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江苏大学测控系2020年11月17日星期二《机电光仪一体化技术》第10章机电光仪一体化系统设计指导第10章机电光仪一体化系统设计指导知识点：机电光仪一体化系统分析机电光仪一体化系统设计原则机电光仪一体化系统设计过程模糊洗衣机设计变频空调器设计GPS智能交通指挥系统设计曲臂光电综合测量系统激光扫描圆度误差测量系统管道直线度光电检测系统本章导读机电光仪—体化技术从系统工程观点出发，应用机械、微电子技术等有关技术，使机械、电子有机结合，实现系统或产品整体最优的综合性技术。机电光仪一体化系统设计是按机电一体化思想、原理和方法进行的机电光仪一体化产品设计，它是一项复杂的系统工程，需要综合应用各项共性关键技术才能完成。机电光仪一体化是一门综合技术，是一项多级别、多单元组成的系统工程。机电光仪一体化系统所包容的设计与开发范围是非常广泛的。给定机电光仪一体化系统(产品)目的功能与规格后，机电光仪一体化技术人员利用机电光仪一体化技术进行设计、制造的整个过程为机电光仪一体化工程。10.1机电光仪一体化系统设计开发过程10.1.1机电光仪一体化系统分析一般来讲，机电光仪一体化系统分析应包括以下内容。一、可行性论证、准备技术资料1）了解企业现状与系统开发的内外环境，收集国内外有关技术资料，包括现有同类产品的资料、相关的理论研究成果和先进技术资料等。2）了解所设计产品的使用要求和开发目标，包括功能、性能等方面的要求。3）了解生产单位的设备条件、工艺手段、生产基础等，能为产品开发提供的技术支持、物质支持，作为研究具体结构方案的重要依据。10.1机电光仪一体化系统设计开发过程二、根据目的功能确定产品规格、性能指标1）功能性指标包括运动参数、动力参数、尺寸参数、品质指标等。2）经济性指标包括成本指标、工艺性指标、标准化指标、美学指标等。3）安全性指标包括可靠性指标、操作指标、自身保护指标和人员安全指标等。10.1机电光仪一体化系统设计开发过程三、拟定总体方案1）方案设计选择设计原则、设计原理，进行总体方案初步设计。2）系统性能指标分析依据所掌握的技术资料以及以往的设计经验，找出设计难点及特征指标。3）系统分解，预选各环节结构在性能指标分析的基础上，初步选出多种实现各环节功能和满足性能要求的可行的结构方案。4）整体评价选定一个或几个评价指标，求出各方案的评价指标值并进行比较和评价，从中选出最优者作为拟定的总体方案。10.1机电光仪一体化系统设计开发过程10.1.2机电光仪一体化系统设计原则1）机电互补原则综合考虑机械技术和电子技术各自的特点，达到优势互补。从机械技术、电子技术、硬件技术和软件技术四个方面权衡经济和技术上的利弊得失，选择最佳方案。2）功能优化原则主要指在系统设计时，要抓住用户最关心的技术指标，特别是系统的可靠性、实用性、经济性等。10.1机电光仪一体化系统设计开发过程3）自动化、省力化原则高精度、高效率、高可靠化是机电一体化系统的重要指标，因此要求系统在运行过程中,最大限度地减少人的干预，降低人的体力和智力劳动强度，尽可能排除人为的不利因素的影响。4）效益最大原则要在满足用户的目的功能和适当的使用寿命的前提下，最大限度地降低成本。5）开放性原则以一组标准、规范或约定的原则来统一系统的接口、通信和与外部的使系统能容纳不同厂家制造的设备及软件产品。10.1机电光仪一体化系统设计开发过程10.1.3机电光仪一体化系统设计过程一、机电光仪一体化产品基本开发工程路线二、机电光仪一体化系统设计步骤机电光仪一体化系统设计具体可分为以下几个步骤：1．市场调查与预测市场调查与预测是产品开发成败的关键性一步。市场调查就是运用科学方法。系统地全面地收集有关市场需求和营销方面的情况和资料，分析研究产品在供需双方之间进行转移的状况和趋势。10.1机电光仪一体化系统设计开发过程2．构思比较构思就是创新，技术转移就是突破。