第二章機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1、第二章第二章機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)是機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)重要環(huán)節(jié)。整體目標(biāo)、功能 分析產(chǎn)品性能要求 選擇合理的單元組合方案 實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化整體優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，主要內(nèi)容包括：系統(tǒng)原理方案設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)；總體布局與環(huán)境設(shè)計(jì)；技術(shù)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)確定；總體方案評(píng)價(jià)與決策。 總體設(shè)計(jì)是綱綱，給具體設(shè)計(jì)規(guī)定總的基本原理、原則和方法。2.1 2.1 系統(tǒng)原理方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理方案設(shè)計(jì)一、功能分析設(shè)計(jì)法 一切從系統(tǒng)的功能出發(fā)，將設(shè)計(jì)任務(wù)抽象化1、為什么要抽象化？復(fù)雜的設(shè)計(jì)復(fù)雜的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的模式簡(jiǎn)單的模式分析分析抽象抽象 突出基本的、必要的要求，擯棄偶然情況和枝節(jié)問(wèn)題，便于抓住設(shè)計(jì)問(wèn)

2、題核心 避免構(gòu)思方案前形成的條條框框，放開(kāi)視野，尋求更為理想的設(shè)計(jì)方案2、如何把設(shè)計(jì)問(wèn)題抽象化？ 工程設(shè)計(jì)中常用的的抽想方法是工程設(shè)計(jì)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： 將所要實(shí)現(xiàn)給定功能的機(jī)電系統(tǒng)看作為一個(gè)未知內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)、功能載體的“黑箱”，通過(guò)對(duì)輸入量和輸出量的分析，逐步掌握輸入和輸出的基本特征和轉(zhuǎn)換關(guān)系，尋求能實(shí)現(xiàn)這種基本特征和轉(zhuǎn)換關(guān)系的工作原理和功能載體。未知未知已知已知黑色黑色白化白化機(jī)電一體化產(chǎn)品機(jī)電一體化產(chǎn)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輸出伴生輸出伴生輸入伴生輸入功能載體求解即：功能載體求解即：黑箱法的表達(dá)黑

3、箱法的表達(dá)物料：物料：固體、液體、氣體等任何物體；能量：能量：機(jī)械能、電能、熱能、化學(xué)能、光能等；信息：信息：數(shù)據(jù)、指示值、測(cè)量值、控制信號(hào)、波形等。物料的轉(zhuǎn)換指如何將毛坯、半成品轉(zhuǎn)換成成品；能量的轉(zhuǎn)換指如何將其它形式的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或機(jī)械能變成其它形式能量；信息的傳輸或轉(zhuǎn)換指將物理量的測(cè)量和顯示、控制信號(hào)的傳遞等。2 2、黑箱法求解方法、黑箱法求解方法黑箱法求解過(guò)程就是黑箱白化的過(guò)程，步驟如圖所示：詳細(xì)表達(dá)輸入和輸出量詳細(xì)表達(dá)輸入和輸出量建立輸入和輸出間關(guān)系建立輸入和輸出間關(guān)系尋找合適的實(shí)例尋找合適的實(shí)例設(shè)定系統(tǒng)的總功能設(shè)定系統(tǒng)的總功能進(jìn)行總功能分解進(jìn)行總功能分解尋找系統(tǒng)的功能解尋找系統(tǒng)的

4、功能解評(píng)價(jià)與決策評(píng)價(jià)與決策切削機(jī)床、精密測(cè)量切削機(jī)床、精密測(cè)量設(shè)備、輕工機(jī)械、包設(shè)備、輕工機(jī)械、包裝機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械裝機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械如如: :沖床沖床（黑箱）（黑箱）板料板料電能電能控制信號(hào)控制信號(hào)成型工件成型工件機(jī)械能、摩擦能機(jī)械能、摩擦能工作狀態(tài)顯示工作狀態(tài)顯示振動(dòng)、噪聲振動(dòng)、噪聲溫度、振動(dòng)溫度、振動(dòng)例例1 1：沖床的黑箱法表述：沖床的黑箱法表述二、功能結(jié)構(gòu)分析二、功能結(jié)構(gòu)分析1、功能結(jié)構(gòu)示意圖和功能元總功能 分功能 分功能的原理方案例例2 2：CNCCNC齒輪測(cè)量中心黑箱法表述齒輪測(cè)量中心黑箱法表述 ( (P13P13圖圖2.2)2.2)總功能總功能1 12 23 31.11.11.21.

