机电一体化系统总体设计-设计过程示例
机电一体化系统设计典型实例
1
优势
提高劳动效率，降低成本，增强品质和可靠性，利于维护和管理，并且有一定的 生态效益。
2
挑战
需要协调多个领域的专业技能和信息，需要对未来市场趋势和新技术有敏锐的洞 察力。
结论和总结
未来趋势
随着城市化进程加速，智慧城市崛起，机电一体 化技术将发挥更加重要的作用。
应用广泛
除了上述提到的几个行业，机电一体化技术还可 以广泛应用于医疗、农业、能源等领域。
利用机器视觉技术和高精度 地图，实现自动驾驶，减少 人为事故，提高交通规划的 效率。
智能设施
借助物联网技术和现代传感 器，交通设施变得更加智能 化，如自动收费、智慧路灯、 快速充电等。
流量管理
交通监测和分析系统可以帮 助城市管理者更好地解决交 通拥堵、路况状况和安全问 题。
机电一体化系统设计的优势和挑战
典型实例1：自动化生产线
质量控制
为了生产一致的高质量产品，生产线上使用了 各种传感器、机器视觉技术，以及即时数据处 理软件。
智能机械
生产线使用了各类高效率的机械装备，如机器 人和自动化部件来执行重复性工作。
实时监控
使用先进仪表和监控系统来跟生产量、质量， 及时发现和解决问题。
典型实例2：智能家居系统
提高质量
优秀的系统设计可以增加 可靠性和一致性，减少错 误率，提高产品质量。
机电一体化系统设计的基本原则
1
综合考虑
根据具体需求和环境条件，综合考虑
高效稳定
2
机械、电气、控制等因素。
设计系统要注重功能稳定性，保证机
电作用的高效协同。
3
安全实用
系统设计要符合安全要求，具有便于 维修、保养和更新升级的特点。
机电一体化系统总体设计与实例分析-智能洗衣机
实例运行效果测试与分析
测试目的
对智能洗衣机的各项功能进行测试，验证其性能和可靠性。
测试方法
按照标准操作程序，对洗衣机的各项功能进行测试，记录数据并进行 分析。
测试结果
经过测试，智能洗衣机在各项功能指标上均表现出色，具有高效、稳 定的性能。
结果分析
通过对测试结果的分析，可以得出智能洗衣机在设计和制造过程中充 分考虑了用户需求和使用场景，具有较高的实用性和可靠性。
网络化
通过物联网、云计算等技术， 实现远程监控、故障诊断和协 同作业。
绿色化
注重环保和节能，推广可再生 能源和资源循环利用。
03 智能洗衣机系统设计
智能洗衣机系统概述
智能洗衣机系统是一种集成了机 械、电子、控制和信息技术的自 动化设备，用于完成洗衣、漂洗、
甩干和烘干等任务。
智能洗衣机系统具有自动化、智 能化、高效节能和环保等特点， 能够满足现代家庭和工业生产的
机电一体化系统总体设计与实例分 析-智能洗衣机
目 录
• 引言 • 机电一体化系统概述 • 智能洗衣机系统设计 • 智能洗衣机实例分析 • 结论与展望
01 引言
主题介绍
智能洗衣机
随着科技的发展，智能家电已经成为人们日常生活的重要组成部分。智能洗衣机作为其中的代表，具有自动化、 智能化、高效节能等特点，为人们提供了更加便捷、舒适的洗衣体验。
需要。
智能洗衣机系统的设计需要综合 考虑机械结构、控制系统、人机
交互和可靠性等方面的因素。
智能洗衣机系统硬件设计
电机
传感器
电机是智能洗衣机系统的核心部件，用于 驱动洗衣机的各种运动部件，如波轮、滚 筒等。
传感器用于检测水位、温度、重量等参数 ，并将数据反馈给控制系统，以 结论与展望
机电一体化系统设计实例
四、进给传动部件的计算和选型
纵、横向进给传动部件的计算和选型主要包括： 确定脉冲当量、计算切削力、选择滚珠丝杠螺母副、 设计减速箱、选择步进电动机等。以下详细介绍纵 向进给机构，横向进给机构与纵向类似，在此从略。
1．脉冲当量的确定 根据设计任务的要求，X方向（横向）的脉冲当 量为δx = 0.005 mm/脉冲，Z方向（纵向）为δz = 0.01 mm/脉冲。
2．切削力的计算 切削力的分析和计算详见第三章。以下是纵向车削力的详 细计算过程。 设工件材料为碳素结构钢，σb＝650 Mpa；选用刀具材料为 硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角kr＝60°，前角γ0 ＝10°，刃倾角λs＝－5°；切削用量为：背吃刀量ap＝3 mm， 进给量f =0.6 mm/r，切削速度vc＝105 m/min。 CF＝ xF＝ 查表3-1，得： yF＝ c 2795， c 1.0， c 0.75， nFc ＝－0.15。 查表3-3，得：主偏角Кr的修正系 kkr F ＝ 0.94；刃倾角、前角 c 和刀尖圆弧半径的修正系数值均为1.0。 由经验公式（3-2），算得主切削力Fc＝2673.4 N。由经验 Fc:F f :F＝ 公式 1：0.35：0.4，算得纵向进给切削力 p N。 F＝ f 935.69 N，背向力 F=1069.36 p
