第二章機電系統(tǒng)總體設計課件

2.1系統(tǒng)原理方案設計一、功能分析設計法

一切從系統(tǒng)的功能出發(fā)，將設計任務抽象化1、為什么要抽象化？復雜的設計簡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，尋求更為理想的設計方案2、如何把設計問題抽象化？2.1系統(tǒng)原理方案設計一、功能分析設計法復雜的設計簡單的模

工程設計中常用的的抽想方法是“黑箱法”

1、黑箱法的基本原理：將所要實現(xiàn)給定功能的機電系統(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：黑箱法的表達工程設計中常用的的抽想方法是“黑箱法”未知已知黑色白化物料物料：固體、液體、氣體等任何物體；能量：機械能、電能、熱能、化學能、光能等；信息：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)換成機械能或機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。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：物料：固體、液體、氣體等任何物體；詳細表達輸入和輸出量建立輸入和輸出間關(guān)系尋找合適的實例設定系統(tǒng)的總功能進行總功能分解尋找系統(tǒng)的功能解評價與決策切削機床、精密測量設備、輕工機械、包裝機械、運輸機械如:詳細表達輸入和輸出量建立輸入和輸出間關(guān)系尋找合適的實例設定系沖床（黑箱）板料電能控制信號成型工件機械能、摩擦能工作狀態(tài)顯示振動、噪聲溫度、振動例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齒輪測量中心黑箱法表述(P13圖2.2)板料電能控制信號成型工件機械能、摩擦能工作狀態(tài)顯示振動、噪聲總功能1231.11.21.33.13.21.2.11.2.23.1.13.1.2Ⅰ層Ⅱ?qū)英髮庸δ芙Y(jié)構(gòu)示意圖總功能1231.11.21.33.13.21.2.11.2.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、傳導隔阻、儲存邏輯功能元：與、或、非數(shù)學功能元：加、減、乘、除、乘方、開方、微分、積分2、功能元實施原理方案的選擇各種功能實施的基礎：以自然科學原理為基礎的技術(shù)效應，例如以物理學為主要技術(shù)基礎的力學、機械學、電學、磁學、光學等原理廣泛應用于工程技術(shù)的各個領域，即所謂的物理效應。實施的要點：同一種功能可以用不同的技術(shù)效應來實現(xiàn)，選出最佳的功能元實施原理方案，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；利用設計目錄。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。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，逐層向下細化。（例P16圖2.5-2.7）三、功能結(jié)構(gòu)圖串聯(lián)結(jié)構(gòu)并聯(lián)結(jié)構(gòu)環(huán)型結(jié)構(gòu)F1F2F3F1F2F四、系統(tǒng)原理方案選擇

形態(tài)學矩陣建立在功能分解和功能求解的基礎上，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)學矩陣的運用步驟：進行方案構(gòu)思選擇系統(tǒng)原理方案時，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)學矩陣，形態(tài)即相應的實現(xiàn)各分功能的執(zhí)行機構(gòu)和技術(shù)手段?？偣δ芊纸庑螒B(tài)構(gòu)想和功能求解方案組成方案評價和選擇新穎性、先進性實用性設計經(jīng)驗、資料積累、創(chuàng)新能力專業(yè)知識、情報資料相容條件、連接條件等四、系統(tǒng)原理方案選擇形態(tài)學矩陣建立在功能分解和功形態(tài)學矩陣列表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形態(tài)學矩陣列表12345F1F11F12F13F2F2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設計

結(jié)構(gòu)方案設計是原理設計方案的結(jié)構(gòu)化，而且實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和創(chuàng)新。主要包括兩個方面：機械結(jié)構(gòu)重點考慮和設計電氣結(jié)構(gòu)主要是選型，考慮安裝問題一、結(jié)構(gòu)方案設計的工作任務、內(nèi)容及步驟1、任務：將原理方案結(jié)構(gòu)化，確定機器(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：設計零部件形狀、數(shù)量、相互空間位置，選擇材料、確定尺寸，進行各種計算校核，按比例繪制結(jié)構(gòu)方案總圖，在2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設計結(jié)構(gòu)方案設計是

