第2章机电一体化系统总体设计-第三讲

第2章机电一体化系统总体设计,2.1机电一体化系统总体设计的主要内容2.2机电一体化系统原理方案设计2.3机电一体化系统结构方案设计2.4机电一体化系统总体布局设计,第2章机电一体化系统总体设计,教学目标1.熟悉机电一体化系统总体设计的主要内容2.掌握机电一体化系统原理方案设计3.掌握机电一体化系统结构方案设计4.了解机电一体化系统总体布局设计,第2章机电一体化系统总体设计,机电一体化系统设计的第一个环节是总体设计，它是在具体设计之前，应用系统总体技术，从整体目标出发，对所要设计的机电一体化系统的各方面，本着简单、实用、经济、安全和美观等基本原则，进行的综合性设计，是实现机电一体化产品整体优化设计的过程。,2.1机电一体化系统总体设计的主要内容,在总体设计中要充分应用现代设计方法中提供的各种先进设计原理，综合利用机械、电子等关键技术并重视科学实验，力求在原理上新颖正确，在实践上可行，在技术上先进，在经济上合理。一般来讲，机电一体化系统总体设计应包括下述一些主要内容：,2.1机电一体化系统总体设计的主要内容,(1)准备技术资料准备技术资料一般包括以下几点:1)搜集国内外有关技术资料，包括现有同类产品资料、相关的理论研究成果和先进技术资料等。这是确定产品技术构成的主要依据。2)了解所设计产品的使用要求，包括功能、性能等方面的要求。使用要求是确定产品技术指标的主要依据。3)了解生产单位的设备条件、工艺手段和生产基础等，作为研究具体结构方案的重要依据，以保证缩短设计和制造周期、降低生产成本、提高产品质量。,2.1机电一体化系统总体设计的主要内容,(2)确定性能指标主要应依据使用要求的具体项目来相应地确定，当然也受到制造水平和能力的约束，性能指标主要包括以下几项:1)功能性指标。包括运动参数、动力参数、尺寸参数、品质指标等实现产品功能所必需的技术指标。2)经济性指标。包括成本指标、工艺性指标、标准化指标、美学指标等关系到产品能否进入市场并成为商品的技术指标。3)安全性指标。包括操作指标、自身保护指标和人员安全指标等保证产品在使用过程中不致因误操作或偶然故障而引起产品损坏或人身事故方面的技术指标。对于自动化程度较高的机电一体化产品，安全性指标尤为重要。,2.1机电一体化系统总体设计的主要内容,(3)拟定系统原理方案方案拟定是机电一体化系统总体设计的实质性内容，要求充分发挥机电一体化设计的灵活性，根据产品的市场需求及所掌握的资料和技术，拟定出综合性能最好的机电一体化系统原理方案。(4)初定系统主体结构方案在机电一体化系统原理方案拟定之后，初步选出多种实现各环节功能和性能要求的可行的主体结构方案，并根据有关资料或与同类结构类比，定量地给出各结构方案对特征指标的影响程度或范围，必要时也可通过适当的实验来测定。将各环节结构方案进行适当组合，构成多个可行的系统结构方案，并使得各环节对特征指标的影响的总和不超过规定值。,(5)电路结构方案设计在机电一体化系统设计中，检测系统和控制系统的电路结构方案设计方法可分为两大类:1)选择式设计2)以设计为主，选择单元为辅(6)总体布局与环境设计机电一体化系统总体布局设计是总体设计的重要环节。布局设计的任务：确定系统各主要部件之间相对应的位置关系以及它们之间所需要的相对运动关系。,(7)机电一体化系统简图设计在上述工作完成后，应根据系统的工作原理及工作流程画出它们的总体图，组成机、电控制系统有机结合的机电一体化系统简图。在系统简图设计中，执行系统应以机构运动简图或机构运动示意图表示，机械主系统应以结构原理草图表示，电路系统应以电路原理图表示，其他子系统可用方框图表示。,(8)总体方案的评价根据上述系统简图，进行方案论证。