《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》第二章課件

高職高專機(jī)電類專業(yè)系列教材

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主編

楊俊偉參編

王

莉機(jī)械工業(yè)出版社目錄第一部分基礎(chǔ)篇第1章機(jī)電一體化認(rèn)知第2章機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)認(rèn)知習(xí)題與思考題第二部分技術(shù)篇第3章機(jī)械傳動(dòng)與導(dǎo)向支撐技術(shù)第4章伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)習(xí)題與思考題第5章計(jì)算機(jī)控制及接口技術(shù)習(xí)題與思考題第三部分應(yīng)用篇第6章典型機(jī)電一體化系統(tǒng)第四部分實(shí)踐篇第7章工業(yè)機(jī)器人的機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)第五部分

拓展篇第8章柔性制造系統(tǒng)（FMS）與計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)貳第2章機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)認(rèn)知2.1機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想2.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法2.3總體布局與環(huán)境設(shè)計(jì)2.4總體方案設(shè)計(jì)的一般步驟

習(xí)題與思考題主要內(nèi)容及重點(diǎn)知識(shí)貳主要內(nèi)容本章明確了機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)步驟、總體布局與環(huán)境設(shè)計(jì)及機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。重點(diǎn)知識(shí)機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想?？傮w方案設(shè)計(jì)的一般步驟?？傮w布局與環(huán)境設(shè)計(jì)。機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。要點(diǎn)知識(shí)返回主頁(yè)2.1.1機(jī)電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)內(nèi)容2.1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)的設(shè)計(jì)類型2.1.3機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題2.1機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想2.1機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想

機(jī)電一體化是一門涉及光、機(jī)、電、液等的綜合技術(shù)，是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)是按照機(jī)電一體化的思想、方法進(jìn)行的機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，它需要綜合應(yīng)用各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)才能完成。

機(jī)電一體化系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)是應(yīng)用系統(tǒng)總體技術(shù)，從整體目標(biāo)出發(fā)，綜合分析產(chǎn)品的性能要求和機(jī)電各組成單元的特性，選擇最合理的單元組合方案，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化產(chǎn)品整體優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程。返回主頁(yè)2.1機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，機(jī)電一體化產(chǎn)品得到了迅速普及和發(fā)展，從家用電器到生產(chǎn)設(shè)備，從辦公自動(dòng)化設(shè)備到軍事裝備，機(jī)與電緊密結(jié)合的程度都在迅速增強(qiáng)，形成了一個(gè)縱深而廣闊的市場(chǎng)。市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)規(guī)律要求產(chǎn)品不僅具有高性能，而且要有低價(jià)格，這就給產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員提出了越來(lái)越高的要求。另一方面，種類繁多、性能各異的集成電路、傳感器和新材料等，給機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員提供了眾多的可選方案，使設(shè)計(jì)工作具有更大的靈活性。如何充分利用這些條件，應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)，開(kāi)發(fā)出滿足市場(chǎng)需求的機(jī)電一體化產(chǎn)品，是機(jī)電一體化總體設(shè)計(jì)的重要任務(wù)。2.1.1機(jī)電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)內(nèi)容一般來(lái)講，機(jī)電一體化總體設(shè)計(jì)應(yīng)包括下述一些主要內(nèi)容。1.技術(shù)資料準(zhǔn)備(1)搜集國(guó)內(nèi)外有關(guān)技術(shù)資料，包括現(xiàn)有同類產(chǎn)品資料、相關(guān)的理論研究成果和先進(jìn)技術(shù)資料等。通過(guò)對(duì)這些技術(shù)資料的分析比較，了解現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展的水平和趨勢(shì)。這是確定產(chǎn)品技術(shù)構(gòu)成的主要依據(jù)。(2)了解所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的使用要求，包括功能、性能等方面的要求。此外，還應(yīng)了解產(chǎn)品的極限工作環(huán)境、操作者的技術(shù)素質(zhì)、用戶的維修能力等方面的情況。使用要求是確定產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的主要依據(jù)。(3)了解生產(chǎn)單位的設(shè)備條件、工藝手段、生產(chǎn)基礎(chǔ)等，作為研究具體結(jié)構(gòu)方案的重要依據(jù)，以保證縮短設(shè)計(jì)和制造周期、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量。2.1.1機(jī)電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)內(nèi)容2.性能指標(biāo)確定性能指標(biāo)是滿足使用要求的技術(shù)保證，主要應(yīng)依據(jù)使用要求的具體項(xiàng)目來(lái)相應(yīng)地確定，當(dāng)然也受到制造水平和能力的約束。性能指標(biāo)主要包括以下幾項(xiàng)。(1)功能性指標(biāo)

