机电一体化产品设计的基本原理及方法
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第二章 机电一体化产品设计 的基本原理及方法
本章的学习内容：
2.1 设计依据和评价准则
2.2 机电一体化系统的设计思想与方法 2.3 设计过程 2.4 机电一体化控制系统设计
2.1 设计依据与评价标准
一、设计依据
系统功能
评价与标准
性能指标
使用条件
社会经济
二、评价标准
机电一体化产品设计的评价标准体现在以下几个方面：
二、系统的设计思想
将机电一体化产品看成是一个完整的系统。从 系统论的观点出发，分析各个部分的相互联系及整 个与界的关系。
（2） 按系统工程的理论 和方法去分析处理问题
机电一体化系统
（5） 以达到客户满意的设 计目标和评价标准为系统设
计的最终目的
（4） 掌握有关各领域信息 资料
三、注重创新的设计思想
2.4 机电一体化控制系统设计
一、控制系统设计内容和步骤
1、确定系统的总体方案 2、建立数学模型并确定控制算法 3、控制系统的总体设计 4、控制系统的软、硬件设计 5、系统调试
二、控制器的选型
1、单片机
80年代流行，没有自开发能力，需要专用的仿真开发系 统对其进行开发，可靠性和可维护性差，价格便宜，目前主要 用于仪表行业。
1、技术评价指标 如机械系统的传动精度、控制原理、传感器的线性度等。
2、性能评价指标 自动化程度、承载能力、可靠性等。
3、经济性评价指标 如制造的难易程度、性价比等。
4、社会性评价指标 如资源的利用、环保？
2.2机电一体化系统的设计思想与方法
一、机和电融合的设计思想
1、替代机械系统 2、简化机械系统 3、增强机械系统 4、综合机械系统
五、方案设计评估与优化 ——选择表法
例： 瓶盖整列装置设计
结果表明，方案Ⅱ为教理想的方案
ห้องสมุดไป่ตู้
六、结构设计和参数核算
1、结构设计的步骤
1）确定主要功能载体的结构 2）确定辅助功能载体的结构 3）检查主辅功能载体的相互影响及配合性 4）对设计的进一步完善
2、结构设计中的相关原理
1）任务分配原理
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
能 量 转 换
能 量 传
铲提 入升
递 与 铲 压推 分斗
动 回） 转
台 机 器 的
启变 动速
移
1、工作原理的创新 2、技术方案的创新 3、结构的创新 4、用材和制造工艺上的创新 5、控制方面的创新 6、驱动和传动方面的创新 7、其它方面的创新
2.3 设计过程
市场调研
概念设计
设
编制设计任务书
计
流
功能原理方案设计
程
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
一、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
2、工控机
抗干扰能力强，可靠性高、不需要自行开发硬件、软件可 根据接口模板提供的示范程序用高级语言开发，控制系统体积 大、成本较高、适合于需进行大量数据运算、可靠性高的大型 工业测控系统。
3、工控机可编程控制器
抗干扰能力强、可靠性高、体积小、运行可靠、可扩展性 可维护性好，操作简便、价格较贵。
动
）
、 停 止
仪照
表 显
明
示
其 他
配
（
制
3、功能元组合——相容矩阵法
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+H1+I2 ）→ 轮胎式正铲液压挖掘机
2）稳定性原理
3）力传递原理
4）等强度原理
5）自补偿原理
自动补偿的应用形式
自增强 自平衡 自保护
6）力平衡原则
7）结构设计变元原理
利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方法。
七、完成全部设计文件
1）产品的全部图样 2）产品零件明细表 3）产品使用说明书、维护说明书、检验标准、检验 方法
二、概念设计
2）工艺可 实现性
概念设计
5）避免不良 结构性
三、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
四、功能原理方案设计
1、功能分解
功能
必要功能
基本功能 附加功能
