第六章 机电一体化系统设计精简

第六章机电一体化系统设计,主讲教师：孙卫青Wqsun,第六章机电一体化系统设计,2,学习目标,掌握机电一体化系统的设计流程、设计类型和设计思想。理解概念设计的内涵和过程，理解功能原理结构设计思想。了解接口设计的基本方法。重点：机电一体化系统的设计过程。难点：机电一体化系统的概念设计。,第六章机电一体化系统设计,3,目录,6.1概述6.2产品规划6.3概念设计6.4接口设计,第六章机电一体化系统设计,4,6.1概述,一、设计流程二、设计思想、类型、准则和规律,-概述,设计的定义：,第六章机电一体化系统设计,5,1.设计思想,机电互补法:结合法:,-概述,第六章机电一体化系统设计,6,组合法:将结合法制成的功能部件（子系统）、功能模块，像搭积木那样组合成机电一体化系统（产品）。,如工业机器人各自由度（伺服轴）的执行元件、运动机构、检测传感元件和控制器等组成的功能部件（或子系统），用于不同的关节，组成工业机器人的回转、伸缩、俯仰等各种功能模块系列，组合成结构和用途不同的工业机器人。,智能机器人表演太极拳相扑等动作,-概述,第六章机电一体化系统设计,7,2.设计类型,开发性设计：工作原理、结构等完全未知，无参照产品，用成熟的科技或经验证可行的新技术，设计出质量和性能方面满足目的要求的新产品。,-概述,第六章机电一体化系统设计,8,适应性设计：总方案原理基本保持不变，对现有产品局部更改，或用微电子技术代替原机械结构，或为微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，使产品的性能和质量增加附加价值。,-概述,第六章机电一体化系统设计,9,变型设计：针对已有产品原缺点或新工作要求，从工作原理、功能结构、执行机构类型和尺寸等进行变异，设计出新产品适市场需要，增强竞争力。,-概述,第六章机电一体化系统设计,10,3.设计准则和规律,设计准则：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。设计规律：根据设计要求先确定离散元素间的逻辑关系，研究其相互间的物理关系，根据设计要求和手册确定其结构关系，完成全部设计工作。,-概述,第六章机电一体化系统设计,11,6.2机电一体化系统的产品规划,产品规划的主要工作：需求分析和需求设计，明确设计任务。一、需求分析：将需求具体化，明确设计任务的要求，应自始至终指导设计。,需求分析过程:市场信息的搜集，整理与归纳阶段；市场需求信息的提取与发现阶段；对提炼出来的需求信息进行分类整理，提供给相关部门，作为决策的重要依据。,-产品规划,第六章机电一体化系统设计,12,市场调查的内容,第六章机电一体化系统设计,13,需求的预测：市场需求预测实际上就是社会购买力及其投向的预测。需求预测方法：定性预测和定量预测两大类。定性预测主要是根据以往的经验和现有的资料对现象作主观的判断和估计，主要有专家意见调查法（即德尔菲法Delphi）、主要概率法、焦点讨论法（集合意见法）、前景分析法、历史对比法、空缺分析法和形态分析法等。定量预测是指在市场调查的基础上对资料进行处理，将一系列定性问题转化为定量问题，然后利用数学方法进行计算推断，从而得到预测结果的方法，主要有时间序列预测和因果关系预测两类方法。,-产品规划,第六章机电一体化系统设计,14,二、需求设计：新产品开发生命周期内，从分析用户需求到以详细技术说明书的形式描述满足用户需求产品的一个子过程。,第六章机电一体化系统设计,15,运动参数：运动轨迹、行程、速度和加速度、方向和起、止点位置正确性的指标；动力参数：为完成工艺动作应输出的动力大小的指标，如力、力矩和功率等；品质参数：运动参数和动力参数品质的指标；,-产品规划,第六章机电一体化系统设计,16,结构参数：空间几何尺寸、结构、外观造型。界面参数：人机对话方式和功能。环境参数：工作的环境，如温度、湿度、输入电源等。,第六章机电一体化系统设计,17,6.3机电一体化系统的概念设计,一、概念设计的内涵和特征二、概念设计的过程三、产品的功能原理结构设计,-概念设计,第六章机电一体化系统设计,18,一、概念设计的内涵和特征:,Palh&Beitz概念设计：“在确定任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出求解方案。”概念产品：产品总体特征、性能、结构、尺寸形状的描述和实现。,-概念设计,第六章机电一体化系统设计,19,概念产品应包括：产品的功能、原理信息、简单的装配结构、零部件形状信息、基本的可制造与可装配信息、市场竞争力与成本信息、可服务与维修信息等。,-概念设计,武汉理工大学首款电动概念车,第六章机电一体化系统设计,20,概念设计的内涵,（1）在设计理念上融入了设计师的智慧和经验结晶的、崭新的设计哲理和创新灵感，使概念设计更具创新性。