论证时，应选定一个或几个评价指标，对多个可行方案进行单项校核或计算，求出各方案的评价指标值并进行比较和评价，从中选出最优者作为拟定的总体方案。(9)总体设计报告总结上述设计过程的各个方面，写出总体设计报告，为总体装配图和部件装配图的绘制做好准备。总体设计报告要突出设计重点，将所设计系统的特点阐述清楚，同时应列出所采取的措施及注意事项。,总体设计给具体设计规定了总的基本原理、原则和布局，指导具体设计的进行;而具体设计则是在总体设计基础上进行的具体化。具体设计不断地丰富和修改总体设计，两者相辅相成，有机结合。因此，只有把总体设计和系统的观点贯穿于产品开发的过程，才能保证最后的成功。,2.2机电一体化系统原理方案设计,机电一体化系统原理方案设计是整个总体设计的关键，是具有战略性和方向性的设计工作。在机电一体化系统原理方案设计中，常用的方法有功能分析设计法、创造性方法、评价与决策方法、商品化设计思想及方法、变型产品设计中的模块化方法和相似产品系列设计方法等。,2.2.1机电一体化系统原理方案设计步骤,功能分析设计法：从系统的功能出发，通过技术过程的分析，确定技术系统的效应，然后寻找解决的途径。这种方法主要是把复杂的设计要求通过功能关系的分析，抽象为简单的模式，以便寻找能满足设计对象主要功能关系的原理方案。其步骤及各阶段应用的主要方法如图2-1所示。,.,功能分析设计过程,功能分析设计步骤与方法,2.2.2机电一体化系统原理方案设计,2.2.2.1确定系统总功能(1)设计问题的抽象化抽象化的目的：使设计人员暂时抛弃那些偶然情况和枝节问题，突出基本的、必要的要求，这样就便于抓住问题核心;同时避免了构思方案前形成的框框，可以放开视野，寻求更为理想的设计方案。例如，采煤机可抽象为物料分离和移位设备;设计轴的支承可抽象为相对运动表面间传递力和力矩。,综采工作面三机,煤矿井下采煤机系统图示,(2)黑箱法,定义：根据系统输入输出关系来研究实现系统功能目标的一种方法。即用技术系统所具有的转化能量、物料、信息等物理量的特性描述其功能。关键：通过抽象化可清晰地掌握所设计系统(产品)的基本功能和主要约束条件，从而突出设计中的主要矛盾，抓住问题的本质。,系统理论为基础,黑箱法（BlockBox）特点,通过“黑箱”与输入、输出量及周围环境的信息联系，了解系统(产品)的功能、特性，进一步探索出系统的机理和结构，逐步使“黑箱”透亮，直至方案拟定。它摆脱了具体设计对象，而按系统(产品)的功能和对三大流进行定性描述来进行思考，使问题简化，以利于启发设计人员构思出更新、更好的功能原理方案来。,黑箱,图2-2黑箱法示意图,黑箱法举例1,通过输入、输出的转换，得到机床的总功能，即将毛坯加工成所需零件。,挖掘机总功能,黑箱法举例2,2.2.2.2总功能分解,一般技术系统都比较复杂，难以直接求出满足总功能的原理解。可利用系统工程分解性原理将功能系统按总功能、分功能、功能元进行分解，化繁为简，以便通过各功能元解的有机组合求得系统解。,功能分解模型,(1)功能元在机电一体化系统设计中常用的基本功能元有物理功能元、逻辑功能元和数学功能元。1)物理功能元。它反映系统中能量、物料、信号变化的物理基本动作，常用的有转变-复原、放大-缩小、合并-分离、传导-绝缘、存储-提取。(常用的五种物理功能元)2)数学功能元。数学功能元主要用于系统的加减机构和除法机构，如差动轮系、机械台式计算机、求积仪等。3)逻辑功能元。包括“与”、“或”、“非”三元的逻辑动作，主要用于控制功能。,常用的五种物理功能元,包括各种类型能量之间的转变、运动形式的转变、材料性质的转变、物态的转变及信号种类的转换等；,指各种物理量(如位移、速度、力)的放大和缩小等,包括能量流、物料流、信息流的结合或分离（如运动的合成与分解）。,体现三大流在一定时间范围内保存的功能，如弹簧、电池、录音带、光盘等的贮存。