机电一体化第一章机电一体化系统设计基础知识.ppt

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1、第一章 机电一体化系统设计基础知识,第一节 机电一体化系统设计基本知识第二节 机电一体化系统设计原理与设 计方法第三节 现代设计方法在机电一体化系统设计中的应用习题与思考题,第一节 机电一体化系统设计基本知识,一、机电一体化系统的基本概念“机电系统”这个名词，使用非常广泛。在不同的词典、手册和专著中对机电系统的定义大都是：机电系统是由相互作用和依赖的若干组成部分按一定要求和性质组合成的、具有特定功能的有机整体。1.机电系统的特征(1)集合性。机电系统是由许多不同功能单元的集合体。(2)关联性。机电系统的各个组成部分之间是具有互相联系和互相制约的单元。(3)功能性。机电系统各部分具有特定的功能，

2、特别是人们根据工程要求所设计或改造的各种系统，总是具有一定的功能性和应用性。(4)环境适应性。机电系统总是存在并运用到一个特定的工作环境中，与环境不断进行物质、能量、信息的交换。设计任何系统都必须适应不同环境工作要求,上一页,下一页,返回,上一页,下一页,2.机电系统工程设计的基本原则(1)整体性原则。也就是说要把机电系统当作一个整体，应具有整体大于它的各部分的总和的思想，这就准确地反映了整体性原则的本质。(2)综合性原则。任何机电系统都具有多方面的特性，涉及多方面的技术知识。(3)科学性原则。在处理设计问题时应按照科学的顺序和步骤进行，环环相扣，并不断通过信息反馈加以分析检查改进，且尽量使用

3、定量方法。二、机电一体化系统各组成单元的基本功能1.机械单元功能机械单元是机电系统或设备的组成部分之一，机械单元的设计必须结构合理，减轻质量和提高精度。为了减轻质量，除了合理进行结构设计外，主要应考虑采用非金属复合材料。,返回,2.传感器单元功能传感器单元是实现物理信号的检测，转换输出功能。传感器检测信号有：压力、温度、加速度、流量、位移、速度、角度、高度、湿度等。各种传感器与其他仪器配合可组成检测系统，检测控制系统，多参数测试系统等，是机电系统设计的主要部分。3.控制单元功能控制单元一般包括计算机主体、可编程序控制器及其配套的输入输出接口设备。可实现程序控制、检测信号判别计算控制、多参数控制

4、功能等。在机电一体化系统设计中，存在着处理计算速度、可靠性、抗干扰以及标准化问题。4.驱动单元功能驱动单元按不同的动力源，一般可分为三类：电动、气动、液压，主要功能是驱动各种执行设备，例如，各种电动机、各种开关元件、机械装置等。5.动力单元功能机电一体化系统常用的动力源有三类：电源、液压源、气压源。目前电源是动力源中应用最多的动力源，已有许多种专用电源，可供机电一体化系统设计选择,上一页,下一页,返回,6.执行单元功能在机电一体化系统设计中，执行单元是实现控制的关键。它包括各种电动机，带动机械负载完成各种动作，各种电磁开关完成多种参数的控制。所以，执行单元必须与驱动单元匹配，提高控制精度及控制

5、的可靠性。7.接口单元功能将机电一体化系统各组成部分连接起来的元件或电路称为接口。接口设计应采用同一标准规格，这不仅给信息传输和维修带来方便，而且可以简化设计。采用标准接口可使成本降低，最基本的要求是输入、输出接口要标准，特别是计算机系统，输入输出硬件必须采用标准化接口。软件的设计与硬件接口设计必须采用标准化方式。三、机电一体化系统设计中的关键技术 1.传感器与检测技术传感器技术是机电一体化的关键性技术。机电一体化系统或产品的柔性化、功能化和智能化都与传感器的品种多少，性能好坏，结构尺寸密切相关。传感器技术自身就是一门多学科、知识密集的应用技术。,上一页,下一页,返回,2.信息处理技术信息处理

6、技术包括信息的输入、识别、变换、运算、存储及输出技术。信号的分析与处理是否准确，可靠、稳定、快速性，直接影响到机电一体化系统或产品的性能，因而也是机电一体化系统设计的关键技术。信息处理的硬件设备主要有输入和输出设备、显示器、磁盘、计算机、可编程序控制器及接口电路等。3.自动控制技术自动控制是指在没有人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的工作规律运行。自动控制技术的广泛应用，在机电一体化系统或产品中起着极为重要的作用。4.伺服驱动技术伺服系统是实现电信号到机械动作的控制转换系统，对机电一体化系统的动态性能，控制质量和功能具有决定性的影响。伺服传动装置是伺服系统的一部分，主

