（机械制造及其自动化专业论文）影象反求技术的研究及其在自动冲切机中的应用.pdf

中文摘要 影象反求的原始设计资料面广、量大、容易获得，但对其研究还很 不够，尚未形成成熟的技术。在此背景下，本文综合运用设计方法学、 机械系统设计、机械设计、自动机械设计、气动系统设计、自动控制技 术及反求工程技术等理论，以“自动冲切机”的反求设计为例，研究“虽 然有设备实物，但不能进行整机测试和拆卸测绘，又没有任何技术资料， 仅凭实地参观考察印象”这一类问题( 影象反求中的一种) 的反求设计 方法，其主要研究内容包括原理方案反求设计和技术设计两个方面。 1 原理方案反求设计的研究； 运用系统科学理论，提出并详细阐述了原理方案反求设计步骤及各 阶段应用的主要方法。并根据设计要求，完成自动冲切机原理方案的反 求设计； 2 执行系统的设计； 3 气动系统的设计； 4 应用可编程序控制器进行电气控制系统的设计； 5 设计与绘制装配图和零件工作图； 6 样机的制造与调试，验证方案的可靠性和实用性。 最后，指出本研究课题具有较强的实用性和普遍指导意义。 关键词：反求工程；影象反求i 功能：原理方案；机械系统：气动系统： 可编程序控制器 i a b s t r a c t t h e r ea r ea b u n d a n to r i g i n a ld e s i g n i n gd a t ao ft h ep h o t o g r a p hr e v e r s e t e c h n o l o g ya n dt h e s ed e s i g n i n gd a t aa r eo b t a i n a b l ee a s i l y b u tt h er e s e a r c h a b o u tt h ep h o t o g r a p hr e v e r s et e c h n o l o g yi sq u i t ei n a d e q u a t ea n dt h em a t u r e t e c h n o l o g yh a sn o tb e e nf o r m e dy e t u n d e rt h ec i r c u m s t a n c e ss y n t h e t i c a l l y a p p l y i n gt h ed e s i g n i n gm e t h o d o l o g y ，t h ed e s i g no fm e c h a n i c a ls y s t e m ，t h e d e s i g n o fm e c h a n i s m ，t h e d e s i g n o fa u t o m a t i c m a c h i n e ，t h ed e s i g n o f p n e u m a t i cs y s t e m ，t h et e c h n o l o g yo fa u t o m a t i cc o n t r o l ，t h et e c h n o l o g yo f r e v e r s ee n g i n e e r i n ge t c ，a n dt a k i n gt h er e v e r s e d e s i g no ft h e a u t o m a t i c s e v e r i n gm a c h i n ef o re x a m p l e ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h er e v e r s ed e s i g n i n g m e t h o do n l yd e p e n d i n go n s e e i n ga b o u ti m p r e s s i o ni nt h ec a s et h a tt h e r ei s a ne q u i p m e n tp r a c t i c a l i t y ( i tc a nn o tb et e s t e da n dm a p p e d ) b u tn o t a n y t e c h n o l o g yd a t a ，m a i n l yi n c l u d i n gt h ed e s i g no ft h ep r i n c i p l es c h e m ei n r e v e r s ea n dt h et e c h n o l o g yd e s i g n 1 r e s e a r c ho f d e s i g n i n gt h ep r i n c i p l es c h e m e i n r e v e r s e ； a p p l y i n gt h et h e o r yo fs y s t e ms c i e n c e ，b r i n gf o r w a r da n de x p a t i a t e p a r t i c u l a r l yp r o c e s so fd e s i g n i n