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1、第二章机电系统总体设计本讲稿第一页，共二十页2.1 2.1 系统原理方案设计系统原理方案设计一、功能分析设计法 一切从系统的功能出发，将设计任务抽象化1、为什么要抽象化？复杂的设计复杂的设计简单的模式简单的模式分析分析抽象抽象突出基本的、必要的要求，摈弃偶然情况和枝节问题，便于抓住设计问题核心避免构思方案前形成的条条框框，放开视野，寻求更为理想的设计方案2、如何把设计问题抽象化？本讲稿第二页，共二十页 工程设计中常用的的抽想方法是工程设计中常用的的抽想方法是“黑箱法黑箱法”1 1、黑箱法的基本原理：将所要实现给定功能的机电系统看作为一个未知内部功能结构、功能载体的“黑箱”，通过对输入量和输出量
2、的分析，逐步掌握输入和输出的基本特征和转换关系，寻求能实现这种基本特征和转换关系的工作原理和功能载体。未知未知已知已知黑色黑色白化白化机电一体化产品机电一体化产品（黑箱）（黑箱）物料物料能量能量信息信息物料物料能量能量信息信息伴生输出伴生输出伴生输入伴生输入功能载体求解即：功能载体求解即：黑黑箱箱法法的的表表达达本讲稿第三页，共二十页物料：物料：固体、液体、气体等任何物体；能量：能量：机械能、电能、热能、化学能、光能等；信息：信息：数据、指示值、测量值、控制信号、波形等。物料的转换指如何将毛坯、半成品转换成成品；能量的转换指如何将其它形式的能量转换成机械能或机械能变成其它形式能量；信息的传输或
3、转换指将物理量的测量和显示、控制信号的传递等。2 2、黑箱法求解方法、黑箱法求解方法黑箱法求解过程就是黑箱白化的过程，步骤如图所示：本讲稿第四页，共二十页详细表达输入和输出量详细表达输入和输出量建立输入和输出间关系建立输入和输出间关系寻找合适的实例寻找合适的实例设定系统的总功能设定系统的总功能进行总功能分解进行总功能分解寻找系统的功能解寻找系统的功能解评价与决策评价与决策切削机床、精密测量切削机床、精密测量设备、轻工机械、包设备、轻工机械、包装机械、运输机械装机械、运输机械如如:本讲稿第五页，共二十页冲床冲床（黑箱）（黑箱）板料板料电能电能控制信号控制信号成型工件成型工件机械能、摩擦能机械能、
4、摩擦能工作状态显示工作状态显示振动、噪声振动、噪声温度、振动温度、振动例例1 1：冲床的黑箱法表述：冲床的黑箱法表述二、功能结构分析二、功能结构分析1、功能结构示意图和功能元总功能 分功能 分功能的原理方案例例2 2：CNCCNC齿轮测量中心黑箱法表述齿轮测量中心黑箱法表述(P13P13图图2.2)2.2)本讲稿第六页，共二十页总功能总功能1 12 23 31.11.11.21.21.31.33.13.13.23.21.2.11.2.11.2.21.2.23.1.13.1.13.1.23.1.2层层层层层层功能结构示意图功能结构示意图本讲稿第七页，共二十页最小的基本分功能或满足功能要求的最小单
5、位称之为功能元。机电一体化系统基本功能元v物理功能元：变换、合并分离、传导隔阻、储存v逻辑功能元：与、或、非v数学功能元：加、减、乘、除、乘方、开方、微分、积分2、功能元实施原理方案的选择 各种功能实施的基础：以自然科学原理为基础的技术效应，例如以物理学为主要技术基础的力学、机械学、电学、磁学、光学等原理广泛应用于工程技术的各个领域，即所谓的物理效应。实施的要点：同一种功能可以用不同的技术效应来实现，选出最佳的功能元实施原理方案，有以下途径可以参考：参考资料、专利、产品；利用创造性思维；利用设计目录。本讲稿第八页，共二十页三、功能结构图三、功能结构图1、三种基本功能结构类型：串联结构串联结构并
6、联结构并联结构环型结构环型结构F1F1F2F2F3F3F1F1F2F2F3F3F1F1F2F2F3F3又称顺序结构，反映分功能时间、空间顺序或因果关系 又称选择结构，几个分功能作为手段共同完成一个目的 又称回路结构，输出反馈为输入的循环 2、功能结构图的建立从上层分功能的结构考虑起，逐层向下细化。（例P16图2.5-2.7）本讲稿第九页，共二十页四、系统原理方案选择四、系统原理方案选择 形态学矩阵形态学矩阵建立在功能分解和功能求解的基础上，得到多种可行方案，经筛选、评价可以获得最佳方案。形态学矩阵形态学矩阵的运用步骤：的运用步骤：进行方案构思选择系统原理方案时，用“穷尽法穷尽法”将各分功能的解
7、全部列出，就可写出功能-功能解的形态学矩阵形态学矩阵，形态形态即相应的实现各分功能的执行机构和技术手段。总功能分解 形态构想和功能求解方案组成方案评价和选择新颖性、先进性实用新颖性、先进性实用性性设计经验、资料积累、设计经验、资料积累、创新能力创新能力专业知识、情报资料专业知识、情报资料相容条件、连接条相容条件、连接条件等件等本讲稿第十页，共二十页形态学矩阵列表形态学矩阵列表 12345F1F11F12F13F2F21F22F23F24F25F3F31F32F33F34功能载体功能载体分功能分功能理论上组合出的的方案数为：理论上组合出的的方案数为：N=354N=3546060本讲稿第十一页，共
