《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計》第7章_機(jī)電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計

1、1第九章第九章機(jī)電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計機(jī)電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計 總體設(shè)計是機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計的重要環(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)計過程，主要內(nèi)容包括：系統(tǒng)原理方案設(shè)計；結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計；總體布局與環(huán)境設(shè)計；技術(shù)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)確定；總體方案評價與決策。 總體設(shè)計是綱綱，給具體設(shè)計規(guī)定總的基本原理、原則和方法。29.1 9.1 系統(tǒng)原理方案設(shè)計系統(tǒng)原理方案設(shè)計一、功能分析設(shè)計法 一切從系統(tǒng)的功能出發(fā)，將設(shè)計任務(wù)抽象化1、為什么要抽象化？復(fù)雜的設(shè)計復(fù)雜的設(shè)計簡單的模式簡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)問題

2、，便于抓住設(shè)計問題核心 避免構(gòu)思方案前形成的條條框框，放開視野，尋求更為理想的設(shè)計方案2、如何把設(shè)計問題抽象化？、如何把設(shè)計問題抽象化？3 工程設(shè)計中常用的的抽象方法是工程設(shè)計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： 將所要實(shí)現(xiàn)給定功能的機(jī)電系統(tǒng)看作為一個未知內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)、功能載體的“黑箱”，通過對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

3、載體求解即：功能載體求解即：固體、液體、氣體等任何物體；機(jī)械能、電能、熱能、化學(xué)能、光能等；數(shù)據(jù)、指示值、測量值、控制信號、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)換指將物理量的測量和顯示、控制信號的傳遞等。4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)的功能解評價與決策評價與決策切削機(jī)床、精密測量切削機(jī)床、精密測量設(shè)備、輕工機(jī)械、包設(shè)備、輕工機(jī)械、包裝機(jī)

4、械、運(yùn)輸機(jī)械裝機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械如如: :2 2、黑箱法求解方法、黑箱法求解方法 黑 箱 法 求解 過 程 就是 黑 箱 白化的過程，步 驟 如 圖所示：5沖床沖床（黑箱）（黑箱）板料板料電能電能控制信號控制信號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、噪聲振動、噪聲溫度、振動溫度、振動例例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6總功能總功能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

5、.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7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)來實(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

6、性思維； 利用設(shè)計目錄。8三、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)，反映分功能時間、空間順序或因果關(guān)系 又稱選擇結(jié)構(gòu)，幾個分功能作為手段共同完成一個目的 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。9四、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解的基礎(chǔ)上，得到多種可行方案，經(jīng)篩選、評價可以獲得最佳方案。形態(tài)學(xué)矩陣形態(tài)學(xué)矩陣的應(yīng)用步驟：的應(yīng)用步驟： 進(jìn)行方案構(gòu)

7、思選擇系統(tǒng)原理方案時，用“窮盡法窮盡法”將各分功能的解全部列出，就可寫出功能-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?？偣δ芊纸?形態(tài)構(gòu)想和功能求解方案組成方案評價和選擇新穎性、先進(jìn)性實(shí)新穎性、先進(jìn)性實(shí)用性用性設(shè)計經(jīng)驗(yàn)、資料積設(shè)計經(jīng)驗(yàn)、資料積累、創(chuàng)新能力累、創(chuàng)新能力專業(yè)知識、情報資專業(yè)知識、情報資料料相容條件、連接條相容條件、連接條件等件等10形態(tài)學(xué)矩陣列表形態(tài)學(xué)矩陣列表 12345F1F11F12F13F2F21F22F23F24F25F3F31F32F33F34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=

8、35 54 46060119.2 9.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計是原理設(shè)計方案的結(jié)構(gòu)化，而且實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和創(chuàng)新。主要包括兩個方面：v 機(jī)械結(jié)構(gòu) 重點(diǎn)考慮和設(shè)計v 電氣結(jié)構(gòu) 主要是選型，考慮安裝問題一、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的工作任務(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)行各種計算校核，按比例繪制結(jié)構(gòu)方案總圖，在計算時，采用優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計、計算機(jī)輔助設(shè)計等多種現(xiàn)代化設(shè)計方法。12 3、步驟、步驟(如圖示如圖示)：設(shè)計任務(wù)對結(jié)構(gòu)設(shè)計

