机电一体化设计理论共90页文档
(完整版)机电一体化设计基础
——《机电一体化设计基础》——课后习题及知识点整理考试大纲1．考试的目的与作用；机电一体化系统设计是机械设计制造及其自动化专业的一门专业课。
学生的考试成绩是对其学习水平评价的重要因素之一，通过复习考试，可以巩固学生所学机电一体化系统设计的基本理论，加深对机电一体化系统各组成部分的结构以及设计方法的认识；教师通过考试可以考核学生对所学知识点的掌握程度，找出共性问题；另外，通过考试还可以检查教学效果，为今后进一步提高机电一体化系统设计课程的教学质量，促进课程建设提供重要的参考依据。
2．考核内容与考核目标；理解机电一体化系统中各结构要素在系统中的作用和相互关系。
了解机电一体化系统的设计方法。
了解机电一体化系统中常用传感器、传动机构、动力驱动装置和计算机控制系统种类和特点。
掌握机电一体化系统中机械、传感检测、伺服驱动、控制等基本结构要素的技术特点，掌握典型装置的技术原理和使用方法。
了解典型机电一体化产品的构成、特点和设计方法，学会设计简单的机电一体化产品。
3．主要参考书；刘武发等编，机电一体化设计基础，化学工业出版社，2007张建民等编著. 机电一体化系统设计（第三版）.高等教育出版社，2007.74．课程考试内容与教材的关系；根据教学大纲选用教材，根据大纲要求确定考核内容。
5．分章节的考核知识点；第1章绪论机电一体化的定义，机电一体化的基本结构要素，机电一体化的相关的关键技术。
第2章机电一体化系统设计基础机电一体化设计流程，产品的设计过程，调试过程，接口设计和可靠性设计。
第3章典型机电一体化产品规划和概念设计。
数控机床的概念设计。
第4章机电一体化系统中的机械系统设计机械设计特点，齿轮传动比的确定方法与分配方法，调整齿轮侧隙的措施；谐波齿轮传动、同步带传动的结构、特点及传动比的计算，联轴器选择；滚珠丝杠副的选则预紧计算；滚动导轨、塑料导轨的特点及选用；支承机构的特点。
第5章机电一体化中的检测系统设计传感器的组成、分类和性能指标，各种传感器的基本原理及应用特点。
机电一体化系统设计课件
机电一体化系统设计课件1. 简介机电一体化系统是将机械、电子和控制工程相结合，形成一个协同工作的系统。
本课件将介绍机电一体化系统的设计原理、组成部分以及常见应用。
机电一体化系统设计的原理是通过集成机械、电子和控制工程的知识，实现系统的自动化和优化。
设计原理包括以下几个方面：2.1 机械设计机械设计是机电一体化系统设计的基础。
在机械设计中，需要考虑系统的运动学、动力学和机构设计等问题。
通过合理的机械设计，可以实现系统的精确运动和高效能力。
电子设计是机电一体化系统设计的重要组成部分。
在电子设计中，需要考虑系统的传感器、执行器、电路和电源等问题。
通过合理的电子设计，可以实现系统的自动化和智能化。
2.3 控制工程设计控制工程设计是机电一体化系统设计的关键。
在控制工程设计中，需要考虑系统的控制算法、控制器和通信接口等问题。
通过合理的控制工程设计，可以实现系统的稳定性和可靠性。
机电一体化系统由机械部分、电子部分和控制部分组成。
下面将分别介绍这三个部分的组成部分：3.1 机械部分机械部分包括结构、传动、执行和传感器等部件。
结构部件负责支撑和固定系统的其他部件，传动部件负责将能量和动力从一个部件传递到另一个部件，执行部件负责完成系统的特定任务，传感器部件负责感知系统的状态和环境。
电子部分包括电路、传感器、执行器和通信接口等组件。
电路负责系统的信号处理和控制算法的实现，传感器负责感知系统的状态和环境，执行器负责执行系统的动作，通信接口负责系统的数据传输。
3.3 控制部分控制部分包括控制算法、控制器和人机接口等组成部分。
控制算法负责分析系统的状态和环境，并根据预设条件进行控制决策，控制器负责实施控制算法，人机接口负责人机交互和系统监控。
4. 常见应用机电一体化系统在众多领域均有应用，下面介绍其中几个常见的应用：4.1 自动化生产线机电一体化系统被广泛应用于自动化生产线中。
