简述机电一体化系统设计流程_机电一体化系统设计的工作流程

机电一体化系统的设计都有哪些内容方法？

机电一体化系统的设计：

简述机电一体化系统设计流程_机电一体化系统设计的工作流程

一、机电一体化系统开发的设计思想

机电一体化的优势，在于它吸收了各相关学科之长并加以综合运用而取得整体优化效果，因此在机电一体化系统开发的过程中，要特别强调技术融合，学科交叉的作用。机电一体化系统开发是一项多级别、多单元组成的系统工程。把系统的各单元有机的结合成系统后，各单元的功能不仅相互叠加，而且相互辅助、相互促进、相互提高，使整体的功能大于各单元功能的简单的和，即“整体大于部分的和”。当然，如果设计不当，由于各单元的异性，在组成系统后会导致单元间的矛盾和摩擦，出现内耗，内耗过大，则可能出现整体小于部分之和的情况，从而失去了一体化的优势。因此，在开发的过程中，一方面要求设计机械系统时，应选择与控制系统的电气参数相匹配的机械系统参数；同时也要求设计控制系统时，应根据机械系统的固有结构参数来选择和确定电气参数。综合应用机械技术和微电子技术，使二者密切结合、相互协调、相互补充，充分体现机电一体化的优越性。

二、机电一体化系统设计方法

拟定机电一体化系统设计方案的方法有取代法、整体设计法和组合法。

1、取代法

这种方法是用电气控制取代原传统中机械控制机构。这种方法是改造传统机械产品和开发新型产品常用的方法。如用电气调速控制系统取代机械式变速机构，用可编程序控制器或微型计算机来取代机械凸轮控制机构、插销板、步进开关、继电器等，以弥补机械技术的不足，这种方法不但能大大简化机械结构，而且还可以提高系统的性能和质量。这种方法的缺点是跳不出原系统的框架，不利于开拓思路，尤其在开发全新的产品时更具有局限性。

2、整体设计法

这种方法主要用于全新产品和系统的开发。在设计时完全从系统的整体目标考虑各子系统的设计，所以接口简单，甚至可能互融一体。例如，某些激光打印机的激光扫描镜，其转轴就是电动机的转子轴，这是执行元件与运动机构结合的一个例子。在大规模集成电路和微机不断普及的今天，随着精密机械技术的发展，完全能够设计出将执行元件、运动机构、检测传感器、控制与机体等要素有机地融为一体的机电一体化新产品。

3、组合法

这种方法就是选用各种标准模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统。例如，设计数控机床时可以从系统整体的角度选择工业系列产品，诸如数控单元、伺服驱动单元、位置传感检测单元、主轴调速单元以及各种机械标准件或单元等，然后进行接口设计，将各单元有机的结合起来融为一体。在开发机电一体化系统时，利用此方法可以缩短设计与研制周期、节约工装设备费用，有利于生产管理、使用和维修。

三、机电一体化系统设计的内容

在机电一体化系统(产品)中控制系统设计的主要内容可归结为：确定系统整体控制方案、确定控制算法、选择微型计算机、进行系统的硬件和软件设计，以及系统统调。

1、确定系统整体控制方案

(1)确定控制任务

在设计系统以前，必须对控制对象的工作过程进行深入的调查、分析和熟悉，并明确实际应用中的具体要求，按机械与电子功能划分方案确定系统所要完成的任务，然后用控制流程图或其他适当形式描述控制过程和任务，写成设计任务说明书，作为整个控制系统设计的依据。

(2)构思控制系统的整体方案

1)确定系统的控制结构形式是开环还是闭环控制。

2)采用闭环控制时应考虑检测传感器的选择和所要求精度级别，并考虑机构安装、使用环境等问题。

3)选择执行元件是电动、气动还是液压或其他，根据控制对象具体要求，比较方案的优缺点，择优而用。

4)明确微机在系统中的作用：是设定值计算、直接控制还是数据处理和应具备的功能，需要哪些输入／输出通道和配置哪些外围设备等。后，画出系统组成的原理框图和附加说明，作为进一步设计的基础，并初步估算成本。

