机电一体化系统的机电有机结合分析与设计
机电一体化系统设计
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。
机电一体化系统概述
机电一体化系统概述机电一体化系统（Mechatronics System）是指将机械工程、电子工程和控制工程有机结合的一种综合性系统。
它融合了机械结构、传感器、执行器、电机、电子元件、控制系统和计算机等多种技术手段，实现了机械运动、能量转换和信息处理的一种智能化系统。
机电一体化系统的应用领域非常广泛，如机械制造、自动化生产线、汽车工业、航天航空、能源设备等。
机电一体化系统的组成包括多个子系统，如机械结构子系统、电子子系统、能源子系统和控制子系统等。
机械结构子系统主要由机械传动装置、机构部件和传感器等组成，它们协同工作，通过运动变换和能量转换实现特定的机械功能。
电子子系统则负责信号的采集、处理和控制执行器的工作，例如传感器可以感知环境信息，电机可以驱动机械运动。
能源子系统则是为整个系统提供能量，例如电源、电池或气压等。
控制子系统是机电一体化系统的“大脑”，通过对信号的处理和控制算法的实现，实现系统的自动化和智能化。
机电一体化系统的设计和开发需要考虑多种因素。
首先，需要对系统所应用的工作环境进行充分的分析和调研，包括温度、湿度、振动、噪声等，以便选择合适的机械结构和电子元件。
其次，需要对系统的功能要求进行明确，包括速度、精度、负载承载能力等。
此外，还需要对系统的可靠性、可维护性和安全性等进行全面的考虑。
机电一体化系统的应用领域非常广泛。
在机械制造领域，它可以用于自动化生产线的搬运、组装和装配等工作，提高生产效率和质量。
在汽车工业中，机电一体化系统可以实现汽车的自动驾驶和智能控制，提高行车安全性和舒适性。
在航天航空领域，机电一体化系统可以用于飞行器的导航、定位和控制，实现飞行器的自主飞行。
在能源设备领域，机电一体化系统可以用于风力发电、太阳能发电和水力发电等，提高能源利用效率和环境保护。
总之，机电一体化系统是一种综合性的系统，将机械工程、电子工程和控制工程有机结合，实现了机械运动、能量转换和信息处理的一种智能化系统。
对机电一体化的分析和认识
对机电一体化的分析和认识机电一体化是指机械与电气技术的有机结合，通过机械结构和电气设备的相互配合和协同工作，实现自动控制和智能化的生产过程。
在现代工业生产中，机电一体化的应用越来越广泛，不仅提高了生产效率和质量，还降低了生产成本和劳动强度。
本文将对机电一体化进行分析和认识。
首先，机电一体化实现了生产线的自动化控制。
通过自动化设备和控制系统的集成，生产过程中的各个环节可以实现自动化操作和控制，大大提高了生产效率。
例如，传统的装配线需要工人手动操作进行零部件的装配，而机电一体化装配线可以通过自动化机械臂实现零部件的拿取和装配，减少了工人的劳动强度，提高了装配速度和装配质量。
其次，机电一体化实现了生产过程的智能化。
通过集成传感器、计算机和控制系统等技术，机电一体化设备可以实现对生产过程的实时监测和控制。
例如，在一条机电一体化的智能化生产线上，传感器可以实时监测到零部件的位置和质量，计算机可以根据监测数据做出相应的控制决策，调整机械臂的位置和力度，以确保零部件的正确装配和质量标准的达到。
再次，机电一体化降低了生产成本。
传统的生产方式通常需要大量的人工操作和人力资源，而机电一体化设备可以大幅度减少人工操作，降低了人力成本和劳动强度。
此外，机电一体化设备由于集成了传感器和控制系统，可以实现对生产过程的自动监测和调整，减少了零部件的损耗和生产误差，进一步降低了生产成本。
最后，机电一体化还提高了产品的质量和稳定性。
通过自动化设备和智能化控制，机电一体化可以实现对产品质量的实时监测和调整。
例如，在一条机电一体化的生产线上，传感器可以检测到产品的尺寸和外观等关键参数，计算机可以根据检测数据对生产过程进行实时控制，确保产品的质量达到标准要求。
此外，机电一体化设备的稳定性也能够降低产品出现故障和质量问题的概率，提高产品的可靠性和使用寿命。