7、要包括伺服驱动器和伺服机械传动装置两个内容。常见的伺服驱动器有电液电机、脉冲油缸、步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等。,上一页,下一页,返回,5.接口技术机电一体化系统是机械、电子和信息等性能不同的技术有机地结合一体的集合系统，其构成单元或子系统之间的接口极其重要。从系统整体看，机电一体化系统是通过许多接口将各组成单元的输入/输出联系为一体的系统。6.机械技术在机电一体化系统设计中，各种机电产品的结构设计，都需要利用机械设计技术，例如：智能式静态压力标定系统、工业机器人、正弦压力校准系统、动态力校准系统，各种自动化生产线系统，磁带机，打印机等，这些系统的机械结构的设计和制造问题，都属于机械

8、技术的范畴。7.机电系统总体技术机电系统总体技术是以整体目标出发，用系统的观点和方法，把机械与电子的功能在结构上用机电一体化的技术结合。机电一体化系统的多功能、高精度、高性能要求不可避免地要使产品复杂化。所以，在设计机电系统中要求组成单元的功能、精度、性能都要好，如果整体系统不能很好协调，系统照样难以正常运行而不能发挥其应有的性能和作用。,上一页,下一页,返回,四、机电一体化系统（产品）的分类,1.按机电一体化产品的用途分类(1)工业大型成套设备。(2)工业机电设备。(3)信息机电设备。(4)民用机电设备。2.按机械和电子的功能和含量分类机电一体化产品中，相对地以机械装置为主体的产品，可称为机

9、械电子产品，如工业机械；以电子装置为主体的产品，可称为电子机械产品，如信息机械等。3.按机电结合的程度分类可分为功能附加型、功能替代型和机电融合型。,上一页,下一页,返回,五、现代机电一体化系统设计技术的发展,1.现代机电一体化系统的发展目标机电一体化系统设计综合利用传感器、机械、电子、计算机、控制等各种相关技术优势，扬长补短，实现机电系统设计优化的效果，达到显著的社会效益和经济效益，使机电产品性能、功能达到了应用目标(1)提高机电系统精度。(2)提高机电系统功能。(3)提高生产效率，降低成本。(4)节约能源，降低消耗。(5)提高安全性、可靠性。(6)提高操作性和使用性。(7)减轻劳动强度，改

10、善劳动条件。(8)优化结构，减轻质量。(9)降低价格。(10)增强扩展应用功能。,上一页,下一页,返回,2.机电一体化技术的发展根据微电子技术的发展，机电结合的深度以及机械产品发展的要求，机械产品的机电一体化技术发展大致可分成以下几种类型：(1)在原有机械系统的基础上采用微机控制装置，使系统的性能提高和功能增强。(2)用电子装置局部替代机械传动和控制装置，以简化结构，增强控制灵活性。(3)用电子装置完全替代原来执行信息处理功能的机构，不仅简化了结构，还极大地丰富了信息传输的内容，提高了速度。(4)用电子装置取代机械的主功能，形成特殊的加工能力。(5)机电技术的完全融合形成新型机电一体化产品。3

11、.机械制造过程中的机电一体化发展机械制造生产过程包括产品设计、工艺设计、工艺装备、工艺实施、产品检验甚至市场与生产管理等多个生产环节。机械制造生产过程的机电一体化，是机械产品的市场需求与现代生产过程发展的必然趋势。,上一页,返回,返回,第二节 机电一体化系统设计原理与设计方法,一、机电一体化系统设计分析 机电一体化系统设计是一门综合性技术，充分利用多种技术，多种设计方法，设计出多种机电系统。由于设计的系统不同，技术要求不同,使用条件的不同，系统的复杂程度不同，但必须是性能可靠性、适用性与经济性要好。设计技术人员，在设计系统中，必须是对所设计的机电系统进行详细的设计分析，根据用户要求考虑的问题是

12、：操作简便、使用安全可靠、节约能源；根据设计生产考虑问题，缩短研制开发周期，加速产品更新换代；从设计方法考虑问题，根据所设计系统特点采用现代设计方法，创新性设计和功能具有可扩展性设计方法；从设计实践出发，把所设计的系统进行分解，明确哪些功能由机械技术实现，哪些功能由电子技术的硬件和软件实现，能采用电子技术实现的，就不用机械技术实现，以利于简化机械结构，发挥各自的长处；采用图表流程图方式描述系统功能和工作顺序要求；分析所设计的产品应用性，分析设计的产品的自动化程度及其适用性；,上一页,下一页,返回,可靠性分析；结构尺寸及空间布置分析；外形设计分析；特殊功能与可扩展性分析；系统整体结构单元匹配性分