9、的要求設(shè)計任務(wù)對結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求主功能載體初步結(jié)構(gòu)設(shè)計主功能載體初步結(jié)構(gòu)設(shè)計輔助功能載體初步結(jié)構(gòu)設(shè)計輔助功能載體初步結(jié)構(gòu)設(shè)計檢查主輔功能結(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)計主輔功能載體結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計主輔功能載體結(jié)構(gòu)對設(shè)計進(jìn)一步修改完善對設(shè)計進(jìn)一步修改完善技術(shù)、經(jīng)濟(jì)評價技術(shù)、經(jīng)濟(jì)評價結(jié)構(gòu)決策結(jié)構(gòu)決策方案確定方案確定NoNoYesYes13結(jié)構(gòu)設(shè)計是從：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)的過程結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足的目標(biāo)：保證功能、提高性能、降低成本保證功能、提高性能、降低成本結(jié)構(gòu)設(shè)計包括三個方面： 質(zhì)的設(shè)計：定性分析構(gòu)型（形狀、位置關(guān)系） 量的設(shè)計：定量計算尺寸、

10、確定材料 按比例繪制結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)設(shè)計歸結(jié)為三個階段： 初步設(shè)計：主功能載體設(shè)計 詳細(xì)設(shè)計：副功能載體設(shè)計，主功能載體詳細(xì)設(shè)計 完善、審核設(shè)計14 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)冗余原理冗余二、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的基本原則15例如：1、飛機(jī)上的備用發(fā)動機(jī)（雙驅(qū)動或三驅(qū)動） 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)計原理與

11、原則1 1、運(yùn)動學(xué)設(shè)計原則、運(yùn)動學(xué)設(shè)計原則空間物體有六個自由度，自由度S與約束q關(guān)系是：S = 6-q應(yīng)該合理施加約束，滿足物體所需要的運(yùn)動方式。要求約束： 1、點(diǎn)約束 2、約束點(diǎn)離開遠(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2maxq162 2、基準(zhǔn)面合一原則、基準(zhǔn)面合一原則 3、傳動鏈最短原則、傳動鏈最短原則 驅(qū)動系統(tǒng) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)最短傳動鏈 好處：傳動性能穩(wěn)定性愈好，傳動精度愈高傳動性能穩(wěn)定性愈好，傳動精度愈高 基準(zhǔn) 設(shè)計基準(zhǔn)（圖紙上）工藝基準(zhǔn)（制造基準(zhǔn)）定位基準(zhǔn)測量基準(zhǔn)裝配基準(zhǔn) 結(jié)構(gòu)設(shè)計盡量滿足：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)不一致帶來的誤差

12、。 電機(jī)變速箱運(yùn)動轉(zhuǎn)換執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動轉(zhuǎn)換執(zhí)行機(jī)構(gòu)高分辨率控制電機(jī)17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”原則是國家一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，是國家一項(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)計或畢業(yè)設(shè)計時，設(shè)計的齒輪、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、規(guī)格符合國家標(biāo)準(zhǔn)等。18 德國人阿貝1890年提出對精密量儀有指導(dǎo)意義的原則：在長度測量時,為了保證測量的準(zhǔn)確,應(yīng)使被測零件的尺寸線(簡稱被測線)和量儀中作為標(biāo)準(zhǔn)的刻度尺(簡稱標(biāo)準(zhǔn)線)重合或順次排成一條直線. 原因是這樣做