gt h ep r i n c i p l es c h e m ei nr e v e r s ea n dm a i n m e t h o dt ob eu s e d a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n i n gd e m a n d ，d e s i g nt h ep r i n c i p l e s c h e m eo ft h ea u t o m a t i cs e v e r i n gm a c h i n ei nr e v e r s e ； 2 d e s i g n t h ea d m i n i s t e r i n gs y s t e m ； 3 d e s i g nt h ep n e u m a t i cs y s t e m ； 4 a p p l y i n gt h ep r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，d e s i g nt h es y s t e mo f e l e c t r i c i t yc o n t r o l ； 5 d e s i g na n dm a k e t h ea s s e m b l yd r a w i n ga n dt h ed e t a i ld r a w i n g s ； 6 m a n u f a c t u r ea n d d e b u g t h em o d e l m a c h i n e ，a n d v a l i d a t et h e d e p e n d a b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo f t h es c h e m e f i n a l l y ，t h ep a p e rp o i n t so u tt h a tt h ep r o j e c th a sp r a c t i c a b i l i t ya n d g u i d i n gm e a n i n g k e y w o r d s ：r e v e r s ee n g i n e e r i n g ；p h o t o g r a p h r e v e r s et e c h n o l o g y ；f u n c t i o n p r i n c i p l es c h e m e ；m e c h a n i c a ls y s t e m ；p n e u m 舔i c s y s t e m ； p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 签字日期：夕椰怍月尸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫凄盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨注盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以 供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 躲群谆 签字日期；肿f 月厂日 h 翩躲7 枷m 签字日期：训f 月尸日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 反求工程概述 1 1 1 反求工程的涵义及特点 反求工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 或反求设计( r e v e r s ed e s i g n ) 是 现代设计方法之一，它是针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和应 用技术的组合【1 】，可分为实物反求、软件反求和影象反求三种类型。它 是以同类型先进产品设备的实物、软件( 图纸、技术文件等) 或影象( 图 片、照片等) 为研究对象和设计制造的起点，综合运用现代设计理论与 方法( 如系统工程、价值工程、优化设计、有限元设计、可靠性设计、 创新方法等) 、生产工程学、材料学和有关专业知识，进行反推性的分析 和研究，反求出初始的设计意图，掌握其功能原理、参数、材料、尺寸、 结构和加工工艺等，特别是掌握其关键技术，在此基础上进行再设计， 进而快速开发出高技术水平的新产品。 反求设计过程与传统的设计过程是完全不同的。传统的设计过程是 在市场调研的基础上，根据功能和用途来设计产品，得到图纸或c a d 模型，经检验满意后制造出产品来【2 】。而反求工程则是对先进的产品或 技术的有关信息( 包括实物、软件、影象等) 进行深入的分析研究，探寻 这些信息的科学依据，即充分消化和吸收，更重要的是在此基础上进行 改进和创新。简单说来，传统的设计和制造是从图纸到零件( 产品) ，而 反求设计是从零件( 或原型) 到图纸( 或c a d 模型) ，再经过制造过程 到零件( 产品) 。