13、析；控制的稳定性、可靠性分析；技术可实现性分析；除了现有技术上实现的单元部件，需要开发研究的单元部件设计分析；制作工艺技术的可实现性分析；产品性能可评价方法分析等，都是需要设计技术人员所明确的问题，有利于缩短设计研制周期和提高设计效率。,上一页,下一页,返回,二、机电一体化系统的设计程序,1.确定机电系统的功能指标 机电一体化系统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.机电系统总体设计机电一体化系统总体设计的核心是构思系统原理方案，即从系统工程的观点出发，把所设计的系统中检测单元、驱动控制单元、执行器单元、负载单元、系统整体结构单元、

14、系统外观等融合在一起通盘考虑，各个单元都采用最能发挥其特长的物理效应实现，并通过信息处理技术把信息流、能量流与系统各单元有机最佳组合，实现系统组合最佳原理方案。3.机电系统单元的设计机电系统总体设计指标是由各子系统单元性能指标来完成，系统单元的设计必须服从系统总体设计要求，因此在设计系统单元时，应按照设计指标进行分析。,上一页,下一页,返回,4.接口单元的设计接口单元要完成系统单元的匹配。机械接口有两种形式，一种是运行单元与执行负载机械之间的联轴器和传动轴，以及直接将执行元件或执行机构联结在一起的联轴器、螺钉、铆钉等，直接连接时不存在任何运动和运动变换。另一种是机械传动机构，如皮带轮、减速器、

15、丝杆、螺母等。5.机电系统设计总体方案的评价在机电一体化系统设计中，系统总体方案的设计必须进行全面的评价分析，主要是对所设计的方案原理上是否合理，系统的功能和性能、结构尺寸设计是否可实现，研制费用计算是否合适等进行全面评价，从中找出最佳方案。6.可靠性、安全性复查在机电一体化系统设计中，无论采用何种现代化的设计方法，选择最先进的高科技系统单元，对于任何一种机电产品既可能产生机械故障，又可能产生电子故障，计算机软件问题。,上一页,下一页,返回,三、机电一体化系统设计的技术文件,在设计机电一体化系统时，应形成一整套设计技术文件，这些设计技术文件是设计工作中每一步研究工作的结果，同时还包括该系统用于

16、制造验收、使用和维护的说明。1.机电一体化系统设计论证报告编写方法(1)设计目的与需求分析。(2)研究内容与范围。根据设计的机电一体化系统（或产品）分解成子系统具体阐述本设计项目研究所涉及的理论、技术、装置及软件。画出设计系统的框图及软件设计的模块流程图。给出设计系统或装置的主要技术参数和主要技术指标。给出设计系统的单元系统分项技术要求。(3)经济效益与社会效益预测。从本项目设计研究的应用和市场需求量，进行价值评估或经济效益预测。,上一页,下一页,返回,(4)机电系统设计实施途径。根据所设计的机电一体化系统（或产品）的内容，分解为单元系统说明实施途径。软硬件设计实施途径应对自行设计加工、技术引

17、进、单元部件购买、合作开发研究等实施方式详细说明。技术实施途径应对采用的设计制作原理、方法、技术和理论作说明。技术实施途径应对单项新型技术研究的方法、研究方案作详细说明。(5)机电一体化系统设计的可行性分析。重点阐述本设计项目的关键技术及解决关键技术的可行性分析。设计系统可选择的单元，技术合作的研究单元的分析报告。设计的机电一体化系统，对于市场需求的产品给出市场信息报告(6)完成项目所需要条件。具备的研究基础:给出已开展过的与本设计系统相关的理论、技术、方法、测试手段、试验设备等研究内容。具备的技术条件:给出已开展过的系统设计，技术条件，研究方法，为完成本项设计的技术支持条件。,上一页,下一页

18、,返回,(7)设计工作进度计划。按照设计工作任务制定年度工作计划，便于研究工作节点检查和评定。(8)设计人员组成。项目总负责人，分项目负责人，主设计人员，实验技术人员等。(9)设计与研制经费预算。总经费预算包括设计费、外协费、材料费、专用费、管理费、试验费、其他费用等。2.设计技术任务书的编写方法(1)产品的名称、代号以及使用方面的简明特性及功能。(2)设计机电系统依据的文件名称；批准文件的部门名称及批准日期；外协项目的名称与代号。(3)所设计产品的用途和功能及发展前景。(4)设计中必须进行的科研和其他工作的论证要求。,上一页,下一页,返回,(5)产品的质量性能指标和使用性能要求。机电一体化产

19、品各组成部分的名称、数量和功能作用；产品主要技术参数及对相关设备的技术参数的确定；对产品寿命、可靠性、准确度、稳定性和维护方便性方面的要求；对生产和使用的工艺性要求。根据这些工艺性要求，产品的制造、使用和维修有可能以短时间、低消耗、高效率达到所要求的质量指标；对于采用标准通用器件和设计中标准化通用化水平的要求；对于安装、使用、维护和修理中保证安全的要求，卫生标准、振动和噪声的允许标准；对于产品艺术造型及人机工程方面的要求；对于所设计的产品使用材料、器件材料的要求；对于使用条件的要求，应用环境条件：温度、湿度、大气压力、日辐射、侵蚀介质、灰尘条件等；另一方面是机械部分工作时的使用载荷；运输条件及

