机电一体化系统总体设计.ppt
机电一体化技术,第 8 章机电一体化系统总体设计,知识点：机电一体化系统总体设计的基本概念机电一体化系统性能指标分析机电一体化系统的设计方法,本章导读,机电一体化产品种类众多，覆盖面很广，在系统构成上有不同的层次，但在系统设计上有着共同的规律。系统设计是根据系统论的观点，用现代设计的方法构造产品结构，赋予产品性能并进行产品设计的过程。机电一体化领域多变的设计类型，要求我们摸索一套现代化设计的普遍规律，以适应更新换代的需要。所有机电一体化设计都是为了获得用来构成事物（产品或系统）的有用信息。,8.1概述,8.1.1总体设计的概念与过程描述机电一体化系统（或产品）是机电一体化设备与产品的总称，它表示将这些设备与产品看成一个系统。其主要内容包括：系统原理方案的构思，结构方案的设计，总体布局设计与环境设计，主要参数及技术指标的确定，总体方案的评价与决策。,在总体设计过程中，应逐步形成下列技术文件与图纸：系统工作原理简图。控制器、驱动器、执行器、传感器工作原理图等。总体设计报告。总体装配图。部件装配图。,机电一体化体统总体方案的一般步骤为：（1）详尽搜集用户对所设计产品的需求设计任何系统，首先要收集所有相关信息，包括设计需求、背景技术资料。（2）设计对象工作原理的设计明确了解设计对象的需求之后，就可以开始工作原理设计了，这是总体设计的关键。（3）主要结构方案的选择机械结构类型很多，选择主要结构方案时，必须保证系统所要求的精度、工作稳定可靠、制造工艺性好，应符合运动学设计原则或误差均化原理。,（4）摩擦形式的选择设计机电一体化机械系统时，要认真选择运动机构的摩擦形式，如果处理得不好，由于动、静摩擦力差别太大，造成爬行，会影响控制系统工作的稳定性，因此总体方案设计时，必须选取具有适用于工作要求摩擦形式的导轨。（5）系统简图的绘制选择或设计了系统中各主要功能元的解之后，用各种符号代表各子系统中功能元的解，形成机、电、控有机结合的机电一体化系统简图。根据这些简图，进行方案论证，并作多次修改，确定最佳方案。,（6）总体布局及环境设计布局设计是总体设计的重要环节，布局设计的任务是确定系统各主要部件之间相对应的位置关系以及它们之间所需要的相对运动关系。（7）总体精度分配总体精度分配是将机、电、控、检测各系统的精度进行分配。精度分配时，应根据各子系统所用技术系统的特点进行分配。（8）总体设计报告总结上述设计过程的各个方面，写出总体设计报告，为总体装配图和部件装配图的绘制做好准备。,8.1.2总体设计的原则与方法机电一体化系统的设计类型（1）开发性设计（2）适应性设计（3）变异性设计,总体设计的原则对机电一体化系统的设计，一般有如下一些共同的基本原则：(1)机电互补原则(2)功能优化原则(3)自动化、省力化原则(4)效益最大原则(5)开放性原则,8.1.3总体设计中的关键因素1、设计任务抽象化2、功能结构分解3、建立功能结构图4、选择系统原理方案,8.2特性、性能指标分析以及功能及性能指标分配,8.2.1机电一体化系统的特性指标分析产品的使用要求与性能指标产品的使用要求包括功能性要求、经济性要求和安全性要求等，产品的性能指标应根据这些要求及生产者的设计和制造能力、市场需求等来确定。(1)功能性要求产品的功能性要求是要求产品在预定的寿命期间内有效地实现其预期的全部功能和性能。,(2)经济性要求产品的经济性要求是指用户对获得具有所需功能和性能的产品所需付出的费用方面的要求。(3)安全性要求安全性要求包括对人身安全的要求和对产品安全的要求。人身安全的要求是指在产品运行过程中，不因各种原因（如误操作等）而危及操作者或周围其他人的人身安全。,8.2.2机电一体化系统的功能与性能指标分配经过上一节对性能指标的分析，得到了实现特征指标的总体结构初步方案，对于初步方案中具有互补性的环节，还需要进一步确定其具体的实现形式。