1章 机械电子系统总体设计
机械电子学-第01章参考答案
机械电子学-第1章习题-参考答案1-1试说明较为人们接受的机电一体化的含义。
（★）答：机电一体化乃是在机械的主功能、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。
1-2机电一体化的目的是什么？答：提高系统的附加价值，即多功能、高效率、高可靠性、省材料省能源，并使产品结构向短小轻薄化方向发展从而不断满足人们生活的多样化和生产的省力化、自动化需求。
1-3机电一体化时代的特征是什么？（★）答：机电一体化时代是以机电有机结合为时代特征，具体的说就是以微型计算机为代表的微电子技术逐步向机械领域渗透，并与机械技术有机的结合，为机械增添“头脑”，使其增加新的功能。
1-4何谓机电一体化技术革命？（★）答：将微型计算机等微电子技术用于机械并给机械以“智能”的技术革新潮流可称“机电一体化技术革命”。
1-5说明我国机电一体化优先发展的领域？答：数控机床等机制设备、电子化量具量仪、工业自动化控制仪表、电子化低压电表、工业机器人、电子化家用电器、电子控制轻工机械、电子控制纺织机械、机电一体化医疗机械、汽车机电一体化、机电一体化办公机械、机电一体化印刷机械、机电控制系统电子化、数码照相机、数码摄影机。
1-6优先发展的机电一体化领域必须同时具备哪些条件？答：a、短期或中期普遍需要；b、具有显著的经济效益；c、具备或经过短期努力能具备必需的物质技术基础；d、社会效益十分显著。
1-7.机电一体化系统有哪些基本要素组成？分别实现哪些功能？（★）答：1-8.工业三大要素指的是什么？（★）答：物质、能量、信息。
1-9.机电一体化的三大效果是什么？答：省能、省资源、智能化。
1-10.说明机电一体化系统（产品）的设计步骤。
答1-11.机电一体化系统（产品）的主要评价内容是什么？答：①、主功能，高性能化、低价格化、高可靠性化；②、计测、控制功能，智能化；③、动力功能，智能化；④、构造功能，轻薄短小化。
《机械电子工程专业导论》
机械电子工程专业《机械电子工程专业导论》课程教学大纲课程名称：机械电子工程专业导论课程编号：0402011A2考核方式：考查学时/学分：32/2适用专业：机械电子工程课程类别/性质：通识教育/必修一、课程目标与定位该课程的教学目标是对学生进行早期的学科知识教育，使学生初步了解机械电子工程学科的知识体系，了解机械电子工程在产品及其设计中的应用，激发学生的专业兴趣，增强学生的专业意识，提高学生的工程意识、工程素质及工程能力，使学生明确专业方向，从而提高后续课程学习的目的性和针对性。
该课程为通识教育的核心知识单元。
二、课程从属项目关系本课程是一门综合性的工程素质教育课程。
课程中以典型机电一体化产品为设计项目，包括一些简单设计—实现项目练习，积累基本的设计—实现经验，后续课程为所有专业课，它们是机械电子工程学科知识体系的核心内容。
三、课程知识、能力、素质培养目标通过本课程的学习，使学生掌握机械电子工程的基本概念、系统组成和实际应用。
了解机械设计制造的基础知识，了解常用的执行机构和驱动装置、系统信息的测量方法、信号处理、嵌入式微处理器的应用。
使学生初步具有应用机械、电子基础知识，对机械电子系统进行总体设计、分析、选型的能力和系统的建造能力。
积累一些基本的设计—实现经验，为学生掌握更高级的产品、过程和系统建造经验做准备。
引导学生形成解决工程问题的思路，培养学生交流沟通、团队协作能力，使学生尽早进入工程师的角色。
四、课程基本内容和学时安排1.绪论（2学时）教学内容：机械、电子、制造、工程的含义；机械电子工程的概念、学科体系；机械电子工程在产品及其设计中的应用；机械电子工程在制造业中的应用。
教学目标：了解机械电子工程的概念，了解机械电子工程学科领域。
重点：机械电子工程的涵义、应用。
难点：机械电子工程学科知识体系。
2.机械电子工程发展简史（2学时）教学内容：机械电子工程与人类社会发展的关系；机械电子工程发展简史；现代机械电子工程发展的具体状况及发展趋势。
电子行业机械电子系统设计
电子行业机械电子系统设计引言随着科技的不断发展，电子行业的机械电子系统在各个领域中变得越来越重要。
这些系统广泛应用于工业自动化、医疗设备、通信设备等领域。
机械电子系统设计是将机械和电子技术结合起来，实现特定功能的过程。
本文将介绍电子行业机械电子系统设计的基本原则、设计流程以及相关工具和技术。
机械电子系统设计的基本原则在进行机械电子系统设计时，需要遵循一些基本原则，以保证系统的可靠性、灵活性和可扩展性。
1. 功能需求分析在设计机械电子系统之前，首先需要明确系统的功能需求。
通过与客户沟通和分析用户需求，确定系统需要实现的功能。
在分析需求时，需要考虑系统的输入输出要求、工作环境以及各个模块之间的关系。
