2.3-設(shè)計(jì)過(guò)程示例

第二章機(jī)電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容2.3設(shè)計(jì)過(guò)程示例2.3設(shè)計(jì)過(guò)程示例a.市場(chǎng)調(diào)研消費(fèi)者的潛在需要2.用戶(hù)對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的反映

3.產(chǎn)品市場(chǎng)壽命周期產(chǎn)生的階段要求

4.競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的技術(shù)挑戰(zhàn)5.技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)

6.社會(huì)的需要

AP1000的主環(huán)路系統(tǒng)由核反應(yīng)壓力容器，蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器和各種管道組成。蒸汽發(fā)生器水室封頭是蒸汽發(fā)生器的關(guān)鍵部件，是蒸汽發(fā)生器與核反應(yīng)壓力容器等其他部件的接口。實(shí)例：蒸汽發(fā)生器水室封頭蒸汽發(fā)生器水室封頭采用整體鍛造結(jié)構(gòu)，其毛坯重量約200噸，成品重量43.5噸，直徑4.3米。加工重型零件最困難的是處理不同工序間工件的移動(dòng)和再定位。使用傳統(tǒng)的定位裝置，工序如圖所示：蒸汽發(fā)生器水室封頭工件和夾具總質(zhì)量為幾十噸甚至上百?lài)?，使用天?chē)和簡(jiǎn)陋的傳統(tǒng)裝夾定位裝置，工件變位和定位非常困難，精度很難保證。在精加工階段必須配備高檔重載自動(dòng)變位機(jī)。焊接用自動(dòng)變位器主要用于產(chǎn)品的堆焊，目前在工廠中使用的絕大多數(shù)都是焊接用變位器。焊接變位器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積龐大、對(duì)精度和定位剛度的要求較低。目前國(guó)內(nèi)基本可以生產(chǎn)各種噸位和尺寸的焊接用自動(dòng)變位器。159t座式焊接變位機(jī)唐山開(kāi)元裝備公司80t雙立柱升降式焊接變位機(jī)無(wú)錫陽(yáng)通機(jī)械設(shè)備有限公司焊接用變位器HB-60t型焊接變位機(jī)成都焊研威達(dá)自動(dòng)焊接設(shè)備有限公司P-N5250t座式焊接變位機(jī)德國(guó)諾威爾重型機(jī)器制造有限公司加氫反應(yīng)器的兩自由度變位機(jī)法國(guó)Framatome公司兩自由度變位機(jī)意大利Innse-Berardi公司b.概念設(shè)計(jì)1）創(chuàng)新性2）工藝可實(shí)現(xiàn)性3）多樣性4）層次性5）避免不良結(jié)構(gòu)性6）反復(fù)迭代性概念設(shè)計(jì)概念設(shè)計(jì)：通過(guò)構(gòu)思確定設(shè)計(jì)任務(wù)和用簡(jiǎn)圖形式表達(dá)的設(shè)計(jì)問(wèn)題的一個(gè)求解輪廓。如功能方案的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系，大致的成本、重量、尺寸以及可行性等設(shè)想。實(shí)例1：變位機(jī)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計(jì)c.編制設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)1）產(chǎn)品名稱(chēng)2）產(chǎn)品用途3）主要技術(shù)規(guī)格4）技術(shù)性能指標(biāo)5）其它變位機(jī)主要技術(shù)參數(shù)工作臺(tái)有效直徑：Φ5000mm。（安裝夾鉗后直徑達(dá)6米）夾持工件最大直徑：Φ4500mm。

