机电一体化系统设计教学概论实用教案

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1、机电一体化技术主要研究机电一体化技术主要研究(ynji)(ynji)方向方向 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(jsh)(jsh)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(jsh)(jsh)）设计中的核心技术(jsh)(jsh)问题接口技术(jsh)(jsh)。第1页/共26页第一页，共27页。原创性设计(shj)学以求精 行以求正第2页/共26页第二页，共27页。1.1.3 机电(jdi

2、n)一体化技术的发展 历史（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(jsh)的时代（二次世界大战以来）（3）微电子技术(jsh)时代 （工业自动化的大量应用）（4）机电一体化技术(jsh)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(jsh)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）第3页/共26页第三页，共27页。第1.2节 优先发展机电(jdin)一体化系统的领域 及其共性关键技术 1. 检测传感技术。2. 2. 信息处理技术。3. 3. 自动控制

3、技术。4. 4. 伺服驱动技术。5. 5. 精密机械技术。6. 6. 系统(xtng)总体技术。学以求精 行以求正第4页/共26页第四页，共27页。第1.3节 机电(jdin)一体化系统的构成要素与功能构成 1.3.1 机电(jdin)一体化系统的构成要素与功能特征 五大功能构成要素：机械系统、电子信息处理系统、动力系统、传感系统、执行控制系统（元件）。学以求精 行以求正第5页/共26页第五页，共27页。重要重要(zhngyo)(zhngyo)功能特征：功能特征： 以能源以能源(nngyun)(nngyun)转换转换为主功能特征。为主功能特征。 以信息转换(zhunhun)为主功能特征。学以求

4、精 行以求正第6页/共26页第六页，共27页。三大目的三大目的(md)(md)功能：功能：变换功能（加工处理）；变换功能（加工处理）；传递功能（移动、输送）；传递功能（移动、输送）；储存功能（保持、积蓄储存功能（保持、积蓄(jx)、记录）。、记录）。 控制方式：控制方式：线性控制方式；线性控制方式；非线性控制方式；非线性控制方式；智能控制方式。智能控制方式。学以求精 行以求正第7页/共26页第七页，共27页。1.3.2 机电一体化系统机电一体化系统(xtng)具有的主要功能具有的主要功能要素要素 主功能、信息功能、控制功能、动力功能、构造功能。主功能、信息功能、控制功能、动力功能、构造功能。

5、以及各子系统的匹配技术以及各子系统的匹配技术(jsh)(jsh)（核心）（核心） 接口接口技术技术(jsh)(jsh)。 （变换、传递、储存）主功能计测功能动力功能控制功能信息能源物质新输出干扰废弃物输出动力输入（能源）（信息）输入控制输出控制人或其他系统构造功能（加工机构）位置检测切削加工机械结构能外部电源（能源）电 源毛坯物质原输入热、振动操作人员输入控制（信息）控制器CNC新输出工件物质热、振动、切屑监视CNC程序图纸信息等原输入物质能源信息 机电系统(xtng)五种内部功能构成 CNC机床内部功能构成学以求精 行以求正第8页/共26页第八页，共27页。 接口技术的作用： 为实现机械、电

6、子、信息等各异技术在机电一体化系统(xtng)中的物质、能源、信息的传递与转换，达到系统(xtng)所需的目的功能。 接口技术的功能： 系统(xtng)输入/输出接口信息的匹配。 系统(xtng)信息的转换、调整，能源信息匹配。第1.4节 机电一体化系统构成(guchng)要素之间的连接学以求精 行以求正第9页/共26页第九页，共27页。 接口技术的分类接口技术的分类(fn li)(fn li)： 按变换调整功能分类：零接口，无源接口，有源接口，智能接口。 按输入输出功能分类：机械接口、物理接口、信息接口、环境(hunjng)接口。 实际上，机电一体化技术研究的核心问题就是接口技术问题。第10

