機電一體化系統(tǒng)設計 第七章 機電一體化總體設計

第七章機電一體化總體設計第七章

機電一體化總體設計機電一體化系統(tǒng)設計本章主要學習內(nèi)容：一、系統(tǒng)總體設計的內(nèi)容二、系統(tǒng)性能指標分析三、功能和性能指標的分配四、機電一體化產(chǎn)品簡介第七章機電一體化總體設計第一節(jié)

系統(tǒng)總體設計概述機電一體化系統(tǒng)設計機電一體化總體設計過程，是應用系統(tǒng)總體設計技術(shù)，從整體目標出發(fā)，綜合分析產(chǎn)品的性能要求及各機、電組成單元的特性，選擇最合理的單元組合方案，實現(xiàn)機電一體化產(chǎn)品整體優(yōu)化設計的過程。為什么要進行總體設計？--基于機電一體化系統(tǒng)的特點：1.整體性機電系統(tǒng)是有機的整體，性能好壞并不是各環(huán)節(jié)單獨作用的結(jié)果，也不是要求每個環(huán)節(jié)的功能都盡善盡美。只要從整體角度出發(fā)，正確制定各環(huán)節(jié)的相互聯(lián)系和性能要求，使各環(huán)節(jié)的先進性、可靠性、經(jīng)濟性達到合諧統(tǒng)一，就能使機電系統(tǒng)具有滿意的整體功能。第七章機電一體化總體設計第一節(jié)機電一體化系統(tǒng)設計系統(tǒng)總體設計概述互補性

系統(tǒng)中會有多環(huán)節(jié)對同一功能產(chǎn)生影響（步進電機步距角與絲杠導程）。等效性

實現(xiàn)同一功能會有多種原理結(jié)構(gòu)方案（直線電機-滾珠絲杠導軌，電子齒輪，軟-硬件環(huán)分）

。第七章機電一體化總體設計一、總體設計的主要任務機電一體化系統(tǒng)設計（一）技術(shù)資料準備了解國內(nèi)、國際技術(shù)狀況和發(fā)展，研究成果等，確定系統(tǒng)（產(chǎn)品）的技術(shù)構(gòu)成。（例：線切割系統(tǒng)）了解有關(guān)產(chǎn)品的使用要求等，確定產(chǎn)品技術(shù)指標的依據(jù)（使用場合，加工精度）了解生產(chǎn)條件，結(jié)構(gòu)方案的重要依據(jù)。（技術(shù)水平）產(chǎn)生的技術(shù)文件：1、國際、國內(nèi)關(guān)于同類型產(chǎn)品的技術(shù)現(xiàn)狀2、有關(guān)技術(shù)難點分析報告3、有關(guān)專利情況報告4、同類產(chǎn)品的使用性能調(diào)查報告5、開發(fā)技術(shù)條件分析6、生產(chǎn)技術(shù)及工藝條件分析第七章機電一體化總體設計（二）性能指標確定機電一體化系統(tǒng)設計功能性指標經(jīng)濟性指標安全性指標包括運動、動力、尺寸、品質(zhì)等指標(汽車)包括成本、工藝、標準化、美學等指標

包括操作、自身保護、人員安全等指標產(chǎn)生的技術(shù)文件：1、設計任務書2、系統(tǒng)的技術(shù)要求和性能指標3、設計計劃和進度第七章機電一體化總體設計（三）總體方案設計總體方案設計是機電一體化總體設計的實質(zhì)性內(nèi)容1）性能指標分析找出設計難點及特征（例汽車）機電一體化系統(tǒng)設計預選各環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)（傳動系統(tǒng)：手動，自動）整體評價優(yōu)選方案產(chǎn)生的技術(shù)文件：

