《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》第一章總論-

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)1第一章概論1.1機(jī)電一體化時(shí)代與機(jī)電一體化技術(shù)革命概念:機(jī)電一體化———Mechatronics是Mechanics（機(jī)械學(xué)）與Electronics（電子學(xué)）組合而成的日本造英語。到目前為止，較為人們所接受的“機(jī)電一體化”的涵義是日本機(jī)械振興協(xié)會(huì)經(jīng)濟(jì)研究所提出的解釋：“機(jī)電一體化乃是在機(jī)械的主功能、動(dòng)力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。2可以說，“機(jī)電一體化”是機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)相互交叉、融合(有機(jī)結(jié)合)的產(chǎn)物(圖1．1)。它具有“技術(shù)”與“產(chǎn)品”兩方面的內(nèi)容：首先是機(jī)電一體化技術(shù)，主要包括技術(shù)原理使機(jī)電一體化產(chǎn)品(或系統(tǒng))得以實(shí)現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術(shù)；其次是機(jī)電一體化“產(chǎn)品”，該“產(chǎn)品”主要是機(jī)械系統(tǒng)(或部件)與微電子系統(tǒng)(或部件)相互置換或有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成的新“系統(tǒng)”，且賦予其新的功能和性能的新一代產(chǎn)品。圖1.1機(jī)電一體化技術(shù)領(lǐng)域3“機(jī)電一體化”打破了傳統(tǒng)的機(jī)械工程、電子工程、信息工程、控制工程等舊學(xué)科的分類方法，形成了融機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)等多種技術(shù)為一體，從系統(tǒng)的角度分析與解決問題的一門新興的交叉學(xué)科。機(jī)電一體化的目的是使系統(tǒng)（產(chǎn)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，并使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向輕、薄、短、小巧化方向發(fā)展，不斷滿足人們生活的多樣化需求和生產(chǎn)的省力化、自動(dòng)化需求。機(jī)電一體化技術(shù)革命：將微型計(jì)算機(jī)等微電子技術(shù)用于機(jī)械并給機(jī)械以智能的技術(shù)革新潮流。4561.2優(yōu)先發(fā)展機(jī)電一體化領(lǐng)域極其共性關(guān)鍵技術(shù)見圖1.2關(guān)鍵技術(shù)：檢測(cè)傳感技術(shù)、信息（信息處理）技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)和系統(tǒng)總體技術(shù)系統(tǒng)總體技術(shù)：是一種從整體目標(biāo)出發(fā)，用系統(tǒng)的觀點(diǎn)和方法，將總體分解成若干子功能單元，找出能完成各個(gè)功能的技術(shù)方案，再把功能與技術(shù)方案組合成方案組進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)和優(yōu)選的綜合應(yīng)用技術(shù)。71.3機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的構(gòu)成要素及功能構(gòu)成機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的構(gòu)成要素：由機(jī)械系統(tǒng)（機(jī)構(gòu)）、電子信息處理系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)）、動(dòng)力系統(tǒng)（動(dòng)力源）、傳感檢測(cè)系統(tǒng)（傳感器）、執(zhí)行元件系統(tǒng)（如電動(dòng)機(jī)）等五個(gè)子系統(tǒng)組成。如圖1.48伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)床零點(diǎn)9有三大“目的功能”①變換(加工、處理)功能；②傳遞(移動(dòng)、輸送)功能；③儲(chǔ)存(保持、積蓄、記錄）功能。目的功能：根據(jù)不同的使用目的，要求系統(tǒng)能對(duì)輸入的物質(zhì)、能量和信息(即工業(yè)三大要素)進(jìn)行某一處理，輸出所需要的物質(zhì)、能量和信息。圖1.510以能量轉(zhuǎn)換為主，輸入能量（或物質(zhì)）和信息，輸出不同能量（或物質(zhì)）的系統(tǒng)，稱為動(dòng)力機(jī)，其中輸出機(jī)械能的為原動(dòng)機(jī)，如電動(dòng)機(jī)、水輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等。以物料搬運(yùn)、加工為主，輸入物質(zhì)(原料、毛坯等)、能量(電能、液能、氣能等)和信息(操作及控制指令等)，經(jīng)過加工處理，主要輸出改變了位置和形態(tài)的物質(zhì)的系統(tǒng)(或產(chǎn)品)，稱為加工機(jī)，如各種機(jī)床、交通運(yùn)輸機(jī)械、食品加工機(jī)械、起重機(jī)械、紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、輕工機(jī)械等。