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机电一体化系统设计自学考试第一章概论机电一体化系统的发展及其基本概念1典型机电一体化系统3系统结构与模块4设计依据与评价标准562设计过程设计思想与方法1.1机电一体化系统的发展及其基本概念1、机电一体化系统的发展1971年日本学者提出——机械与电子的简单结合（伺服技术）20世纪80年代，高性能微处理器的应用——数控机床、工业机器人20世纪90年代，计算机网络和通信技术的应用——机械学科和信息学科融合21世纪至今，多样化、个性化、柔性化、智能化——微机电系统（MEMS）1.1机电一体化系统的发展及其基本概念系统所涉及的设计理论：整体最优化理论；智能化设计理论——学习和自决策功能；柔性化设计理论——软件代替硬件网络化设计理论——远程控制融合原理——异构产品的集成于融合可靠性原理——故障识别和保护2、基本概念（1）系统两个或两个以上事物组成相互依赖、相互作用、共同完成某种特定功能或形成某种事物现象的一个统一整体的总称。实际应用：任何存在某种因果关系的一组物理元件称为系统。数学模型：描述决定系统输入和输出之间关系的数学方程式。可以分为静态的或动态的；线性或非线性；定常的或者时变的，确定的或者随机的。本书主要讨论的是线性、定常、确定性、动态系统。（2）机电一体化（Mechatronics)（2）机电一体化Mechatronics=Mechanics+Electronics涵义是机械与电子的集成技术。机电一体化是微电子技术、信息技术的快速发展并向传统机械产品渗透和融合的结果。（3）机电一体化系统机电一体化系统是按照机电一体化方法设计出来的机械与电子紧密结合的产品或制造系统。即机电一体化系统应包括机电表体化产品和机电一体化制造系统。核心技术：精密机械技术、传感检测技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、系统总体技术。4A革命机电一体化系统被广泛应用于工厂自动化、办公自动化、家庭自动化以及社会服务自动化（4A革命）等各种自动化环境条件下中。（4）系统数学模型经典控制理论：传递函数现代控制理论：状态空间方程（2）机电一体化（Mechatronics)典型的机电一体化系统包括：机械手关节伺服系统；数控机床；工业机器人；自动导引小车；顺序控制系统；数控自动制造系统；微机电系统。1.2典型机电一体化系统1.2典型机电一体化系统1、机械手关节伺服系统伺服系统（Servosystem）：又称作随动系统，它的受控变量是机械运动，如位置、速度及加速度。2、数控机床通过数字控制系统控制加工过程的机床。它是一种利用预先决定的指令控制一系列加工作业的系统。1.2典型机电一体化系统3、工业机器人它是另一类数控机器。它是可编程多自由度的，用来通过一系列动作，搬运物料、零件、工具，或者其他装置，以实现给定的任务。功能：移动零件、加载NC机床、操作压铸机、装配产品、焊接、喷漆、打毛刺、以及包装等功能。1.2典型机电一体化系统1.2典型机电一体化系统工业机器人组成部件：主体结构、终端器、控制器4、自动导引车自动导引车是另一种形式的移动工业机器人。他能跟踪编程路径，在工厂内江一个零件从一个地方移动到另一个地方。1.2典型机电一体化系统5、顺序控制系统顺序控制系统是按照预先规定的次序完一系列操作的系统。根据如何开始和终结操作可分为两类：（1）当某一事件发生时，开始或结束操作的称为事件驱动顺序控制；（2）在某一时刻或一定时间间隔之后，开始或结束操作的称为时间驱动顺序控制。1.2典型机电一体化系统6、数控自动化制造系统（1）柔性生产系统（FMS）柔性制造系统是将计算机数控机床、工业机器人以及自动引导车连接起来以适应加工成组产品。1.2典型机电一体化系统（2）计算机集成制造系统（CIMS）它是通过计算机网络，将计算机辅助设计、计算机辅助规划以及计算机辅助制造，统一连接成一个大系统，实现了全工厂的自动化。