1.系統(tǒng)總體構(gòu)成原理圖機構(gòu)運動簡圖（系統(tǒng)簡圖）總裝配圖部件裝配圖電氣、光學、氣動、液壓原理圖總體設計報告第七章機電一體化總體設計（三）總體方案設計（續(xù)）機電一體化系統(tǒng)設計■在總體設計階段，首先要對設計任務進行分析，以明確設計的目的和功能要求，根據(jù)總體設計的基本原則，逐一地進行分析研究，并將結(jié)果寫入設計任務書。盡可能多地搜集經(jīng)驗總結(jié)和理論計算的資料（例，懸掛系統(tǒng)），把握難點和關(guān)鍵點，分清問題的主要矛盾和次要矛盾，進行深入研究，根據(jù)互補性合理確定各環(huán)節(jié)的性能指標（主動懸架），根據(jù)等效性擬定多種方案（傳動系統(tǒng)），根據(jù)優(yōu)化設計確定出最佳設計方案。（例，汽車）第七章機電一體化總體設計二、產(chǎn)品的使用要求和性能指標機電一體化系統(tǒng)設計產(chǎn)品的使用要求：對功能性要求（指標）、經(jīng)濟性要求（指標）、安全性要求（指標）(一）功能性要求1、功能范圍每個產(chǎn)品都不可能包括所有功能，如何取舍？根據(jù)產(chǎn)品的經(jīng)濟價值取舍？（機床，刀庫，自動編程？）2、精度指標是指產(chǎn)品實現(xiàn)規(guī)定功能的準確程度。精度高成本高，受使用要求約束存在下限。合理制定精度指標。（分析精度與成本、銷量與價格）3、可靠性指標產(chǎn)品可靠性是指在規(guī)定的條件下，規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定的功能的能力。特點：系統(tǒng)各元件存在可靠性，之間是“與”的聯(lián)系。超過市場壽命期提高可靠性無意義。（分析精度與成本、銷量與價格）4、維修性指標預防性維修、修復性維修，盡量提高。第七章機電一體化總體設計(二）經(jīng)濟性要求1、購置費用 產(chǎn)品價格-越低越好—降低生產(chǎn)成本設計階段降低成本的主要方法：（1）合理采用元器件（2）考慮工藝性（3）標準化、通用化和系列化（4）合理選用新技術(shù)、新材料、新結(jié)構(gòu)、新器件等。2、使用費用運行費用（人工成本，動力消耗）和維修費用。設計階段降低使用費用的主要方法：（1）提高自動化程度（2）選用效率高的器件（3）合理確定維修周期（預防性維修周期）機電一體化系統(tǒng)設計第七章機電一體化總體設計（三）安全性指標機電一體化系統(tǒng)設計1、人身安全要求保障人身安全應采取的措施：（1）設置安全檢測和防護裝置（洗衣機脫水）（2）產(chǎn)品表面無尖銳危險角、邊、面等（3）危險區(qū)域設警示（挖掘機）（4）合理防護電纜、電器等漏電（漏電保護）（5）安全操作方式2、產(chǎn)品安全要求保障機電一體化產(chǎn)品本身的安全措施主要有：（1）設置各種保護器件（旋轉(zhuǎn)機械）（2）安裝限位、報警、急停等裝置（沖床）（3）狀態(tài)檢測（洗衣機脫水撞

筒）、故障診斷、互鎖防故障和誤操作（4）抗干擾措施等第七章機電一體化總體設計第七章

機電一體化總體設計機電一體化系統(tǒng)設計本章主要學習內(nèi)容：一、系統(tǒng)總體設計的內(nèi)容二、系統(tǒng)性能指標分析三、功能和性能指標的分配四、機電一體化產(chǎn)品簡介第七章機電一體化總體設計第二節(jié)

性能指標分析性能指標分析的目的(例，機械手爪，負載的形狀，重量)1、獲得滿足性能指標的結(jié)構(gòu)要素2、性能指標合理分配給各環(huán)節(jié)或單元設計的實質(zhì)就是用合理的單元結(jié)構(gòu)和合理的單元組合滿足整體性能指標。一般性能指標以整體形式給出，首先要分析，以什么結(jié)構(gòu)能滿足性能指標？機？電？液壓？氣動？多種結(jié)構(gòu)綜合滿足？…….系統(tǒng)分解成各個功能單元，把性能指標分配給各功能單元。各功能單元以什么結(jié)構(gòu)滿足分得的性能指標？（機床精度：電機、傳動機構(gòu)、導向機構(gòu)）機電一體化系統(tǒng)設計第七章機電一體化總體設計一、性能指標對設計方法的影響機電一體化系統(tǒng)設計性能指標---功能性指標、經(jīng)濟性指標、安全性指標（使用要求）從設計角度：性能指標---特征指標、優(yōu)化指標、尋常指標不同指標對產(chǎn)品（系統(tǒng)）總體設計的限定作用不同。特征指標：決定產(chǎn)品的功能、參數(shù)、精度、可靠性等，有具體數(shù)值的，是設計中一定要達到的，對產(chǎn)品設計的約束作用大。優(yōu)化指標：優(yōu)化設計中的評價指標，優(yōu)化目標值，如生產(chǎn)成本、體積最小等。尋常指標：不定量描述的指標，如工藝性好，操作簡單等。一般較為固定，對所有產(chǎn)品都有這樣的要求。特征指標是嚴格要求的指標，如可靠度是特征指標，就要嚴格按可靠性設計法達到。如可靠度是優(yōu)化指標，在保證達到特征指標的條件下優(yōu)化可靠度。第七章機電一體化總體設計二、機電一體化優(yōu)化設計的條件和方法機電一體化設計具有等效性：機械硬件軟件功能機電一體化設計具有互補性：控制器驅(qū)動器機械系統(tǒng)性能指標多方案優(yōu)化設計法機電一體化系統(tǒng)設計環(huán)分步距角導程51，ARM第七章機電一體化總體設計二、機電一體化優(yōu)化設計的條件和方法（續(xù)）多方案優(yōu)化設計法：在滿足特征指標的前提下，采用不同原理、不同品質(zhì)等級的組成環(huán)節(jié)構(gòu)成多種可行方案，用優(yōu)化指標對這些方案進行比較、優(yōu)選，從而獲得滿足特征指標、且優(yōu)化指標最合理的總體設計方案。11

