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机电工程CAD第一章概论1.1机电一体化的含义机电一体化是微电子技术向传统机械工业渗透过程中逐渐形成的一个新概念，是机械技术,微电子技术相互融合的产物。是融机械技术，微电子技术，信息技术等多种技术为一体的新兴交叉学科。最早起源于日本（1971年）。机电一体化技术是微电子技术，传感器技术，精密机械技术，自动控制技术以及微型计算机技术不断发展的必然产物，是人们不断追求机械自动化和智能化的必然结果。几种说法：1）渡边茂：机电一体化是机械工程中采用微电子技术的体现。2）小岛利夫：机电一体化是机械学与电子学有机结合而提供的更为优越的一种技术。3）日本机械设计杂志：机电一体化就是利用微电子技术，最大限度地发挥机械能力的一种技术。4）日本机械振兴协会经济研究所：机电一体化乃是机械的主功能，动力功能，信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置和电子装置用相关软件有机结合构成的系统总称。•机电一体化系统首先是一个机械系统，没有运动部件的系统不能称为机电一体化系统，如电饭煲等。•机电一体化系统强调的是机械和电子技术的有机结合，不是拼凑。•机电一体化系统设计应该从系统角度出发，采用现代设计分析方法，如计算机辅助设计（CAD），计算机辅助工程分析（CAE）等。1.2机电一体化系统的构成一，机电一体化系统组成主要由五个子系统组成：1）机械系统（机构）2）电子信息处理系统（计算机）3）动力系统（动力源）4）传感检测系统（传感器）5）执行元件1.1机电一体化系统构成1.3机电一体化系统功能构成机电一体化系统(或产品)是由若干具有特定功能的机械与微电子要素组成的有机整体，具有满足人们使用要求的功能(目的功能)。根据不同的使用目的，要求系统能对输入的物质、能量和信息(即工业三大要素)进行某种处理，输出所需要的物质、能量和信息。1.2系统功能构成•机电一体化系统要素与人体构成要素的关系机电一体化系统要素功能人体要素控制器控制（信息处理，传送）头脑检测传感器检测（收集信息与变换）感官执行元件驱动（操作）肌肉动力源提供动力（能量）内脏机构构造骨骼1.4机电一体化系统的评价标准机电一体化系统的一大特点是：由于机电一体化系统的微电子装置取代了人对机械的绝大部分的控制功能，并加以延伸和扩大，克服了人体能力的不足和弱点。另一大特点是：节省能源和材料消耗。这也是评价机电一体化系统设计好坏的标准。1.4机电一体化系统的评价内容注：要从系统设计方法出发，采用先进的技术和设计手段（CAD,仿真，优化）来保证。1.5机电一体化系统的主要特征1）功能增强，柔性提高。可以一机多用，可以根据环境需要做适当调整。2）结构简化，改善性能。通过有效控制可以大大简化机械结构，如减少齿轮及凸轮传动等等3）效率提高，成本降低。1.6机电一体化系统的关键技术1，应用力学：应用力学是机械技术的主要理论基础，如材料力学，断裂力学，损伤力学，结构力学，结构动力学，振动力学，流体力学（包括空气动力学），海洋工程力学等等。2，机械设计学：机械设计学是一门学科，也是一门艺术，出现了计算机辅助设计（CAD），计算机辅助工程分析(CAE），计算机仿真虚拟现实技术，系统工程等等。1.6机电一体化系统的关键技术3，制造工艺：精密加工技术，精密切削技术，模具成型技术，超精密加工技术，微细加工技术，纳米技术，微机械技术（形状记忆合金，压电陶瓷为动力微机械）等等。4，检测传感器技术：主要是各种微特智能传感器技术。5，自动控制及伺服系统技术：经典线性控制技术，以多变量，非线性，时变系统为特点的现代控制技术（神经网络控制，模糊控制等等）。1.7机电一体化所需的基础知识为了更好的进行机电一体化系统设计，有必要对所学过的知识进行一下回顾和总结。首先看一下机电一体化系统结构（如图1.5所示)1.5机电一体化系统结构框图1，动力驱动系统：电力驱动，液压驱动，气动驱动。