2.1、机电结构设计方法

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1、机电控制基础与实践,（需求分析，方案选型，详细设计） 王田苗 丑武胜 北京航空航天大学 机器人研究所,一、机电一体化系统设计思想,目的： 综合运用机械技术和微电子技术各自的持长，设计最佳的机电一体化系统。 三种方法： 1、机电互补法 2、结合(融合)法 3、组合法,一、机电一体化系统设计思想,1、机电互补法 即机械功能电子化，利用电子部件取代机械功能部件，简化机械结构，提高系统的性能和质量，以弥补机械不足。 如微型计算机来取代机械式变速机构、凸轮机构、离合器等机构，代替插销板、拨码盘、步进开关等；变频器取代机床主轴变速箱。,一、机电一体化系统设计思想,2、结合(融合)法 将各组成要素有机结合为

2、一体构成专用或通用的功能部件，其要素之间机电参数匹配充分。 如激光打印机的主扫描机构激光扫描镜，其扫描镜转轴就是电机的转子轴。这是执行元件与执行机构结合的一例。 随着大规模集成电路和精密机械技术的发展，完全能够设计出执行元件、执行机构、检测传感器、控制与机体等要素有机地融为一体的机电一体化新产品。,一、机电一体化系统设计思想,3、组合法 将结合法制成的功能部件、功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统，故称组合法。 优点：缩短研制周期、节约工装设备费用，且有利于生产管理、使用和维修。 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等组成机电一体化的功能部件，可用

3、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，从而组合成结构和用途不同的工业机器人。,二 机电一体化系统的设计类型,设计类型分三种： (1)开发性设计 (2)适应性设计 (3)变异性设计,二.机电一体化系统的设计类型,(1)开发性设计 是一个从无到有的创造过程，没有任何参照产品，根据功能和性能要求，按照机电一体化设计原理，设计出满足要求的产品。 如最初的录像机、摄像机、电视机的设计就属于开发性设计。,二 机电一体化系统的设计类型,(2)适应性设计 是在原有产品总的方案原理基本保持不变的情况下，对产品进行局部更改。如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

4、进行局部适应性设计，以使产品的性能和质量提高。 例如：普通机床的数控化改造；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；电子式缝纫机使用电子控制等。,二 机电一体化系统的设计类型,(3)变异性设计（变参数） 是在设计方案和功能结构不变的情况下，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换而重新设计传动系统和结构尺寸的设计，就属于变异性设计。,三 机电一体化系统的设计准则,设计准则： 在保证产品的功能、性能和使用寿命的前提下，尽量降低成本。 即不要盲目追求“高、精、尖”，而是充分分析用户需求，以最新的技术手段、最简单的结构、最低的消耗

5、，提供最满意的产品。,四、机电一体化系统 总体设计内容,总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。 总体设计主要内容有： 系统原理方案的构思 结构方案设计 总体布局与环境设计 主要参数及技术指标的确定 总体方案的评价与决策,五、机电一体化系统工程路线,机械设计方法,模块化设计 可靠性设计 动态设计 优化设计 计算机辅助设计,机械设计方法,1)模块设计 模块设计采用有限种类的基本组件块作为模块，它们可以满足使用最广、产量较多的所谓基型产品设计的要求，再按模块化原理和相似原理进行变形设计，以适应不同用户的特殊要求。模块设计的产品具有通用性与适用性并存的特征，特别适合敏捷制造的要求

6、。 2)可靠性设计 是一种在产品设计之初就考虑其工作可靠性的设计方法。根据可靠性原理，机械部分的可靠性取决于产品的固有品质，它是在设计和研制阶段所形成的，一旦在设计研制阶段留下了没有注意到的缺陷，则在产品制造出来以后发现问题再去解决就要付出相当大的代价，甚至无法解决。可靠性设计可以有效的避免上述情况发生，因此是一种提倡采用的现代设计方法。,3)动态设计法 建立在控制论基础之上的设计方法，目的在于确定任意输入与干扰信号对系统输出功能的影响。因此在设计中，要进行设计对象在高速度、高精度条件下的动载和弹性动力学方面的精确计算，还要考虑振动与噪声对产品动特性的影响。对线性系统可以采用传递函数与状态方程