通过集成机械、电子和控制工程的知识，可以实现生产线的自动化和流程优化。
机电一体化概论
2．计算机与信息处理技术
• 信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、 判断和决策，实现信息处理的工具是计算机， 因此计算机技术与信息处理技术是密切相关 的。计算机技术包括计算机的软件技术和硬 件技术，网络与通信技术，数据技术等。 • 在机电一体化系统中，计算机信息处理部 分指挥整个系统的运行。信息处理是否正确、 及时，直接影响到系统工作的质量和效率。 因此计算机应用及信息处理技术已成为促进 机电一体化技术发展和变革的最活跃的因素。 • 人工智能技术、专家系统技术、神经网络 技术等都属于计算机信息处理技术。
5．传感与检测技术
• 传感与检测装置是系统的感受器官，它与信息系统的输 入端相联并将检测到的信息输送到信息处理部分。传感 与检测是实现自动控制、自动调节的关键环节，它的功 能越强，系统的自动化程度就越高。传感与检测的关键 元件是传感器。传感器是将被测量(包括各种物理量、 化学量和生物量等)变换成系统可识别的，与被测量有 确定对应关系的有用电信号的一种装置。 • 现代工程技术要求传感器能快速、精确地获取信息， 并能经受各种严酷环境的考验。与计算机技术相比，传 感器的发展显得缓慢，难以满足技术发展的要求。不少 机电一体化装置不能达到满意的效果或无法实现设计的 关键原因在于没有合适的传感器。因此大力开展传感器 的研究对于机电一体化技术的发展具有十分重要的意义。
1．机电一体化的高性能化
• 高性能化一般包含高速化、高精度、高效率和 高可靠性。新一代CNC系统就是以此”四高” 为满足生产急需而诞生的。它采用32位多CPU 结构，以多总线连接，以32位幅度进行高速数 据传递。因而，在相当高的分辨率(0.1μm)情况 下，系统仍有高速度(100m／min)，可控及联 动坐标达16轴，并且有丰富的图形功能和自动 程序设计功能。为获取高效率，减少各辅助时 间这是一方面，而实现高速化的关键是CNC、 主轴转速进给率、刀具交换，托板交换等各关 键部分实现高速化。
机电一体化系统设计(最终版)
阻尼
运动中的机械部件容易产生振动，其振幅取决 于系统的阻尼和固有频率，系统的阻尼越大， 最大振幅越小，且衰减越快；线性阻尼下的振 动为实模态，非线性阻尼下的振动为复模态。 机械部件振动时，金属材料的内摩擦较小，而 运动副的摩擦阻尼占主导地位的。在实际应用 中一般将摩擦阻尼简化为粘性摩擦的线性阻尼
《机电一体化系统设计与应用》，张训文编著， 北京理工大学出版社
第一章 绪论 第二章 机械系统设计 第三章 传感器检测及其接口电路 第四章 伺服系统 第五章 工业控制计算机及其接口技术 第六章 几点一体化系统设计及应用举例
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
2.1.1传动机构的种类及特点
机电一体化系统中所用的传动机构主要有滑动 丝杠副、滚珠丝杠副、齿轮传动副、同步带传 动副、间歇机构、绕性传动机构等。
对于工作机中的传动机构，既要求能实现运动 的转换，又要求能够实现动力的转换；对于信 息机中的传动机构，主要要求运动的转换；对 于动力，则只需要克服惯性力（力矩）和各种 摩擦力（力矩）以及较小的工作负载即可。
机电一体化产品的优越性
使用安全性和可靠性提高 生产能力和工作质量提高 使用性能改善 具有复合功能并适用面广 调整和维护方便
现代机械的机电一体化目标
提高精度 增强功能 提高生产效率 节约能源，降低能耗 提高安全性、可靠性
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
转动惯量
