第二章(机电总体设计)

1、总体设计总体设计 机电系统的几个特性 n1整体性 n 机电系统整体功能的好坏，并不是各子系统单独作用的结果，也是要求每个子系统的功能都尽善尽美。只要从整体角度出发，正确制定各子系统的相互联系和性能要求，使各子系统的先进性、可靠性、经济性达到合谐统一，就能使机电系统具有满意的整体功能。n2关联性 n3功能性 机电系统的价值体现在功能上 n4环境适应性(技术和物质层面） 总体设计的主要内容n1.设计任务分析n2.主要参数及技术指标的确定n3.方案制定n在具体设计之前，本着简单、实用、经济、安全、美观的基本原则所进行的综合性的设计。总体设计所形成的文件何图纸n1.设计任务书（技术任务书）n2.机构运

2、动简图（系统简图）n3.总装配图n4.部件装配图n5.电气、光学、气动、液压原理图n6.总体设计报告机电产品设计的一般步骤n总体设计n部件子系统设计n样机试制n小批量试制进入市场，经过用户不断地反馈和改进设计，以达到定型设计效果 在总体设计中，要充分运用设计原理，重视科学实验、做到理论和实践的紧密结合，尽力使总体设计在原理上正确、实践上可行、技术上先进、经济上合理。设计任务分析n在总体设计阶段，首先要对设计任务进行分析，以明确设计的目的和功能要求，根据总体设计的基本原则，逐一地进行分析研究，并将结果写入设计任务书。尽可能多地搜集经验总结和理论计算地资料，把握难点的关键，分清问题的主要矛盾和次要

3、矛盾，进行深入了解研究，拟定几种方案，确定出最佳设计方案。 设计任务的来源n1）用户的专门需求，针对特定的加工或被控被测对象设计专用的设备或仪器（非标设备）n2）设计通用产品或系列产品（车床）n3）根据技术的发展和对社会需求的预测，推出性能好，功能全，技术先进的新产品，进行开发性设计（电动车）任务分析地着力点n1.功能性方面n2.可靠性方面n3.经济性方面n4.人机环境方面功能性方面n对机电系统的功能有一个正确的认识，尽量遵循保证基本功能，满足使用功能，剔除多余功能，增添新颖功能，恰到好处地利用外观功能的原则，使机械电子产品达到更加完美的境界。 n1.作业对象n2.精度、强度和刚度、稳定性和动

4、态响应n3.自动化程度和信息的存储，显示和打印，人机界面 n4.设备的生产批量、品种和生产率 精度、强度和刚度n中精度直线位置误差110um，主轴回转误差110um，圆分度误差110”n高精度直线位置误差0.11um，主轴回转误差0.11um，圆分度误差0.11”n高精度直线位置误差0.1以内，主轴回转误差0.010.1um，圆分度误差0.2”以内n确定精度的原则：n1）精度应根据功能的要求来决定 n2）考虑当今的工艺装备、材料、经济等因素 n3）精度并不是一成不变的 ，不过精度通常要求在一定期限内保持稳定 自动化程度n单一的机械自动化过渡到了计算机时代的自动化 n设计控制系统的一般要求：n1

5、）控制原理准确，逻辑关系清晰，控制动作顺序合理n2）控制元件集成度高，少用分立元器件n3）优先考虑可靠性n4）监控、故障报警、紧急制动、复位功能并存（玻壳厂的生产过程自动监控）n5）手动、自动功能并存n6）程序的可读性强，容量小（选择不同的存储格式）n 为提高整个控制系统的可靠性，必须选用可靠性高的元器件清洗机器人控制系统 电源模块电源滤波器 NF AC220V 3A隔离变压器上位计算机RS232-C电源模块CPU模块输入模块输出模块接近开关按 钮电机指示灯图1-1：控制系统硬件原理图清洗机器人总体1高压清洗机 2屋顶随动小车 3清洗系统 4. 移动系统 5真空系统 6. 污水收集箱上位机监控