3．滚珠丝杠螺母副的计算和选型（纵向） （1）工作载荷Fm的计算 已知移动部件总重量G=1300 N；车 削力Fc=2673.4 N， N。如图3-20所示， Fp=1069.36 N， F =935.69 f 根据 Fz =F ， F =F f的对应关系，可得： F =F ， c y p x Fx=935.69 N。 Fz=2673.4 N， Fy=1069.36 N， 选用矩形－三角形组合滑动导轨，查表3-29，取K= 1.15， = 0.16，代入Fm＝ ( Fz G) , 得工作载荷 KF+ x Fm ≈ 1712 N。
机电一体化系统总体设计
总结
总结机电一体化系统总体设计的重点和关键要点，并强调设计的成功和应用 前景。
机电一体化系统总体设计
机电一体化系统总体设计是将机电设备与系统设计结合起来，从多个维度考 虑，以满足设计需求。本演示将介绍机电一体化系统总体设计的重要性和方 法。
问题陈述
分析市场需求和现有问题，确定设计中需要解决的关键问题。
市况。
机电一体化系统简介
介绍机电一体化系统的定义、特点和应用范围。
总体设计方法
阐述采用的总体设计方法，包括需求分析、方案选择和设计评估。
总体设计过程
详细讲解机电一体化系统总体设计的步骤和流程，包括系统需求分析、系统选型和系统架构设计。
总体设计结果
展示机电一体化系统总体设计的结果，包括系统结构图、关键技术参数和性能指标。
机电一体化系统设计课程设计【范本模板】
机电一体化系统设计课程设计说明书（小幅面平板式二维绘图仪画笔驱动系统）目录目录................................................................................................................... - 2 - 中文摘要................................................................................................................... - 4 -一、课程设计的目的............................................................................................... - 5 -二、设计任务........................................................................................................... - 5 -三、总体方案的确定............................................................................................... - 5 -四、机械传动部件的设计与选型........................................................................... - 6 -1．滚珠丝杆副的选型与计算........................................................................... - 6 - 2．电机的选型与计算....................................................................................... - 8 -3、轴承的选择与验算..................................................................................... - 11 -4．联轴器的选用............................................................................................. - 12 - 5．滚动直线导轨选择,计算和验算................................................................ - 12 - 6．密封和润滑................................................................................................. - 13 -五、机械控制系统原理及电路设计..................................................................... - 13 -1、设计要求..................................................................................................... - 13 -2、方案分析..................................................................................................... - 13 -3、单片机系统与步进电动机驱动器之间的接口方法................................. - 14 -4、步进电动机驱动电源的选用..................................................................... - 15 -六、设计结论......................................................................................................... - 18 -七、个人总结......................................................................................................... - 21 -八、参考文献......................................................................................................... - 22 -中文摘要模块化的小幅面平板式单坐标画笔驱动系统，通常由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠副，以及伺服电动机等部件组成。
机电一体化系统总体方案设计
确保系统的安全性和可靠性，减少操作风险。
所需器件和材料的选择
高性能电机
选择具有高效能和可靠性的电机来驱动系统。
先进的传感器技术
采用先进的传感器技术来实现精确的控制和监测。
高质量的电气元件
选用高质量的电气元件以确保系统的可靠性。
系统软件的设计和开发
1 可编程控制器（PLC）
采用PLC来实现系统的自动化控制和监控。
机电一体化系统总体方案 设计
在现代工程中，机电一体化系统的设计至关重要。本课程将介绍系统的背景 和意义，设计目标和要求，以及所需器件和材料的选择。
系统总体方案介绍
1 完整的一体化方案
设计一个集机械、电子、计算机等多项技术于一体的系统。
2 高效的能源利用
通过最大程度地优化各部分的协调工作，实现能源的高效利用。
2 人机界面（HMI）
设计直观且易于操作的人机界面，使操作员能够轻松地与系统交互。
3 数据存储和分析
实现对系统数据的存储和分析，以帮助优化系统性能。
系统测试和验证方法
1
单元测试
逐个测试系统的各个部件以确保其正常工作。
2
集成测试
将各个部件组合并测试系统的整体试来确认系统满足设计要求。
总结和展望
总结
机电一体化系统的总体方案设计 是一个复杂而关键的过程，需要 综合考虑不同技术的相互配合。
展望
随着技术的不断发展，机电一体 化系统将会变得更加高效、智能 和可靠。
机电系统工程师的角色
机电系统工程师在设计和开发过 程中发挥关键作用，为工程的成 功做出贡献。
CAD机电一体化设计方法与实例解析
CAD机电一体化设计方法与实例解析CAD机电一体化设计是将机械和电气两个领域的设计进行整合，通过使用计算机辅助设计（CAD）软件进行设计和分析，实现机电系统的一体化设计和优化。
这种设计方法可以提高设计效率、降低成本，并且确保设计的准确性和可靠性。
下面将通过一个实例来解析CAD机电一体化设计的过程。
假设我们要设计一个自动化生产线的机电系统。
首先，我们需要对生产线进行初步的机械设计。
使用CAD软件，我们可以绘制出生产线的总体布局图，并根据工艺要求设计各个工作站的结构和尺寸。
在设计过程中，我们可以根据不同的需求进行多次修改和调整，比如改变工作站之间的距离、调整传送带的长度和速度等等。
通过CAD软件的设计分析功能，我们可以评估不同设计方案的优劣，选择最佳的方案。
接下来，我们需要对生产线的电气系统进行设计。
我们可以使用CAD 软件绘制出电气布线图，包括电气设备的位置、电缆的布置、电源和控制系统的连接等等。
在设计过程中，我们还可以使用CAD软件进行电气系统的模拟和仿真，验证电气系统的工作可靠性和稳定性。
在实施CAD机电一体化设计的过程中，机械和电气设计师需要密切合作，共同完成生产线的整体设计。
他们可以通过CAD软件进行实时的协同设计，同时对机械和电气设计进行交互验证和修改。
比如，机械设计师可以根据电气设计师的需求进行相关部件的设计和选择，而电气设计师可以根据机械设计的要求确定电气设备的安装位置和布线方式。
除了设计阶段，CAD机电一体化设计还可以在生产阶段发挥作用。
我们可以使用CAD软件生成机械和电气部件的生产工艺，包括加工工艺和装配工艺。
通过CAD软件的模拟和分析功能，我们可以预测生产过程中可能遇到的问题，并提前采取相应的措施进行优化。
