机电一体化机电一体化系统总体设计技术
机电一体化系统的设计与控制
机电一体化系统的设计与控制引言机电一体化系统是现代制造业中不可或缺的重要模块，其设计与控制的高效与准确性对于生产效率的提升至关重要。
本文将介绍机电一体化系统的设计与控制相关的理论和方法，以及应用领域与未来发展方向。
一、机电一体化系统的概述机电一体化系统是将机械、电子、计算机等多个学科领域的知识与技术融合在一起，实现系统化、自动化、智能化的综合系统。
它通过将机械部件、传感器、执行器、电气控制和计算机控制等组合在一起，实现对工业操作的控制和监测。
机电一体化系统的设计与控制主要涉及到传感器、执行器、控制算法、通信协议、数据采集与处理等方面。
二、机电一体化系统的设计1. 传感器的选择与布局传感器是机电一体化系统中重要的组成部分，用于获取实时的物理量信息。
在设计机电一体化系统时，要根据具体的应用需求选择适合的传感器，并合理布局以保证数据采集的准确性和稳定性。
常用的传感器有温度传感器、压力传感器、力传感器等。
2. 执行器的选型与控制执行器是机电一体化系统中负责动作执行的元件，如电机、液压缸等。
在设计机电一体化系统时，要根据需要选择合适的执行器，并进行相应的控制。
常用的控制方法有开关控制、模拟控制和数字控制等。
3. 控制算法的设计与优化控制算法是机电一体化系统中实现对系统运动的控制的核心。
在设计控制算法时，需要综合考虑系统的动力学模型、控制对象和限制条件，并运用优化理论和方法进行算法的设计与优化，以提高系统的性能和稳定性。
三、机电一体化系统的控制机电一体化系统的控制主要包括开环控制和闭环控制两种方式。
1. 开环控制开环控制是指在控制过程中，输出变量不作为输入变量的反馈信号，而仅通过预先设定的控制输入进行控制。
开环控制简单易实现，但在面对外界变化和干扰时缺乏自适应性和稳定性。
2. 闭环控制闭环控制是指在控制过程中，通过与感知到的输出信号进行比较，并将差异作为反馈信号，经过控制器进行处理后再作为控制输入量，以实现对系统输出的精确控制。
机电一体化系统设计最终讲课文档
第一章 绪论
第一节 机电一体化的定义 第二节机电一体化系统设计的目标与方法 第三节 机电一体化的相关技术 第四节机电一体化系统的基本功能要素 第五节 本课程的目的和要求
现在七页，总共三百二十六页。
现在八页，总共三百二十六页。
第一节 机电一体化的定义
传统机械：主要以力学为理论基础，以经验为实践 基础；
现在三十一页，总共三百二十六页。
第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
现在三十二页，总共三百二十六页。
第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
现在三十三页，总共三百二十六页。
第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
现在三十四页，总共三百二十六页。
第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
机械本体（机械系统）
提高生产效率
节约能源，降低能耗
提高安全性、可靠性
现在十三页，总共三百二十六页。
第二节 机电一体化系统设计 的目标与方法
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 降低价格 增强柔性应用功能
现在十四页，总共三百二十六页。
第二节 机电一体化系统设计 的目标与方法
机电一体化技术方向
现在三十六页，总共三百二十六页。
第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
传感检测单元 对系统运行过程中所需要的本身和外界环 境的各种参数及状态进行检测，并转换成 可识别信号，传输到控制信息处理单元， 经过分析、处理产生相应的控制信息。 对其要求是体积小、便于安装与联接、检 测精度高、抗干扰
现在三十七页，总共三百二十六页。
第三节 机电一体化的相关技术
自动控制技术 自动控制技术的目的在于实现机电一体化 系统的目标最佳化。 机电一体化系统中的自动控制技术主要包 括位置控制、速度控制、最优控制、自适 应控制、模糊控制、神经网络控制等。
机电一体化系统总体设计-设计过程示例
P-N5 250t座式焊接变位机 德国诺威尔重型机器制造有限公司
HB-60t型焊接变位机 成都焊研威达自动焊接设备有限公司