一个好的产品构思，不仅能带来技术上的创新，功能上的突破，还能带来制造过程的简化，使用的方便，以及经济上的高效益。因此，机电一体化产品设计应鼓励创新，充分发挥创造能力和聪明才智来构思和创造新的方案。3．方案评价对各种构思和多种方案进行筛选，选择较好的可行方案进行分析组合和概述评价，从中再选几个方案。按机电一体化系统设计评价原则和评价方法，进行深入的综合分析评价，最后确定实施方案。10.1机电光仪一体化系统设计开发过程4．根据目的功能确定产品规格、性能指标1）基本性能指标运动参数：用来表征机器工作运动的轨迹、行程、方向和起、止点位置正确性的指标，如速度、加速度、转速、调速范围等。动力参数：用来表征机器输出动力大小的指标，如力、力矩和功率等。品质指标：用来表征运动参数和动力参数品质的指标2）工艺性指标对产品结构提出的方便制造和维修的要求，要做到容易制造和便于维修。10.1机电光仪一体化系统设计开发过程3）“人－机工程学”指标考虑人和机器的关系，针对人类在生产和生活中所表现出来的卫生、体形、生理和心理学等对产品提出的综合性要求。4）美学指标对产品的外部性质，如仪容、风格、匀称、和谐、色泽以及与外部环境的协调等方面提出的要求。5）标准化指标即组成产品的元、部件的标准化程度。6）可靠性和安全性参数各种可靠性指标、强度、刚度、电压值电流的极限值和额定等。10.1机电光仪一体化系统设计开发过程5．详细设计1）系统总体设计包括人一机系统的详细设计，对象作业的流程系统。2）系统功能部件、功能要素的划分及设计以各构成要素及要素之间的接口为基础来划分功能部件或功能子系统，也可以按运动的自由度划分成若干个功能子系统，再按子系统划分功能部件。3）机械本体及工具设计包括现有设备的利用与改造部分设计，新设计产品的详细设计方案和工程图设计，对象的加工相关性设计(精度、基准部位等)。10.1机电光仪一体化系统设计开发过程4）控制系统设计包括标准及扩展方案的讨论，机器控制的顺序与方法的确定，接口设计。5）程序设计根据系统设计及接口技术方案进行程序编制和调试。6）后备系统设计包括故障预测及修复方法设计，控制对策和准备工作的设计。7）完成详细设计书及制造图样包括整体构成、各模块及局部的设计说明书。8）产品出厂致使用文件的设计包括用户使用说明书，调整维护说明书验证书，出厂检验证书，教育训练计划等。10.1机电光仪一体化系统设计开发过程6．综合评价对机电一体化系统的综合评价主要是对其实现目的功能的性能、结构进行评价。7．可靠性复查机电一体化系统既可能产生电子电路故障、软件故障，又可能产生机械故障，受到电噪声的干扰，因此．可靠性问题显得格外交出。在产品设计初步完成之后，还需要进行可靠性复查和分析，以便发现问题及时改进。10.1机电光仪一体化系统设计开发过程8．试制与调试样机试制是检验产品设计的制造可行性的重要阶段，并通过样机调试来验证各项性能指标是否符合设计要求。系统调试包括硬件调试、软件调试、模拟调试和现场试运行等几方面。硬件调试和软件调试为基本调试；模拟调试是检查硬件和软件的整体性能，为现场试运行做准备；现场调试是对全系统的实际考验与检查。10.1机电光仪一体化系统设计开发过程9．系统设计中的质量控制1）质量目标管理2）实行可靠性设计3）进行质量评审4）加强标准化与工艺审查。5）建立设计质量责任制。6）建立质量保证体系10.1机电光仪一体化系统设计开发过程10．制造工程质量管理1）元器件的筛选2）应力筛选3）老化处理4）产品的生产质量检验10.1机电光仪一体化系统设计开发过程10.2机电光仪一体化产品开发实例及应用10.2.1模糊控制洗衣机设计模糊洗衣机是一种智能型的洗衣机，它和传统的洗衣机相比，是一种全新的家用电器。传统的全自动洗衣机有两种，一种是机械控制式，一种是单片机控制式。一、模糊控制洗衣机系统控制系统硬件设计用MC6805R3控制的模糊洗衣机和传统的洗衣机有很大的区别，它能自动识别衣质、衣量、自动识别肮脏程度，自动决定水量、自动投入恰当的洗涤剂，从而全部自动地完成整个洗涤过程。