反求工程强调，剖析原产品时在“求”上下功夫，吃透 原设计；而再设计时在“改”和“创”上做文章，力图在较高起点上开 发出竞争力更强的创新产品。 反求工程是通过提取已有产品的精髓和主要特征，作为新产品设计 的基础。利用反求工程可缩短产品的设计周期，降低风险和成本( 据文 献【3 】介绍，成功的反求工程研究使日本比美国等发达国家节省了约2 3 的研究时间和约9 1 0 的研究费用) ，它是企业充分吸收和利用现代高新 技术成果、增强竞争能力的重要手段。 第一章绪论 1 1 2 反求设计的一般过程 反求设计分为两个阶段：反求阶段和再设计( 二次设计) 阶段。 反求阶段：对反求对象从功能、原理方案、零部件结构尺寸与精度、 材料性能、加工装配工艺等方面进行全面的剖析，特别要掌握原产品的 关键技术和技术矛盾，为改进或创新设计提出方向。针对反求对象的不 同形式一一实物、软件或影象，可以采用不同的方法和手段，在对各种 反求对象进行分析时，功能及原理方案分析是关键。 再设计阶段：在反求分析已有产品的基础上进行设计，称之为“再 设计”或“二次设计”。进行二次设计与一般创新设计相同，在各个设计 阶段进行多方案分析比较，尽量利用先进的设计理论与方法，探索新原 理、新机构、新结构、新材料等，力争在原设计的基础上有所突破、有 所前进，开发出更具竞争力的创新产品。 设计要求 上 反了析 拟仿设计开发设计变异设计 术设计 上 施工设计 上 试验试制 上 产品生产 图1 一l反求设计的一般过程 2 第一章绪论 再设计分为拟仿设计、变异设计和开发设计三种类型。 1 拟仿设计 完全按照原产品进行设计，制造出的产品与原产品完全相同，也叫 仿型设计。 2 变异设计 在对原产品进行分析研究的基础上，对参数、机构、结构、材料等 局部进行改进设计，或进行产品的系列化设计。 3 开发设计 在对原产品进行分析研究的基础上，抓住功能的本质，从原理方案 开始进行创新设计。 反求设计的一般过程 4 】如图1 - 1 所示。 1 1 3 反求工程出现和发展的时代背景 任何产品的问世，包括创新、改进和仿制的，都蕴含着对已有科学 技术的继承和应用借鉴，都是从已有的产品脱胎而来 5 】。因此，反求思 维在工程中的应用已源远流长，而提出这种术语并作为一门学问去研究， 则是二十世纪6 0 年代初出现的 6 】。 二次大战结束时，日本的国民经济几乎处于瘫痪状态，1 9 5 0 年国民 生产总值仅为英国的1 2 9 ，法国的1 3 8 ，经济上落后于欧美发达国家二 三十年【3 】。为了尽快恢复和振兴经济，日本把“引进国外先进科学技术” 这一“吸收性战略”作为坚定不移的国策来推行，凡是国外先进和适用 的技术，都要进行引进( 其中8 0 为专利和图样) ，并于6 0 年代初又制 定了“第一台引进，第二台国产化，第三台出口”的奋斗目标。为了实 现这一目标，迫切需要对别国先进产品进行消化、吸收、创新和国产化， 这就是反求工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 或反求设计( r e v e r s e d e s i g n ) 。 1 9 4 5 年一1 9 7 0 年期间，日本引进国外先进技术的投资仅为6 0 亿美元， 而花费1 5 0 亿美元用于反求工程的研究。通过对反求工程的研究，改进 并提升引进技术，迅速实现产品的国产化，在应用过程中再不断完善自 己的产品，进而创造和开发出更多的新产品，逐步建立起自己的工业体 系。应该说战后日本经济的恢复和振兴在很大程度上得益于对反求工程 3 第一章绪论 的研究。 当前，科学技术的发展日新月异，产品的科技含量越来越高，对产 品设计的要求发生了根本变化，多品种、小批量替代了少品种、大批量 的传统生产模式，导致了产品的设计和生产周期越来越短、产品更新换 代的速度越来越快，市场竞争日趋激烈。如何应对这种形势，一种非常 行之有效的方法就是反求工程。因此，反求工程已成为世界各国发展经 济不可缺少的手段和对策。 1 1 4 国内反求工程的发展历史与现状 我国是一个发展中的国家，科学技术相对落后，投入大量资金从头 去研究发达国家已推向市场的产品或技术是完全没有必要的，这不仅浪 费资金，也延误发展经济的时间。随着改革开放政策的实施，二十世纪 8 0 年代末期，我国引进了一大批国外的先进设备和技术。随之而来的一 个问题是：如何深入研究、消化、吸收这些设备和技术，探索引进产品 中的关键技术，在此基础上改进、创新和国产化。反求工程技术的研究 正是在此背景下开展起来的。 为了适应引进、消化和吸收工作的需要，中国机械工程学会机械设 计专业学会于1 9 9 0 年8 月在秦皇岛市召开了全国第一届“反求工程技 术研讨会”【7 】，就推广反求工程技术的重要性、必要性以及如何推广 应用等问题进行了认真的研讨。应各方要求，会后组织有关专家、学者 ( 由华东工学院刘之生教授和清华大学黄纯颖教授担任主编) 编写了国 内第一部“反求工程技术”专著，于1 9 9 2 年4 月出版。为了更有效地推 进对引进设备和技术的消化、吸收、创新和国产化工作，尽快提高我国 机电产品的设计制造水平，中国机械工程学会机械设计专业学会于1 9 9 2 年5 月在南京又召开了全国第二届“反求工程技术研讨会及培训班” 8 】。