《机电一体化系统设计》4-5机电一体化系统设计和分析方法.ppt

第2章 机电一体化系统设计和分析方法,2.1 机电一体化系统设计概述 2.2 性能指标及分配方法 2.3 机电一体化系统的建模和仿真 2.4 系统的分析方法 2.5 知识扩展 2.6课外作业,机电一体化设计是一个自上而下的过程，系统的功能和性能指标在各子系统中的合理分配是机电系统集成的基础； 机电一体化系统分析则是自下而上的过程，是以系统动态分析理论为基础对系统的稳定性和动态响应能力等进行验证的过程，形式上有理论分析和仿真分析等； 设计和分析的基础条件是系统的理论模型的建立 。,2.1 系统设计概述,系统设计的描述（什么是设计？） 从现代设计方法的观念看，“设计”就是一个信息系统，输入的是需求，输出是设计的结果。 从系统工程的观点分析，设计是一个由时间、逻辑和方法组成的三维系统。设计过程中的每一个行为可以反映为此三维空间中的一个点。,时间维，描述按时间排列的设计目标流程；,逻辑维，是解决问题的逻辑步骤，是在设计的工作流程中的每一个阶段内所要进行的工作内容和遵循的思维程序；,方法维，是设计过程的各种思维方法、工作方法和涉及的相关领域知识,设计工作流程,一个全新的机电一体化产品的正向设计和开发过程大体可以分为产品规划、概念设计和详细设计三个阶。,产品规划阶段,包括需求分析、市场预测、技术可行性分析，最后确定设计参数及设计制约条件，提出设计要求，作为设计、评价和决策的依据 。 需求分析：认识需求是一种创造性工作，设计师应深入实际、细致观察、敏锐捕捉市场的需求，并及时完成产品的开发和试制工作 市场预测：产品的前期调研工作。调研内容可分为三个方面：面向用户的产品市场调研 ；面向产品设计的技术调研 ；面向产品生命周期的社会环境调研。,技术可行性分析的内容包括 ： 1）关键技术和技术路线； 2）可选技术方案 ； 3）主要性能指标及技术规格的可行性 ； 4）主要技术风险 ； 5）成本分析 ； 6）结论及产品建议 。 根据产品的成本分析和技术风险分析，对产品的技术规格、性能指标和市场定位等参数提出修改建议，确定产品是否立项。 产品立项应给出生产设计要求表，表中所列要求分为特征指标、优化指标和寻常指标，即包括新产品的功能要求、技术规格、性能指标、成本控制目标等。,概念设计阶段,输入的是产品规划的结果设计要求表，输出总体方案。机电一体化系统总体方案包括产品外观和结构布置方案、产品部件或子系统划分及设计目标、各部件或子系统的接口设计等三个方面，并给出详细设计任务书、验收规范及进度计划。,1）产品外观和结构布置方案； 2）产品部件或子系统划分及设计目标 ； 3）各部件或子系统的接口设计 ； 4）制定详细设计任务书、验收规范及进度计划 。,详细设计,根据详细设计任务书，对各零部件进行详细设计，确定各零部件的形状、尺寸、材料等参数，设计控制软件、设计电子、电气系统的电路，选用合适的元件，绘制详细的零件图、装配图等工程图，编写详细的设计技术资料。详细设计还包括制定产品制造工艺和质量检验等内容。 详细设计必须按照总体的要求进行，在设计过程中还可能伴随着许多的实验研究和零部件的试制，以确定相关参数。,课外拓展作业,以小组为单位，讨论设计某一新型产品，并给出一个设计方案,2.2 性能指标及分配方法,1、使用要求与性能指标 从产品的使用要求的角度看，性能指标可划分为功能性指标、经济性指标和安全性指标等三类。 功能性指标 ：定义产品在预定的寿命期间有效地实现预期的全部功能要求，包括功能范围、精度指标、可靠性指标和维修性指标等。,经济性指标 ：反映用户获得所需功能和性能的产品需要付出的费用高低；对于生产者则是完成产品生产制造的成本。对于生产者和用户都希望在获得相同产品的同时成本/费用越低越好。对于用户其成本包括购置和使用费用。 安全性指标 ：需要根据产品特点确定，它既指产品在运行过程中对操作者和周围其他人员的人身安全的危害程度，又指产品本身因其它原因受损坏的可能性。,2、优化设计与性能指标 从设计的角度划分性能指标，有特征指标、优化指标和寻常指标三类，它们在设计中的限定作用不同。 特征指标：决定产品功能和基本性能的指标，是设计中必须满足的指标，构成机电系统优化模型的约束。,优化指标：又称为评价指标，用来进行方案比较的指标，其限定作用弱于特征指标，可作为机电系统优化模型的优化目标。 寻常指标：作为常规要求的指标，一般不定量描述且不出现在优化设计模型中，只需用常规设计方法进行保证。,3、性能指标分配 分配的目的是合理限定各子系统对总体性能指标的影响程度，是系统整体优化的保障。 由于机电系统方案的多样性，各子系统的形式不同，因此必须逐一列出它们的作用形式。这些内容包括：相关设计参数、设计参数受到的特征指标约束、设计参数对优化指标的影响等三个方面。,2.3 机电一体化系统的建模和仿真,机电系统既是一个交叉、综合的复杂系统，又是一个动态的系统。对于该动态系统，可以从机电系统动力学的角度出发，根据系统行为描述进行建模（即建立系统的动力学方程或动态模型）。建模后，就可以按分析对象和目的的不同，采用合适的系统分析方法对问题进行求解，以便对机电系统进行评估或目标优化，从而保证机电系统的设计更为合理和完善。,机电产品设计和开发的实际过程是一个交互过程，在概念设计和细节设计过程中需要不断地进行验证和修改,机电产品设计开发交互过程模型,根据模型的物理属性，系统仿真有：物理仿真、数学仿真和半实物仿真。 物理仿真：按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行实验的过程称为物理仿真。 优点：直观、形象。缺点：模型改变困难，实验限制多，投资较大。,系统仿真的类型和一般流程,数学仿真：