机电一体化第二章机电一体化系统总体设计技术

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1、第二章 机电一体化系统总体 设计技术,第一节 机电一体化系统总体设计概述 第二节 机电系统设计技术参数与技术指标制定方法 第三节 机电一体化系统原理方案设计 第四节 机电一体化系统结构方案设计,下一页,第五节 机电一体化系统总体布局与应用设计 第六节 机电一体化系统总体设计 习题与思考题,上一页,下一页,第一节 机电一体化系统总体设计概述,机电一体化系统设计的第一环节是总体设计，在具体设计之前，对所要设计的机电一体化系统的各方面，根据简单、实用、经济、安全、美观等基本原则，进行综合性设计。其主要设计内容有：主要技术参数及技术指标的制定，机电系统原理方案设计，结构方案设计，总体布局与环境设计，总

2、体方案的评价与决策，可靠性设计，安全性设计等。 在总体设计过程中，应完成以下技术文件与图纸设计资料。 (1) 机电系统组成的结构方块图，工作原理流程图； (2) 机电系统组成单元工作原理图； (3) 机电系统单元装配图，电路单元布线图； (4) 机电系统总装配图； (5) 总体设计技术报告； (6) 总体设计方案论证报告； (7) 总体设计资料汇编； (8) 总体设计评审报告。,上一页,返回,第二节 机电系统设计技术参数与技术指标制定方法,一、 机电系统技术参数与技术指标设计分析 机电一体化系统的主要技术参数是能够基本表征该系统的概貌与特征的。由于机电一体化系统所代表的设备与产品广泛分布在各个

3、领域，所以不同的系统功能的主要技术参数或技术指标的内容有很大不同。二、 机电系统参数和技术指标制定方法 1 根据设备或产品的用途设计 在设计前进行的市场信息调查中，用户在提出设备或产品的设计要求时，往往只提出使用要求，设计技术人员必须将使用要求转换成设计工作所需要的技术参数和技术指标，这项工作有时很复杂，需要首先进行原理方案设计，进行大量的实验研究，通过实验研究分析整理，再制定机电系统设计技术参数和技术指标。,上一页,下一页,2. 根据机电系统控制量的特性设计 机电系统的控制量是指输入量、输出量所包括是能量流、信息流。这些量本身的性质，特点，尺寸等都可能成为系统技术参数与指标的确定依据。3.

4、根据加工条件对系统精度要求设计 机电一体化系统的主要特点是精度高，可靠性好。为了保证系统的精度，在总体设计时，必须以保证输出量的精度作为主要技术指标为依据。 4. 根据系统应用场合要求设计 在机电一体化系统设计中，对于系统本身的技术参数及性能指标考虑的比较多，对于应用条件考虑的较少，直接影响到系统的应用范围。,上一页,返回,第三节 机电一体化系统原理方案设计,一、 机电一体化系统原理方案设计分析 在机电一体化系统总体设计中，所设计的机电系统技术性能和功能不同、使用要求不同、设计方案不同、所选用的单元部件不同、设计的原理方案更不同，所以，原理方案设计没有确定的格式可采用。二、 机电一体化系统组成

5、功能结构分析 机电一体化系统是由多个功能单元组成的。系统功能就是指输入量与输出量之间的关系，利用功能简图方式表示，有利于设计和分析信号的传输过程。如图2-1。由检测传感器，放大器，控制器部分组成检测控制系统。,上一页,下一页,图2-1 定位检测控制系统,机电一体化系统设计中常用的基本功能单元可分为:物理功能单元、逻辑功能单元、数学功能单元、机械结构功能单元、操作使用单元等组成。1. 物理信号检测单元 可以实现不同形式的能量之间的变换单元，例如：把物理信号利用不同的传感器转换为电信号，把电能转换为机械能等。在设计中根据具体要求，确定物理功能单元。 2. 控制功能单元 根据机电一体化系统工作状态、

