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返回第六章机电一体化系统设计主讲教师：孙卫青Wqsun@bjtu.edu.cn返回第六章机电一体化系统设计2学习目标掌握机电一体化系统的设计流程、设计类型和设计思想。理解概念设计的内涵和过程，理解功能—原理—结构设计思想。了解接口设计的基本方法。重点：机电一体化系统的设计过程。难点：机电一体化系统的概念设计。返回第六章机电一体化系统设计3目录6.1概述6.2产品规划6.3概念设计6.4接口设计返回第六章机电一体化系统设计46.1概述一、设计流程二、设计思想、类型、准则和规律--概述技术任务解决方法综合和分析活动•设计的定义：返回第六章机电一体化系统设计51.设计思想机电互补法:结合法:--概述通用或专用电子部件复杂机械功能部件或功能子系统取代各组成要素有机结合为一体专用或通用的功能部件（子系统）构成机电参数的有机匹配返回第六章机电一体化系统设计6组合法:将结合法制成的功能部件（子系统）、功能模块，像搭积木那样组合成机电一体化系统（产品）。如工业机器人各自由度（伺服轴）的执行元件、运动机构、检测传感元件和控制器等组成的功能部件（或子系统），用于不同的关节，组成工业机器人的回转、伸缩、俯仰等各种功能模块系列，组合成结构和用途不同的工业机器人。智能机器人表演太极拳相扑等动作--概述返回第六章机电一体化系统设计72.设计类型开发性设计：工作原理、结构等完全未知，无参照产品，用成熟的科技或经验证可行的新技术，设计出质量和性能方面满足目的要求的新产品。--概述返回第六章机电一体化系统设计8适应性设计：总方案原理基本保持不变，对现有产品局部更改，或用微电子技术代替原机械结构，或为微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，使产品的性能和质量增加附加价值。--概述返回第六章机电一体化系统设计9变型设计：针对已有产品原缺点或新工作要求，从工作原理、功能结构、执行机构类型和尺寸等进行变异，设计出新产品适市场需要，增强竞争力。--概述返回第六章机电一体化系统设计103.设计准则和规律设计准则：主要考虑“人、机、材料、成本”等因素，在保证目的功能要求与适当寿命的前提下不断降低成本。设计规律：根据设计要求先确定离散元素间的逻辑关系，研究其相互间的物理关系，根据设计要求和手册确定其结构关系，完成全部设计工作。--概述返回第六章机电一体化系统设计116.2机电一体化系统的产品规划产品规划的主要工作：需求分析和需求设计，明确设计任务。一、需求分析：将需求具体化，明确设计任务的要求，应自始至终指导设计。需求分析过程:市场信息的搜集，整理与归纳阶段；市场需求信息的提取与发现阶段；对提炼出来的需求信息进行分类整理，提供给相关部门，作为决策的重要依据。--产品规划返回第六章机电一体化系统设计12市场调查的内容市场需求和营销消费者的潜在需要用户对现有产品的反映产品市场寿命周期要求竞争对手的技术挑战技术发展的推动社会的需求市场调查、分析或计算企业决策提供依据市场预测返回第六章机电一体化系统设计14二、需求设计：新产品开发生命周期内，从分析用户需求到以详细技术说明书的形式描述满足用户需求产品的一个子过程。机电一体化产品基本性能指标机电一体化产品基本性能指标运动参数动力参数品质参数结构参数界面参数环境参数…返回第六章机电一体化系统设计15运动参数：运动轨迹、行程、速度和加速度、方向和起、止点位置正确性的指标；动力参数：为完成工艺动作应输出的动力大小的指标，如力、力矩和功率等；品质参数：运动参数和动力参数品质的指标；--产品规划返回第六章机电一体化系统设计16结构参数：空间几何尺寸、结构、外观造型。界面参数：人机对话方式和功能。环境参数：工作的环境，如温度、湿度、输入电源等。