综上所述，机电一体化在现代工业生产中具有重要的意义。
它不仅实现了生产线的自动化控制和智能化，提高了生产效率和质量，降低了生产成本和劳动强度，还提高了产品的质量和稳定性。
机电一体化概述
单元一机电一体化概述1. 1. 1机电一体化的定义“机电一体化是在机械主功能、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。
”“机电一体化”是将机械技术、微电子技术、信息技术等多门技术学科在系统工程的基础上相互渗透、有机结合而形成和发展起来的一门新的边缘技术学科。
1. 1. 3机电一体化的内容机电一体化包含了技术和产品两方面的内容，首先是指机电一体化技术，其次是指机电一体化产品。
1. 1. 4机电一体化的特点机电一体化产品的显著特点是多功能、高效率、高智能、高可靠性，同时又具有轻、薄、细、小、巧的优点，其目的是不断满足人们生产生活的多样性和省时、省力、方便的需求。
1. 2机电一体化系统的基本组成1. 2. 1机电一体化系统的功能组成传统的机械产品主要是解决物质流和能量流的问题，而机电一体化产品除了解决物质流和能量流以外，还要解决信息流的问题。
机电一体化系统的主要功能就是对输入的物质、能量与信息(即所谓工业三大要素)按照要求进行处理，输出具有所需特性的物质、能量与信息。
机电一体化系统的主功能包括变换(加工、处理)、传递(移动、输送)、储存(保持、积蓄、记录)三个目的功能。
主功能也称为执行功能，是系统的主要特征部分，完成对物质、能量、信息的交换、传递和储存。
机电一体化系统还应具备动力功能、检测功能、控制功能、构造功能等其他功能。
加工机是以物料搬运、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)。
动力机，其中输出机械能的为原动机，是以能量转换为主，输入能量(或物质)和信息，输出不同能量(或物质)的系统(或产品)。
信息机是以信息处理为主，输入信息和能量，主要输出某种信息(如数据、图像、文字、声音等)的系统(或产品)。
1. 2. 2机电一体化系统的构成要素机电一体化系统一般由机械本体、传感检测、执行机构、控制及信息处理、动力系统等五部分组成，各部分之间通过接口相联系。
浅谈机电一体化系统设计的目标和方法
ＯＣＣＵＰＡＴＩＯＮ121 2010 7机电一体化，是在微型计算机为代表的微电子技术、信息技术迅速发展并向机械工业领域迅猛渗透，以及与机械电子技术深度结合的现代工业的基础上，综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术和软件编程技术等群体技术，即实现多种技术功能复合的最佳功能价值系统工程技术。
一、现代机械的机电一体化目标1.提高精度机电一体化技术使机械传动部件减少，因而使由机械磨损、配合间隙及变形而引起的误差大为减小。
同时，由于机电一体化技术采用电子技术实现自动检测和自动控制，校正和补偿由各种干扰因素造成的动态误差，从而达到单纯机械装备所不能实现的工作精度。
2.增强功能现代高新技术的引入，使机械产品具有多种复合功能，成为机电一体化产品和系统的一个显著特点。
3.提高生产效率机电一体化系统可以有效地减少生产准备时间和辅助时间，缩短新产品的开发周期，提高产品的合格率，减少操作人员，从而提高生产效率，降低生产成本。
4.节约能源，降低能耗通过采用低能耗的驱动机构、最佳调节控制和提高能源利用率等措施，机电一体化产品和系统可以取得良好的节能效果。
5.提高安全性、可靠性机电一体化系统通常具有自动检测、监控子系统，因而可以对各种故障和危险自动采取保护措施并及时修正参数，提高系统的安全可靠性。
6.改善操作性和实用性机电一体化系统的各相关子系统的动作顺序和功能协调关系由控制系统决定。
随着计算机技术和自动控制技术的发展，可以通过简便的人机界面操作，实现复杂的功能控制和良好的使用效果。
7.减轻劳动强度，改善劳动条件减轻劳动强度包括繁重的体力劳动和复杂的脑力劳动。