6、可靠性方面n可靠性是指系统在规定的条件下，在规定的时间内完成规定功能的能力n失效和故障 n1.进行失效分析 ，寻找系统的薄弱环节n2.在零部件系统中运用可靠性设计 n 建立零部件的可靠性是由设计决定的，制造管理只是起保证作用，一个系统的好坏关键在设计。n3.简化结构，提高标准化程度 n4.提高维修性，不能形成连锁效应 经济性方面n设计和制造过程中的经济性 （设计生产单位的利益）n合理的可靠性和安全系数n实施标准化 ，标准化设计和制造n产品的系列化、通用化（设备而言，组成生产线和自动线的可能）n良好的工艺性 ，与本企业的生产装备有关，具有企业特性n先进性和可行性 n使用和维修的经济性 （使用单位

7、的效益）n效率 （传动系统、执行系统、控制系统的效率，提高原材料的利用率，降低工费、料废和能耗）n合理制定寿命期限 （经济寿命和功能寿命）n维修保养 人人-机机-环境方面环境方面 n1.操作性 n2.安全性 （人员的安全和设备的安全）n3.结构紧凑、造型美观n4.环境保护 机电系统主要技术参数和指标的内容n1）设计的依据n2）功能实现的技术体现和保证n与用户共同制定切实合理的技术参数指标 ，并在技术合同中加以明确。n依“流”的角度来看系统的基本组成n一个功能的实现，可以由多种方式（不同的子系统）完成，总体设计时必须从先进性、可靠性和经济性等角度出发，确定相应的方案，同是也就规定了机电系统的具体

8、组成部分 机电系统中常见的子系统 n（1）动力系统 n（2）执行系统 n（3）传动系统 n（4）操纵系统 n（5）检测系统 n（6）信息处理和控制系统 机电系统的主要参数和指标机电系统的主要参数和指标 n（1）运动参数：如速度、加速度、转速、调速范围、行程和运动轨迹等。（2 ）动力参数：如电机功率、伺服电机额定转矩、液压缸（或气压缸）牵引力等。（3）规格参数：如加工零件尺寸范围或测量范围、示值范围，或安装工件的最大尺寸等。（4）可靠性和安全性参数：各种可靠性指标、强度、刚度、电压、电流的极限值和额定值等，各种热力学、磨擦学、振动、稳定性及频率响应、伺服特性等的特征参数和寿命期望值。确定主要技术

9、参数和指标的依据确定主要技术参数和指标的依据 n1设备的用途 n2加工（测量）对象的材料和主要尺寸n3加工（测量）精度的要求 n4设备中的薄弱环节（尤其对精密机械） 高精度、低速度给设计增加了很多困难，如弹性变形、摩擦、低速爬行、振动等问题变成了突出的问题，成为某些技术指标的制定依据。 总体设计步骤总体设计步骤 n1.计划合同阶段 （审定和评价）n2.前期工作阶段 n技术、市场调研n可行性研究 n明确设计进度和人力、物力安排 n3.总体方案设计阶段n方案设计 n系统分解 n系统分析 某控制芯片的总体方案设计光电传感器H桥控制电路主控芯片H桥控制电路光电传感器机电产品设计、生产过程黑箱法黑箱法总

10、体方案设计的组成 n总体方案的制定是设计任务分析后，确定了主要技术参数和技术指标的基础上进行的。n1）工作原理设计、n2）方案比较n3）系统简图（或运动简图）绘制n4）总体布局、n5）总精度分析与计算n6）总装配图（电路及控制总图）绘制n7）造型与装饰设计n8）总体设计报告编写 总体方案设计的基本原则 满足精度的设计原则满足精度的设计原则 1结构最简单原则 2. 阿贝原则（同线原理）3变形最小原则 4基面统一原则 5. 粗精分离和精度匹配原则 6运动学原理和弹性平均原理 7平均效应原理和误差补偿原理 （弹性平均原理和多次重复测量）图22 图23图24图2567满足强度的设计原则满足强度的设计原

