1、1第九章第九章機電一體化系統總體設計機電一體化系統總體設計 總體設計是機電一體化系統設計的重要環節重要環節。整體目標、功能 分析產品性能要求 選擇合理的單元組合方案 實現機電一體化整體優化設計過程，主要內容包括：系統原理方案設計；結構方案的設計；總體布局與環境設計；技術參數與技術指標確定；總體方案評價與決策。 總體設計是綱綱，給具體設計規定總的基本原理、原則和方法。29.1 9.1 系統原理方案設計系統原理方案設計一、功能分析設計法 一切從系統的功能出發，將設計任務抽象化1、為什么要抽象化？復雜的設計復雜的設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問題

2、，便于抓住設計問題核心 避免構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？、如何把設計問題抽象化？3 工程設計中常用的的抽象方法是工程設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： 將所要實現給定功能的機電系統看作為一個未知內部功能結構、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換關系，尋求能實現這種基本特征和轉換關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電一體化產品機電一體化產品（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；機械能、電能、熱能、化學能、光能等；數據、指示值、測量值、控制信號、波形等。物料的轉換指如何將毛坯、半成品轉換成成品；能量的轉換指如何將其它形式的能量轉換成機械能或機械能變成其它形式能量；信息的傳輸或轉換指將物理量的測量和顯示、控制信號的傳遞等。4詳細表達輸入和輸出量詳細表達輸入和輸出量建立輸入和輸出間關系建立輸入和輸出間關系尋找合適的實例尋找合適的實例設定系統的總功能設定系統的總功能進行總功能分解進行總功能分解尋找系統的功能解尋找系統的功能解評價與決策評價與決策切削機床、精密測量切削機床、精密測量設備、輕工機械、包設備、輕工機械、包裝機

4、械、運輸機械裝機械、運輸機械如如: :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械能、摩擦能機械能、摩擦能工作狀態顯示工作狀態顯示振動、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、功能結構分析二、功能結構分析1、功能結構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構示意圖功能結構示意圖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。機電一體化系統基本功能元v 物理功能元：變換、合并分離、傳導隔阻、儲存v 邏輯功能元：與、或、非v 數學功能元：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效應，例如以物理學為主要技術基礎的力學、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效應來實現，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、產品； 利用創造

6、性思維； 利用設計目錄。8三、功能結構圖三、功能結構圖1、三種基本功能結構類型： 串聯結構串聯結構并聯結構并聯結構環型結構環型結構F1F1F2F2F3F3F1F1F2F2F3F3F1F1F2F2F3F3又稱順序結構，反映分功能時間、空間順序或因果關系 又稱選擇結構，幾個分功能作為手段共同完成一個目的 又稱回路結構，輸出反饋為輸入的循環 2、功能結構圖的建立從上層分功能的結構考慮起，逐層向下細化。9四、系統原理方案選擇四、系統原理方案選擇 形態學矩陣形態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，經篩選、評價可以獲得最佳方案。形態學矩陣形態學矩陣的應用步驟：的應用步驟： 進行方案構

7、思選擇系統原理方案時，用“窮盡法窮盡法”將各分功能的解全部列出，就可寫出功能-功能解的形態學矩陣形態學矩陣，形態形態即相應的實現各分功能的執行機構和技術手段。總功能分解 形態構想和功能求解方案組成方案評價和選擇新穎性、先進性實新穎性、先進性實用性用性設計經驗、資料積設計經驗、資料積累、創新能力累、創新能力專業知識、情報資專業知識、情報資料料相容條件、連接條相容條件、連接條件等件等10形態學矩陣列表形態學矩陣列表 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為：理論上組合出的的方案數為：N=3N=