会上，有关专家学者从现代设计理论与方法学的观点，结合案例 系统地分析了反求工程技术的基本原理与方法、反求工程技术所涉及到 的领域、阻及在消化吸收工作中的应用前景等问题，这对以后开展反求 工程技术的研究及推广应用工作起了很大的促进作用。 迄今为止，国内出现了许多成功利用反求工程技术的案例。如南京 4 第一章绪论 高速齿轮箱厂通过对国外产品的反求研究设计开发了n k 系列硬齿面 低速重载通用齿轮箱【1 】：湖南轻机厂通过对德国内奇公司卧式单头等静 压成型机的反求研究，开发、设计、制造了等静压成型机样机，压坯实 验8 千次，各工作系统运转正常：佛山陶机总厂参考进口产品研制了 y p 6 0 0 、y p l 0 0 0 、y p l 6 0 0 型自动压砖机，其主要技术参数接近同类进 口压机，价格仅为进口压机的二分之一到三分之二，基本上替代了进口 产品 9 1 1 1 0 】；第二重型机器厂德阳重型机械设计研究所、南京汽车电器 厂、北京开关厂、博山电机厂等等也都采用反求工程技术开发出了自己 的新产品【l 】。 目前，国内关于反求工程技术的研究主要集中在“实物反求”中将 实物样件转换成可制造的c a d 模型方面 1 1 1 5 】，其主要研究内容为： 实物样件的数据获取技术、测量数据处理技术、c a d 几何模型构造技术 和与快速原型制造集成技术，已取得了许多研究成果。而关于“软件反 求”特别是“影象反求”方面的研究还比较少。 1 2 自动冲切机概况 本课题的反求对象为自动冲切机。该机产自日本，为可编程序控制 器( p l c ) 控制的机、电、气一体化设备，用于切制透析用血液回路过 滤简中的“双面切断管”。经实地参观考察可知其主要技术性能指标为： 1 生产能力：2 2 万个每班 2 坯料：材料：p v c 规格：管l s 一5 4 x1x 2 5 0 0m m 3 成品： 第一章绪论 4 工作压力 5 垂直气缸 6 水平气缸 4 5 6 5 k g f c m 规格：m 8 0 5 0m m 安装方式：法兰型 规格：中2 5 x1 0 0m m 安装方式：单耳座型 ( 内置磁环) ( 内置磁环) 7 电磁阀：单线圈两位五通( 带消声器) 标准电压：a c 2 2 0 v 工作压力：2 9k g f c m 2 数量：2 个 8 三连件：规格：f 6 0 0 0 x r 6 0 0 0 l 6 0 0 0 最大压力：9 5k g f c m 2 温度： 5 6 0 。 9 p l c ：c 2 0 c p u 4 4 e 1 0 外形尺寸：7 5 0 x 6 5 0 x1 1 5 0m m 1 3 选题背景 反求工程是一门开拓性、综合性和实用性很强的技术，也是一门不 断发展的新兴交叉学科。正如高新技术层出不穷，解密技术即反求技术 亦将同步发展。尽管国内外已有大量成功的反求经验，但有关反求工程 方面的系统论著还很少，大多散见于各个行业的设计案例或设计资料中， 很多企业也不愿将其反求技术公开。 6 第一章绪论 既无实物，又无技术软件，仅有产品像片、图片、广告介绍、参观 印象和影视画面等，从中去构思、想象来反求，称之为影象反求。这类 反求问题难度最大，对其研究也很不够，目前尚未形成成熟的技术。“影 象反求”本身就是创造过程。 1 4 课题的主要研究内容 表l l 自动冲切机设计要求表 产品：自动冲切机 要求数值重要性 1 必达要求 1 1 生产能力f 2 5 万个每班 1 2 送料长度误差 lm m 1 3 切断面平整 1 4 机器工作可靠、运转平稳 1 5 手工上料 2 最低要求 2 1 允许制造费用 3 0 万元i i 2 2 操作姿势坐姿 i i 2 33 米距离内噪声程度7 0 d bi 3 希望 3 1占地面积小 3 2 结构简单、使用维护方便 3 3 运转费用低 3 4 设备造价低 3 5 采用气压传动 应天津哈娜好医材有限公司的要求，对自动冲切机进行反求设计， 其设计要求见表1 1 。并以此为案例，研究“虽然有设备实物，但不能 进行整机测试和拆卸测绘，又没有任何技术资料，仅凭实地参观印象” 7 第一章绪论 这一类问题( 影象反求中的一种) 的反求设计方法。其主要研究工作内 容为： 1 原理方案反求设计的研究： 运用系统科学理论，研究原理方案反求设计步骤及各阶段应用的主 要方法。并根据设计要求，进行自动冲切机原理方案的反求设计； 2 执行系统的设计； 3 气动系统的设计； 4 控制系统的设计： 5 装配图和零件工作图的设计与绘制： 6 样机的制造与调试，验证方案的可靠性和实用性。 3 第二章原理方案反求设计的研究 第二章原理方案反求设计的研究 原理方案设计就是针对产品的主要功能提出原理性的构思，探索解 决问题的物理效应和工作原理的过程，是产品实现创新的关键。 反求工程中的原理方案设计( 或原理方案反求设计) 就是运用系统 科学理论，从反求对象的功能分析入手，摒弃原有机械结构的束缚，研 究产品的功能系统，明确产品的总功能、各予功能以及它们之间的关 系；再依据设计要求，优化功能系统结构、重新探寻原理解法，提出创 造性方案【1 6 】。 