6、工作方法、设计的控制系统，按照事先设计的逻辑关系实现，逻辑关系与操作方式、顺序、安全性、可靠性，抗干扰性有关。,上一页,下一页,3. 计算功能单元 计算功能是由程序实现计算微分、积分、滤波、信号分析、信号处理等功能。可根据设计系统要求选用以上计算功能单元。4. 机械结构功能单元 机械结构是根据机电一体化系统（或产品）的功能需求设计的，有组合结构，整体结构，立式结构，框架结构，装置主体等功能单元。 5. 操作使用单元 在设计任何类型的机电一体化系统（或产品）中操作使用单元是十分重要的，是根据产品特点，使用特点，外形美观而设计的操作使用单元。,上一页,下一页,6. 功能单元原理方案的选择 在设计机

7、电一体化系统中，为了选用最佳的功能单元实施原理方案，可以通过以下几种途径，实现正确合理的选择。 (1) 参考有关资料，专利或新产品。 (2) 利用创造性思维方法开阔思路，探讨新颖性设计。 (3) 根据设计要求，详细分析，借助于其他产品设计功能单元原理方案，合理的转化为新原理方案的应用。 7. 功能单元原理方案设计问题 (1) 在设计机电一体化系统（或产品）中，在满足设计要求的条件下，要考虑附加要求 (2) 在设计中所选择的功能单元，应从全局考虑，综合设计，互相补充。采用配套性方法，使原理方案简化。 (3) 对于体现产品特色的，关键性功能单元，应多采用创造性设计方法。 (4) 对于实现功能单元，

8、应多提出几种原理方案，以便总体设计评价择优采用。,上一页,下一页,三、 机电一体化系统功能结构图的设计方法, 在设计机电一体化系统中，根据所设计的系统按照功能分解：机械单元，检测单元，控制单元，信息处理单元，执行单元等，最后组合起来应能满足总功能的要求。 1基本功能结构类型 以功能单元为基础，组合成功能结构的方式有三种基本类型，如图2-2所示，分别为串联结构，并联结构，回路结构。 ,上一页,下一页,图2-2 基本功能结构 (a)窜连结构；(b)并连结构；(c)回路结构,2. 机电系统功能原理结构图的设计 机电系统功能结构图的设计，首先把所设计的系统按系统功能分解，分析单元功能之间的关系，再设计

9、功能结构图。以压力传感器动态校准系统为例，说明功能结构图的设计方法。压力传感器动态校准系统是一个高精度压力传感器动态标定系统，它由发生器主机、压力源调节系统、标定频率控制系统、标定信号测试系统组成。功能结构图设计如下： (1) 正弦压力发生器主机。 正弦压力发生器主机系统由控制盘、功能盘、压力室组成如图2-3所示。,上一页,下一页,图2-3 正弦压力发生器主要功能结构,(2) 标定频率控制系统。标定频率控制系统由计算机、控制板、接口电路、电机驱动器、步进电动机组成，如图2-4所示。,上一页,下一页,图2-4 标定频率控制系统,(3) 压力源调节系统。压力源调节系统由高压气瓶、过滤器、减压阀、高

10、压电磁阀组成。如图2-5所示。,上一页,下一页,图2-5 压力源调节系统,图2-6 标定信号测试系统,(4) 标定信号测试系统。标定信号测试系统由参考传感器、被标传感器、动态电阻应变仪、动态测试分析仪组成。如图2-6所示。,上一页,下一页,(5) 正弦压力标定系统功能结构总图。压力传感器动态标定系统如图2-7所示,按照这种方式，建立系统功能结构图，无论系统多么复杂，功能结构的设计工作都可以有计划、有步骤、有条不紊地进行。系统规模再大、再复杂的系统、均可以按功能单元分解，设计出单元功能结构图，为系统总体设计提供了详细的功能图。,上一页,下一页,图2-7 压力传感器动态标定系统图,上一页,下一页,

11、四、 机电一体化系统原理方案的选择原则 在机电一体化系统设计中，根据设计要求，对系统功能单元及系统原理方案设计，可实现的原理方案是多解的，每种原理方案不同，技术上实现不同，投入的研制费用不同，性能和功能也不同，必须进行详细分析对比选择最佳方案。选择的原则： (1) 新颖性、先进性、使用性。 (2) 技术可实现性。 (3) 经济性、可靠性好。 (4) 结构合理，外观造型好。 (5) 操作简单，使用方便。,上一页,返回,第四节 机电一体化系统结构方案设计,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单元，可分成两大类：一类是机械类单元，例如：机械传动系统、导向系统、主轴组件、机械主机、