两自由度变位机 意大利Innse-Berardi公司
加氢反应器的两自由度变位机 法国Framatome公司
b.概念设计
2）工艺可实现性
概念设计
5）避免不良 结构性
概念设计：通 过构思确定设 计任务和用简 图形式表达的 设计问题的一 个求解轮廓。
启 动 、
变 速
仪 表 显
照 明
其 他
换
递 与 分
铲 斗
推 压
移停
示
动止
）（
配
制
动
）
3、功能元组合——相容矩阵法
方案序号
1
2
分功能
A
推压
齿条
钢丝绳
B
铲斗
正铲斗
反铲斗
C
提升
油缸
绳索
D
回转
内齿轮传动 外齿轮传动
E
能量转换
柴油机
F 能量传递与分配 齿轮箱
油泵
G
制动
带式制动 阐瓦制动
H
变速
液压式
齿轮式
I
行走
θ3
K
F0 2 B
x3 GK α
1
y3
D η
G1：滑块的重力
F2 1 θ 2
x2 G2：引导螺丝的重力
GK：各运动部件的重力
C
θ1
F0 1
y2
G1
F1 2
G2 x0
x1
y0 y1
A
液压缸驱动曲柄摇块机构方案
液压缸驱动曲柄摇块机构方案
第二讲-机电一体化系统总体方案设计
③ 伺服驱动系统的工作可靠性直接影响整个系统的可靠性。
④ 伺服驱动系统的成本对系统的成本影响很大。 ⑤ 伺服驱动系统对系统的噪声、对环境的影响起决定作用。
1.4 控制系统方案设计
1、 伺服驱动方案设计 （2）对伺服驱动系统的要求
① 好的动、静态指标。
② 合理的结构，体积小、重量轻。
③ 高效率、低功耗。
2、计算机控制系统方案
（2）基于系统规模的控制方案设计
①分级控制
特点：功能分散、任务分散、维护容易、可靠性高，适用于 回路较多的控制系统。 上位机：实现命令及数据的输入、状态显示，接受下位机反 馈回来的信息，经过轨迹规划、控制算法，向下位机发出控 制命令。 下位机：接受上位机发来的信息并向上位机反馈工作状态， 完成反馈信息采样、滤波算法、伺服控制算法和控制信号的 输出。
① 总体结构方案设计：包括总体结构方案设计、布局及外
观设计等内容。
② 驱动方案设计： 包括传动方案设计、驱动方式设计和驱
动元件选择等内容。
③ 控制方案设计： 包括计算机控制方案设计、伺服控制方
案设计和接口方案设计等内容。
④ 人机工程设计： 包括人机接口设计和人机环境设计等内
容。
⑤ 可靠性设计： 包括系统可靠性和人机安全性设计及评价
1.5 可靠性设计
（4）冗余设计
冗余设计也成为储备设计，常用的方法有： ①在满足产品性能要求的前提下，尽可能简化产品结构，次 要部件和不必要的复杂机构只会增加产品发生故障的概率。 ②提高产品各部件的可靠性。 ③在可靠性低的部件上使用并联储备。 ④采用冷储备，即在部件出现故障时，由备用部件自动转入 工作。 ⑤维修维护，即更换或修理故障部件，与冷储备不同之处， 在于部件不是自动转入工作。 ⑥预防性维修，即不论部件是否发生故障，到了一定的工作 周期均用新部件取代旧部件。
机电一体化系统设计
1. 机电一体化技术（或产品）的定义定义：在机械的主功能，动力功能，信息功能，控制功能基础上引入微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机的结合所构成的系统的总称。
2. 机电一体化系统或产品设计的目的是什么？主要目的：增加机械系统或产品的附加值和自动化程度3. 机电一体化系统（产品）的主要构成单元或组成部分有哪些？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4、简述机电一体化系统或产品的机电结合（融合）设计方法。
机电结合设计方法是将个组成要素有机的结合为一体而构成专用或通用的功能部件，其要素之间机电参数的有机匹配比较充分5、简述机电一体化系统（产品）的机电组合设计方法，特点是什么？。
机电一体化系统的机电组合设计方法是将用结合法制成的功能部件，功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统，特点是可以缩短设计与研制周期，节约工装设备费用，且有利于生产管理，使用和维修。
6. 机械传动系统在机电一体化系统（产品）中的基本功能和作用是什么？机械传动系统在机电一体化系统中的基本功能是传递力/转矩和速度/转速。
实质上是一种转矩，转速变换器。
作用是使执行原件与负载之间在转矩和转速方面达到合理的匹配。
7. 简答机电一体化机械传动的主要功能，目的，基本要求。
功能：传递力/转矩和速度/转速目的：使执行元件与负载之间在转矩和转速方面达到合理的匹配。