返回第六章机电一体化系统设计176.3机电一体化系统的概念设计一、概念设计的内涵和特征二、概念设计的过程三、产品的功能—原理—结构设计--概念设计返回第六章机电一体化系统设计18一、概念设计的内涵和特征:Palh&Beitz概念设计：“在确定任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出求解方案。”概念产品：产品总体特征、性能、结构、尺寸形状的描述和实现。--概念设计返回第六章机电一体化系统设计19•概念产品应包括：产品的功能、原理信息、简单的装配结构、零部件形状信息、基本的可制造与可装配信息、市场竞争力与成本信息、可服务与维修信息等。--概念设计武汉理工大学首款电动概念车返回第六章机电一体化系统设计20•概念设计的内涵（1）在设计理念上融入了设计师的智慧和经验结晶的、崭新的设计哲理和创新灵感，使概念设计更具创新性。（2）在设计内容上更加广泛，在产品生命周期的各阶段要求进行需求分析、功能分析、确定工作原理、对功能载体的选择和方案组成等。（3）在设计方法上更加全面地融合各种现代设计方法，寻求全局最优方案，同时使设计过程更具有创新性。--概念设计返回第六章机电一体化系统设计21概念设计的基本特征（1）创新性（2）多样性（3）层次性概念设计的基本特征创新性层次性多样性返回第六章机电一体化系统设计22概念设计应注意：1.采用新的物理原理，使主功能发生根本性的变化，开发新产品。2.采用创新思维和技术成果。新思路、新构思通常与新技术、新能源、新材料、新工艺等有密切联系。--概念设计返回第六章机电一体化系统设计233.机电一体化的主要特征用微电子装置来取代机械控制装置及其原来执行信息处理的机构；另一个特征是微电子控制装置常在软件支持下工作，具有柔性自动化功能。--概念设计返回第六章机电一体化系统设计24二、概念设计的过程:--概念设计返回第六章机电一体化系统设计25三、产品的功能—原理—结构设计（一）功能—行为—结构关系（二）产品的功能设计（三）产品的原理设计（四）产品的结构设计（五）方案的评价与筛选--概念设计返回第六章机电一体化系统设计26产品结构状态的变化是行为，行为的作用是功能，结构是功能和行为的载体。--概念设计（一）产品的功能—行为—结构关系返回第六章机电一体化系统设计27概念设计是功能设计、功能→行为→结构映射、结构→行为→功能映射、评价与决策等活动交替进行的有限循环过程。--概念设计设计过程包括以下活动：功能建模；行为建模；结构建模；评价和决策。返回第六章机电一体化系统设计28（二）产品的功能设计产品的功能设计，即功能建模，确定需求抽象得出总功能，功能分解，建立功能结构图和确定功能结构。1.设计任务抽象化—确定总功能2.总功能的分解3.确定功能结构--概念设计返回第六章机电一体化系统设计291.设计任务抽象化——确定总功能目的：设计人员无需涉及具体解决方案，能清晰地掌握基本功能和主要约束条件，抓住主要矛盾。--概念设计返回第六章机电一体化系统设计30设计任务抽象化实例返回第六章机电一体化系统设计31返回第六章机电一体化系统设计32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。物料流是系统的工作对象和载体。--概念设计返回第六章机电一体化系统设计33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。--概念设计“全自动”照相机的主要信息流“全自动”照相机调焦电机控制信号光圈电机控制信号图像信号光强信号返回第六章机电一体化系统设计34CNC齿轮测量中心是一种机电结合的高技术量仪，它集先进的计算机技术、微电子技术、精密机械制造技术、高精度仿真技术、信息处理技术和精密测量理论与技术于一体，代表了当今齿轮测量技术的发展方向。CNC齿轮测量中心（黑箱）测量结果被测工件驱动能测量要求温度振动灰尘噪声振动无功热CNC齿轮测量中心的黑箱示意图返回第六章机电一体化系统设计352.总功能的分解产品总功能可以分解为子功能和多级子功能，它们按确定的功能结合起来，建立功能结构图。