息進(jìn)入輸入、轉(zhuǎn)換、運(yùn)算、存儲(chǔ)和輸出等技術(shù)，這里所說(shuō)的電子計(jì)算機(jī)包括工控機(jī)、單片機(jī)和可編程控制器等。,.,4.接口技術(shù),在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備（如執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器、機(jī)械本體、動(dòng)力源和人機(jī)交互設(shè)備等）之間的連接和信息交換環(huán)節(jié)稱為接口，接口功能的實(shí)現(xiàn)除硬件電路外，還應(yīng)包括相應(yīng)的接口軟件（驅(qū)動(dòng)程序），通常通過(guò)接口硬件和接口軟件的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)接口任務(wù)。,.,5伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù),伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要是指與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相關(guān)的一些技術(shù)問(wèn)題。伺服驅(qū)動(dòng)的方式主要有電動(dòng)、氣動(dòng)和液壓等各種類型。,.,6系統(tǒng)總體技術(shù),系統(tǒng)總體技術(shù)是一種從全局角度和系統(tǒng)目標(biāo)出發(fā)，用系統(tǒng)的觀點(diǎn)和方法，將系統(tǒng)分解成若干個(gè)相互有聯(lián)系的功能單元，找出能完成各個(gè)功能的技術(shù)方案，并將其進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)和優(yōu)化的綜合應(yīng)用技術(shù)。,.,七.機(jī)電一體化設(shè)計(jì)方法,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和各種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是普遍適用的，當(dāng)然也適用機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。而機(jī)電產(chǎn)品的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)方法又是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的重要組成部分。,.,1模塊化設(shè)計(jì)方法,機(jī)電一體化產(chǎn)品或設(shè)備可設(shè)計(jì)成由相應(yīng)于五大要素的功能部件組成，也可以設(shè)計(jì)成由若干功能子系統(tǒng)組成，而每個(gè)功能部件或功能子系統(tǒng)又包含若干組成要素。這些功能部件或功能子系統(tǒng)經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化，就成為功能模塊。每一個(gè)功能模塊可視為一個(gè)獨(dú)立體，在設(shè)計(jì)時(shí)只需了解其性能規(guī)格，按其功能來(lái)選用，而無(wú)須了解其結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。,.,2柔性化設(shè)計(jì)方法,將機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)中完成某一功能的檢測(cè)傳感元件、執(zhí)行元件和控制器作成機(jī)電一體化的功能模塊，如果控制器具有可編程的特點(diǎn)，則該模塊就成為柔性模塊。,.,3取代設(shè)計(jì)方法,取代設(shè)計(jì)方法又稱為機(jī)電互補(bǔ)設(shè)計(jì)方法。該方法的主要特點(diǎn)是利用通用或?qū)Ｓ秒娮悠骷〈鷤鹘y(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品中的復(fù)雜機(jī)械部件，以便簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，獲得更好的功能和特性。,.,4.融合設(shè)計(jì)方法,融合設(shè)計(jì)方法是把機(jī)電一體化產(chǎn)品的某些功能部件或子系統(tǒng)設(shè)計(jì)成該產(chǎn)品所專用的。用這種方法可以使該產(chǎn)品各要素和參數(shù)之間的匹配問(wèn)題考慮的更充分、更合理、更經(jīng)濟(jì)、更能體現(xiàn)機(jī)電一體化的優(yōu)越性。融合法還可以簡(jiǎn)化接口，使彼此融為一體。,.,5優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,(1)機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的綜合與優(yōu)化.(2)硬件和軟件的交叉與優(yōu)化(3)機(jī)電一體化產(chǎn)品的整體優(yōu)化,.,八.系統(tǒng)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)分析方法,(1)工效實(shí)用性(2)系統(tǒng)可靠性(3)運(yùn)行穩(wěn)定性(4)操作宜人性(5)人機(jī)安全性,.,(6)環(huán)境完善性(7)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性(8)結(jié)構(gòu)工藝性(9)造型藝術(shù)性(10)成果規(guī)范性,.,九.機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)步驟,(1)市場(chǎng)調(diào)查所謂市場(chǎng)調(diào)查就是運(yùn)用科學(xué)的方法，系統(tǒng)地、全面地收集有關(guān)市場(chǎng)需求和經(jīng)銷方面的有關(guān)資料。在市場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過(guò)定性的經(jīng)驗(yàn)分析或定量的科學(xué)計(jì)算，對(duì)市場(chǎng)未來(lái)的不確定因素和條件作出預(yù)測(cè)，為企業(yè)提供依據(jù)。,.,(2)初步設(shè)計(jì),初步設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是建立產(chǎn)品的功能模型，提出總體方案、投資預(yù)算，擬定實(shí)施計(jì)劃等,.,初步設(shè)計(jì)的主要工作內(nèi)容包括：,（A）系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)；（B）系統(tǒng)的功能及技術(shù)性能設(shè)計(jì)；（C）確定產(chǎn)品模型的信息和聯(lián)系；（D）提出系統(tǒng)內(nèi)部和外部接口要求；（E）找出關(guān)鍵技術(shù)，逐一提出每個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的解決方案；（F）確定系統(tǒng)配置；（G）確定實(shí)施進(jìn)度計(jì)劃；（H）提出經(jīng)費(fèi)預(yù)算；（I）進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析；（J）編寫初步設(shè)計(jì)報(bào)告。,.,(3)詳細(xì)設(shè)計(jì),詳細(xì)設(shè)計(jì)主要是對(duì)系統(tǒng)總體方案進(jìn)行具體實(shí)施步驟的設(shè)計(jì)，其主要的依據(jù)是總體方案框圖。從技術(shù)上將其細(xì)節(jié)逐步全部展開，直至完成試制產(chǎn)品樣機(jī)所需的全部技術(shù)圖紙和文檔，機(jī)電一體化的詳細(xì)設(shè)計(jì)主要應(yīng)包括以下內(nèi)容：,.,(A)機(jī)械本體設(shè)計(jì),這里所說(shuō)的機(jī)械本體一般由減速裝置、蝸輪蝸桿副、絲杠螺母副等各種線性傳動(dòng)部件，連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等非線性傳動(dòng)部件，撓性傳動(dòng)部件、間歇傳動(dòng)部件等特殊傳動(dòng)部件，導(dǎo)向支承部件、旋轉(zhuǎn)支承部件以及機(jī)架等支承部件組成。,.,(B)接口設(shè)計(jì),對(duì)于一種產(chǎn)品（或系統(tǒng)），其各部件之間，各子系統(tǒng)之間往往需要傳遞動(dòng)力、運(yùn)動(dòng)、命令或信息，這都是通過(guò)各種接口來(lái)實(shí)現(xiàn)的。,.,按功能可以將接口劃分為以下3種：,（I）零接口。（II）普通轉(zhuǎn)換接口。（III）智能轉(zhuǎn)換接口。,.,(C)微控制器設(shè)計(jì)與制作步驟,單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)又稱微控制器或嵌入式微處理器。微控制器設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，其一