20、保存与包装的要求。,上一页,下一页,返回,(6)预期的经济效益及设计产品的预期水平。(7)设计工作完成期限。(8)设计文件目录，这些文件是在设计的各个阶段中得到的，并须经有关部门验收批准。(9)附录是设计中必须把用到的其他参考资料收集整理，主要包括：图纸、示意图、论证书、设计手册与设计产品有关的工艺装备目录等。其他技术文件则以设计任务书和上一阶段设计工作的结果为依据，结合本阶段的具体设计工作给出本阶段的设计结果。3.机电一体化系统设计工作文件编写方法(1)设计小组要有远景计划，每一名设计人员还要有月工作计划及整体计划。(2)建立科技情报检索机制。(3)熟练地运用各种标准化和规范化的组件、器件和

21、零件，对于提高设计质量和设计工作效率有很大的意义。(4)设计人员和工艺人员在设计工作的各个阶段上应保持经常性的工作合作，对于缩短设计时间、提高设计质量都能起到很大的作用。,上一页,下一页,返回,(5)为了实现设计的合理性，主要取决于设计的规模和特点，同时也受设计部门本身的设计手段限制。影响设计人员工作效率的，还有一些共性的因素：个人对专业的热爱程度；严明的工作纪律；设计人员的进修培训；工作中的奖励；最佳合理的劳动定额；工作环境的美化程度；设计人员的健康等。都必须列入设计计划之中。(6)制定研究定价计划，确保研制生产的正确运行。(7)制定研制试验计划，提高研制试验效率。,上一页,下一页,返回,四

22、、机电一体化系统的设计类型,1.开发性设计在机电一体化系统（产品）开发设计中，没有可参照产品的设计，仅仅是根据工程应用设计技术要求，设计出在性能和功能满足实际应用的产品。2.适应性设计在机电一体化系统总体原理方案基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部改进，采用现代控制系统代替原有的机械结构单元，对于机械结构的齿轮变速，采用计算机控制系统的调速进行局部适应性设计，以使产品的性能和质量得到提高。3.变异性设计在机电一体化产品设计方案和功能不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸，外形设计等，使之适应于不同场合的要求。4.性能扩展性设计在机电一体化系统设计原理方案基本不变条件下，只在原方案基础上加以

23、少量的改进，或者是采用现代化的高科技单元部件，使原产品性能提高，功能扩展，应用范围扩大。5.仿制性设计,上一页,下一页,返回,五、机电一体化系统设计方法,1.机电一体化系统设计分析机电一体化系统设计人员必须始终铭记，机电一体化系统（或产品）的主要特征应具有自动化程度高，操作方便，性能及功能先进。2.机电互补设计法机电互补法也可称为取代法。该方法主要是采用通用或专用电子产品取代传动机械系统（或产品）中的复杂机械功能部件或功能子系统，以弥补其不足。3.结合设计法在机电一体化系统（或产品）设计中，为了实现单元部件的标准化、通用化、系列化、常把各组成部件有机结合为一体构成专用或通用的功能单元系统，充分

24、利用不同部件之间机电参数的有机匹配。,上一页,下一页,返回,4.组合设计法组合设计法用于机电一体化系统设计中，具体的设计是把结合法制成的功能部件（或子系统）、功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统，故称为组合法。5.反向设计方法(1)反向设计的含义。当确定要开发新产品后，选定市场上当前最流行的有代表意义的优秀产品，进行解剖、测绘、分析、评估，最后提出设计分析报告和建议，以确定自己的开发策略，这一整套工作就是通常所称的反向设计法。(2)意义与重要性。反向设计方法能使自己“知己知彼，百战不殆”。通过解剖分析竞争对手的产品，可以了解他们的关键技术所在，产品的设计思想，采用了什么新技术，必须要对

25、产品的性能和技术路线进行恰如其分的评估，从而启发自己的创新思路，以弃之短，取用之长。,上一页,下一页,返回,(3)反向设计的步骤。在进行反向设计之前，首先要选定分析对象，在进行过程中要利用各种解剖分析工具 功能分析。包括分析机电产品的功能及其指标和描述，为验证产品的性能、安全性和可靠性要作哪些试验，必须进行详细计算分析等。工作原理分析。机电产品是根据什么物理原理设计和工作的。机电产品的结构分析。机电产品在结构设计上有什么特点，结构设计是不是采用优化设计的等。单元部件分析。包括哪些机械的、电工的、电子的、控制的和计算机单元，这些单元部件是如何有机配合的；如果有专用集成电路，它们的功能和逻辑电路设