总结来说，CAD机电一体化设计是一种将机械和电气设计整合在一起的设计方法。
通过使用CAD软件，设计师可以实现机械和电气设计的协同工作，提高设计效率、降低成本，并确保设计的准确性和可靠性。
设计过程示例-机电一体化系统总体设计典型例题
1、用功能树法进行露天矿开采挖掘机的功能原理方案设计。
答：首先进行功能原理结构分析：由此推导，得出以下功能原理图：2、一数控系统如图所示，试说明图中的各个部分分别属于机电一体化系统的哪一基本结构要素。
总总总总总总1总总总1总总总n……总总总n……总总总n……总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总答：按照机电一体化系统的基本结构要素，图示数控机床的各个部分归类如下：（1）控制及信息处理单元： 键盘、计算机、显示（2）测试传感部分： 光电编码器、信号处理（3）能源： 电源（4）驱动部分： 功放、电机（5）执行机构： 联轴器、齿轮减速器、丝杠螺母机构、工作台3、已知某物料搬动机械手的结构与动作过程如图所示，要求机械手的操作方式分为手动方式和自动方式。
机械手有升降、水平移动、手爪夹持等3个自由度，采用电磁阀控制的气缸驱动，PLC控制。
要求写出物料搬动机械手设计和产品开发的详细工程路线。
左移答：系统设计的详细工程路线：1)确定目标及技术规范：机械手的用途：物料搬运。
工作方式：手动、自动方式主要技术参数：3自由度。
使用环境要求：生产线2)可行性分析：收集资料、市场分析、可行性分析、技术经济性分析3)总体方案设计：机械手总体结构方案设计制定研制计划；开发经费概算；开发风险分析。
4)总体方案的评审、评价。
5)理论分析阶段：机构运动学模型、作业空间分析；机构的力学计算；驱动元件的选择、动力计算；传感器选择、精度分析；建立控制模型、仿真分析。
6)详细设计：包括系统总体设计，业务的划分；控制系统设计；程序设计；后备系统设计；设计说明书、使用说明书。
7)详细设计方案评价。
8)试制样机：机械本体、动力驱动系统、供电系统、控制系统、传感器、检测系统。
9)机械手样机的实验测试：调试控制系统、控制性能测试、功能测试、精度、工作空间测试、动态指标测试、作业试验。
10)技术评价与审定：对样机及其性能进行综合评价，提供改进意见，对不满意的部分进行修改，直至样机合格后方可进人下一步骤。
机电一体化总体设计
机电一体化总体设计一、性能指标分析1、黑箱法的基本原理：将所要实现给定功能的机电系统看作为一个未知内部功能结构、功能载体的“黑箱”，通过对输入量和输出量的分析，逐步把握输入和输出的基本特征和转换关系，寻求能实现这种基本特征和转换关系的工作原理和功能载体。
物料：固体、液体、气体等任何物体；能量：机械能、电能、热能、化学能、光能等；信息：数据、指示值、测量值、掌握信号、波形等。
物料的转换指如何将毛坯、半成品转换成成品；能量的转换指如何将其它形式的能量转换成机械能或机械能变成其它形式能量；信息的传输或转换指将物理量的测量和显示、掌握信号的传递等。
功能元实施原理方案的选择各种功能实施的基础：以自然科学原理为基础的技术效应，例如以物理学为主要技术基础的力学、机械学、电学、磁学、光学等原理广泛应用于工程技术的各个领域，即所谓的物理效应。
实施的要点：同一种功能可以用不同的技术效应来实现，选出最佳的功能元实施原理方案，有以下途径可以参考：参考资料、专利、产品；利用制造性思维；利用设计名目。
2 系统结构方案设计结构方案设计是原理设计方案的结构化，而且实现结构的优化和创新。
主要包括两个方面：机械结构重点考虑和设计电气结构主要是选型，考虑安装问题结构方案设计的工作任务、内容及步骤（1）、任务：将原理方案结构化，确定机器(或系统)各个零部件的材料、外形、尺寸、加工和装配等；（2）、内容：设计零部件外形、数量、相互空间位置，选择材料、确定尺寸，进行各种计算校核，按比例绘制结构方案总图，在计算时，采纳优化设计、牢靠性设计、计算机帮助设计等现代设计方法。
结构方案设计原理与原则①、运动学设计原则空间物体有六个自由度，自由度S与约束q关系是：S = 6-q应当合理施加约束，满意物体所所需要的运动方式。
要求约束：ⅰ、点约束ⅰ、约束点离开远些ⅰ、自由度限制方向应垂直于被约束平面②、基准面合一原则结构设计尽量满意：定位基准面与使用或加工基准面统一原则，可以减小由于基准不全都带来的误差。
机电一体化系统设计课程设计参考
机电一体化系统课程设计X-Y数控工作台设计说明书：称学校名：班级学号：名生学姓：班级2016 4月年1 / 21一、总体方案设计1.1 设计任务设计一个数控X-Y工作台及其控制系统。
该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为±0.01mm，定位精度为0.025mm。
