机电结构设计方法

机电控制基础与实践（需求分析，方案选型，详细设计）王田苗丑武胜北京航空航天大学机器人研究所第一页，共六十八页。一、机电一体化系统设计思想目的：综合运用机械技术和微电子技术各自的持长，设计最佳的机电一体化系统。三种方法：1、机电互补法2、结合(融合)法3、组合法第二页，共六十八页。一、机电一体化系统设计思想1、机电互补法即机械功能电子化，利用电子部件取代机械功能部件，简化机械结构，提高系统的性能和质量，以弥补机械不足。如微型计算机来取代机械式变速机构、凸轮机构、离合器等机构，代替插销板、拨码盘、步进开关等；变频器取代机床主轴变速箱。

第三页，共六十八页。一、机电一体化系统设计思想2、结合(融合)法将各组成要素有机结合为一体构成专用或通用的功能部件，其要素之间机电参数匹配充分。如激光打印机的主扫描机构——激光扫描镜，其扫描镜转轴就是电机的转子轴。这是执行元件与执行机构结合的一例。随着大规模集成电路和精密机械技术的发展，完全能够设计出执行元件、执行机构、检测传感器、控制与机体等要素有机地融为一体的机电一体化新产品。第四页，共六十八页。一、机电一体化系统设计思想3、组合法将结合法制成的功能部件、功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统，故称组合法。优点：缩短研制周期、节约工装设备费用，且有利于生产管理、使用和维修。例如将工业机器人各自由度(伺服轴)的执行元件、执行机构、检测传感元件和控制等组成机电一体化的功能部件，可用于不同的关节，组成工业机器人的回转、伸缩、俯仰等各种功能模块系列，从而组合成结构和用途不同的工业机器人。第五页，共六十八页。二机电一体化系统的设计类型设计类型分三种：

(1)开发性设计(2)适应性设计(3)变异性设计第六页，共六十八页。二.机电一体化系统的设计类型(1)开发性设计是一个从无到有的创造过程，没有任何参照产品，根据功能和性能要求，按照机电一体化设计原理，设计出满足要求的产品。如最初的录像机、摄像机、电视机的设计就属于开发性设计。

第七页，共六十八页。二机电一体化系统的设计类型(2)适应性设计是在原有产品总的方案原理基本保持不变的情况下，对产品进行局部更改。如用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品的性能和质量提高。例如：普通机床的数控化改造；汽车的电子式汽油喷射装置代替原来的机械控制汽油喷射装置；电子式缝纫机使用电子控制等。

第八页，共六十八页。二机电一体化系统的设计类型(3)变异性设计（变参数）是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸，使之适应于量的方面有所变更的要求。例如：由于传递扭矩或速比发生变换而重新设计传动系统和结构尺寸的设计，就属于变异性设计。第九页，共六十八页。三机电一体化系统的设计准则设计准则：在保证产品的功能、性能和使用寿命的前提下，尽量降低成本。即不要盲目追求“高、精、尖”，而是充分分析用户需求，以最新的技术手段、最简单的结构、最低的消耗，提供最满意的产品。第十页，共六十八页。四、机电一体化系统

总体设计内容总体设计规定了总的基本原理、原则和布局，指导具体设计的进行。

总体设计主要内容有：系统原理方案的构思结构方案设计总体布局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第十一页，共六十八页。五、机电一体化系统工程路线

第十二页，共六十八页。机械设计方法模块化设计可靠性设计动态设计优化设计计算机辅助设计第十三页，共六十八页。机械设计方法

1)模块设计

模块设计采用有限种类的基本组件块作为模块，它们可以满足使用最广、产量较多的所谓基型产品设计的要求，再按模块化原理和相似原理进行变形设计，以适应不同用户的特殊要求。模块设计的产品具有通用性与适用性并存的特征，特别适合敏捷制造的要求。2)可靠性设计

是一种在产品设计之初就考虑其工作可靠性的设计方法。根据可靠性原理，机械部分的可靠性取决于产品的固有品质，它是在设计和研制阶段所形成的，一旦在设计研制阶段留下了没有注意到的缺陷，则在产品制造出来以后发现问题再去解决就要付出相当大的代价，甚至无法解决。可靠性设计可以有效的避免上述情况发生，因此是一种提倡采用的现代设计方法。第十四页，共六十八页。3)动态设计法