以信息處理為主，輸入信息和能量，主要輸出某種信息(如數(shù)據(jù)、圖像、文字、聲音等)的系統(tǒng)（或產(chǎn)品)，稱為信息機(jī)，如各種儀器、儀表、計(jì)算機(jī)、傳真機(jī)以及各種辦公機(jī)械等。種類11系統(tǒng)具備的五種內(nèi)部功能：如圖1.6主功能、動(dòng)力功能、檢測(cè)功能、控制功能、構(gòu)造功能。主功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目的功能直接必需的功能，主要是對(duì)物質(zhì)、能量、信息或其相互結(jié)合進(jìn)行變換、傳遞和存儲(chǔ)。動(dòng)力功能是向系統(tǒng)提供動(dòng)力、讓系統(tǒng)得以運(yùn)轉(zhuǎn)的功能；檢測(cè)功能和控制功能的作用是根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部信息和外部信息對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，使系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)施目的功能。構(gòu)造功能是使構(gòu)成系統(tǒng)的子系統(tǒng)及元、部件維持所定的時(shí)間和空間上的相互關(guān)系所必須的功能。12從系統(tǒng)的輸入/輸出來看，除有主功能輸入/輸出之外，還需有動(dòng)力輸入和控制信息的輸入/輸出。此外，還有因外部環(huán)境引起的干擾輸入以及非目的性輸出（如廢氣物等）例如汽車的廢氣和噪音對(duì)外部環(huán)境影響，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)開始就應(yīng)予以考慮。圖1．5是CNC機(jī)床內(nèi)部功能構(gòu)成實(shí)例。1.6系統(tǒng)的五種內(nèi)部功能13圖1.7141.815圖1.9161．4機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)構(gòu)成要素的相互聯(lián)接機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)由許多要素或子系統(tǒng)構(gòu)成，各要素或子系統(tǒng)之間必須能順利進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的傳遞與交換。接口：各要素或各子系統(tǒng)相接處必須具備一定的聯(lián)系條件，這些聯(lián)系條件就可稱為接口。系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于接口的性能，各要素或各子系統(tǒng)之間的接口性能就成為綜合系統(tǒng)性能好壞的決定性因素。在某種意義上講，機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)歸根結(jié)底就是“接口設(shè)計(jì)”圖1.1017廣義的接口功能有兩種，一種是輸入/輸出；另一種是變換、調(diào)整。根據(jù)接口的變換、調(diào)整功能，可將接口分成以下四種：1）零接口：不進(jìn)行任何變換和調(diào)整、輸出即為輸入等，僅起連接作用，如輸送管、接插頭、接插座、接線柱、傳動(dòng)軸、導(dǎo)線、電纜等。2）無源接口：只有無源要素進(jìn)行變換、調(diào)整，如齒輪減速器、進(jìn)給絲杠、變壓器、可變電阻器以及透鏡等。3)有源接口含有有源要素，主動(dòng)進(jìn)行匹配，如電磁離合器、放大器、光電耦合器、D／A和A／D轉(zhuǎn)換器以及力矩變換器等184）智能接口含有微處理器，可進(jìn)行程序編制或可適應(yīng)性地改變接口條件，如自動(dòng)變換裝置、通用輸入/輸出LSI（8255等通用I/O）、GP-IB總線、STD總線等。根據(jù)接口的輸入/輸出功能，可將接口分為以下四種：1）機(jī)械接口：根據(jù)輸入／輸出部位的形狀、尺寸精度、配合、規(guī)格等進(jìn)行機(jī)械聯(lián)接，如聯(lián)軸節(jié)、管接頭、法蘭盤、萬能插口、接線柱、接插頭與接插座及音頻盒等。2）物理接口：受通過接口部位的物質(zhì)、能量與信息的具體形態(tài)和物理?xiàng)l件約束，如受電壓、頻率、電流、電容、傳遞扭矩的大小、氣（液）體成分（壓力或流量）約束的接口。193）信息接口受規(guī)格、標(biāo)準(zhǔn)、法律、語言、符號(hào)等邏輯軟件的約束，如GB、ISO、ASCII碼、RS-232C、FORTRAN、C、C++、VC、VB等。4)環(huán)境接口對(duì)周圍環(huán)境條件(溫度、濕度、磁場(chǎng)、火、振動(dòng)、放射能、水、氣、灰塵)有保護(hù)作用和隔絕作用，如防塵過濾器、防水聯(lián)接器、防爆開關(guān)等。圖1．11為機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)各構(gòu)成要素之間的相互聯(lián)系。20圖1.1121系統(tǒng)(產(chǎn)品)內(nèi)部功能價(jià)值通常用表1．3所示的方法來評(píng)價(jià)。機(jī)電一體化的目的是提高系統(tǒng)(產(chǎn)品)的附加價(jià)值，所以附加價(jià)值就成了機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)內(nèi)部功能的主要評(píng)價(jià)內(nèi)容如圖1．12所示。

