《机电一体化系统设计》第7章-机电一体化系统总体设计课件

第九章第九章机电一体化系统总体设计机电一体化系统总体设计 总体设计是机电一体化系统设计的重要环节。整体目标、功能 分析产品性能要求 选择合理的单元组合方案 实现机电一体化整体优化设计过程，主要内容包括：系统原理方案设计；构造方案的设计；总体布局与环境设计；技术参数与技术指标确定；总体方案评价与决策。总体设计是纲，给具体设计规定总的根本原理、原则和方法。19.1 9.1 系统原理方案设系统原理方案设计计一、功能分析设计法 一切从系统的功能动身，将设计任务抽象化1、为什么要抽象化？简单的设计简单的设计简洁的模式简洁的模式分析分析抽象抽象突出根本的、必要的要求，摈弃偶然状况和枝节问题，便于抓住设计问题核心避开构思方案前形成的条条框框，放开视野，寻求更为抱负的设计方案2、如何把设计问题抽象化？、如何把设计问题抽象化？2 工程设计中常用的的抽象方法是“黑箱法”1、黑箱法的根本原理：将所要实现给定功能的机电系统看作为一个未知内部功能构造、功能载体的“黑箱”，通过对输入量和输出量的分析，逐步把握输入和输出的根本特征和转换关系，寻求能实现这种根本特征和转换关系的工作原理和功能载体。未知未知黑色黑色白化白化机电一体化产品机电一体化产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输出伴生输出伴生输入伴生输入功能载体求解即：功能载体求解即：黑黑黑黑箱箱箱箱法法法法的的的的表表表表达达达达固体、液体、气体等任何物体；机械能、电能、热能、化学能、光能等；数据、指示值、测量值、掌握信号、波形等。物料的转换指如何将毛坯、半成品转换成成品；能量的转换指如何将其它形式的能量转换成机械能或机械能变成其它形式能量；信息的传输或转换指将物理量的测量和显示、掌握信号的传递等。3具体表达输入和输出量具体表达输入和输出量建立输入和输出间关系建立输入和输出间关系查找适宜的实例查找适宜的实例设定系统的总功能设定系统的总功能进展总功能分解进展总功能分解查找系统的功能解查找系统的功能解评价与决策评价与决策切削机床、精密测量切削机床、精密测量设备、轻工机械、包设备、轻工机械、包装机械、运输机械装机械、运输机械如如:2 2、黑箱法求解方法、黑箱法求解方法 黑 箱 法 求解过程就是黑箱白化的过程，步骤如 下 图：4冲床冲床黑箱黑箱板料板料电能电能掌握信号掌握信号成型工件成型工件机械能、摩擦能机械能、摩擦能工作状态显示工作状态显示振动、噪声振动、噪声温度、振动温度、振动例例1 1：冲床的黑箱法表述：冲床的黑箱法表述二、功能构造分析二、功能构造分析1、功能构造示意图和功能元、功能构造示意图和功能元总功能总功能 分功能分功能 分功能的原理方案分功能的原理方案5总功能总功能1 12 23 31.11.11.21.21.31.33.13.13.23.2层层层层层层功能构造示意图功能构造示意图6最小的根本分功能或满足功能要求的最小单位称之为功能元。机电一体化系统根本功能元物理功能元：变换、合并分别、传导隔阻、储存规律功能元：与、或、非数学功能元：加、减、乘、除、乘方、开方、微分、积分2、功能元实施原理方案的选择 各种功能实施的根底：以自然科学原理为根底的技术效应，例如以物理学为主要技术根底的力学、机械学、电学、磁学、光学等原理广泛应用于工程技术的各个领域，即所谓的物理效应。实施的要点：同一种功能可以用不同的技术效应来实现，选出最正确的功能元实施原理方案，有以下途径可以参考：参考资料、专利、产品；利用制造性思维；利用设计名目。7三、功能构造图三、功能构造图1、三种根本功能构造类型：、三种根本功能构造类型：串联构造串联构造并联构造并联构造环型构造环型构造F1F1F2F2F3F3F1F1F2F2F3F3F1F1F2F2F3F3又称挨次构造，反映分功能时间、空间挨次或因果关系 又称选择构造，几个分功能作为手段共同完成一个目的 又称回路构造，输出反响为输入的循环 2、功能构造图的建立从上层分功能的构造考虑起，逐层向下细化。8四、系统原理方案选择四、系统原理方案选择 形态学矩阵建立在功能分解和功能求解的根底上，得到多种形态学矩阵建立在功能分解和功能求解的根底上，得到多种可行方案，经筛选、评价可以获得最正确方案。可行方案，经筛选、评价可以获得最正确方案。形态学矩阵形态学矩阵的应用步骤：的应用步骤：进展方案构思选择系统原理方案时，用“穷尽法”将各分功能的解全部列出，就可写出功能-功能解的形态学矩阵，形态即相应的实现各分功能的执行机构和技术手段。