7、页/共26页第十页，共27页。第1.5节 机电一体化系统(xtng)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综合指标作为(zuwi)评价体系的制定标准，即五大内评价体系的制定标准，即五大内部功能要素指标。部功能要素指标。系统（产品）系统（产品）内部功能内部功能 评评 价价 参参 数数 系统（产品价值）系统（产品价值）高高低低主功能主功能 系统误差系统误差抗干扰能力抗干扰能力废弃物输出废弃物输出变换效率变换效率小小强强少少高高大大弱弱多多低低动力功能动力功能 输入能量输入能量能能 源源少少内装内装多多外装外装控制功能控制功能可控

8、输入输出接口数可控输入输出接口数操作动作数操作动作数多多少少少少多多构造功能构造功能尺寸、重量尺寸、重量强度强度小、轻小、轻高高大、重大、重低低计测功能计测功能或信息获取或信息获取精度精度灵敏度灵敏度高高响应快响应快低低响应慢响应慢学以求精 行以求正第11页/共26页第十一页，共27页。图图1-7 系统内部系统内部(nib)功能的发展方向及评价内功能的发展方向及评价内容容 机电一体化系统（产品）主 功 能计测、控制功能动 力 功 能构 造 功 能高性能化机电一体化系统（产品）低价格化智能化高可靠性化轻薄短小化省能化学以求精 行以求正第12页/共26页第十二页，共27页。第1.6节 机电一体化系

9、统的设计(shj)方法与类型 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、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(md)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 学以求精 行以求正第13页/共26页第十三页，共27页。第1.7节 机电一体化系统(xtng)的设计流程 1.7.1 设计内容设计内容（1）确定）确定(qudng)产品规格、性能指标产品规格、性能指标 运动参数、动力参数、品质参

10、数。运动参数、动力参数、品质参数。（2）系统功能部件要素的划分）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。功能部件选择、设计和与系统主功能的匹配。（3）接口设计）接口设计 机械接口、物理接口、信息接口、环境接口机械接口、物理接口、信息接口、环境接口第14页/共26页第十四页，共27页。（4）综合评价）综合评价(pngji)或系统评价或系统评价(pngji) 系统性能、结构质量的各种定量指标和参数，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系统的附加价值，满足设计或用户需求(xqi)的功能性产品或系统为前提。评价方法依据产品的功能性产品或系统

11、为前提。评价方法依据产品要求有所不同。要求有所不同。 （5）可靠性复查）可靠性复查 （6）试制与调试）试制与调试 样机制造与调试、试验。样机制造与调试、试验。（7）最终产品结果评价）最终产品结果评价 是否达到设计或用户要求是否达到设计或用户要求第15页/共26页第十五页，共27页。 1.7.2 设计(shj)流程：结 束满 意 否 ？试 制 与 调 试确 定 各 功 能 部 件 或 子 系 统 的 功 能 要 素按 产 品 内 部 五 大 功 能 划 分 功 能 部 件 和 子 系 统依 据 系 统 目 的 功 能 确 定 产 品 规 格 及 性 能 指 标修 正 改 进可 靠 否 ？可 靠

12、性 复 查是 否 优 ？整 体 评 价接 口 设 计开 始学以求精 行以求正第16页/共26页第十六页，共27页。第1.8节 机电(jdin)一体化工程与系统工程1.8.1 机电一体化工程 机电一体化工程是系统工程在机电一体化系统设计中的具体应用。它是从系统工程观点出发，应用机械、微电子相关技术，使机械技术、微电子技术有机结合，实现系统或产品整体(zhngt)优化的综合性技术。1.8.2 系统工程 系统工程是数学方法和工程方法的汇集，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，既包括“系统”，又包括：“工程”。第17页/共26页第十七页，共27页。第1.9节 机电一体化系统(