1．5機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)的評(píng)價(jià)22表1.323圖1.1224機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)的特點(diǎn)：1、高性能化和智能化由于機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)的微電子裝置取代了人對(duì)機(jī)械的絕大部分的控制功能，并加以延伸和擴(kuò)大，克服了人體能力的不足和弱點(diǎn)。2、節(jié)省能源和降低材料消耗。這些特點(diǎn)正是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)高性能化、智能化、省能省資源化及輕薄短小化的重要原因，也正是對(duì)工業(yè)三大要素(物質(zhì)、能量和信息)的具體貢獻(xiàn)。如圖1．13所示25圖1.13261．6機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)設(shè)計(jì)的考慮方法及設(shè)計(jì)類型機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)設(shè)計(jì)的考慮方法通常有：機(jī)電互補(bǔ)法、結(jié)合(融合)法和組合法。一方面要求設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)時(shí)應(yīng)選擇與控制系統(tǒng)的電氣參數(shù)相匹配的機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)，同時(shí)也要求設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的固有結(jié)構(gòu)參數(shù)來選擇和確定電氣參數(shù)，綜合應(yīng)用機(jī)械技術(shù)和微電子技術(shù)，使二者密切結(jié)合、相互協(xié)調(diào)、相互補(bǔ)充，充分體現(xiàn)機(jī)電一體化的優(yōu)越性。1．6.1機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)設(shè)計(jì)的考慮方法271)．機(jī)電互補(bǔ)法也可稱為取代法該方法的特點(diǎn)是利用通用或?qū)Ｓ秒娮硬考〈鷤鹘y(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品（系統(tǒng)）中的復(fù)雜機(jī)械功能部件或功能子系統(tǒng)，以彌補(bǔ)其不足。如在一般工作機(jī)中，用可編程邏輯控制器（PLC）或微型計(jì)算機(jī)來取代機(jī)械式變速機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、離合器、脫落蝸桿等機(jī)構(gòu)，以彌補(bǔ)機(jī)械技術(shù)的不足，不但能大大簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，而且還可提高系統(tǒng)(或產(chǎn)品)的性能和質(zhì)量。這種方法是改造傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品和開發(fā)新型產(chǎn)品常用的方法。2)結(jié)合(融合)法是將各組成要素有機(jī)結(jié)合為一體構(gòu)成專用或通用的功能部件(子系統(tǒng))，其要素之間機(jī)電參數(shù)的有機(jī)匹配比較充分。283）組合法。是將用結(jié)合法制成的功能部件（子系統(tǒng)）、功能模塊，像積木那樣組合成各種機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）。例如將工業(yè)機(jī)器人各自由度(伺服軸)的執(zhí)行元件、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、檢測(cè)傳感元件和控制器等組成機(jī)電一體化的功能部件(或子系統(tǒng))，可用于不同的關(guān)節(jié)，組成工業(yè)機(jī)器人的回轉(zhuǎn)、伸縮、俯仰等各種功能模塊系列，從而組合成結(jié)構(gòu)和用途不同的工業(yè)機(jī)器人。

1．6．2機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)的設(shè)計(jì)類型機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)的設(shè)計(jì)類型大致有以下三種：1)開發(fā)性設(shè)計(jì)是沒有參照產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，僅僅是根據(jù)抽象的設(shè)計(jì)原理和要求，設(shè)計(jì)出在質(zhì)量和性能方面滿足目的要求的產(chǎn)品或系統(tǒng)。293031錄像片322)適應(yīng)性設(shè)計(jì)是在總的方案原理基本保持不變的情況下，對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行局部更改，或用微電子技術(shù)代替原有的機(jī)械結(jié)構(gòu)或?yàn)榱诉M(jìn)行微電子控制對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部適應(yīng)性設(shè)計(jì)，以使產(chǎn)品的性能和質(zhì)量增加某些附加價(jià)值。例如電子式照相機(jī)采用電子快門、自動(dòng)曝光代替手動(dòng)調(diào)整，使其小型化、智能化；3）變異性設(shè)計(jì)是在設(shè)計(jì)方案和功能結(jié)構(gòu)不變的情況下，僅改變現(xiàn)有產(chǎn)品的規(guī)格尺寸使之適應(yīng)于量的方面有所變更的要求。例如由于傳遞扭矩或速比發(fā)生變換而重新設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)，就屬于變異性設(shè)計(jì)。331．