总功能分解 形态设想和功能求解方案组成方案评价和选择新颖性、先进性有新颖性、先进性有用性用性设计阅历、资料积设计阅历、资料积存、创新力量存、创新力量专业学问、情报资专业学问、情报资料料相容条件、连接条相容条件、连接条件等件等9形态学矩阵列表形态学矩阵列表 12345F1F11F12F13F2F21F22F23F24F25F3F31F32F33F34功能载体功能载体分功能分功能理论上组合出的的方案数为：理论上组合出的的方案数为：N=354N=3546060109.2 9.2 系统构造方案设系统构造方案设计计 构造方案设计是原理设计方案的构造化，而且实现构造的优化和创新。主要包括两个方面：机械构造 重点考虑和设计 电气构造 主要是选型，考虑安装问题一、构造方案设计的工作任务、内容及步骤1、任务：将原理方案构造化，确定机器(或系统)各个零部件的材料、外形、尺寸、加工和装配等；2、内容：设计零部件外形、数量、相互空间位置，选择材料、确定尺寸，进展各种计算校核，按比例绘制构造方案总图，在计算时，承受优化设计、牢靠性设计、计算机帮助设计等多种现代化设计方法。11 3、步骤、步骤(如图示如图示)：设计任务对构造设计的要求设计任务对构造设计的要求主功能载体初步构造设计主功能载体初步构造设计帮助功能载体初步构造设计帮助功能载体初步构造设计检查主辅功能构造影响及协作检查主辅功能构造影响及协作具体设计主辅功能载体构造具体设计主辅功能载体构造对设计进一步修改完善对设计进一步修改完善技术、经济评价技术、经济评价构造决策构造决策方案确定方案确定NoNoYesYes12构造设计是从：定性到定量，抽象到具体，粗略到精细的过程构造设计满足的目标：保证功能、提高性能、降低本钱构造设计包括三个方面：质的设计：定性分析构型外形、位置关系 量的设计：定量计算尺寸、确定材料 按比例绘制构造图构造设计归结为三个阶段：初步设计：主功能载体设计 具体设计：副功能载体设计，主功能载体具体设计 完善、审核设计13 保证明现预期的功能 总目标 降低制造本钱 保障人和环境的安全 保证系统功能牢靠的方法：冗余配置 明确 根本原则 简洁 安全牢靠 功能载体工作原理明确功能载体使用工况明确零件数目尽可能削减几何外形简洁规章承受标准零件构件的牢靠性功能牢靠性工作安全性和环境适应性并联冗余串联冗余原理冗余二、构造方案设计的根本原则14例如：1、飞机上的备用发动机双驱动或三驱动 2、煤矿井下的水泵系统承受两套或三套配置一套运转、一套修理、一套备用三、构造方案设计原理与原则1、运动学设计原则空间物体有六个自由度，自由度S与约束q关系是：S=6-q应当合理施加约束，满足物体所需要的运动方式。要求约束：1、点约束 2、约束点离开远些 3、自由度限制方向应垂直于被约束平面平面直线152 2、基准面合一原则、基准面合一原则 3、传动链最短原则、传动链最短原则 驱动系统 执行机构 实现最短传动链 好处：传动性能稳定性愈好，传动精度愈高传动性能稳定性愈好，传动精度愈高 基准 设计基准图纸上工艺基准制造基准定位基准测量基准装配基准 构造设计尽量满足：定位基准面与使用或加工基准面统一原构造设计尽量满足：定位基准面与使用或加工基准面统一原则，可以减小由于基准不全都带来的误差。则，可以减小由于基准不全都带来的误差。电机变速箱运动转换执行机构运动转换执行机构高区分率掌握电机16直线电机执行机构直线电机与执行机构一体扮装置4、“三化三化”原则原则三化三化零件标准化部件通用化产品系列化“三化”原则是国家一项重要的技术经济政策，优点在于：互换性好；缩短制造周期；维护便利。如：课程设计或毕业设计时，设计的齿轮、滚珠丝杠、液压缸尺寸符合标准公称系列；选用材料牌号、规格符合国家标准等。17 德国人阿贝1890年提出对周密量仪有指导意义的原则：在长度测量时,为了保证测量的准确,应使被测零件的尺寸线(简称被测线)和量仪中作为标准的刻度尺(简称标准线)重合或顺次排成一条直线.缘由是这样做避开了一阶误差。例如：游标卡尺 不符合阿贝原则，精度较低 千分尺(螺旋测微仪 符合阿贝原则，精度较高 此外还有一些原则，如：合理力流原则、变形协调原则、变形最小原则、平均效应原则、稳定性原则等。5、阿贝原则提高精度原理、阿贝原则提高精度原理189.3 机电一体化系统的评价n 机电一体化的一个主要目的是提高产品的附加价值，因而附加价值就成为机电一体化系统的综合评价指标。