第一章 总 论 张建民 编著 高等教育出版社 讲授：何庆中 机 电 工 程 系 厚德达理 励志勤工 机电一体化系统设计 第一章 总 论 张建民 编著 高等教育出版社 讲授：何庆中 机 电 工 程 系

第一章 总 论 第1.1节 概述 厚德达理 励志勤工 1.1.1 机电一体化的内涵 第一章 总 论 第1.1节 概述 1.1.1 机电一体化的内涵 机械学（Mechanics）+ 电子学（Electronics） = 机电一体化 或 机械电子工程（Mechatronics） 1.1.2 机电一体化的定义和主要目的 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地结合所构成系统的总称。 主要目的：增加机械系统或装置的附加值和自动化程度。 图1.1 机电一体化的涵义

机电一体化技术主要研究方向 · 机电一体化产品或系统的原创性研究与设计——原创性设计。 厚德达理 励志勤工 机电一体化技术主要研究方向 · 机电一体化产品或系统的原创性研究与设计——原创性设计。 · 机电一体化产品或系统的机械系统（或部件）与微电子系统（或部件）相互转换或有机结合研究与设计——变异性设计。 机电一体化技术研究的主要内容 主要研究“省能源、省资源、智能化”三大基本要素，形成交叉学科的基础理论知识，解决机电一体化（技术）设计中的核心技术问题——接口技术。

厚德达理 励志勤工 原创性设计

厚德达理 励志勤工 变异性设计

1.1.3 机电一体化技术的发展 历史 厚德达理 励志勤工 （1）基础设计理论、研究方法的形成 （二次世界大战前） （2）电子技术的时代（二次世界大战以来） （3）微电子技术时代 （工业自动化的大量应用） （4）机电一体化技术理论体系的初步形成（智能化产品或装置的出现） （5）计算机技术与工业控制软件的应用（智能化—省能源—省资源） （6）工业自动化和产品自动化（智能化— 自动化—增加附加值） （7） 未来发展方向（高度智能化和 自动化）

五大功能构成要素：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（元件）组成及其定义与作用。 厚德达理 励志勤工 第1.2节 机电一体化系统的构成要素与功能构成 1.2.1 机电一体化系统的构成要素与功能特征 五大功能构成要素：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（元件）组成及其定义与作用。

厚德达理 励志勤工 重要功能特征： 以信息转换为主功能特征。 以能源转换为主功能特征。

三大目的功能： ——变换功能（加工处理）； ——传递功能（移动、输送）； ——储存功能（保持、积蓄、记录）。 控制方式： ——线性控制方式； 厚德达理 励志勤工 三大目的功能： ——变换功能（加工处理）； ——传递功能（移动、输送）； ——储存功能（保持、积蓄、记录）。 控制方式： ——线性控制方式； ——非线性控制方式； ——智能控制方式。

主功能、信息功能、控制功能、动力功能、构造功能。 以及各子系统的匹配技术（核心）—— 接口技术。 厚德达理 励志勤工 1.2.2 机电一体化系统具有的主要功能要素 主功能、信息功能、控制功能、动力功能、构造功能。 以及各子系统的匹配技术（核心）—— 接口技术。 机电系统五种内部功能构成 CNC机床内部功能构成

相互联系问题—— 接口技术 接口技术的作用： 厚德达理 励志勤工 第1.3节 机电一体化系统构成要素 相互联系问题—— 接口技术 接口技术的作用： 为实现机械、电子、信息等各异技术在机电一体化系统中的物质、能源、信息的传递与转换，达到系统所需的目的功能。 接口技术的功能： 系统输入/输出接口信息的匹配。 系统信息的转换、调整，能源信息匹配。

接口技术的分类： · 按变换调整功能分类：零接口，无源接口，有源接口，智能接口。 厚德达理 励志勤工 接口技术的分类： · 按变换调整功能分类：零接口，无源接口，有源接口，智能接口。 · 按输入输出功能分类：机械接口、物理接口、信息接口、环境接口。 实际上，机电一体化技术研究的核心问题就是接口技术问题。 · 按变换调整功能分类：零接口，无源接口，有源接口，智能接口。 · 按输入输出功能分类：机械接口、物理接口、信息接口、环境接口。 实际上，机电一体化技术研究的核心问题就是接口技术问题。

第1.4节 机电一体化系统的设计流程 设计内容： （1）确定产品规格、性能指标 —— 运动参数、动力参数、品质参数。 厚德达理 励志勤工 第1.4节 机电一体化系统的设计流程 设计内容： （1）确定产品规格、性能指标 —— 运动参数、动力参数、品质参数。 （2）系统功能部件要素的划分 —— 功能部件选择、设计和与系统主功能的匹配。 （3）接口设计 —— 机械接口、物理接口、信息接口、环境接口

—— 系统性能、结构质量的各种定量指标和参数，系统的附加价值，满足设计或用户需求的功能性产品或系统为前提。评价方法依据产品要求有所不同。 厚德达理 励志勤工 （4）综合评价或系统评价 —— 系统性能、结构质量的各种定量指标和参数，系统的附加价值，满足设计或用户需求的功能性产品或系统为前提。评价方法依据产品要求有所不同。 （5）可靠性复查 （6）试制与调试 —— 样机制造与调试、试验。 （7）最终产品结果评价 —— 是否达到设计或用户要求