11、则 n1等强度原则 n2力自平衡原则 n3力自加强原则 n4力作用路径最短原则 n5力自保护原则 n摩擦离合器 n超越离合器等强度原则n对于同一个零件而言，各处应力相等，寿命相同等强度原理力自平衡原则n采取相应的措施消除或减轻，机电系统中的无用的力（如离心力、变速惯性力）力自加强原则力作用路径最短原则n减少变形和材料的使用造型与装饰美观宜人n外形应直挺光滑，变化有致，结构配置匀称，大方稳重，色彩新颖和谐，与环境相协调，以利于操作者心情舒畅，减少心理错觉，提高工作效率。价值系数最优原则n根据价值工程原理，产品的价值V常用产品的总功能F与成本C的比值，即V=F/C来表示。 n要提高产品地价值系数，

12、在很大程度上决定于设计。原理性设计n工作原理的设计n齿轮加工方法的范成法和成形法n机器人焊接形式的选择n基准器件的选择n运动方式的选择n定位原理的选择n总体结构形式的选择原理性设计的方法n一个好的功能原理设计应既有创新构思，同时有能满足用户的需求。n例如：剪草机 浮法玻璃生产方式n功能原理设计的任务：n 针对某一确定的功能要求，去寻求一些物理效应并借助某些作用原理来求得一些实现该功能的解法原理来，即构思能够实现功能目标的新的解法原理新的解法原理。（提倡百家争鸣，发散思维）n例如：中央电视台比赛机器人/清扫机器人的真空吸附和滚刷刷洗 原理性设计示意图除草的基本方法：拉割剪黑箱法设计n将系统所要完

13、成的功能，抽象成输入量和输出量，输入、输出量只是涉及到物料流、能量流和信号流。n对于待设计的系统而言，在求解之前，犹如一个看不见内部结构的黑箱。n黑箱法根据系统的某种输入及要求获得的某种输出的功能要求，从中寻找出某种物理效应或原理来实现输入输出之间的转换，得到相应的解决办法。n优点：摆脱了具体的设计对象，而按系统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。黑箱法示意图功能元、功能结构图的概念n功能元：一个系统的总功能可以分解为一些分功能（子系统功能），如果分功能仍然较复杂，则进一步分解到更低层次的分功能，直到分解到最后不能再分解的基本

14、功能单位为止，这个基本功能单位就叫功能元。n机械设计中常用的基本功能元有：物理功能元、数学功能元和逻辑功能元n分功能的组合将形成系统的总功能（功能结构图）n功能元组合的方式有：串联结构、并联结构、循环结构n对于某一个具体的系统来说，其总功能需要分解到什么程度，主要取决于在哪个层次上能找到相应的技术效应和结构来实现其功能要求。而这一步要根据设计者的知识、阅历及所所集的资料等情况来决定。物理功能元数学功能元逻辑功能元功能结构示意图组合功能结构的三种方式功能元的求解n功能元求解的方法：n1）参考有关资料、专刊或产品n2）利用各种创造性方法n3）利用设计目录目录求解法示例（一）目录求解法示例（二）系统

15、产品原理方案的综合n将各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到一个系统的多个原理解。n组合的方法：形态矩阵法功能原理设计的举例（瓶盖整列装置）一：明确设计任务（工厂现场能够提供的电源和气源）二：功能分析三：功能元求解四：功能元求解的组合五：评价于决策功能分解n黑箱分析:总功能分析:功能元求解目录表结构总体设计n结构总体设计是将原理方案设计结构化n结构设计时的若干注意事项：1）任务分配原理 一个载体完成一个任务 一个载体担任多个任务 多个载体完成一个任务2）系统结构的稳定性当出现干扰使系统状态发生改变的同时，会产生一种与干扰作用相反，并使系统恢复稳定的效应。（汽车前轮导向偏置设计）系统结构的