在满足系统刚度的条件下，机械部分的质量和 转动惯量越小越好。转动惯量大会使机械负载 增大、系统响应速度变慢、灵敏度降低、固有 频率下降，容易产生谐振。同时转动惯量的增 大会使电气驱动部件的谐振频率降低，而以简化为 粘性摩擦力、库伦摩擦力与静摩擦力三类，方 向均与运动方向（或运动趋势方向）相反。粘 性摩擦力大小与两物体相对运动的速度成正比； 库伦摩擦力是接触面对运动物体的阻力，大小 为一常数；静摩擦力是有相对运动趋势但仍处 于静止状态时摩擦面间的摩擦力，其最大值发 生在相对开始运动前的一瞬间，运动开始后静 摩擦力即消失。
机电一体化设计基础概论
4．控制与信息处理装置 主要是指由计算机及其相 应硬、软件所构成的控制系统。 5．执行机构 包括机械传动与操作机构，在控制信 息作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。 是机电一体化产品中最重要的组成要素之一。 其中，机电一体化产品五大要素及功能如图1-2所示。
第四节 机电一体化产品的分类
机电一体化产品可划分为功能附加型、功能替 代型和机电融合型三类。 1．功能附加型产品：主要特征是在原有机械产 品基础上，采用微电子技术，使产品功能增加和增 强，性能得到适当的提高。经济型数控机床、电子 秤、数显量具、全自动洗衣机等都属于这一类机电 一体化产品。 2．功能替代型产品：主要特征是采用电子技术 及装置取代原产品中的机械控制功能、信息处理功 能或主功能，使产品结构简化，性能提高。柔性增 加，如电子缝纫机、自动照相机等用微电于装置取 代了原来复杂的机械控制机构；线切割加工机床、 激光手术器等则用因微电子技术的应用而产生的新 功能，取代了原来机械的主功能。
第五节 机电一体化共性关键技术
一、机械技术 二、 检测传感技术 三、信息处理技术 四、自动控制技术
五、伺服驱动技术
六、系统总体技术
第五节 机电一体化共性关键技术
一、机械技术 实现机电一体化产品的主功能和构造功能， 影响系统的结构、重量、体积、刚性、可靠 性等。 机电一体化产品要求：机械结构更简单、机 械功能更强、体积更小、重量更轻、精度更 高、刚度更大、动态性能更好。
系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统工 程的观点和方法，将系统各个功能模块有机的结合 起来，以实现整体最优。其重要内容为接口技术。 接口包括电气接口、机械接口、人机接口。
第一节
机电一体化基本概念
机电一体化是随着生产和技术的发展，在以 机械、电子技术为主的多门技术学科相互渗透、 相互结合过程中逐形成和发展起来的一门新兴边 缘技术学科。 机电一体化是一种崭新的学术思想，它除了 强调机与电的有机结合，还具有更深刻、更广泛 的涵义。按照机电一体化思想，凡是由各种现代 高新技术与机械和电子技术相互结合而成的各种 技术，产品(或系统)都属于机电一体化范畴。 机电一体化是一个综合的概念，包含了技术 和产品两方面内容。
机电一体化机械系统设计理论
机电一体化机械系统设计理论1. 简介机电一体化是指在机械设计和控制系统设计中将机械部分和电气部分紧密结合，形成一个整体的系统。
机电一体化机械系统设计理论是探讨如何将机械和电气两个领域的知识结合起来，实现机械系统的高效运行和精确控制的理论体系。
本文将介绍机电一体化机械系统设计的基本原理、设计过程和设计方法。
2. 基本原理机电一体化机械系统设计的基本原理主要包括：机械工程原理、控制理论和电气工程原理。
2.1 机械工程原理机械工程原理是机械系统设计的基础，它包括力学、材料学、机械设计等方面的内容。
在机电一体化机械系统设计中，需要根据力学原理来确定机械结构的受力情况，选取合适的材料来满足机械系统的要求，并设计合理的机械结构。
2.2 控制理论控制理论是机电一体化机械系统设计中的重要组成部分，它主要包括自动控制和控制系统的理论。
在设计过程中，需要根据控制理论来确定机械系统的控制策略和参数，以实现对机械系统的精确控制。
2.3 电气工程原理电气工程原理是机电一体化机械系统设计中电气部分的基础，它主要包括电路理论、电机原理和电子技术等方面的内容。