,反映能量流、物料流、信息流的位置变化。如离合器、开关、阀门等。,（2）功能结构,功能的分解和组合关系称为功能结构。,三种基本类型,串联（链式）结构,并联结构,循环结构,图2-4功能结构框图,(3)建立功能结构图实际设计时，建立系统功能结构可以从系统功能分解出发，分析功能关系和逻辑关系。先从上层功能的结构考虑，建立该层功能结构的雏形，再逐层向下细化，最终得到完善的功能结构图。,下面以自动材料拉伸机的设计为例，说明功能结构图的建立过程。1)通过分析输入和输出关系，利用黑箱法求总功能，得到自动材料拉伸机的总功能为:测量试件受力与变形，如图2-5(a)所示。2)利用黑箱法将总功能分解为一级子功能:能量转换为力与位移、力测量、变形测量和试件加载，如图2-5(b)所示。然后考虑到各分功能的实现尚需满足其他要求，如输人能量大小要控制，力和变形测量值要放大，试件加载拉伸要装卡，在调节与测量时均需与标准值进行比较等。因此，将一级子功能再分解为二级子功能，如图2-5(c)所示。,2.2.2.3求解功能元(分功能),功能元的原理解法是通过物理作用和作用件确定的。现在的任务是，寻找实现各个分功能的物理作用，即求得功能元的原理解，通常有下述几种求解方法。(1)直觉法直觉法是设计师凭借个人的智慧、经验和创造能力，充分调动自身的灵感思维，来寻求各种分功能的原理解。(2)调查分析法设计师要了解当前国内外技术发展状况，大量查阅文献资料，包括专业书刊、专利资料、学术报告和研究论文等，掌握多种专业门类的最新研究成果。这是解决设计问题的重要源泉。,(3)设计目录法设计目录是设计工作的一种有效工具，是设计信息的存储器与知识库。它以清晰的表格形式把设计过程中所需的大量解决方案规律地加以分类、排列和储存，便于设计者查找和调用。它提供给设计师的不是零件的设计计算方法，而是提供分功能或功能元解，给设计者具体启发，帮助设计者具体构思。图2-6为部分常用物理基本功能元解法目录。,基本功能元解法目录举例,机械一次增力功能元解法目录举例,2.2.2.4选择系统原理方案(解的组合方法),选定各功能元的解后，如果把这些功能载体根据功能结构进行合理组合，则可得到实现总功能的各种原理方案。在进行方案构思时利用形态学方法建立形态学矩阵，对开拓思路、探求科学的创新方案是有效的。可将系统的功能元与功能元对应的解，分别列为纵坐标和横坐标，列出形态学矩阵见表2-1.,表2-1中F表示功能元(或分功能)，L表示功能元解(或分功能解)；Fm为第m个功能元，Lmi(i=1,2,nm)表示实现功能元Fm的nm个解。若将F1,F2,Fm的所有解一一组合起来，可得系统解的原理方案数N=nln2nm，所得到的方案数是相当大的。,实践证明并没有必要对其逐一检验，关键是处理好以下两个问题:1)构成原理方案的各功能元解在物理上的相容性鉴别，可以从功能结构中的能量流、物料流、信号流能否不受干扰地连续流过，以及原理方案在几何学和运动学上是否有矛盾来进行直觉判断，从而剔除那些不相容的方案。2)从技术与经济效益的角度，初步挑选出几个较好的方案进行进一步的比较。设计人员根据自己的经验，借鉴类似设计和前期构思中形成的初步设想，再抓住以上两点就可以在为数众多的原理方案中确定少数的几个较好方案。,2.1.7功能原理设计综合实例,露天矿开采挖掘机,设计方法、类型、准则和规律,1、设计方法机电互补法机电结合（融合）法组合法机电互补法利用通用或专用电子部件取代传统机械产品中的复杂机械功能部件或功能子系统，达到简化机械结构、提高系统性能的目的：如用可编程序控制器（PLC）或微型计算机来取代机械式变速机构等；用步进电机来代替某些条件下的凸轮机构；用电子式传感器（光电开关、接近开关等）取代机械挡块、行程开关等，可大大提高检测精度、灵敏度。