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1、第二章 机电一体化系统总体设计,机电一体化系统设计,主要内容,2.3 设计过程示例,2.3 设计过程示例,a. 市场调研,消费者的潜在需要,2. 用户对现有产品的反映,3. 产品市场寿命周期产生的阶段要求,4. 竞争对手的技术挑战,5. 技术发展的推动,6. 社会的需要,AP1000的主环路系统由核反应压力容器，蒸汽发生器、稳压器和各种管道组成。 蒸汽发生器水室封头是蒸汽发生器的关键部件，是蒸汽发生器与核反应压力容器等其他部件的接口。,实例：蒸汽发生器水室封头,蒸汽发生器水室封头采用整体锻造结构， 其毛坯重量约200吨，成品重量43.5吨，直径4.3米。 加工重型零件最困难的是处理不同工序间工
2、件的移动和再定位。,使用传统的定位装置，工序如图所示：,蒸汽发生器水室封头工件和夹具总质量为几十吨甚至上百吨，使用天车和简陋的传统装夹定位装置，工件变位和定位非常困难，精度很难保证。在精加工阶段必须配备高档重载自动变位机。,焊接用自动变位器主要用于产品的堆焊，目前在工厂中使用的绝大多数都是焊接用变位器。焊接变位器结构简单、体积庞大、对精度和定位刚度的要求较低。目前国内基本可以生产各种吨位和尺寸的焊接用自动变位器。,159 t座式焊接变位机 唐山开元装备公司,80 t双立柱升降式焊接变位机 无锡阳通机械设备有限公司,焊接用变位器,HB-60t型焊接变位机 成都焊研威达自动焊接设备有限公司,P-N
3、5 250t座式焊接变位机 德国诺威尔重型机器制造有限公司,加氢反应器的两自由度变位机 法国Framatome公司,两自由度变位机 意大利Innse-Berardi公司,b.概念设计,1）创新性,2）工艺可实现性,3）多样性,4）层次性,5）避免不良结构性,6）反复迭代性,概念设计,概念设计：通过构思确定设计任务和用简图形式表达的设计问题的一个求解轮廓。 如功能方案的空间结构关系，大致的成本、重量、尺寸以及可行性等设想。,实例1：变位机翻转机构的优化创新设计,c. 编制设计任务书,1）产品名称 2）产品用途 3）主要技术规格 4）技术性能指标 5）其它,变位机主要技术参数 工作台有效直径：50
4、00mm。（安装夹钳后直径达6米） 夹持工件最大直径：4500mm。 工作台承载能力：50吨。 工件加工时的最大切削力3500 Kg。 工作平台翻转角度范围：070。 工作台水平时最大高度：3000mm左右。 机床工作时主轴的最大高度：3500mm。,实例：核岛蒸汽发生器水室封头用高档重载自动变位机,d. 功能原理方案设计,根据设计任务书提出的参数和要求，提出实现这些要求的技术方案原理性的构思,并未涉及到具体结构尺寸的设计计算。,总体设计的核心关键部分，具有战略性和方向性的意义。 对总体功能进行抽象和分解。 充分体现创造力的环节。,1、设计任务抽象 为什么要抽象？ 突出基本的、必要的要求，摈弃
5、偶然情况和枝节问题，便于抓住设计问题核心。 避免构思方案前形成的条条框框，放开视野，寻求更为理想的设计方案。 紧抓设计中的主要矛盾，把思维注意力集中到关键问题上来，最终可以准确确定产品的总功能。,2、求总功能黑箱法,黑箱法（Block Box）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,物质流、能量流、信息流 物质流是系统的工作对象和载体。
6、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。 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。,实例：用黑箱法进行露天矿开采挖掘机的方案设计,实例：用黑箱法进行点钞机的方案设计,3、功能分解,功能,必要功能,非必要功能,基本功能,附加功能,基本功能：必须保证的功能，在设计中不能改变。 附加功能：可随技术条件的或结构形式的改变而取舍或改变。 非必要的功能：设计者主观加上去的，可有可无。,实例：用功能树法对露天矿开采挖掘机总功能的功能分解,总功能,分功能1,功能元1,功能元n,分功能n,功能元1