包括運(yùn)動(dòng)參數(shù)、動(dòng)力參數(shù)、尺寸參數(shù)、品質(zhì)指標(biāo)等實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能所必需的技術(shù)指標(biāo)。(2)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

包括成本指標(biāo)、工藝性指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)、美學(xué)指標(biāo)等關(guān)系到產(chǎn)品能否進(jìn)入市場(chǎng)并成為商品的技術(shù)指標(biāo)。(3)安全性指標(biāo)

包括操作指標(biāo)、自身保護(hù)指標(biāo)和人員安全指標(biāo)等保證產(chǎn)品在使用過(guò)程中不致因誤操作或偶然故障而引起產(chǎn)品損壞或人身事故方面的技術(shù)指標(biāo)。對(duì)于自動(dòng)化程度較高的機(jī)電一體化產(chǎn)品，安全性指標(biāo)尤為重要。2.1.1機(jī)電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)內(nèi)容3.總體方案擬訂(1)方案設(shè)計(jì)

選擇設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行總體方案的初步設(shè)計(jì)。(2)系統(tǒng)性能指標(biāo)分析

依據(jù)所掌握的技術(shù)資料以及以前的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，分析各項(xiàng)性能指標(biāo)的重要性及其實(shí)現(xiàn)的難易程度，找出設(shè)計(jì)難點(diǎn)，通過(guò)建立模型或經(jīng)驗(yàn)分析判斷，選擇適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)系統(tǒng)進(jìn)行定性和定量的分析。(3)預(yù)選系統(tǒng)各環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)

在性能指標(biāo)分析的基礎(chǔ)上，初步選出多種實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)功能并滿足性能要求的可行結(jié)構(gòu)方案。(4)整體評(píng)價(jià)

選定一個(gè)或多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)上述選出的多個(gè)可行方案進(jìn)行校核，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)值進(jìn)行比較，從中選出最優(yōu)者作為擬定的總體方案。2.1.1機(jī)電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)內(nèi)容機(jī)電一體化總體設(shè)計(jì)的目的是設(shè)計(jì)出綜合性能最優(yōu)或較優(yōu)的總體方案，作為進(jìn)一步詳細(xì)設(shè)計(jì)的綱領(lǐng)和依據(jù)。應(yīng)當(dāng)指出，總體方案的確定并非是一成不變的，在詳細(xì)設(shè)計(jì)結(jié)束后，應(yīng)再對(duì)整體性能指標(biāo)進(jìn)行復(fù)查，如發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)修改總體方案。2.1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)的設(shè)計(jì)類型機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)一般可分為三種類型，即開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)、適應(yīng)性設(shè)計(jì)和變異性設(shè)計(jì)。開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)是在沒(méi)有參照產(chǎn)品的情況下進(jìn)行的設(shè)計(jì)，僅僅是根據(jù)抽象的設(shè)計(jì)原理和要求，設(shè)計(jì)出在質(zhì)量和性能方面滿足目的要求的產(chǎn)品。最初的錄像機(jī)、攝像機(jī)、電視機(jī)等的設(shè)計(jì)就屬于開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)。開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)者具備敏銳的市場(chǎng)洞察力、豐富的想象力和廣泛而扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)。2.1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)的設(shè)計(jì)類型適應(yīng)性設(shè)計(jì)是在總的方案原理基本保持不變的情況下，對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行局部更新，或用微電子技術(shù)代替原有的機(jī)械結(jié)構(gòu)或?yàn)榱诉M(jìn)行微電子控制對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部適應(yīng)性設(shè)計(jì)，以使產(chǎn)品的性能和質(zhì)量增加某些附加值。例如電子式照相機(jī)采用電子快門代替手動(dòng)調(diào)整，使其小型化、智能化；汽車的電子式燃油噴射裝置代替原來(lái)的機(jī)械控制燃油噴射裝置等就屬于適應(yīng)性設(shè)計(jì)。適應(yīng)性設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)者對(duì)原有產(chǎn)品及相關(guān)的市場(chǎng)需求變化和技術(shù)進(jìn)步有充分的了解和掌握。2.1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)的設(shè)計(jì)類型