1.2典型机电一体化系统7、微机电系统微机电系统（MEMS）是电子和机械元件相结合的微装置或系统，采用与集成电路兼容的批加工技术制造，尺寸可以从毫米到微米量级范围变化。这些系统结合传感和执行功能并进行运算处理，改变了我们感知和控制物理世界的方式。特点：体积和质量小、成本和能耗低、集成度和智能化程度高。1.2典型机电一体化系统1.3系统结构与模块控制模块驱动模块测量模块机械受控模块环境现场1、机械受控模块代表系统的机械结构，又称为执行模块输入输出功能设计原则承载、传递力和运动，也有外观、造型和防护的作用。输入：驱动模块和环境；输出：测量模块接收，并转化为电信号考虑刚度和强度精度、惯量、阻尼、最小和外形美观灯设计原则功能：采集有关系统状态和行为的信息；组成：由传感器、调理电路、变换电路组成输入：确定机械受控模块性能的物理变量，如：压力、位移、速度等；输出：被测量的特征值，如：电压、电流、相位等；设计要求：不失真地反映被测物理量的时间变化曲线。包含分辨率、精度、线性范围、动态响应特性等指标。2、测量模块3、驱动模块指有电动机及其驱动电路组成的技术模块。作用：提供驱动力改变系统包含速度和方向的运行状态，产生所希望的运动输出。输入条件：控制器的输出指令设定设计参数：运动形式、运动变量、额定力矩、电源功率、效率等通信模块、微计算机模块、软件模块和接口模块总合为控制模块。它的作用是：处理测量模块提供的信息、生成控制指令，输出给驱动模块的执行部件电动机。通信模块通讯模块功能是传递信息，实现系统内部、外部，近程、远程通信。实现的方法有：有线和无线4、控制模块微计算机模块作用：在系统中负责处理由测量模块和接口模块提供的信息。输入参数：被测量的反馈量和与系统运行有关的设定参数输出：一部分决定驱动模块的工作状态；另一部分供给接口模块的信息设计要求：取决于原始的系统功能。软件模块软件模块包括系统的操作指令和预定指令的各种算法接口模块接口模块在系统内主要用于各级之间的信息传递4、控制模块1.4设计依据与评价标准机电一体化系统的依据和评价指标：1、系统功能开发机电一体化产品的依据：（1）需求牵动；（2）技术推动（主要是市场导向，其次技术导向）2、性能指标3、使用条件4、社会经济效益1.5设计思想与方法机电一体化系统设计的思想：系统的设计思想1、并行设计；2、按系统工程的理论和方法分析处理问题；3、多学科交叉进行设计；4、掌握有关各领域信息资料；5、以达到顾客满意的设计目标和评价标准为系统设计的最终目标。机和电融合的设计思想如何处理”机”与”电”的关系？（1）替代机械系统（2）简化机械系统（3）增强机械系统（4）综合机械系统注重创新的设计思想1.5设计思想与方法1.6设计过程机电一体化产品的设计流程如图1-15：1、市场调研、需求分析和技术预测以设计模具加工中心为例，调研的主要内容：（1）现有的模具技术（2）现代模具加工装备的结构形式（3）用户对开发设计新型模具加工中心的意见和要求（4）市场情况（5）发展趋势调研的目的就是给设计的新产品有个明确的定位1.6设计过程2、概念设计产品的概念设计是实现产品创新的关键。概念设计本质上就是一个产品的创新过程概念设计就是确定设计任务和用简图形式表达的广义解。概念设计的主要特性：（1）创新性（2）工艺可实现性（3）多样性（4）层次性（5）避免不良结构性（6）反复迭代性1.6设计过程3、可行性分析从理论、技术和经济是三个方面评估。4、编制设计任务书5、初步设计——方案设计工作内容（1）划分模块和子模块（2）提出实现每个模块功能的技术方案（3）对提出的方案中所含的主要元器件及其主要参数进行预选和粗算。6、方案设计评估与优化7、详细设计和参数核算8、完成全部设计文件设计文件主要包括：（1）产品的全套图样（2）产品零件明细表、备件表和装箱单（3）产品使用说明书、维护说明书、检验标准和检验方法说明书等1.6设计过程真题解析——选择题（13、7）(08、4)1、利用预先决定的指令控制一系列加工作业的系统成为【】A．