第一二章 机电CAD

1、机电工程机电工程CAD第一章第一章 概论概论1.1 机电一体化的含义 机电一体化是微电子技术向传统机械工业渗透过程中逐渐形成的一个新概念，是机械技术,微电子技术相互融合的产物。是融机械技术，微电子技术，信息技术等多种技术为一体的新兴交叉学科。最早起源于日本（1971年）。 机电一体化技术是微电子技术，传感器技术，精密机械技术，自动控制技术以及微型计算机技术不断发展的必然产物，是人们不断追求机械自动化和智能化的必然结果。 几种说法： 1）渡边茂：机电一体化是机械工程中采用微电子技术的体现。 2）小岛利夫：机电一体化是机械学与电子学有机结合而提供的更 为优越的一种技术。 3）日本机械设计杂志：机电

2、一体化就是利用微电子技术，最大 限度地发挥机械能力的一种技术。4）日本机械振兴协会经济研究所：机电一体化乃是机械的主功能， 动力功能，信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械 装置和电子装置用相关软件有机结合构成的系统总称。机电一体化系统首先是一个机械系统，没有运动部件的系统不能称为机电一体化系统，如电饭煲等。机电一体化系统强调的是机械和电子技术的有机结合，不是拼凑。机电一体化系统设计应该从系统角度出发，采用现代设计分析方法，如计算机辅助设计（CAD），计算机辅助工程分析（CAE）等。 1.2 机电一体化系统的构成一，机电一体化系统组成 主要由五个子系统组成：1）机械系统（机构）2）电子信

3、息处理系统（计算机）3）动力系统（动力源）4）传感检测系统（传感器）5）执行元件1.1 机电一体化系统构成1.3 机电一体化系统功能构成 机电一体化系统(或产品)是由若干具有特定功能的机械与微电子要素组成的有机整体，具有满足人们使用要求的功能(目的功能)。根据不同的使用目的，要求系统能对输入的物质、能量和信息(即工业三大要素)进行某种处理，输出所需要的物质、能量和信息。1.2 系统功能构成 机电一体化系统要素与人体构成要素的关系机电一体化系统要素功 能人体要素控制器控制（信息处理，传送）头脑检测传感器检测（收集信息与变换）感官执行元件驱动（操作）肌肉动力源提供动力（能量）内脏机构构造骨骼1.4

4、 机电一体化系统的评价标准 机电一体化系统的一大特点是：由于机电一体化系统的微电子装置取代了人对机械的绝大部分的控制功能，并加以延伸和扩大，克服了人体能力的不足和弱点。另一大特点是：节省能源和材料消耗。这也是评价机电一体化系统设计好坏的标准。 1.4 机电一体化系统的评价内容注：要从系统设计方法出发，采用先进的技术和设计手段（CAD,仿真，优化）来保证。1.5 机电一体化系统的主要特征1）功能增强，柔性提高。 可以一机多用，可以根据环境需要做适当 调整。2）结构简化，改善性能。 通过有效控制可以大大简化机械结构，如 减少齿轮及凸轮传动等等3）效率提高，成本降低。1.6 机电一体化系统的关键技术

5、1，应用力学：应用力学是机械技术的主要理论基础，如材料力学， 断裂力学，损伤力学，结构力学，结构动力学，振动 力学，流体力学（包括空气动力学），海洋工程力学 等等。2，机械设计学：机械设计学是一门学科，也是一门艺术，出现了计 算机辅助设计（CAD），计算机辅助工程分析(CAE）， 计算机仿真虚拟现实技术，系统工程等等。1.6 机电一体化系统的关键技术3，制造工艺：精密加工技术，精密切削技术，模具成型技术，超精 密加工技术，微细加工技术，纳米技术，微机械技术（形状记忆 合金，压电陶瓷为动力微机械）等等。4，检测传感器技术：主要是各种微特智能传感器技术。5，自动控制及伺服系统技术：经典线性控制技术