計算時，采用優(yōu)化設計、可靠性設計、計算機輔助設計等多種現(xiàn)代化設計方法。

3、步驟(如圖示)：設計任務對結(jié)構(gòu)設計的要求主功能載體初步結(jié)構(gòu)設計輔助功能載體初步結(jié)構(gòu)設計檢查主輔功能結(jié)構(gòu)影響及配合詳細設計主輔功能載體結(jié)構(gòu)對設計進一步修改完善技術(shù)、經(jīng)濟評價結(jié)構(gòu)決策方案確定NoYes計算時，采用優(yōu)化設計、可靠性設計、計算機輔助設計等結(jié)構(gòu)設計是從：定性到定量，抽象到具體，粗略到精細的過程結(jié)構(gòu)設計滿足的目標：保證功能、提高性能、降低成本結(jié)構(gòu)設計包括三個方面：質(zhì)的設計：定性分析構(gòu)型（形狀、位置關(guān)系）量的設計：定量計算尺寸、確定材料按比例繪制結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)設計歸結(jié)為三個階段：初步設計：主功能載體設計詳細設計：副功能載體設計，主功能載體詳細設計完善、審核設計二、結(jié)構(gòu)方案設計的基本原則結(jié)構(gòu)設計是從：定性到定量，抽象到具體，粗略到精細的過程二、結(jié)保證實現(xiàn)預期的功能總目標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)則采用標準零件構(gòu)件的可靠性功能可靠性工作安全性和環(huán)境適應性并聯(lián)冗余串聯(lián)冗余原理冗余保證實現(xiàn)預期的功能保證系統(tǒng)功能可靠的方法例如：1、飛機上的備用發(fā)動機（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（一套運轉(zhuǎn)、一套維修、一套備用）三、結(jié)構(gòu)方案設計原理與原則1、運動學設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應該合理施加約束，滿足物體所所需要的運動方式。要求約束：1、點約束2、約束點離開遠些3、自由度限制方向應垂直于被約束平面平面直線例如：1、飛機上的備用發(fā)動機（雙驅(qū)動或三驅(qū)動）應該合理施加約2、基準面合一原則

3、傳動鏈最短原則驅(qū)動系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)最短傳動鏈好處：傳動性能穩(wěn)定性愈好，傳動精度愈高

基準設計基準（圖紙上）工藝基準（制造基準）定位基準測量基準裝配基準

結(jié)構(gòu)設計盡量滿足：定位基準面與使用或加工基準面統(tǒng)一原則，可以減小由于基準不一致帶來的誤差。電機變速箱運動轉(zhuǎn)換執(zhí)行機構(gòu)運動轉(zhuǎn)換執(zhí)行機構(gòu)高分辨率控制電機2、基準面合一原則3、傳動鏈最短原則直線電機執(zhí)行機構(gòu)直線電機與執(zhí)行機構(gòu)一體化裝置4、“三化”原則三化零件標準化部件通用化產(chǎn)品系列化“三化”原則是國家一項重要的技術(shù)經(jīng)濟政策，優(yōu)點在于：互換性好；縮短制造周期；維護方便。如：課程設計或畢業(yè)設計時，設計的齒輪、滾珠絲杠、液壓缸尺寸符合標準公稱系列；選用材料牌號、規(guī)格符合國家標準等。5、阿貝原則（提高精度原理）直線電機執(zhí)行機構(gòu)直線電機與執(zhí)行4、“三化”原則三化零件標準化德國人阿貝1890年提出對精密量儀有指導意義的原則：若使量儀測量結(jié)果準確，必須將測量儀的讀數(shù)線尺安放在被測尺寸的延長線上。

原因是這樣做避免了一階誤差。例如：游標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、變形最小原則、平均效應原則、穩(wěn)定性原則等。德國人阿貝1890年提出對精密量儀有指導