功能 功能 评价 ( 步骤) ( 方法) 一示意图 广黑箱法 i 上动词+ 名词 广直推法 _ j 一系统分析法 系统化方法 创造性方法 设计目录 一各种评价方法 图2 一l 原理方案反求设计的实施步骤 9 一 第二章原理方案反求设计的研究 在本例反求设计中，虽然有设备实物，但不能进行整机测试和拆卸 测绘，因此不能进行实物反求，只能凭参观考察印象，从设备的外形、 尺寸、比例及有关专业知识，去分析、研究其功能及内部可能的结构， 按照影象反求设计方法去开发。其原理方案反求设计的一般步骤和各阶 段应用的主要方法如图2 1 所示。 2 1 功能分析 功能是产品或技术系统能完成的特定工作任务的抽象描述，也是产 品或技术系统的输入和输出转换的抽象描述。任何一件产品，既是由若 干个零件组成的结构系统，又是由若干个子功能组成的功能系统，结构 系统是产品的物质基础，功能系统则是实现产品总功能的抽象的功能特 性的集合，两者有着一一对应关系。可以说结构系统是产品的躯壳，而 功能系统是产品的灵魂0 7 1 。 功能分析的实质就是将反求对象的结构系统转化为功能系统。本案 例功能分析过程为：结构组成及工作原理分析、功能定义和功能整理。 2 1 1 结构组成及工作原理分析 反求对象的工作原理及结构组成分析是功能分析的基础，工作原理 示意图是功能分析的重要工具。工作原理示意图能简要地反映产品的整 体布局、传动系统、工作原理及结构组成等，画好原理示意图是进行功 能分析的前提。 经实地参观考察，凭借设备外形特征及有关的专业知识，画出自动 冲切机的工作原理示意图，如图2 2 所示。其工作原理为：送料气缸1 的活塞杆通过铰链与齿条连接，当活塞杆往复运动时，通过齿条齿轮机 构2 使齿轮往复摆动，经过超越离合器3 ，使送料辊5 作单向间歇转动， 利用送料辊与坯料之间的摩擦力，带动坯料向前( 右) 移动。送料停止 后，冲切气缸7 的活塞杆向下运动，带动冲头8 也向下运动，从而实现 对坯料的冲切。然后送料气缸和冲切气缸依次返回，准备开始新的循环。 通过调节螺杆4 ，改变送料气缸活塞杆的行程，可实现送料长度的调节。 1 0 第二章原理方案反求设计的研究 1 - 送料气缸2 一齿条齿轮3 超越离合器4 调节螺杆5 送料辊 6 - 导向管7 一冲切气缸8 - 冲头9 冲切垫块1 0 机架 图2 2 自动冲切机工作原理示意图 2 1 2 功能定义 功能定义就是对产品的功能进行抽象的描述，说明功能的实质，限 定功能的范围，并与其它产品功能相区别，其实质就是透过产品的物理 特性找出它本质的东西功能特性。在对产品进行功能定义时，既 要给产品的总体功能下定义，同时为了更清楚、更全面地了解产品的子 功能与子功能之间的联系，还必须给产品主要零部件的功能下定义。如 图2 3 所示。 图2 3 功能定义示意图 1 1 第二章原理方案反求设计的研究 功能的表述方法：一个动词加一个名词。 功能定义的方法：通常根据产品的输入输出转换关系( 即黑箱法) 来定义产品的总功能：有时也可通过产品的工作原理及结构组成分析， 定义产品主要零部件的功能后，再反推出产品的总功能。 图2 4 为自动冲切机黑箱示意图。图中左右两边输入和输出有物 料、能量和信号3 种形式，图上方为自动冲切机工作时，对周围环境的 影响，如产生的振动和噪音。通过对输入和输出的分析，得知自动冲切 机的总功能是分离物料。 ( 输入) ( 对外界的影响) 图2 4 自动冲切机黑箱示意图 根据自动冲切机的工作原理及结构组成分析，定义自动冲切机主要 零部件的功能，如表2 一l 所示。 第二章原理方案反求设计的研究 表2 1自动冲切机主要零部件的功能定义表 序号零部件名称功能 1送料气缸提供送料动力 2齿条齿轮运动转换( 往复移动变为往复摆动) 3超越离合器运动转换( 往复摆动变为单向间歇转动) 4调节螺杆 调节送料长度 5送料辊 送料 6导向管 提供导向 7冲切气缸 提供冲切动力 8 冲头分离物料 9 冲切垫块提供托垫 1 0机架 提供支承 2 1 3 功能整理 功能整理就是在对产品及其主要零部件进行功能定义的基础上，按 照各功能之间的“目的一手段”的关系，将产品的实物结构系统转换为 功能结构系统。其结果用功能系统图( 功能树) 来表达。 功能整理的典型方法有两种：直推法和系统分析法【1 8 】。 所谓直推法，就是从产品的总功能开始，向后依次寻找其实现该功 能的手段功能，直到找到末位功能( 功能元) 为止的直接推进方法。直 推法适用于不太复杂的功能系统。 对于比较复杂的功能系统，采用系统分析法较为合适。所谓系统分 析法，就是在功能定义以后对功能的地位和作用进行分析，把基本功能 与从属功能、主要功能与次要功能分开，随后优先连接主要功能系列， 再把次要功能或从属功能系列附加进去的功能整理方法。 自动冲切机的功能系统比较简单，用直推法就可得到该机的功能系 统图。如图2 5 。 第二章原理方案反求设计的研究 分离物料 ( 总功能 ( 子功能)( 功能元) 图2 5自动冲切机的功能结构系统图 d 2 2 功能综合 功能综合就是在功能分析的基础上，优化功能结构：并参考借鉴有 关资料或专利、利用“设计目录”、运用各种创造技法，经过检索选择与 变异操作等组合方法，探寻实现同样子功能的新解法；再用形态学矩阵 表达各子功能解的结果，将相容的子功能解综合为系统整体解( 或称系 统原理方案) 。 