5、21.31.33.13.13.23.21.2.11.2.11.2.21.2.23.1.13.1.13.1.23.1.2層層層層層層功能結(jié)構(gòu)示意圖功能結(jié)構(gòu)示意圖最小的基本分功能或滿足功能要求的最小單位稱之為功能元。機(jī)電一體化系統(tǒng)基本功能元v 物理功能元：變換、合并分離、傳導(dǎo)隔阻、儲(chǔ)存v 邏輯功能元：與、或、非v 數(shù)學(xué)功能元：加、減、乘、除、乘方、開(kāi)方、微分、積分2、功能元實(shí)施原理方案的選擇 各種功能實(shí)施的基礎(chǔ)：以自然科學(xué)原理為基礎(chǔ)的技術(shù)效應(yīng)，例如以物理學(xué)為主要技術(shù)基礎(chǔ)的力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)等原理廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，即所謂的物理效應(yīng)。 實(shí)施的要點(diǎn)：同一種功能可以用不同的技術(shù)效應(yīng)

6、來(lái)實(shí)現(xiàn)，選出最佳的功能元實(shí)施原理方案，有以下途徑可以參考： 參考資料、專利、產(chǎn)品； 利用創(chuàng)造性思維； 利用設(shè)計(jì)目錄。三、功能結(jié)構(gòu)圖三、功能結(jié)構(gòu)圖1、三種基本功能結(jié)構(gòu)類型： 串聯(lián)結(jié)構(gòu)串聯(lián)結(jié)構(gòu)并聯(lián)結(jié)構(gòu)并聯(lián)結(jié)構(gòu)環(huán)型結(jié)構(gòu)環(huán)型結(jié)構(gòu)F1F1F2F2F3F3F1F1F2F2F3F3F1F1F2F2F3F3又稱順序結(jié)構(gòu)，反映分功能時(shí)間、空間順序或因果關(guān)系 又稱選擇結(jié)構(gòu)，幾個(gè)分功能作為手段共同完成一個(gè)目的 又稱回路結(jié)構(gòu)，輸出反饋為輸入的循環(huán) 2、功能結(jié)構(gòu)圖的建立從上層分功能的結(jié)構(gòu)考慮起，逐層向下細(xì)化。（例P16圖2.5-2.7）四、系統(tǒng)原理方案選擇四、系統(tǒng)原理方案選擇 形態(tài)學(xué)矩陣形態(tài)學(xué)矩陣建立在功能分解和功能求

7、解的基礎(chǔ)上，得到多種可行方案，經(jīng)篩選、評(píng)價(jià)可以獲得最佳方案。形態(tài)學(xué)矩陣形態(tài)學(xué)矩陣的運(yùn)用步驟：的運(yùn)用步驟： 進(jìn)行方案構(gòu)思選擇系統(tǒng)原理方案時(shí)，用“窮盡法窮盡法”將各分功能的解全部列出，就可寫(xiě)出功能-功能解的形態(tài)學(xué)矩陣形態(tài)學(xué)矩陣，形態(tài)形態(tài)即相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)各分功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和技術(shù)手段。總功能分解 形態(tài)構(gòu)想和功能求解方案組成方案評(píng)價(jià)和選擇新穎性、先進(jìn)性實(shí)新穎性、先進(jìn)性實(shí)用性用性設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、資料積設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、資料積累、創(chuàng)新能力累、創(chuàng)新能力專業(yè)知識(shí)、情報(bào)資專業(yè)知識(shí)、情報(bào)資料料相容條件、連接條相容條件、連接條件等件等形態(tài)學(xué)矩陣列表形態(tài)學(xué)矩陣列表 12345F1F11F12F13F2F21F22F23F24F25F3F

8、31F32F33F34功能載體功能載體分功能分功能理論上組合出的的方案數(shù)為：理論上組合出的的方案數(shù)為：N=3N=35 54 460602.2 2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)是原理設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)化，而且實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和創(chuàng)新。主要包括兩個(gè)方面：v 機(jī)械結(jié)構(gòu) 重點(diǎn)考慮和設(shè)計(jì)v 電氣結(jié)構(gòu) 主要是選型，考慮安裝問(wèn)題一、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的工作任務(wù)、內(nèi)容及步驟1、任務(wù)、任務(wù)：將原理方案結(jié)構(gòu)化，確定機(jī)器(或系統(tǒng))各個(gè)零部件的材料、形狀、尺寸、加工和裝配等；2、內(nèi)容：、內(nèi)容：設(shè)計(jì)零部件形狀、數(shù)量、相互空間位置，選擇材料、確定尺寸，進(jìn)行各種計(jì)算校核，按比例繪制結(jié)構(gòu)方案總圖，在 計(jì)算時(shí)，采用優(yōu)化