基固本要求：转动间隙小，精度高，体积小，重量轻，运动平稳，传动转矩大。
8. 机电一体化系统（产品）的机械部分与一般机械系统相比，应具备哪些特殊要求？1.较高的定位精度。
2.良好的动态响应特性－响应快，稳定性好，收敛时间合理。
3。
无间隙，低摩擦，低惯量，大刚度。
4。
高的消振频率，合理的阻尼比。
9. 简述滚珠丝杠传动装置的组成，结构和应用特点。
滚珠丝杠传动装置的组成由带螺旋槽的丝杆，螺母，滚动元件，回珠装置组成。
结构：丝杆轻动时，带动滚珠螺纹滚道滚动，为阻止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端没有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠滚动的闭合通路。
机电一体化系统总体设计与实例分析-智能洗衣机
实例运行效果测试与分析
测试目的
对智能洗衣机的各项功能进行测试，验证其性能和可靠性。
测试方法
按照标准操作程序，对洗衣机的各项功能进行测试，记录数据并进行 分析。
测试结果
经过测试，智能洗衣机在各项功能指标上均表现出色，具有高效、稳 定的性能。
结果分析
通过对测试结果的分析，可以得出智能洗衣机在设计和制造过程中充 分考虑了用户需求和使用场景，具有较高的实用性和可靠性。
网络化
通过物联网、云计算等技术， 实现远程监控、故障诊断和协 同作业。
绿色化
注重环保和节能，推广可再生 能源和资源循环利用。
03 智能洗衣机系统设计
智能洗衣机系统概述
智能洗衣机系统是一种集成了机 械、电子、控制和信息技术的自 动化设备，用于完成洗衣、漂洗、
甩干和烘干等任务。
智能洗衣机系统具有自动化、智 能化、高效节能和环保等特点， 能够满足现代家庭和工业生产的
机电一体化系统总体设计与实例分 析-智能洗衣机
目 录
• 引言 • 机电一体化系统概述 • 智能洗衣机系统设计 • 智能洗衣机实例分析 • 结论与展望
01 引言
主题介绍
智能洗衣机
随着科技的发展，智能家电已经成为人们日常生活的重要组成部分。智能洗衣机作为其中的代表，具有自动化、 智能化、高效节能等特点，为人们提供了更加便捷、舒适的洗衣体验。
需要。
智能洗衣机系统的设计需要综合 考虑机械结构、控制系统、人机
交互和可靠性等方面的因素。
智能洗衣机系统硬件设计
电机
传感器
电机是智能洗衣机系统的核心部件，用于 驱动洗衣机的各种运动部件，如波轮、滚 筒等。
传感器用于检测水位、温度、重量等参数 ，并将数据反馈给控制系统，以 结论与展望
二、机电一体化技术的基本原理和特点
二、机电一体化技术的基本原理和特点
机电一体化技术是一个跨学科的领域，它将机械工程、电子工程、计算机科学等多个领域的知识融合在一起，以实现各种自动化和智能化的应用。
本文将重点介绍机电一体化技术的基本原理和特点。
一、基本原理
1.系统总体效应：机电一体化系统是由多个子系统组成的复杂系统，每个子
系统都有其特定的功能和作用。
系统总体效应是指通过合理地设计、优化和协调各个子系统，以实现整个系统的最优性能。
2.能量传递：机电一体化系统中的能量传递是指将其他形式的能量转化为机
械能或电能。
例如，电动机将电能转化为机械能，发电机将机械能转化为电能。
3.信息控制：信息控制是机电一体化系统的核心，它是指通过电子和计算机
技术实现信息的采集、处理、传输和显示等功能，以实现对机械系统的精确控制。
4.执行机构：执行机构是指将电能或其它形式的能量转化为机械能的装置，
例如电动机、液压缸等。
执行机构是实现机械系统运动和动作的关键部分。
二、特点
1.高度智能化：机电一体化技术通过引入人工智能、机器学习等技术，使得
系统能够自主决策、自主学习，具有高度智能化的特点。
2.高精度：机电一体化系统中的传感器、控制器等设备具有高精度、高稳定
性的特点，能够实现对机械系统的精确控制，提高产品的质量和生产效率。
3.快速响应：机电一体化系统中的伺服控制系统能够快速地响应输入信号，
调整执行机构的状态，实现快速的运动和动作。
4.可扩展性：机电一体化技术可以通过模块化设计，方便地扩展系统的功能
和规模，满足不同领域的需求。
机电一体化系统设计第7章机电一体化系统总体设计
1
9.1 系统原理方案设计
一、功能分析设计法
一切从系统的功能出发， 将设计任务抽象化 1、为什么要抽象化？
复杂的设计 分析 抽象 简单的模式
突出基本的、必要的 要求，摈弃偶然情况 和枝节问题，便于抓 住设计问题核心
避免构思方案前形成 的条条框框，放开视 野，寻求更为理想的 设计方案