,机电结合（融合）法,将执行元件、执行机构、检测传感器、控制与机体等要素有机地融为一体。通常，这类产品的功能部件（或子系统）都是专用的，接口很简单，甚至可能互融为一体。如电主轴等。,组合法,将各功能部件（子系统）、功能模块，像搭积木那样组合成各种机电一体化系统（产品）：例如，将工业机器人各自由度（伺服轴）的执行元件、执行机构、检测传感元件和控制器等组成机电一体化的功能部件（或子系统）。,2、设计类型,开发性设计适应性设计变异性设计,开发性设计,在工作原理、结构等完全未知的情况下，没有参照产品，应用成熟的科学技术或经过试验证明是可行的新技术，设计出质量和性能方面满足目的要求的新产品。这是一种完全创新的设计。最初的录像机、摄像机、电视机的设计就属于开发性设计。,适应性设计,对现有产品总的方案原理基本保持不变，进行局部更改：或用微电子技术代替原有的机械结构，或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品的性能和质量增加某些附加价值。例如，电子式照相机采用电子快门、自动曝光代替手动调整，使其小型化、智能化；汽车的电子式汽油喷射装置代替原来的机械控制汽油喷射装置。,变异性设计,设计方案和功能结构不变，仅改变现有产品的规格尺寸，使之适应于量的方面有所变更的要求。例如由于传递扭矩或速比发生变化，而重新设计传动系统和结构尺寸，就属于变异性设计。,3、设计准则,以降低成本为核心:主要考虑“人、机、材料、成本”等因素,在保证目的功能要求与适当寿命的前提下不断降低成本。产品成本的高低70决定于设计阶段。一是从用户需求出发降低使用成本，二是从制造厂（包括装配）的立场出发降低设计与制造成本。,露天矿开采挖掘机（1）,第一步用黑箱法求出总功能：,露天矿开采挖掘机（2）,第二步总功能分解：,露天矿开采挖掘机（3）,第二步总功能继续分解：,露天矿开采挖掘机（4）,第三步建立功能结构：,露天矿开采挖掘机（5）,第三步继续完善功能结构：,露天矿开采挖掘机（6）,第四步寻找原理解法及原理解组合：,露天矿开采挖掘机（7）,第五步原理解评价选优：模糊评价方法：由Zedeh提出，它是一种对不精确信息的处理方法。用模糊语义值表示权重，采用加权计算法得出方案的模糊优序关系。,2.3机电一体化系统结构方案设计,结构方案设计又称技术设计，它的任务是将原理方案结构化。机电一体化系统原理方案确定之后，对于系统所确定的各种功能元的解，可分为两大类:（1）机械类的物理效应，例如机械传动系统、导向系统、主轴组件等;（2）电气类的物理效应，例如控制电机、控制电路、检测传感器、计算机硬件系统等。,结构设计工作包括三个方面:（1）“质”的设计，其核心问题有两个:“定型”，即确定各元件的形态，把一维或二维的原理方案转化为三维的、有相应工作面的、可制造的形体;“方案设计”，即确定构成技术系统的元件数目及其相互间的配置。（2）“量”的设计，定量计算尺寸，确定材料。（3）按比例绘制结构图。结构设计是涉及材料、工艺、精度、设计计算方法、试验与检测技术、机械制图等许多学科领域的一项复杂、综合性工作。,2.3.1结构方案设计的内容和步骤,原理方案构思主要靠创造性思维和系统化方法，而结构设计的复杂性和具体性，则要求除了创新思维之外，更多地进行紧密联系实际的综合分析和校核工作。结构设计内容包括:设计零部件形状、数量、相互空间位置、选择材料、确定尺寸、计算校核和绘制结构方案总图。,结构设计是从定性到定量，从抽象到具体，从粗略到精细的设计过程，其步骤如下：(1)初步设计这一阶段主要是完成主功能载体的初步设计。一般把功能结构中对实现能量、物料或信号的转变有决定性意义的功能称为主功能，把满足主功能的构件称为主功能载体。