9、設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等多種現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法。 3、步驟、步驟(如圖示如圖示)：設(shè)計(jì)任務(wù)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求設(shè)計(jì)任務(wù)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求主功能載體初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主功能載體初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輔助功能載體初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輔助功能載體初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)檢查主輔功能結(jié)構(gòu)影響及配合檢查主輔功能結(jié)構(gòu)影響及配合詳細(xì)設(shè)計(jì)主輔功能載體結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)主輔功能載體結(jié)構(gòu)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)一步修改完善對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)一步修改完善技術(shù)、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)決策結(jié)構(gòu)決策方案確定方案確定NoNoYesYes結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是從：定性到定量，抽象到具體，粗略到精細(xì)定性到定量，抽象到具體，粗略到精細(xì)的過(guò)程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足的目標(biāo)：保證功能、提高性能、降低成本保證功能、提高性

10、能、降低成本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括三個(gè)方面： 質(zhì)的設(shè)計(jì)：定性分析構(gòu)型（形狀、位置關(guān)系） 量的設(shè)計(jì)：定量計(jì)算尺寸、確定材料 按比例繪制結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)歸結(jié)為三個(gè)階段： 初步設(shè)計(jì)：主功能載體設(shè)計(jì) 詳細(xì)設(shè)計(jì)：副功能載體設(shè)計(jì)，主功能載體詳細(xì)設(shè)計(jì) 完善、審核設(shè)計(jì)二、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的基本原則 保證實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能 總目標(biāo) 降低制造成本 保障人和環(huán)境的安全 保證系統(tǒng)功能可靠的方法： 冗余配置 明確 基本原則 簡(jiǎn)單 安全可靠 功能載體工作原理明確功能載體使用工況明確零件數(shù)目盡可能減少幾何形狀簡(jiǎn)單規(guī)則采用標(biāo)準(zhǔn)零件構(gòu)件的可靠性功能可靠性工作安全性和環(huán)境適應(yīng)性并聯(lián)冗余串聯(lián)冗余原理冗余例如：1、飛機(jī)上的備用發(fā)動(dòng)機(jī)（雙驅(qū)動(dòng)或三驅(qū)動(dòng)）

11、2、煤礦井下的水泵系統(tǒng)采用兩套或三套配置（一套運(yùn)轉(zhuǎn)、一套維修、一套備用）三、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)原理與原則1 1、運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)原則、運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)原則空間物體有六個(gè)自由度，自由度S與約束q關(guān)系是：S = 6-q應(yīng)該合理施加約束，滿足物體所所需要的運(yùn)動(dòng)方式。要求約束： 1、點(diǎn)約束 2、約束點(diǎn)離開(kāi)遠(yuǎn)些 3、自由度限制方向應(yīng)垂直于被約束平面平面3maxq直線2maxq2 2、基準(zhǔn)面合一原則、基準(zhǔn)面合一原則 3、傳動(dòng)鏈最短原則、傳動(dòng)鏈最短原則 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)最短傳動(dòng)鏈 好處：傳動(dòng)性能穩(wěn)定性愈好，傳動(dòng)精度愈高傳動(dòng)性能穩(wěn)定性愈好，傳動(dòng)精度愈高 基準(zhǔn) 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)（圖紙上）工藝基準(zhǔn)（制造基準(zhǔn)）定位基準(zhǔn)測(cè)量基準(zhǔn)裝配基

12、準(zhǔn) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盡量滿足：定位基準(zhǔn)面與使用或加工基準(zhǔn)面統(tǒng)一原則，可以減小由于基準(zhǔn)不一致帶來(lái)的誤差。 電機(jī)變速箱運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換執(zhí)行機(jī)構(gòu)高分辨率控制電機(jī)直線電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)直線電機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化裝置4、“三化三化”原則原則三化三化零件標(biāo)準(zhǔn)化部件通用化產(chǎn)品系列化“三化”原則是國(guó)家一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，是國(guó)家一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，優(yōu)點(diǎn)在于：互換性好；縮短制造周期；維護(hù)方便。如：課程設(shè)計(jì)或畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)的齒輪、滾珠絲杠、液壓缸尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)公稱系列；選用材料牌號(hào)、規(guī)格符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等。5、阿貝原則（提高精度原理）、阿貝原則（提高精度原理） 德國(guó)人阿貝1890年提出對(duì)精密量?jī)x有指導(dǎo)意義的原則：若使量?jī)x測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，必須將測(cè)量?jī)x的讀數(shù)線尺安放在被測(cè)尺寸的延長(zhǎng)線上。 原因是這樣做避免了一階誤差。例如：游標(biāo)卡尺 不符合阿貝原則，精度較低 千分尺（螺旋測(cè)微儀） 符合阿貝原則，精度較高 此外還有一些原則，如：合理力流原則、變形協(xié)調(diào)原則、變形如：合理力流原則、變形協(xié)調(diào)原則、變形最小原