非必要功能
2、寻找功能元——黑箱法或功能树法
例如：用黑箱法进行露天矿开采挖掘机的方案设计
本章的学习内容：
2.1 设计依据和评价准则
2.2 机电一体化系统的设计思想与方法 2.3 设计过程 2.4 机电一体化控制系统设计
2.1 设计依据与评价标准
一、设计依据
系统功能
评价与标准
性能指标
使用条件
社会经济
二、评价标准
机电一体化产品设计的评价标准体现在以下几个方面：
二、系统的设计思想
将机电一体化产品看成是一个完整的系统。从 系统论的观点出发，分析各个部分的相互联系及整 个与界的关系。
（2） 按系统工程的理论 和方法去分析处理问题
机电一体化系统
（5） 以达到客户满意的设 计目标和评价标准为系统设
计的最终目的
（4） 掌握有关各领域信息 资料
三、注重创新的设计思想
2.4 机电一体化控制系统设计
一、控制系统设计内容和步骤
1、确定系统的总体方案 2、建立数学模型并确定控制算法 3、控制系统的总体设计 4、控制系统的软、硬件设计 5、系统调试
二、控制器的选型
1、单片机
80年代流行，没有自开发能力，需要专用的仿真开发系 统对其进行开发，可靠性和可维护性差，价格便宜，目前主要 用于仪表行业。
1、技术评价指标 如机械系统的传动精度、控制原理、传感器的线性度等。
2、性能评价指标 自动化程度、承载能力、可靠性等。
3、经济性评价指标 如制造的难易程度、性价比等。
4、社会性评价指标 如资源的利用、环保？
2.2机电一体化系统的设计思想与方法
一、机和电融合的设计思想
1、替代机械系统 2、简化机械系统 3、增强机械系统 4、综合机械系统
五、方案设计评估与优化 ——选择表法
例： 瓶盖整列装置设计
结果表明，方案Ⅱ为教理想的方案
ห้องสมุดไป่ตู้
六、结构设计和参数核算
1、结构设计的步骤
1）确定主要功能载体的结构 2）确定辅助功能载体的结构 3）检查主辅功能载体的相互影响及配合性 4）对设计的进一步完善
2、结构设计中的相关原理
1）任务分配原理
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
能 量 转 换
能 量 传
铲提 入升
递 与 铲 压推 分斗
动 回） 转
台 机 器 的
启变 动速
移
1、工作原理的创新 2、技术方案的创新 3、结构的创新 4、用材和制造工艺上的创新 5、控制方面的创新 6、驱动和传动方面的创新 7、其它方面的创新
2.3 设计过程
市场调研
概念设计
设
编制设计任务书
计
流
功能原理方案设计
程
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
一、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
2、工控机
抗干扰能力强，可靠性高、不需要自行开发硬件、软件可 根据接口模板提供的示范程序用高级语言开发，控制系统体积 大、成本较高、适合于需进行大量数据运算、可靠性高的大型 工业测控系统。
3、工控机可编程控制器
抗干扰能力强、可靠性高、体积小、运行可靠、可扩展性 可维护性好，操作简便、价格较贵。
动
）
、 停 止
仪照
表 显
明
示
其 他
配
（
制
3、功能元组合——相容矩阵法
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+H1+I2 ）→ 轮胎式正铲液压挖掘机
2）稳定性原理
3）力传递原理
4）等强度原理
5）自补偿原理
自动补偿的应用形式
自增强 自平衡 自保护
6）力平衡原则
7）结构设计变元原理
利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方法。
七、完成全部设计文件
1）产品的全部图样 2）产品零件明细表 3）产品使用说明书、维护说明书、检验标准、检验 方法
二、概念设计
2）工艺可 实现性
概念设计
5）避免不良 结构性
三、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
四、功能原理方案设计
1、功能分解
功能
必要功能
基本功能 附加功能
非必要功能
2、寻找功能元——黑箱法或功能树法
例如：用黑箱法进行露天矿开采挖掘机的方案设计