2. 系统架构设计系统架构设计是机械电子系统设计的关键步骤。
在进行系统架构设计时，需要考虑系统的可靠性、性能要求、可扩展性和成本等因素。
通过合理划分系统模块和确定模块之间的通信方式，可以提高系统的稳定性和可维护性。
3. 电源设计电源设计是机械电子系统设计中十分重要的一部分。
在设计电源时，需要考虑系统的功耗、工作电压和电流需求。
合理设计电源电路可以提供稳定的电流和电压来支持系统的正常工作。
4. 信号调理和处理在进行机械电子系统设计时，通常需要对输入信号进行调理和处理。
信号调理包括信号放大、滤波、校准和变换等操作。
通过合理设计信号调理和处理电路，可以提高系统的灵敏度和抗干扰能力。
5. 控制算法设计机械电子系统通常需要通过控制算法来实现所需的工作。
在进行控制算法设计时，需要考虑系统的控制策略、控制精度和响应时间等要求。
合理设计控制算法可以实现系统的自动化控制和优化运行。
机械电子系统设计的流程机械电子系统设计的流程通常包括需求分析、系统设计、电路设计、软件设计、样机制作和测试验证等步骤。
1.需求分析阶段：明确系统的功能需求和性能要求，与客户和用户进行沟通和需求分析，确定设计目标。
2.系统设计阶段：根据需求分析结果，进行系统架构设计和模块划分。
机电一体化系统设计第1章：总论
课程目的： • 本课程从系统的观点出发，讲述了机械系 统和微机控制系统的元部件原理、特点、 设计选用方法，对其静动态特性进行了简
明分析，并从机电有机结合的角度对稳态
设计和动态设计的分析方法做了较详细论
述。旨在培养学生以机为主，以电为辅，
机电有机结合的分析与设计能力
课时分配
• 第1章 总论（4课时）
• 第2章 机电一体化系统的机械系统部 件的选择与设计（9课时）
• 第3章 机电一体化系统执行元件的选 择与设计（6课时） • 第4章 机电一体化系统的微机控制系 统及接口设计（6课时）
• 第5章 机电一体化系统的元、部件的特 性分析（3课时） • 第6章 机电一体化系统的机电有机结合 分析与设计（6课时） • 第7章 常用机械加工设备的机电一体化 改造分析与设计（6课时）
系统 （变换、传递、储存）
具有所需 特性
物 质 能 量 信 息
人
控制
系统的目的功能
• 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），称为加 工机，如各种机床、交通运输机械、食 品加工机械、起重机械、纺织机械、印 刷机械、轻工机械等。
3）有源接口 • 含有有源要素，主动进行匹配，如电磁 离合器、放大器、光电耦合器、D/A和 A/D转换器等； 4）智能接口 • 含有微处理器，可进行程序编制或可适 应性的改变接口条件，如自动变速装置、 通用I/OLSI、GP-IB总线、STD总线等
2、输入/输出功能
1）机械接口 • 根据输入/输出部位的形状、尺寸精度、 配合、规格等进行机械连接，如连轴器等； 2）物理接口 • 受通过接口部位的物理、能量与信息的具 体形态和物理条件的约束，如受电压、频 率、电流、传递扭矩的大小、气体成分 （压力或流量）约束的接口；
机械电子工程设计重点分析
机械电子工程设计重点分析机械电子工程设计是机械工程和电子工程的结合，通过应用电子技术来实现机械设备的自动化和智能化。
其设计重点主要有以下几个方面：1. 机械结构设计：机械电子工程设计的基础是机械结构设计，包括机械零件的设计和装配。
在设计中要考虑机械结构的刚度、强度、稳定性等因素，以保证设备的正常运行和使用寿命。
2. 电子元器件选型和电路设计：电子元器件的选型是机械电子工程设计的关键，要根据实际需求选择合适的元器件，包括传感器、执行器、电机等。
在电路设计中要考虑电源管理、信号调理、数据采集和控制等功能，以实现设备的自动化和智能化。
3. 控制系统设计：控制系统是机械电子工程设计的核心，主要包括传感器、控制器和执行器。
传感器负责收集环境和设备的信息，控制器通过处理和分析信息，控制执行器实现设备的运动和功能。
在设计中要考虑控制系统的响应速度、精度和稳定性等因素，以满足设备的实际需求。
4. 电气布线和连接设计：机械电子设备通常有大量的电气线路和连接，要合理布置和设计电气线路，以减少线路长度、阻抗和干扰。
还要考虑电气连接的可靠性和易维护性，以便于后期维护和升级。
5. 机器人和自动化系统设计：机械电子工程设计通常与机器人和自动化系统密切相关。
在机器人设计中，要考虑机械结构、电子控制、传感器融合等方面，以实现机器人的机械臂运动和感知功能。
在自动化系统设计中，要考虑设备的整体协调性和工艺控制，以实现生产线的高效率和稳定性。
机械电子工程设计的重点是在机械结构设计的基础上，通过电子技术实现设备的自动化和智能化。
在设计中要综合考虑机械、电子、控制等方面的因素，以满足设备高效、稳定和可靠的运行要求。
还要考虑设备的安全性、可维护性和可升级性，以便于后期维护和升级。