6、，以多变量，非线 性，时变系统为特点的现代控制技术（神经网络控制，模糊控制 等等）。1.7 机电一体化所需的基础知识 为了更好的进行机电一体化系统设计，有必要对所学过的知识进行一下回顾和总结。 首先看一下机电一体化系统结构（如图1.5所示)1.5 机电一体化系统结构框图1，动力驱动系统： 电力驱动，液压驱动，气动驱动。1）电力驱动：直流电机，交流电机，步进电机，电工学知识。2）液压驱动：液压泵，液压马达，液压缸，伺服阀，伺服马达 等，用到液压原理，流体力学方面的知识。2，传动系统：机械传动机构，减速器。1）机械传动机构：齿轮传动，连杆传动，丝杠传动，凸轮传动， 皮带传动，液压传动，气动传动等等

7、2）减速器：渐开线圆柱齿轮，蜗轮蜗杆，行星齿轮，谐波减 速器，无级变速器等等。用到机械原理，机械设 计，运动学，动力学等方面的知识。3，执行机构： 1）按用途分：微动机构，夹持机构，搬运机构，分度与转 位机构，施力机构等等 2）按形式分：平面连杆机构，凸轮机构，齿轮机构，螺旋 机构，棘轮机构，组合机构等等。 主要用到机械原理，运动学，机械设计等方面的知识。4，控制系统：开关量继电器控制，开关量PLC控制，模拟量控制技 术，数控技术，接口电路(A/D,D/A,滤波，放大）等等。 主要用到计算机控制，电工电子学，PLC控制，控制理论，优化理论，计算机编程语言（如C语言），模糊控制和神经网络控制理论

8、等等。5，检测传感器：温度传感器，湿度触感器，力传感器，压力 触感器，力矩传感器，位移传感器，速度传感器，加速度 传感器，触觉传感器，气体传感器，图象色彩传感器等。 1）温度传感器：热电阻式，半导体热敏电阻式，热电偶式， 晶体管PN节式温度传感器等等。 2）位移传感器：光栅尺，光电码盘，旋转变压器,感应同步 器，光纤位移传感器，电涡流位移传感器等等。 3）速度传感器：测速发电机（交流，直流），霍尔速度传感 器，磁电式速度传感器等等。 4）加速度传感器：压电式，压阻式，金属挠性，石英挠性， 光纤加速度传感器等等。5）力传感器：应变式，膜片式，电感式，压电式，压阻式， 霍尔压力传感器。6）图象色彩

9、传感器：电荷耦合器件（CCD），电荷注入器件 （CID），光纤图象传感器，半导体色彩传 感器等等。 用到物理学，光学，电磁学，材料学等诸多方面的知识。1.6 传感器系统构成第二章 设计理论和方法2.1 机电一体化产品的设计程序 机电一体化系统的设计不但要求其满足功能要求，而且要考虑人性化设计理念（包括审美，舒适，环保等）。 从工作心理学的角度看：设计是一种创造性的智力活动。 从方法学的角度看：设计是按给定的目标和在部分地相互矛盾 的条件下的求优过程。 从组织学的角度看：设计是创造价值过程中的主要部分，是对 毛坯进行精制的过程和对产品品质精心提高 的过程。这样的工作只有在和从事其它活动 的人们的

10、合作中才可以实现。 机电一体化系统（产品）设计步骤 设计目标（需求） 系统分解 系统综合 系统分析（CAE） 系统优化 可靠性分析2.2 机电一体化产品的设计类型1）开发性设计：是一种从无到有的全新设计，既没有参考样机，又 没有具体设计方案参照的情况下，根据抽象的设计原理，按拟设 计的系统的功能要求而进行的创造性工作。2）适应性设计：是指在总的方案原理基本不变的情况下，对原有系 统进行局部变动和改进，以适应增强功能，提高性能或降低成 本，延长寿命的目的。3）变参数设计：是指在设计方案和功能结构不变的情况下，通过改 变规格尺寸，速度，力或功率等参数，以满足市场对产品系列化 要求而进行的设计。 机