16、稳定性精度分析与计算n精度分析与计算是一项十分重要的工作，往往要通过理论分析计算、实验统计分析相结合的方法完成精度设计，以满足总精度的要求。 n在总体设计阶段，精度分析与计算的核心任务是误差分配和误差综合。 n1）误差分配n2）误差综合误差的分类1）按误差性质分类 系统误差 随机误差（偶然误差）2）按误差之间关系分类 独立误差 相关误差 3）按误差的时间特性分类 静态误差 动态误差4）按误差的表示法分类 绝对误差 相对误差 5）按误差源分类 原理误差 制造误差 使用误差 误差独立作用原理（一）要进行误差综合，必须先进行误差的分析，找出误差源（原始误差），计算机构输出量的部分误差（单个原始误差所

17、引起的那部分总误差），然后再将各个部分误差按一定的合成方法综合成总误差。机械系统的工作方程的普遍形式可表示为：数为产品零部件的有关参为输入量；为输出量；式中iniqqqxsqqqqxfs,1)-2 ( ),(1121由（2-1）可得，机电系统总误差表达式为： )2-2 ( ),(2211nniiqqqqqqqqxxfss输出量总误差输入量总误差零件参数误差误差独立作用原理（二）展开（2-2） )3-2 ( ),2211nniiqqfqqfqqfqqfxxfs部分误差是其原始误差的线性函数，其线性常数是误差传递系数 ，其值与其他误差源无关，不随其他误差源的变化而变化。这就是误差独立作用原理。iq

18、f /误差综合n误差综合是在误差分析基础上进行的，先找出误差源（即原始误差），计算各误差源在组成部分的输出端所引起的误差值，再把它们依相应的误差 综合方法合成总误差n系统误差的合成 已定系统误差 未定系统误差已定系统误差的综合1）各误差源的绝对误差2）已定系统误差的估计值3）总的已定系统误差xa12()/nn 121rrii 未定系统误差的求取 对未定系统误差的合成一般是按照随机变量的概率统计方法处理理论上，未定系统误差值落入a,b时，其估计值式中，f(x)是未定系统误差的概率分布。正态分布：均匀分布：( )baxf x dx 22()21( )2 xf xe 1( ) f xaxbba未定系

19、统误差的合成方法n1）绝对值和法n2）方和根法n方和根法假设各单项误差相互独立或弱相关，适用于各单项误差的概率分布尚未掌握n3)广义方和根法n设有s个未定系统误差e1、e2、es，则总未定系统误差合成为n n n式中t1、t2、ts各单项误差在具体约定概率（如0.9973，0.99，0.90） n 条件下的相应置信系数；nt 在相应约定概率条件下总误差分布的置信系数；n 合成未定系统误差的标准偏差。121|ssiieeeee222212112ssiisieeeeettttttt 2222121ssiieeeee 随机误差的合成n1）总随机误差的标准偏差n2）总随机误差的极限误差n用极限误差来合

20、成总随机误差，要先确定各误差分量的概率分布。在工程实际中，常采用数理统计来检验其分布，或采用多次重复测量，画出误差的相对频率分布直方图，再查表，对比确定属于哪种分布。 iiit 2112njijijjij n 相关系数n相关系数取值在1之间n设有三个随机误差，其极限误差分别为1、2、3，合成总随机误差为n当1、2、3与不相关时，12=13=23=0，则 n 则互不相关时相当于采用方和根法合成。n当线性正相关时， ，则n 相当于采用绝对值和法合成总随机误差的极限误差。 222123121213132323222 222123 222123 123| 相关系数的取得n1）图形法相关系数的取得n2）