13、xtng)的设计程序、准则与规律1.9.1 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(xtng)（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(xtng)的功能模块决定系统(xtng)和部件、子系统(xtng)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。第18页/共26页第十八页，共27页。（2 2）部件（或关键零件）选择(xunz)(xunz)与设计 部件主要性能指标确定部件主要性能指标确定部件选择部件选

14、择(xunz)(xunz)与设计与设计明确技术手段。明确技术手段。（3 3）技术设计与工艺性设计）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、制造手段与能力能要素的工艺特性、制造手段与能力工艺工艺基础；反之，工艺性设计要以满足实现系统基础；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（产品）各功能要素为前提或目的保证性保证性能、质量、增加附件价值。能、质量、增加附件价值。第19页/共26页第十九页，共27页。1.9.2 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

15、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。1.9.3 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(fngf) 链状结构（串联）；平行结构（并联）；反馈闭环结构。第20页/共26页第二十页，共27页。第1.10节 机电一体化系统(xtng)的开发工程 与现代设计方法1.10.1 1.10.1 开发工程重点研究：开发工程重点研究：系统模块化设计；系统模块化设计；功能组件功能组件(z jin)(z jin)的外购外协配套与标准化；的外购

16、外协配套与标准化；专用功能部件（子系统）开发和研制；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；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。设计能达到高效、高质量、高可靠性的设计制造效果。第21页/共26页第二十一页，共27页。第1.10节 机电一体化系统(xtng)的开发工程与现代设计方法 拟定系统目标及初步技术规范市场调研、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）评价与审定数学、物理模型分析求解、模拟试验结构与功能分析模块化设计模块化设计制造/外购市场调查样 机 试 制详细设计硬件制造外购外购制造/外购制造详细设计市场调查

17、NY软件总体性能测试技术评价与审定是否修改原构思市场调查总体性能测试小批量生产试销效果是否好NYYN市场调查市场调查收集用户意见市场调查YN收集用户意见N初步方案设计结束Y数学/物理模型修改YN学以求精 行以求正第22页/共26页第二十二页，共27页。第1.10节 机电(jdin)一体化系统开发工程与现代设计方法 1.10.2 1.10.2 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/CANCAD/CAN） 并行工程设计全寿命周期设计

18、 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(xitng)(xitng)合作设计 第23页/共26页第二十三页，共27页。本 章 小小 结结 本章节应重点掌握机电一体化系统设计(shj)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(shj)工作流程；应考虑的方法和设计(shj)类型；了解机电一体化系统（产品）设计(shj)的基本程序、准则与规律；现代设计(shj)方法在机电一体化系统（产品）中的应用。第24页/共26页第二十四页，共27页。课外作业： 1 .机电一体

19、化的涵义、目的、特征、基本组成要素以及分别实现哪机电一体化的涵义、目的、特征、基本组成要素以及分别实现哪些些(nxi)功能。功能。 2 .工业三大要素指的是什么？机电一体化设计的目标是哪些工业三大要素指的是什么？机电一体化设计的目标是哪些(nxi)？ 3 .机电一体化的接口功能有哪些机电一体化的接口功能有哪些(nxi)？根据不同的接口功能试说？根据不同的接口功能试说明接口的种类。明接口的种类。 4 .说明机电一体化系统设计的设计思想、方法。说明机电一体化系统设计的设计思想、方法。 第25页/共26页第二十五页，共27页。谢谢您的观看(gunkn)！第26页/共26页第二十六页，共27页。NoImage内容(nirng)总结机电一体化技术主要研究方向。系统信息的转换、调整，能源信息匹配。实际上，机电一体化技术研究的核心问题就是接口技术问题。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(zhbio)作为评价体系的制定标准，即五大内部功能要素指标(zhbio)。常见的设计类型：开发性设计。（4）综合评价或系统评价。机电一体化工程是系统工程在机电一体化系统设计中的具体应用。（3）技术设计与工艺性设计。4 .说明机电一体化系统设计的设计思想、方法。谢谢您的观看第二十七页，共27页。