此外还有一些原则，如：合理力流原则、变形协调原则、 变形最小原则、平均效应原则、稳定性原则等。
18
9.3 机电一体化系统的评价
机电一体化的一个主要目的是提高产品的附加 价值，因而附加价值就成为机电一体化系统的综 合评价指标。 机电一体化系统的评价内容 ：
机电一体化系统
高附加价值化
主功能
高性能化
样机的试验分为实验室试验和实际工况试 验，通过试验考核样机的各种性能指标是否 满足设计要求，考核样机的可靠性。如果样 机的性能指标和可靠性不满足设计要求，则 要修改设计，重新制造样机，重新试验。如 果样机的性能指标和可靠性满足设计要求， 则进入产品的小批量生产阶段。
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五、小批量生产
产品的小批量生产阶段实际上是产品的试生产试销 售阶段。这一阶段的主要任务是跟踪调查产品在市场 上的情况，收集用户意见，发现产品在设计和制造方 面存在的问题，并反馈给设计、制造和质量控制部门。
总功能
分功能
分功能的原理方案
5
Ⅰ层
总功能
1
23
Ⅱ层 1.1 1.2 1.3
3.1 3.2
Ⅲ层 1.2.1 1.2.2
3.1.1 3.1.2
功能结构示意图
6
最小的基本分功能或满足功能要求的最小单位称之为功能元。
机电一体化系统基本功能元 物理功能元：变换、合并分离、传导隔阻、储存 逻辑功能元：与、或、非 数学功能元：加、减、乘、除、乘方、开方、微分、积分
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1． 在设计前进行的市场信息调查中，用户在提出设备或产品的设计要求
时，往往只提出使用要求，设计技术人员必须将使用要求转换成设计 工作所需要的技术参数和技术指标，这项工作有时很复杂，需要首先 进行原理方案设计，进行大量的实验研究，通过实验研究分析整理， 再制定机电系统设计技术参数和技术指标。
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6. 在设计机电一体化系统中，为了选用最佳的功能单元实施原理方案，
可以通过以下几种途径，实现正确合理的选择。 (1) (2) (3) 根据设计要求，详细分析，借助于其他产品设计功能单元原理方
7. (1) 在设计机电一体化系统（或产品）中，在满足设计要求的条件下，
要考虑附加要求 (2) 在设计中所选择的功能单元，应从全局考虑，综合设计，互相补
图2-3 正弦压力发生器主要功能结构
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(2) 标定频率控制系统。 标定频率控制系统由计算机、控制板、接口电路、电机驱动器、步进电动机
组成，如图2-4
图2-4 标定频率控制系统
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(3) 压力源调节系统。压力源调节系统由高压气瓶、过滤器、减压阀、 高压电磁阀组成。如图2-5
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3. 计算功能是由程序实现计算微分、积分、滤波、信号分析、信号处理
4. 机械结构是根据机电一体化系统（或产品）的功能需求设计的，有组
合结构，整体结构，立式结构，框架结构，装置主体等功能单元。
5. 在设计任何类型的机电一体化系统（或产品）中操作使用单元是十分
重要的，是根据产品特点，使用特点，外形美观而设计的操作使用单 元。
图2-1 定系统设计中常用的基本功能单元可分为:物理功能单元、 逻辑功能单元、数学功能单元、机械结构功能单元、操作使用单元等
1. 可以实现不同形式的能量之间的变换单元，例如：把物理信号利用不
同的传感器转换为电信号，把电能转换为机械能等。在设计中根据具 体要求，确定物理功能单元。 2. 根据机电一体化系统工作状态、工作方法、设计的控制系统，按照事 先设计的逻辑关系实现，逻辑关系与操作方式、顺序、安全性、可靠 性，抗干扰性有关。
第二章 机电一体化系统总体
第一节 机电一体化系统总体设计概述 第二节 机电系统设计技术参数与技术 第三节 机电一体化系统原理方案设计 第四节 机电一体化系统结构方案设计
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第五节 机电一体化系统总体布局与应 用设计