變異性設(shè)計(jì)是在已有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，針對(duì)產(chǎn)品原有缺點(diǎn)或新的工作要求，從工作原理、功能結(jié)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)類型和尺寸等方面進(jìn)行一些變異，設(shè)計(jì)出新的產(chǎn)品以適應(yīng)市場(chǎng)需求，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。這種設(shè)計(jì)也可在設(shè)計(jì)方案和功能結(jié)構(gòu)不變的情況下僅僅改變現(xiàn)有產(chǎn)品的規(guī)格尺寸，形成系列產(chǎn)品。例如，由于傳遞轉(zhuǎn)矩或速比發(fā)生變化而重新設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)就屬于變異性設(shè)計(jì)。變異性設(shè)計(jì)比較容易，但設(shè)計(jì)中必須注意采取措施防止因參數(shù)變化可能對(duì)產(chǎn)品性能產(chǎn)生的影響。2.1.3機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它所包含的設(shè)計(jì)內(nèi)容是非常廣泛的，需要綜合應(yīng)用各項(xiàng)共性關(guān)鍵技術(shù)才能完成。在機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下的問(wèn)題。

1.各種技術(shù)方案的等效性、互補(bǔ)性及可比性

機(jī)電一體化設(shè)計(jì)突出體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，當(dāng)產(chǎn)品的某一功能單靠某一種技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)時(shí)，必須進(jìn)行機(jī)械與電子及其他多種技術(shù)有機(jī)結(jié)合的一體化設(shè)計(jì)；另一方面，當(dāng)產(chǎn)品某一功能的實(shí)現(xiàn)有多種可行的技術(shù)方案時(shí)，也必須應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)對(duì)各種技術(shù)方案進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，在充分考慮同其他功能單元的連接與匹配的條件下，選擇最優(yōu)的技術(shù)方案。因此，機(jī)電一體化設(shè)計(jì)必須充分考慮各種技術(shù)方案的等效性、互補(bǔ)性及可比性。2.1.3機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題在某些情況下，產(chǎn)品的功能必須通過(guò)機(jī)電配合才能實(shí)現(xiàn)，這時(shí)兩種技術(shù)是相互關(guān)聯(lián)、相互補(bǔ)充的，即具有互補(bǔ)性。如機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制，僅靠電子裝置或機(jī)構(gòu)都無(wú)法實(shí)現(xiàn)，只有兩者結(jié)合起來(lái)，并充分考慮機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性與控制裝置硬件、軟件控制性能之間的相互影響和相互補(bǔ)充，才能獲得最佳的實(shí)現(xiàn)方案。當(dāng)多種可行的技術(shù)方案同時(shí)存在時(shí)，說(shuō)明在實(shí)現(xiàn)具體功能上它們具有等效性。如在機(jī)床上加工螺紋或齒輪時(shí)，工件與刀具之間的內(nèi)聯(lián)系可以通過(guò)機(jī)械方案實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)電氣方案實(shí)現(xiàn)。然而等效并不是等價(jià)，孰優(yōu)孰劣，需要通過(guò)評(píng)價(jià)才能知道。由于不同的技術(shù)方案往往具有不同的參量，評(píng)價(jià)時(shí)需要選擇具有相同量綱的性能指標(biāo)(如成本、可靠性、精度等)，或引入新的參量(如時(shí)間等)將不同的參量聯(lián)系起來(lái)，以保證各種技術(shù)方案之間的可比性。2.1.3機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題2.充分利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