机电一体化系统能够由计算机完成设计制造和生产过程中极为复杂的人的智力活动和资料记忆查找工作，同时又能通过过程控制自动运行，从而替代人的紧张和单调重复操作以及在危险环境下的工作。
8.简化结构，减轻重量机电一体化系统采用先进的电力电子器件和传动技术，替代老式笨重的电气控制和机械变速结构，由微处理器和集成电路等微电子元件和程序逻辑软件，完成过去靠机械传动链来实现的关联运动，从而使机电一体化产品和系统的体积小，结构简化，重量减轻。
对机电一体化的分析和认识
对机电一体化的分析和认识
机电一体化是把机械工程技术与电子技术及自动控制技术有机结合的
技术，是解决实际问题的有效方法之一、它可以提高产品的安全性、可靠性，降低其成本，可以满足客户更高的要求，还可以更好地提高效率。
机电一体化可以分为两个方面：机械和电子。
机械方面，一般指设计、制造过程中的机械设备，例如机床、安装等；电子方面，一般指电子元件、半导体、PCB板等，它们可以实现数据采集、信号处理、控制等功能。
机电一体化不仅要求机电2个领域间有着协作与配合，而且要求信息
共享与整合。
因此，在机电一体化设计过程中，要有充分的计算机服务，
以实现信息流动、数据交换与资源共享的功能。
同时还要解决软硬件的兼
容性问题，让机电一体化的系统具有可靠性、可维护性和可扩展性。
另外，机电一体化还应用于各个领域，如工厂自动化设备、汽车电子、航空航天、军工、医疗保健等。
这些应用需要有一定的技术标准和现代化
的设计方法，以确保产品质量可靠，并确保安全性和可靠性。
机电一体化技术已经发展成为一种有效的技术，它可以使设备的使用
更加安全可靠，同时可以有效地提高效率和节约能源。
简述机电一体化系统的特点
简述机电一体化系统的特点机电一体化系统是指将机械、电子、控制、计算机等技术有机地结合在一起，形成一个整体化的系统。
它的特点主要有以下几个方面：1. 高度集成化机电一体化系统是由多个技术领域的专业技术人员共同设计、开发和制造的，因此它具有高度集成化的特点。
在机电一体化系统中，机械、电子、控制、计算机等技术相互融合，形成一个整体化的系统，各个部分之间紧密联系，相互协调，实现了高效的工作流程。
2. 高度自动化机电一体化系统具有高度自动化的特点。
在机电一体化系统中，各个部分之间通过计算机控制实现自动化操作，减少了人工干预，提高了生产效率和产品质量。
同时，机电一体化系统还具有自动检测、自动报警、自动维护等功能，能够及时发现和解决问题，保证了系统的稳定性和可靠性。
3. 高度智能化机电一体化系统具有高度智能化的特点。
在机电一体化系统中，计算机控制系统能够实时监测和分析各个部分的工作状态，根据实际情况进行智能调整和优化，提高了系统的运行效率和生产效益。
同时，机电一体化系统还具有智能诊断、智能预测等功能，能够预测和避免故障，提高了系统的可靠性和稳定性。
4. 高度可靠性机电一体化系统具有高度可靠性的特点。
在机电一体化系统中，各个部分之间通过计算机控制实现自动化操作，减少了人工干预，降低了故障率。
同时，机电一体化系统还具有自动检测、自动报警、自动维护等功能，能够及时发现和解决问题，保证了系统的稳定性和可靠性。
5. 高度灵活性机电一体化系统具有高度灵活性的特点。
在机电一体化系统中，各个部分之间通过计算机控制实现自动化操作，能够根据不同的生产需求进行灵活调整和优化，提高了生产效率和产品质量。
同时，机电一体化系统还具有智能诊断、智能预测等功能，能够预测和避免故障，提高了系统的可靠性和稳定性。
机电一体化系统是一种高度集成化、高度自动化、高度智能化、高度可靠性和高度灵活性的系统，它能够提高生产效率和产品质量，降低生产成本和故障率，是现代制造业发展的重要趋势。
机电一体化复习题
第一章绪论1.机电一体化的2个狭义概念、1个广义概念狭义：（1）机电一体化是利用计算机的信息处理功能对机械进行各种控制的技术。
（2）机电一体化是利用电子、信息（包括传感器、控制、计算机等）技术使机械柔性化和智能化的技术。
广义上可以简要概括为“机械工程与电子工程相结合的技术，以及应用这些技术的机械电子装路”。