第六节 机电一体化系统总体设计
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第一节 机电一体化系统总体设计概述
结构图，无论系统多么复杂，功能结构的设计工作都可以有计划、有 步骤、有条不紊地进行。系统规模再大、再复杂的系统、均可以按功 能单元分解，设计出单元功能结构图，为系统总体设计提供了详细的
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第三节 机电一体化系统原理方案设计
一、 机电一体化系统原理方案设计分析
在机电一体化系统总体设计中，所设计的机电系统技术性能和功能不 同、使用要求不同、设计方案不同、所选用的单元部件不同、设计的 原理方案更不同，所以，原理方案设计没有确定的格式可采用。
二、
机电一体化系统是由多个功能单元组成的。系统功能就是指输入量与 输出量之间的关系，利用功能简图方式表示，有利于设计和分析信号 的传输过程。如图2-1。由检测传感器，放大器，控制器部分组成检
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2. 机电系统的控制量是指输入量、输出量所包括是能量流、信息流。这
些量本身的性质，特点，尺寸等都可能成为系统技术参数与指标的确 定依据。 3. 机电一体化系统的主要特点是精度高，可靠性好。为了保证系统的精 度，在总体设计时，必须以保证输出量的精度作为主要技术指标为依 据。 4. 在机电一体化系统设计中，对于系统本身的技术参数及性能指标考虑 的比较多，对于应用条件考虑的较少，直接影响到系统的应用范围。
(3) 对于体现产品特色的，关键性功能单元，应多采用创造性设计方
(4) 对于实现功能单元，应多提出几种原理方案，以便总体设计评价 择优采用。
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三、 机电一体化系统功能结构图的设计方法
在设计机电一体化系统中，根据所设计的系统按照功能分解：机械单 元，检测单元，控制单元，信息处理单元，执行单元等，最后组合起
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8)
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第二节 机电系统设计技术参数与技术指标 制定方法
一、 机电系统技术参数与技术指标设计分析
机电一体化系统的主要技术参数是能够基本表征该系统的概貌与特征 的。由于机电一体化系统所代表的设备与产品广泛分布在各个领域， 所以不同的系统功能的主要技术参数或技术指标的内容有很大不同。
1 以功能单元为基础，组合成功能结构的方式有三种基本类型，如图
2-2所示，分别为串联结构，并联结构，回路结构。
图2-2 基本功能结构 (a)窜连结构；(b)并连结构；(c)回路结构
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2. 机电系统功能结构图的设计，首先把所设计的系统按系统功能分解，
分析单元功能之间的关系，再设计功能结构图。以压力传感器动态校 准系统为例，说明功能结构图的设计方法。压力传感器动态校准系统 是一个高精度压力传感器动态标定系统，它由发生器主机、压力源调 节系统、标定频率控制系统、标定信号测试系统组成。功能结构图设 (1) 正弦压力发生器主机。 正弦压力发生器主机系统由控制盘、功能盘、压力室组成如图2-3所
机电一体化系统设计的第一环节是总体设计，在具体设计之前，对所 要设计的机电一体化系统的各方面，根据简单、实用、经济、安全、 美观等基本原则，进行综合性设计。其主要设计内容有：主要技术参 数及技术指标的制定，机电系统原理方案设计，结构方案设计，总体 布局与环境设计，总体方案的评价与决策，可靠性设计，安全性设计 等。
图2-5 压力源调节系统
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(4) 标定信号测试系统。 标定信号测试系统由参考传感器、被标传感器、动态电阻应变仪、动
态测试分析仪组成。如图2-6
图2-6 标定信号测试系统
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(5) 正弦压力标定系统功能结构总图。 压力传感器动态标定系统如图2-7所示,按照这种方式，建立系统功能