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1、第1章机械电子系统总体设计,1.机械电子工程涵义,一.机械电子技术的理论基础和方法论系统工程控制论 信息论,第1章机械电子系统总体设计,二.机械电子工程的主要目的,使系统（产品）高附加值化，即多功能化、高效率化、高可靠化、省材料省能源化，结构轻、薄、短、小化。,第1章机械电子系统总体设计,2.机械电子工程关键技术,传感检测技术（研究传感器及其信号处理装置）传感器开发的三个重要方面：传感原理、传感材料、加工制造装配技术与计算机技术相比，传感检测技术的发展较缓慢 信息处理技术研究方向：提高处理速度、可靠性、抗干扰能力、智能化程度、标准化程度,第1章机械电子系统总体设计,2.机械电子工程关键技术,自
2、动控制技术自动控制指在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动按预定规律运行。技术难点：现代控制理论的工程化和实用化，优化控制模型的建立 伺服驱动技术 主要研究机械电子产品中的执行元件和驱动装置设计中的技术问题。主要研究问题:提高机电转换部件的精度、可靠性和快速响应性；提高DC伺服电机的性能；交流调速系统的研究（变频调速、电子逆变、矢量变换等）；功率器件的研制；微型电磁离合器的研制等。,第1章机械电子系统总体设计,2.机械电子工程关键技术,机械技术 是机械电子的基础。现代机械应实现结构上、材料上、性能上、功能上的改善，满足减轻重量，缩小体积，提高精度、刚度。需研究的主要问题：研究机
3、械零部件的动静态刚性和热变形问题；提高关键零部件的精度并使之能批量生产；超精加工与精密测量；高性能、超硬、复合刀具材料的开发和生产；摩擦磨损与润滑；零部件的模块化、标准化和规格化（提高互换性）,第1章机械电子系统总体设计,2.机械电子工程关键技术,系统总体技术 从整体目标出发，用系统工程的观点和方法，将系统分解为相互有机联系的若干功能单元，并将功能单元作为子系统继续分解，直至找到可实现的技术方案，再把各方案组合，进行分析、评价、综合优选。系统总体性能不仅与各构成要素的功能、精度、性能相关，而且有赖于各构成要素间是否很好的协调与融合。需研究的问题：软件开发与应用；接插件技术；通用接口与数据总线标
4、准化；控制系统成套性和成套设备自动化；软件标准化等。,第1章机械电子系统总体设计,全闭环控制系统,3.机械电子系统的构成要素与功能构成,第1章机械电子系统总体设计,半闭环控制系统,3.机械电子系统的构成要素与功能构成,第1章机械电子系统总体设计,系统的五个子系统,机械系统检测传感系统电子信息处理系统（控制系统）执行元件系统动力系统,第1章机械电子系统总体设计,机械电子系统三大目的功能,变换（加工、处理）功能；传递（移动、运输）功能储存（保持、积蓄、记录）功能,图15 系统目的功能,工业三大要素,物质能量信息,第1章机械电子系统总体设计,系统分类,动力机以能量转换为主，插入能量(或物质)和信息，
5、输出不同能量加工机以物料搬运、加工为主，输入物质(原料、毛坯等)、能量(电能、液能、气能等)和信息(操作及控制指令等)，经过加工处理，主要输出改变了位置和形态的物质的系统(或产品)信息机以信息处理为主，输入信息和能量，主要输出某种信息,第1章机械电子系统总体设计,系统的五种内部功能,主功能检测功能控制功能构造功能动力功能,第1章机械电子系统总体设计,图16 系统五种内部功能,第1章机械电子系统总体设计,图17 CNC机床的内部功能构成,目的功能：搬运、加工、处理毛坯,第1章机械电子系统总体设计,图18 机械电子系统(产品)的五大要素及其相应的五大功能,第1章机械电子系统总体设计,图19 机械电
6、子系统(产品)的五大要素实例,第1章机械电子系统总体设计,一、接口 构成机械电子系统的各子要素或子系统相接处必须具备的联系条件。二、接口的作用 实现机械电子系统中各子系统间的物质、能源、信息的传递与转换，达到系统所需的目的功能。,4.机械电子系统构成要素的相互连接,第1章机械电子系统总体设计,三、接口功能 广义的接口功能：输入/输出 变换/调整,1.4 机械电子系统构成要素的相互连接,第1章机械电子系统总体设计,接口设计的核心“匹配”,1.4 机械电子系统构成要素的相互连接,从某种意义上讲，机械电子技术设计就是“接口设计”。,第1章机械电子系统总体设计,一、机械电子系统设计的目标提高精度 增强
