哈工大机电液装备课程总结

佟志忠
佟志忠
最后一课
总结与感想
机电液系统装备设计
机械电子工程专业模块课程
佟志忠
Email: tongzhizhong@ 地 点: 科学园2F 栋408室
哈尔滨工业大学
佟志忠课 程 内 容◆第1章概述
◆第2章总体设计
◆第3章机构与机械系统设计
◆第4章动力系统设计
◆第5章驱动与传动系统设计
◆第6章控制系统设计
◆第7章系统集成与测试技术
◆第8章典型装备设计示例
佟志忠课程目的
1.清晰认识、深入理解基本的物理概念；
2.掌握机电液系统设计的一般方法；
3.注重发掘系统的内在耦合关系，即是总体；
4.善于分解指标，形成集成与测试路线，这适用于 装备设计，也是共性所在；
5.融合所学知识，建立小的知识体系；
6.课程仍未脱离传统设计，需要发展；
7.不是一门专业课，而是一门能为其他专业或方向 提供借鉴思想和方法的课程；
机械系统Mechanics 机电系统
机电液系统
机电液系统装备是指将
过程相融合，构建由适宜要素组成的、匹配的整体
微电子
机械液压
电气
控制
佟志忠
&设计要求的重要性
设计要求既是设计、制造、试验、鉴定、验收的依据，同时又是用户衡量的尺度。

所以，在设计前，必须对所设计产品提出详细、明确的设计要求。

要求我们在设计前必须对所进行的设计要求有一个清晰明确的认识必要时要与用户进行沟通，详细了解用户对产品的性能、产品的使用环境、维护/保养条件、产品的安装位置等。

(1)功能要求 (2)适应性要求
(3)可靠性要求 (4)生产能力要求 (5)使用经济性要求 (6)成本要求等。

基于人机工程学的设计思想：
1）以机器为中心； 2）以人为中心
注意：
以机器为中心通常是设计者考虑问题的出发点——如何以最佳的原理及结构实现系统的功能。

以人为中心通常是用户或使用者/操作者考虑问题的出发点——如何以最舒适、最人性化的方式使用机器。

佟志忠第2章总体设计
¾总体设计概述：
思想、必要性
¾总体设计技术路线：
任务、原则、步骤、原理
¾功能原理设计的方法：
黑箱法(功能结构、功能分解、功能元)¾总体设计需求分析与指标分解：
理解需求和指标，学会方案设计。

¾机电液系统总体设计是一个自上而下的过程，系
统的功能和性能指标在各子系统中的合理分配是
机电液系统集成的基础；
¾机电液系统总体分析是自下而上的过程，是以系
统动态分析理论为基础对系统的稳定性和动态响
应能力等进行验证的过程，形式上有理论分析和
仿真分析等；
¾基础条件是系统的理论模型的建立 。

总体设计的核心：
如何提出功能和指标？（做一个智慧的用户）
如何实现功能和指标？（做一个合格的设计者）
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2.2 总体设计的性能指标及分配方法
总体设计的风险在于指标，因此明晰指标才能规避风险；而指标的提出、分解与实现、考核与综合评价是总体的重要任务，也是分系统的设计输入与验收考评。

产品规划
概念设计
详细设计韧性屏幕
机电液系统装备的设计和开发，其实际过程是一个交互过程，在概念设计和详细设计过程中不断地验证和修改！概念设计决定总体设计的走向，也是总体方案论证的靶点。

功能原理设计是一种实现创新的、概念设计的方法。

功能原理方案设计步骤（科学合理的步骤）
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2.4.6 功能原理设计要求及原则
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2.4.8 功能原理设计方法——黑箱法
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2.5 总体设计之需求分析与指标分解¾需求分析是为系统研制开发而提出的。

¾需求分析的要求可作为开发人员和交办方之间相互了解的基础文件。

¾根据相应的性能要求和功能要求，为开发人员提供设计和开发的规范，并对系统软硬件配置提出约束。

¾需求分析能够为开发人员和用户分别提供测试方法和依据。

佟志忠第3章 机构与机械系统设计
◆机构学基础知识
◆空间机构的运动学初步
◆空间机构的动力学初步
◆机电液装备的机构设计方法
◆基于需求的机构方案选择
◆机构与机械间的设计耦合
◆一个典型设计案例
自由度（DOF，degree of freedoom）是机器人/装备的重要指标，直接影响机动性。

Kutzbach-Glübler 机构自由度计算公式如下：
()∑=+−−=m
i i
f m n d F 1
1式中
——机构的自由度数； ——平面机构取3，空间机构取6； ——构件总数； ——机构中运动副总数； ——第i 个运动副的自由度数。

F
n m i f d
以并联机构为例，其自由度：
()∑=+−−=m
i i
f m n F 116()()0
30118146161
=+−−=+−−=∑=m
i i f m n F 构件：上平台(1)、固定平台(1)、杆(6)、筒(6)n=14运动副：上铰(6)、下铰(6)、支腿杆和筒(6)
m=18运动副自由度：上虎克铰(2)、下虎克铰(2)、移动副(1)
∑f=30
()∑=+−−=m
i i
f m n F 116()()6
36118146161
=+−−=+−−=∑=m
i i f m n F 构件：上平台(1)、固定平台(1)、杆(6)、筒(6)n=14运动副：上铰(6)、下铰(6)、支腿(6)
m=18运动副自由度：上虎克铰(2)、下虎克铰(2)、圆柱副(2)
∑f=36
以并联机构为例，其自由度：
自由度分析仍是学术问题：计算公式及全周性。