设计参数如下：负载重量G=150N；台面尺寸C×B×H＝145mm×160mm×12mm；底座外形尺寸C1×B1×H1＝210mm×220mm×140mm；最大长度L=388mm；工作台加工范围X=55mm，Y=50mm；工作台最大快移速度为1m/min。
1.2 总体方案确定（1）系统的运动方式与伺服系统由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。
定位方式采用增量坐标控制。
为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台。
（2）计算机系统本设计采用了与MCS-51系列兼容的AT89S51单片机控制系统。
它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。
控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。
系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。
LED显示数控工作台的状态。
（3）X-Y工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。
为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。
由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。
采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。
考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。
图1-1 系统总体框图2 / 21二、机械系统设计、工作台外形尺寸及重量估算2.1向拖板（上拖板）尺寸：X??50 ×145×160 长宽高体积×材料比重估算重量：按重量=2??3901010??7.8??145?16050?N04551?6?01Y向拖板（下拖板）尺寸：重量：约90N。
机电一体化系统的设计步骤
机电一体化系统的设计步骤机电一体化系统设计就像搭积木，但这个积木超级复杂又超酷。
一、需求分析。
这是第一步啦。
就好比你要盖房子，得先知道住的人有啥需求。
要是给小两口设计机电一体化系统，和给大工厂设计肯定不一样。
得了解这个系统是干啥用的，要达到啥功能。
比如说，是要一个能精确控制温度的设备呢，还是一个快速搬运东西的机械臂。
这一步就像侦探找线索，把各种需求都挖出来，越详细越好。
二、方案构思。
有了需求就开始想办法啦。
这时候就像厨师做菜，各种食材（技术、部件）在脑袋里组合。
是用液压传动好呢，还是电动的更合适。
就像你搭配衣服，要找最适合的风格。
要考虑系统的整体布局，各个部分怎么连接，是串联还是并联。
这个阶段可以脑洞大开，多画几个草图，把各种可能的方案都列出来，哪怕有些看起来很奇葩。
三、模型制作。
想好了方案就动手做个小模型呗。
这就像做个小手工，把想法变成实实在在能看到的东西。
可以用简单的材料先搭个架子，看看各个部分的配合是不是像想象中那么完美。
这个模型不一定要很精致，但要能体现出系统的主要结构和功能。
在这个过程中，可能会发现一些之前没想到的问题，比如说某个部件太大，装不下，或者某个连接的地方很别扭。
四、详细设计。
模型有了，问题也发现了，就开始详细设计。
这一步就像给房子画施工图，每个细节都不能放过。
要确定每个部件的具体尺寸、材料、性能参数。
比如说电机要用多大功率的，传感器的精度要多高。
这时候要参考很多资料，像个学霸一样去研究各种标准和规范。
而且要和不同的供应商联系，看看有没有合适的部件可以买，要是没有可能还得自己设计制造。
五、系统集成。
把各个精心设计的部件组合在一起就像拼拼图。
要保证它们之间能完美协作。
这时候要进行各种调试，就像给乐队调音一样。
看看系统整体的功能是不是达到了预期的要求。
如果有问题，就像医生看病一样，一点点排查是哪个部件出了毛病，是线路接错了，还是程序有bug。
六、测试优化。
最后就是测试优化啦。
让系统跑一跑，看看在各种情况下的表现。
机电一体化综合设计实例
四、机器人控制系统设计
上
运
位
动
计
控
算
制
机
器
驱动器1 编码器1 驱动器2 编码器2
驱动器3 编码器3 驱动器4 编码器4
伺服电机1
伺服电机2 伺服电机3
SCARA 机器人 机构
伺服电机4
图7.28 控制系统连线图
图7.29 伺服驱动器控制信号连线
Fz : Fx : Fy 1: 0.25 : 0.4 横切端面时的主切削力可取纵向切削力的1/2。
3. 计算丝杠的进给牵引力
Fm Fl W fg Fv Fc
fg
式中： ——导轨动摩擦系数
f g ——镶条紧固力
W ——拖板及刀架移动部分的重量
⒋ 计算丝杠的最大动载荷
Cam
3
60nm Lh
二、总体方案设计
1. 堆垛机的布置方式
直线式分布，堆垛机在巷道中取其左右单元内的货物