建立在控制论基础之上的设计方法，目的在于确定任意输入与干扰信号对系统输出功能的影响。因此在设计中，要进行设计对象在高速度、高精度条件下的动载和弹性动力学方面的精确计算，还要考虑振动与噪声对产品动特性的影响。对线性系统可以采用传递函数与状态方程分析法，在输入某些典型信号的情况下，对其输出信号进行定性定量的分析，从而获得系统、部件等满足稳定性、准确性和快速性要求的各种参数。4)优化设计法

对于一个指定的总体设计方案(通过将其转换为目标函数)进行优化设计，从客观存在的所有满足使用条件要求的具体设计方案组中挑选出一组最优设计方案。例如确定某产品的执行机构采用四连杆方式，则优化设计就可以根据所追求的设计目标(如尺寸最小、重量最轻等)求出一组最佳设计方案。

机械设计方法第十五页，共六十八页。5)计算机辅助设计法

它是在人的参与下，利用计算机系统对设计对象进行最佳设计的一种方法。采用CAD可以快速地进行资料检索、参数计算、确定结构和自动绘图等大量工作，并能对设计方案进行实时修改，从而可以大大减轻人的设计工作量，甚至可以完成人力所不及的工作。CAD提高了产品的质量，缩短了产品的设计周期，有利于产品的市场竞争力。一个完备的CAD系统是可以概括几乎全部的现代设计方法的。因此，CAD将受到机械设计行业极大的重视。

机械设计方法第十六页，共六十八页。

机械传动装置的特性

机械传动装置的良好特性主要表现在：转动惯量小摩擦小阻尼合理刚度大传动系统固有频率高间隙小只有这样才能满足传动系统中传动精度高、响应速度快、稳定性能好的基本要求。

第十七页，共六十八页。

常用机械传动装置机电一体化系统中常用的机械传动装置：

齿轮传动滚珠丝杠螺母副谐波齿轮减速器同步齿形带第十八页，共六十八页。典型机电一体化机械系统X-Y数控工作台并联机床（虚轴机床VirtualAxisMachineTool）机械手第十九页，共六十八页。X-Y数控工作台串联机构:电机-(减速齿轮)-丝杠螺母-工作台第二十页，共六十八页。X-Y数控工作台第二十一页，共六十八页。并联机床（虚轴机床VirtualAxisMachineTool）1994年，Giddings&Lewis公司在美国芝加哥IMTS’94机床博览会上推出的VARIAX并联机床，称为21世纪的机床。

美国Giddings&LewisVARIAX瑞士ETHZ的Hexaglide第二十二页，共六十八页。并联机床（虚轴机床VirtualAxisMachineTool）Metrom公司的PentapodHannover大学的Dumbo第二十三页，共六十八页。机械手第二十四页，共六十八页。机械设计工具(CAD

与虚拟样机)第二十五页，共六十八页。虚拟样机技术

(ＶｉｒｔｕａｌＰｒｏｔｏｔｙｐｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ)虚拟样机技术是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程（CAE）技术。虚拟样机技术是一种基于智能设计技术、并行工程、仿真工程及网络技术的先进制造技术,它以计算机仿真和建模技术为支持,利用虚拟产品模型,在产品实际加工之前对产品的性能、行为、功能和产品的可制造性进行预测,从而对设计方案进行评估和优化,以达到产品生产的最优目标。工程师在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的实物样机试验。第二十六页，共六十八页。虚拟样机技术

(ＶｉｒｔｕａｌＰｒｏｔｏｔｙｐｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ)运用虚拟样机技术，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统级性能，获得最优化和创新的设计产品。根据国际权威人士对机械工程领域产品性能试验和研究开发手段的统计和预测，传统的机械系统实物实验研究方法，将在很大程度上会被迅速发展起来的计算机数字化仿真技术取代。第二十七页，共六十八页。国外软件AutoCADUnigraphics(UG)SolidWorksPro/EngineerI-DEASADAMS第二十八页，共六十八页。国内软件CAXA电子图板和CAXA-ME制造工程师