2 2 1 优化功能系统结构 驱动子功能+ 传动予功 凸 轮 分 配 轴 执行子功能1 执行子功能2 执行子功能3 执行子功能n 图2 6 单机驱动执行子功能结构设计原理图 1 4 第二章原理方案反求设计的研究 驱动子功能l + 传动子功能+ + 执行子功能l 驱动子功能 + 传动子功能付执行子功能2 驱动子功能子+ 传动子功能一执行子功能3 驱动子功能市+ 传动子功能1 r + 执行子功能n 空 制 子 功 能 图2 7 多机驱动执行子功能结构设计原理图 所谓优化功能系统结构就是采用系统化分析方法对原产品的功能系 统结构进行最优化。一个机械系统包含驱动、传动、执行和控制四个子 功能，而执行子功能往往不是一个，对于这样的机械系统，各执行予功 能之间的相互关系尤其重要。常见的组合方案有两种 1 9 1 ：一是采用单机 驱动( 一部机器采用一个驱动源) ，各执行子功能间的动作协调与配合由 凸轮分配轴控制，如图2 6 所示；另一种采用多机驱动( 部机器采用 多个驱动源) ，各执行予功能间的动作协调与配合由控制子功能完成，如 图2 7 所示。 采用多机驱动，可简化传动系统，提高传动精度，缩小体积，易于 实现机电一体化和零部件的标准化，有利于机械系统的设计、制造、维 修和使用，特别是采用计算机系统作为控制子功能时，能实现机械系统 的模块化、智能化和柔性化。目前，多机驱动越来越多。 本例自动冲切机的功能系统为多机驱动的功能系统结构，如图2 5 所示，符合机电一体化的设计要求，功能系统结构比较合理。 2 2 2 探寻子功能的新解法 探寻予功能的新解法是功能综合的关键。为了得到更多的设计方案， 这就要求设计者，一方面了解当前科学技术发展状况，掌握多种专业门 类的最新研究成果，为探寻子功能的新解法提供重要源泉：另一方面要 调查分析已有的同类型产品，进行必要的功能和结构分析，了解哪些是 先进可靠的，哪些是陈旧落后的、需要更新改进的：再者是学习掌握各 种创造性技法。 第二章原理方案反求设计的研究 通过自动冲切机的加工工艺分析，并考虑加工坯料的材质、形状、 尺寸以及设计要求等因素，进行“发散”思维，探寻到自动冲切机各子 功能的各种可能解法。如表2 2 所示。 表2 2自动冲切机各子功能的解法 2 0 - 2 3 】 功能元功能元的解 1234 送料a 送料动力源电动机步进电机气压缸 子b 传递动力机械传动气压传动 功能c 送料普通超越离合器机械钳式气动钳式 辊轮式传动的辊轮j 分离d 分离物料电动机气压缸 物料动力源 子e 传递动力机械传动气压传动 功能f 分离物料机械切断加热熔断 g 运动控制凸轮分配南i单片机p l c矩阵顺控 h 上料人力 i 送料长度调节人力 j 下料滑道 2 2 3 原理方案组合 原理方案组合就是把子功能解合成为一个整体以实现总功能的过 程。一般采用形态学矩阵来表达各子功能的解法，将相容的予功能解综 合为系统整体方案。 将子功能解综合为系统整体解时，首先要剔除不满足设计要求、约 束条件、或不令人满意的子功能解。再者是必须坚持整体性原则，整体 性原则是功能分析设计方法的核心，这一原则认为，任何系统都由若干 个子系统组成，但系统整体不等于各个子系统的简单相加，这是因为各 子系统之间存在着相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的关系。 所以必须坚持相容性原则，不相容的予功能解不能组合。在进行原理方 案组合时，一般是从重要的子功能的较佳解出发，选择与它相容的其它 1 6 第二章原理方案反求设计的研究 子功能解进行组合，得到几个系统整体方案。 按照表2 2 ，用形态学矩阵对自动冲切机的功能元解进行组合，最 多可组合n 种方案： 送料方案数：a = 3 2 x 4 = 2 4 分离物料方案数： b = 2 2 2 = 8 自动冲切机的系统原理方案数：n = 2 4 x 8 4 1 l x l = 7 6 8 依据设计要求表1 1 ，对众多方案进行粗筛选，把与设计要求不符 或各功能元解不相容的方案去除，并根据实际经验，选择切实可行的解， 组成4 个组合方案。 原理方案i ：a 3 一b 2 一c 2 一d 2 一e 2 一f 1 一g 2 一h 1 一1 1 一j 1 原理方案i i ：a 3 一b 2 一c 4 一d 2 一e 2 一f 1 一g 2 一h 1 一il j 1 原理方案i i i ：a 3 - b 2 - c 2 一d 2 一e 2 一f 1 一g 3 一h 卜i 卜j 1 原理方案i v ：a 3 一b 2 - c 4 一d 2 一e 2 一f 1 6 3 一h 1 一i 卜j 1 2 3 评价决策 所谓评价决策就是在功能综合的基础上，对粗选的几个较好原理方 案，按照预先确定的评价目标或评价指标给予定性或定量的评价，从中 选择最佳方案。 根据设计任务要求确定评价目标项目并判别各目标的重要程度，是 方案评价前必须做的准备工作。评价目标项目一般来源于设计要求表， 而各评价目标的重要程度用加权系数定量表达。为了便于分析计算，一 般取各评价目标加权系数g 遘羧，戳究成各耱 功能。 5 。3 2 可编程序控制器酶工作原蓬 p l c 采用循环扫描的工作方式，它可以看成悬一种豳系统软件支持 的扫描设备，不论用户程序运行与否，都周而复始地进行循环掴描，弗 第五章控制系统的设计 执行系统程序规定的任务。