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机电一体化系统设计一、概论1、机电一体化：是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。
2、对检测传感器的要求：要求检测传感器具有高精度、高灵敏度和高可靠性。
3、检测传感技术的主要难点：提高可靠性、精度和灵敏度。
需要研究的问题有：①提高各种敏感材料和元件灵敏度及可靠性②改进传感器结构，开发温度与湿度、视觉与触觉同时存在的符合传感器③研究在线检测技术，提高抗干扰能力④研究具有自动诊断与自动补偿功能的传感器。
4、自动控制：自动控制是指在没有人参与的情况下，通过控制装置使被控制的对象或控制过程自动的按照预定的规律运行。
5、系统总体技术：系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统的观点和方法将总体分解成若干功能单元，找出能完成各个功能的技术方案，再把功能与技术方案组合成方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。
6、系统总体技术包括：插件、接口转换、软件开发、微机应用技术、控制系统的成套性和成套设备自动化技术。
7、系统总体技术需要研究的问题：①软件开发与应用技术，包括过程参数应用软件、实时精度补偿软件②研究接插件技术，体改可靠性③通过接口和数据总线标准化④控制系统成套性和成套设备自动化⑤软件的标准化。
8、机电一体化系统由机械系统、信息处理系统、动力系统、传感检测系统、执行元件系统五个系统组成。
9、系统的五种内部功能：即主功能、动力功能、计策功能、控制功能、构造功能。
主功能是实现系统“目的功能”直接必须的功能，主要是对物质、能量、信息及其相互结合进行变换、传递和存储。
动力功能的作用是根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转，实时“目的功能”。
而构造功能则是使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必须的功能。
10、机电一体化系统设计的考虑方法同城有：几点互补法、融合法和组合法。
11、系统工程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，是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方法。
浅谈机电一体化设计【摘要】科学技术的发展促进了不同领域的交叉和渗透,带来了工程领域的技术革命和变革。
在机械工程领域，微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及机电一体化向机械工业的渗透，正在引起机械工程技术结构、产品配置、功能配置、生产方式、管理体制等方面的变革。
机械工业发生重大变化，使工业生产由“机械电气化”发展到“机电一体化”的发展阶段。
在此基础上，本文对机电一体化设计进行了分析。
关键词：机电一体化；关键技术；设计引言新形势下，国内工业生产实现了多项重大创新，过去单一技术的应用形式逐渐发生变化。
通过不同技术的不断融合，提高了相应技术的适用性。
实现了机械制造技术、计算机电子技术、信息网络技术的有机结合，并有效应用于工业生产。
控制系统是机电一体化的心脏，可进行数据处理和自动控制，并可通过计算机接口与外部设备连接，保证机电一体化系统各模块的可靠运行。
一、机电一体化概述1.1概念机电控制系统是指在工作和操作过程中将一系列相关的操作技术联系起来，有效地固定特定的装置来控制生产过程的动作，有效地控制工作生产，完成生产工作。
在系统形成过程中，融合了互联网技术、网络通信技术、电力技术等大量技术手段，不断完善机电控制系统，最终应用于实际生产工作，指导相关工作各部分之间的协调，实现技术之间的协调。
兼容共存。
