机电产品现代设计方法1

1.5 机电产品现代设计方法 （2）现代机电产品常见现代设计方法
• 3.绿色设计 • （a）产品材料的选择和管理
产品的材料不仅要满足传统设计的使用和性能要求，也包括对环境 约束准则的考虑。
• （b）产品可拆卸性和可回收性设律列
可拆卸性设计是将废弃淘汰产品的连接按照需要和回收目标拆开 而将零部件相互分离，及用利于产品拆卸的连接方式代替传统的连 接方式；可同收性设计则是将产品中的可重用零部件及材料按照其 性质进行分类，以便实现零部件重用或材料循环的一种设计思想和 方法。
1.5 机电产品现代设计方法 （2）现代机电产品常见现代设计方法
• 3.绿色设计 • （c）绿色产品成本分析和设计数据库的建立
1.5 机电产品现代设计方法 （2）现代机电产品常见现代设计方法
• 3.绿色设计
绿色设计是指以环境资源保护为核心概念的设计过程，其基本思 想就是在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳人产品设计之 中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境 的影响为最小。我国在机电产品的绿色设计方面的研究尚处于起步 阶段，目前的产品绿色设计只停留在简单的材料回收上，往往忽视 了对产品零部件深层次的重复利用。产品的绿色设计主要包括以下 内容：
机电产品现代设计方法
讲授者：廖平
一、 绪论
随着互联网+和科技智能 化技术的不断提升和发展， 机电产品正朝着智能化、 集成化以及系统化的方向 发展，为现代机电产品的 高效设计提出了挑战。其 核心就是机电一体化
1.1典型的机电产品
大飞机
加工中心
玉兔月球车
J20战斗机 俄罗斯主战坦克T-72B
消防、侦查机器人
设置传动装置。
1.4 现代机电产品的机电产品的功能构成
• 机械传动 是指利用机械方式传递动力和运动的传动。分为两类：一是 靠机件间的摩擦力传递动力与摩擦传动，二是靠主动件与从动 件啮合或借助中间件啮合传递动力或运动的啮合传动。
齿轮传动 链传动
带传动 蜗轮蜗杆传动
凸轮机构
1.4 现代机电产品的机电产品的功能构成
2.动力与驱动 动力部分的功能是按照系统控制要求,为系统提供能
量和动力,使系统正常运行。用尽可能小的动力输入获得 尽可能大的功能输出,是现代机电产品的显著特征之一。
液压系统
压电陶瓷精密驱动
同步电机
气缸
同步电机
1.4 现代机电产品的机电产品的功能构成
3.传动与执行机构 （a）传动机构 传动机构是把动力从机器的一部分传递到另一部分，使机器
1.2 机电一体化的基本概念
现代机电产品设计将
普
现代机械设计技术、人
通
工智能技术、微电子技
车
术、光学技术、通信技
床
术、自动控制技术以及
互联网+等多种技术有机
结合，实现机电一体化
数
控
目标：高质量、高精
车
度、高可靠性、低能耗。
床
“机电一体化”一词的英文名词是“Mechatronics”,它是取Mechanics（机 械学）的前半部分和Electronics（电子学）的后半部分拼合而成的。机电一 体化是现代机电产品设计的灵魂
1.5 机电产品现代设计方法 （2）现代机电产品常见现代设计方法
• 1.并行设计 • （2）基于信息、知识协同和集成的并行化
该方法基于计算机网络来实现，各零部件的设计人员通过计算机网 络对机电产品进行设计，并进行可制造性、经济性、可靠性、可装 配性等内容的分析及时的反馈信息，并按要求修改各零部件的设计 模型，直至整个机电产品完成为止。可以采用面向制造（DFM） 和面向装配 （DFA）的设计方法，涉及CAX技术（即CAD/CAM/CAPP一体化技 术）、产品信息集成（PDM）技术以及与人员协同集成有关的信 息技术。
• b.现代机电产品的小型化、轻量化 由于微电子技术和纳米技术的发展，加速了机电一体化 技术发展的进程，机电产品也越做越小、质量也越来越 轻；
1.5 机电产品现代设计方法 （2）现代机电产品的发展趋势