21212多少組合？？篩選優(yōu)化11、方案設計組合機電一體化系統(tǒng)設計機床控制驅(qū)動機械開放式專用速度驅(qū)動12位置驅(qū)動2直線電機3滾珠絲桿第七章機電一體化總體設計2、優(yōu)化設計多目標規(guī)劃方法：多目標轉(zhuǎn)化為單目標求解求解策略：降維法、順序單目標法、評價函數(shù)法機電一體化系統(tǒng)設計降維法：選一主導作用指標作目標函數(shù)，其余轉(zhuǎn)化為約束條件。順序單目標法：把指標排序，單個求出優(yōu)化解，對解進行折中處理，得出一個優(yōu)化解。評價函數(shù)法：將優(yōu)化指標按一定關(guān)系進行組合，從而構(gòu)造出一個單目標問題的目標函數(shù)，稱為評價函數(shù)，用該評價函數(shù)對各個方案進行評價，最終確定出最優(yōu)方案。三種方案中，評價函數(shù)法雖復雜，但效果優(yōu)于前兩種。第七章機電一體化總體設計三、性能指標對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的影響不同的性能指標需要采用不同的結(jié)構(gòu)原理方案以砂輪磨削速度控制方案為例說明：機電一體化系統(tǒng)設計第七章機電一體化總體設計三、性能指標對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的影響在圖a所示結(jié)構(gòu)方案中，砂輪轉(zhuǎn)速不可調(diào)整，磨削速度的變化主要是由于砂輪磨損導致直徑改變而產(chǎn)生的，變化范圍為30%。機電一體化系統(tǒng)設計第七章機電一體化總體設計三、性能指標對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的影響在圖b所示結(jié)構(gòu)方案中，以砂輪直徑為反饋量調(diào)整砂輪轉(zhuǎn)速，磨削速度的變化主要是由電網(wǎng)電壓波動、平帶打滑、磨削力變化等原因而引起的，變化范圍為4%左右。如果采用同步齒形帶消除打滑，采用穩(wěn)壓器抑制電壓波動，可使磨削速度的變化范圍降至1%左右。也就是說，這一結(jié)構(gòu)方案所對應的磨削速度變化范圍為1%?4%。機電一體化系統(tǒng)設計第七章機電一體化總體設計三、性能指標對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的影響圖c在砂輪主軸上增加了轉(zhuǎn)速反饋，可將磨削速度的變化范圍控制在0.5%左右。機電一體化系統(tǒng)設計第七章機電一體化總體設計三、性能指標對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的影響機電一體化系統(tǒng)設計如果以磨削速度的變化范圍為約束條件，以成本和可靠性為優(yōu)化目標，來選擇合理的結(jié)構(gòu)方案，則可有下面幾種結(jié)果：當磨削速度變化范圍要求可大于30%時，三種結(jié)構(gòu)方案都是可行的，但按優(yōu)化指標進行評價，可確定圖a所示結(jié)構(gòu)方案最佳，因為該方案結(jié)構(gòu)簡單，所以成本低、可靠性好。當磨削速度變化范圍要求不大于30%時，后兩種方案都是可行的，優(yōu)化結(jié)果為圖b所示方案較好。該方案具有機電互補性，還應進一步進行子功能分配、性能指標分配等定量優(yōu)化工作。經(jīng)過定量優(yōu)化可得出該方案的變形方案，即采用手動開環(huán)調(diào)整砂輪轉(zhuǎn)速的方案，這樣可簡化結(jié)構(gòu)、降低成本、提高可靠性。第七章機電一體化總體設計三、性能指標對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的影響機電一體化系統(tǒng)設計當磨削速度變化范圍要求不大于5%時，則后兩種方案也都是可行的，優(yōu)化結(jié)果是兩種方案的綜合評價指標值相差不多，因此還應增加優(yōu)化指標，進行進一步的定量優(yōu)化，以便作出最后的決策。當磨削速度變化范圍要求不大于1%時，則只有第三種方案可行，但為獲得該方案的具體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)方案，還應作進一步的定量優(yōu)化。由此可見，特征指標對產(chǎn)品的總體結(jié)構(gòu)有限定作用，即