厚德达理 励志勤工 设计流程： 汽车发动机点火系统

依据提高机电一体化产品或系统附加价值的各项综合指标作为评价体系的制定标准，即五大内部功能要素指标。 厚德达理 励志勤工 第1.5节 机电一体化系统的评价体系 依据提高机电一体化产品或系统附加价值的各项综合指标作为评价体系的制定标准，即五大内部功能要素指标。 系统（产品） 内部功能 评 价 参 数 系统（产品价值） 高 低 主功能 系统误差 抗干扰能力 废弃物输出 变换效率 小 强 少 大 弱 多 动力功能 输入能量 能 源 内装 外装 控制功能 可控输入输出接口数 操作动作数 构造功能 尺寸、重量 强度 小、轻 大、重 计测功能 或信息获取 精度 灵敏度 响应快 响应慢

厚德达理 励志勤工 图1-7 系统内部功能的发展方向及评价内容

第1.6节 机电一体化系统的设计方法与类型 1.6.1 机电一体化系统设计的一般原则 厚德达理 励志勤工 第1.6节 机电一体化系统的设计方法与类型 1.6.1 机电一体化系统设计的一般原则 原则：从规范性、通用性、耐环境性、可靠性、经济性等多方面综合分析，结合现代设计方法和手段，达到机电一体化系统设计的三大目的省能源、省资源、智能化，提高机电产品的附加值和自动化程度。 常用的设计方法：机电互补法 机电结合（融合）法 机电组合法 常见的设计类型：开发性设计 适应性设计 变异性设计

第1.8节 机电一体化系统的设计程序、准则与规律 厚德达理 励志勤工 第1.8节 机电一体化系统的设计程序、准则与规律 1.8.1 设计程序 总体设计→部件设计与选择→技术设计与工艺设计。 （1）总体设计 明确设计思想和概念—→分析系统（产品）的综合性能指标要求—→类似产品调研和市场调研—→划分部件或子系统的功能模块—→决定系统和部件、子系统的性能参数—→拟定总体可行性方案（采用不同的设计方法和手段达到设计目的的多种方案）—→方案评价与对比、方案定型—→编写总体方案的可行性论证书—→专家评定鉴定—→确定最终总体设计方案。

（2）部件（或关键零件）选择与设计 部件主要性能指标确定—→部件选择与设计—→明确技术手段。 （3）技术设计与工艺性设计 厚德达理 励志勤工 （2）部件（或关键零件）选择与设计 部件主要性能指标确定—→部件选择与设计—→明确技术手段。 （3）技术设计与工艺性设计 技术设计应充分考虑实现系统（产品）功能要素的工艺特性、制造手段与能力——工艺基础；反之，工艺性设计要以满足实现系统（产品）各功能要素为前提或目的——保证性能、质量、增加附件价值。

以节省能源、节省资源、智能化，提高系统的附加值，实现系统目的功能为设计准则，使系统具有高的可靠性、适应性、完善性为设计目标。 厚德达理 励志勤工 1.8.2 机电一体化系统（产品）设计准则 以节省能源、节省资源、智能化，提高系统的附加值，实现系统目的功能为设计准则，使系统具有高的可靠性、适应性、完善性为设计目标。 1.8.3 机电一体化系统设计的一般规律 （1）确定零部件之间的逻辑和物理关系 功能划分—→确定逻辑关系—→确定功能结构—→建立数学或者物理模型—→实现系统方案设计和技术设计 （2）确定实现系统各功能结构的手段和方法 链状结构（串联）；平行结构（并联）；反馈闭环结构。

第1.9节 机电一体化系统的开发工程 ★系统模块化设计； ★功能组件的外购外协配套与标准化； ★专用功能部件（子系统）开发和研制； 厚德达理 励志勤工 第1.9节 机电一体化系统的开发工程 重点研究： ★系统模块化设计； ★功能组件的外购外协配套与标准化； ★专用功能部件（子系统）开发和研制； ★专业化生产方式的优势和特点； ★设计能达到高效、高质量、高可靠性的设计制造效果；

机电一体化设计方法与现代设计方法的融合是优质、高效、快速实现机电一体化系统（产品）设计的有效方法和基本条件。 厚德达理 励志勤工 第1.10节 机电一体化系统设计与现代设计方法 现代设计方法：以计算机为辅助手段进行系统（产品）设计方法 的总称。 机电一体化设计方法与现代设计方法的融合是优质、高效、快速实现机电一体化系统（产品）设计的有效方法和基本条件。 计算机辅助设计与制造（CAD/CAN） 并行工程设计——全寿命周期设计 虚拟产品设计与实现 快速响应设计 绿色环保产品设计 反求设计 网络协同合作设计

厚德达理 励志勤工 本 章 小 结 本章节应重点掌握机电一体化系统设计的内涵、作用、目标以及研究的主要核心技术问题，机电一体化系统（产品）的构成要素和功能要素，以及它们之间的相互联系；机电一体化系统（产品）的一般设计设计工作流程；应考虑的方法和设计类型；了解机电一体化系统（产品）设计的基本程序、准则与规律；现代设计方法在机电一体化系统（产品）中的应用。

课外作业： 1 题：机电一体化的涵义、目的、特征、基本组成要素以及分别实现哪些功能。 厚德达理 励志勤工 课外作业： 1 题：机电一体化的涵义、目的、特征、基本组成要素以及分别实现哪些功能。 2 题：工业三大要素指的是什么？机电一体化设计的目标是哪些？ 3 题：机电一体化的接口功能有哪些？根据不同的接口功能试说明接口的种类。 4 题：说明机电一体化系统设计的设计思想、方法。 5 题：开发性设计、变异性设计、适应性设计有何异同？