机械电子工程设计的发展将为工业和生活带来更多的便利和创新。
机械电子工程课程设计
机械电子工程课程设计一、教学目标本课程的教学目标是使学生掌握机械电子工程的基本概念、原理和应用，培养学生具备一定的创新能力和实践能力，提高学生的科学素养。
1.了解机械电子工程的基本概念、发展历程和应用领域；2.掌握机械电子系统的设计原理和方法；3.熟悉电子元器件的选型和应用；4.理解机械电子工程中的传感技术、控制技术和接口技术。
5.能够运用机械电子工程的基本原理解决实际问题；6.具备机械电子系统设计和调试的基本能力；7.学会使用电子设计自动化（EDA）工具进行电路设计和仿真；8.掌握常用的编程语言，如C、C++、Python等，用于控制程序的开发。
情感态度价值观目标：1.培养学生对机械电子工程的兴趣和热情，激发学生从事相关研究和实践的积极性；2.培养学生具备团队合作精神和沟通协调能力，提高学生的人际交往能力；3.培养学生具备创新意识和批判性思维，鼓励学生勇于尝试和提出新的观点。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括机械电子工程的基本概念、原理和应用，以及相关的技术和方法。
1.机械电子工程概述：介绍机械电子工程的定义、发展历程和应用领域，使学生对机械电子工程有一个整体的认识。
2.机械电子系统设计：讲解机械电子系统的设计原理和方法，包括系统的总体设计、硬件选型、软件设计和系统集成等。
3.电子元器件：介绍常见的电子元器件的原理、特性和应用，如电阻、电容、二极管、晶体管等，以便学生能够进行正确的元器件选型和应用。
4.传感技术：讲解机械电子工程中常用的传感器的工作原理、特性和应用，如温度传感器、压力传感器、光电传感器等，使学生能够选择合适的传感器进行系统检测和控制。
5.控制技术：介绍机械电子工程中的控制原理和方法，包括PID控制、模糊控制、神经网络控制等，培养学生具备控制系统的设计和分析能力。
6.接口技术：讲解机械电子工程中常用的接口技术和通信协议，如串口通信、USB通信、CAN总线等，使学生能够进行正确的接口设计和数据通信。
机电一体化系统总体设计
总结
总结机电一体化系统总体设计的重点和关键要点，并强调设计的成功和应用 前景。
机电一体化系统总体设计
机电一体化系统总体设计是将机电设备与系统设计结合起来，从多个维度考 虑，以满足设计需求。本演示将介绍机电一体化系统总体设计的重要性和方 法。
问题陈述
分析市场需求和现有问题，确定设计中需要解决的关键问题。
市况。
机电一体化系统简介
介绍机电一体化系统的定义、特点和应用范围。
总体设计方法
阐述采用的总体设计方法，包括需求分析、方案选择和设计评估。
总体设计过程
详细讲解机电一体化系统总体设计的步骤和流程，包括系统需求分析、系统选型和系统架构设计。
总体设计结果
展示机电一体化系统总体设计的结果，包括系统结构图、关键技术参数和性能指标。
机械电子初步课程设计
机械电子初步课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握机械电子工程的基本概念，理解机械系统与电子系统的结合原理；2. 培养学生运用物理知识分析机械电子系统的能力，了解常见传感器的工作原理；3. 使学生了解简单的电路原理，能够阅读和分析简单的电路图。
技能目标：1. 培养学生动手操作能力，能够搭建简单的机械电子系统并进行调试；2. 培养学生运用计算机软件（如CAD等）进行机械电子系统设计和电路图绘制的能力；3. 培养学生团队协作能力，能够与他人共同完成复杂的机械电子项目。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对机械电子工程领域的兴趣，激发学生主动探索新知识的热情；2. 培养学生严谨的科学态度，注重实践与理论相结合，提高学生的创新意识；3. 培养学生具备良好的职业道德，尊重他人的知识产权，遵循工程伦理。
课程性质：本课程为机械电子工程专业的一门基础课程，旨在培养学生掌握机械电子系统的基本原理和实际应用。
学生特点：学生具备一定的物理知识和动手能力，但大部分学生对机械电子系统的认识尚浅，需要通过实践和案例学习来提高。
教学要求：注重理论与实践相结合，充分运用案例分析、实验操作等教学方法，提高学生的实际操作能力和创新能力。
同时，注重培养学生的团队协作和职业道德素养。
通过本课程的学习，使学生能够达到上述课程目标，为后续专业课程打下坚实基础。
二、教学内容1. 机械电子系统基本概念：介绍机械电子系统的定义、发展历程和应用领域，结合课本第一章内容，让学生对机械电子工程有整体的认识。
2. 机械系统与电子系统的结合原理：分析机械系统与电子系统结合的原理，以课本第二章为例，讲解常见传感器的工作原理及其在机械电子系统中的应用。