8、35 54 46060119.2 9.2 系統結構方案設計系統結構方案設計 結構方案設計是原理設計方案的結構化，而且實現結構的優化和創新。主要包括兩個方面：v 機械結構 重點考慮和設計v 電氣結構 主要是選型，考慮安裝問題一、結構方案設計的工作任務、內容及步驟1、任務、任務：將原理方案結構化，確定機器(或系統)各個零部件的材料、形狀、尺寸、加工和裝配等；2、內容：、內容：設計零部件形狀、數量、相互空間位置，選擇材料、確定尺寸，進行各種計算校核，按比例繪制結構方案總圖，在計算時，采用優化設計、可靠性設計、計算機輔助設計等多種現代化設計方法。12 3、步驟、步驟(如圖示如圖示)：設計任務對結構設計

9、的要求設計任務對結構設計的要求主功能載體初步結構設計主功能載體初步結構設計輔助功能載體初步結構設計輔助功能載體初步結構設計檢查主輔功能結構影響及配合檢查主輔功能結構影響及配合詳細設計主輔功能載體結構詳細設計主輔功能載體結構對設計進一步修改完善對設計進一步修改完善技術、經濟評價技術、經濟評價結構決策結構決策方案確定方案確定NoNoYesYes13結構設計是從：定性到定量，抽象到具體，粗略到精細定性到定量，抽象到具體，粗略到精細的過程結構設計滿足的目標：保證功能、提高性能、降低成本保證功能、提高性能、降低成本結構設計包括三個方面： 質的設計：定性分析構型（形狀、位置關系） 量的設計：定量計算尺寸、

10、確定材料 按比例繪制結構圖結構設計歸結為三個階段： 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14 保證實現預期的功能 總目標 降低制造成本 保障人和環境的安全 保證系統功能可靠的方法： 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目盡可能減少幾何形狀簡單規則采用標準零件構件的可靠性功能可靠性工作安全性和環境適應性并聯冗余串聯冗余原理冗余二、結構方案設計的基本原則15例如：1、飛機上的備用發動機（雙驅動或三驅動） 2、煤礦井下的水泵系統采用兩套或三套配置（一套運轉、一套維修、一套備用）三、結構方案設計原理與

11、原則1 1、運動學設計原則、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關系是：S = 6-q應該合理施加約束，滿足物體所需要的運動方式。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3maxq直線2maxq162 2、基準面合一原則、基準面合一原則 3、傳動鏈最短原則、傳動鏈最短原則 驅動系統 執行機構 實現最短傳動鏈 好處：傳動性能穩定性愈好，傳動精度愈高傳動性能穩定性愈好，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 結構設計盡量滿足：定位基準面與使用或加工基準面統一原則，可以減小由于基準不一致帶來的誤差

12、。 電機變速箱運動轉換執行機構運動轉換執行機構高分辨率控制電機17直線電機執行機構直線電機與執行機構一體化裝置4、“三化三化”原則原則三化三化零件標準化部件通用化產品系列化“三化”原則是國家一項重要的技術經濟政策，是國家一項重要的技術經濟政策，優點在于：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、規格符合國家標準等。18 德國人阿貝1890年提出對精密量儀有指導意義的原則：在長度測量時,為了保證測量的準確,應使被測零件的尺寸線(簡稱被測線)和量儀中作為標準的刻度尺(簡稱標準線)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、變形協調原則、如：合理力流原則、變形協調原則、變形最小原則、平均效應原則、穩定性原則等。變形最小原則、平均效應原則、穩定性原則等。5、阿貝原則（提高精度原理）、阿貝原則（提高精度原理）199.3 機電一體化系統的評價n 機電一體化的一個主要目的是提高產品的附加價值，因而附加價值就成為機電一體化系統的綜合評價指標。n 機電一體化系統的評價內容機電一體化系統的評價內容 ：機電一體化系統機電一體化系統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造功能構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 機電一體化系統總體設計的過程機電一體化系統總體設計的過程可行性研究報告、任務書原理方案圖、結構設計圖、總裝圖零、部件工作圖、設計技術文件工藝文件、樣機試制試驗、鑒定文件信息反饋、修改完善規劃階段總體階段詳細施工階段調試生產階段 銷售階段用戶對產品的需求總體設計關鍵繪制生產圖紙、設計說明書、使用說明書、明細表21一、市場調研一、市場調研二、總體方案設計二、總體方案設計三、詳細設計三、詳細設計四、樣機試制與試驗四、樣機試制與試驗五、小批量生產五、小

