第二章機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

第二章機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)第一頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日2.1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)簡(jiǎn)單的模式分析抽象突出基本的、必要的要求，擯棄偶然情況和枝節(jié)問題，便于抓住設(shè)計(jì)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(jì)方案2、如何把設(shè)計(jì)問題抽象化？第二頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日

工程設(shè)計(jì)中常用的的抽想方法是“黑箱法”

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。未知已知黑色白化機(jī)電一體化產(chǎn)品（黑箱）物料能量信息物料′能量′信息′伴生輸出伴生輸入功能載體求解即：黑箱法的表達(dá)第三頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日物料：固體、液體、氣體等任何物體；能量：機(jī)械能、電能、熱能、化學(xué)能、光能等；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、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：第四頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日詳細(xì)表達(dá)輸入和輸出量建立輸入和輸出間關(guān)系尋找合適的實(shí)例設(shè)定系統(tǒng)的總功能進(jìn)行總功能分解尋找系統(tǒng)的功能解評(píng)價(jià)與決策切削機(jī)床、精密測(cè)量設(shè)備、輕工機(jī)械、包裝機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械如:第五頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日沖床（黑箱）板料電能控制信號(hào)成型工件機(jī)械能、摩擦能工作狀態(tài)顯示振動(dòng)、噪聲溫度、振動(dòng)例1：沖床的黑箱法表述二、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2：CNC齒輪測(cè)量中心黑箱法表述(P13圖2.2)第六頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日總功能1231.11.21.33.13.2Ⅰ層Ⅱ?qū)英髮庸δ芙Y(jié)構(gòu)示意圖第七頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日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)基本功能元物理功能元：變換、合并分離、傳導(dǎo)隔阻、儲(chǔ)存邏輯功能元：與、或、非數(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(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)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)造性思維；利用設(shè)計(jì)目錄。第八頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日三、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)并聯(lián)結(jié)構(gòu)環(huán)型結(jié)構(gòu)F1F2F3F1F2F3F1F2F3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）第九頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日四、系統(tǒng)原理方案選擇

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(píng)價(jià)可以獲得最佳方案。形態(tài)學(xué)矩陣的運(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”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)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)用性設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、資料積累、創(chuàng)新能力專業(yè)知識(shí)、情報(bào)資料相容條件、連接條件等第十頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日形態(tài)學(xué)矩陣列表12345F1F11F12F13F2F21F22F23F24F25F3F31F32F33F34功能載體分功能理論上組合出的的方案數(shù)為：N=3×5×4＝60第十一頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日2.2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：機(jī)械結(jié)構(gòu)重點(diǎn)考慮和設(shè)計(jì)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(jì)的工作任務(wù)、內(nèi)容及步驟1、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：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，在第十二頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日

計(jì)算時(shí)，采用優(yōu)化設(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(如圖示)：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)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)一步修改完善技術(shù)、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)決策方案確定NoYes第十三頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日結(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)的過程結(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)的基本原則第十四頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日保證實(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)冗余原理冗余第十五頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日例如：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)）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、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)離開遠(yuǎn)些3、自由度限制方向應(yīng)垂直于被約束平面平面直線第十六頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日2、基準(zhǔn)面合一原則

3、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

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)第十七頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日直線電機(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”原則三化零件標(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，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）第十八頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日德國(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、變形最小原則、平均效應(yīng)原則、穩(wěn)定性原則等。第十九頁(yè)，共二十頁(yè)，2022