7、,功能元n,总功能 （挖煤、运煤）,驱动功能,能量转换,能量传递与分配,执行功能,铲 入,提 升,回 转,铲斗,推压,行走功能,（整台机器的移动）,控制功能,启动、停止（制动）,其 他,仪表显示,辅助功能,支承和联接,照 明,变 速,实例：用功能树法对点钞机总功能的功能分解,4、功能元组合形态学矩阵法,组合方案数=33 2 3 1 4 4 3 4=10368 若方案为：（A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1） 履带式正铲机械挖掘机 若方案为：（A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+I2） 轮胎式正铲液压挖掘机,建立评价目标树 各目标评分 一般用5分制，以05分表示。对
8、应中间值可用直线插入法求得。 各目标的加权评分相加,e、方案设计评估与优化评分法,例：已知A、B、C三种电池的主要性能。用评分 法评价决策出较好的电池。,拟定选择标准 使用+、-对每个方案逐项进行评价,e、方案设计评估与优化选择表法,e、方案设计评估与优化选择表法,实例： 瓶盖整列装置设计,瓶盖整列装置的功能要求,总功能：瓶盖整列，其黑箱模型如下图所示。,总功能分解：总共能与分功能之间的结构系统如下：,目标 标记,实例1：水室封头用重载自动变位机主翻转机构的方案设计,图1.1 球面并联机构 图1.2 改进型球面并联机构,曲柄滑杆机构方案,以翻转角度工作空间和驱动力性能为指标，以变位机高度尺寸、
9、机床主轴最大加工高度为约束条件，考虑各种实际工况，设计出冗余同步驱动2-RPRR并联翻转变位机构。,G1：滑块的重力 G2：引导螺丝的重力 GK：各运动部件的重力,曲柄摇块机构方案,液压缸驱动曲柄摇块机构方案,液压缸驱动曲柄摇块机构方案,滑动丝杠驱动曲柄摇块机构方案,滑动丝杠驱动曲柄摇块机构方案,变位器虚拟样机的动力学仿真,变位机的Adams模型,丝杠柔性体切削仿真,丝杠柔性体切削仿真瞬时丝杠应力分布图,翻转70度时最大工作载荷下翻转架应变分布图,变位器在现场使用情景,实例2：卫星翻转机构方案设计,航天器运输包装箱是卫星运输至发射场使用的必备工装，也是运输过程中保证卫星的力学环境、温湿度环境、
10、气压等卫星运输要求的载体。受运输方式和尺寸的限制，大部分航天器不能垂直运输，只能水平停放在包装箱内进行运输。航天产品包装运输自动翻转支撑系统是航天器由垂直状态转变为水平运输状态的装备。 卫星翻转是其进出包装箱的必要工序，翻转过程一般使用吊钩配合翻转，对操作人员技能及厂房吊高、吊钩状态都有较高的要求。迫切需要一种卫星自动翻转机构，使得卫星能够实现自动翻转，这样整个过程将不受厂房条件及操作人员技能等客观条件限制。,翻转机使用工况,图2.1 航天产品包装运输自动翻转支撑系统,初 始竖直 位 置,旋转90位置,最终水平位置,翻转机主要技术要求 承载要求：承载6t，自重小于3t。 翻转要求：在090之间
11、能连续倾倒，随意可停，具备自锁功能，06/min速度分三级可调，翻转精度0.05，转动灵活、平稳，不能出现抖动和摆动现象。 在卫星垂直、水平以及翻转停放状态下，适配器法兰面的最大变形量小于0.1mm，在倾倒90后，轴线的变形应小于2。 具备足够的强度，以保证卫星在各项工作中安全可靠。 卫星运输过程中，结构不得出现失稳现象。 翻转机构采用消隙设计，防止由于翻转机构结构间隙引起的晃动。 根据力学分析结果，保证翻转系统外形尺寸和重量最小化。,转台,底座,传动系统,适配器,回转支承,结构组成,弹性柱销联轴器,蜗杆减速机,偏心盘,驱动小齿轮,回转支承,行星减速器,随动小齿轮,伺服电机,传动系统介绍,小齿
12、轮,锁紧螺母,内齿圈,回转支承外圈,随动小齿轮,回转支承布置方式,翻转机的Adams模型,翻转机的Adams分析过程,旋转90时上平台总变形,旋转90时上平台应力,旋转90时下平台总变形,旋转90时下平台应力,旋转90时隔振底板总变形,旋转90时隔振底板应力,功能原理设计任务1,设计地面反恐防爆机器人的机械系统。 要求地面反恐防爆机器人能排除销毁爆炸物、侦察、抢救人质、与恐怖分子对抗等。,功能原理设计任务2,汽车举升机原理方案设计,要求： 1. 按照功能原理设计的程序逐步进行（二选一进行设计） 2. 作业提交截至日期：下周二,!,功能原理设计作业,应用功能论设计方法对上述产品进行原理方案设计。,