15、批量生產六、大批量生產六、大批量生產22一、市場調研一、市場調研 市場調研包括市場調研包括市場調查市場調查和和市場預測市場預測。n市場調查市場調查就是運用科學的方法，系統地、全就是運用科學的方法，系統地、全面地收集所設計產品市場需求和經銷方面的面地收集所設計產品市場需求和經銷方面的情況和資料，分析研究產品在供需雙方之間情況和資料，分析研究產品在供需雙方之間進行轉移的狀況和趨勢。進行轉移的狀況和趨勢。n市場預測市場預測就是在市場調查的基礎上，運用科就是在市場調查的基礎上，運用科學方法和手段，根據歷史資料和現狀，通過學方法和手段，根據歷史資料和現狀，通過定性的經驗分析或定量的科學計算，對市場定性的

16、經驗分析或定量的科學計算，對市場未來的不確定因素和條件做出預計、測算和未來的不確定因素和條件做出預計、測算和判斷，為產品的方案設計提供依據。判斷，為產品的方案設計提供依據。23n市場調研的對象對象主要為該產品潛在的用戶；調研的主要內容主要內容包括市場對此類產品的需求量，該產品潛在的用戶對該產品的要求，即該產品有哪些功能，具有什么性能和所能承受的價格范圍等。n市場調研的方法方法一般采用實地走訪調查、抽樣調查、類比調查或專家調查法等方法。n最后對調研的結果進行仔細的分析，撰寫市場調研報告。市場調研的結果應能為產品的方案設計與細化設計提供可靠的依據。 一、市場調研一、市場調研24二、總體方案設計二、

17、總體方案設計1產品方案構思產品方案構思 產品方案構思完成后，以方案圖的形式將設計產品方案構思完成后，以方案圖的形式將設計方案表達出來。方案圖應盡可能簡潔明了，反映方案表達出來。方案圖應盡可能簡潔明了，反映機電一體化系統各組成部分的相互關系，同時應機電一體化系統各組成部分的相互關系，同時應便于后面的修改。便于后面的修改。2方案的評價方案的評價 對多種構思和多種方案進行篩選，選擇較好的對多種構思和多種方案進行篩選，選擇較好的可行方案進行分析組合和評價，從中再選幾個方可行方案進行分析組合和評價，從中再選幾個方案按照機電一體化系統設計評價原則和評價方法案按照機電一體化系統設計評價原則和評價方法進行深入

18、的綜合分析評價，最后確定實施方案。進行深入的綜合分析評價，最后確定實施方案。 25三、詳細設計三、詳細設計n 詳細設計是根據綜合評價后確定的系統方案，從技術上將其細節逐層全部展開，直至完成產品樣機試制所需全部技術圖紙及文件的過程。n機電一體化系統詳細設計的內容包括包括機械本體及工具設計、檢測系統設計、人-機接口與機-電接口設計、伺服系統設計、控制系統設計及系統總體設計。根據系統的功能與結構，詳細設計又可以分解為硬件系統設計與軟件系統設計。n除了系統本身的設計以外，在詳細設計過程中還需完成后備系統的設計，設計說明書的編寫和產品出廠及使用文件的設計等。在機電一體化系統設計過程中，詳細設計是最繁瑣費時的過程，需要反復修改，逐步完善。 26四、樣機試制與試驗四、樣機試制與試驗n完成產品的詳細設計后，即可進入樣機試制與試驗階段。根據制造的成本和性能試驗的要求，一般制造幾臺樣機供試驗使用。n 樣機的試驗分為實驗室試驗和實際工況試驗，通過試驗考核樣機的各種性能指標是否滿足設計要求，考核樣機的可靠性。如果樣機的性能指標和可靠性不滿足設計要求，則要修改設計，重新制造樣機，重新試驗。如果樣機的性能指標和可靠性滿足設計要求，則進入產品的小批量生產階段。27五、小批量生產五、小批量生產產品的小批