7、功能提高生产效率节约能源，降低能耗 低能耗机构，最佳调节控制，提高能源利用率,1.5 机械电子系统设计的目标与方法,第1章机械电子系统总体设计,1.5 机械电子系统设计的目标与方法,一、机械电子系统设计的目标提高安全性、可靠性 自动监测、报警、诊断、保护功能 采用电子元器件，代替机械产品中可动及易磨损部件（遥控 器、光电鼠标、光声控开关、无刷直流电动机等）改善操作性和实用性减轻劳动强度，改善劳动条件简化结构，减轻重量 系统功能主要的实现途径转移：从机械系统 微电子、计算机系统；硬件系统 软件系统降低价格增强柔性应用功能,第1章机械电子系统总体设计,二、机械电子系统设计类型,1、开发型设计（原创
8、型设计）将机电技术完全融合形成新的机械电子产品2、适应型设计在原有机械系统基础上采用微机控制，使系统性能提高，功能增强。（全自动洗衣机、数控机床）用电子装置局部替代机械传动装置和机械控制装置（变频调速器代替变速齿轮）用电子装置完全替代原来执行信息处理功能的机构（电子秤）用电子装置替代机械的主功能，形成特殊加工能力（激光切割机，电火花加工）3、变异型设计 一大趋势：轻薄小巧化,第1章机械电子系统总体设计,三、机械电子系统开发的设计思想,相互匹配、相互协调、有机结合,第1章机械电子系统总体设计,四、机械电子系统设计方法,1、取代法（机电互补法）利用电子部件取代传统机械产品中的复杂机械功能部件或功能
9、子系统（如用微机控制取代机械式变速机构、凸轮机构、离合器等机构）2、整体设计法（融合法）完全从系统目标考虑各子系统的设计，将各构成要素融合在一起形成专用或通用的功能部件（电机、变频器、主轴单元作为一个整体来设计，即电主轴单元）3、组合法 选用各种标准功能模块，“搭积木”（如工业机器人）三种方法的特点及适用场合？,第1章机械电子系统总体设计,1.6 机械电子系统的评价,附加价值是机械电子系统的综合评价指标,机械电子产品的评价内容,第1章机械电子系统总体设计,工业三大要素:物质、能量、信息,工业三大要素与机械电子的三大效果,1.6 机械电子系统的评价,第1章机械电子系统总体设计,1.7 机械电子系
10、统的设计流程,1.准备阶段(1)对用户需求进行理论抽象，确定产品规格、性能参数 对于加工机械，包括如下几个方面：运动参数 动力参数 品质参数 环境参数 结构参数 界面参数,第1章机械电子系统总体设计,1.7 机械电子系统的设计流程,1.准备阶段(2)拟定总体方案、划分系统功能要素和功能模块 根据设计对象的要求，进行技术分析，拟定系统总体设计方案，划分组成系统的各功能要素和功能模块 功能模块是构成系统的基本单元，在形式上表现为具体设备、装置或电路板（硬件），具体应用子程序或软件包（软件）。一个功能要素可能是一个功能模块，也可能由若干功能模块组合而成，或者就是一个机械电子子系统。(3)方案论证、确
11、定模块设计目标，人员组织 对各种方案进行可行性研究对比，确定最佳总体方案、模块设计目标和设计人员的组织,第1章机械电子系统总体设计,1.7 机械电子系统的设计流程,2.理论设计阶段(1)接口和功能模块细部设计 根据设计目标、功能要素和功能模块，画出系统工作时序图和机械传动原理简图；有过程控制要求的系统应建立各要素的数学模型，确定控制算法；计算各功能模块间接口I/O参数，确定接口设计任务归属；以功能模块为单元，根据接口参数要求进行功能模块的选型、组配(2)理论设计总体评价 对设计结果进行整体技术经济评价、设计目标考核和系统优化，挑选综合性能指标最优的设计。,第1章机械电子系统总体设计,1.7 机械电子系统的设计流程,3.产品的设计实施阶段(1)功能模块制作、调试 根据机械、电气图样，制造装配各功能模块；模块的调试(2)系统整体安装调试，可靠性复核 4.设计定型阶段(1)工艺定型 整理设计图纸、软件清单、零部件清单、元器件清单、调试记录等；(2)编写技术文档资料 编写设计说明书，为产品投产时的工艺设计、材料采购和销售提供详细的技术档案资料。,