7機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)的設(shè)計(jì)流程機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)(以工作機(jī)為主)的設(shè)計(jì)流程如圖1.14所示。圖1.1434其具體說明如下。(1)根據(jù)目的功能確定產(chǎn)品規(guī)格、性能指標(biāo)工作機(jī)的目的功能，不外乎是用來改變物質(zhì)的形狀、狀態(tài)、位置尺寸或特性，歸根到底必須實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)，并提供必要的動(dòng)力。其基本性能指標(biāo)主要是指實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的自由度數(shù)、軌跡、行程、精度、速度、動(dòng)力、穩(wěn)定性和自動(dòng)化程度。用來評(píng)價(jià)機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)質(zhì)量的基本指標(biāo)，是那些為了滿足使用要求而必須具備的輸出參數(shù)：

運(yùn)動(dòng)參數(shù)——用來表征機(jī)器工作運(yùn)動(dòng)的軌跡、行程、方向和起、止點(diǎn)位置正確性的指標(biāo)。

動(dòng)力參數(shù)——用來表征機(jī)器輸出動(dòng)力大小的指標(biāo)，如力、力矩和功率等。35品質(zhì)指標(biāo)——用來表征運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)品質(zhì)的指標(biāo)，例如運(yùn)動(dòng)軌跡和行程的精度(如重復(fù)定位精度)、運(yùn)動(dòng)行程和方向的可變性，運(yùn)動(dòng)速度的高低與穩(wěn)定性，力和力矩的可調(diào)性或恒定性等。以上基本性能指標(biāo)通常要根據(jù)工作對(duì)象的性質(zhì)、用戶要求，有時(shí)還要通過實(shí)驗(yàn)研究才能確定。因此，要以能夠滿足用戶使用要求為主，不需要追求過高的要求，在滿足基本性能指標(biāo)的前提下，還要考慮以下一些指標(biāo)：

1)工藝性指標(biāo)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)提出的方便制造和維修的要求，要做到容易制造和便于維修。

2)“人一機(jī)工程學(xué)”指標(biāo)考慮人和機(jī)器的關(guān)系，針對(duì)人類在生產(chǎn)和生活中所表現(xiàn)出來的衛(wèi)生、體型、生理和心理學(xué)等對(duì)產(chǎn)品提出的綜合性要求，例如操作方便、噪聲小等。363738393)美學(xué)指標(biāo)對(duì)產(chǎn)品的外部性質(zhì)，如儀容、風(fēng)格、勻稱、和諧、色澤，以及與外部環(huán)境的協(xié)調(diào)等方面提出的要求。4)標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)即組成產(chǎn)品的元、部件的標(biāo)準(zhǔn)化程度。(2)系統(tǒng)功能部件、功能要素的劃分工作機(jī)必須具備適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)才能滿足所需性能。要形成具體結(jié)構(gòu)，應(yīng)以各構(gòu)成要素及要素之間的接口為基礎(chǔ)來劃分功能部件或功能子系統(tǒng)。復(fù)雜機(jī)器的運(yùn)動(dòng)常由若干直線或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合而成，在控制上形成若干自由度。因此，也可以按運(yùn)動(dòng)的自由度劃分成若干功能子系統(tǒng)，再按子系統(tǒng)劃分功能部件。這種功能部件可能包括若干組成要素。各功能部件的規(guī)格要求，可根據(jù)整機(jī)的性能指標(biāo)確定。40功能要素或功能子系統(tǒng)的選用或設(shè)計(jì)是指特定機(jī)器的操作(執(zhí)行)機(jī)構(gòu)和機(jī)體，通常必須自行設(shè)計(jì)，而執(zhí)行元件(電或液、氣等驅(qū)動(dòng)元件)、檢測(cè)傳感元件和控制器等功能要素既可自行設(shè)計(jì)也可選購市售的通用產(chǎn)品。(3)接口的設(shè)計(jì)接口問題是各構(gòu)成要素間的匹配問題。執(zhí)行元件與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間、檢測(cè)傳感元件與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間通常是機(jī)械接口。機(jī)械接口有兩種形式，一種是執(zhí)行元件與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的聯(lián)軸器和傳動(dòng)軸，以及直接將檢測(cè)傳感元件與執(zhí)行元件或運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)聯(lián)結(jié)在一起的聯(lián)軸器(如波紋管、十字接頭等)、螺釘、鉚釘?shù)?，直接?lián)結(jié)時(shí)不存在任何運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)變換。另一種是機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如減速器、絲杠螺母等；控制器與執(zhí)行元件之間的驅(qū)動(dòng)接口，控制器與檢測(cè)傳感元件之間轉(zhuǎn)換接口，微電子傳輸、轉(zhuǎn)換電路。因此，接口設(shè)計(jì)問題也就是機(jī)械技術(shù)和微電子技術(shù)的具體應(yīng)用問題。4142(4)綜合評(píng)價(jià)(或整體評(píng)價(jià))