進(jìn)行機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量以計(jì)算機(jī)為工具，充分利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、仿真分析、模擬設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)分析設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)等現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法，以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。3.遵循產(chǎn)品的一般性設(shè)計(jì)原則機(jī)電一體化設(shè)計(jì)同樣也要遵循產(chǎn)品的一般性設(shè)計(jì)原則，即在保證產(chǎn)品目的功能、性能和使用壽命的前提下，盡量降低成本。這就意味著，機(jī)電一體化設(shè)計(jì)并不是盲目追求“高、精、尖”，而是在充分分析用戶要求的基礎(chǔ)上，努力以最新的技術(shù)手段、最廉價(jià)的材料或器件、最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、最優(yōu)的消耗，向用戶提供最滿意的產(chǎn)品。

產(chǎn)品功能的多少或強(qiáng)弱，往往與其復(fù)雜程度和功能成本直接相關(guān)。在進(jìn)行機(jī)電一體化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)各功能的利用率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，優(yōu)先滿足利用率最高的功能要求，然后再在成本允許的條件下考慮其他功能要求。產(chǎn)品的操作性能與其功能的多少也有直接關(guān)系。一般來(lái)講，功能越多、越齊全，操作就越復(fù)雜，操作性能就越差，也越容易引起操作者的不滿。因此在機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意通過(guò)軟件來(lái)改善產(chǎn)品的操作性能，使機(jī)電一體化產(chǎn)品在向多功能方向發(fā)展的同時(shí)，也向智能化和“傻瓜化”方向發(fā)展。2.1.3機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題4.強(qiáng)調(diào)技術(shù)融合、學(xué)科交叉的作用

機(jī)電一體化的優(yōu)勢(shì)，在于它吸收了各相關(guān)學(xué)科之長(zhǎng)并加以綜合運(yùn)用而取得整體優(yōu)化效果，