功能元：直接从物理效应和逻辑关系找到可满足功能要求的最小单位。--概念设计返回第六章机电一体化系统设计36--概念设计返回第六章机电一体化系统设计373.确定功能结构功能结构：功能的分解与组合关系。--概念设计实例返回第六章机电一体化系统设计38计算机控制，（R向、T向、Z向）轴和（θ）轴实现联动。根据工件参数，使三个直线运动轴上的测微仪，相对随旋转坐标轴转动的工件产生所需要的测量运动。计算机采集的偏移量和实际坐标值，经数据处理，与被测项目理论值比较，得出测量结果。--概念设计如CNC齿轮测量中心的运动测量系统的自动测量过程:返回第六章机电一体化系统设计39根据CNC齿轮测量中心的“黑箱”，将总功能逐级分解，第一层功能结构图。系统组成：运动控制、驱动、传动、测量系统、工件安装、测头、信号处理系统等等。驱动与传动子系统的结构：--概念设计CNC齿轮测量中心功能结构示例运动信号处理运动控制测头驱动与传动测量工件测量结果输入能量控制信号待测工件测后工件返回第六章机电一体化系统设计40第二层功能结构的功能部分进一步细分，如T向系统：--概念设计CNC齿轮测量中心第二层功能结构之一沿工件轴向驱动系统及传动系统（Z向）沿工件径向驱动系统及传动系统（R向）沿工件切向驱动系统及传动系统（T向）主轴驱动及传动系统（θ向）输入电能输出机械能控制信号运动信号CNC齿轮测量中心第三层功能结构之一驱动系统传动系统导向系统位移检测输入电能控制信号输出机械能运动信号返回第六章机电一体化系统设计41各子系统之间既区别又密切关联，相互制约。计算机系统打印绘图操作面板T轴AC电机T轴长光栅R轴AC电机R轴长光栅圆光栅θ轴AC电机Z轴AC电机Z轴长光栅传感器控制系统CNC齿轮测量中心原理图可编程控制器--概念设计返回第六章机电一体化系统设计42（三）产品的原理设计产品的原理设计：子功能求解，寻找实现子功能的基本原理。--概念设计如水泵的功能是使水向上流动:“高速旋转的叶片带动水旋转时产生的离心力，可把水上扬”采用“容积缩小时加压把水压向高处”,构件往复移动时改变容积。返回第六章机电一体化系统设计43洗衣机的去污功能不同的去污原理洗衣桶与衣物之间的相对运动产生洗涤作用机械式的洗衣机（如波轮式、滚动式和搅拌式洗衣机）气泡上升破裂产生振荡使洗衣桶内的衣物纤维振动从而产生洗涤作用臭氧的氧化作用使衣物污垢脱落并起到杀菌作用臭氧式洗衣机不同去污原理设计出的洗衣机气泡型洗衣机返回第六章机电一体化系统设计44设计目录法——寻求原理解的一种行之有效的方法。设计目录是一种设计信息库，它通过设计过程中所需的大量信息，有规律地加以分类、排列、储存，便于设计者查找和使用。创新设计中，如仿生法、借用法、联想法、还原法、仿真与变异法、自然现象探求法。--概念设计产品原理设计方法返回第六章机电一体化系统设计45（四）产品的结构设计结构是指能产生所要求行为并完成预定功能的载体。行为→结构的映射、功能→结构的映射而得到结构，即结构建模。结构设计任务功能载体的确定功能载体的组合结构设计总体布局--概念设计返回第六章机电一体化系统设计461.结构设计任务确定整个概念产品的特征结构、形状与尺寸，不涉及各个零部件的细节设计，主要考虑功能要求在几何与结构层次上如何得到满足。将各种功能的输入/输出变量、环境要求、工作条件等按照一定的规则或原理转变成装配结构中的一些主要几何参数和材料参数等设计变量，为概念产品评估提供符合要求的满意度，也为后续的详细设计提供基础。--概念设计返回第六章机电一体化系统设计472.功能载体的确定TθZ214567891011机械结构总图1—主轴；2—上顶尖柱；3—底座；4—测微仪；5—Z向滑架；6—Z向导轨；7—支架；8—T向导轨；9—横梁；10—R向滑块；11—花岗石平台R3数控系统：•接收计算机的指令，控制机械部件实现所要求的测量运动，并实时将测头及各坐标轴的测量数据传递给计算机。•电气逻辑控制包括：•操作台键识别•指