2、建立数学模型确定控制方法

建立系统的数学模型是个复杂过程，也是一个试探的过程，需要反复权衡。

1)根据已初步确定的控制系统的物理结构，采用合适的控制理论方法建立和组成各环节以及整个系统的数学模型表达形式。通过静、动特性计算，为计算机进行运算处理提供依据。

2)根据不同的控制对象和不同的控制性能指标要求，选择不同的控制算法。对过程控制设备的直接数字控制系统常用PID调节的控制算法；在位置数字随动系统中常用实现少拍控制的控制算法；机床数字控制中常使用逐点比较法、数字积分法和数据采样法的控制算法。另外，还有多种控制的控制算法、随机控制和自适应控制的控制算法等供选择。

3)当控制系统较复杂时，控制算法也比较复杂，为设计、调试方便，可忽略小的非线性、小延时等因素的影响，将控制算法作某些合理的简化。利用计算机系统仿真技术，逐步将控制算法完善，直到获得的控制效果。

总之，控制算法的确定是一个反复修正与试验的渐进过程。

3、选择微型计算机

对于微机所承担的任务给定以后，完成同一任务的微机方案有多种。一般以既能完成给定任务(应包括处理确定的控制算法)、又能充分发挥选用微机的功能、再留有一定功能余量为原则来选择。

从控制生产机械或生产过程要求出发，微型机应满足以下要求：

(1)有较完善的中断系统

对于控制用计算机，实时控制功能是一大特点。它包含系统正常运行时的实时控制能力和发生故障时紧急处理的能力。这种处理和控制一般都采用中断控制方式，即CPU及时接收终端请求、暂停原来执行程序，转而执行相应的中断服务程序，待中断处理完毕，再返回继续执行原程序。

在选用与CPU相应的接口芯片时也应有中断工作方式，以保证控制系统能满足生产中提出的各种要求。对于比较复杂的控制，要考虑采用实时操作系统。

(2)足够的存储容量

由于微型机内存容量有限，当内存容量不足以存放程序和数据时，应扩充内存，或配备适当的外存储器(如硬磁盘等)。

(3)完备的输入／输出通道

输入输出通道是系统外部过程和微机交换信息的通道。根据实际需要有开关量输入／输出通道、模拟量输入／输出通道、数字量输入／输出通道和实现快速、批量交换信息的直接数据通道。通道的操作方式有串行、并行以及随机选择与按某种预订顺序进行工作等。

(4)微处理器芯片的选择

这一选择的实质就是确定能满足控制功能要求的微处理器的字长、速度和指令系统。这三者是相互依存的。一般选择：

1)对通常的顺序控制、程序控制可选用1位微处理器；

2)对计算量小、计算精度和速度要求不高的系统可选用4位微处理器，如计算器、家用电器控制及简易控制等；

3)对计算精度要求较高、处理速度较快的系统可选用8位微处理器，如经济型的线切割机床、普通机床的控制和温度控制等；

4)对要求计算精度高、处理速度快的系统统可选用16位或32位微处理器，甚至采用精简指令集运算的芯片RIRC或多CPU，如控制算法复杂的生产过程控制，要求高速运行的机床控制，特别是大量的数据处理等。

(5)系统总线的选择

微型计算机主要由若干块印制电路板(按功能模块设计、制造)构成。各块板之间的连接，当然是通过印制板的插座之间的连线来实现的。通常，为了给使用和维护带来方便，希望插座之间的连线具有通用性——一个系统中的各块印制板可插在任一插座上。同时，也是为了各厂家生产的电路板具有通用性、互换性，就要对插座及连线订个标准。这就是系统总线选择的由来。

目前支持微型计算机系统机构的总线有：STD Bus支持8位和16位字长；Multi Bus工型可支持16位字长，Ⅱ型可支持32位字长；S-100 Bus可支持16位字长；VERSA Bus可支持32位字长，以及VME bus可支持32位字长等。生产厂家为这类总线提供各种型号规格的OEM(初始设备制造)产品，包括主模块和从模块，由用户任意选配。