26、计是否合理；软件的算法和程序设计有何特点，最好能分析出源程序的设计方法。机械单元。机械部件是如何制造的，如何装配的，最好能分解出整个制造工艺，如何加工生产等。,上一页,下一页,返回,生产投资和成本估算。估算所用材料成本、加工费用、装配费用、测试、组装以及其他费用。机电产品的评估。这是一项十分重要的内容。在进行了上述分析之后，要对所分析的机电产品性能及功能、质量和价格进行评估。要说明该机电产品是如何达到设计技术指标的，有何特点，与同类机电产品比较它有什么优缺点，机电产品是否操作方便，易于使用，它的可靠性、稳定性、可维护性如何，对环境条件的使用要求等。设计资料评估。包括机电产品的整体结构图、逻辑图

27、、软件流程图、电路原理图、硬件框图、机械工程图，但应分别说明所用材料、尺寸、质量、器件型号、器件性能、机械加工公差等。新设计方案的制定方法。根据反向设计的结果，提出设计高性能价格比的机电产品的具体设计方法。,上一页,下一页,返回,6.机电系统常用的设计步骤(1)用户需求和市场信息分析。这是设计的第一步。一方面这种调查分析可以了解要开发机电产品的需求情况，市场发展预测，新产品上市后可能占有的市场份额；另一方面这种对实际需求的分析可以回答一系列问题。诸如：设计过程中能否和顾客进行接触；顾客对产品安全性、可靠性、功能性、价格等的要求；产品的生产量以保持多大为宜；顾客需要什么售后服务；如何组织售后服务

28、；产品的使用方法；产品对使用环境的要求等。有了这种调查分析，有利于设计，可使将来遇到的问题尽量减少，达到设计制造生产的先预测。(2)有关最新技术综述与评价。开发创新是设计工作者的重要任务。将有关的最新设计技术和产品信息收集、整理分析，并对之加以评价，是整个设计过程中的基础。必须注意的是：设计人员在整个设计过程中都要坚持不懈地对这些信息进行分析，对设计的机电系统进行补充与修改。这一部分应该包括以下三项内容：,上一页,下一页,返回,国内外发展状况分析。本领域以前发展过程中的有关信息是很重要的，它可以避免走过去失败的道路，避免无益的重复。发展趋势预测。任何一个产品都希望尽可能延长其生命周期，不仅满足

29、今天的需要，也能满足明天的需求。根据过去和今天的发展状况，对未来发展做出正确预测是必要的。设计人员必须具备发展的设计思想。新兴技术应用。设计者应充分利用现有的技术特点和最新技术来进行机电产品设计。(3)关键技术和技术路线的分析。在机电一体化系统设计中，首先分析开发新机电产品的关键技术是什么，解决这些问题的技术路线如何，现有技术条件和物质条件是否满足设计实现的要求，可能遇到的难题和解决这些难题的方案等，都要予以尽可能详细的分析，制定最佳设计方案。,上一页,下一页,返回,(4)主要性能指标及规格表述。根据所设计的机电产品列出性能技术指标表、功能表，既有必须达到的指标和功能，又有争取达到的指标，未来

30、改进后预期达到指标及功能应在规定环境下予以满足，争取达到的技术指标是指在满足应用的情况下希望达到的最高指标。(5)设计方案分析及评价。在设计机电系统中应提出几种可供选择的方案，并对每种方案提出客观的评价意见。评价内容是：设计方案的可行性、先进性、使用性，研制安排的合理性，经费投入的合理性等。(6)具体设计方法。这个阶段的工作量大，既包括机械、电气、电子、控制、计算机软件设计等，也包括机械总装图和零件图设计。,上一页,下一页,返回,7.设计工作的组织(1)项目负责人的作用和责任。从立项开始对整个项目自始至终负全责。积极参与设计组的工作，是设计组主要成员之一。项目负责人不仅具有将机械、电气、控制和

31、计算机等项技术集成设计的能力，还要能将设计阶段与制造阶段进行有效合理的安排。要与设计组成员、管理部门、顾客甚至销售商等密切合作。熟悉机电一体化的特点，对产品开发有极高热情及责任心。善于安排计划，工作积极负责，团结全体设计人员分工合作，能想方设法使设计产品尽快开发出来。合理使用开发研究经费。,上一页,下一页,返回,(2)对机电一体化设计人员的要求。设计组的领导必须是机电一体化的设计工程师，他既要了解该领域的技术发展现状，也要充分了解机电一体化的发展趋势，他也完全清楚机电一体化系统设计的根本任务就是在整个设计过程中贯穿创新集成的思想。设计组成员应成为不同学科的机电一体化技术的专家，既能掌握有关的技