11、电一体化产品设计实例（飞船对接模拟仿真系统） 有限元结构变形计算有限元结构变形计算有限元结构变形计算 结构模态分析计算 控制系统仿真分析系统幅频特性2.3 机电一体化产品设计的相关因素 任何产品都有其特定的功能和一定的外部形状，产品设计涉及到功能，技术和审美三个方面的内容，三者互相依存，互相制约，互相渗透，组成一个矛盾的统一体。1，功能因素 1）技术性能：指产品本身有关的技术参数，如产品的应用范围，工作效率，加工精度，可靠性，使用寿命等等。产品的技术性能是反映产品内在质量的主要技术指标，是体现功能的主要方面。设计师必须运用可能的工艺和艺术手段，使产品的内在性能和外部造型得到相互协调。2.3 机

12、电一体化产品设计的相关因素 2）使用功能： 包括三方面：产品本身应具备的功能；产品与使用者配合的功能；产品与环境相适应的功能。2，技术，经济因素 1）技术与设计：材料，结构，工艺是产品设计的物质基础，一方面技术制约着设计，另一方面技术也推动着设计。 2）设计与经济性：产品设计必须注重成本，应做到以最小的财力，物力，人力，时间来达到最佳的经济效果（质量，功能和成本是相互矛盾的）。 2.3 机电一体化产品设计的相关因素 3，审美因素 1）时代性与创新：时代性和创新是产品设计的重要特征，他关系到 产品造型的成败与生命力，是审美因素中最灵活，最重要的因素 审美观点是随时代的发展不断变化的，设计师应该具

13、有创新意 识，使产品设计更加符合审美要求，以便提高产品的价值。 2）审美法则： A：统一与变化：一个产品是由若干零件组成的，各部件的形 状，功能，材料，色彩各不相同，设计师应根据“统一与变化”美 学准则，使产品设计外形具有多样变化，又整体协调统一。2.3 机电一体化产品设计的相关因素 B：均衡与稳定：艺术造型中的均衡是指对象的体量在人们的视 觉感受上符合力学原理，保持平衡安定，从而取得外观庄严， 稳定，安详的艺术效果。造型中的稳定问题是解决造型物的上 下或大小所呈现的轻重感关系，在视觉要给人以安全感。 C：比例与尺寸：比例是指造型对象各部分之间，各部分与整体 之间的大小关系。尺寸则是造型对象的

14、整体与人的生理或人 所习见的某种特定标准之间的关系。 2.3 机电一体化产品设计的相关因素4，设计师的素质和能力 1）基本能力：接受与综合新思维能力；自我提高与探索能力；设 计管理与相互合作能力；发现问题，分析问题和解决问题的能 力。 2）行为能力：基本能力是解决观念问题的基础，行为能力是实现 观念，完成设计过程的操作表现。包括：设计表现能力；实现 制作的动手能力；造型设计能力以及设计材料，结构，工艺的 应用能力等等。 设计师应除了具有丰富的知识以外，还要注重综合素质的提高。2.4 机电一体化产品设计的构思方法1，自由构想法：是充分调动设计师的潜在想象力，让其无拘无束， 自由发挥，提出设计构想

15、。包括智力激励法和希望点列举法。 1）智力激励法：又称头脑风暴法，是美BBDD广告公司的副总经 理奥斯本提出的一种创造技法。通常以会议形式实施，510 人组成，主持人以启发诱导方式主持会议，让与会者自由构 想。发言的原则：A：禁止批判；B：自由奔放；C：踊跃发言； D：借题发挥，在他人想法基础上提出更为新奇的想法。 2）希望点列举法：不仅仅围绕现有产品进行设想，而且是设计者 从用户意愿出发的主动创新方法，即主动去满足用户希望。 2.4 机电一体化产品设计的构思方法2，系统构想法：包括奥斯本提问法，属性列举法。 1）奥斯本提问法：关键环节是发散思维，为了扩展思路，建议从 不同角度发问，把这些角度