4、系统总体设计

系统设计主要是依据上述控制方案、设计所要求和选用的微机类型，对系统进行具体的设计。其设计可分为硬件的接口设计和软件设计两大类型。

在对系统总体设计时，一个重要的问题是如何解决微机、被控对象和操作者这三者之间可靠地适时进行信息交换的通道和分时控制的时序安排。也就是综合考虑用硬件配置和软件措施解决系统运行的次序安排，以保证系统有条不紊地运行。

(1)接口设计

对于一种产品(或系统)，其各部件之间，各子系统之间往往需要传递动力、运动、命令或信息，这都是通过各种接口来实现的。机械本体各部件之间、执行元件与执行机构之间、检测传感元件与执行机构之间通常是机械接口；电子电路模块相互之间的信号传送接口、控制器与检测传感元件之问的转换接口、控制器与执行元件之间的转换接口通常是电气接口。

机电一体化产品的内外接口实际上就是一种进行物质、能量和信息交换的界面，它具有存储、转换和服务功能。按功能可以将接口划分为以下3种：

1)零接口。不需进行任何转换，把具有结合关系的两部分直接连接起来称为零接口，如连接管、电缆、接线柱和刚性联轴节等。

2)普通转换接口。在具有结合关系的两部分之间存在能量或信息的转换，但不含微处理器的接口为普通转换接口。如减速器、变压器、电磁离合器、放大器、光电耦合器、A／D转换器、D／A转换器等。

3)智能转换接口。它是一种含有微处理器的转换接口，具有可编程的特点，因而能够自动改变接口条件，如由微处理器编程的8255A，8279，PIO等。

目前，大部分硬件接口和软件接口都已标准化或正在逐步标准化。对于硬件接口，在设计时可以根据需要选择适当的接口，再配合接口编写相应的程序。

(2)操作控制台设计

微机控制系统必须便于人机联系，通常都要设计一个现场操作人员使用的控制台。这个控制台一般不能用微机所带的键盘代替。原因是现场操作人员需要的是简单、明了、安全的操作面板，以实现对机器的操作。所以，要求操作控制台应有以下功能：

1)有一组或几组数据输入键(数字键或拨码开关等)，用于输入或更新给定值、修改控制器参数或其他必要的数据。

2)有一组或几组功能键或转换开关，用于转换工作方式，启动、停止系统或完成某种指定功能。

3)有一个显示装置或显示屏，用于显示各种运行状态、参数及故障指示等。控制台上应该有一个“紧急停止”按钮，用于有紧急事故时停止系统运行，转入故障处理。

应当明确指出，控制台上每一种信号都与系统的运行状态密切相关。设计时，必须明确这些转换开关、按钮、键盘、显示器和故障指示灯的作用和意义，仔细设计控制台的硬件及其相应的管理程序，使设计的操作控制台既能方便操作又保证安全可靠，即使操作失误也不会引起严重后果。

(3)微型计算机控制系统的电源设计

微机控制系统中的电源，根据需要可以有不同的类型(直流和交流)和规格(电压和功率)。按照使用情况，对性能的要求也不尽相同，在设计过程中应按实际要求合理选用调试，并控制电压变动。电源本身要具有过压、短路、过载保护和热保护，否则将会造成不可弥补的损失。

(4)整机的安装、联接设计

这是一种整体结构设计。微机控制系统安装既包括了与被控对象的联接安排，也考虑了主机本身的安装联接问题。其设计原则应该是安装、联接的可靠性和使用、装配、维护的方便性。

1)安装、联接结构具有防震性，即印制电路板、接插件和元器件包括电缆等应牢固地安装在同一个机壳上，不因振动而松动。

2)采用标准或专用、制造质量好的防松接插件，以保证接触可靠而又使用、维护方便。

3)布线结构要合理，能防止相互间的电磁耦合干扰。一定要使信号线和功率线进行隔离，分别走线。对模拟信号更要注意走线的长短和屏蔽，如走线太长，需要考虑进行信号增强等措施。