机电控制系统的改进和发展，大大提高了人类的工作效率，同时也大大提高了企业发展的利润。
例如，如果将机电控制系统的远程控制系统应用到实际工作中，工作人员只需使用计算机就可以实现对生产工作的远程控制。
控制和节省人力管理时间，提高企业生产效率。
在实际工作中，远程操作主要分为两种，一种是维护型远程操作系统，可以监控和管理生产工作，另一种是人机对话控制系统，可以实现人机交互。
管理。
也就是说，科技的发展是决定行业发展的重要因素，只有通过科技的创新和发展，才能达到预期的效果。
机电一体化以科技创新为导向，将不同的技术结合起来，形成一个集成的控制系统。
机电一体化：是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成的系统总称。
是机械技术及信息技术相互交叉、融合的产物。
精密机械技术、微电子技术、信息技术有机结合新形势。
机电一体化的目的：是使系统高附价值化，即多功能化、高效率化、高可靠化、省材料省能源化、并使产品的结构向轻、薄、短、小巧化方向发展、不断满足人们生活的多样化需求和生产的省力化、自动化需求。
解决产品（系统）采用微电子技术所面临的共性关键技术：检测传感技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、精密机械技术、系统总体技术系统必须具有的目的功能：变换（加工、处理）功能；传递（移动、输送）功能；储存（保持、积蓄、记录）功能机电一体化系统的五大要素（即相应功能）：动力源（提供动力；内脏）；控制器（控制；头脑）；机构（构造；骨骼）；检测传感器（计测；感官）；执行元件（驱动；肌肉）接口：是各要素或各子系统相接处必须具备一定的联系条件接口变换、调整功能分为：零接口、无源接口、有源接口、智能接口接口输入/出功能分为：机械接口、物理接口、信息接口、环境接口工业三大要素：能量、物质、信息（省能、省资源、智能化）系统内部功能评价参数：1主功能：系统误差、抗干扰能力、废弃物输出、变换效率。
2动力功能：输入能量、能源。
3控制功能：控制输出/入口个数、手动操作。
4构造功能：尺寸重量、强度。
5计测功能：精度机电一体化系统的设计流程:1根据目的功能确定产品规格、性能指标；2系统功能部件、功能要素的划分；3接口的设计；4综合评价；5可靠性复查；6试调与调试运动参数：用来表征机器工作运动的轨迹、行程、方向和起、止点位置正确性的指标动力参数：用来表征机器输出动力大小的指标。
力、力矩、功率。
品质指标：用来表征运动参数和动力参数品质的指标。
机电一体化系统设计考虑方法：机电互补法；结合（融合）法；组合法机电一体化系统的设计类型：开发型设计；适应性设计；变异性设计设计程序分为：总体设计、部件的选择与设计、技术设计与工艺设计总体设计：明确设计思想；分析综合要求；划分功能模块；决定性功能参数；调研类似产品；你定总体方案；方案对比定性；编写总体设计论证书设计准则要考虑：人、机、材料、成本等。
机电一体化系统原理方案设计[摘要]机电一体化是当前生产机械发展的主要趋势，有着广阔的发展前景，对未来的机械生产有着重要的影响。
而机电一体化系统原理的方案设计，作为机电一体化系统的核心组成部分，对机电一体化的总体设计影响深远。
[关键词]机电一体化；系统原理；方案设计在机电一体化系统的设计中，机电一体化系统原理方案设计是总体设计的核心关键部分，具有有战略性和方向性的意义。
一般来说，在机电一体化系统原理方案设计中，主要有这几种常用的方法：创造性方法、功能分析设计法、商品化设计思想及方法、评价与决策方法、变型产品设计中的模块化方法和相似产品系列设计方法等。
本文主要是对机电一体化系统原理方案设计的功能分析设计法进行探究。
机电一体化系统原理方案设计有一定的设计步骤。
机电一体化系统原理方案设计的功能分析设计法主要是从系统的功能出发，首先是经过技术过程的分析，然后再确定技术系统的效应，最后再寻找解决的途径。