限制了可釆用結(jié)構(gòu)的范圍；優(yōu)化指標及權(quán)重系數(shù)則是在特征指標所限定的范圍內(nèi)，作為方案選擇的依據(jù)，它們直接影響著結(jié)構(gòu)方案的確定。因此，在總體設計階段，特征指標、優(yōu)化指標及權(quán)重系數(shù)的選擇和量化是確定總體結(jié)構(gòu)方案的關(guān)鍵，應給予充分的重視，確保其合理性和正確性。第七章機電一體化總體設計第七章

機電一體化總體設計機電一體化系統(tǒng)設計本章主要學習內(nèi)容：一、系統(tǒng)總體設計的內(nèi)容二、系統(tǒng)性能指標分析三、功能和性能指標的分配四、機電一體化產(chǎn)品簡介第七章機電一體化總體設計第三節(jié)

功能及性能指標分配獲得初步的方案后，就要對具有互補性各環(huán)節(jié)分配具體的性能指標，還要進一步對具有等效性的環(huán)節(jié)進一步確定結(jié)構(gòu)。一、功能分配多種結(jié)構(gòu)完成同一種功能稱該功能為具有等效性的功能。功能分配的問題實際上也是將多種結(jié)構(gòu)方案列出進行優(yōu)選，選出保留的結(jié)構(gòu)組合作為優(yōu)選方案。機電一體化系統(tǒng)設計第七章機電一體化總體設計第三節(jié)功能及性能指標分配例，電子秤目前使用的電子秤有組合秤、連續(xù)供料秤、陀螺天平、自動重量分選機等多種形式。下面對組合秤、連續(xù)供料秤和自動重量分選機作簡要說明。機電一體化系統(tǒng)設計第七章機電一體化總體設計第三節(jié)

功能及性能指標分配組合秤主要用于水產(chǎn)品、食品及點心糖果等固態(tài)物體的稱量。它可將這些固態(tài)物品按預先給定的重量自動集中，連續(xù)送往下一道包裝工序包裝。物品由送料傳送帶送入振動加料器。通過振動送料器將大致均等的物品送入供料斗，開始投人所有計量料斗。機電一體化系統(tǒng)設計第七章機電一體化總體設計第三節(jié)

功能及性能指標分配機電一體化系統(tǒng)設計第七章機電一體化總體設計第三節(jié)

功能及性能指標分配連續(xù)給料裝置這種裝置主要用于在皮帶輸送機上連續(xù)輸送的粉粒狀物品的稱量，也可用于將幾臺秤上的幾種原料按一定比例混合起來的系統(tǒng)。主要通過控制輸送帶驅(qū)動電動機的速度來控制原料重量。機電一體化系統(tǒng)設計第七章機電一體化總體設計第三節(jié)

功能及性能指標分配自動重量分選機自動重量分選機應用在點心、糖果等固體包裝線、農(nóng)產(chǎn)品、水產(chǎn)品的出廠處理線及汁液、咖啡等液體充填線上用來檢查物品的重量。這些物品需要短時間內(nèi)大量計量，因此，常應是對物品邊在輸送帶上移動邊進行計量的機構(gòu)。機電一體化系統(tǒng)設計第七章機電一體化總體設計第三節(jié)

功能及性能指標分配自動重量分選機到位機電一體化系統(tǒng)設計測量第七章機電一體化總體設計一、功能分配(續(xù)1）機電一體化系統(tǒng)設計傳動干擾經(jīng)基座影響傳感器的輸出信號，為保證測量精度，必須采用濾波器來濾除這一干擾的影響：安裝在基座上的機械濾波器（又稱阻尼器)、置于放大環(huán)節(jié)的模擬濾波器和以軟件形式放在控制環(huán)節(jié)的數(shù)字濾波器。這三種濾波器在實現(xiàn)濾波功能這一點上具有等效性，但它們并不是完全等價的，在濾波質(zhì)量、結(jié)構(gòu)復雜程度、成本等方面它們具有不同的特點和效果。因此，必須根據(jù)具體情況從中擇優(yōu)選擇一種最合適的方案。第七章機電一體化總體設計一、功能分配(續(xù)2）機電一體化系統(tǒng)設計第七章機電一體化總體設計一、功能分配(續(xù)2）機電一體化系統(tǒng)設計第