4)正确安装安全地线、信号地线、屏蔽地线以及功率地线和强电地线，终要进行地线连接。地线要采用一点接地型，即把信号地线、功率地线、被控对象地线(安全地)等连接到公共接地点。而总的公共接地点必须与大地接触良好，一般接地电阻要小于(4～7)Ω。

(5)软件设计

对于选定的微机控制系统，其微机本身已有一定的软件支持，一般这些软件要求用户了解其使用方法和基本原理。如果把微型计算机专门为某一控制领域而设计成专用的控制计算机，用户就需要利用计算机的指令系统和相应的开发系统来设计系统软件，即控制软件、管理软件、诊断软件等。这些系统软件的设计要求更有专用性和针对性。

在微机控制中，其软件任务大体可以分为数据处理和过程控制两大基本类型。数据处理主要包括数据的采集、数字滤波、标度变换，以及数值计算等等。过程控制主要是使微机按照一定控制算法进行计算，然后进行输出去控制生产。

5、系统联调

微机控制系统设计完成后，硬件电路要进行制作、安装及试验，并进行连续烤机运行。软件各模块要在微机上分别进行调试，使其正确无误，然后存盘。上述工作完成后，就可将硬件与软件组合起来进行系统联调的模拟试验，正确无误后，进行现场实验，直到正式运行。在这个阶段，重要的是仔细设计模拟调试的方法与步骤，以及所用的测试手段。

此外，在现场试验前，要仔细检查接线，无误后才能进行现场调试。现场调试的步骤根据不同对象要仔细考虑。首先要把涉及的自动保护项目进行实验，确认有效后才可进入功能、参数等项目的试验。

机电一体化系统设计的内容

《机电一体化系统设计(普通高等教育机械类十二五规划系列教材)》( 俞竹青、金卫东担任主编)介绍了机电一体化系统的基本原理、机电一体化系统的构成、常用传感器、常用执行元件以及相关检测控制电路设计，力求贴近工程实用。全书共7章，内容包括：概论、机械系统部件及其设计、检测传感器及其接口电路、执行元件及控制、单片机及接口电路设计、机电一体化系统的抗干扰设计、机电一体化系统设计实例。本书注意理论与实际的结合，重视解决工程实际问题，并力求做到突出重点，层次分明，语言易懂，以便于读者自学。

简述机电一体化系统的设计原则及常用方法。

机电一体化系统是将机械、电气、电子和计算机等技术有机地结合起来，形成一个统一的系统。其设计原则和常用方法如下：

1. 综合性原则：机电一体化系统设计需要考虑机械、电气、电子和计算机等多个方面的因素，保证系统的综合性。

2. 系统化原则：机电一体化系统设计需要从整个系统的角度出发，把系统的各个部分组织成一个有机的整体，保证系统的协调性和一致性。

3. 标准化原则：机电一体化系统设计需要遵循相关的标准和规范，保证系统的可靠性和安全性。

4. 可扩展性原则：机电一体化系统设计需要考虑系统的可扩展性，能够在不影响系统整体性能的情况下扩展系统的功能。

常用方法：

1. 模块化设计方法：将机电一体化系统分成若干个独立的模块，每个模块都有自己的功能，便于系统的设计和维护。

2. 集成化设计方法：将机械、电气、电子和计算机等技术有机地结合起来，建立一个统一的系统。

3. 自动化设计方法：利用计算机、传感器、控制器等技术，对系统进行自动化设计和控制，提高系统的效率和稳定性。

4. 仿真设计方法：利用计算机模拟机电一体化系统的运行，预测系统的性能和可能出现的问题，提高系统的可靠性和稳定性。

机电一体化系统样机试制与试验包括哪些内容

机电一体化系统基本结构要素一般包括：机械本体、能源、测试传感部分、执行机构、驱动部分、控制及信息处理单元。

1） 控制及信息处理单元： 键盘、计算机、显示

2） 测试传感部分： 光电编码器、信号处理

3） 能源： 电影

4） 驱动部分： 功放、电机

5） 执行机构： 联轴器、齿轮减速器、丝杠螺母机构、工作台

3. 为什么采用机电一体化技术可以提高系统的精度？

机电一体化技术使机械传动部分减少，因而使机械磨损，配合间隙及受力变形等所引起的误大大减少，同时由于采用电子技术实现自动检测，控制，补偿和校正因各种干扰因素造成的误，从而提高精度。