3. 简单电路原理及电路图绘制：讲解基本的电路原理，如欧姆定律、基尔霍夫定律等，结合课本第三章，让学生学会阅读和分析简单的电路图。
4. 机械电子系统设计与实践：运用CAD等软件进行机械电子系统设计和电路图绘制，以课本第四章为参考，指导学生完成实际项目的设计与制作。
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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）
图1－9 机械电子系统(产品)的五大要素实例
4 .机械电子系统构成要素的相互连接
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。
1.4 机械电子系统构成要素的相互连接
三、接口功能 广义的接口功能：
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
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。
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
信息机——以信息处理为主，输入信息 和能量，主要输出某种信息
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
图1－6 系统五种内部功能
目的功能：搬运、加工、处理毛坯
主功能
构造功能
检测功能 控制功能
动力功能
图1－7 CNC机床的内部功能构成
图1－8 机械电子系统(产品)的五大要素及其相应的五大功能
需研究的问题：软件开发与应用；接插件技术；通用接口与数 据总线标准化；控制系统成套性和成套设备自动化；软件标准 化等。
3.机械电子系统的构成要素与功能构成
全闭环控制系统
3. 机械电子系统的构成要素与功能构成
半闭环控制系统
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
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
二、机械电子系统设计类型
1、开发型设计（原创型设计） 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）
➢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
2.机械电子工程关键技术
➢自动控制技术 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。
低能耗机构，最佳调节控制，提统设计的目标
➢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
工业三大要素
物质 能量 信息
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1－5 系统目的功能
系统分类
动力机——以能量转换为主，插入能量 (或物质)和信息，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)
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？
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
1.6 机械电子系统的评价
工业三大要素:物质、能量、信息
3、变异型设计 一大趋势：轻薄小巧化
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
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
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
输入/输出
机械接口 物理接口 信息接口
环境接口
变换/调整
零接口 无源接口 有源接口
智能接口
1.4 机械电子系统构成要素的相互连接
接口设计的核心——“匹配” 从某种意义上讲，机械电子技术设计就是“接 口设计”。
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 ➢提高精度 ➢增强功能 ➢提高生产效率 ➢节约能源，降低能耗
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。
工业三大要素与机械电子的三大效果
1.7 机械电子系统的设计流程
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