在完成这些工作后，各环节才才可采用常规方法进行详细设计。,8.2.3机电一体化系统的性能评价所谓评价，一般是指按照明确目标测定对象的属性，并把它变成主观效用的行为，即明确价值的过程。在这个过程中，我们要对评价的事物与一定的对象进行比较，从而决定该事物的价值。,1、系统评价的目的和任务系统评价是根据预定的系统目的，通过调查研究，应用科学合理的程序与方法，对被评价系统的经济、技术或综合性的价值做出判定，从多个方案中选择其中在技术上先进，在经济上合理，在操作上可行的系统最优方案。因此，评价的目的是为了决策，决策需要评价。,2、系统评价原则(1)客观性原则客观性一方面是指参加评价的人员应站在客观立场，实事求是地进行资料收集、方法选择及对其评价结果作客观解释。(2)可比性原则它是指被评价的方案之间在基本功能、基本属性及强度上要有可比性。(3)合理性原则它是指所选择的评价指标应当正确反映预定的评价目的，要符合逻辑，有科学依据。(4)整体性原则指评价指标应当相互关联、相互补充，形成一个有机的整体，能从多侧面综合反映评价方案。,3、评价内容(1)技术评价技术评价就是平定该系统方案是否达到预定目标，系统结构的合理性、先进性、适用性、属性的完善性等都属于技术评价。(2)经济评价主要是评价系统方案的经济效益，如投入产出比，性能价格比，成本费用分析等经济可行性分析。(3)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结构、性能进行评价。,8.3 机电一体化设计方法,8.3.1机电一体化系统的设计与优化方法 机电一体化系统的设计（1）设计程序机电一体化系统的设计一般采用三阶段法，即总体设计、部件选择与设计、技术设计与工艺设计。在实验性设计与计算机辅助设计中，为了相互协调，多采用既分阶段设计又兼顾平行的设计，也就是并行设计。,（2）设计准则设计准则主要考虑“人、机、材料、成本”等因素,而产品的可靠性、适用性与完善性设计最终可归结于,在保证目的功能要求与适当寿命的前提下不断降低成本。（3）设计规律总结一般的机器系统的设计，有以下规律：根据设计要求首先确定离散元素间的逻辑关系，然后研究其相互间的物理关系，这样就可根据设计要求和手册确定其结构关系,机电一体化设计的条件一方面，机电一体化设计比单一门类的设计有更多的可选择性和设计灵活性，因为某些功能既可以采用机械方案来实现，也可以采用电子硬件或软件来实现。另一方面，从一般的控制系统方框图中可以看出，各个组成环节的特性是相互关联的，而且是共同影响系统性能的。,机电一体化系统（或产品）的设计步骤机电一体化系统（或产品）（以工作机为例）的设计步骤如下：(1)根据目的功能确定产品规格、性能指标工作机的目的功能是用来改变物质的形状、状态，位置尺寸或特性，归根到底必须实现一定的运动，并提供必要的动力。(2)系统功能部件、功能要素的划分工作机必须具备适当的结构才能满足所需性能。要形成具体结构，要以各组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。,(3)接口设计接口问题是各组成要素间的匹配问题，有机械接口、电子硬件接口和软件接口。(4)综合评价（或整机评价）对机电一体化系统（或产品）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。(5)可靠性复查机电一体化系统（或产品）既可能产生电子故障、软件故障，又可能产生机械故障。(6)试制与调试样机试制上检验产品设计的制造可行性的重要阶段，并通过样机调试来印证各项性能指标是否符合设计要求。,现代设计方法(1)技术预测法技术预测法是在设计前，从书籍资料数据预测被设计对象在今后一定阶段内的发展动向，它是现代设计的最初步骤。(2)科学类比法在技术决策之后，搜集有关的信息与对象，以科学类比取得有用的、可借鉴的内容或数据是很重要的。