在设计过程中，需要根据电气工程原理来确定机械系统中的电气组件的选型和电路的设计，以满足机械系统的要求。
3. 设计过程机电一体化机械系统设计的过程包括需求分析、概念设计、详细设计、制造和测试等阶段。
3.1 需求分析需求分析阶段是机械系统设计的起点，需要明确机械系统设计的目标和功能要求。
在这个阶段，需要与用户进行沟通，了解用户的需求和系统的使用环境，根据需求分析的结果来确定机械系统的设计要求。
3.2 概念设计概念设计阶段是机械系统设计的创造性阶段，需要根据需求分析的结果来确定机械系统的整体结构和工作原理。
在这个阶段，需要进行创新思维，产生多种设计方案，并评估各种方案的优缺点。
3.3 详细设计详细设计阶段是将概念设计转化为具体的技术方案的过程，需要根据概念设计的结果来进行具体的构造和计算。
机电一体化设计基本原理及方法
加快技术创新，推动工业进步和竞争力提升。
机电一体化设计的基本原理
• 系统整合原理 - 将机械、电子和控制系统集成为一个统一的整体。 • 耦合原理 - 将机械与电子系统相互连接和相互影响，实现协同工作。
机电一体化设计的基本方法
1
概念设计
确定需求和功能，选择最佳设计方案。
2
详细设计
详细描述组件和接口，进行系统建模和仿真。
3
验证和测试
测试系统的性能和可靠性，进行故障排除。
机电一体化设计的挑战
1 跨学科合作
机电领域知识的融合与交叉，需要多学科的协同合作。
2 技术复杂性
机电一体化系统涉及多种技术和工程领域，难度较大。
3 标准与规范
制定和遵守机电一体化设计的标准与规范，确保满足质量和安全要求。
机电一体化设计的应用领域
• 汽车工业 • 机床与自动化设备 • 智能家居与建筑 • 航空航天 • 能源与
机电一体化在自动驾驶汽车中 的应用将继续发展，提升安全 性和驾驶体验。
人工智能
机电一体化与人工智能的结合， 将推动智能制造和自动化生产 的进一步发展。
新能源技术
机电一体化设计在新能源领域 的应用将助力可再生能源的普 及和利用。
结论
机电一体化设计是现代工程领域的重要趋势，通过整合机械、电子和控制系 统，实现了效率、成本和创新的突破。
机电一体化设计基本原理 及方法
机电一体化设计是将机械、电子与控制相结合，创建智能化和自动化的系统。 本课程将介绍机电一体化设计的意义、基本原理和方法。
机电一体化设计的意义
效率提升
整合机械与电子系统，提高生产率和质量，降 低能源消耗。
功能拓展
实现复杂的功能需求，提供更多灵活性和可定 制性。
机电一体化系统设计课程设计课件
设计软件介绍
SolidWorks
三维机械设计软件，用于建立三维模型、进行运动分析和优化设计。
AutoCAD
二维绘图软件，用于绘制平面图、电路图和布局图等。
MATLAB/Simulink
仿真软件，用于系统建模、分析和优化。
LabVIEW
虚拟仪器软件，用于数据采集、处理和控制等。
设计经验分享
经验一
注重系统整体性
设计要求
明确课程设计的要求，包括技术指标、性能参数、安全性能等方 面。
设计优化
在设计过程中注重优化，提高系统的性能、稳定性和可靠性。
设计成果评价
评价标准
制定合理的评价标准，对设计成果进行评价 。
评价方法
采用多种评价方法，如专家评审、实验测试 等，确保评价结果的客观性和准确性。
反馈与改进
根据评价结果，及时反馈设计中的不足之处 ，并进行改进和完善。
01
课程设计任务与要 求
设计任务书解读
任务书内容
01
详细解读课程设计任务书，明确设计目标、要求、限制条件和
预期成果。
任务书分析
02
对任务书中的各项内容进行深入分析，理解设计的重点和难点
。
任务书实施计划
03
根据任务书要求，制定合理的设计实施计划，确保按时完成设
计任务。
设计要求与规范
设计规范
掌握机电一体化系统设计的基本规范和标准，确保设计符合行业 要求。
实时性、稳定性、可扩展性
传感检测系统设计
设计内容
传感器选型、信号处理电路、数据采 集与传
设计要点
准确性、可靠性、抗干扰能力
01
机电一体化系统设 计实践
设计案例分析