机电一体化设计基本原理及方法

1、第二章 机电一体化产品设计的基本原理及方法,2.1 机电一体化产品设计过程,设计过程： 市场调查概念设计 方案设计（初步设计）结构设计（详细设计）,一、市场调查,主要涉及到以下内容：,消费者的潜在需要,2. 用户对现有产品的反映,3. 产品市场寿命周期产生的阶段要求,4.竞争对手的技术挑战,5. 技术发展的推动,6. 社会的需要,二、概念设计,概念设计：通过构思确定设计任务和用简图形式表达的设计问题的一个求解轮廓。 如功能方案的空间结构关系，大致的成本、重量、尺寸以及可行性等设想。,例如，设计一辆专门用于西部的有轨电车,三、功能原理方案设计（初步设计）,根据设计任务书提出的参数和要求，提出实现

2、这些要求的技术方案原理性的构思。 是用一种新的物理效应来代替旧的物理效应， 使所设计的产品在工作原理发生根本性的变化， 但是并未涉及到具体结构尺寸的设计计算。,包括： （1）功能模块的划分； （2）功能模块的求解； （3）功能模块的组合； （4）方案筛选。,四、结构设计（详细设计）,结构设计是方案设计的实现，即对筛选出来的方案的每一个细节进行详细的考虑和具体的设计。 例如，所有电子元器件的规格参数、安装位置和尺寸、机械零部件的材料、尺寸、公差等等；零件加工图、总装图、设计计算说明书，维护说明书、检验标准等。,2.2 产品的功能原理方案设计,一、功能分解,基本功能：必须保证的功能，在设计中不能改

3、变。 附加功能：可随技术条件的或结构形式的改变而取舍或改变。 非必要的功能：设计者主观加上去的，可有可无。,功能的分解指对产品的必要功能进行分解。,1、黑箱法,将待设计的系统暂时看成一个黑箱，然后根据系统的输入输出关系来确定系统功能原理解的一种方法。,例如：例如用黑箱法进行露天矿开采挖掘机的功能原理方案设计,2、功能树法,例如：设计露天矿开采挖掘机。其功能树为：,二、寻求功能元解,设计目录法：通过查找功能元解的目录来寻求问题 的答案。 直觉法： 设计师凭借个人的智慧、经验和创造能力， 来寻求各种分功能的原理解。 调查分析法：在了解当前国内外技术发展状况，查阅 大量参考资料的基础上，改进陈旧落后

4、 的旧产品、开发新产品，构思新方案， 以寻找功能原理解。,1、功能元的抽象描述,2、常用的功能元解,转变、缩小、放大、变向等机构,三、功能元解的组合 1、分功能之间的结构关系,（a）串联结构,(b)并联结构,(c)环形结构,2、功能元解组合,组合方案数=33 2 3 1 4 4 3 4=10368 若方案为：（A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1） 履带式正铲机械挖掘机 若方案为：（A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+I2） 轮胎式正铲液压挖掘机,四、方案评价（选择表法）,例如：欲设计一个储油量测量仪传感器。设通过功能分解、求取功能元及功能元解组合等得出了多种方案：

5、a1，a2，a3，a4，a5，b1，b2，b3，c1，c2，c3，d1，d2，d3，d4，d5，e1，f1，f2,只有决策结果为全正号的才是可以考虑和比较的方案。,例二. 瓶盖整列装置设计,任务要求：,功能分析,功能元求解目录表,评价,2.3 产品的结构设计（详细设计）,一、系统结构的任务,结构设计是功能原理方案设计的实现,要确定产品的总体布局主要技术参数计算、确定元器件规格、尺寸零件图、总装图的绘制技术经济分析 技术文档的整理等。,二、结构总体设计的步骤,三、结构设计时应该引用的一些基本原理 1、任务分配原理,相同功能的任务分配,不同功能任务分配,2、稳定性原理,3、力传递原理,4、等强度原

6、理,5、自补偿原理,自平衡是在工作状态下，辅助效应和初始效应相反并达到平衡状态，取得满意的总效应 自保护是指系统在超载工作时，其结构中元件产生保护效应，使系统免于受损 自增强是指在正常工作状态下辅助效应与初始效应的作用方向相同，总效应为两者之和,6、力平衡原则,通过相应的结构措施,使一些无用的力在其产生处立即被部分或全部平衡掉，以减轻或消除不良的影响。,7、结构设计变元法,结构设计变元：指机械结构可改变的基本元素。,结构设计变元法：运用变性原理和组合原理对机械结构变元进行组合，从而产生一种新结构的创新设计方法。,2.4 控制系统的设计,一、控制系统设计内容和步骤,1、确定控制系统的总体方案,控制过程描述、编制任务说明书、确定各个部件的设计参数和性能指标,2、建立数学模型并确定控制算法,即建立系统的输入、内部状态和输出之间的逻辑函数关系，确定控制算法。,二、控制器选择,工控机、单片机、可编程控制器、现场总线控制、