n 机电一体化系统的评价内容机电一体化系统的评价内容：机电一体化系统机电一体化系统高附加价值化高附加价值化主功能主功能计测、控制功能计测、控制功能动力功能动力功能构造功能构造功能高性能化高性能化低价格化低价格化高可靠性化高可靠性化智能化智能化省能化省能化轻薄短小化轻薄短小化19 9.4 9.4 机电一体化系统总体设计的过程机电一体化系统总体设计的过程可行性争论报告、任务书原理方案图、构造设计图、总装图零、部件工作图、设计技术文件工艺文件、样机试制试验、鉴定文件信息反响、修改完善规划阶段总体阶段具体施工阶段调试生产阶段 销售阶段用户对产品的需求总体设计关键绘制生产图纸、设计说明书、使用说明书、明细表20一、市场调研一、市场调研二、总体方案设计二、总体方案设计三、具体设计三、具体设计四、样机试制与试验四、样机试制与试验五、小批量生产五、小批量生产六、大批量生产六、大批量生产21一、市场调研一、市场调研 市场调研包括市场调查和市场猜测。市场调查就是运用科学的方法，系统地、全面地收集所设计产品市场需求和经销方面的状况和资料，分析争论产品在供需双方之间进展转移的状况和趋势。市场猜测就是在市场调查的根底上，运用科学方法和手段，依据历史资料和现状，通过定性的阅历分析或定量的科学计算，对市场将来的不确定因素和条件做出估计、测算和推断，为产品的方案设计供给依据。22n市场调研的对象主要为该产品潜在的用户；调研的主要内容包括市场对此类产品的需求量，该产品潜在的用户对该产品的要求，即该产品有哪些功能，具有什么性能和所能承受的价格范围等。n市场调研的方法一般承受实地走访调查、抽样调查、类比调查或专家调查法等方法。n最终对调研的结果进展认真的分析，撰写市场调研报告。市场调研的结果应能为产品的方案设计与细化设计供给牢靠的依据。一、市场调研一、市场调研23二、总体方案设计二、总体方案设计1产品方案构思产品方案构思 产品方案构思完成后，以方案图的形式将设计产品方案构思完成后，以方案图的形式将设计方案表达出来。方案图应尽可能简洁明白，反映方案表达出来。方案图应尽可能简洁明白，反映机电一体化系统各组成局部的相互关系，同时应机电一体化系统各组成局部的相互关系，同时应便于后面的修改。便于后面的修改。2方案的评价方案的评价 对多种构思和多种方案进展筛选，选择较好的对多种构思和多种方案进展筛选，选择较好的可行方案进展分析组合和评价，从中再选几个方可行方案进展分析组合和评价，从中再选几个方案依据机电一体化系统设计评价原则和评价方法案依据机电一体化系统设计评价原则和评价方法进展深入的综合分析评价，最终确定实施方案。进展深入的综合分析评价，最终确定实施方案。24三、具体设计三、具体设计n 具体设计是依据综合评价后确定的系统方案，从技术上将其细节逐层全部开放，直至完成产品样机试制所需全部技术图纸及文件的过程。n机电一体化系统具体设计的内容包括机械本体及工具设计、检测系统设计、人-机接口与机-电接口设计、伺服系统设计、掌握系统设计及系统总体设计。依据系统的功能与构造，具体设计又可以分解为硬件系统设计与软件系统设计。n除了系统本身的设计以外，在具体设计过程中还需完成后备系统的设计，设计说明书的编写和产品出厂及使用文件的设计等。在机电一体化系统设计过程中，具体设计是最繁琐费时的过程，需要反复修改，逐步完善。25四、样机试制与试验四、样机试制与试验n完成产品的具体设计后，即可进入样机试制与试验阶段。依据制造的本钱和性能试验的要求，一般制造几台样机供试验使用。n 样机的试验分为试验室试验和实际工况试验，通过试验考核样机的各种性能指标是否满足设计要求，考核样机的牢靠性。假设样机的性能指标和牢靠性不满足设计要求，则要修改设计，重新制造样机，重新试验。假设样机的性能指标和牢靠性满足设计要求，则进入产品的小批量生产阶段。26五、小批量生产五、小批量生产产品的小批量生产阶段实际上是产品产品的小批量生产阶段实际上是产品的试生产试销售阶段。这一阶段的主要的试生产试销售阶段。这一阶段的主要任务是跟踪调查产品在市场上的状况，任务是跟踪调查产品在市场上的状况，收集用户意见，觉察产品在设计和制造收集用户意见，觉察产品在设计和制造方面存在的问题，并反响给设计、制造方面存在的问题，并反响给设计、制造和质量掌握部门。和质量掌握部门。六、大批量生产六、大批量生产经过小批量试生产和试销售的考核，经过小批量试生产和试销售的考核，排解产品设计和制造中存在的各种问题排解产品设计和制造中存在的各种问题后，即可投入大批量生产。后，即可投入大批量生产。机电一体化系统设计的具体流程 27