1）电力驱动：直流电机，交流电机，步进电机，电工学知识。2）液压驱动：液压泵，液压马达，液压缸，伺服阀，伺服马达等，用到液压原理，流体力学方面的知识。2，传动系统：机械传动机构，减速器。1）机械传动机构：齿轮传动，连杆传动，丝杠传动，凸轮传动，皮带传动，液压传动，气动传动等等2）减速器：渐开线圆柱齿轮，蜗轮蜗杆，行星齿轮，谐波减速器，无级变速器等等。用到机械原理，机械设计，运动学，动力学等方面的知识。3，执行机构：1）按用途分：微动机构，夹持机构，搬运机构，分度与转位机构，施力机构等等2）按形式分：平面连杆机构，凸轮机构，齿轮机构，螺旋机构，棘轮机构，组合机构等等。主要用到机械原理，运动学，机械设计等方面的知识。4，控制系统：开关量继电器控制，开关量PLC控制，模拟量控制技术，数控技术，接口电路(A/D,D/A,滤波，放大）等等。主要用到计算机控制，电工电子学，PLC控制，控制理论，优化理论，计算机编程语言（如C语言），模糊控制和神经网络控制理论等等。5，检测传感器：温度传感器，湿度触感器，力传感器，压力触感器，力矩传感器，位移传感器，速度传感器，加速度传感器，触觉传感器，气体传感器，图象色彩传感器等。1）温度传感器：热电阻式，半导体热敏电阻式，热电偶式，晶体管PN节式温度传感器等等。2）位移传感器：光栅尺，光电码盘，旋转变压器,感应同步器，光纤位移传感器，电涡流位移传感器等等。3）速度传感器：测速发电机（交流，直流），霍尔速度传感器，磁电式速度传感器等等。4）加速度传感器：压电式，压阻式，金属挠性，石英挠性，光纤加速度传感器等等。5）力传感器：应变式，膜片式，电感式，压电式，压阻式，霍尔压力传感器。6）图象色彩传感器：电荷耦合器件（CCD），电荷注入器件（CID），光纤图象传感器，半导体色彩传感器等等。用到物理学，光学，电磁学，材料学等诸多方面的知识。1.6传感器系统构成第二章设计理论和方法2.1机电一体化产品的设计程序机电一体化系统的设计不但要求其满足功能要求，而且要考虑人性化设计理念（包括审美，舒适，环保等）。•从工作心理学的角度看：设计是一种创造性的智力活动。•从方法学的角度看：设计是按给定的目标和在部分地相互矛盾的条件下的求优过程。•从组织学的角度看：设计是创造价值过程中的主要部分，是对毛坯进行精制的过程和对产品品质精心提高的过程。这样的工作只有在和从事其它活动的人们的合作中才可以实现。机电一体化系统（产品）设计步骤设计目标（需求）系统分解系统综合系统分析（CAE）系统优化可靠性分析2.2机电一体化产品的设计类型1）开发性设计：是一种从无到有的全新设计，既没有参考样机，又没有具体设计方案参照的情况下，根据抽象的设计原理，按拟设计的系统的功能要求而进行的创造性工作。2）适应性设计：是指在总的方案原理基本不变的情况下，对原有系统进行局部变动和改进，以适应增强功能，提高性能或降低成本，延长寿命的目的。3）变参数设计：是指在设计方案和功能结构不变的情况下，通过改变规格尺寸，速度，力或功率等参数，以满足市场对产品系列化要求而进行的设计。机电一体化产品设计实例（飞船对接模拟仿真系统）有限元结构变形计算有限元结构变形计算有限元结构变形计算结构模态分析计算控制系统仿真分析系统幅频特性2.3机电一体化产品设计的相关因素任何产品都有其特定的功能和一定的外部形状，产品设计涉及到功能，技术和审美三个方面的内容，三者互相依存，互相制约，互相渗透，组成一个矛盾的统一体。1，功能因素1）技术性能：指产品本身有关的技术参数，如产品的应用范围，工作效率，加工精度，可靠性，使用寿命等等。产品的技术性能是反映产品内在质量的主要技术指标，是体现功能的主要方面。设计师必须运用可能的工艺和艺术手段，使产品的内在性能和外部造型得到相互协调。2.3机电一体化产品设计的相关因素2）使用功能：包括三方面：产品本身应具备的功能；产品与使用者配合的功能；产品与环境相适应的功能。2，技术，经济因素1）技术与设计：材料，结构，工艺是产品设计的物质基础，一方面技术制约着设计，另一方面技术也推动着设计。