1、150年历史的机构自由度问题仍是“难题”，Gogu收集到的反常古典机构和现代并联机构不服从Grübler-Kutzbach公式。

研究仍需验证和认可！
2、瞬时自由度
3、全周自由度
机构一般分为串联、并联及混联机构。

并联机构
小
高
多
佟志忠1.点的齐次坐标
3.2.3 机构学数学基础2.刚体的位姿表示 3.旋转矩阵 ⎥⎥
⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡−−++−=φθφθθφψφθψφθψφψθψφθψφψφψφθψθψc c s c s s c c s s s s s c c c s c s c s s c s s s c c c R ()()
⋅=⋅sin s ()()
⋅=⋅cos c Z
Y
X
Z
Y X
绕Z
Z
Y X
X
Z
Y
绕Y
绕X
1.串联机构的运动学
•串联机构操作机末端执行器相对于固定参考坐
标数的空间几何描述，即运动学问题;
•研究机器人手臂末端执行器位置和姿态与关节
变量空间之间的关系。

丹纳维特（Denavit）和哈顿伯格（Hartenberg）于1955年提出一种矩阵代数方法解决机器人的
运动学问题—D-H方法
–具有直观的几何意义
–能表达动力学、计算机视觉和比例变换问题
–其数学基础即是齐次变换
2.并联机构的运动学
雅克比矩阵（Jacobian matrix）：
雅可比矩阵表示各单个变量与函数间的微分关系，可以将机器人单个关节的速度转换为手部的速度揭示了操作空间与关节空间的映射关系。

雅可比矩阵是机器人构型设计的函数，同时也是机器
人即时位姿的函数，即矩阵各元素的大小也随时间变化
⎥
⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢
⎢⎢⎢⎣
⎡=⎥⎥⎥
⎥
⎥⎥
⎥
⎥
⎦⎤
⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡6
54321θ
θθθθθδδδd d d d d d z
y x dz dy dx 雅克比机器人机器人手沿x,y,z轴的微分运动
机器人手绕x,y,z 轴的微分旋转
关节的
微分运
动
[]
θD []
D []
J 机器人速度分析
左、右两边各除以d t 得或表示为
z动力学正逆问题： 正问题是已知机构各关节作用
力或力矩，求机构各关节的位移、速度和加速度，主要用于仿真；逆问题是已知机构各关节的位移、速度和加速度，求解所需要的关节作用力或力矩，可用于设计、实时控制；
z求解动力学方程的目的，通常是为了得到运动方程，即一旦给定作为输入的力或力矩，就确定了系统的运动结果；
z动力学研究方法：牛顿-欧拉 (Newton Euler) 法、拉格朗日法(Langrange Langrange)法、高斯(Gauss) 法、凯恩(Kane) 法及罗伯逊-魏登堡(Roberon-Wittenburg) 等法；
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3.4 机构的若干性能指标性能指标的分类
局部性全局性
工作空间 运动参数
灵巧性/可操作度 奇异性 刚度 固有频率 各向同性 精度 耦合
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3.6 基于需求的机构方案选择
选取原则：
1）提炼需求，明确机构的设计要求； 2）依据自由度初选构型及其方案；
3）进行运动学分析，评价运动能力； 4）动力学设计，分析驱动及m-k要求； 5）开展机械系统设计，融合3）、4）； 6）运动可视化仿真，评价指标吻合度。

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1、机械系统的静态特性与机构相关
运动和力的需求，要求机械系统强度满
足应用要求。

合理的机构能够发挥机械的最大功用。

相关： * 传动比； * 效率； * 精度；
3.6 机构与机械间的设计耦合
*
2、机械系统的动态特性与机构相关
机构构型与动态特性相关，如并联机构的刚度较串联机构大，同等负载响应快。

机构的机械实现也与机构相关，如Delta 机构、正交振动台等。

MN MX
X
Y
Z
.600E-04.013593.027126.040658.054191.067724.081257.09479.108323
.121855
JAN 29 2011
16:24:54
SMX =.121855
1
MN
MX
X
Y
Z .001316.012895.024475.036055.047635.059214.070794.082374.093954
.105533
JAN 29 2011
16:25:27
NODAL SOLUTION
STEP=1
SUB =8
FREQ=544.555USUM (AVG)RSYS=0
DMX =.105533SMN =.001316SMX =.105533
1
MN
MX
X
Y
Z
JAN 29 2011
16:25:49
NODAL SOLUTION STEP=1SUB =9
FREQ=675.861USUM (AVG)RSYS=0
DMX =.111748SMN =.0024SMX =.111748
2、机械系统的动态特性与机构相关
机械系统的动态特性影响系统的动力学性能，尤其是控制系统的响应；一旦存在机械谐振，设计上必须考虑如何抑制或利用。

3、机械系统的工况、运行环境、载荷与机构相关
4、机构与机械系统的惯性参数、刚度和阻尼耦合可能使得装备机械系统动力学更为复杂，甚至质变
特点：
1. 跟关节只能前后摆动
2. 关节受力大
3. 支撑面积大
4. 稳定性好
5.
灵活性好
特点：
1. 跟关节只能上下摆动
2. 支撑面积小
3. 重心高、稳定性不足
4. 承载能力好
5. 易实现高速、高效
5、机构与机电液装备的若干性能指标密切相关
6、机构决定机械系统的技术风险
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z功率密度
z储能装置重量z循环效率
z价格、可靠性z环境污染
z维护性
z功率密度:单位质量储能元件吸收和释放的最大功率; z能量密度:单位质量储能元件所储存的可用能量值.。