2.机电一体化系统的基本组成与控制方式（1）机电一体化系统的基本组成①机械部分（机构要素）：像机器人的机械手那样实现目标动作。
②执行装路（能量转换要素）：将信息转换为力和能量，驱动机械部分运动。
③传感器（检测要素）：对机械运动结果进行测量、监控和反馈。
④控制装路（控制要素）：对控制信息和反馈信息进行处理，向执行装路发出动作指令。
（下面的图要求会画）控制器IT ----------- L |11，显示務I1—II卫幫机：—o 一!巾‘一执行養置I—「持动机构］一0—》------------------------- 传感毒＜--------------------------图2.2机电一怵化系统的组成（2）控制方式:开环：系统中无位路反馈，也没有位路检测元件。
②闭环：电动机带有速度反馈装路，被控对象装有位移测量元件。
③半闭环：这类系统的位路检测元件不是直接安装在进给系统的最终运动部件上，而是经过中间机械传动部件的位路转换，称为间接测量。
3.对比分析机械调速器与电子调速器(1)机械式调速器利用了著名的离心力原理，完全由机械零件构成，必须在准确得知各零件的重量和摩擦系数的基础上，通过选择和调整重锤及弹簧来进行精确控制。
优点：简单易制，调整及维护比较方便；但是灵敏度和调节特性较差。
且柔性差；(2)电子调速器：与机械调速器相比，电子调速器调速精度高，灵敏度也高，易实现自动化等优点，只要改变设定值和电路或者改变软件就可以选择采用P、I、D PI、PID，甚至更高级的控制，对于实现最佳控制具有很好的柔性。
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作用：考虑了机电参数的有机结合与匹配，有利于减少盲目性和 加快样机的调试和电路参数的确定。
伺服系统基本概念
伺服系统也称之为随动系统，是一种能够跟踪输入的指令进行动作，从 而获得精确的位置、速度或力、力矩输出的自动控制系统。大多数伺服 系统具有检测反馈回路，因而伺服系统是一种反馈控制系统。它是根据 输入的指令值与输出的物理量之间的偏差进行动作控制的，其工作过程 是一个偏差不断产生，又不断消除的动态过渡过程。
设计过程： 1.了解被控对象的特点和对系统的具体要求，通过调查研究制定出系
统的设计方案（初步设计方案） 2.进行定量的分析计算，先是稳态设计计算，后是动态设计计算（详
细的设计方案） 3.样机试验与调试，确定系统的实际电路与实际参数。
此外，设计过程中，要充分注意系统的安全性、可靠性要求。
第6章 机电一体化系统的机电有机结合分析与设计
1
第6章 机电一体化系统的机电有机结合分析与设计
机电一体化
6.1 机电有机结合之一 ——机电一体化系统的稳态设计考虑方法
6.1.1 典型负载分析
(1)典型负载
为便于分析，将具体的负载分解为几种典型负载，使定量设计计算 得以顺利进行
◆ 惯性负载
◆ 弹性负载
◆ 外力负载
◆ 摩擦负载
负载分析的目的：获得负载的综合定量数值，为选择与之匹配的 执行元件及进行动态设计分析打下基础。
4 105
5 104
7 104
20
2
0.040715(kg m2 )
40
2）求Tmeq，根据式(6.8)可知
Temq
30
FL
vA nm
TLnⅡ
/ nm
30
800
nmmz1
60000 nm
4
z1 z2
10(N m)
第6章 机电一体化系统的机电有机结合分析与设计
6.1.2 执行元件的匹配数达到技术要求、执行元件的参 数选择、功率（或转矩）的匹配及过载能力的验算、各主要元部件 的选择与控制电路设计、信号的有效传递、各级增益的分配、各级 之间阻抗的匹配和抗干扰措施等，为后面动态设计中的校正补偿装 置的引入留有余地。
动态设计主要是设计校正补偿装置，使系统满足动态技术指标要 求;通常要进行计算机仿真，或借助计算机进行辅助设计
输入指令 比较元件
控制器
调节 元件
执行元件
输出量 被控对象
测量、反馈 元件
伺服系统基本结构方框图
由两部分组成：
电气控制装置部分 机械执行装置部分
电气控制装置
执行元件
机械执行 装置
传 感 器
伺服系统组成