高华CAD：北京高华计算机公司开发

金银花系统：广州红地技术有限公司开发

开目CAD：华中理工大学开发

第二十九页，共六十八页。一、需求分析（目的，功能，指标，成本，时间）二、方案选型（总体，电机，传感，控制）三、详细设计（分解，结构，计算，仿真，分析，装配）主要内容第三十页，共六十八页。一、需求分析 （目的，功能，指标，成本，时间）第三十一页，共六十八页。需求分析1、主要目的可用于自动控制和机电一体化等专业的机器人课程教学。2、主要功能该二自由度机器人采用直流伺服电机，通过谐波齿轮减速器直接驱动两个关节在水平面内进行运动。第三十二页，共六十八页。需求分析3、主要性能指标

关节1

关节2

运动范围320°300°

最大运动速度3.14rad/s3.14rad/s角分辨率(脉冲当量/转)320000252000

最大展开半径

550mm

末端重复定位精度

0.2mm

重量<60Kg第三十三页，共六十八页。需求分析4、成本分析机械本体加工成本电机及传感器成本、控制系统成本人员与时间成本预计2万5、计划安排有限目标，关键难点，时间进度负责人分工详细的进度安排第三十四页，共六十八页。二、方案选型 （总体，电机，传感，控制）第三十五页，共六十八页。方案选型1、总体结构机电一体化的互补设计原则，机械结构和功能大大简化其组成结构包括：动力源、传动机构、导向支撑机构、机架几部分。机械系统的组成还有作为控制功能的飞轮、凸轮、棘轮机构、槽轮机构等机构。（一个运动）第三十六页，共六十八页。方案选型机械结构机电一体化机械系统的组成：－动力源－传动机构－导向支撑机构－机架几部分。（多个运动）第三十七页，共六十八页。方案选型2、电机选型与计算丝杠传动电机功率的估算同步齿型带传动的电机估算第三十八页，共六十八页。方案选型（电机选型与计算）丝杠传动电机功率的估算第三十九页，共六十八页。方案选型（电机选型与计算）同步齿型带传动的电机估算第四十页，共六十八页。方案选型（电机选型与计算））对于电机的选择，在计算完电机的功率后，还要考虑电机的惯量匹配问题。在电机的惯量同负载的惯量一致时，电机的控制性能最好。第四十一页，共六十八页。方案选型3、传感器选型选用光电脉冲发生器 作为电机的位置和速度测量传感器。第四十二页，共六十八页。方案选型（传感器选型）

传感器的选用原则及注意事项根据使用要求，在众多传感器中选择适合自己所需要的主要性能参数：测量范围、精度、分辨力、灵敏度等在确保其主要性能指标的情况下，适当放宽对次要性能指标的要求切忌盲目追求各种特性参数均高指标，以形成较高的性能价格比第四十三页，共六十八页。方案选型（传感器选型）可采取信号处理某些技术措施来改善传感器的性能平均技术差动技术稳定性处理屏蔽和隔离用户在使用前、使用过程中或搁置一段时间后再使用时，必须对其性能能数进行复测或作必要的调整与修正，以保证其测量精度，这个复测过程就是“校准”注意不同系列产品的应用环境、使用条件和维护要求。环境变化（如温度、振动、噪声等）将改变传感器的某些特性（如灵敏度、线性度等指标），且能造成与被测参数无关的输出，如零点漂移第四十四页，共六十八页。方案选型4、控制系统选型（集中，分层，分布，网络）采用PLC直接组成控制系统基于DSP的PMAC控制卡，作为底层实时控制设备，上层控制系统采用PC基于CAN总线的分布式伺服驱动控制，结构紧凑、扩展方便在以太网的支持下，实现网络连接、多机联网，完成协调控制作业。第四十五页，共六十八页。三、详细设计 （分解，结构，计算，仿真，分析，装配）第四十六页，共六十八页。详细设计

1、机械运动的分解和设计根据系统的完成动作，要将系统的运动分解成可执行的单一运动或它们的组合。也就是说，系统的机械运动都可以用几个简单的运动来进行组合。机电产品的主要功能中,可以发现有一些功能是模拟人的动作.这些动作包括抓\拿\按\敲\旋等,而这些动作都可以用伸缩\旋转\摆动这几个运动来组合. －直线运动 －旋转运动 －摆动第四十七页，共六十八页。详细设计

1、机械运动的分解和设计系统的运动分解方案不是唯一的，运动的次序同整体结构布局有关，也影响到整个系统的方案。对于同一种运动有不同的机构来实现，各个机构的效果有时不一样。第四十八页，共六十八页。详细设计