图5 4 为p l c 的扫描工作原理图。 图5 4p l c 的扫描工作原理图 p l c 上电后首先进行初始化，然后进行循环扫描工作过程。扫描过 程分五步【4 l 】，现分述如下： 1 自诊断 p l c 上电或完成一次扫描后执行自诊断程序，包括系统软件校验、 r a m 和c p u 测试、总线动态检测等。如有异常，p l c 将做出相应的处 理并停止运行。 2 读入现场状态和数据 将与输入单元相连的现场状态和数据取到p l c 中，如开关接点、起 4 0 第五章控铽系统的设计 停按锾、继纛器揍焱、转羧篷等；莽将宅织按羲鬼安篓 鼯熬颓黪写入状 态存储器的输入缓冲区。 3 解焉户逻辑 调出用户程序，将相应的输入状态、数据及内部逻辑状态代入用户 程序，并得崮相应缩果，存入状态存储器的输出缓冲区。 4 输出结果 上步结束后，p l c 发出信号，按预先发排好的顺序，将结聚通过输 出单元送绘工终瑗场，控铡现场麴执行枫稳。 5 与编稷器和上位计算机通讯( 有请求时发出) 与编程嚣逶讯：壤翟嚣将穆改翡参数发送主凝，主撬将要鼹示静状 态、数据和错误码等发送给编程器照示。 与上健计算穰遥讯：p l c 接收上位计算祝发来静措令，进行相应静 操作。 如不发生故障，p l c 将按l 一5 的步骤循环执行。搦描周期一般在 l o o m s 以痰。 5 3 3p l o 控制系统设计的主要内容 p l c 控露l 系统设诗豹麦要痰容帮步骤【4 2 l 秀： 1 对控制任务作深入的调查研究，确定系统总统方粜 瓷着手竣诗之裁，要译缁了辩王艺遘耧移控懿要求，镯鲡秀淆嘟黧 信号需输入p l c ，怒模拟擞还是开关量，应采取什么方式，选用什么元 件输入信号，哪些僚号需输出到p l c 外部，通过什么执行元件去驱动负 载；再清整个工艺过程各个环节樱置的联系；7 解机械运动部件的驱动 方式，运动部件与备电气执行元件之间的联系；了解系统的控制是全自 动还建半皇动，控剿过程是周麓矬还是萃翅絮运纾，是秀毒手麓调节要 求等。另外要注意哪些量需要监控、报警、显示，是否滞要故障诊断， 需要穆些绦护播藏等。 猩全面深入了解控制要求的基础上确定电气控制方案。 2 根据撩帝i 要求确定输入，输蹴元件，选择p l c 辊蚕 谯确定嗽气控制方案之后，可进一步研究控制系统的硬件配置。要 选择合适的输入输出元件；确定圭回路各电器及保护器件：选样报警和 4 1 第五章投制系统的设计 显示元件等；穰据掰选瑁静电器或元箨懿炎銎帮数量，诗冀爨鬟p l c 熬 输入输出点数，并参照其宅要求( 如功能、用户存储容量、性价比等) 选择合适的p l c 辊黧。 3 p l c 输入输出点分配 明确各输入电器与p l c 输入患的对应关系，糖输出点与各输出执行 元件的对应关系，做出p l c 的i o 分配表。 4 绘制各种图袭 ( 1 ) 绘制工艺溅程图； ( 2 ) 绘制i o 分配表、p l c 接线图； ( 3 ) 绘麓程穿遂辑滚狴国、羯户罄廖梯形黧。 5 编写用户程序 6 用户程浮静调试 7 ，编写技术文件 5 3 4p l c 在自渤冲切机中的应用 1 垂动挣切机的加工王艺过程 自动冲切机采用手工上料。其加工工苞过程分以下四个工步： 麓一步：磁性嚣关s q l 、s q 3 溺会醛，毫磁凝y v 2 线錾穆魄，甥辩 气缸的活塞下移进行切料，直至磁性开关s q 4 闭合为止。 第二步：磁往舜关s q l 、s q 4 麓合时，电磁淹y v l 线圈褥魄，送辩 气缸的活塞发移，点至磁性开关s q 2 闭合为止。 第三步：磁性歼关s q 2 、s q 4 闭合时，电磁阀y v 2 线圈失电换向， 切料气虹的活塞上移，直至磁性开关s q 3 j j 合为止。 第四步：磁性开关s q 2 、s q 3 闭合时，电磁阀y v l 线圈失电换向， 送糕气钰豹溪塞寿移进行送料，壹至磁蛙努关s q l 阙会为止。 2 控制舞求及p l c 选溅 蠢凌洚韬橇分为手动帮鑫动锤嚣秀季孛王作方式。手动又分手动下甥、 手动。t 升、乎动进料和手动圆退。拦求有歼机、进料和下切指示。 檄据自动渖切褫的控制簧求，零系统选用西奉o m r o n 公谣生产的 c p m a t - - 2 0 可编程岸控制器。 3 确定p l c 输入，输出点，绘制i o 分配表 第五章控制系统的设计 表5 1i o 分配表 输 入 分配 启动按钮s b l 0 0 0 0 0 上限位磁性开关s q 3 0 0 0 0 6 停机按钮s b 2 0 0 0 0 1 下限位磁性开关s q 4 0 0 0 0 7 手动方式 0 0 0 0 2 手动进料 0 0 0 0 8 自动方式 0 0 0 0 3 手动返回 0 0 0 0 9 右限位磁性开关s q l 0 0 0 0 4手动切料0 0 0 1 0 左限位磁性开关s q 2 0 0 0 0 5 手动上升0 0 0 1 1 输出分配 送料电磁阀y v l 线圈 0 1 0 0 0进料指示灯h l 20 1 0 0 5 切料电磁阀y v 2 线圈 o l 0 0 1下切指示灯h l 3 0 1 0 0 6 开机指示灯h l l 0 1 0 0 4 4 绘制p l c 