2. 堆垛机的机架结构
选用自重较轻的单立柱型堆垛机
3. 堆垛机水平行走机构
地面驱动式
4. 堆垛机起升机构
钢丝绳作为柔性件
5. 堆垛机的货叉机构
差动齿轮方式传动
三、堆垛机的机械系统设计
➢载荷 ➢循环寿命 ➢堆垛机伸缩货叉机构的设计计算 ➢堆垛机行走机构的设计计算 ➢堆垛机升降机构的设计计算 ➢堆垛机门架的结构设计计算
➢ 定位精度 X/Z：0.03/0.04mm。
➢ 重复定位精度 X/Z： 0.012/0.016mm。
➢ 最小进给单位 X方向（横向）：0.005mm/脉冲； Z方向（纵向）： 0.01mm/脉冲。
机电一体化系统总体设计-设计过程
2.1 设计过程
需求 分析问题 准备计划书 产生可能的解决方案 选择合适的解决方案 产品的详细设计 产品加工图纸
市场调研 概念设计 编制设计任务书 功能原理方案设计 方案设计评估与优化 结构设计和参数核算 完成全部设计文件
机电工程与技术
营销
设计
电子设计 (模拟，数字) 微电子 控制工程 执行系统研究 数据存储与管馈，人工智能 响应时间
规格 安全，法规
制造 制造策略 全面质量管理 单元管理 成组技术 并行工程 性能测量和成本核算 开放式制造业标准
集成
电子
机械
控制
信息系统
制造技术 电子工程
财务控制
机械 工程 控制
管理 计算机工程
教育 ＆
培训
工作实践 ＆
劳资关系
营销
机电一体化系统的设计流程
机电一体化系统的设计流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
文档下载后可定制随意修改，请根据实际需要进行相应的调整和使用，谢谢!并且，本店铺为大家提供各种各样类型的实用资料，如教育随笔、日记赏析、句子摘抄、古诗大全、经典美文、话题作文、工作总结、词语解析、文案摘录、其他资料等等，如想了解不同资料格式和写法，敬请关注!Download tips: This document is carefully compiled by theeditor. I hope that after you download them,they can help yousolve practical problems. The document can be customized andmodified after downloading,please adjust and use it according toactual needs, thank you!In addition, our shop provides you with various types ofpractical materials,such as educational essays, diaryappreciation,sentence excerpts,ancient poems,classic articles,topic composition,work summary,word parsing,copy excerpts,other materials and so on,want to know different data formats andwriting methods,please pay attention!机电一体化系统的设计流程一、需求分析阶段在开始机电一体化系统的设计之前，深入的需求分析是至关重要的第一步。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
P-N5 250t座式焊接变位机 德国诺威尔重型机器制造有限公司
HB-60t型焊接变位机 成都焊研威达自动焊接设备有限公司
两自由度变位机 意大利Innse-Berardi公司
加氢反应器的两自由度变位机 法国Framatome公司
b.概念设计
2）工艺可实现性
概念设计
5）避免不良 结构性
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。
启 动 、
变 速
仪 表 显
照 明
其 他
换
递 与 分
铲 斗
推 压
移停
示
动止
）（
配
制
动
）
3、功能元组合——相容矩阵法
方案序号
1
2
分功能
A
推压
齿条
钢丝绳
B
铲斗
正铲斗
反铲斗
C
提升
油缸
绳索
D
回转
内齿轮传动 外齿轮传动
E
能量转换
柴油机
F 能量传递与分配 齿轮箱
油泵
G
制动
带式制动 阐瓦制动
H
变速
液压式
齿轮式
I
行走
θ3
K
F0 2 B
x3 GK α
1
y3
D η
G1：滑块的重力
F2 1 θ 2
x2 G2：引导螺丝的重力
GK：各运动部件的重力
C
θ1
F0 1
y2
G1
F1 2
G2 x0
x1
y0 y1
A
液压缸驱动曲柄摇块机构方案
液压缸驱动曲柄摇块机构方案
滑动丝杠驱动曲柄摇块机构方案
滑动丝杠驱动曲柄摇块机构方案
变位器虚拟样机的动力学仿真 变位机的Adams模型
焊接用变位器