16、归为几个方面，针对研制的产品逐 一检查，讨论得出有价值的结论。 2）属性列举法：也称特性列举法(美国大学教授罗福德提出的）。 其做法是：先将所研究的对象分解成细小的组成部分，然后将 个部分具有的功能，特性，属性以及与整体的关系尽量列举出 来，并做详细记录。经过详细分析后，提出问题，改善其结 构，功能，材料等，确定方案以满足人们的需要。2.4 机电一体化产品设计的构思方法3，5W2H方法：是美国陆军首创的提问方法。主要步骤:A:why-为什么要设计此产品；B：what这种产品是做什么的，有何功能；C：WHO为谁设计（使用对象）D：WHEN产品的使用时间，设计时间；E：Where产品的使用环境；F

17、：How to do？怎样设计，结构如何，材料，颜色，形状如何？G：How Much？大批量还是小批量。 2.4 机电一体化产品设计的构思方法4，类比构想法： 1）拟人类比：问题人格化，拟人化。 2）象征类比：以事物的形象或象征性的符号来比喻问题，尽可能使 设计问题的关键简化，摆脱某种模式的框框，从而启发创造性设 想的产生。 4）仿生学方法：以生物系统为原型，具有生物系统的特点或与生物 系统相类似。一般过程：寻找原型，分析原型，模拟试验，创造 发明。 还有直接类比，幻想类比方法等等。2.5 设计的表现方法一， 设计表现的意义 1. 设计的手段在产品设计过程中，设计师借助形象的表现方 法，绘出逼

18、真的效果图，制作出精确的实体模型，比用文字或语 言来阐述设计方案更加明了、直观；应用设计表现，我们能够快 速地将头脑中模糊不清的构想落实在图纸上，转化成实物模型，以 便进一步探讨、修改、完善。 2. 交流的工具产品的造型开发设计是一种群体活动，要求设计 师能有效地将自己的构思表达出来，或画出效果图，或制成模型， 以方便同行的交流，与工程师探讨，供有关领导审定、决策；最 后交生产企业实施。 2.5 设计的表现方法3. 提高设计能力的方法工业设计是一门实践性很强的学科，设 计师只有通过大量的设计实践活动，才能提高自身的设计能力。 在设计过程中，设计师通过勾画大量的构思草图、效果图和研制 各种空间模

19、型，提高了对形态的认识能力和造型感觉，增强了设 计师的审美意识和艺术修养，从而提高了设计师的设计能力和设 计水平。 二，平面表现及特点 1，设计草图 设计草图是一种快速、简要的平面表现方法，它是设计师收集资 料、记录构思、表达意图的有效工具和手段。 设计师以设计草图的形式，快捷地记录下所见所闻，扩大自己的 设计“词汇”，为以后的设计作好准备。 在设计过程中，设计草图能够“捕捉”到设计者头脑中一闪的“形 象”，把一个较为模糊、尚不具体的意想加以明确和具体化，推动 构思进一步深化。 设计草图还能及时地交流设计师与工程技术人员的技术信息，表达 设计师的想法。 二，平面表现及特点 2，效果图 与草图相

20、比，效果图表现的设计更加成熟，完善；主要为决策领导层和有关专家审定，同时也可作为广告宣传。这类图要求技巧较高，对所设计的内容要做全面，细致，真实的表现。3 计算机绘图 在计算机飞速发展的今天，计算机辅助设计已成为一种必然；应用计算机有关设计软件进行三维建模，实体渲染，所得到的效果图，不论在表现产品的材质色彩，还是体现产品实际比例尺寸方面，均有其独到的优势。计算机绘图准确，没有人为的视觉误差，图面表现的可信度高，与实际产品更加接近。计算机绘图修改方便，可塑性好，即可以作构思方案，也可作最终效果。计算机绘图是产品设计表现的发展趋势。 三，立体模型表现 1，立体模型表现的特点及形式 相对平面表现而言

