第2讲机电一体化系统设计

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1、本讲主要内容1.2机电一体化系统功能构成1.3机电一体化共性关键技术1.2机电一体化系统功能构成1.2.1目的功能描述根据不同的使用目的，要求机电一体化系统能对输入的物质、能量和信息(即工业三大要素)进行某种处理，输出所需要的物质、能量和信息。系统目的功能示意图变换（加工、处理）传递（移动、输送）储存（保持、积蓄、记录）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、控制指令等），经过加工处理，主要输出改变了位置与形态的物质，将这种系统（或产品）称工作机，例如各种机床、交通运输机械、食品加工机械、起重机械、纺

2、织机械、印刷机械、轻工机械。图1数控车床图23D打印机以能量转换为主，输入能量和信息，输出不同能量的系统（或产品），称为动力机，其中输出机械能的为原动机，如电动机。图1直流伺服电机图3步进电机图2交流伺服电机以信息处理为主，输入信息和能量，主要输出某种信息（如数据、图像、文字及声音等）的系统（或产品），称信息机，如打印机、绘图机、复印机等。1.2.2系统内部功能描述1.2.2系统内部功能描述全闭环系统：通过传感器直接检测目标运动并进行反馈控制的系统。1.2.2系统内部功能描述1.2.2系统内部功能描述半闭环系统：通过传感器检测某一部位(如伺服电机等

3、)运动位移并进行反馈、间接控制目标运动的系统。1.2.2系统内部功能描述开环系统：直接控制步进电机的运动通过传动链确定目标运动的系统。1.2.2系统内部功能描述系统的五种内部功能主功能动力功能计测功能控制功能构造功能1.2.2系统内部功能描述CNC机床的内部功能构成1.2.2系统内部功能描述主功能---实现系统“目的功能”直接必需的功能，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---向系统提供动力、让系统得以运转的功能。计测功能和控制功能---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，实施“目的功能”。

4、构造功能---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需的功能。1.2.2系统内部功能描述机电一体化系统的五大要素及其相应的五大功能1.2.2系统内部功能描述机电一体化系统构成要素与人体构成要素的相对应关系1.3机电一体化共性关键技术要站在信息论、控制论及系统论的高度理解共性关键技术；要从信息流、能量流及物质流的视角去分析共性关键技术；要从伺服控制系统稳、准、快的要求认识共性关键技术；要从机电一体化的发展趋势探究共性关键技术…1.3机电一体化共性关键技术1、精密机械技术一般情况下，机械部分由驱动元件驱动，为了实现控制过程的稳

5、、准、快，为了使机械与微电子技术相匹配，为了达到机电一体化系统的整体最优……。精密机械技术应具有以下特点。（1）短传动链、并行驱动与传动传动系统简单、刚性好、精度高（2）小间隙、可调间隙或无间隙传动传动精度高、稳定性好（3）提高固有频率（4）低摩擦质量轻、刚度大、弹性变形小、传动误差小摩擦力影响传动系统的精度和运动平稳性，静摩擦力能使机械传动部件发生弹性变形而造成位置误差，反向运动时，位置误差将形成回程误差。机械传动部件的摩擦特性应为：静摩擦力尽可能小；动摩擦力为尽可能小的正斜率（若为负斜率，易产生爬行、精度降低、寿命减小。）（5）最佳传动比及最小

6、转动惯量（加速能力强）（6）高刚度改进支撑及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声。可选用复合材料提高刚度和强度，减轻重量、缩小体积使结构紧凑，使系统小型化、轻型化、高速化和高可靠性（7）适于机电一体化系统的新型精密机械结构同步带传动谐波传动2、检测传感技术从机电一体化系统稳、准、快、高可靠性角度分析传感检测技术，对传感器提出以下要求：（1）高精度、高灵敏度及高可靠性（2）适于机电一体化系统的新型传感器研制（3）传感器的集成化及智能化3、信息处理技术信息处理技术包括信息的输入、变换、运算、存储及输出技术，主要由计算机、PLC及数控装置等来完成

7、。人工智能、专家系统及人工神经网络都属于信息处理范畴。信息处理要快速、准确、可靠。4、自动控制技术数字PID控制、智能控制等5、伺服驱动技术伺服驱动技术主要指机电一体化产品中的执行元件和驱动装置设计中的技术问题，执行元件主要有电动、气动及液压等类型，以电动执行元件为主；驱动装置主要是各种电机的驱动电源电路。稳、准、快▲构成机电一体化系统的要素或子系统之间必须能顺利地进行物质、能量和信息的传递与交换。为此，各要素或各子系统连接处必须具备一定的“联系条件”，这些联系条件称为接口。系统内部与外部接口▲从系统外部看，机电一体化系统的输入／输出是与人、自然及

8、其他系统之间的接口；▲从系统内部看，机电一体化系统是由许多接口将系统的构成要素输入／输出联系为一体的系统。6、接口技术机电