➢ 焊接用自动变位器主要用于产品的堆焊，目前在工厂中使用的绝大 多数都是焊接用变位器。焊接变位器结构简单、体积庞大、对精度和 定位刚度的要求较低。目前国内基本可以生产各种吨位和尺寸的焊接 用自动变位器。
159 t座式焊接变位机 唐山开元装备公司
80 t双立柱升降式焊接变位机 无锡阳通机械设备有限公司
2、寻找功能元——黑箱法或功能树法
黑箱法（Block Box）特点
通过“黑箱”与输入、输出量及周围环境的信息联 系，了解系统(产品)的功能、特性，进一步探索出系统 的机理和结构，逐步使“黑箱”透亮，直至方案拟定。
它摆脱了具体设计对象，而按系统(产品)的功能和 对三大流进行定性描述来进行思考，使问题简化，以利 于启发设计人员构思出更新、更好的功能原理方案来。
➢ 蒸汽发生器水室封头采用整体锻造结构， 其毛坯重量约200吨，成品重量43.5吨，直 径4.3米。 ➢ 加工重型零件最困难的是处理不同工序间 工件的移动和再定位。
➢ 使用传统的定位装置，工序如图所示：
➢ 蒸汽发生器水室封头工件和夹具总质量为几十吨甚至上百 吨，使用天车和简陋的传统装夹定位装置，工件变位和定位 非常困难，精度很难保证。在精加工阶段必须配备高档重载 自动变位机。
使 用 7、操作方便
附加要求
总功能：瓶盖整列，其黑箱模型如下图所示。 总功能分解：总共能与分功能之间的结构系统如下：
目标特征
局部解
目标
标记
1
2
3
4
5
6
A
输 入
重力
机械 力
B
测 向
机械测量
气 压 磁通密度 光 测 气 流
功分 能C拣
元
气流
负压
重力
机械式
翻 D转
重力
气流
导向
7
8
液、气力
E
输 出
重力
机 械力
d. 功能原理方案设计
根据设计任务书提出的参数和要求，提出实现这些要 求的技术方案——原理性的构思,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。
1、功能分解
功能
必要功能
基本功能 附加功能
非必要功能
基本功能：必须保证的功能，在设计中不能改变。 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。
丝杠柔性体切削仿真
丝杠柔性体切削仿真瞬时丝杠应力分布图
翻转70度时最大工作载荷下翻转架应变分布图
变位器在现场使用情景
履带
轮胎
3
油缸 抓斗
液轮
链传动 片式制动 液压-齿轮
迈步式
4
皮带传动 圆锥形传动 轨道-车轮
组合方案数=3×3 × 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化系统总体设计
2.3 设计过程示例
a. 市场调研
1. 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
实例：蒸汽发生器水室封头
➢ AP1000的主环路系统由核反应 压力容器，蒸汽发生器、稳压器和 各种管道组成。 ➢ 蒸汽发生器水室封头是蒸汽发生 器的关键部件，是蒸汽发生器与核 反应压力容器等其他部件的接口。
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。
实例1：变位机翻转机构的优化创新设计
c. 编制设计任务书
1）产品名称 2）产品用途 3）主要技术规格 4）技术性能指标 5）其它
实例：核岛蒸汽发生器水室封头用高档重载自动变位机
变位机主要技术参数
➢ 工作台有效直径：Φ5000mm。（安装夹钳后直径达6米） ➢ 夹持工件最大直径：Φ4500mm。 ➢ 工作台承载能力：50吨。 ➢ 工件加工时的最大切削力≈3500 Kg。 ➢ 工作平台翻转角度范围：0～70°。 ➢ 工作台水平时最大高度：3000mm左右。 ➢ 机床工作时主轴的最大高度：3500mm。
e、方案设计评估与优化——选择表法
实例： 瓶盖整列装置设计
瓶盖整列装置的功能要求
1、不规则瓶盖整列为口朝上逐个输出 基本要求
功 能
2、整列速度100个/分钟
必达要求
3、整列误差小于1/1000
必答要求
加 工 4、小批生产，中小型厂加工
基本要求
成 5、成本不高于2000元/台 本 6、结构简单
附加要求 附加要求
黑箱
实例：用黑箱法进行露天矿开采挖掘机的方案设计
实例：用功能树法进行露天矿开采挖掘机的方案设计 总功能
分功能1
……
分功能n
功能元1 …… 功能元n
功能元1 …… 功能元n
总功能 （挖煤、运煤）
驱动功能
执行功能 行走功能 控制功能 辅助功能 支承和联接
（
整
台
能能 量量 转传
铲提回 入升转
机 器 的
液、气力
实例：水室封头用重载自动变 位机主翻转机构的方案设计
图1.1 球面并联机构
图1.2 改进型球面并联机构
曲柄滑杆机构方案
曲柄摇块机构方案
以翻转角度工作空间和驱动力性能为指标，以变位机高
度尺寸、机床主轴最大加工高度为约束条件，考虑各种实际
工况，设计出冗余同步驱动2-RPRR并联翻转变位机构。