这种方法的主要特点就是通过功能关系的分析，把复杂的设计要求，变抽象为简单的模式，能够寻找到能满足设计对象主要功能关系的原理方案。
一、确定系统总功能（一）设计问题的抽象化在大量的实践中我们可以发现，同一设计任务往往会有许多不同的途径，而且许多方案的差异很大。
而从当前的实际情况看，很多设计人员总是习惯先画几个总体方案，然后再从中选择一个，接着再进行具体的设计。
从实践情况看，这种做法是带有一定的盲目性的，可能会让设计人员失去判断，不能判断方案是否最佳。
主要是因为许多设计人员的知识和经验都不够丰富，具有一定的局限性；同时也是因为设计要求明细表一般是相当复杂的，很难进行直接求解。
为了解决上述问题，我们可以尝试进行抽象化，而抽象化的主要目的是：让设计人员能够暂时抛弃那些偶然情况和枝节问题，重点关注突出基本的、必要的要求，以便能够很好的抓住问题核心；同时能够清除构思方案前形成的条条框框，能够让设计人员放开视野，在思考中发现更理想的设计方案。
《机电一体化系统设计》课程设计教学大纲课程编号：05144340课程名称：机电一体化系统设计/ Mechatronics System Design课程总学时/学分：32/2 （其中理论28学时，实验4学时）课程设计时间/学分：1周/1学分适用专业：机械工程及自动化一、设计任务及目的本次设计是《机电一体化系统设计》课程结束之后进行的，属于机械设计制造及其自动化本科专业中机电方向的一个重要的综合性、实践性教学环节，课程设计的基本任务和目的是：1、掌握机电一体化系统的设计过程和方法，包括参数的选择、传动设计、零件计算、结构设计、计算机控制等培养系统分析及设计的能力。
2、综合应用过去所学的理论知识，提高联系实际和综合分析的能力，进一步巩固、加深和拓宽所学的知识。
3、训练和提高设计的基本技能，如计算，绘图，运用设计资料、标准和规范，编写技术文件（说明书）等。
二、课程设计的基本要求1、了解和掌握PLC在机电一体化系统设计中的应用；2、采用微型计算机（包括单片机）进行数据采集、处理和控制，主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用。
3、选用驱动控制电路，对执行机构进行控制。
主要考虑电机的选择及驱动力矩的计算，控制电机电路的设计。
4、精密执行机构设计。
主要考虑数控机床工作台传动装置的设计问题；弄清楚机构或机械执行的主要功能（如传递运动、动力、位置控制、微调、精密定位或高速运转等），进行力（力矩）、负载功率、惯性（转动惯量）、加（减）速控制和误差计算。
提出装配图和零件加工图。
提出对电机驱动和计算机控制要求。
5、采用传感器进行反馈控制或作为测量敏感器件。
6、学会使用手册及图表资料。
根据课程设计指导书，设计题目不尽相同，并不一定要对上面的内容面面俱到，但要对学生进行全面训练，则尽可能多涉及一些。
三、设计需运用的基本理论机械制图、机械原理、机械设计、电工电子技术、机电控制技术、机电控制理论基础、可编程序控制器、机械工程设计、机电一体化系统设计等。
机电一体化系统设计课程设计指导书邓春岩编著UESTC 机电工程学院第一章绪论1.1 机电一体化课程设计的目的机电一体和课程设计是一个重要的实践教学环节。
学生需综合运用所学的机械、电子、计算机和自动控制等方面的知识，独立进行机电结合的设计训练，主要目的是：1）学习机电一体化系统总体设计方案的分析、拟定和比较的方法。
2）对机械系统进行设计，掌握典型传动机构和导向机构等工作原理、设计计算方法和选用方法。
3）掌握控制用电机的工作原理，能够对控制用电机、驱动器进行计算与选用。
4）对控制系统进行设计，掌握典型硬件电路的设计方法和控制软件的设计思路。
5）根据系统的要求，掌握常用传感器的工作原理和选用方法。
6）培养学生独立分析问题、解决问题的能力，学习并初步建立“系统设计”的思想。
7）训练学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力。