因此在機(jī)電一體化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，要特別強(qiáng)調(diào)技術(shù)融合、學(xué)科交叉的作用。機(jī)電一體化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)多級(jí)別、多單元組成的系統(tǒng)工程。把系統(tǒng)的各單元有機(jī)結(jié)合成系統(tǒng)后，各單元的功能不僅相互疊加，而且相互輔助、相互促進(jìn)、相互提高，使整體的功能大于各單元功能的簡(jiǎn)單之和，即“整體大于部分之和”。當(dāng)然，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，由于各單元的差異性，在組成系統(tǒng)后會(huì)導(dǎo)致單元間的矛盾和摩擦，出現(xiàn)內(nèi)耗，內(nèi)耗過(guò)大，則可能出現(xiàn)整體小于部分之和的情況，從而失去了一體化的優(yōu)勢(shì)。因此，在開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，一方面要求設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)選擇與控制系統(tǒng)的電氣參數(shù)相匹配的機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)，同時(shí)也要求設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的固有結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)選擇和確定電氣參數(shù)。綜合應(yīng)用機(jī)械技術(shù)和微電子技術(shù)，使二者密切結(jié)合、相互協(xié)調(diào)、相互補(bǔ)充，充分體現(xiàn)機(jī)電一體化的優(yōu)越性。2.1.3機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題返回主頁(yè)2.2.1機(jī)電互補(bǔ)法2.2.2結(jié)合法2.2.3組合法2.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法2.2.1機(jī)電互補(bǔ)法機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法通常有三種：機(jī)電互補(bǔ)法、結(jié)合法、組合法。機(jī)電互補(bǔ)法也叫取代法，這種設(shè)計(jì)方法是用適當(dāng)?shù)耐ㄓ秒娮硬考〈承╆惻f、落后產(chǎn)品中的復(fù)雜機(jī)械部件或功能子系統(tǒng)。這種方法是改造傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品和開(kāi)發(fā)新型產(chǎn)品常用的方法。例如，在某工作機(jī)械中，可用可編程控制器或微型計(jì)算機(jī)取代機(jī)械式變速機(jī)構(gòu)、凸輪、離合器等控制機(jī)構(gòu)，取代液壓、氣動(dòng)控制系統(tǒng)，取代插銷板、撥碼盤、步進(jìn)開(kāi)關(guān)、程序鼓、時(shí)間繼電器等接觸式控制器，以彌補(bǔ)機(jī)械技術(shù)的缺陷。這種設(shè)計(jì)方法不僅可以簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，而且可以改善產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。這種方法的缺點(diǎn)是跳不出原系統(tǒng)的框架，不利于開(kāi)拓思路，尤其在開(kāi)發(fā)全新的產(chǎn)品時(shí)更具有局限性。返回主頁(yè)結(jié)合法也叫機(jī)電互補(bǔ)法，就是將電子部件和機(jī)械部件結(jié)合設(shè)計(jì)新產(chǎn)品。采用此方法設(shè)計(jì)的產(chǎn)品其功能部件(或子系統(tǒng))通常是專用的，各要素間的匹配已得到充分考慮，接口簡(jiǎn)單。例如，高速磨床主軸與電動(dòng)機(jī)做成一體就是采用結(jié)合法設(shè)計(jì)磨頭的例子。目前，已生產(chǎn)出電動(dòng)機(jī)與控制器做成一體的產(chǎn)品。設(shè)計(jì)新產(chǎn)品常用這種方法。2.2.2結(jié)合法組合法就是將用結(jié)合法(或機(jī)電互補(bǔ)法)制成的功能模塊組合成各種機(jī)電一體化系統(tǒng)，它是一種拼接積木的設(shè)計(jì)方法。例如，將工業(yè)機(jī)器人的回轉(zhuǎn)、伸縮、俯仰、擺動(dòng)等功能模塊系列組合成結(jié)構(gòu)和用途不同的機(jī)器人。在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用組合法，不僅可以縮短設(shè)計(jì)和制造周期，節(jié)約工裝費(fèi)用，而且給生產(chǎn)管理和使用帶來(lái)方便。2.2.3組合法返回主頁(yè)2.3.1人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.3.2藝術(shù)造型設(shè)計(jì)2.3.3總體布局設(shè)計(jì)2.3總體布局與環(huán)境設(shè)計(jì)2.3總體布局與環(huán)境設(shè)計(jì)2.3.1人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是總體設(shè)計(jì)的重要部分之一，它是把人看成系統(tǒng)中的組成要素，以人為主體來(lái)詳細(xì)分析人和機(jī)器系統(tǒng)的關(guān)系。其目的是提高人機(jī)系統(tǒng)的整體效能，使人能夠舒適、安全、高效地工作。返回主頁(yè)2.3.1人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)與人體的機(jī)能特性和人的生理、心理特性相適應(yīng)，具體有以下要求：(1)總體操作布置與人體尺寸相適應(yīng)；(2)顯示清晰，易于觀察，便于監(jiān)控；(3)操作方便省力，減輕疲勞；(4)信息的檢測(cè)與處理與人的感知特性和反應(yīng)速度相適應(yīng)；(5)安全性、舒適性好，使操作者心情舒暢，情緒穩(wěn)定。2.人機(jī)系統(tǒng)的結(jié)合形式一般人機(jī)結(jié)合具體形式是有很大差別的，但會(huì)有信號(hào)傳遞、信息處理、控制和反饋等基本功能。

從工作特性來(lái)看，人機(jī)系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)與閉環(huán)兩種。人操作普通機(jī)床加工零件的系統(tǒng)就是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸出對(duì)系統(tǒng)的控制作用沒(méi)有影響。而數(shù)控機(jī)床加工零件的系統(tǒng)中一般具有反饋回路，系統(tǒng)的輸出對(duì)系統(tǒng)的控制作用有直接影響。按人在系統(tǒng)中扮演的角色來(lái)看，人機(jī)系統(tǒng)可分為人機(jī)串聯(lián)結(jié)合與并聯(lián)結(jié)合形式。2.3.1人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心是確定最優(yōu)的人機(jī)功能分配，將人和系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)組成高效的完整系統(tǒng)。2.3.1人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.3.2藝術(shù)造型設(shè)計(jì)機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)后，首先給人的重要直觀印象就是其外觀造型，先人為主是用戶普遍的心理反應(yīng)。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，人類文化、生活水平的提高，人們的需求觀和價(jià)值觀也發(fā)生了變化，經(jīng)過(guò)藝術(shù)造型設(shè)計(jì)的機(jī)電產(chǎn)品已進(jìn)入人們的工作、生活領(lǐng)域，藝術(shù)造型設(shè)計(jì)已經(jīng)成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。1.藝術(shù)造型設(shè)計(jì)的基本要求(1)布局清晰

