机电一体化设计基本原理及方法
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精品课件
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。
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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。
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2.2 产品的功能原理方案设计
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一、功能分解
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。
功能的分解指对产品的必要功能进行分解。
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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。
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二、结构总体设计的步骤
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三、结构设计时应该引用的一些基本原理
1、任务分配原理
①相同功能的任务分配
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②不同功能任务分配
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2、稳定性原理
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3、力传递原理
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4、等强度原理
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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，总效应为两者之精和品课件
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二、概念Hale Waihona Puke Baidu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。
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例如，设计一辆专门用于西部的有轨电车
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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。
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：a1，a2，a3，a4，a5，b1，b2， b3，c1，c2，c3，d1，d2，d3，d4，d5，e1，f1， f2
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只有决策结果为全正号的才是可以考虑和比较的方案。
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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。
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二、控制器选择
工控机、单片机、可编程控制器、现场总线控 制、嵌入式控制系统等。
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3、控制系统的总体设计 控制器类型的选择、与外部的接口、各部分软硬 件承担的功能、人机界面的形式等。 4、控制系统软硬件的设计 5、系统调试
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4、控制系统软、硬件设计 5、系统调试
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（a）串联结构
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(b)并联结构
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(c)环形结构
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2、功能元解组合
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
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若方案为：（A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+I2）→ 轮胎式正铲液
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例二. 瓶盖整列装置设计 任务要求：
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功能分析
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功能元求解目录表
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评价
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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。
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 的旧产品、开发新产品，构思新方案， 以寻找功能原理解。
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1、功能元的抽象描述
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2、常用的功能元解
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转变、缩小、放大、变向等机构
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三、功能元解的组合 1、分功能之间的结构关系
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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。
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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。
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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
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2、功能树法
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例如：设计露天矿开采挖掘机。其功能树为：
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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。
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）
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一、市场调查
主要涉及到以下内容： 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
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。
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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。
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2.2 产品的功能原理方案设计
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一、功能分解
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。
功能的分解指对产品的必要功能进行分解。
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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。
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二、结构总体设计的步骤
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三、结构设计时应该引用的一些基本原理
1、任务分配原理
①相同功能的任务分配
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②不同功能任务分配
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2、稳定性原理
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3、力传递原理
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4、等强度原理
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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，总效应为两者之精和品课件
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二、概念Hale Waihona Puke Baidu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。
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例如，设计一辆专门用于西部的有轨电车
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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。
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：a1，a2，a3，a4，a5，b1，b2， b3，c1，c2，c3，d1，d2，d3，d4，d5，e1，f1， f2
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只有决策结果为全正号的才是可以考虑和比较的方案。
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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。
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二、控制器选择
工控机、单片机、可编程控制器、现场总线控 制、嵌入式控制系统等。
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3、控制系统的总体设计 控制器类型的选择、与外部的接口、各部分软硬 件承担的功能、人机界面的形式等。 4、控制系统软硬件的设计 5、系统调试
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4、控制系统软、硬件设计 5、系统调试
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（a）串联结构
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(b)并联结构
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(c)环形结构
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2、功能元解组合
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
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若方案为：（A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+I2）→ 轮胎式正铲液
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例二. 瓶盖整列装置设计 任务要求：
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评价
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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。
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 的旧产品、开发新产品，构思新方案， 以寻找功能原理解。
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1、功能元的抽象描述
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2、常用的功能元解
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转变、缩小、放大、变向等机构
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三、功能元解的组合 1、分功能之间的结构关系
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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。
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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。
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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
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2、功能树法
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例如：设计露天矿开采挖掘机。其功能树为：
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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。
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）
精品课件
一、市场调查
主要涉及到以下内容： 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