工作臺(tái)承載能力：50噸。工件加工時(shí)的最大切削力≈3500Kg。工作平臺(tái)翻轉(zhuǎn)角度范圍：0～70°。工作臺(tái)水平時(shí)最大高度：3000mm左右。機(jī)床工作時(shí)主軸的最大高度：3500mm。實(shí)例：核島蒸汽發(fā)生器水室封頭用高檔重載自動(dòng)變位機(jī)d.功能原理方案設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)提出的參數(shù)和要求，提出實(shí)現(xiàn)這些要求的技術(shù)方案——原理性的構(gòu)思,并未涉及到具體結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算。總體設(shè)計(jì)的核心關(guān)鍵部分，具有戰(zhàn)略性和方向性的意義。對(duì)總體功能進(jìn)行抽象和分解。充分體現(xiàn)創(chuàng)造力的環(huán)節(jié)。1、設(shè)計(jì)任務(wù)抽象為什么要抽象？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)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。緊抓設(shè)計(jì)中的主要矛盾，把思維注意力集中到關(guān)鍵問(wèn)題上來(lái)，最終可以準(zhǔn)確確定產(chǎn)品的總功能。2、求總功能——黑箱法黑箱法（BlockBox）特點(diǎn)通過(guò)“黑箱”與輸入、輸出量及周?chē)h(huán)境的信息聯(lián)系，了解系統(tǒng)(產(chǎn)品)的功能、特性，進(jìn)一步探索出系統(tǒng)的機(jī)理和結(jié)構(gòu)，逐步使“黑箱”透亮，直至方案擬定。它擺脫了具體設(shè)計(jì)對(duì)象，而按系統(tǒng)(產(chǎn)品)的功能和對(duì)三大流進(jìn)行定性描述來(lái)進(jìn)行思考，使問(wèn)題簡(jiǎn)化，以利于啟發(fā)設(shè)計(jì)人員構(gòu)思出更新、更好的功能原理方案來(lái)。黑箱物質(zhì)流、能量流、信息流物質(zhì)流是系統(tǒng)的工作對(duì)象和載體。能量流存在于能量變換與傳遞的整個(gè)過(guò)程，系統(tǒng)工作過(guò)程所需的能量形態(tài)變化和實(shí)現(xiàn)動(dòng)作過(guò)程所需動(dòng)力。信息流是反映信號(hào)、數(shù)據(jù)檢測(cè)、傳輸、變換和顯示的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作過(guò)程的操縱、控制及信息傳輸、變換和顯示。實(shí)例：用黑箱法進(jìn)行露天礦開(kāi)采挖掘機(jī)的方案設(shè)計(jì)實(shí)例：用黑箱法進(jìn)行點(diǎn)鈔機(jī)的方案設(shè)計(jì)3、功能分解功能必要功能非必要功能基本功能附加功能基本功能：必須保證的功能，在設(shè)計(jì)中不能改變。附加功能：可隨技術(shù)條件的或結(jié)構(gòu)形式的改變而取舍或改變。非必要的功能：設(shè)計(jì)者主觀加上去的，可有可無(wú)。實(shí)例：用功能樹(shù)法對(duì)露天礦開(kāi)采挖掘機(jī)總功能的功能分解總功能分功能1功能元1功能元n……分功能n功能元1……功能元n……總功能（挖煤、運(yùn)煤）驅(qū)動(dòng)功能能量轉(zhuǎn)換能量傳遞與分配執(zhí)行功能鏟入提升回轉(zhuǎn)鏟斗推壓行走功能（整臺(tái)機(jī)器的移動(dòng)）控制功能啟動(dòng)、停止（制動(dòng)）其他儀表顯示輔助功能支承和聯(lián)接