2）设计与经济性：产品设计必须注重成本，应做到以最小的财力，物力，人力，时间来达到最佳的经济效果（质量，功能和成本是相互矛盾的）。2.3机电一体化产品设计的相关因素3，审美因素1）时代性与创新：时代性和创新是产品设计的重要特征，他关系到产品造型的成败与生命力，是审美因素中最灵活，最重要的因素审美观点是随时代的发展不断变化的，设计师应该具有创新意识，使产品设计更加符合审美要求，以便提高产品的价值。2）审美法则：A：统一与变化：一个产品是由若干零件组成的，各部件的形状，功能，材料，色彩各不相同，设计师应根据“统一与变化”美学准则，使产品设计外形具有多样变化，又整体协调统一。2.3机电一体化产品设计的相关因素B：均衡与稳定：艺术造型中的均衡是指对象的体量在人们的视觉感受上符合力学原理，保持平衡安定，从而取得外观庄严，稳定，安详的艺术效果。造型中的稳定问题是解决造型物的上下或大小所呈现的轻重感关系，在视觉要给人以安全感。C：比例与尺寸：比例是指造型对象各部分之间，各部分与整体之间的大小关系。尺寸则是造型对象的整体与人的生理或人所习见的某种特定标准之间的关系。2.3机电一体化产品设计的相关因素4，设计师的素质和能力1）基本能力：接受与综合新思维能力；自我提高与探索能力；设计管理与相互合作能力；发现问题，分析问题和解决问题的能力。2）行为能力：基本能力是解决观念问题的基础，行为能力是实现观念，完成设计过程的操作表现。包括：设计表现能力；实现制作的动手能力；造型设计能力以及设计材料，结构，工艺的应用能力等等。设计师应除了具有丰富的知识以外，还要注重综合素质的提高。2.4机电一体化产品设计的构思方法1，自由构想法：是充分调动设计师的潜在想象力，让其无拘无束，自由发挥，提出设计构想。包括智力激励法和希望点列举法。1）智力激励法：又称头脑风暴法，是美BBDD广告公司的副总经理奥斯本提出的一种创造技法。通常以会议形式实施，5－10人组成，主持人以启发诱导方式主持会议，让与会者自由构想。发言的原则：A：禁止批判；B：自由奔放；C：踊跃发言；D：借题发挥，在他人想法基础上提出更为新奇的想法。2）希望点列举法：不仅仅围绕现有产品进行设想，而且是设计者从用户意愿出发的主动创新方法，即主动去满足用户希望。2.4机电一体化产品设计的构思方法2，系统构想法：包括奥斯本提问法，属性列举法。1）奥斯本提问法：关键环节是发散思维，为了扩展思路，建议从不同角度发问，把这些角度归为几个方面，针对研制的产品逐一检查，讨论得出有价值的结论。2）属性列举法：也称特性列举法(美国大学教授罗福德提出的）。其做法是：先将所研究的对象分解成细小的组成部分，然后将个部分具有的功能，特性，属性以及与整体的关系尽量列举出来，并做详细记录。经过详细分析后，提出问题，改善其结构，功能，材料等，确定方案以满足人们的需要。2.4机电一体化产品设计的构思方法3，5W2H方法：是美国陆军首创的提问方法。主要步骤:A:why-为什么要设计此产品；B：what－这种产品是做什么的，有何功能；C：WHO－为谁设计（使用对象）D：WHEN－产品的使用时间，设计时间；E：Where－产品的使用环境；F：Howtodo？－怎样设计，结构如何，材料，颜色，形状如何？G：HowMuch？－大批量还是小批量。2.4机电一体化产品设计的构思方法4，类比构想法：1）拟人类比：问题人格化，拟人化。2）象征类比：以事物的形象或象征性的符号来比喻问题，尽可能使设计问题的关键简化，摆脱某种模式的框框，从而启发创造性设想的产生。4）仿生学方法：以生物系统为原型，具有生物系统的特点或与生物系统相类似。一般过程：寻找原型，分析原型，模拟试验，创造发明。还有直接类比，幻想类比方法等等。2.5设计的表现方法一，设计表现的意义1.设计的手段——在产品设计过程中，设计师借助形象的表现方法，绘出逼真的效果图，制作出精确的实体模型，比用文字或语言来阐述设计方案更加明了、直观；应用设计表现，我们能够快速地将头脑中模糊不清的构想落实在图