13、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、如：合理力流原則、變形協(xié)調(diào)原則、變形最小原則、平均效應(yīng)原則、穩(wěn)定性原則等。變形最小原則、平均效應(yīng)原則、穩(wěn)定性原則等。5、阿貝原則（提高精度原理）、阿貝原則（提高精度原理）199.3 機(jī)電一體化系統(tǒng)的評價n 機(jī)電一體化的一個主要目的是提高產(chǎn)品的附加價值，因而附加價值就成為機(jī)電一體化系統(tǒng)的綜合評價指標(biāo)。n 機(jī)電一體化系統(tǒng)的評價內(nèi)容機(jī)電一體化系統(tǒng)的評價內(nèi)容 ：機(jī)電一體化系統(tǒng)機(jī)電一體化系統(tǒng)高附加價值化高附加價值化主功能主功能計測、控制功能計測、控制功

14、能動力功能動力功能構(gòu)造功能構(gòu)造功能高性能化高性能化低價格化低價格化高可靠性化高可靠性化智能化智能化省能化省能化輕薄短小化輕薄短小化20 9.4 9.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計的過程機(jī)電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計的過程可行性研究報告、任務(wù)書原理方案圖、結(jié)構(gòu)設(shè)計圖、總裝圖零、部件工作圖、設(shè)計技術(shù)文件工藝文件、樣機(jī)試制試驗(yàn)、鑒定文件信息反饋、修改完善規(guī)劃階段總體階段詳細(xì)施工階段調(diào)試生產(chǎn)階段 銷售階段用戶對產(chǎn)品的需求總體設(shè)計關(guān)鍵繪制生產(chǎn)圖紙、設(shè)計說明書、使用說明書、明細(xì)表21一、市場調(diào)研一、市場調(diào)研二、總體方案設(shè)計二、總體方案設(shè)計三、詳細(xì)設(shè)計三、詳細(xì)設(shè)計四、樣機(jī)試制與試驗(yàn)四、樣機(jī)試制與試驗(yàn)五、小批量生產(chǎn)五、小

15、批量生產(chǎn)六、大批量生產(chǎn)六、大批量生產(chǎn)22一、市場調(diào)研一、市場調(diào)研 市場調(diào)研包括市場調(diào)研包括市場調(diào)查市場調(diào)查和和市場預(yù)測市場預(yù)測。n市場調(diào)查市場調(diào)查就是運(yùn)用科學(xué)的方法，系統(tǒng)地、全就是運(yùn)用科學(xué)的方法，系統(tǒng)地、全面地收集所設(shè)計產(chǎn)品市場需求和經(jīng)銷方面的面地收集所設(shè)計產(chǎn)品市場需求和經(jīng)銷方面的情況和資料，分析研究產(chǎn)品在供需雙方之間情況和資料，分析研究產(chǎn)品在供需雙方之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移的狀況和趨勢。進(jìn)行轉(zhuǎn)移的狀況和趨勢。n市場預(yù)測市場預(yù)測就是在市場調(diào)查的基礎(chǔ)上，運(yùn)用科就是在市場調(diào)查的基礎(chǔ)上，運(yùn)用科學(xué)方法和手段，根據(jù)歷史資料和現(xiàn)狀，通過學(xué)方法和手段，根據(jù)歷史資料和現(xiàn)狀，通過定性的經(jīng)驗(yàn)分析或定量的科學(xué)計算，對市場定性的

16、經(jīng)驗(yàn)分析或定量的科學(xué)計算，對市場未來的不確定因素和條件做出預(yù)計、測算和未來的不確定因素和條件做出預(yù)計、測算和判斷，為產(chǎn)品的方案設(shè)計提供依據(jù)。判斷，為產(chǎn)品的方案設(shè)計提供依據(jù)。23n市場調(diào)研的對象對象主要為該產(chǎn)品潛在的用戶；調(diào)研的主要內(nèi)容主要內(nèi)容包括市場對此類產(chǎn)品的需求量，該產(chǎn)品潛在的用戶對該產(chǎn)品的要求，即該產(chǎn)品有哪些功能，具有什么性能和所能承受的價格范圍等。n市場調(diào)研的方法方法一般采用實(shí)地走訪調(diào)查、抽樣調(diào)查、類比調(diào)查或?qū)＜艺{(diào)查法等方法。n最后對調(diào)研的結(jié)果進(jìn)行仔細(xì)的分析，撰寫市場調(diào)研報告。市場調(diào)研的結(jié)果應(yīng)能為產(chǎn)品的方案設(shè)計與細(xì)化設(shè)計提供可靠的依據(jù)。 一、市場調(diào)研一、市場調(diào)研24二、總體方案設(shè)計二、