對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)的綜合評(píng)價(jià)主要是對(duì)其實(shí)現(xiàn)目的功能的性能、結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)。機(jī)電一體化的目的是提高產(chǎn)品(或系統(tǒng))的附加價(jià)值，而附加價(jià)值的高低必須以衡量產(chǎn)品性能和結(jié)構(gòu)質(zhì)量的各種定量指標(biāo)為依據(jù)。不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)可選用不同的評(píng)價(jià)方法。關(guān)于評(píng)價(jià)和優(yōu)化的具體方法，可參考現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中的有關(guān)具體內(nèi)容。(5)可靠性復(fù)查機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)既可能產(chǎn)生電子電路故障、軟件故障，又可能產(chǎn)生機(jī)械故障，而且容易受到電噪聲的干擾，因此，可靠性問題顯得格外突出，也是用戶最關(guān)心的問題之一。43在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，除采用可靠性設(shè)計(jì)方法外，還必須采取必要的可靠性措施，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初步完成之后，還需要進(jìn)行可靠性復(fù)查和分析，以便發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)改進(jìn)。(6)試制與調(diào)試樣機(jī)試制是檢驗(yàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的制造可行性的重要階段，并通過樣機(jī)調(diào)試來驗(yàn)證各項(xiàng)性能指標(biāo)是否符合設(shè)計(jì)要求。這個(gè)階段也是最終發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問題以便及時(shí)修改和完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)的必要階段。44小結(jié)：本次課掌握的重點(diǎn)問題：1、機(jī)電一體化概念？2、機(jī)電產(chǎn)品的五大組成部分？3、機(jī)電產(chǎn)品的五大內(nèi)部功能？4、機(jī)電產(chǎn)品的三大目的功能？5、接口類型？45作業(yè)：課后習(xí)題1-1，1-21-76、機(jī)電一體化產(chǎn)品考慮的方法和設(shè)計(jì)類型？7、機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的流程？461.8機(jī)電一體化工程與系統(tǒng)工程機(jī)電一體化工程:給定機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)目的功能與規(guī)格后,機(jī)電一體化技術(shù)人員利用機(jī)電一體化技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造的整個(gè)過程為機(jī)電一體化工程。如圖1.15系統(tǒng)工程是組織管理系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和使用的科學(xué)方法，是一種對(duì)所有系統(tǒng)都具有普遍意義的科學(xué)方法。47圖1.1548系統(tǒng)工程是以大系統(tǒng)為對(duì)象、以數(shù)學(xué)方法和大型計(jì)算機(jī)等為工具,對(duì)系統(tǒng)的構(gòu)成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息交換和反饋控制等功能進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)，從而達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)、最優(yōu)控制和最優(yōu)管理的目標(biāo)，以便充分發(fā)揮人力、物力和財(cái)力，通過各種組織管理技術(shù)，使局部與整體之間協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的綜合最優(yōu)化。系統(tǒng)工程是數(shù)學(xué)方法和工程方法的匯集。機(jī)電一體化工程是系統(tǒng)工程在機(jī)電一體化工程中的具體應(yīng)用。表1．4為系統(tǒng)工程與機(jī)電一體化工程的特點(diǎn)。49表1.4501．9機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)的設(shè)計(jì)程序、準(zhǔn)則和規(guī)律總體設(shè)計(jì)程序?yàn)椋孩倜鞔_設(shè)計(jì)思想；②分析綜合要求；③劃分功能模塊；④決定性能參數(shù)；⑤調(diào)研類似產(chǎn)品；⑥擬定總體方案；⑦方案對(duì)比定型；⑧編寫總體設(shè)計(jì)論證書。1）設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)中一般采用三階段法，即總體設(shè)計(jì)、部件與零件的選擇與設(shè)計(jì)（或初步設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)）。