條理清晰的總體布局是良好藝術(shù)造型的基礎(chǔ)；(2)結(jié)構(gòu)緊湊

節(jié)約空間的緊湊結(jié)構(gòu)方式有利于良好的藝術(shù)造型；(3)簡(jiǎn)單

應(yīng)使可見(jiàn)的、不同功能的部件數(shù)減少到最少限度，重要的功能操作部件及顯示器布置方式一目了然；(4)統(tǒng)一與變化

整體藝術(shù)造型應(yīng)顯示出統(tǒng)一成型的風(fēng)格和外觀形象，并有節(jié)奏鮮明的變化，給人以和諧感；

（5）功能合理

藝術(shù)造型應(yīng)適于功能表現(xiàn)，結(jié)構(gòu)形狀和尺寸都應(yīng)有利于功能目標(biāo)的體現(xiàn)；

（6）體現(xiàn)新材料和新工藝

目的是體現(xiàn)新材料的優(yōu)異性能和新工藝的精湛水平。2.3.2藝術(shù)造型設(shè)計(jì)2.藝術(shù)造型的三要素

藝術(shù)造型是運(yùn)用科學(xué)原理和藝術(shù)手段，通過(guò)一定的技術(shù)與工藝實(shí)現(xiàn)的。技術(shù)與藝術(shù)的融合是藝術(shù)造型的特點(diǎn)。功能、物質(zhì)技術(shù)條件和藝術(shù)內(nèi)容構(gòu)成了機(jī)電產(chǎn)品藝術(shù)造型的三要素。這些要素之間存在著辯證統(tǒng)關(guān)系，在藝術(shù)造型的過(guò)程中要科學(xué)地反映它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，通過(guò)藝術(shù)造型充分體現(xiàn)產(chǎn)品的功能美、技術(shù)美。2.3.2藝術(shù)造型設(shè)計(jì)3.藝術(shù)造型設(shè)計(jì)的基本過(guò)程

對(duì)一個(gè)機(jī)電產(chǎn)品藝術(shù)造型的具體構(gòu)思來(lái)說(shuō)，考慮問(wèn)題要經(jīng)過(guò)由功能到造型，由造型到功能的反復(fù)過(guò)程；同時(shí)又要經(jīng)過(guò)由總體到局部，由局部返回到總體的反復(fù)過(guò)程。因此，造型設(shè)計(jì)貫穿了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全過(guò)程，其設(shè)計(jì)特點(diǎn)是以形象思維為主。2.3.2藝術(shù)造型設(shè)計(jì)4.藝術(shù)造型設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）穩(wěn)定性

對(duì)于靜止的或運(yùn)動(dòng)緩慢且較重的產(chǎn)品，應(yīng)該在布置上力求使其重心得到穩(wěn)固的支撐，并從外觀形態(tài)到色彩搭配運(yùn)用都給人以穩(wěn)定的感覺(jué)。

（2）運(yùn)動(dòng)特性

總體結(jié)構(gòu)利用非對(duì)稱原理可以使產(chǎn)品具有可運(yùn)動(dòng)的特性。例如許多運(yùn)輸設(shè)備，無(wú)論從上看，從前面看，或從后面看都是對(duì)稱的，給人以穩(wěn)定感，但從側(cè)面看不對(duì)稱的前后部分可使形狀產(chǎn)生動(dòng)態(tài)感，例如在長(zhǎng)方形中利用斜線、圓角或流線來(lái)反映運(yùn)動(dòng)特性。

（3）輪廓產(chǎn)品的外形輪廓給人的印象十分重要，通常采用“優(yōu)先數(shù)系”來(lái)分割產(chǎn)品的輪廓，塑造產(chǎn)品協(xié)調(diào)、成比例的外觀，給人以和諧的美感。