21、计算法12211niiinniiii总误差的合成n当系统误差和随机误差进行合成以后，就可以对总误差进行合成了，设总误差为，误差源中共有r个已定系统误差1、2、r；s个未定系统误差，其不确定度为e1、e2、es,置信系数为t1、t2、ts；n个随机误差，其标准偏差为1、2、n；总误差的置信系数为t，则合成总误差为 22111rsnjikijkjett 误差分配的依据n1） 产品的精度指标和总技术条件。 2） 工作原理图、装配图和机、电、光、控制等系统图及关键零部件图，它们提供了各误差源对产品精度的影响程度和互相补偿的可能性。 3）工艺水平n4）经济观点。误差分配的步骤n（1） 将品质精度指标转化

22、为允许总误差。n（2） 在总体设计阶段，主要考虑理论误差和方案误差，在安排总体布局时，应分别考虑机、电、光和控制等系统的原理误差。n（3） 对各项原理误差进行综合，一般不超过允许总误差的1/3（最多1/2），否则应更改方案或进行误差补偿。n（4） 在各子系统草图设计完成后，就进行总精度计算。n（5） 将制定的公差、偏差和技术要求标注到零件图及电路图中，体现到装校工艺、试验检定大纲和使用说明书条文中去。n（6） 编写技术设计说明书，将精度计算定稿。误差分配贯穿于设计、加工、装校和调试整个过程，需不断进行精度计算，甚至模型试验。误差分配原则n1）等作用分配原则n分配的各环节系统误差为n分配的各环节

23、随机误差为 22111rsnjikijkjett pipismn不等作用分配原则1212raaarCPPP21(1,2,()bipism nbjjPimnP1 (1,2, )aiisrajjPirP 12()12()ppp m nbbb m nCPPP设各系统误差分量的权为Pa1、Pa2、Par，各随机误差分量的权分别为Pb1、Pb2、Pb(m+m)，则误差分配方法（1）分别给出机、电、光和控制系统的总精度指标，再在相应的系统中进行系统误差和随机误差的分配。（2）或者将总误差一开始就分为系统误差和随机误差两类，其中将系统误差控制在总误差的1/3，即 然后按照误差分配原则（等作用和不等作用原则）

24、去计算各环节的系统误差和随机误差。1233机械传动精度分析与计算机械传动精度分析与计算 n影响传动精度的因素 1)零件的制造误差、 2)安装误差、 3)相关机构的误差 4)传动过程中因受力变形、受热变形 举例说明示例说明（一）11221121212rrrri 设齿轮1的总角度误差为 1，在传动过程中该误差传递给齿轮2，使其产生角度误差2。 由于齿轮3与齿轮2同轴，假设不考虑II轴扭转变形，则齿轮1的误差 使齿轮3产生的角度误差为 11321213ii 示例说明（二）证明传动链中任意传动件k的角度误差所此起的该传动链末端件n的误差传递规律为 式中 传动件中的误差所引起的末端件n的角度误差和线值误

25、差； 传动件k本身的角度误差； 传动件k到末端件n的传动比； 末端件n中与加工（测量）精度有关的半径。 knknnknnnknirlri1/nkknknilr合成误差示例说明（三） 1.减速传动（1）由于ikn 均大于1，所以各传动件在误差传递过程中会缩小；因i1n = i12 i13 i(n-1)n ，所以传动链中越远离输出轴的传动件，其误差传递缩小程度越大。换言之，末级齿轮角度误差对总误差影响最大，越靠近输出轴，越应严格控制。（2）在总传动比i1n 和各传动件误差k一定时，合理地确定各级传动比将有助于提高传动精度。若使 ，即各级传动比先小后大，可使合成的总误差减小，所以在减速传动链中，应集中在后几级实现降速。（3）如果总传动比一定，适当减少传动级数，使误差作用环节减少，则总误差便会大为减小。2升速传动（1）由于ikn 均小于1，所以误差传递过程是放大关系，首级齿轮误差影响最大，越远离输出轴，越应严格控制。（2）如果总传动比和各传动件角度误差一定时，确定各级