21、，模型表现更具有真实性、完整性和时空性等方面的特点。模型的真实性，首先表现在模型作为一个实体，无论在表面材料的色彩、质感上，还是在形态的立体感上，都远比平面的效果图形象、直观；其次，模型的制作过程也是设计和实现方案的超前实践，是设计的深入与完善过程，是从理想迈入客观现实关键的一步。 模型从功能上区分，主要有两类：一类是设计模型，另一类是效果模型。模型多采用易于雕(减)塑(加)的材料，如油泥、陶土、复合泡沫等。2,计算机辅助快速成型 当今，与计算机设计相适应，快速成型技术得到迅速发展；快速成型设备提取计算机模型的真三维数据，采用不同的方法：如切割、融化、激光固化等，不同材料：纸、ABS工程塑料、

22、光敏树脂等快速、准确地制作出各种模型。这也是产品设计模型制作的一种发展趋势。2.6 现代设计方法发展前沿 设计方法是随社会、经济和科技的进步而不断发展的。工程实际中涌现出许多新的设计思想和方法，如摩擦学设计、创新设计、稳健设计、并行设计、绿色设计、优势设计、模糊设计、智能设计和反求设计等。这些设计思想和方法都是随着社会的发展，人们观念的更新和科学技术的发展而提出的，并由于它们对节能、环保、改进产品性能和增加产品市场竞争能力等方面的重要性而受到越来越多的注意。但这些思想和方法大多都处于快速发展和不断完善的过程中，有的提法还有争议。本节只简单讨论一下创新设计、快速响应设计和并行设计。2.6.1 创

23、新设计技术 创新是设计的本质，是设计活动的最终指标。没有创新就没有丰富多彩的世界。在激烈的市场竞争中， 创新设计是产品适应新的市场形势的最好途径，创新产品能满足甚至创造出新的需求。 在制造业中，我们一般把产品的技术创新分为如下两类： 1）无重要新技术，但在形式上翻新，因而能获得相应竞争能力， 例如按用户定单生产不同颜色的自行车等。 2）含有重要新技术，使产品竞争力有重要提高，或形成新竞争力的制高点。例如电动汽车。1，创新及其设计思维 创造性思维具有两种形式：直觉思维与逻辑思维。 1）直觉思维：是一种在下意识状态下，对事物内在复杂关系 突发式的领悟过程，具有创造灵感忽然降临的色彩。 2）逻辑推理

24、思维：在市场竞争十分激烈的情况下，企业必须 根据市场上出现的需求，快速地创造开发全新的产品去占 领市场，单凭依靠天赋灵感的创造方式显然不能满足要求。 根据所提出的创造目标，进行逻辑推理式的思维，把目标 展开、分解和综合，寻求各层分目标的解，然后找出最终 整体解，用主动的可按部就班的工作方式向目标逼近，这 就是逻辑推理型创造思维方式。2，创新思维法则 1）激发创造激情 科技史中，凡作出重大创造发明的人，都是充满创造激情的 人。人的智力活动在激情的支配下，才会更加活跃，易形成灵 感。创造激情的激励手段可以是精神鼓励，经济刺激，政治动 员，甚至民族感情。 2）增强信息获取方式 创造是建立在大量知识和

25、信息的基础上的，在创造发明的竞争中，信息的快速获取是成败的关键因素。 3）促进知识融合 科学技术发展到今天，学科界限越来越模糊，创造发明往往是多学科知识融合的结果。3, 几种思维形式1）分析与综合思维：是一个逻辑性很强的思维过程。首先对创造的 对象，任务或设想进行分析，对问题进行清晰，明确地描述，然 后去伪存真，由表及里地把本质与非本质的问题加以区别。综合 是分析的反向过程，在求得各子问题的解之后，必须建立联结， 构成总体，实现最终需要的总体功能。2）对应与联想式思维：科学史上很多发明创造都是对应联想的产 物。 如：人们看到鸟在飞翔，看见鱼在水中游，就联想到如何实现像 鸟和鱼的功能，最终人类发