17、總體方案設(shè)計1產(chǎn)品方案構(gòu)思產(chǎn)品方案構(gòu)思 產(chǎn)品方案構(gòu)思完成后，以方案圖的形式將設(shè)計產(chǎn)品方案構(gòu)思完成后，以方案圖的形式將設(shè)計方案表達(dá)出來。方案圖應(yīng)盡可能簡潔明了，反映方案表達(dá)出來。方案圖應(yīng)盡可能簡潔明了，反映機(jī)電一體化系統(tǒng)各組成部分的相互關(guān)系，同時應(yīng)機(jī)電一體化系統(tǒng)各組成部分的相互關(guān)系，同時應(yīng)便于后面的修改。便于后面的修改。2方案的評價方案的評價 對多種構(gòu)思和多種方案進(jìn)行篩選，選擇較好的對多種構(gòu)思和多種方案進(jìn)行篩選，選擇較好的可行方案進(jìn)行分析組合和評價，從中再選幾個方可行方案進(jìn)行分析組合和評價，從中再選幾個方案按照機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計評價原則和評價方法案按照機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計評價原則和評價方法進(jìn)行深入

18、的綜合分析評價，最后確定實(shí)施方案。進(jìn)行深入的綜合分析評價，最后確定實(shí)施方案。 25三、詳細(xì)設(shè)計三、詳細(xì)設(shè)計n 詳細(xì)設(shè)計是根據(jù)綜合評價后確定的系統(tǒng)方案，從技術(shù)上將其細(xì)節(jié)逐層全部展開，直至完成產(chǎn)品樣機(jī)試制所需全部技術(shù)圖紙及文件的過程。n機(jī)電一體化系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計的內(nèi)容包括包括機(jī)械本體及工具設(shè)計、檢測系統(tǒng)設(shè)計、人-機(jī)接口與機(jī)-電接口設(shè)計、伺服系統(tǒng)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計及系統(tǒng)總體設(shè)計。根據(jù)系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)，詳細(xì)設(shè)計又可以分解為硬件系統(tǒng)設(shè)計與軟件系統(tǒng)設(shè)計。n除了系統(tǒng)本身的設(shè)計以外，在詳細(xì)設(shè)計過程中還需完成后備系統(tǒng)的設(shè)計，設(shè)計說明書的編寫和產(chǎn)品出廠及使用文件的設(shè)計等。在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計過程中，詳細(xì)設(shè)計是最繁瑣費(fèi)時的過程，需要反復(fù)修改，逐步完善。 26四、樣機(jī)試制與試驗(yàn)四、樣機(jī)試制與試驗(yàn)n完成產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計后，即可進(jìn)入樣機(jī)試制與試驗(yàn)階段。根據(jù)制造的成本和性能試驗(yàn)的要求，一般制造幾臺樣機(jī)供試驗(yàn)使用。n 樣機(jī)的試驗(yàn)分為實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和實(shí)際工況試驗(yàn)，通過試驗(yàn)考核樣機(jī)的各種性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計要求，考核樣機(jī)的可靠性。如果樣機(jī)的性能指標(biāo)和可靠性不滿足設(shè)計要求，則要修改設(shè)計，重新制造樣機(jī)，重新試驗(yàn)。如果樣機(jī)的性能指標(biāo)和可靠性滿足設(shè)計要求，則進(jìn)入產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)階段。27五、小批量生產(chǎn)五、小批量生產(chǎn)產(chǎn)品的小批