4．简述机电一体化产品设计的工程路线（主要步骤）

（1）拟定产品（设计）目标，确定初步技术规范。

（2）收集资料，市场分析，可行性分析，技术经济性分析。

（3）初步设计（总体方案设计）。

（4）初步设计方案的评审、评价（不满意，修改）。

（5）确定数学模型（理论分析）。

（6）详细设计（样机设计）。

（7）详细设计方案评审、评价（不满意，修改）。

（8）试制样机。

（9）样机试验，测试。

（10）技术评价与审定（不满意，修改）。

（11）小批量生产。

（12）试销。

（13）正常生产，收集用户意见。

（14）销售，收集用户意见。

其中（1）至（4）为总体方案设计阶段：（5）至（8）为详细设计阶段；（9）至（11）为样机测试阶段；（11）至（14）为生产销售阶段。整个设计过程要经过3次设计，3次评审，以确保设计质量。其中详细设计是机电一体化产品设计与开发过程的核心内容。它包括系统总体设计、业务的分组、机械本体及工具设计、控制回路设计、程序（软件）设计、后备系统设计、完成设计说明书、使用说明书等产品文件等。

机电一体化产品的设计开发步骤和内容有哪些

机电产品开发的一般过程包括：Product Discovery（发现需求）、Project Planning（项目规划）、ProductDefinition（产品定义）、Conceptual Design（原理方案设计）、Product Development（产品详细设计）、ProductSupport（产品支持）。

Product Discovery（发现需求）：

要设计一个产品，首先我们必须知道我们需要什么？需求通常会通过以下的几个途径产生：1、技术推进型。所谓技术推进型是指随着科技的发展，就会有许多新的技术的产生，而将这些新的技术应用到已有的产品中去就会产生新的更好的产品，这就是开发新产品。比如汽车的发展，刚开始的畜力车就是现代汽车的原型，它的动力是牲畜，之后又将蒸汽作为畜力车的动力，于是有了蒸汽机。2、市场拉动型。市场拉动型是指市场上所需要的，即人们的需求。举一个简单的例子，比如菜市场上今天某一样菜很少，并且需要这样菜的人还很多，那么这样菜今天的价格一定很高，这就是市场拉动型。要想通过市场找到需求就必须要有敏锐的观察力，能察觉到现阶段市场上哪些产品是热销的，或者能预测到什么东西将会称为热销的产品。然而这有不仅仅是找到热销产品，我们还必须要进行充分的市场调查，调查现在都有哪些公司都在生产这种类型的产品、他们目前所掌握的技术是否成熟，是否掌握核心技术、还有他们的生产是否能满足人们的需求和人们对这种产品的需求是否呈增长趋势等等。市场拉动型是常见的需求产生的方法。3产品更新。产品更新适用于一个产品已经生产出来了，而且目前的技术已经很成熟了，但是通过问卷调查就会发现该产品仍然有许多地方不能满足人们的使用需求，所以我们就可以抓住这一点来更新换代新的产品。比如好神拖、苹果等。4、用户委托或是主管部门下达。

Project Planning（项目规划）：

项目规划是指在找到需求之后，对产品的设计过程进行规划，具体包括建立团队、任务分配、时间安排、成本计算等。1、建立团队。根据要生产的产品的功能，以及要实现这些功能需要哪些方面的技术来选择技术人员。对于核心技术方面的人要多选择几个。总之人员分配要合理。2、任务分配。一个产品的功能可以看成是一个系统，要实现这个系统的功能就必须首先实现子系统的功能，而子系统下面有由许多的子系统组成，所以首先要从小的子系统入手，给每个人分配一个小的子系统的功能，组成在一起就构成了一个系统的功能。3、时间安排。即在规定的时间内完成规定的任务，具体可以通过Gantt图来实现。4、成本计算。应在满足功能要求的情况下所需的成本降到。