26、明了飞机和轮船。3, 几种思维形式3）离散与组合式思维：很多事物将其分解意味着创新；也有很多事 物，彼此组合意味着创新。例如：眼镜片与镜架分离，成为隐形 眼镜，电话听筒与主机分离，成为子母式电话机。但是相反，电 视与电话组合，成为可视电话。有人预言，未来的机械将是由大 量的、专业化程度极高的功能模块组成。4）换元与移植式思维：客观事物都有内在的运动规律，有很多规律 表现的因素不同，但规律相同。 如：三大数学物理方程并没有针对特定的物理量，但却在振动， 热传导、液体动力学不同领域得到应用。2.6.2 2.6.2 并行工程并行工程 并行工程(Concurrent Engineering)又称同步工

27、程或并行设计，是一种系统工程的方法。传统顺序工程方法遵循遵循“概念设计一详细设计一 过程设计一加工制造一试验验证一设计修改”的流程。由于这种方法在设计早期不能全面地考虑下游的可制造性、可装配性、质量保证等多种因素，难以满足激烈的市场竞争的需求。 并行工程指的是一种工作模式，即在产品开发和生产的全过程中涉及的各种各样的工程行为被集成在一起，并且尽可能并行起来统筹考虑和实施。 并行工程的目的：是减少产品周期，开发中的弯路与反复，缩短产品的开发甚至做到产品开发一次成功。它在产品的设计过程中就通过计算机仿真，预测所设计的产品可能出现的问题，并及时地修改设计，直到满意才投人生产。 并行工程就是将设计、工

28、艺和制造结合在一起，利用计算机互联网并行作业，可以大大缩短生产周期。2.6.3 快速响应设计技术 快速响应工程主要包括以下一些内容： (1)建立快速捕捉市场动态需求信息的决策机制。 (2)实现产品的快速设计（CAD/CAE/CAM技术及并行工程)。 (3)追求新产品的快速试制定型（快速成型RP及虚拟制造技）。 (4)推行快速响应制造的生产体系：采用合理的管理组织方式， 并尽量采用先进制造技术，如加工中心等等。2.6.4 现代设计技术特点1) 设计范畴的扩展化:设计范畴正在扩大，传统的设计只限于产品 设计，而现代设计则将产品设计向前扩展到产品规划，甚至用户 需求分析；向后扩展到工艺设计，使产品规

29、划、产品设计、工艺 设计形成一个有机的整体。2) 设计手段的计算机化:传统的手工设计正在被计算机辅助设计所 代替。计算机在设计中的应用已从早期的辅助分析计算和辅助绘 图，发展到现在优化设计、并行设计、三维建模、设计过程管 理、设计制造一体化、仿真和虚拟制造等。2.6.4 现代设计技术特点3) 设计过程的并行化: 并行设计技术是目前最热门的技术之一，由 于与产品有关各种过程的并行交叉进行，可以减少各种修改工作 量，有利于加速设计进程，提高设计质量。又由于并行设计技术 要求团队工作精神，要求各方面的专家协同工作，有利于得到整 体最优解。4) 设计过程智能化:在传统的设计过程中，一切创造性的设计都需

30、 要设计人员来完成。但在现代设计中，却可以借助人工智能和专 家系统技术，由计算机完成一部分原来必须由设计者进行的创造 性工作。2.6.4 现代设计技术特点5)设计手段的拟实化:在传统的设计过程中，产品和零件的外观形状 只有在制造后才能看到。由于三维造型技术，仿真和虚拟制造技 术，以及快速原形技术的出现，使得人们在零件被制造之前就可 以看到它的形状甚至摸到它，可以大大改进设计的效果。6)分析手段的精确化:传统设计中，认为载荷和应力是集中的，靠加 大安全系数来提高可靠性；但在实际中，载荷和应力却往往是分 布性的，并且提高安全系数并不总能提高可靠性。现代设计则可 考虑载荷和应力的分布特性，利用有限元等功能强大的分析工具， 准确模拟系统的真实工作情况，得到符合实际情况的最佳