8、二十页2.2 2.2 系统结构方案设计系统结构方案设计 结构方案设计是原理设计方案的结构化，而且实现结构的优化和创新。主要包括两个方面：v 机械结构 重点考虑和设计v 电气结构 主要是选型，考虑安装问题一、结构方案设计的工作任务、内容及步骤1、任务、任务：将原理方案结构化，确定机器(或系统)各个零部件的材料、形状、尺寸、加工和装配等；2、内容：、内容：设计零部件形状、数量、相互空间位置，选择材料、确定尺寸，进行各种计算校核，按比例绘制结构方案总图，在本讲稿第十二页，共二十页 计算时，采用优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计等多种现代化设计方法。3、步骤、步骤(如图示如图示)：设计任务对结构设计
9、的要求设计任务对结构设计的要求主功能载体初步结构设计主功能载体初步结构设计辅助功能载体初步结构设计辅助功能载体初步结构设计检查主辅功能结构影响及配合检查主辅功能结构影响及配合详细设计主辅功能载体结构详细设计主辅功能载体结构对设计进一步修改完善对设计进一步修改完善技术、经济评价技术、经济评价结构决策结构决策方案确定方案确定NoNoYesYes本讲稿第十三页，共二十页结构设计是从：定性到定量，抽象到具体，粗略到精细定性到定量，抽象到具体，粗略到精细的过程结构设计满足的目标：保证功能、提高性能、降低成本保证功能、提高性能、降低成本结构设计包括三个方面：质的设计：定性分析构型（形状、位置关系）量的设计
10、：定量计算尺寸、确定材料 按比例绘制结构图结构设计归结为三个阶段：初步设计：主功能载体设计 详细设计：副功能载体设计，主功能载体详细设计 完善、审核设计二、结构方案设计的基本原则本讲稿第十四页，共二十页 保证实现预期的功能 总目标 降低制造成本 保障人和环境的安全 保证系统功能可靠的方法：冗余配置 明确 基本原则 简单 安全可靠 功能载体工作原理明确功能载体使用工况明确零件数目尽可能减少几何形状简单规则采用标准零件构件的可靠性功能可靠性工作安全性和环境适应性并联冗余串联冗余原理冗余本讲稿第十五页，共二十页例如：1、飞机上的备用发动机（双驱动或三驱动）2、煤矿井下的水泵系统采用两套或三套配置（一
11、套运转、一套维修、一套备用）三、结构方案设计原理与原则1 1、运动学设计原则、运动学设计原则空间物体有六个自由度，自由度S与约束q关系是：S=6-q应该合理施加约束，满足物体所所需要的运动方式。要求约束：1、点约束 2、约束点离开远些 3、自由度限制方向应垂直于被约束平面平面直线本讲稿第十六页，共二十页2 2、基准面合一原则、基准面合一原则 3、传动链最短原则、传动链最短原则 驱动系统 执行机构 实现最短传动链 好处：传动性能稳定性愈好，传动精度愈高传动性能稳定性愈好，传动精度愈高 基准 设计基准（图纸上）工艺基准（制造基准）定位基准测量基准装配基准 结构设计尽量满足：定位基准面与使用或加工基
12、准面统一原则，可以减小由于基准不一致带来的误差。电机变速箱运动转换执行机构运动转换执行机构高分辨率控制电机本讲稿第十七页，共二十页直线电机执行机构直线电机与执行机构一体化装置4、“三化三化”原则原则三化三化零件标准化部件通用化产品系列化“三化”原则是国家一项重要的技术经济政策，是国家一项重要的技术经济政策，优点在于：互换性好；缩短制造周期；维护方便。如：课程设计或毕业设计时，设计的齿轮、滚珠丝杠、液压缸尺寸符合标准公称系列；选用材料牌号、规格符合国家标准等。5、阿贝原则（提高精度原理）、阿贝原则（提高精度原理）本讲稿第十八页，共二十页 德国人阿贝1890年提出对精密量仪有指导意义的原则：若使量
13、仪测量结果准确，必须将测量仪的读数线尺安放在被测尺寸的延长线上。原因是这样做避免了一阶误差。例如：游标卡尺 不符合阿贝原则，精度较低 千分尺（螺旋测微仪）符合阿贝原则，精度较高 此外还有一些原则，如：合理力流原则、变形协调原则、变形最小原则、如：合理力流原则、变形协调原则、变形最小原则、平均效应原则、稳定性原则等。平均效应原则、稳定性原则等。本讲稿第十九页，共二十页 2.3 2.3 机电系统总体设计方案的过程机电系统总体设计方案的过程可行性研究报告、任务书原理方案图、结构设计图、总装图零、部件工作图、设计技术文件工艺文件、样机试制试验、鉴定文件信息反馈、修改完善规划阶段总体阶段详细施工阶段调试生产阶段 销售阶段用户对产品的需求总体设计关键绘制生产图纸、设计说明书、使用说明书、明细表本讲稿第二十页，共二十页