32、术知识，又能驾驭设计工作的全过程。他们善于从别人那里获取知识和经验，能将多种技术有效地结合起来，以求经济地、创造性地解决设计中的各种问题。思想上要十分明确一个基本要求，企业需要机电一体化系统（或产品）的设计工程师经常不断地迅速地开发出高性能、高质量、多功能、高精度、低价格的机电一体化产品。设计技术人员必须具有较强的责任心。,上一页,下一页,返回,(3)对管理领导的要求。企业领导必须提出一个合适的发展目标，坚信能够设计出性能价格比较高的机电一体化产品来。要向市场学习，熟悉技术的发展趋势，了解产品开发的本质和要点。要了解新技术，要利用新技术不断改进自己的产品。鼓励工程技术人员和全体员工在开发创新产

33、品时，尽量提出不同的创新方案，并有充分思想准备，其中有些是可能失败的。学会注意细节，细节处理不当，不创造良好的研究和开发条件，经费的支持，往往招致失败。这里指的细节包括技术的，制造上的，以至经营中的各种问题。,上一页,下一页,返回,六、机电一体化系统现代设计方法,1.现代设计方法分析随着科学技术的发展，计算机技术的广泛应用，传统的设计方法已不能满足设计要求。现代的设计理论，新型的设计方法更适合于当前市场经济的发展。现代设计方法和传统设计方法相比，现代设计在概念、方法和手段上有以下特征：(1)现代设计方法是用现代设计原理和理论作指导，采用现代化的设计手段，因而可以获得很高的设计成功率。(2)现代

34、设计方法立足于明确设计任务与设计目标，全面、系统地确定设计过程的设计条件和最终设计结果，因此可以使设计过程始终不渝地从实际出发，达到预定的设计目标，取得优于传统设计的结果。(3)现代设计方法十分重视设计策略和战略过程的研究，采用合理正确的设计程序，并且严格按规范化的设计进程进行工作，求得较高的工作质量和效率。,上一页,下一页,返回,(4)现代设计方法特别强调抽象的设计构思，防止过早地进入某一已经定型的实体结构分析，以便对系统的原理和结构关系作本质的和创新的设计构思。因此，现代设计注重系统地进行概念设计、仿真性设计，并采用多种方法形象地表达设计结果。(5)现代设计方法经常采用扩展性的设计思维，自

35、始至终地在寻求多种可行的方案构思，以便从中选择确定令人满意的最佳方案，改变传统设计中惯用的封闭式的设计思维和忽略方案搜索的现象，能够达到很高的满意程度。因此，现代设计方法强调专家评价决策，尽量避免直接决策，排队决策中的主观因素，通过专家对设计方案评审，使得在评审中所选定的设计方案能够达到最佳的设计水平。,上一页,下一页,返回,(6)现代设计方法常采用结构优化设计方法,对所设计的系统结构形式、技术参数和技术性能进行不同性质的优化设计方法，以求得综合设计优化的效果。(7)现代设计方法常采用计算机辅助设计。无论是图形构思、绘制，还是动、静态参数计算，都采用了计算机应用设计技术，不仅使设计人员解脱了繁

36、重的设计工作，也提高了设计工作的质量和准确度，并可把主要精力集中于创造性设计工作上。由于机电一体化技术是一门综合性技术的应用，现代设计方法在机电一体化系统设计中也将逐步得到广泛地应用提高。2.现代设计方法的要求在设计机电一体化系统中，应根据所设计产品的性能和功能，按照以下设计要求进行,上一页,下一页,返回,(1)三性统筹。把可靠性、应用性和经济性加以统一考虑，以可靠性为主进行详细设计。(2)人机配合。把人的因素考虑到设计中，为用户服务，为使用者着想，外形美观、操作方便、功能齐全、无噪声、无污染等。(3)四位一体。使机械、检测、控制和计算机技术有机地匹配，各取其长。(4)最佳分配。将设计、制作、

37、使用、维修和保养全面进行综合分析，使设计达到最佳状态，设计和应用最合理，维护更方便。(5)创新性。把现有的设计方法应用到机电系统和产品设计中，突出创新性和产品的功能特点，推动现代设计技术的发展。,上一页,下一页,返回,3.现代设计方法机电一体化系统（或产品）的种类不同，应用场合不同，设计方法也不同。现代设计方法是以计算机为辅助手段进行机电一体化系统或产品设计的有效方法。(1)科学类比设计法。它是利用同类事物间静态与动态的相似性，利用量纲分析，根据数学模拟和物理模拟等方法，求解出设计系统之间的函数关系，再进行详细设计。(2)信号分析设计法。它是建立在信息论基础上的一种设计方法，根据市场信息，市场