• c.正向着综合化方向发展。 由于现代机电产品涉及的领域越来越多，不仅涵盖了机 、电、磁、声等领域，也实现了与信息论、控制论、系 统论的集成。技术含量也越来越高，产品的结构越来越 复杂、功能越来越齐全；
1.4 现代机电产品的机电产品的功能构成
4.信息传递单元 信息传递单元的功能是各要素的工况信息和外部信息通过规 定的数据格式和通信方式进行传递。
1.4 现代机电产品的机电产品的功能构成
5.控制与决策单元 控制与决策单元的功能是将来自各要素的检测信息和外部输 入命令进行集中、储存、分析、加工,根据信息处理结果,按 照一定的程序和节奏发出相应的指令,控制整个系统有目的地 运行。 常见的控制器有工控机、嵌入式控制器、单片机、PLC等
或机器部件运动或运转的构件或机构。 (1)功用
改变动力机输出转矩，以满足工作机的要求； 把动力机输出的运动转变为工作机所需的形式，如将旋转运动改变为
直线运动，或反之； 将一个动力机的机械能传送到数个工作机上，或将数个动力机的机械
能传送到一个工作机上； 其他特殊作用，如有利于机器的控制、装配、安装、维护和安全等而
• 流体传动 • 是指利用流体作为工质的一种传动。依靠液体的静压力传
递能量的称为液压传动。依靠叶轮与液体之间的流体动力 作用传递能量的称为液力传动。利用气体的压力传递能量 的称为气压传动。
混泥土泵车
1.4 现代机电产品的机电产品的功能构成
• 电气传动 • 是指用电动机把电能转换成机械能，去带动各种类型的生
• 1.并行设计 并行设计是一种对产品及其相关过程（包括设计制造过 程和相关的支持过程）进行并行和集成设计的系统化工 作模式。强调产品开发人员一开始就考虑产品从概念设 计到消亡的整个生命周期里的所有相关因素的影响，把 一切可能产生的错误、矛盾和冲突尽可能及早地发现和 解决，以缩短产品开发周期、降低产品成本、提高产品 质量。并行设计作为现代设计理论及方法的范畴，目前 已形成的并行设计方法基本上可以分为两大类：
1.5 机电产品现代设计方法
（2）现代机电产品常见现代设计方法
• 2.虚拟设计
• 虚拟设计能实现在产品加工制造之前，建立产品的功能、结构模型 ，并能对其进行修改和评审，以满足不同客户的要求。它不仅继承 了传统CAD设计的优点也具备了仿真技术可视化的特点，更能支持 协同工作和并行设计，从而缩短了产品开发周期并通过各先进技术 的利用和补充，使产品保持技术上的优势。机电产品的虚拟设计要 以计算机技术（尤其是计算机网络、通信技术）为基础。对机电产 品虚拟设计平台的建立应该包括三个层次的内容：一是产品模型的 建立以及产品设计的优化；二是对产品（包括各部件）的评价和验 证，比如产品性能评价、可制造性的评价；三是产品模型以及相关 信息的传输。要实现虚拟设计过程中产品信息的共享，一般采用了 STEP（产品模型数据交换标准）的格式。在这些基础上可以建立 机电产品虚拟设计系统，该系统集成了CAD/CAM系统、PDM系统 、专家系统以及网络、通讯等系统。
现代高新技术（如微电子技术、生物技术、新材料技术、新能源技术、空间 技术、国防技术、海洋开发技术、光纤通信技术及现代医学等）的发展需要 具有智能化、自动化和柔性化的机电产品。 现代高端装备如燃气轮机、光刻机、高端数控机床等国家综合实力的体现。
1.3 现代机电产品组成要素
动力源
传动与 执行机构
控制与决策
工控机
嵌入式控制器
单片机
西门子PLC
1.4 现代机电产品的机电产品的功能构成
6 传感与检测单元 传感与检测单元是将机电产品的各种工况和运行状态的物 理信息通过传感器转换成电信号（电压或电流），并对电 信号进行滤波、放大、A/D转换处理，变换成数字信号输 入到控制单元中。
压力传感器
温度传感器
线位移传感器
1.5 机电产品现代设计方法
（2）现代机电产品常见现代设计方法
• 2.虚拟设计