7、分析法，在输入某些典型信号的情况下，对其输出信号进行定性定量的分析，从而获得系统、部件等满足稳定性、准确性和快速性要求的各种参数。 4)优化设计法 对于一个指定的总体设计方案(通过将其转换为目标函数)进行优化设计，从客观存在的所有满足使用条件要求的具体设计方案组中挑选出一组最优设计方案。例如确定某产品的执行机构采用四连杆方式，则优化设计就可以根据所追求的设计目标(如尺寸最小、重量最轻等)求出一组最佳设计方案。,机械设计方法,5)计算机辅助设计法 它是在人的参与下，利用计算机系统对设计对象进行最佳设计的一种方法。采用CAD可以快速地进行资料检索、参数计算、确定结构和自动绘图等大量工作，并能对设计

8、方案进行实时修改，从而可以大大减轻人的设计工作量，甚至可以完成人力所不及的工作。CAD 提高了产品的质量，缩短了产品的设计周期，有利于产品的市场竞争力。一个完备的CAD 系统是可以概括几乎全部的现代设计方法的。因此，CAD 将受到机械设计行业极大的重视。,机械设计方法,机械传动装置的特性,机械传动装置的良好特性主要表现在： 转动惯量小 摩擦小 阻尼合理 刚度大 传动系统固有频率高 间隙小 只有这样才能满足传动系统中传动精度高、响应速度快、稳定性能好的基本要求。,常用机械传动装置,机电一体化系统中常用的机械传动装置： 齿 轮 传 动 滚珠丝杠螺母副 谐波齿轮减速器 同 步 齿 形 带,典型机电一

9、体化机械系统,X-Y数控工作台 并联机床（虚轴机床Virtual Axis Machine Tool） 机械手,X-Y数控工作台,串联机构: 电机-(减速齿轮)-丝杠螺母-工作台,X-Y数控工作台,并联机床（虚轴机床Virtual Axis Machine Tool）,1994年，Giddings & Lewis 公司在美国芝加哥IMTS94机床博览会上推出的VARIAX并联机床，称为21世纪的机床。,并联机床（虚轴机床Virtual Axis Machine Tool）,机 械 手,机械设计工具(CAD 与虚拟样机),虚拟样机技术 (),虚拟样机技术是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发

10、展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程（CAE）技术。 虚拟样机技术是一种基于智能设计技术、并行工程、仿真工程及网络技术的先进制造技术,它以计算机仿真和建模技术为支持,利用虚拟产品模型,在产品实际加工之前对产品的性能、行为、功能和产品的可制造性进行预测,从而对设计方案进行评估和优化,以达到产品生产的最优目标。 工程师在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的实物样机试验。,虚拟样机技术 (),运用虚拟样机技术，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统级性能，获得最

11、优化和创新的设计产品。 根据国际权威人士对机械工程领域产品性能试验和研究开发手段的统计和预测，传统的机械系统实物实验研究方法，将在很大程度上会被迅速发展起来的计算机数字化仿真技术取代。,国外软件,AutoCAD Unigraphics (UG) SolidWorks Pro/Engineer I-DEAS ADAMS,国内软件,CAXA电子图板和CAXA-ME制造工程师 高华CAD：北京高华计算机公司开发 金银花系统：广州红地技术有限公司开发 开目CAD ：华中理工大学开发,一、需求分析（目的，功能，指标，成本，时间） 二、方案选型（总体，电机，传感，控制） 三、详细设计（分解，结构，计算，仿

12、真，分析，装配）,主要内容,一、需求分析 （目的，功能，指标，成本，时间）,需求分析,1、主要目的 可用于自动控制和机电一体化等专业的机器人课程教学。 2、主要功能 该二自由度机器人采用直流伺服电机， 通过谐波齿轮减速器 直接驱动两个关节 在水平面内进行运动。,需求分析,3、主要性能指标,需求分析,4、成本分析 机械本体加工成本 电机及传感器成本、控制系统成本 人员与时间成本 预计2万 5、计划安排 有限目标，关键难点，时间进度 负责人 分工 详细的进度安排,二、方案选型 （总体，电机，传感，控制）,方案选型,1、总体结构 机电一体化的互补设计原则，机械结构和功能大大简化 其组成结构包括：动力