38、需求，生产批量，产品性能参数，应用功能等进行设计。(3)模块化设计方法。利用模块化原理和“相似原理”进行“变形”设计，通用性设计，系列化设计,例如：计算机配件设计，测试仪设计，计算程序设计等。,上一页,下一页,返回,(4)可靠性设计法。在机电一体化系统设计中，充分利用可靠性设计理论，设计方法，对所设计产品进行可靠性分析及可靠性评估和预测，采用多种先进的设计手段提高产品可靠性。(5)动态设计法。它是建立在控制论基础上的方法，在设计中要进行各种动态试验，根据试验结果分析处理，提高设计的可靠性及安全性，环境条件的适应性，例如：兵器产品研制过程中的地面试验，飞行试验，不同环境条件下的各种试验等。(6)

39、优化设计法。优化设计法是利用计算机技术,按照优化准则，利用实物模型，数学规化论和计算机技术的综合，经反复计算和分析后确定最佳设计方案，使工程设计最优化。(7)计算机辅助设计法。利用计算机系统对设计对象进行最佳设计的方法，采用计算机辅助设计可快速地进行资料检索，参数计算，确定系统结构，自动绘图。,上一页,返回,返回,第三节 现代设计方法在机电一体化 系统设计中的应用,机电一体化系统所代表的产品是科技高度发展，经济竞争的结果。机电一体化系统设计工作的质量和速度，与机电一体化产品的质量和发展密切相关。一、机电系统工程在机电一体化系统设计中的应用机电一体化系统设计是一门综合性的设计技术，是一项多学科、

40、多单元组成的系统工程。设计任何类型的机电系统最基本的原则之一是整体性原则。把机电系统组成的各个单元有机地组合、各单元的功能相互配合、而且能相互协助、相互促进与提高，使机电系统的整体功能大于各个单元的独立功能，实现“整体大于它的各部分的总和”。但是，如果不能实现有机的最佳组合，因机电系统内各单元的差异性，在组成系统后，单元之间由于协调不当或约束力而产生不匹配，反而可能出现整体小于它的各部分的总和的现象。因此在机电一体化系统设计中，必须运用机电系统工程的概念和方法，在设计系统时把握好整体性原则，对设计的成功与否具有关键性的作用。,上一页,下一页,返回,二、仿真设计在机电一体化系统设计中的应用,仿真

41、设计是将仿真技术应用于设计过程，最终获得比较合理的设计参数。仿真设计的方法已比较成熟，各种计算机程序能解决不同特点的工程问题。其设计步骤为：(1)建立系统数学模型。这是机电一体化系统进行仿真设计的关键，要求选取设计变量，建立目标函数，确定约束条件。(2)选择合适的仿真算法及程序语言。(3)利用计算机进行仿真设计计算得出最优设计方案。(4)对仿真得出的方案进行评价决策。随着系统建立数学模型方法更进一步成熟，仿真设计在机电一体化系统设计中得到了广泛应用。,上一页,下一页,返回,三、可靠性设计在机电一体化系统设计中的应用,在进行机电一体化系统的开发设计时，主要从三个方面提出其可靠性：1.机电一体化系

42、统可靠性分析与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，对于影响系统功能的子系统应有预防和提高可靠性能的措施，在分析和预测中应充分运用各种行之有效的方法，确保系统设计的可靠性。设计步骤为：(1)在了解系统各部分功能的基础上，绘制系统的功能框图和可靠性框图。(2)根据各部分的功能、组合形式和工作环境，估计和分析故障模式和影响程度。必要时可作故障树分析，根据故障发生的现象，层层分解，找出单元部件本身与部件之间的故障关系，分析对影响可靠性有关的各种因素。,上一页,下一页,返回,(3)收集和测试各部分的试验数据。根据试验数据分析可靠性程度(4)根据可靠性分析流程图和各单

43、元的可靠性水平计算系统的可靠度，并根据各单元的可靠性水平，分配各单元的可靠度，制定最佳可靠性指标。2.提高系统可靠性方法系统的故障往往是由于某个系统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。(1)在设计系统中选择可靠性高的器件及单元部件。(2)采用冗余配置，以提高系统的可靠性。(3)加强对失效率高的器件的筛选和试验，尽可能使用可靠性高的组件。(4)采用最佳组合设计法，有利于提高系统可靠性。,上一页,下一页,返回,3.可靠性管理机电一体化系统产品的特点是技术要求高、品种繁多、材料新、工艺新、因此可靠性管理工作更为重要。对于大型系统，兵器系统，应设立管理机构。按照可靠性