对于某种主功能，可以由不同的功能载体构件、器件来完成，首先可以确定几种功能载体，然后再确定它们的主要工作面、形状及主要尺寸，再按比例画出结构草图，最后在几种结构草图中择优确定一个方案作为后继设计基础。,(2)详细设计第一步是进行副功能载体设计。在明确实现主功能需要哪些副功能载体的条件下，实现副功能尽量直接选用现有的结构，例如选用标准件、通用件或从设计手册中查找。第二步是进行主功能载体的详细设计。第三步是进一步完善、补充结构草图，并对其进行审核、评价。(3)结构方案的完善与审核任务：在以上两阶段工作的基础上，进行设计工作的审核。目的：对单元设计的关键技术问题及薄弱环节进行优化设计，并进行设计分析、经济性分析与可实现性分析，检查预计成本是否达到预期目标。,2.3.2结构方案设计的基本要求,(1)功能和工作原理明确所选择结构要达到预期的功能，每个分功能有确定的结构来承担，各部分结构之间有合理的联系。要避免冗余结构，尽量减少静不定结构。所选结构的物理作用明确，从而可靠地实现能量流(力流)、物料流和信号流的转换或传导。,(2)结构设计简单在满足总功能前提下，力求整机、部件和零件的结构设计简单。1)零部件数量少。其实质是缩短加工、组装和生产准备周期，降低生产成本。2)零件几何形状简单，使毛坯生产与加工工序缩短，制造与测量容易，安装和调整迅速。3)采用标准零部件。标准零部件在制造成本上比自行设计加工要低10%左右。4)操作简单，结构布置合理，信号显示醒目。5)包装简单，运输方便。,(3)安全可靠安全可靠性的内容包括:1)零件安全，主要指在规定载荷和规定时间内，零件不发生断裂、过度变形、过度磨损，不丧失稳定性。2)整机安全，保证整个系统在规定条件下实现总功能。3)工作安全，保证操作人员的人身安全和身心健康。4)环境安全，保证系统对周围环境和人不造成危害和污染，同时也要保证机器对环境的适应性。,安全可靠性的保证方法包括:1)直接安全技术法。指在结构设计中充分满足安全可靠要求，保证在使用中不出现危险。该法主要遵循以下三个原理:安全存在原理。有限损坏原理。冗余配置原理。2)间接安全技术法。通过防护系统和保护装置来实现技术系统的安全可靠。3)指导性安全技术法。在事故出现以前发出报警信号，提醒人们注意，如指示灯，警铃或自动监控装置等。,2.3.3结构方案设计应遵循的基本原理和原则,设计基本原理包括任务分配原理、自补偿原理、力传递原理、变形协调原理、力平衡原理、等强度原理、稳定性原理、降低噪声原理和提高精度原理。提高精度设计时，应遵循的原理和原则。,一个空间物体具有六个自由度，要使它完全定位，需要用六个适当配置的约束加以限制，这是六点定位原理。相反，要使物体相对于固定坐标运动，则约束应少于六个。运动学设计原理应遵循下列条件1)物体相对运动数等于自由度数减去约束数。2)要求约束条件为点接触，该点应垂直于被限制自由度的方向，并且同时要求在同一平面(或直线)上的约束点距离应尽可能大些。运动学设计原理一般仅适用于高精度、低承载及运动行程不大的场合。,(1)运动学设计原理,即采用多点定位，应用平均效应作用，使误差得到均化，从而提高机构的运动精度和定位精度。(图2-9(b)采用平均效应原理可以使误差均化，即精度均化，但是必须满足以下条件:1)用以参加平均的中间元件要易于产生弹性变形2)用以参加平均的中间元件的制造误差要小于或等于弹性变形误差。3)在工作时的外力应能使间隙自动得到消除。在机电一体化系统中，平均效应原理的应用很广，如滚珠丝杠副、导轨副、密珠轴承、光栅尺和感应同步器等都应用此原理。,(2)平均效应原理,(3)阿贝误差原理,原理:若使测量仪给出正确的测量结果，必须将仪器的读数线尺安放在被测尺寸的延长线上。采用阿贝原理，可以避免一阶误差，只有二阶误差(常可忽略不计)，从而得到较高的精度。