12、机箱体等；另一类是电气系统功能单元，例如: 检测传感器、电压放大器、控制电路、控制电机、计算机硬件系统等。电路结构设计工作包括两个方面，即电路原理图设计，电路安装图布局设计。由元器件尺寸确定电路结构尺寸，相互之间的布局合理性设计，安装图设计，安装工艺的设计等。结构方案设计的目的不仅是将原理方案结构化，而且要实现结构的优化与创新设计。所以在结构方案设计时，应遵循普遍使用的原则和原理，同时，还应将现代化的设计理论和设计方法引入到设计中，采用现代化的高新技术设计出最佳的机电系统的结构方案。,上一页,下一页,一、 机电一体化系统结构方案设计程序,结构设计阶段的工作特点与原理方案构思有很大的不同。原理方

13、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设计工作。 1. 初步设计分析 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的能量，信号的转换等。 2. 详细设计分析 第一步是进行副功能单元设计，在明确实现主功能需要那些副功能单元的条件下，实现副功能尽量直接选用现有的结构部件 。 3. 结构方案的完善与评价 这一阶段的任务是在前面阶段工作的基础上，进行设计工作的评价，目的是对单元设计的关键技术问题和薄弱环节进行优化设计，并进行设计分析、经济性分析、可实现性分析、检查预计成本等是否达到预期目标。,上一页,

14、下一页,二、 机电系统结构方案设计的基本原则,机电系统结构方案设计应遵循以下基本设计原则： 1. 明确设计要求 在结构方案设计时，所考虑的各个要求均应体现明确性。 2. 简单性设计 这里的“简单”应广义地理解为、简化、简明、简要、简便、减少等多种含义。 3. 安全可靠性设计 (1) 电路与构件的可靠性。即在规定的外载荷下，规定的时间内，电路与构件不发生过度变形与磨损、器件老化、器件失效、外界影响工作不稳定等。 (2) 功能可靠性。即保证在规定的条件下实现总功能。 (3) 工作安全性。是指对操作人员保证工作安全、身心健康。 (4) 环境适应性。即不得造成超标准的环境污染，并能保证机器适应环境工作

15、条件。,上一页,下一页,4. 运动学设计原则运动学设计原则就是根据物体需要实现的运动方式，工作状态，负载特性，设计选择控制方案，并施加约束条件。按照该原则的设计方法具有以下优点： (1) 每个零件是用最少的接触点来约束的，且接触点的位置不变，这样作用在物体上的力就可以按力学方法预先计算，因此可加以控制，就可避免由于过大的力引起材料变形而影响机构的正常工作性能，并且定位精确可靠。 (2) 工作表面的磨损及尺寸加工精度对约束的影响很小，用大公差也可以达到高精度，所以降低了对加工精度的要求。即使接触面磨损了，稍加调整，就可以补偿磨损造成的位移。 (3) 零件被拆卸后能方便而精确地复位。采用运动学设计

16、原则要求施加点约束，但实际中不存在理想“点”，点接触处的压力很大，使材料发生变形，接触处实际是一块小面积。,上一页,下一页,5. 基面合一原则 在机械结构方案设计时，要尽量满足基面合一原则，即应使定位基面尽量与使用基面和加工基面合为一体，这样可以减小由于基面不一致所带来的加工误差。 6. 最短传动链原则 在机电一体化结构设计时，可以尽量使驱动系统的自动调速范围要宽，且运动形式与执行机构形式一致，这样就可以用最短的传动链，实现执行机构的运动要求。这是机电一体化系统设计与一般机械系统设计的不同之处。 7. 标准化设计原则 所谓的标准化是指产品部件的系列化，产品部件的通用化和标准化。在机电一体化系统设计中，必须采用标准化、系列化和通用化原则进行设计，可以保证零部件的互换性，实现工艺过程典型化，有效地缩短研制周期，降低成本，并为以后的使用维护带来方便。 8.“老化”处理原则 所谓“老化”是指设计的控制系统，电路系统中的元器件进行使用前的“老化”处理，常用的有高温老化处理，长时间连续工作处理等。,