1.2 课程设计的内容与要求课程设计的内容应是典型的机电一体化系统或产品，如数控机床、工业机器人、三坐标测量仪、自动检测仪、全自动洗衣机、电子秤、自动售货机、家用智能装置等。
设计的内容需包扩：机械系统的设计；执行元件的计算与选择；计算机控制系统的选择、电路的设计和软件的设计；传感检测的选择与电路的设计等，根据专业性质的差异，可以适当调整相应部分设计工作量。
本次设计任务是CNC二维工作台的设计，主要包括：机械系统的设计与计算、控制电机的计算与选择、驱动器的选择与接线图的设计。
1.3 课程设计的原始数据试设计一个用于在水平面内（XOY平面）进行切割的CNC二维工作平台。
切割刀位于Y方向工作台上面，其受力点（X、Y方向的轴向载荷）到Y方向丝杠轴心线的距离为100mm。
其它参数见下表：表1.1 大题目及其参数项目名称大题编号一二三四五六备注行程 mm 500³500500³400500³300400³400400³300300³300X*Y方向的行程X丝杠转速n1200 150 120 80 50 50 单位： r/minY丝杠转速n2200 150 120 80 50 50 单位： r/min理论定位精度δ30 25 20 15 10 5 单位：μm表1.2 小题目（方案）及其参数方案项目名称方案编号ⅠⅡⅢⅣV VIX方向轴向载荷(N)F15000 4500 4000 3500 2000 1200Y方向轴向载荷(N)F24000 3500 3000 2500 1500 1000X方向工作台滑板及组件重量(N) 1000 900 800 700 600 400Y方向工作台滑板及组件重量(N) 600 500 400 400 300 200表1.3 控制实现的轨迹方案项目名称方案编号１２３４二维平台编程控制的轨迹ＮＳＣＬ注：CNC二维工作平台设计题目共五个大题目，每个大题目下面又有三个小题目（即方案）。
109 7 机电一体化总体设计 7.1 机电一体化总体设计的内容 机电一体化总体设计是应用系统总体技术，从整体目标出发，综合分析机电一体化产品的性能要求及各机、电组成单元的特性，选择最合理的单元组合方案，实现机电一体化产品整体优化设计的过程。 随着大规模集成电路的出现，机电一体产品得到了迅速普及和发展，从家用电器到生产设备，从办公自动化设备到军事装置，机与电紧密结合的程度都在迅速增加，形成了一个纵深而广阔的市场。市场竞争规律要求产品不仅具有高性能，而且要有低价格，这就给产品设计人员提出了越来越高的要求。另一方面，种类繁多、性能各异的集成电路、传感器和新材料等，给机电一体化产品设计人员提供了众多的可选方案，使设计工作具有更大的灵活性。如何充分利用这些条件，开发出满足市场需求的机电一体化产品，是机电一体化总体设计的重要任务。 7.1.1 总体设计的主要内容 一般来说，机电一体化总体设计包括下述一些主要内容。 （1）详尽搜集用户对所设计产品的需求 ① 设计任何系统，首先要收集所有相关的信息，包括设计需求、背景技术资料。设计人员在这一基础上应做出用户真正需要设计什么样的产品的判断。这一步是进行总体方案设计的最基本的依据，不可忽视。一般情况，需要对下列设计需求作详细地调查。设计对象自身的工作效率。包括年工作效率及小时工作效率。对于动力传统系统还要了解机械效率方面的需求。 ② 设计对象所具有的主要功能。包括总功能及实现总功能时分功能的动作顺序，特别是操作人员在总功能实现中所介入的程度。 ③ 设计对象与其工作环境的界面。这主要有输入、输出界面、装载工件形式、操作员控制器的界面，辅助装置的界面，温度、湿度、灰尘等情况，以及这些界面中那些是由设计人员保证的，那些是由用户提供的。 ④ 设计对象对操作者技术水平的需求。要求操作人员达到什么技术等级，并具备哪些专长。 ⑤ 设计对象是否被制造过，假如与设计对象类似的产品已在生产，则应参观生产过程，并寻找有关的设计与生产文件。 ⑥ 了解用户自身的一些规定、标准，例如厂标，一般技术要求，对产品表面的要求（防蚀、色彩）等。 （2）设计对象工作原理的设计 明确了设计对象的需求之后，就可以开始工作原理设计了，这是总体设计的关键。设计质量的优劣取决于设计人员能否有效的对系统的总功能进行合理的抽象和分解，并能合理的运用技术效应进行创新设计，勇于开拓新的领域探索和新的工作原理，使总体设计方案最佳化，从而形成总体方案的初步轮廓。 （3）主要结构方案的选择 机械结构类型很多，选择主要结构方案时，必须保证系统所要求的精度、工作稳定可靠、制造工艺性好，应符合运动学设计原则或误差均化原理。 按运动学原则进行结构设计时，不允许有过多的约束。但当约束点有相对运动且载荷较大时，约束处变形大，易磨损，这时可以采用误差均化原理进行结构设计。这时可以允许有过多的约束，例如滚动导轨中的多个滚动体，是利用滚动体的弹性变形使滚动体直径的微小误差相互得到平均，从而保证了导轨的导向精度。 110
（4）摩擦形式的选择 设计机电一体化机械系统时要认真选择运动机构的摩擦形式，如果处理的不好，由于动、静摩擦力差别太大，造成爬行，会影响控制系统工作的稳定性。因此总体方案设计时，必须选取具有适应于工作要求摩擦形式的导轨。导轨副相对运动时的摩擦形式有滑动、滚动、液体静压滑动、气体静压滑动等几种形式，各有不同的优缺点，设计时可以根据需求，综合考虑各方面因素进行选择。 （5）系统简图的绘制 选择或设计了系统中各主要功能元的解之后，用各种符号代表各子系统中功能元的解，包括控制系统、传动系统、电器系统、传感检测系统、机械执行系统等，根据总体方案的工作原理，画出它们的总体安排，形成机、电、控有机结合的机电一体化系统简图。 根据这些简图，进行方案论证，并作多次修改，确定最佳方案。在总体安排图中，机械执行系统应以机构运动简图或机构运动示意图表示，其它子系统可用方框图表示。 （6）总体精度分配 总体精度分配是将机、电、控、检测各系统的精度进行分配。精度分配时，应根据各子系统所用技术系统的特点进行分配，不应采取平均分配的方法，对于具有数字特征的电、控、检测子系统可按其数字精度直接分配；对于具有模拟量特征的机、电、检测子系统，则可按技术难易程度进行精度分配。在精度初步分配后，要进行误差计算，把各子系统的误差按系统误差、随机误差归类，分别计算，与分配的精度进行比较，进行反复修改，使各部分的精度尽可能合理，总体精度分配的目标是以满足总体精度为约束，使各子系统的精度尽可能低，达到取得最佳性能价格比的目标。 （7）总体设计报告 总结上述设计过程的各个方面，写出总体设计报告，为总体装配图和部件装配图的绘制做好准备。总体设计报告要突出设计重点，将所设计系统的特点阐述清楚，同时应列出所采取的措施及注意事项。 机电一体化总体设计的目的是设计出综合性能最优或较优的总体方案，作为进一步详细设计的纲领和依据。应当指出，总体方案的确定并非是一成不变的，在详细设计结束后，应再对整体性能指标进行复查，如发现问题，应及时修改总体方案，甚至在样机试制出来之后或在产品使用过程中，如发现总体方案存在问题，也应及时加以改进。 7.1.2 产品的使用要求 产品的使用要求包括功能性要求、经济性要求和安全性要求等，产品的性能指标应根据这些要求及生产者的设计和制造能力、市场需求等来确定。 （1）功能性要求 产品的功能性要求是要求产品在预定的寿命期间内有效地实现其预期的全部功能和性能。从设计的角度来分析，功能性要求可用下列性能指标来表达。 ①功能范围。任何产品能实现的功能都有一定范围。一般来说，产品的适用范围较窄，其结构可较简单，相应的开发周期较短，成本也较低，但由于适用范围窄，市场覆盖面就小，产品批量也小，使单台成本增加。相反，如扩大适用范围，虽然产品结构趋于复杂，成本增加，但由于批量的增加又可以使单台成本趋于下降。 合理地确定产品的功能范围，不仅要考虑用户的使用要求，还要考虑经济上的合理性，应综合分析市场、技术难度、生产企业的实力等多方面因素进行决策。在所有影响因素中，最难于准确获得的是市场需求与功能范围之间的关系。如果能准确获得这一关系，就不难采用优化的方法做出最优决策。对于单件生产的专用机电一体化设备，则直接满足用户要求就可以了。 ② 精度指标。产品的精度是指产品实现其规定功能的准确程度，它是衡量产品质量的重要指标之一。精度指标需依据精度要求来确定，并作为产品设计的一个重要目标和用户选购产品的主要参考依据。一般情况下，精度越高，制造成本也越高。另一方面，精度降低可使 111