➢ 在控制信号传递路线上，以执行元件作为接口
➢ 在反馈信号传递路线上，以传感器作为接口
许多机电一体化产品需要对输出量进行跟踪控制，因而伺服系统是 机电一体化产品的一个重要组成部分，而且往往是实现某些产品目 的功能的主体。伺服系统离不开机械技术和电子技术的综合运用， 其功能是通过机电结合才得以实现的，因此，它本身就是一个典型 的机电一体化系统。
i 1
j 1
(6.6) (6.7)
用工程上常用的单位，可将上式改写为
Tekq
30
m i 1
Fi vi
nk
n
Tj
j 1
nj
nk
(6.8)
3) 计算举例。求等效到电动
机轴上的等效转动惯量Jmeq和 等效转矩Tmeq
解：1)求Jmeq ，根据式(6.4)可得
J
m eq
900
2
mA
vA nm
2
Jm
JⅠ
JⅡ
(nⅡ
nm )2
因为
vA
2nⅡ
60
d2 2
nm
z1 z2
mz 2
1000 60
nmmz1 / 60000
nⅡ / nm z1 / z2 d2 mz2 /1000
第6章 机电一体化系统的机电有机结合分析与设计
机电一体化
所以
J
m eq
900
2
400
nm 1 20
60000nm
2
Ek
1 2
J
k eq
k2
J
k eq
m i 1
mi
vi
k
2
n j 1
J
j
j k
2
(6.2) (6.3)
用工程上常用的单位，可将上式改写为
J
k eq
900
2
m i 1
mi
vi nk
2
n j 1
J
j
nj nk
2
(6.4)
式中：nk_——执行元件的转速(r/min)
第6章 机电一体化系统的机电有机结合分析与设计
第6章
机电一体化系统的机电有机结合
分析与设计
第6章 机电一体化系统的机电有机结合分析与设计
机电一体化
本章要求：
了解：机电一体化系统的稳态设计、动态设计及 可靠性、安全性设计。
第6章 机电一体化系统的机电有机结合分析与设计
机电一体化
机电一体化系统的稳态与动态设计
以机电伺服系统为例说明机电一体化系统设计的一般考虑方法。 位置伺服控制系统和速度伺服控制系统的共同点是通过系统执行元件 直接或经过传动系统系统驱动被控对象，从而完成所需要的机械运动。 因此，工程上是围绕机械运动的规律和运动参数对它们提出技术要求的
机电一体化
伺服系统由若干元部件组成 应尽可能选用标准化元部件 拟定系统方案时，首先确定执行元件的类型，然后根据技术条件的 要求进行综合分析，选择与被控对象及其负载相匹配的执行元件。 下面以电动机的匹配选择为例简要说明执行元件的选择方法 匹配选择原则： 总原则：与被控对象的需要相适应。 电动机的额定转速n基本上是所需最大转速
机电一体化
2) 求等效负载转矩Tkeq。设上述系统在时间t内克服负载所作
功的总和为
m
n
W Fivit Tj jt
(6.5)
i 1
j 1
同理，执行元件输出轴在时间t内的转角为
k kt
则执行元件所作的功为
由于W=Wk 故
Wk Tekqkt
m
n
Tekq Fi vi / k Tj j / k
第6章 机电一体化系统的机电有机结合分析与设计
下面以机床工作台的伺服进给系统为例加以说明
机电一体化
图6.1 伺服进给系统示意
1) 求等效转动惯量Jkeq。该系统运动部件的动能总和为
E
1 2
m i 1
mi vi2
1 2
n
J
j
2 j
j 1
(6.1)
设等效到执行元件输出轴上的总动能为
由于E=Ek 故
第6章 机电一体化系统的机电有机结合分析与设计
机电一体化
6.1 机电有机结合之一 ——机电一体化系统的稳态设计考虑方法
6.1.1 典型负载分析
(2)负载的等效换算
被控对象的运动有直线运动和回转运动 被控对象与执行元件有直接联系的，也有通过传动装置联接的。
执行元件的额定转矩（或力、功率）、加减速控制及制动方案的选 择，应与被控对象的固有参数（如质量、转动惯量等）相互匹配。 因此，要将被控对象相关部件的固有参数及其所受的负载（力或转 矩等）等效换算到执行元件的输出轴上，即计算其输出轴承受的等 效转动惯量和等效负载转矩（回转运动）或计算等效质量和等效力 （直线运动）。