(3)相似设计法利用同类事物之间静态与动态的相似性，根据样机或模型求得新设计对象有关参数的一种科学类比方法。,(4)模拟设计法这种方法是利用异类事物之间的相似性进行设计的科学类比方法。模拟是不可逆的。(5)信号分析法在现代设计中，设计原始数据的获得是一个重要的问题。(6)优化设计法优化设计是指在给定系统方案后，利用各种数学优选法进行参数设计计算的方法。(7)动态分析设计法所谓动态分析设计，就是从动态分析出发进行设计。(8)可靠性设计法可靠性设计就是从产品的开发设计阶段就考虑其可靠度，从而保证产品工作可靠、经久耐用的一种设计方法。,优化设计优化设计是工程优化的一个重要组成部分，从设计方法论的角度看，传统设计大多建立在分析、试凑或经验类比的基础上，对于复杂的结构参数，往往难以甚至不可能达到设计效果的最优，必须通过大量长期的研制与改进，才能使某种产品达到较难以的程度。,8.3.2机电一体化系统的可靠性设计方法产品的可靠性主要取决于产品的研制和设计阶段所形成的产品固有的可靠性，因此要发挥机电一体化系统应有的作用，就要进行可靠性设计。因而，在设计一个新的系统时，不考虑可靠性问题是不完整的设计。,机电一体化可靠性要求1、对机电一体化系统进行系统的可靠性分析和预测对系统进行可靠性分析和设计时，应对构成系统的部件、子系统逐个进行分析，对于严重影响系统功能的子系统应有预防和提高措施。2、提高系统薄弱环节的可靠性一个系统的故障往往是由于几个少数的可靠性差的薄弱环节造成的，因此在设计时应根据具体情况采用不同的措施。3、可靠性管理机电一体化系统产品的特点大多是技术要求高，品种繁多，材料新，因此可靠管理工作更为重要。,2 可靠性设计的常用方法保证产品具有必要的可靠性是一个综合性问题（1）提高产品的设计和制造质量保证产品的可靠性，要从设计和制造入手，在保证实现各种基本性能指标的同时，还要保证可靠性。（2）冗余技术冗余技术又称为储备技术。它是利用系统的并联模型来提高系统的可靠性的一种方法。（3）诊断技术从本质上来看，诊断技术是一种检测技术，用来取得有关产品中产生的失效类型和失效位置信息。,3、软件的可靠性技术软件的可靠性技术，大致包含利用软件提高系统可靠性和提高软件可靠性两方面的内容。（1）用软件提高系统可靠性增加系统信息管理软件与硬件的配合，对信息进行保护，包括防止信息被破坏。利用软件冗余，防止信息的输入输出过程及传递过程中出错，对信息采用重复传送并进行校验等。编制诊断程序，及时发现故障，找出故障的部位，以便缩短修理时间。利用软件进行系统调度，包括在发生故障时，进行现场保护，迅速将故障装置切换成备用装置。,（2）提高软件可靠性为了提高软件自身的可靠性，减少出错，可采取以下措施：程序分段和层次结构。在进行程序结构设计时，将程序分成若干具有独立功能的子程序块。软件测试。对软件进行充分的测试，尽量消除软件中的隐患。容错设计。容错设计是把程序设计得能够缓解错误的影响，并能找出错误原因。纠错设计。纠错设计是在发现系统运行结果有错时，自动恢复到正确状态，防止对系统造成损坏。,本章小结,机电一体化总体设计就是应用系统总体设计技术，从整体目标出发，用系统的观点和方法，选择最合理的单元组合方案，实现机电一体化产品整体优化设计的过程。原理方案设计是总体设计的关键，是具有战略性和方向性的设计工作。优化设计是工程优化的一个重要组成部分。相比之下，采用优化设计法，从本质上提高设计水平，缩短设计周期，提高市场竞争力。产品的可靠性主要取决于产品的研制和设计阶段所形成的产品固有的可靠性，因此要发挥机电一体化系统应有的作用，就要进行可靠性设计。,思考练习,1、什么是机电一体化系统总体设计？2、阐述总体设计的原则和方法。3、阐述机电一体化系统的性能指标及其分配。4、系统的评价准则。5、举例说明可靠性设计和优化设计在机电一 体化系统设计中的应用。,