它既是测量原理，又是精密系统总体设计时的一个重要的指导性原则。图2-10(a)为千分尺，它的设计符合阿贝原理，读数线尺与被测尺寸彼此在对方延长线上，可以获得正确的测量结果。若由于制造误差或磨损，千分尺螺杆移动时将会产生偏摆角，这时，测量的长度l与实际长度L之间的测量误差1为,图2-10(b)为游标卡尺，它的设计不符合阿贝原理，被测尺寸与主尺上的读数刻度尺不在同一直线上，测量误差较大。由倾角产生的测量误差量2为,(4)基准重合原则,结构方案设计时，要尽量满足基准重合原则，这样可以减小由于基准不一致所带来的误差，常用的基准面有:1)设计基面。零件工作图上标注尺寸的基准面。2)工艺基面。加工时的定位基准面。3)测量基面。测量时的定位基准面。4)装配基面。装配时以它为基准，确定零件间的相互位置。以上基准如果统一，就可以避免因基面不同而造成的制造误差、测量误差和装配误差。,(5)最短传动链原则,在总体结构设计时，传动链越短，传动误差越小，性能稳定性越好，精度就越高。,(a)为传统的机械传动直线进给系统;(b)为数控直线进给系统;(c)直线电动机进给系统;(d)为电动机与执行机构合为一体,采煤机,(6)“三化”原则,“三化”是指产品品种的系列化、产品零部件的通用化和标准化。这是一项重要的经济政策，也是产品结构设计的方向。1)系列化2)标准化3)通用化设计中采用标准化和通用化原则可以保证零部件的互换性，实现工艺过程典型化，产量增大，有效的缩短制造周期，并为以后的维护带来方便。,采煤机,2.4机电一体化系统总体布局设计,机电一体化系统总体布局设计时要综合考虑人-机关系和艺术造型。2.4.1人-机系统设计方法人-机系统设计是机电一体化系统总体布局设计的重要部分之一，它是把人看成系统中的组成因素，设计以人为主体，详细分析人和系统的关系，其中主要是外形美观设计，最佳操作界面设计，安全可靠性设计。目的是提高人-机系统的整体效能，使人能够舒适、安全、可靠及高效地使用机器。,2.4.1.1人-机系统设计的基本要求,人-机系统设计应与人体的机能特性和人的生理、心理特性相适应，具体有以下要求:(1)总体操作布局与人体高度尺寸相适应;(2)系统工作操作台显示清晰，易于观察，便于监控;(3)操作方便省力，减轻疲劳;(4)信息的检测及处理与人的感知特性和反应速度相适应;(5)安全性、可靠性与舒适性好，使操作者心情舒畅。,采煤机,活塞式液压支柱,悬浮液压支柱,采煤机,2.4.1.2人-机系统的结合形式,人-机系统结合的具体形式是有很大差别的，但都会有信号传递、信息处理、控制和反馈等基本功能。2.4.1.3人-机系统设计要点人-机系统的设计核心是确定最优的人机功能分配，将人和系统有机地结合起来组成高效的完整系统。在进行功能分配时，要充分发挥人与系统各自的特性，进行协调的界面设计，显示装置与控制装置的设计。,(1)显示器设计显示器设计的基本要求:使操作者获取信息的过程迅速，准确而不疲劳。显示器主要有两种:听觉显示:蜂鸣器、铃、喇叭与报警器等;视觉显示:影视屏幕、数字仪表、显示信号灯与标记等。(2)控制器设计根据人体的特性可以设计出手动控制器、脚动控制器、声控器及光电控制器等各种控制器。控制器设计的核心：实现最简单和最方便的操作。控制器设计的基本要求：便于识别、操作简单省力、外形美观与尺度适合等。,(3)监控系统设计由显示器、控制器和操作者组成的子系统就是监控系统。把显示器和控制器的设计与人的获取信息、输出信息的特性结合起来全盘考虑。根据人体功能特点，希望在系统操作台的上方部位配置显示部分，在系统操作台的下方部位或前方配置控制部分。典型的例子是汽车驾驶室中的监控系统。监控系统设计时还应注意协调控制量与显示量的关系。,2.4.2机电系统艺术造型设计方法,2.4.2.1艺术造型设计的基本要求(1)布局清