照明變速實(shí)例：用功能樹(shù)法對(duì)點(diǎn)鈔機(jī)總功能的功能分解4、功能元組合——形態(tài)學(xué)矩陣法組合方案數(shù)=3×3×2×3×1×4×4×3×4=10368若方案為：（A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1）→履帶式正鏟機(jī)械挖掘機(jī)若方案為：（A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+I2）→輪胎式正鏟液壓挖掘機(jī)軌道-車(chē)輪邁步式輪胎履帶行走I液壓-齒輪齒輪式液壓式變速H圓錐形傳動(dòng)片式制動(dòng)闡瓦制動(dòng)帶式制動(dòng)制動(dòng)G皮帶傳動(dòng)鏈傳動(dòng)油泵齒輪箱能量傳遞與分配F柴油機(jī)能量轉(zhuǎn)換E液輪外齒輪傳動(dòng)內(nèi)齒輪傳動(dòng)回轉(zhuǎn)D繩索油缸提升C抓斗反鏟斗正鏟斗鏟斗B油缸鋼絲繩齒條推壓A4321分功能方案序號(hào)技術(shù)物理解建立評(píng)價(jià)目標(biāo)樹(shù)各目標(biāo)評(píng)分一般用5分制，以0—5分表示。對(duì)應(yīng)中間值可用直線(xiàn)插入法求得。各目標(biāo)的加權(quán)評(píng)分相加e、方案設(shè)計(jì)評(píng)估與優(yōu)化——評(píng)分法例：已知A、B、C三種電池的主要性能。用評(píng)分法評(píng)價(jià)決策出較好的電池。擬定選擇標(biāo)準(zhǔn)使用+、-對(duì)每個(gè)方案逐項(xiàng)進(jìn)行評(píng)價(jià)e、方案設(shè)計(jì)評(píng)估與優(yōu)化——選擇表法e、方案設(shè)計(jì)評(píng)估與優(yōu)化——選擇表法實(shí)例：瓶蓋整列裝置設(shè)計(jì)功能1、不規(guī)則瓶蓋整列為口朝上逐個(gè)輸出基本要求2、整列速度100個(gè)/分鐘必達(dá)要求3、整列誤差小于1/1000必答要求加工4、小批生產(chǎn)，中小型廠加工基本要求成本5、成本不高于2000元/臺(tái)附加要求6、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單附加要求使用7、操作方便附加要求瓶蓋整列裝置的功能要求總功能：瓶蓋整列，其黑箱模型如下圖所示。總功能分解：總共能與分功能之間的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如下：局部解12345678功能元A輸入重力機(jī)械力液、氣力B測(cè)向機(jī)械測(cè)量氣壓磁通密度光測(cè)氣流C分揀氣流負(fù)壓重力機(jī)械式D翻轉(zhuǎn)重力氣流導(dǎo)向E輸出重力機(jī)械力液、氣力目標(biāo)特征目標(biāo)標(biāo)記實(shí)例1：水室封頭用重載自動(dòng)變位機(jī)主翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)圖1.1球面并聯(lián)機(jī)構(gòu) 圖1.2改進(jìn)型球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)曲柄滑桿機(jī)構(gòu)方案以翻轉(zhuǎn)角度工作空間和驅(qū)動(dòng)力性能為指標(biāo)，以變位機(jī)高度尺寸、機(jī)床主軸最大加工高度為約束條件，考慮各種實(shí)際工況，設(shè)計(jì)出冗余同步驅(qū)動(dòng)2-RPRR并聯(lián)翻轉(zhuǎn)變位機(jī)構(gòu)。G1：滑塊的重力G2：引導(dǎo)螺絲的重力GK：各運(yùn)動(dòng)部件的重力曲柄搖塊機(jī)構(gòu)方案液壓缸驅(qū)動(dòng)曲柄搖塊機(jī)構(gòu)方案液壓缸驅(qū)動(dòng)曲柄搖塊機(jī)構(gòu)方案滑動(dòng)絲杠驅(qū)動(dòng)曲柄搖塊機(jī)構(gòu)方案滑動(dòng)絲杠驅(qū)動(dòng)曲柄搖塊機(jī)構(gòu)方案變位器虛擬樣機(jī)的動(dòng)力學(xué)仿真變位機(jī)的Adams模型絲杠柔性體切削仿真絲杠柔性體切削仿真瞬時(shí)絲杠應(yīng)力分布圖翻轉(zhuǎn)70度時(shí)最大工作載荷下翻轉(zhuǎn)架應(yīng)變分布圖變位器在現(xiàn)場(chǎng)使用情景實(shí)例2：衛(wèi)星翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)航天器運(yùn)輸包裝箱是衛(wèi)星運(yùn)輸至發(fā)射場(chǎng)使用的必備工裝，也是運(yùn)輸過(guò)程中保證衛(wèi)星的力學(xué)環(huán)境、溫濕度環(huán)境、氣壓等衛(wèi)星運(yùn)輸要求的載體。受運(yùn)輸方式和尺寸的限制，大部分航天器不能垂直運(yùn)輸，只能水平停放在包裝箱內(nèi)進(jìn)行運(yùn)輸。航天產(chǎn)品包裝運(yùn)輸自動(dòng)翻轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)是航天器由垂直狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗竭\(yùn)輸狀態(tài)的裝備。衛(wèi)星翻轉(zhuǎn)是其進(jìn)出包裝箱的必要工序，翻轉(zhuǎn)過(guò)程一般使用吊鉤配合翻轉(zhuǎn)，對(duì)操作人員技能及廠房吊高、吊鉤狀態(tài)都有較高的要求。迫切需要一種衛(wèi)星自動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使得衛(wèi)星能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，這樣整個(gè)過(guò)程將不受廠房條件及操作人員技能等客觀條件限制。翻轉(zhuǎn)機(jī)使用工況圖2.1航天產(chǎn)品包裝運(yùn)輸自動(dòng)翻轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)初始豎直位置旋轉(zhuǎn)90°位置最終水平位置翻轉(zhuǎn)機(jī)主要技術(shù)要求承載要求：承載6t，自重小于3t。翻轉(zhuǎn)要求：在0~90°之間能連續(xù)傾倒，隨意可停，具備自鎖功能，0~6°/min速度分三級(jí)可調(diào)，翻轉(zhuǎn)精度0.05°，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、平穩(wěn)，不能出現(xiàn)抖動(dòng)和擺動(dòng)現(xiàn)象。在衛(wèi)星垂直、水平以及翻轉(zhuǎn)停放狀態(tài)下，適配器法蘭面的最大變形量小于0.1mm，在傾倒90°后，軸線(xiàn)的變形應(yīng)小于2′。具備足夠的強(qiáng)度，以保證衛(wèi)星在各項(xiàng)工作中安全可靠。衛(wèi)星運(yùn)輸過(guò)程中，結(jié)構(gòu)不得出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用消隙設(shè)計(jì)，防止由于翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)間隙引起的晃動(dòng)。根據(jù)力學(xué)分析結(jié)果，保證翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)外形尺寸和重量最小化。轉(zhuǎn)臺(tái)底座傳動(dòng)系統(tǒng)適配器回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)組成彈性柱銷(xiāo)聯(lián)軸器蝸桿減速機(jī)偏心盤(pán)驅(qū)動(dòng)小齒輪回轉(zhuǎn)支承行星減速器隨動(dòng)小齒輪伺服電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)介紹小齒輪鎖緊螺母內(nèi)齒圈回轉(zhuǎn)支承外圈隨動(dòng)小齒輪回轉(zhuǎn)支承布置方式翻轉(zhuǎn)機(jī)的Adams模型翻轉(zhuǎn)機(jī)的Adams分析過(guò)程

旋轉(zhuǎn)90°時(shí)上平臺(tái)總變形旋轉(zhuǎn)90°時(shí)上平臺(tái)應(yīng)力

旋轉(zhuǎn)90°時(shí)下平臺(tái)總變形旋轉(zhuǎn)90°