2、机械总体结构设计要根据系统的功能、选型、成本，进行结构设计。需要考虑几个方面：1）工艺性2）成本（捆钞机）3）外型设计（教学机器人）第四十九页，共六十八页。详细设计

2、机械总体结构设计从传递运动的角度看机械结构（要看动力源）运动形式：对于不同的动力源采取不同的机构。 －旋转运动改变成直线运动（丝杠，直角坐标里常见） －直线运动改变成旋转运动或摆动，（齿轮齿条气动或电磁铁）－旋转变摆动（连杆机构、凸轮机构）第五十页，共六十八页。详细设计

2、机械总体结构设计在机构里，是否要改变运动速度，改变运动速度的机构，采用减速器。 减速器 （谐波减速器，齿轮减速，丝杠减速，同步带减速，刺轮减速）第五十一页，共六十八页。详细设计

2、机械总体结构设计教学机器人的结构设计（工艺性）动力源采用的是电机，有旋转到摆动，控制改变方向为了减轻惯性负载，将第2个电机后置，减小第一关节的负载。第五十二页，共六十八页。详细设计

3、机械系统的基本设计计算机械系统的设计都是以参数计算为依据。计算包括许多的内容，包括强度、刚度、寿命、传动比等。有的参数是实际应用提出的，有的是为了保证应用要求在系统中通过计算提出的。由于机构的设计日益单元模块化、在进行机械系统的设计时，有些计算可以查表，一些只需进行单元机构的选择计算，有一些基本设计还需计算。机械系统的精度设计及精度分配。机械系统的惯量计算。机械系统动力源的功率估算。第五十三页，共六十八页。详细设计

3、机械系统的基本设计计算（精度组成）机械系统的精度设计和精度分配。将误差按系统误差和随机误差分类，分别进行计算。在此基础上对系统的误差进行分配，在保证总体精度的前提下，使各个子系统的精度尽可能的低。第五十四页，共六十八页。详细设计

3、机械系统的基本设计计算（精度组成）精度包括系统的设计精度、控制精度、加工精度、传动精度。设计精度包括系统的运动计算的省略和简化，原理上的近似规划。控制精度包括反馈精度和控制系统对反馈信号的采集频率精度（传感器）。传动精度包括系统的运动传动过程中所产生的误差。加工精度包括零件的加工和产品的装配精度。第五十五页，共六十八页。详细设计

3、机械系统的基本设计计算（精度组成）教学机器人的传动精度误差包括谐波减速器的传动误差9分、二关节还包括同步带的传动误差。控制精度包括编码器500线、大臂的减速比1：80，小臂的减速比1：63。因为传感器安装在电机后面，故控制精度主要包括传感器码盘精度。第五十六页，共六十八页。详细设计

3、机械系统的基本设计计算（精度计算）教学机器人的传动精度教学机器人的码盘控制精度教学机器人的设计精度第五十七页，共六十八页。详细设计

3、机械系统的基本设计计算（精度分配）精度计算结果分析：大臂的传动精度影响较大，在系统的设计中应该给大臂的误差分配较大的值，使大臂子系统的精度尽可能的低，达到最佳性能价格比，减小系统的费用。同样，在合理的范围内调节它的传动精度可以大大提高系统精度。第五十八页，共六十八页。详细设计

3、机械系统的基本设计计算（惯量计算目的）转动惯量是一种惯性负载，它影响系统的响应速度和系统的驱动功率。系统的惯量计算，可以分析系统的惯性负载，找到降低系统惯性负载的方法，估算系统的驱动功率。第五十九页，共六十八页。详细设计

3、机械系统的基本设计计算（惯量计算内容）

——圆柱体惯量计算内容圆柱体惯量的计算公式为：第六十页，共六十八页。详细设计

3、机械系统的基本设计计算（惯量计算内容）

——平行移轴惯量计算内容平行移轴惯量计算：第六十一页，共六十八页。详细设计

3、机械系统的基本设计计算（惯量计算内容）

——惯量折算公式有减速机构的惯量折算：第六十二页，共六十八页。详细设计

3、机械系统的基本设计计算（惯量计算内容）

——工作台的质量折算公式工作台是移动部件，它折算到丝杠上的惯量为：第六十三页，共六十八页。详细设计

3、机械系统的基本设计计算（惯量计算内容