成本和价格降低，导致产品销量增加，但在精度降低后，产品的使用范围将会随之缩小，又可能导致产品销量下降。因此，合理的精度指标确定是一个多变量优化问题，需要在确定了精度与成本、价格与销量关系后，才可进行优化计算，做出最优决策。 ③ 可靠性指标。产品的可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。规定的条件包括工作条件、环境条件和储存条件；规定的时间是指产品使用寿命期或平均故障间隔时间；完成规定的功能是指不发生破坏性失效或性能指标下降性失效。 可靠性指标对成本、价格和销量的影响与精度指标类似，因此也需要在确定了可靠性与成本、价格与销量基本关系后，才能对可靠性指标做出最优决策。应当指出，当由于产品可靠性的增高使得“规定的时间”超过产品市场寿命期（即产品更新换代周期）时，继续提高可靠性是没有意义的。 ④ 维修性指标。就当前的制造水平而言，在大多数情况下产品的平均故障间隔时间还都小于使用寿命期，还需要通过修理来保证产品的有效运行，以便在整个寿命期内完成其规定的功能。 维修可分为预防性维修和修复性维修。预防性维修是指当系统工作一定时间后，在尚未失效时所进行的检修；修复性维修是指产品在规定的工作期内因出现失效而进行的维修。 在产品设计阶段充分考虑维修性要求，可以使产品的维修度明显增加，例如可把预计维修周期较短的局部或环节设计成易于查找故障、便于拆装等便于维修的结构。维修性指标一般不会增加成本，不受其它要求的影响，因此可按充分满足维修性要求来确定，并依据维修性指标来确定最合理的总体结构方案。 （2）经济性要求 产品的经济性要求是指用户对获得具有所需功能和性能的产品所需付出的费用方面的要求。该费用包括购置费用和使用费用，用户总是希望这些费用越低越好。 ① 购置费用。影响购置费用的最主要因素是生产成本，降低生产成本是降低购置费用的最主要途径。在满足功能 性要求和安全性要求的前提下，成本越低越好。成本指标一般按价格和销量关系定出上限，作为衡量设计是否满足经济性要求的准则。 在设计阶段降低成本的主要方法有：合理选择各零、部件和元、器件的工作原理和结构；充分考虑产品的加工和装配工艺性，在不影响工作性能的前提下，尽可能简化结构，力求用最简单的机构或装置取代非必需的复杂机构或装置，去实现同样的预期功能和性能；采用标准化、系列化和通用化的零件和器件，缩短设计和制造周期，降低成本。 ② 使用费用。使用费用包括运行费用和维修费用，这部分费用是在产品使用过程中体现出来的。在产品设计过程中，一般采取下述措施来降低使用费用：提高产品的自动化程度，以提高生产率，减少管理费用及劳务开支等；选用效率高的机构、功率电路或电器，以减少动力或燃料等的消耗；合理确定维修周期，以降低维护费用。 （3）安全性要求 安全性要求包括对人身安全的要求和对产品安全的要求。前者是指在产品运行过程中，不因各种原因（如误操作等）而危及操作者或周围其他人员的人身安全；后者是指不因各种原因（如偶然故障等）而导致产品被损坏甚至永久性失效。安全性指标需根据产品的具体特点而定。 为保证人身安全常采取的措施有：①设置安全检测和防护装置，如数控机床的防护罩、互锁安全门，冲压设备的光电检测装置，工业机器人周围的安全栅等。②产品外表及壳罩等应倒角去毛刺，以防划伤操作人员。③在危险部位或区域设置警告性提示灯或安全标语等。④当控制装置和被控对象为分离式结构时，两者之间的电气连线应埋于地下或架在高空，并用钢管加以保护，以防导线绝缘层损坏而危及人身安全。 为保证产品安全常采取的措施有：①设置各种保护电器，如熔断器、热继电器等。②安装限位装置、故障报警装置和急停装置等。③采用状态检测及互锁等方法防止因误操作等所带来的危害。