13、源、传动机构、导向支撑机构、机架几部分。 机械系统的组成还有作为控制功能的飞轮、凸轮、棘轮机构、槽轮机构等机构。（一个运动）,方案选型,机械结构 机电一体化机械系统的组成： 动力源 传动机构 导向支撑机构 机架几部分。（多个运动）,方案选型,2、电机选型与计算 丝杠传动电机功率的估算 同步齿型带传动的电机估算,方案选型（电机选型与计算）,丝杠传动电机功率的估算,方案选型（电机选型与计算）,同步齿型带传动的电机估算,方案选型（电机选型与计算） ）,对于电机的选择，在计算完电机的功率后，还要考虑电机的惯量匹配问题。 在电机的惯量同负载的惯量一致时，电机的控制性能最好。,方案选型,3、传感器选型 选

14、用光电脉冲发生器 作为电机的位置和速度测量传感器。,方案选型（传感器选型）,传感器的选用原则及注意事项 根据使用要求，在众多传感器中选择适合自己所需要的 主要性能参数：测量范围、精度、分辨力、灵敏度等 在确保其主要性能指标的情况下，适当放宽对次要性能指标的要求 切忌盲目追求各种特性参数均高指标，以形成较高的性能价格比,方案选型（传感器选型）,可采取信号处理某些技术措施来改善传感器的性能 平均技术 差动技术 稳定性处理 屏蔽和隔离 用户在使用前、使用过程中或搁置一段时间后再使用时，必须对其性能能数进行复测或作必要的调整与修正，以保证其测量精度，这个复测过程就是“校准” 注意不同系列产品的应用环境

15、、使用条件和维护要求。环境变化（如温度、振动、噪声等）将改变传感器的某些特性（如灵敏度、线性度等指标），且能造成与被测参数无关的输出，如零点漂移,方案选型,4、控制系统选型（集中，分层，分布，网络） 采用PLC直接组成控制系统 基于DSP的PMAC控制卡，作为底层实时控制设备，上层控制系统采用PC 基于CAN总线的分布式伺服驱动控制，结构紧凑、扩展方便 在以太网的支持下，实现网络连接、多机联网，完成协调控制作业。,三、详细设计 （分解，结构，计算，仿真，分析，装配）,详细设计 1、机械运动的分解和设计,根据系统的完成动作，要将系统的运动分解成可执行的单一运动或它们的组合。也就是说，系统的机械运

16、动都可以用几个简单的运动来进行组合。 机电产品的主要功能中,可以发现有一些功能是模拟人的动作.这些动作包括抓拿按敲旋等,而这些动作都可以用伸缩旋转摆动这几个运动来组合. 直线运动 旋转运动 摆动,详细设计 1、机械运动的分解和设计,系统的运动分解方案不是唯一的，运动的次序同整体结构布局有关，也影响到整个系统的方案。 对于同一种运动有不同的机构来实现，各个机构的效果有时不一样。,详细设计 2、机械总体结构设计,要根据系统的功能、选型、成本，进行结构设计。 需要考虑几个方面： 1）工艺性 2）成本（捆钞机） 3）外型设计（教学机器人）,详细设计 2、机械总体结构设计,从传递运动的角度看机械结构（要看动力源） 运动形式： 对于不同的动力源采取不同的机构。 旋转运动改变成直线运动（丝杠，直角坐标里常见） 直线运动改变成旋转运动或摆动，（齿轮齿条气动或电磁铁） 旋转变摆动（连杆机构、凸轮机构）,详细设计 2、机械总体结构设计,在机构里，是否要改变运动速度，改变运动速度的机构，采用减速器。 减速器 （谐波减速器，齿轮减速，丝杠减速，同步带减速，刺轮减速）,