（4）簡(jiǎn)化

產(chǎn)品外形上不同形狀和大小的構(gòu)件越多，就越顯得繁雜，難于與簡(jiǎn)單、統(tǒng)一協(xié)調(diào)的要求相吻合。因此，可把一些構(gòu)件綜合起來(lái)，盡量減少外露件的數(shù)目。

（5）色調(diào)

色調(diào)的效果對(duì)人的情緒影響很大。選用合理的色調(diào)，運(yùn)用顏色的搭配組成良好的色彩環(huán)境，能使產(chǎn)品的藝術(shù)造型特征得以充分的發(fā)揮，滿足人們心理的審美要求。2.3.2藝術(shù)造型設(shè)計(jì)2.3.3總體布局設(shè)計(jì)布局設(shè)計(jì)是總體設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。布局設(shè)計(jì)的任務(wù)是，確定系統(tǒng)各主要部件之間相對(duì)應(yīng)的位置關(guān)系以及它們之間所需要的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。布局設(shè)計(jì)是一個(gè)帶有全局性的問(wèn)題，它對(duì)產(chǎn)品的制造和使用都有很大影響。1.總體布局設(shè)計(jì)的基本原則（1）功能合理

各分功能既易于實(shí)現(xiàn)又便于實(shí)現(xiàn)總功能，不論在系統(tǒng)的內(nèi)部還是外觀上都不應(yīng)采用不利于功能目標(biāo)的布局方案；（2）結(jié)構(gòu)緊湊

內(nèi)部的結(jié)構(gòu)緊湊要保證便于裝配維護(hù)，外部的結(jié)構(gòu)緊湊是藝術(shù)造型的良好基礎(chǔ)；（3）層次分明

總體結(jié)構(gòu)和所有部件的布置應(yīng)力求層次分明，一目了然；（4）比例協(xié)調(diào)

這一原則按藝術(shù)造型方法實(shí)現(xiàn)。2.3.3總體布局設(shè)計(jì)2.系統(tǒng)總體布局的基本類型由形狀、大小、數(shù)量、位置、順序五個(gè)基本方面進(jìn)行綜合，可得出一般布局的類型：（1）按主要工作機(jī)構(gòu)的空間幾何位置，可分為平面式、空間式等；（2）按主要工作機(jī)構(gòu)的相對(duì)位置，可分為前置式、中置式、后置式等；（3）按主要工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡，可分為回轉(zhuǎn)式、直線式、振動(dòng)式等；（4）按主要工作機(jī)構(gòu)的布置方向，可分為水平式、直立式、傾斜式等；（5）按機(jī)架或機(jī)殼的形式，可分為整體式、組合式等。2.3.3總體布局設(shè)計(jì)返回主頁(yè)2.4.1詳盡搜集用戶對(duì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的需求2.4.2設(shè)計(jì)對(duì)象工作原理的設(shè)計(jì)2.4.3主要結(jié)構(gòu)方案的選擇2.4.4摩擦形式的選擇2.4.5系統(tǒng)簡(jiǎn)圖的繪制2.4.6總體精度分配2.4.7總體設(shè)計(jì)報(bào)告2.4總體方案設(shè)計(jì)的一般步驟2.4總體方案設(shè)計(jì)的一般步驟機(jī)電一體化系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)步驟是通用化的，它是由于機(jī)電一體化系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品可能是加工機(jī)械、裝配機(jī)械、檢驗(yàn)儀器、測(cè)試儀器、包裝機(jī)械等各行業(yè)的產(chǎn)品或設(shè)備。機(jī)電一體化產(chǎn)品基本開(kāi)發(fā)工程路線如圖2-1所示。返回主頁(yè)圖2-1機(jī)電一體化產(chǎn)品基本開(kāi)發(fā)路線硬件軟件2.4.1詳盡搜集用戶對(duì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的需求

設(shè)計(jì)任何系統(tǒng)，首先要收集所有相關(guān)的信息，包括設(shè)計(jì)需求、背景技術(shù)資料等。設(shè)計(jì)人員在這一基礎(chǔ)上應(yīng)做出用戶真正需要設(shè)計(jì)什么樣的產(chǎn)品的判斷。這一步是進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)的最基本的依據(jù)，不可忽視。一般情況，需要對(duì)下列設(shè)計(jì)需求做詳細(xì)的調(diào)查。