• 在达到产品并行的目的以后，为了使产品一次设计成功，减少反复 ，往往会采用仿真技术，而对机电产品模型的建立和仿真又属于是 虚拟设计的范畴。所谓的虚拟制造（也叫拟实制造）指的是利用仿 真技术、信息技术、计算机技术和现实制造活动中的人、物、信息 及制造过程进行全面的仿真，发现制造过程中可能出现的问题，在 真实制造以前，解决这些问题，以缩减产品上市的时间，降低产品 开发、制造成本，并提高产品的市场竞争力。正是依托这样的虚拟 制造技术，建立与产品设计有关的计算机虚拟设计现实系统（VRS ），在这个软环境中从事产品设计的技术叫做虚拟设计。
1.5 机电产品现代设计方法 （2）现代机电产品的发展趋势
• 4.正向着高可靠性方向发展 机电产品集机械产品和电子产品于一体，而且使用机电 产品的场合也越来越多，环境也越来越复杂，对于现代 的机电产品而言，势必要求其具有较高的可靠性和抗干 扰能力。
1.5 机电产品现代设计方法 （2）现代机电产品常见现代设计方法
1.5 机电产品现代设计方法 （2）现代机电产品的发展趋势
• a.机电产品智能化。 随着计算机技术、人工智能、互联网技术（尤其是5G 技术的出现）的迅速发展，使得机电产品的功能更加智 能化，机电产品的功能和品质发生了质的飞跃。导致了 智能机械（如机器人、智能仪表）的出现。
1.5 机电产品现代设计方法 （2）现代机电产品的发展趋势
1.5 机电产品现代设计方法
（2）现代机电产品常见现代设计方法
• 1.并行设计
这两种机电产品并行设计方法并不是相互独立的。在实际应用过程 中，它们往往是紧密结合在一起的。如现代企业所实行的ERP（企 业资源计划），不仅企业人员管理机制，还集成了CAX（ CAX是 CAD、CAM、CAE、CAPP、CIM、CIMS、CAS、CAT、CAI等各 项技术之综合叫法， CAX实际上是把多元化的计算机辅助技术集 成起来复合和协调地进行工作）、PDM（物理数据模型，用于存 储结构和访问机制的更高层描述，描述数据是如何在计算机中存储 的，如何表达记录结构、记录顺序和访问路径等信息。 ）以及其 他的相关技术，通过采用这样的方式来全面实现企业及企业间的并 行工程。
检测
机械本体
信息传递
现代机电产品的组成要素
上述组成要素内部及其之间,形成通过接 口耦合来实现运动传递、信息控制、能 量转换等有机融合的一个完整系统。
1.4 现代机电产品的机电产品的功能构成
1.机械本体 现代机电产品的机械本体包括机身、机壳、框架、连接 等。要求机械本体人机友好、外形美观、结构轻巧
1.4 现代机电产品的机电产品的功能构成
产机械、交通车辆以及生活中需要运动的传动，也称电力 拖动。
1.4 现代机电产品的机电产品的功能构成
• 复合传动 是源自文库利用两种或两种以上的传动方式的机构或结构。
1.4 现代机电产品的机电产品的功能构成
（2）执行机构
执行机构的功能是根据控制信息和指令,完成要求的动作。执行机构 是运动部件。 根据采用动力源的不同，通常有电动执行机构，气动执行机构，液动执 行机构等。执行机构是自动控制系统的重要环节，它接受控制信号，对 其进行功率放大，然后转换为输出轴的相应的角位移或直线位移，用以 推动各种调节机构，如调节阀、风门挡板等，改变被调介质流量，以完 成各种过程参数的自动控制或人工手动控制。执行机构的动作规律通常 是线性的，也有采用等百分比型的。其控制信号有连续的电流信号，也 有断续的电压信号或脉冲信号。
角位移传感器（光电编码器）
1.5 机电产品现代设计方法
（1）机电机电产品设计基础
机电机电产品设计基础是机电一体化技术，牵涉到多学科 交叉。它所涉及的主要技术科学领域既包括有：机械设计、 微电子技术、控制理论与技术、信息处理技术、现代设计 方法、软件工程，模糊识别、系统仿真、人工智能、网络 技术等跨学科知识。
1.5 机电产品现代设计方法 （2）现代机电产品常见现代设计方法
• 1.并行设计 （1）基于人员协同和集成的并行化
就是把组成与产品方面有关的，针对给定设计任务的专门的、综 合性的设计团体（企业）协同起来。机电产品的特殊性要求是：团 队成员的知识面较广是跨领域的、善于理解他人观点的能协同的人 员。所有成员都能相互交流，可以通过利用日益完善的通信技术和 计算机技术，建立一套完善合理的使用于机电产品的人员管理体系 ，加强不同设计团队（企业）工作的协调性。