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1、第九章第九章机电一体化系统总体设计机电一体化系统总体设计 总体设计是机电一体化系统设计的重要环节重要环节。整体目标、功能 分析产品性能要求 选择合理的单元组合方案 实现机电一体化整体优化设计过程，主要内容包括：系统原理方案设计；结构方案的设计；总体布局与环境设计；技术参数与技术指标确定；总体方案评价与决策。总体设计是纲纲，给具体设计规定总的基本原理、原则和方法。19.1 9.1 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
2、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？、如何把设计问题抽象化？2 工程设计中常用的的抽象方法是工程设计中常用的的抽象方法是“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：
3、功能载体求解即：黑黑黑黑箱箱箱箱法法法法的的的的表表表表达达达达固体、液体、气体等任何物体；机械能、电能、热能、化学能、光能等；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；信息的传输或转换指将物理量的测量和显示、控制信号的传递等。3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
4、、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: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：4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、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5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
5、.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6最小的基本分功能或满足功能要求的最小单位称之为功能元。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
6、造性思维；利用设计目录。7三、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。8四、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应用步骤：的应用步骤：进行方案构思选
7、择系统原理方案时，用“穷尽法穷尽法”将各分功能的解全部列出，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、先进性实新颖性、先进性实用性用性设计经验、资料积设计经验、资料积累、创新能力累、创新能力专业知识、情报资专业知识、情报资料料相容条件、连接条相容条件、连接条件等件等9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=3
8、546060109.2 9.2 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。11 3、步骤、步骤(如图示如图示)：设计任务对结构设计的要求设计
9、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NoNoYesYes12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：定量计算尺寸、确定材料 按比
10、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13 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二、结构方案设计的基本原则14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
11、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152 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
12、分辨率控制电机16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。17 德国人阿贝1890年提出对精密量仪有指导意义的原则：在长度测量时,为了保证测量的准确,应使被测零件的尺寸线(简称被测线)和量仪中作为标准的刻度尺(简称标准线)重合或顺次排成一条直线.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
13、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、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。变形最小原则、平均效应原则、稳定性原则等。5、阿贝原则（提高精度原理）、阿贝原则（提高精度原理）189.3 机电一体化系统的评价n 机电一体化的一个主要目的是提高产品的附加价值，因而附加价值就成为机电一体化系统的综合评价指标。n 机电一体化系统的评价内容机电一体化系统的评价内容：机电一体化系统机电一体化系统高附加价值化高附加价值化主功能主功能计测、控制功能计测、控制功能动力功能动力功能构造功能构造功能高性能化高性能化低价
14、格化低价格化高可靠性化高可靠性化智能化智能化省能化省能化轻薄短小化轻薄短小化19 9.4 9.4 机电一体化系统总体设计的过程机电一体化系统总体设计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20一、市场调研一、市场调研二、总体方案设计二、总体方案设计三、详细设计三、详细设计四、样机试制与试验四、样机试制与试验五、小批量生产五、小批量生产六、大批量生产六、大批量生产21一、市场调研一
15、、市场调研 市场调研包括市场调研包括市场调查市场调查和和市场预测市场预测。n市场调查市场调查就是运用科学的方法，系统地、全就是运用科学的方法，系统地、全面地收集所设计产品市场需求和经销方面的面地收集所设计产品市场需求和经销方面的情况和资料，分析研究产品在供需双方之间情况和资料，分析研究产品在供需双方之间进行转移的状况和趋势。进行转移的状况和趋势。n市场预测市场预测就是在市场调查的基础上，运用科就是在市场调查的基础上，运用科学方法和手段，根据历史资料和现状，通过学方法和手段，根据历史资料和现状，通过定性的经验分析或定量的科学计算，对市场定性的经验分析或定量的科学计算，对市场未来的不确定因素和条件
16、做出预计、测算和未来的不确定因素和条件做出预计、测算和判断，为产品的方案设计提供依据。判断，为产品的方案设计提供依据。22n市场调研的对象对象主要为该产品潜在的用户；调研的主要内容主要内容包括市场对此类产品的需求量，该产品潜在的用户对该产品的要求，即该产品有哪些功能，具有什么性能和所能承受的价格范围等。n市场调研的方法方法一般采用实地走访调查、抽样调查、类比调查或专家调查法等方法。n最后对调研的结果进行仔细的分析，撰写市场调研报告。市场调研的结果应能为产品的方案设计与细化设计提供可靠的依据。一、市场调研一、市场调研23二、总体方案设计二、总体方案设计1产品方案构思产品方案构思 产品方案构思完成
17、后，以方案图的形式将设计产品方案构思完成后，以方案图的形式将设计方案表达出来。方案图应尽可能简洁明了，反映方案表达出来。方案图应尽可能简洁明了，反映机电一体化系统各组成部分的相互关系，同时应机电一体化系统各组成部分的相互关系，同时应便于后面的修改。便于后面的修改。2方案的评价方案的评价 对多种构思和多种方案进行筛选，选择较好的对多种构思和多种方案进行筛选，选择较好的可行方案进行分析组合和评价，从中再选几个方可行方案进行分析组合和评价，从中再选几个方案按照机电一体化系统设计评价原则和评价方法案按照机电一体化系统设计评价原则和评价方法进行深入的综合分析评价，最后确定实施方案。进行深入的综合分析评价
18、，最后确定实施方案。24三、详细设计三、详细设计n 详细设计是根据综合评价后确定的系统方案，从技术上将其细节逐层全部展开，直至完成产品样机试制所需全部技术图纸及文件的过程。n机电一体化系统详细设计的内容包括包括机械本体及工具设计、检测系统设计、人-机接口与机-电接口设计、伺服系统设计、控制系统设计及系统总体设计。根据系统的功能与结构，详细设计又可以分解为硬件系统设计与软件系统设计。n除了系统本身的设计以外，在详细设计过程中还需完成后备系统的设计，设计说明书的编写和产品出厂及使用文件的设计等。在机电一体化系统设计过程中，详细设计是最繁琐费时的过程，需要反复修改，逐步完善。25四、样机试制与试验四
19、、样机试制与试验n完成产品的详细设计后，即可进入样机试制与试验阶段。根据制造的成本和性能试验的要求，一般制造几台样机供试验使用。n 样机的试验分为实验室试验和实际工况试验，通过试验考核样机的各种性能指标是否满足设计要求，考核样机的可靠性。如果样机的性能指标和可靠性不满足设计要求，则要修改设计，重新制造样机，重新试验。如果样机的性能指标和可靠性满足设计要求，则进入产品的小批量生产阶段。26五、小批量生产五、小批量生产产品的小批量生产阶段实际上是产品的试生产试销产品的小批量生产阶段实际上是产品的试生产试销售阶段。这一阶段的主要任务是跟踪调查产品在市场售阶段。这一阶段的主要任务是跟踪调查产品在市场上的情况，收集用户意见，发现产品在设计和制造方上的情况，收集用户意见，发现产品在设计和制造方面存在的问题，并反馈给设计、制造和质量控制部门。面存在的问题，并反馈给设计、制造和质量控制部门。六、大批量生产六、大批量生产经过小批量试生产和试销售的考核，排除产品设计经过小批量试生产和试销售的考核，排除产品设计和制造中存在的各种问题后，即可投入大批量生产。和制造中存在的各种问题后，即可投入大批量生产。机电一体化系统设计的具体流程 27