Product Definition（产品定义）：

产品定义就是设计产品的参数，这要根据用户的要求或者它要满足的功能来确定，比如water clock的参数就是它的计时长度，即它长一次能记录多长时间，发射装置的设计参数就是它发射距离的要求了。产品定义大多数情况下都是根据用户的要求的功能来设定的。所以我们首先要对用户的要求的功能进行评定，看看这些功能能否实现，要是能实现需要达到怎样的参数。然后再来计算成本的高低。评定在怎样的参数下所需的成本而且对功能的影响还不是很大，以实现设计要求。一个产品参数的设定是至关重要的，因为它和其他产品相区别的重要特点。不同的参数完成不同的功能。

Conceptual Design（原理方案设计）

这一步是整个设计过程中重要的一步。在这一步完成之后将产生多个产品的原型，后确定出的设计方案。首先还是要分析该产品要实现哪些功能，每个功能要怎样来实现，实现这些功能的方法都有哪些。比如要实现发射一个东西这个功能可以通过将弹性势能转化成动能来实现，也可以通过将重力势能转化成动能来实现。对每一个功能都通过这样的方法来分析，列出每个功能可能的实现方法，后通过综合考虑成本，性能，实现难易程度等因素来选出佳的设计方案。

Product Development（产品详细设计）：

产品详细设计是指，在确定了产品设计方案的前提下，设计一些细节问题，比如说用什么材料效果且成本相对较低、克服摩擦力、提高精度等等。产品的详细设计还包括产品的制造的工艺流程，即根据每个零件的功能要求来编写每个零件的加工工艺流程图，包括需不需要特殊处理等要求，还有装配要求。画出每个零件的零件图、装配图、再从装配图上拆画零件图，以保证每个生产出来的零件都能装上去，后通过一些改进，制造出第一台产品原型，并进行相关的一些试验。

Product Support（产品支持）

在做出第一台原型机之后，和用户或开发商联系，看看生产出来的产品是否满足要求，对不满足要求的地方进行合理化的改进，后编写用户使用说明书，注意编写使用说明书的时候要用用户能看懂的通俗的语言进行编写，不要用专业名词。还要进行专利申请。接下来把产品从设计到制造的全过程的文件都整理存档，以便将来对产品进行更新换代。后设计产品的回收报废。

什么叫做机电一体化设计系统？

机电一体化是集光、机、电于一体的现代机械系统。它由传感、驱动、控制和执行机构四部分组成。从光、机、电有机结合的角度出发，较为全面地、系统地阐述了光机电一体化系统的设计原理和方法。

介绍光机电一体化系统的主要思想、传感部件的原理和选择、执行元件的原理和驱动、控制器的选择、光机电一本化软件和控制技术、伺服系统设计以及光机电一体化实例。特点是在介绍具体部件的原理性知识的同时通过讲解伺服系统的完整设计过程。

■概括的的说，机电一体化系统的“设计”就是综合，根据一

个对象、一个工程的具体控制要求和要达到的目标，用机电一体

化与控制理论等专业知识与经验，结合行业和有关法律法规

进行“综合”，这个过程称做机电一体化系统设计。

机电一体化又称机械电子学，英语称为Mechatronics，它是由英文机械学Mechanics的前半部分与电子学Electronics的后半部分组合而成。机电一体化早出现在1971年日本杂志《机械设计》的副刊上，随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化的概念被我们广泛接受和普遍应用。随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，机电一体化技术获得前所未有的发展。现在的机电一体化技术，是机械和微电子技术紧密的一门技术，他的发展使冷冰冰的机器有了人性化，智能化。

机电一体化系统设计是从“系统”的观点出发,利用机械技术、微机控制技术和信息技术,通过“一体化”即机电有机结合的方法,构造佳的系统