由于洗涤程序是通过模糊推理而决定的，故有着极高的洗涤效能。10.2机电光仪一体化产品开发实例及应用7805+-～～220V-+-+PB7XTALEXTALRESETAN2AN3AN1AN0INTVssVreflVrefhVccTFD1C1C2C3C4R25.1kR1D2C5W1R4R3R5LM358C7温度水位浑浊R7D3C8R8+5V报警C9W2R347818MC6805R3触发电路触发电路触发电路触发电路MM触发电路R10R9KR35+5VR197404R36R22R23R24R25R26R27R28R29R30N1N2R32R33+5V进水洗涤漂洗排水脱水工作D6D7D8D9D10D11LED1LED2LED3时分R20C11D4D5进水排水PC7PC6PC5PC4PC3PA3PA2PA4PB6PB5PB4PB3PB2PB1PB0PA5PA6PA0PA1图10-1单片机控制的逻辑结构10.2机电光仪一体化产品开发实例及应用1）电源电路电源电路由变压器TF、桥式整流器、滤波电容和集成稳压电路7805组成。2）洗衣机状态检测电路状态检测电路一共有7个。3）显示电路4）输出控制电路输出控制电路由触发电路和相应的双向晶间管组成；控制电路一共有5路。10.2机电光仪一体化产品开发实例及应用二、模糊洗衣机的物理量检测方法1．浑浊度的检测衣物的脏污程度、肮脏性质和洗净程度等都需要检测，以便进行工作过程的整定和控制。浑浊度的检测是采用红外光电传感器来完成的。利用红外线在水中的透光率和时间的关系，通过模糊推理，以得出检测的结果，而这个结果就可以用于控制推理。10.2机电光仪一体化产品开发实例及应用排水阀红外线传感器（a）（b）（c）发射接收发射接收图10-2混浊度检测原理10.2机电光仪一体化产品开发实例及应用透光度透光度透光度透光度（a）（b）（c）（d）tt轻污重污油污泥污液体洗涤剂粉末洗涤剂图10-3洗涤过程中透光度变化情况10.2机电光仪一体化产品开发实例及应用2．布量和布质的检测布量和布质的检测是在洗涤之前进行的。在水位为一定的时候，布量和布质的不同就会产生不同的布阻抗。通过给定一定的水位，然后在这个给定水位的条件下使方电机进行间断旋转，则不同布阻抗就会使主电机制动的性能不同，利用主电机在不同布阻抗时的制动特性就可以推断出布质和布量。10.2机电光仪一体化产品开发实例及应用布阻抗3211234布量（kg）硬布质软布质图10-4布量与布阻抗关系曲线图10.2机电光仪一体化产品开发实例及应用3．水温检测水温检测由温度检测器MTSl02执行。由于MTSl02有线性度好，对温度敏感等特点，故采用它对常温检测有较大的优点。在电路中，采用两个运算放大器对MTSl02的输出信号进行处理，一个用于隔离阻抗，一个用信号放大。10.2机电光仪一体化产品开发实例及应用三、模糊洗衣机的模糊推理在模糊洗衣机中，浑浊度、布质、布量等都是通过对现行状态的检测，再通过模糊推理得出的。在模糊推理中，需要考虑推理的前件和后件，也即是推理的输入条件和输出结果，在模糊洗衣机中，主要是要考虑布质、布量、水温和肮脏程度这几种条件，而从这些条件求取水位，洗涤时间和水流，漂洗方式和脱水时间等。10.2机电光仪一体化产品开发实例及应用模糊推理布质布量水温肮脏度水位洗涤时间水流漂洗方式脱水时间图10-5模糊洗衣机的模糊推理10.2机电光仪一体化产品开发实例及应用在洗涤剂浓度推理中，其规则如下：如果浑浊度高，则洗涤剂投入量大；如果浑浊度偏高，则没涤剂投入量偏大；如果浑浊度低，则洗涤剂投入量小；在洗衣推理中，推理规则如下：如果布量少，布质以化纤偏多，而且水温高，则水流为特弱，洗涤时间特短；如果布量多，布质以棉布偏多，而且水温低，则把水流定为特弱，洗涤时间定为特长。10.2机电光仪一体化产品开发实例及应用μμ1低中高水温T布量W