1.設(shè)計(jì)對(duì)象自身的工作效率。包括年工作效率及小時(shí)工作效率。對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)，還要了解機(jī)械效率方面的需求。

2.設(shè)計(jì)對(duì)象所具有的主要功能。包括總功能及實(shí)現(xiàn)總功能時(shí)分功能的動(dòng)作順序，特別是操作人員在總功能實(shí)現(xiàn)中所介入的程度。

3.設(shè)計(jì)對(duì)象與其工作環(huán)境的界面。這主要有輸入、輸出界面、裝載工件形式、操作員控制器的界面、輔助裝置的界面、溫度、濕度、灰塵等情況，以及這些界面中哪些是由設(shè)計(jì)人員保證的，哪些是由用戶提供的。

4.設(shè)計(jì)對(duì)象對(duì)操作者技術(shù)水平的需求。要求操作人員達(dá)到什么技術(shù)等級(jí)，并具備哪些專長(zhǎng)。

5.設(shè)計(jì)對(duì)象是否被制造過(guò)。假如與設(shè)計(jì)對(duì)象類似的產(chǎn)品已在生產(chǎn)，則應(yīng)參觀生產(chǎn)過(guò)程，并尋找有關(guān)的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)文件。

6.了解用戶自身的一些規(guī)定、標(biāo)準(zhǔn)。例如廠標(biāo)，一般技術(shù)要求，對(duì)產(chǎn)品表面的要求(防蝕、色彩等)。2.4.1詳盡搜集用戶對(duì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的需求明確了設(shè)計(jì)對(duì)象的需求后，就可以開(kāi)始工作原理設(shè)計(jì)了，這是總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)質(zhì)量的優(yōu)劣取決于設(shè)計(jì)人員能否有效地對(duì)系統(tǒng)的總功能進(jìn)行合理的抽象和分解，并能合理地運(yùn)用技術(shù)效應(yīng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，勇于開(kāi)拓新的領(lǐng)域，探索新的工作原理，使總體設(shè)計(jì)方案最佳化，從而形成總體方案的初步輪廓。2.4.2設(shè)計(jì)對(duì)象工作原理的設(shè)計(jì)2.4.3主要結(jié)構(gòu)方案的選擇機(jī)械結(jié)構(gòu)類型很多，選擇主要結(jié)構(gòu)方案時(shí)，必須保證系統(tǒng)所要求的精度、工作穩(wěn)定可靠、制造工藝性好，應(yīng)符合運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)原則或誤差均化的原理。按運(yùn)動(dòng)學(xué)原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不允許有過(guò)多的約束。但當(dāng)約束點(diǎn)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)且載荷較大時(shí)，約束處變形大，易磨損，這時(shí)可以采用誤差均化原理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這時(shí)可以允許有過(guò)多的約束，例如滾動(dòng)導(dǎo)軌中的多個(gè)滾動(dòng)體，是利用滾動(dòng)體的彈性變形使?jié)L動(dòng)體直徑的微小誤差相互得到平均，從而保證了導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度。2.4.4摩擦形式的選擇設(shè)計(jì)機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)時(shí)要認(rèn)真選擇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦形式，如果處理得不好，由于動(dòng)、靜摩擦力差別太大，造成爬行，會(huì)影響控制系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。因此總體方案設(shè)計(jì)時(shí)，必須選取具有適應(yīng)于工作要求摩擦形式的導(dǎo)軌。導(dǎo)軌副相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦形式有滑動(dòng)、滾動(dòng)、液體靜壓滑動(dòng)、氣體靜壓滑動(dòng)等幾種形式，各有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)需求，綜合考慮各方面因素進(jìn)行選擇。2.4.5系統(tǒng)簡(jiǎn)圖的繪制選擇或設(shè)計(jì)了系統(tǒng)中各主要功能部件之后，用各種符號(hào)代表各子系統(tǒng)中功能部件，包括控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電器系統(tǒng)、傳感檢測(cè)系統(tǒng)、機(jī)械