（2）在设计内容上更加广泛，在产品生命周期的各阶段要求进行需求分析、功能分析、确定工作原理、对功能载体的选择和方案组成等。（3）在设计方法上更加全面地融合各种现代设计方法，寻求全局最优方案，同时使设计过程更具有创新性。,-概念设计,第六章机电一体化系统设计,21,概念设计的基本特征,（1）创新性（2）多样性（3）层次性,多样性,第六章机电一体化系统设计,22,概念设计应注意：,1.采用新的物理原理，使主功能发生根本性的变化，开发新产品。2.采用创新思维和技术成果。新思路、新构思通常与新技术、新能源、新材料、新工艺等有密切联系。,-概念设计,第六章机电一体化系统设计,23,3.机电一体化的主要特征用微电子装置来取代机械控制装置及其原来执行信息处理的机构；另一个特征是微电子控制装置常在软件支持下工作，具有柔性自动化功能。,-概念设计,第六章机电一体化系统设计,24,二、概念设计的过程:,-概念设计,第六章机电一体化系统设计,25,三、产品的功能原理结构设计,（一）功能行为结构关系（二）产品的功能设计（三）产品的原理设计（四）产品的结构设计（五）方案的评价与筛选,-概念设计,第六章机电一体化系统设计,26,产品结构状态的变化是行为，行为的作用是功能，结构是功能和行为的载体。,-概念设计,（一）产品的功能行为结构关系,第六章机电一体化系统设计,27,概念设计是功能设计、功能行为结构映射、结构行为功能映射、评价与决策等活动交替进行的有限循环过程。,-概念设计,设计过程包括以下活动：功能建模；行为建模；结构建模；评价和决策。,第六章机电一体化系统设计,28,（二）产品的功能设计,产品的功能设计，即功能建模，确定需求抽象得出总功能，功能分解，建立功能结构图和确定功能结构。,1.设计任务抽象化确定总功能2.总功能的分解3.确定功能结构,-概念设计,第六章机电一体化系统设计,29,1.设计任务抽象化确定总功能目的：设计人员无需涉及具体解决方案，能清晰地掌握基本功能和主要约束条件，抓住主要矛盾。,-概念设计,第六章机电一体化系统设计,30,设计任务抽象化实例,第六章机电一体化系统设计,31,第六章机电一体化系统设计,32,能量流存在于能量变换与传递的整个过程，系统工作过程所需的能量形态变化和实现动作过程所需动力。物料流是系统的工作对象和载体。,-概念设计,第六章机电一体化系统设计,33,信息流是反映信号、数据检测、传输、变换和显示的过程，实现系统工作过程的操纵、控制及信息传输、变换和显示。,-概念设计,第六章机电一体化系统设计,34,CNC齿轮测量中心是一种机电结合的高技术量仪，它集先进的计算机技术、微电子技术、精密机械制造技术、高精度仿真技术、信息处理技术和精密测量理论与技术于一体，代表了当今齿轮测量技术的发展方向。,第六章机电一体化系统设计,35,2.总功能的分解,产品总功能可以分解为子功能和多级子功能，它们按确定的功能结合起来，建立功能结构图。功能元：直接从物理效应和逻辑关系找到可满足功能要求的最小单位。,-概念设计,第六章机电一体化系统设计,36,-概念设计,第六章机电一体化系统设计,37,3.确定功能结构,功能结构：功能的分解与组合关系。,-概念设计,实例,第六章机电一体化系统设计,38,计算机控制，（R向、T向、Z向）轴和（）轴实现联动。根据工件参数，使三个直线运动轴上的测微仪，相对随旋转坐标轴转动的工件产生所需要的测量运动。计算机采集的偏移量和实际坐标值，经数据处理，与被测项目理论值比较，得出测量结果。,-概念设计,如CNC齿轮测量中心的运动测量系统的自动测量过程:,第六章机电一体化系统设计,39,根据CNC齿轮测量中心的“黑箱”，将总功能逐级分解，第一层功能结构图。系统组成：运动控制、驱动、传动、测量系统、工件安装、测头、信号处理系统等等。驱动与传动子系统的结构：,-概念设计,第六章机电一体化系统设计,40,第二层功能结构的功能部分进一步细分，如T向系统：,-概念设计,第六章机电一体化系统设计,41,各子系统之间既区别又密切关联，相互制约。,-概念设计,第六章机电一体化系统设计,42,（三）产品的原理设计,产品的原理设计：子功能求解，寻找实现子功能的基本原理。,-概念设计,如水泵的功能是使水向上流动:“高速旋转的叶片带动水旋转时产生的离心力，可把水上扬”采用“容积缩小时加压把水压向高处”,构件往复移动时改变容积。,第六章机电一体化系统设计,43,第六章机电一体化系统设计,44,设计目录法寻求原理解的一种行之有效的方法。设计目录是一种设计信息库，它通过设计过程中所需的大量信息，有规律地加以分类、排列、储存，便于设计者查找和使用。创新设计中，如仿生法、借用法、联想法、还原法、仿真与变异法、自然现象探求法。