自动引导车B．伺服系统C．工业机器人D．数控系统（13、4）1.系统的输入输出满足线性叠加原理的系统称为【】A．线性系统B．时变系统C．定常系统D．随机系统DA真题解析——选择题（11、4）1、负责系统内部个模块之间信息传递的模块称为【】A．软件模块B．接口模块C．通信模块D．驱动模块（10、4）1.在系统中负责处理由测量模块和接口模块提供信息的模块称【】A．软件模块B．通信模块C．驱动模块D．微计算机模块CD真题解析——选择题（12、4）1．用于承载、传递力和运动的模块是【】A．机械受控模块B．驱动模块C．接口模块D．微计算机模块（09、4）1．系统中用于提供驱动力改变系统运行状态，产生所希望运动的模块称为【】A．驱动模块B．接口模块C.微计算机模块D．测量模块AA真题解析——选择题（07、4）1．受控变量是机械运动，如位置、速度及加速度的一种反馈控制系统称为【】A．数控机床B．伺服系统C．自动导引车D．顺序控制系统（06、4）．有伺服放大器、执行机构、传动装置等组成的模块称【】A．机械结构模块B．测量模块C．驱动模块D．接口模块BA真题解析——选择题（05、4）1、主要用于系统中各级间的信息传递的模块称为【】A．软件模块B．接口模块C．通信模块D．驱动模块（04、4）1．由计算机网络将计算机辅助设计、计算机辅助规划、计算机辅助制造联接成的系统称为【】A．顺序控制系统B．自动引导车系统C．柔性制造系统D．计算机集成制造系统DB真题解析——选择题（03、4）1.将计算机数控机床、工业机器人以及自动引导车联接起来的系统称()A.顺序控制系统B.计算机集成制造系统C.柔性制造系统D.伺服系统（02、4）1.受控变量是机械运动的一种反馈控制系统称()A.顺序控制系统B.伺服系统C.数控机床D.工业机器人BC真题解析——问答题（13、7）11．简述典型机电一体化系统中微计算机模块的定义与功能。12．简述机电一体化设计，“简化机械系统”的设计思想。答案：11、微计算机模块在系统中负责处理由测量模块和接口模块提供的信息。12、机械系统可采用机电一体化方法加以简化。依靠微计算机和执行器可以提供诸如轮廓、速度以及定位控制任务的功能。真题解析——问答题（13、4）11．什么是非线性时变系统？12．简述机械受控模块的定义与功能答案：11、非线性时变系统是指随时间变化的并且不满足线性叠加原理的系统。12、机械受控模块又称为执行模块，包含机械传动、支承和支座等，其主要作用是承载、传递力和运动，同时也起着外观、造型和防护作用。真题解析——问答题（12、4）11．伺服系统的工作特点是什么?12．简述通信模块及接口模块的作用。答案：11、伺服系统又称为随动系统，是一种反馈控制系统，受控变量是机械运动，如位置、速度及加速度的一种反馈控制系统12、通讯模块功能是传递信息，实现系统内部、外部，近程、远程通信。接口模块主要用于系统中各级间的信息传递真题解析——问答题（11、4）11．机电一体化产品设计中需要贯彻哪些设计思想？12．简述典型机电一体化系统中测量模块的功能及组成。答案：11、系统的设计思想、机和电融合的设计思想、注重创新的设计思想12、测量模块的作用是采集有关系统和行为的信息，它由传感器、调理电路及变换电路等组成。（10、4）11．处理“机”与“电”关系采用哪些设计思想?12．机电一体化系统设计过程包括哪些内容?真题解析——问答题答案：11、（1）替代机械系统；（2）简化机械系统；（3）增强机械系统；（4）综合机械系统12、（1）市场调研需求分析和技术预测（2）概念设计（3）可行性分析（4）编制设计任务书（5）初步设计（6）方案设计评估与优化（7）详细设计和参数核算（8）完成全部设计文件（09、4）11．机电一体化的所渭“4A革命”是指什么?12.机电一体化设计中，“增强机械系统”的设计思想是什么?真题解析——问答题答案：11、