机械工程专业课程设计指导书结构设计
序言（编写说明）
随着科学技术不断发展，对工科院校学生的质量要求也在逐步提高，尤其要求机械工程专业学生应对机电一体化系统有较深刻的了解，同时要求学生有较强的综合能力和创新能力。因此，作为联系机械设计理论教学与毕业设计环节的重要的过渡性实践教学手段的专业课程设计环节，对于学生设计能力的初步培养是非常重要的。目前，关于“机电一体化产品结构设计”的相关课程设计指导书尚无成熟的教材。为填补这一教学环节的不足，我们编写了这本指导书。
按照机械工程专业的课程设置，专业课开设了《机械系统设计》、《机械设计方法学》、《微机接口技术》等课程。但因教学时间的限制，不可能每一门专业课都设置课程设计环节。所以，我们在综合上述几门专业课的基本内容上，开设了综合性的课程设计环节。企图通过这个课程设计，使学生能综合运用过去所学理论知识，培养和提高其设计技能，掌握机械产品设计的过程及方法，使学生理论联系实际的分析问题和解决问题的能力得到进一步培养，并为毕业设计打下基础。
本课程设计涵盖包括《机械系统设计》、《机电一体化系统设计》、《机械设计方法学》、《微机接口技术》、《传感器与测试技术》等专业课程的基本内容。在有条件的情况下，利用AutoCAD或CAXA电子图板，还可实现对学生进行现代设计手段的训练。
对于设计的选题，我们力求坚持机电一体化的综合性；力求实用化、通用化。在实施时，改变专业基础课程设计中，全班用同一方案的做法，企图通过从设计方法的角度去引导学生的思路进行创造性设计。
参加本指导书编著者有天津理工大学魏璇（第一、三、四、六章、§2.2）、刘艳玲（第五章）、陆波（§2.1、§2.3、）。魏璇担任主编。限于编者水平，又没有同类教材参考，难免存在缺点和不足，谬误之处恳切希望专家及同行批评指正。
第一章概述
§1.1 机电一体化基本概念
1.1.1机电一体化的定义
机电产品传统的定义为：“由传动件、动力件、执行件及电气和机械控制组成的产品”。随着以大规模集成电路和计算机为代表的微电子技术与信息技术的飞跃发展，形成了将机械技术与微电子技术、信息技术相结合的机电一体化技术，这一技术的运用已使机电产品的功能、性能及制造技术产生了一次飞跃，给传统机电工业带来了巨大变革，出现了机械与微电
子技术相结合的一大类产品。为此，1984年美国机械工程师协会（ASME）将现代机械系统定义为：“由计算机信息网络协调与控制的、用于完成包括机械力、运动和能量流动等动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统”。现在，机电一体化已成为当今世界机械电子工业发展的必然趋势，也是振兴我国机械电子工业的根本途径。图⒈１是机械电子系统各组成部分框图：
图中：机械系统包括
动力单元、传动单元、执
行单元等基本机械部件，
机械系统对其对象可以
完成加工、驱动、测试等
功能；传感器可以接收机
械系统和（或）工作方法
对象及系统外部的各种
参数信号；信号处理器部
分进行信号处理与转换；计算机完成全部信息处理并发出控制信号，经过驱动部分最终作用在机械系统和（或）对象上，完成全部动作（工作）循环。
综上所述，机电一体化技术是多学科、多专业技术相结合的综合性技术，也是今后机械产品的发展方向。
1.1.2 机电一体化系统的功能要求
机电一体化系统的种类繁多，任何一个具体的系统都要完成其具体的使用功能，这是不言而喻的。每个系统的要求也各不相同，但从广义的角度概括起来，机电一体化系统区别于传统机械设备的基本要求为：
⑴精确性要求
提高机电产品的测量精度、机械运动精度、机械电子设备的加工精度等精度要求是机电一体化系统的基本要求。因此设计机电一体化系统时，更多地是从刚度理论（尤其是动态刚度）而不是从度理论出发去进行机械构件设计。同时，机电一体化系统中机械结构的小型化、轻量化、高效率、高可靠性也对零部件的加工、装配提出了更高的精度指标。
⑵数字化要求
对于测量和控制而言，由于模拟量存在与生具来的精度低、抗干扰差等缺陷，因此包括将模拟量控制转变为数字量控制，将目视刻度、模拟量仪表转变为数字显示在内的数字化要求，已经成为机电一体化系统的基本特征。
⑶智能化要求
控制工程理论尤其是模糊控制理论的发展与实际应用，使机电一体化系统具有了主动测量、闭环控制、能够自主分析与决策的智能化特点。因此，设计者应对系统的信号反馈与处理及信号分析与决策有预先的整体考虑。
⑷稳定性和可靠性要求
对机电一体化系统来说，系统工作的稳定性和可靠性要求不仅是针对机械构件，更多地
是针对完成测量、数据传递和控制任务的电子构件而言的。这其中主要包括系统对环境（温度、湿度）的要求、抗干扰性、使用安全性和平均无故障时间等较具体的要求。
⑸小型化和最优化要求
即减小产品的体积和质量，优化结构设计。例如：将台式仪器转变为便携式仪器，增加对环境的适应性。优化传动机构设计，提高平稳性，延长使用寿命等。
1.1.3 机电一体化系统的一般设计过程
机电一体化系统的设计是一个多学科、多专业相结合的设计过程。一般包括如下几个方面：
⑴系统的功能设计
机电一体化系统的功能是用来改变物质、信号或能量的形式、状态、位置或特征，其所实现运动的自由度、轨迹、行程、精度、速度、等性能指标，通常要根据工作对象的性质，特别是根据系统所能实现的功能指标来确定的。进行系统功能设计，首先要构成如图⒈１所示的控制、动力、驱动、执行这四大基本功能，然后由若干功能子系统组成各种具体功能，用户提出的功能要求系统一定要满足，对于多余或过剩功能则应剔除。
⑵系统的总体设计
系统的总体设计的核心是在确定系统功能的基础上构思整机原理方案、确定总体参数和总体布局，其中重要的是从系统的观点出发，把控制、动力、驱动、传感器、执行单元融合起来通盘考虑，需要对不同的方案进行整体评价，力求实现硬件组合的最佳形式，除此之外，各分系统的技术指标也要在此阶段加以确定。
⑶系统的结构设计
部件是可以完成一定功能的整体，部件设计方案可以
有一定的选择性，同时又要满足整体设计的功能要求，即
部件的精度要满足整体精度的分配；部件大小应限制在整
体设计给定的空间内；部件间要有可靠的接口。在此阶段
还要完成部件、零件、接口的设计图及必要的计算。
⑷系统的精度设计
机电一体化系统的精度包括机械精度和信息传递精度
两大部分，机械精度部分有运动精度、传动精度、刚度等；
信息传递精度涉及传感器、A/D、D/A转换器、计算机等电
子设备精度。精度设计的主要任务是分析影响精度的因素，
按不同性质进行误差综合，按照误差对整体精度影响的重
要程度进行精度分配并提出减小误差的解决措施。
⑸系统的可靠性设计
可靠性是在规定条件下和规定时间内，系统完成规定
功能的能力（概率），它用可靠度、失效率、寿命及维修
度和有效度来表征。可靠性设计的核心是减少故障和及时
修复。进行可靠性设计时，要根据系统实际结构与寿命要
求，确定重要零部件的平均无故障工作时间、平均使用寿