,-概念设计,产品原理设计方法,第六章机电一体化系统设计,45,（四）产品的结构设计,结构是指能产生所要求行为并完成预定功能的载体。行为结构的映射、功能结构的映射而得到结构，即结构建模。结构设计任务功能载体的确定功能载体的组合结构设计总体布局,-概念设计,第六章机电一体化系统设计,46,1.结构设计任务,确定整个概念产品的特征结构、形状与尺寸，不涉及各个零部件的细节设计，主要考虑功能要求在几何与结构层次上如何得到满足。将各种功能的输入/输出变量、环境要求、工作条件等按照一定的规则或原理转变成装配结构中的一些主要几何参数和材料参数等设计变量，为概念产品评估提供符合要求的满意度，也为后续的详细设计提供基础。,-概念设计,第六章机电一体化系统设计,47,2.功能载体的确定,数控系统：接收计算机的指令，控制机械部件实现所要求的测量运动，并实时将测头及各坐标轴的测量数据传递给计算机。电气逻辑控制包括：操作台键识别指示灯状态控制机械行程限程关键部件监控自动保护功能异常状态处理等由可编程控制器完成。,-概念设计,第六章机电一体化系统设计,48,3.功能载体的组合,-概念设计,求出实现子功能的功能载体后，方案构思往往用形态学矩阵表达子功能求解的结果，该方法是建立在功能分解和功能求解的基础上，将相容的子功能解根据功能结构合理组合，得到实现总功能的整体方案。,实例,第六章机电一体化系统设计,49,-概念设计,N=6546=720,CNC齿轮测量中心的低层形态学矩阵,第六章机电一体化系统设计,50,(1)相容性，即子功能解之间必须相容，功能结构中，能量、物料、信息互不干扰；在几何学和运动学上协调一致、互不矛盾。(2)优先选用主要子功能的较佳解，从技术、经济效益角度衡量，选有先进性、合理性和经济性方案；(3)剔除对设计要求、约束条件不满足，或不令人满意的解答。,-概念设计,子功能解应满足条件：,第六章机电一体化系统设计,51,功能合理。既易又便于实现总功能，系统的内部、外观都采用利于功能目标的布局方案。结构紧凑。内部结构紧凑便于装配维护，外部结构紧凑是艺术造型需要。层次分明。总体结构布置层次分明，一目了然。比例协调。,4.总体布局设计,-概念设计,第六章机电一体化系统设计,52,如齿轮测量中心有两种结构布局：一种是卧式结构，一种是立式结构，便于软件功能的开发：测量齿轮以外的工件，工件大小、有无定位芯棒，均能适用，利于产品的系列化。,-概念设计,第六章机电一体化系统设计,53,（五）设计方案的评价与筛选,产品的概念设计过程是一个复杂的、不完全确定的、创造性的设计推理过程，为一连串的问题求解活动。概念产品方案的评价，是决策的重要依据。初步设计方案的初选初步设计方案的具体化对初步设计方案进行技术经济评价,-概念设计,第六章机电一体化系统设计,54,初步设计方案的具体化,进行必要的原理试验，分析确定主要的设计参数，验证设计原理的可行性；对于大型、复杂设备，可制作模型，以获得比较全面的技术数据。,-概念设计,第六章机电一体化系统设计,55,6.4机电一体化系统接口设计,-接口设计,1.概述2.接口的分类3.人机接口设计4.机电接口设计,第六章机电一体化系统设计,56,1.概述,接口:机电一体化系统各要素或各子系统相接处必须具备一定的联系条件。,-接口设计,第六章机电一体化系统设计,57,2.接口的分类,（1）根据接口的变换和调整功能特征分：零接口：不进行参数的变换与调整。被动接口：仅对被动要素的参数进行变换与调整。,-接口设计,第六章机电一体化系统设计,58,主动接口：含有主动因素、并能与被动要素进行匹配的接口。智能接口：含有微处理器、可进行程序编制或适应条件变化的接口。,-接口设计,RS232,光电耦合器,第六章机电一体化系统设计,59,（2）根据输入输出功的性质分：信息、机械、物理和环境接口。,-接口设计,第六章机电一体化系统设计,60,（3）按照所联系的子系统不同:以控制微机为出发点，人机接口与机电接口两大类：,第六章机电一体化系统设计,61,3.人机接口设计,人机接口类型及特点:专用性低速性高性能价格比一、输入接口设计二、输出接口设计,-接口设计,第六章机电一体化系统设计,62,一、输入接口设计,1.简单开关输入接口设计2.键盘输入接口设计,简单的开关输入电路,第六章机电一体化系统设计,63,硬件去抖电路，即可去除这种开关的抖动现象。通过程序对输入的开关信号进行处理，能够去除因开关抖动引起的读取错误，为软件去抖。,第六章机电一体化系统设计,64,当需要操作者输入的指令或参数比较多时，可以选择键盘作为输入接口。,第六章机电一体化系统设计,65,判断键盘上有无键闭合。去除键的机械抖动。判断闭合键的键号使控制微机对键的一次闭合仅进行一次功能操作。,第六章机电一体化系统设计,66,第