44、管理规程进行监管，确保所设计的机电系统的可靠性。总之，机电一体化系统的产品是现代产品，因而其设计技术的发展依赖对现代设计技术的应用和发展，只有充分了解并掌握现代设计方法的全貌和要点，结合机电一体化系统开展具体设计技术研究，才能设计出具有时代特点的可靠性高的机电一体化产品。,上一页,下一页,返回,四、计算机辅助设计在机电一体化系统设计中的应用,随着计算机技术的高速发展，在各个领域均得到了广泛的应用。计算机辅助设计技术在工程设计，系统设计应用最多的是CAD技术。1.CAD计算机绘图(1)CAD 技术的应用使传统的人工设计绘图方式转变成自动方式，即可将传统的图板甩掉。机械产品和电子装置的传统设计方法

45、是通过工程图纸来表示、传递设计思想和设计意图的。(2)CAD技术的应用更好地实现设计原理图，不但可减少设计人员的劳动强度，还可帮助设计人员思考、改进和完善设计方案，使传统设计方法难以解决的工程问题，通过CAD技术可获得满意的解决方案，更好地实现设计者的意图。(3)实现联合设计。在设计进行过程中，一方面可以利用已有设计成果，以减少设计工作量，加快设计进程，可以发挥计算机网络的优势，使设计人员之间，设计人员和工艺技术人员之间，能及时方便地通过图形或文字以及多媒体技术讨论问题，协调工作，使整个设计工作能正确有效地进行数字网络化。,上一页,下一页,返回,(4)便于试制甚至不需试制样机。在装配件设计中，

46、可以发挥CAD系统的图形功能，对装配件进行空间协调，利用干涉检查功能，及时发现干涉部位和干涉量大小，纠正设计中的错误，不必等到组装样机时再去纠正。(5)便于企业管理。CAD系统可以直接产生设计资料清单，它既是组织生产的依据，也是企业内部物资订购、调度供应的依据，便于管理部门能正确地根据企业营销情况，确定库存量，加快流动资金的周转。2.CAD技术在机电一体化系统设计中应用在推广应用CAD技术中，会存在一系列问题，如CAD技术的作用，怎样配置设备和选购软件，普及CAD技术的步骤和具体实施方案等。(1)推广CAD技术的应用。在机电一体化系统设计中推广应用CAD技术及相关设计技术，应“全面规划，逐步实

47、施，重点突破，普遍推进”为宜。,上一页,下一页,返回,(2)推广CAD技术应用方法。计算机绘图。在推广应用CAD技术时，首先投入若干台计算机，每台计算机配备三维CAD工程绘图软件；或者建立一个性能良好，可扩充的局域网计算机系统，并配备具有图文档案管理软件。实现计算机辅助制造。建立良好的网络系统，以支持CAD/CAM，将数控机床纳入计算机辅助制造系统。目的是解决产品造型、分析、优化设计、仿真和制造等一系列问题，使企业CAD/CAM应用技术提高水平，增强应用范围。(3)根据具体需要选购设计软件库。如果本厂产品主要是钣金零件，所需CAD软件应有较强的钣金零件设计功能；如果重点生产模具，则需要选择曲面

48、设计功能较强的软件。CAD/CAM软件是否要基于工程数据库。CAD/CAM软件有基于文件管理的，也有基于工程数据库的。对于人机接口的选择。CAD软件功能。CAD软件是否包含三维设计，是线框造型，还是实体造型。,上一页,下一页,返回,CAM软件功能。CAM软件一般有铣床CAM、车削CAM、线切割CAM以及冲床CAM模块。不同类别的CAM还分档次，如铣削包含有2D、2.5D、3D、5D几个档次，以满足不同用户需求。软件的开放性。一般商品化的软件，是面向市场中各行各业的，而不是面向某一特定用户。如果用户有特殊要求，而当前市场上的CAD软件不能满足要求时，则具有开放性的软件可以提供很好的二次开发工具，

49、使用户能很方便地进行应用开发，并集成到CAD软件中去,上一页,返回,返回,习题与思考题,1-1.机电一体化系统主要由哪几部分组成？举例说明各部分在系统 中的作用。1-2.举例说明设计机电一体化系统的程序。1-3.设计机电一体化系统的技术文件包含哪些内容？1-4.设计机电一体化系统应具备哪些设计技术知识？1-5.举例给出机电系统的设计研究报告编写程序。1-6.现代设计方法应用于机电产品设计中有何作用？1-7.在人造卫星，大型工程设计中，采用哪些设计方法？为什么1-8.根据日常生活，举例给出十种以上的机电一体化产品。1-9.在机电一体化系统的分析与设计中，为什么要进行设计评价？1-10.机电一体化系统应分为几类？设计者应具备何种设计技术？1-11.机械电子工程专业毕业生，应具备哪些设计技术知识？1-12.机电一体化系统设计方法分别应用哪些设计场合？举例说明.1-13.提高机电一体化系统设计能力的措施有哪些？,上一页,返回,返回,