输入、输出接线图 s b l s b 2 手动 自动 s 虬 s 0 2 动送料 动返回 动切料 动上升 o o o o o o o o o l 0 0 0 0 2 0 0 0 0 3 0 0 0 0 4 0 0 0 0 5 0 0 0 0 6 0 0 0 0 7 0 0 0 0 8 0 0 0 0 9 o o o l o o o o l l c o m 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 c o m o c o m 3 0 1 0 0 4 0 1 0 0 5 0 1 0 0 6 2 4 v y v l y v 2 2 2 0 v 坠埯卜了2 4 v h l 2n 图5 5 p l c 输入、输出接线图 第五章控裁系统豹设诗 5 编制控制程序 目前，编制p l c 按制程序的方式有两种：种是使用专用编程器编 程；舅一耱楚采焉专麓编程软传滋杼计算穰疆秘编程。编穰器分为麓荔 编程器和网形编程器两种，简易编程器不能直接输入梯形圈程序，只能 输入助记符程序；图形编程器可赢接输入梯形图程序。编穰器具有价格 诋、髂获，l 、重萋轻、携带方霞等俊点；诗冀梳辕蘩编程餐辩省力、又 便于程序管理，它具裔编程器无法比拟的优越性，是一种广泛应用的编 程方式。 惹诗髯税迸孬辕璐编程露，爨簇安装专嗣编翟获释，诲多厂家都为 自己的p l c 产品设计了计算机辅助编程软件。编程软件的功能非常强 大，它可以离线与在线编辑、修霉殳用户程序，熊实现梯形豳程序和助记 符程痔之鬻戆转换，转蘩程序，燕羧、灏试p l c 憨运行状态，实现诗嚣 机与p l c 忠问的程序相互传送等等。 本文采用日本o m r o n 公司搿发的c x * p ( c x p r o g r a m m e r ) 2 。0 版编 程软辞，编稍自动津镯狡懿p l c 擦锈程序，惫戆梯形嚣疆净帮魏记蒋稳 序两种，弗进行在线修改与调试。 圈s 6 自动；申切梳p l c 梯形匿控镱l 程序编辑界鬣 “ 第五章控制系统的设计 0 0 0 0 00 0 0 0 l2 0 0 0 0 手动方式 手动进料 手动切料 自动方式 自动切聿车 自动进料 图5 7自动冲切机p l c 控制系统梯形图 第五章控制系统的设计 图5 8自动冲切机p l c 助记符控制程序编辑界面 自动冲切机p l c 控制系统助记符程序： l d o r a n d n o t o u t l d 0 u t l d i l ( 0 2 ) l d j m p ( 0 4 ) l d a n d r s e t 0 u t 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 1 0 0 4 2 0 0 0 0 0 0 0 0 2 # 0 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 5 0 1 0 0 0 0 1 0 0 5 第五章控制系统的设计 l d a n d s e t l d a n d s e t o u t l d a n d r s e t j m e ( 0 5 ) l d j m p ( 0 4 ) l d a n d s e t o u t l d a n d s e t l d a n d r s e t l d a n d r s e t o u t j m e ( 0 5 ) i l c ( 0 3 ) e n d ( 0 1 ) 4 7 0 0 0 0 9 0 0 0 0 4 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 6 0 1 0 0 1 0 1 0 0 6 0 0 0 1 1 0 0 0 0 7 0 1 0 0 1 # 0 0 0 0 0 0 3 群0 1 0 0 0 0 4 0 0 0 0 6 o l 0 0 1 0 1 0 0 6 0 0 0 0 4 0 0 0 0 7 0 1 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 7 o l o o l 0 0 0 0 5 0 0 0 0 6 0 1 0 0 0 0 1 0 0 5 撑0 1 第六章结论 第六章结论 影象反求的原始设计资料面广、量大、易获得，因此成为一种国内 外普遍采用的设计方法，但对其研究还很不够，尚未形成成熟的技术。 在此背景下，本课题以“自动冲切机”的反求设计为例，研究了“虽然 有设备实物，但不能进行整机测试和拆卸测绘，又没有任何技术资料， 仅凭实地参观考察印象”这一类问题( 影象反求的一种) 的反求设计方 法，其主要研究工作包括原理方案反求设计和技术设计两方面，取得了 以下研究成果： 运用系统科学理论，提出并详细阐述了机电气一体化系统原理 方案( 或系统方案) 反求设计的一般步骤( 主要包括功能分析、功能综 合和评价决策) 和各阶段应用的主要方法。并根据设计要求，完成了自 动冲切机原理方案的反求设计。 系统阐述了气动执行系统的特点、设计内容及设计方法，根据自 动冲切机的设计要求，完成了气动执行系统的设计。 详细论述了可编程控制器( p l c ) 的结构组成、工作原理