51總體設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題有：①以機(jī)電互補(bǔ)原則進(jìn)行功能劃分，權(quán)衡用機(jī)械技術(shù)或微電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)其功能的利弊，明確哪些功能由機(jī)械技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，哪些功能由微電子技術(shù)的硬件和軟件來實(shí)現(xiàn)，以利于簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，發(fā)揮機(jī)電一體化效果；②用圖表說明功能要求與動(dòng)作順序要求；③分析產(chǎn)品的通用性與專用性以及批量的要求；④重點(diǎn)明確產(chǎn)品的主要特性；⑤分析產(chǎn)品的自動(dòng)化程度及其適用性；⑥分析環(huán)境條件要求；⑦動(dòng)力源特性分析；⑧機(jī)、電、液(氣)驅(qū)動(dòng)的最佳匹配；52⑨可靠性分析；⑩結(jié)構(gòu)尺寸及空間布置分析；11特殊功能分析，如低速穩(wěn)定性、抖動(dòng)要求、快速響應(yīng)性與定位精度要求等。（2）設(shè)計(jì)準(zhǔn)則主要考慮“人、機(jī)、材料、成本”等因素，而產(chǎn)品的可靠性、適用性與完善性設(shè)計(jì)最綜可歸結(jié)于，在保證目的功能要求與適當(dāng)壽命的前提下不斷降低成本。(3)設(shè)計(jì)規(guī)律總結(jié)一般機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具有以下規(guī)律：根據(jù)設(shè)計(jì)要求首先確定離散元素間的邏輯關(guān)系，然后研究其相互間的物理關(guān)系，這樣就可根據(jù)設(shè)計(jì)要求和手冊(cè)確定其結(jié)構(gòu)關(guān)系，最終完成全部設(shè)計(jì)工作。531．10機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)的開發(fā)工程與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法一、機(jī)電一體化系統(tǒng)的開發(fā)工程機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)種類繁多，涉及的技術(shù)領(lǐng)域及其技術(shù)的復(fù)雜程度不同，系統(tǒng)(產(chǎn)品)設(shè)計(jì)的類型也有區(qū)別。機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)的開發(fā)工程之流程如圖1．16所示。在機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)開發(fā)過程中，應(yīng)注意：①當(dāng)系統(tǒng)(產(chǎn)品)模塊化設(shè)計(jì)之后，關(guān)于某些功能組件是外購還是自己制造的問題，應(yīng)充分考慮專業(yè)化生產(chǎn)方式以取得高效、高質(zhì)量、高可靠性的效果；②應(yīng)充分利用廣告宣傳開拓產(chǎn)品市場(chǎng)。54圖1.1655二機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)設(shè)計(jì)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)的種類不同，其設(shè)計(jì)方法也不同?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與用經(jīng)驗(yàn)公式、圖表和手冊(cè)為設(shè)計(jì)依據(jù)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不同，它是以計(jì)算機(jī)為輔助手段進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)設(shè)計(jì)的有效方法。其設(shè)計(jì)步驟通常是：技術(shù)預(yù)測(cè)市場(chǎng)需求信息分析科學(xué)類比系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)因時(shí)制宜地選擇各種具體的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法(相似設(shè)計(jì)法、模擬設(shè)計(jì)法、有限元設(shè)計(jì)法、可靠性設(shè)計(jì)法、動(dòng)態(tài)分析設(shè)計(jì)法、優(yōu)化設(shè)計(jì)法等)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)56科學(xué)技術(shù)日新月異，技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展迅猛?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的內(nèi)涵在不斷擴(kuò)展，新概念層出不窮，如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與并行工程、虛擬設(shè)計(jì)、快速響應(yīng)設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)、反求設(shè)計(jì)等等。1、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與并行工程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD