1、第二章 机电系统总体技术l系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统工程的系统工程的观点和方法观点和方法，将系统总体，将系统总体分解分解成相互有机联系的若干成相互有机联系的若干功能单元，并以功能单元为子系统继续分解，直至找功能单元，并以功能单元为子系统继续分解，直至找到可实现的技术方案，然后再把功能和技术方案组合到可实现的技术方案，然后再把功能和技术方案组合进行分析、评价和优选的综合应用技术。进行分析、评价和优选的综合应用技术。l解决问题：系统的性能优化问题和组成要素之间的有解决问题：系统的性能优化问题和组成要素之间的有机联系问题机联系问题, , 使整个系统很
2、好的协调的正常运行。使整个系统很好的协调的正常运行。l相关内容：机械技术的优化设计、相关内容：机械技术的优化设计、CAD/CAMCAD/CAM技术、可技术、可靠性设计、价值工程等。靠性设计、价值工程等。顺序设计，各自为政合理分工，协同作战本章内容l机电系统设计的工程路线l机电系统总体设计概述l机电系统原理方案设计l 机电系统结构方案设计本章内容l机电系统设计的工程路线l机电系统总体设计概述l机电系统原理方案设计l 机电系统结构方案设计本章内容l机电系统设计的工程路线l机电系统总体设计概述l机电系统原理方案设计l 机电系统结构方案设计机电系统总体设计技术机电系统设计的工程路线机电系统设计的工程路
3、线 现代系统设计的特征 机电系统的设计类型 机电系统的设计方法 机电产品设计的工程路线1、现代系统设计的特征工业高速发展和贸易竞争的加剧，迫切要求大幅度提高机电系统设计工作的质量和速度。因此，开展现代设计理论和方法的研究，在机电一体化技术中推广和运用现代设计的方法，提高设计水平，是机电系统设计方法发展的必然趋势。1、现代系统设计的特征（1）现代设计致力于澄清设计任务与设计目标，全面、系统地确定设计过程的起始条件和最终结果。可以使设计过程始终不渝地从实际出发，达到预定的目标，取得优于传统设计的结果。1、现代系统设计的特征（2）现代设计十分重视设计策略和战略过程的研究，建立一种合理的设计秩序，并且
4、严格按照规范化的设计过程进行工作，求得较高的工作质量和效率。1、现代系统设计的特征（3）现代设计极其强调抽象的设计构思，防止过早地进入对某一已经定型的实体结构的分析，以便对系统的工作原理和结构关系做本质的和创新的设计构思。顶层设计、概念设计1、现代系统设计的特征（4）现代设计经常采用扩展性的设计思维，自始至终地在寻求多种可行的方案和构思，以便从中选择、确定能够令人满意的解决方案，改变传统设计中惯用的封闭式设计思维和主观决策的现象，能够达到较高的满意程度。1、现代系统设计的特征（5）现代设计十分强调评价决策，尽量避免直接决策，排除决策中的主观因素，使得在决策中所选定的设计方案能够达到最佳的价值水
5、平。1、现代系统设计的特征（6）现代设计采用结构优化设计，对多种结构形式、技术参数和技术性能进行各种不同性质的优化设计方法，以求得综合优化的效果。1、现代系统设计的特征（7）现代设计重视运用电子计算机辅助设计，使设计人员从繁重的设计作业中解脱出来。（8）现代设计注重系统地进行概念设计，采用特殊形式表达设计结果。2、机电系统的设计类型l开发性设计l适应性设计l变异性设计l性能扩展性设计l仿制性设计开发性设计l没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理和要求，设计出在质量和性能方面满足要求的产品。最初的录像机、摄像机的设计就属于开发性设计。适应性设计l在总的方案原理基本保持不变的情况下，对现有产
6、品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品的性能和质量增加某些附加价值。电子式照相机采用电子快门、自动曝光代替手动调整，使其小型化、智能化；电动缝纫机；增程式火箭系统。变异性设计l在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸，外形设计等，使之适应于不同场合的要求。由于传递扭距或速比发生变换而重新设计传动系统和结构尺寸的设计属于变异性设计。性能扩展性设计l在设计原理方案基本不变条件下，只在原方案基础上加以少量的改进，或是采用现代化的高科技单元部件，使原产品性能提高，功能扩展，应用范围扩大。全自动洗衣机等仿制性设计l在设
7、计原理方案、结构不变情况下，将原产品进行分解、测绘、反设计计算得到的各种设计参数，再根据所得到的各种设计参数，在此基础上制定新的设计原理方案，所研制新产品的性能特点、功能指标与原设计类同，只是设计后所用单元性能与原方案有所区别，研制生产所用材料和工艺不同，均属于仿制性设计。3、机电系统的设计方法机电互补设计法机电结合设计法机电组合设计法反向设计法l综合应用机械技术、传感与检测技术、自动控制技术、电子技术、计算机技术等各项技术的特长，设计出最佳的机电系统。设计者根据所设计的机电系统选用相应的设计方法。机电互补设计法l机电互补设计法也可称为取代法。l采用通用或专用电子产品取代传统机械系统（或产品）
8、中的复杂机械功能部件或功能子系统，以弥补其不足。该方法是改造旧产品、开发新产品或对原系统进行技术改造常用的方法，也是改造传统机械产品的常用方法。机电结合设计法l在机电系统（或产品）设计中，为了实现单元部件的标准化、通用化、系列化，常把各组成部件有机结合为一体，构成专用或通用的功能单元系统，充分利用不同部件之间机电参数的有机匹配。功能式传感器采用传感器和放大器的结合微型电机系统采用功率放大电路和微型电机结合机电组合设计法l组合法就是选用各种标准功能模块组合设计成机电一体化系统。设计一台数控机床,可以依据机床的性能要求,通过对不同厂家的计算机控制单元、伺服驱动单元、位移和速度测试单元及主轴、导轨、
9、刀架、传动系统等产品的评估分析,研究各单元间接口关系和各单元对整机性能的影响，通过优化设计确定机床的结构组成。反向设计法l当确定要开发新产品后，选定市场上当前最流行的有代表意义的优秀产品，进行剖析、测绘、评估，最后提出设计分析报告和建议，以确定自己的开发策略。l进行反向设计的目的是为了开发新产品，它是市场竞争最有力也是最有效的方法。例如各种山寨产品遵守知识产权规则4 设计准则 设计准则主要考虑设计准则主要考虑“人、机、材料、成本人、机、材料、成本”等因素，而产品的可靠性、适用性与完善性设计等因素，而产品的可靠性、适用性与完善性设计最终可归结于：最终可归结于：在保证目的功能要求与适当寿命在保证目
10、的功能要求与适当寿命的前提下不断降低成本的前提下不断降低成本。产品成本的高低，。产品成本的高低，7070决定于设计阶段决定于设计阶段. . 在设计阶段可从两方面采取措施：在设计阶段可从两方面采取措施：一、从用户需求出发降低使用成本，一、从用户需求出发降低使用成本，二、从制造的立场出发降低设计与制造成本。二、从制造的立场出发降低设计与制造成本。4、机电产品设计的工程路线l机电一体化工程路线是指应用机电一体化技术进行产品开发的整个过程体系。机电一体化工程路线包括市场调研、产品构思、方案设计与评价、详细设计、质量规划与控制、制造工艺规划、样机试制、正式生产、用户意见反馈、修改与完善等各个阶段。试制样
11、机功能与结构分析模块化设计制造/外购？详细设计市场调查模块化设计制造/外购？市场调查详细设计硬件制造外购软件制造外购分析求解、模拟试验物理、数学模型评价与审定？是否构思(初步设计)可行性论证、技术经济分析市场调查、需求分析、销售预测拟定新产品目标及初步技术规范总体性能测试技术评价与审定？生产设计是小批量生产试销效果是否好？正常生产广告宣传销售收集用户意见是否在原构思上修改？分析原因修改设计否否初步方案设计是否结束？否总结经验与教训物理、数学模型是否修改？否是否是是是机电系统（产品）的工程路线机电产品设计的工程路线1、拟定设计目标2、市场调研3、总体方案设计（初步）4、初步设计方案评审5、确定数
12、学模型（理论）6、详细设计虚拟样机、试验样机7、详细设计方案评审8、试制样机9、样机试验、测试10、技术评价与审定11、小批量生产12、试销13、正常生产，收集意见14、销售、收集意见1、市场调研、市场调研p 市场调研包括市场调研包括市场调查市场调查和和市场预测市场预测。p所谓市场调查就是运用科学的方法，系统地、全面地所谓市场调查就是运用科学的方法，系统地、全面地收集所设计产品市场需求和经销方面的情况和资料，收集所设计产品市场需求和经销方面的情况和资料，分析研究产品在供需双方之间进行转移的状况和趋势。分析研究产品在供需双方之间进行转移的状况和趋势。p而市场预测就是在市场调查的基础上，运用科学方
13、法而市场预测就是在市场调查的基础上，运用科学方法和手段，根据历史资料和现状，通过定性的经验分析和手段，根据历史资料和现状，通过定性的经验分析或定量的科学计算，对市场未来的不确定因素和条件或定量的科学计算，对市场未来的不确定因素和条件做出预计、测算和判断，为产品的方案设计提供依据。做出预计、测算和判断，为产品的方案设计提供依据。2、总体方案设计、总体方案设计1) 产品方案构思产品方案构思p产品方案构思完成后，以方案图的形式将设计方案表产品方案构思完成后，以方案图的形式将设计方案表达出来。方案图应尽可能简洁明了，反映机电一体化达出来。方案图应尽可能简洁明了，反映机电一体化系统各组成部分的相互关系，
14、同时应便于后面的修改。系统各组成部分的相互关系，同时应便于后面的修改。2) 方案的评价对多种构思和多种方案进行筛选，选择方案的评价对多种构思和多种方案进行筛选，选择较好的可行方案进行分析组合和评价，从中再选几个较好的可行方案进行分析组合和评价，从中再选几个方案按照机电一体化系统设计评价原则和评价方法进方案按照机电一体化系统设计评价原则和评价方法进行深入的综合分析评价，最后确定实施方案。行深入的综合分析评价，最后确定实施方案。 试制样机功能与结构分析模块化设计制造/外购？详细设计市场调查模块化设计制造/外购？市场调查详细设计硬件制造外购软件制造外购分析求解、模拟试验物理、数学模型评价与审定？是否
15、构思(初步设计)可行性论证、技术经济分析市场调查、需求分析、销售预测拟定新产品目标及初步技术规范总体性能测试技术评价与审定？生产设计是小批量生产试销效果是否好？正常生产广告宣传销售收集用户意见是否在原构思上修改？分析原因修改设计否否初步方案设计是否结束？否总结经验与教训物理、数学模型是否修改？否是否是是是机电系统设计工程路线机电系统设计工程路线总体方案3、详细设计、详细设计p详细设计是根据综合评价后确定的系统方案，从技术上详细设计是根据综合评价后确定的系统方案，从技术上将其细节逐层全部展开，直至完成产品样机试制所需全将其细节逐层全部展开，直至完成产品样机试制所需全部技术图纸及文件的过程。部技术
16、图纸及文件的过程。 4、样机试制与试验、样机试制与试验p完成产品的详细设计后，即可进入样机试制与试验阶段。完成产品的详细设计后，即可进入样机试制与试验阶段。样机的试验分为实验室试验和实际工况试验，通过试验考样机的试验分为实验室试验和实际工况试验，通过试验考核样机的各种性能指标是否满足设计要求，考核样机的可核样机的各种性能指标是否满足设计要求，考核样机的可靠性。如果样机的性能指标和可靠性不满足设计要求，则靠性。如果样机的性能指标和可靠性不满足设计要求，则要修改设计，重新制造样机，重新试验。如果样机的性能要修改设计，重新制造样机，重新试验。如果样机的性能指标和可靠性满足设计要求，则进入产品的小批量
17、生产阶指标和可靠性满足设计要求，则进入产品的小批量生产阶段。段。5 5、小批量生产、小批量生产p产品的小批量生产阶段实际上是产品的试生产试销售产品的小批量生产阶段实际上是产品的试生产试销售阶段。这一阶段的主要任务是跟踪调查产品在市场上阶段。这一阶段的主要任务是跟踪调查产品在市场上的情况，收集用户意见，发现产品在设计和制造方面的情况，收集用户意见，发现产品在设计和制造方面存在的问题，并反馈给设计、制造和质量控制部门。存在的问题，并反馈给设计、制造和质量控制部门。6 6、大批量生产、大批量生产p经过小批量试生产和试销售的考核，排除产品设计和经过小批量试生产和试销售的考核，排除产品设计和制造中存在的
18、各种问题后，即可投入大批量生产。制造中存在的各种问题后，即可投入大批量生产。机电系统总体设计技术机电系统总体设计概述机电系统总体设计概述总体方案设计是系统设计的前期工作，是一种概念性概念性的设计。它的优劣直接影响到机电系统的总体性能及使用。它是从系统系统设计角度出发，根据设计目标的要求，综合考虑各个部分之间的关系，从系系统统角度进行优化，确定系统的最优设计方案。系统的概念系统的概念l具有特定功能的、相互之间具有有机联系的许多要素所构成的一个群体。l系统包括组成要素、要素之间的相互作用和系统整体的确定功能三个方面，缺一不可。l系统是一个有机的整体，整体性是系统最基本的特性。系统整体所获得的新的特
19、性、新的功能是各组成要素在孤立状态时所没有的。机电系统总体设计技术机电系统总体设计概述机电系统总体设计概述系统的概念系统的概念u任何物质系统都具有层次性，层次具有多样性。l纵向的母子系统，可构成垂直系统的层次；l横向的同一层次中，又可构成各种平行的系统；l纵横交错的网络系统，又可构成各种交叉层次 。机电系统总体设计技术机电系统总体设计概述机电系统总体设计概述l系统的概念是相对相对的，以考虑问题的角度不同而异。l例如：（1）单机（如一台CNC机床）（2）单机+输送设备等=制造系统（FMS）（3）制造系统+规划管理=集成系统（CIMS）正确理解系统的概念正确理解系统的概念机电系统总体设计技术机电系
20、统总体设计概述机电系统总体设计概述l系统工程的思想是：从整体目标出发，将总体功能分解成若干功能单元，找出能够完成各个单元功能的技术方案，再把功能与技术方案合成、组合、分析、评价和优选，进而实现在给定条件下的整体优化。正确理解系统的概念正确理解系统的概念机电系统总体设计技术机电系统总体设计概述机电系统总体设计概述l发展机电一体化的系统技术，自觉应用好系统工程的概念和方法，把握好系统的组成和作用规律，对系统设计的成败具有关键作用和重要意义。冰山效应机电系统总体设计技术机电系统总体设计概述机电系统总体设计概述总体设计的主要内容总体设计的主要内容l机电系统总体设计的目的是设计出综合性能最优或较优的总体
21、方案，作为进一步详细设计的作为进一步详细设计的纲领和依据纲领和依据。总体方案的确定并非是一成不变的总体方案的确定并非是一成不变的，在详细设计结束后，应再对整体性能指标进行复查，如发现问题，应及时修改总体方案，甚至在样机试制出来之后或在产品使用过程中，如发现总体方案存在问题，也应及时加以改进。机电系统总体设计技术机电系统总体设计概述机电系统总体设计概述l它是从系统设计角度出发，根据设计目标的要求，综合考虑各个部分之间的关系，从系统角度进行优化，确定系统的最优设计方案。指导思想：从整体目标出发；工作过程：综合分析各组成单元的特性；设计结果：选择合理的组合方案，得到最优解。机电系统总体设计技术机电系
22、统总体设计概述机电系统总体设计概述总体设计的主要内容总体设计的主要内容前期工作准备机电系统工作原理的设计机电系统主要结构方案的选择摩擦形式的选择电路结构方案的设计机电系统简图设计机电系统总体精度分配总体设计报告机电系统总体设计技术机电系统总体设计概述机电系统总体设计概述总体设计的主要内容总体设计的主要内容前期工作尽可能完善设计需求、背景技术资料、使用环境、设计对象的主要功能、初步技术指标、现有条件等搜集国内外有关技术资料搜集国内外有关技术资料了解所设计产品的使用要求了解所设计产品的使用要求了解生产单位的加工能力了解生产单位的加工能力1.确定功能指标、安全性指标等确定功能指标、安全性指标等总体设
23、计的主要内容总体设计的主要内容机电系统工作原理的设计总体设计的关键2.设计质量的优劣取决于设计人员能否有效的对系统的总功能进行合理的抽象抽象和分解分解，并能合理的运用技术效应进行创新设计，勇于开拓新的领域和探索新的工作原理，使总体设计方案最佳化，从而形成总体方案的初步轮廓。总体设计的主要内容总体设计的主要内容机电系统主要结构方案的选择机械类单元、电气类单元对于电气类功能单元在市场已有现成的产品，设计人员根据设计要求选择。3.在市场上没有的产品，设计人员根据设计要求进行改进，调试修改，完善提高，达到设计使用要求。总体设计的主要内容总体设计的主要内容机电系统主要结构方案的选择机械结构是机电一体化产
24、品的主体，也是实现系统功能的载体。在某种意义上来讲，主体机械结构对系统的总体布局有着决定性的影响。总体布局和主体机械结构是密切相关的。机械结构设计包含：总体结构设计、单元部件结构设计3.选择主要结构方案时，必须保证系统所要求的精度、工作稳定可靠、制造工艺性好，应符合运动学设计原则或误差均化原理。 保证实现预期的功能 总目标 降低制造成本 保障人和环境的安全 保证系统功能可靠的方法： 冗余配置 明确 基本原则 简单 安全可靠 功能载体工作原理明确功能载体使用工况明确零件数目尽可能减少几何形状简单规则采用标准零件构件的可靠性功能可靠性工作安全性和环境适应性并联冗余串联冗余原理冗余例如：1、飞机上的
25、备用发动机（双驱动或三驱动） 2、煤矿井下的水泵系统采用两套或三套配置（一套运转、一套维修、一套备用）结构方案设计原理与原则1 1) )运动学设计原则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应该合理施加约束，满足物体所所需要的运动方式。要求约束： 1、点约束 2、约束点离开远些 3、自由度限制方向应垂直于被约束平面平面3maxq直线2maxq2 2) )、基准面合一原则、基准面合一原则 3)、传动链最短原则、传动链最短原则 驱动系统 执行机构 实现最短传动链 好处：传动性能稳定性愈好，传动精度愈高传动性能稳定性愈好，传动精度愈高 基准 设计基准（图纸上）工艺基
26、准（制造基准）定位基准测量基准装配基准 结构设计尽量满足：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一致带来的误差。 电机变速箱运动转换执行机构运动转换执行机构高分辨率控制电机直线电机执行机构直线电机与执行机构一体化装置4)、“三化三化”原则原则三化三化零件标准化部件通用化产品系列化“三化”原则是国家一项重要的技术经济政策，是国家一项重要的技术经济政策，优点在于：互换性好；缩短制造周期；维护方便。如：课程设计或毕业设计时，设计的齿轮、滚珠丝杠、液压缸尺寸符合标准公称系列；选用材料牌号、规格符合国家标准等。5)、阿贝原则（提高精度原理）、阿贝原则（提高精度原理） 德国人阿贝1890
27、年提出对精密量仪有指导意义的原则：若使量仪测量结果准确，必须将测量仪的读数线尺安放在被测尺寸的延长线上。 原因是这样做避免了一阶误差。例如：游标卡尺 不符合阿贝原则，精度较低 千分尺（螺旋测微仪） 符合阿贝原则，精度较高 此外还有一些原则，如：合理力流原则、变形协调原则、变形如：合理力流原则、变形协调原则、变形最小原则、平均效应原则、稳定性原则等。最小原则、平均效应原则、稳定性原则等。总体设计的主要内容总体设计的主要内容摩擦形式的选择摩擦现象十分复杂，按摩擦副的不同情况分类为滑动、滚动摩擦，静、动摩擦，干、湿摩擦。设计机电一体化机械系统时要认真选择运动机构的摩擦形式，如果处理的不好，由于动、静
28、摩擦力差别很大，造成爬行、振动，会影响控制系统工作的稳定性。总体方案设计时，必须选择具有适应于工作要求摩擦形式的导轨。4.导轨副相对运动时的摩擦形式有滑动、滚动、液体静压滑动、气体静压滑动等几种形式。总体设计的主要内容总体设计的主要内容电路结构方案的设计在机电系统设计中，检测系统设计、控制系统设计，执行元件的驱动电路设计，从电路结构方案设计方法可以分为两大类：设计选择式l合理组合，满足总体方案设计要求以设计为主，选择单元为辅l设计要合理，且设计有抗干扰、过压保护和过流保护电路。把强电、弱电单元分开布置。5.对于强电场干扰场合，电路结构设计应加入抗干扰元件和外加屏蔽罩，有效提高系统稳定性和可靠性
29、。总体设计的主要内容总体设计的主要内容机电系统简图的设计完成各功能单元后，采用各种符号或方块图形式表示各子系统功能单元。控制系统、传动系统、电气系统、传感检测系统、机械执行系统、机械主机系统等。根据总体设计的工作原理，画出它们的总体图、形成机、电、控有机结合的机电一体化系统简图。6.根据简图，进行方案论证，分析研究修改，确定最佳设计方案。总体设计的主要内容总体设计的主要内容机电系统总体精度分配总体精度分配是将机、电、控、检测各子系统的精度进行分配。7.精度分配时，应根据各子系统所用技术系统的特点进行分配，不应采取平均分配的方法。对于具有数字特征的电、控、检测子系统可按数字精度进行分配；对于具有
30、模拟量特征的机、电、检测子系统，则可按技术难易程度进行精度分配。总体设计的主要内容总体设计的主要内容机电系统总体精度分配在精度初步分配后，要进行误差计算，把各子系统的误差按系统误差、随机误差归类，分别计算，并与分配的精度进行比较，进行反复修改，使各个部分的精度尽可能合理。7.总体精度分配的目标是以满足总体精度为约束，使各个子系统的精度尽可能低低，达到获得最佳性能价格比的目标。总体设计的主要内容总体设计的主要内容总体设计报告总结上述设计过程的各个方面，写出总体设计报告，为总体装配图和部件装配图的绘制做好准备。8.总体设计报告要突出设计重点，将所设计系统的特点阐述清楚，同时应列出所采取的措施及注意
31、事项。l在机电一体化系统的设计中，机电系统原理方案设计是总体设计的核心关键部分，具有战略性和方向性的意义。l对总体功能进行抽象和分解。l充分体现创造力的环节。机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计复杂的设计简单的模式分析抽象l1、设计任务抽象、设计任务抽象l从系统的功能出发，将设计任务抽象。为什么要抽象？突出基本的、必要的要求，摈弃偶然情况和枝节问题，便于抓住设计问题核心。机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计复杂的设计简单的模式分
32、析抽象l1、设计任务抽象、设计任务抽象l从系统的功能出发，将设计任务抽象。为什么要抽象？避免构思方案前形成的条条框框，放开视野，寻求更为理想的设计方案。机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计复杂的设计简单的模式分析抽象l1、设计任务抽象、设计任务抽象l实践证明，通过有效的抽象化，设计人员能够在不涉及具体解决方案的情况下，就完全可以清晰地掌握设计产品的基本功能和主要约束条件。l紧抓设计中的主要矛盾，把思维注意力集中到关键问题上来，最终可以准确确定产品的总功能。机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计l1、设计任务抽象、设计任务抽象l从系统的功能出发，将设
33、计任务抽象。如何将设计任务抽象？工程中常用的方法是“黑箱法黑箱法”。机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计l2、黑箱法、黑箱法l所谓“黑箱”，就是指那些既不能打开，又不能从外部直接观察其内部状态的系统。人们的大脑只能通过信息的输入输出来确定其结构和参数。 l黑箱方法从综合的角度为人们提供了一条认识事物的重要途径，尤其对某些内部结构比较复杂的系统，对迄今为止人们的力量尚不能分解的系统，黑箱理论提供的研究方法是非常有效的。机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计l2、黑箱法、黑箱法l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
34、理解原理解的一种方法。机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计l2、黑箱法、黑箱法l物质流、能量流、信息流l物质流是系统的工作对象和载体。能量流存在于能量变换与传递的整个过程，系统工作过程所需的能量形态变化和实现动作过程所需动力。机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计l2、黑箱法、黑箱法l物质流、能量流、信息流信息流是反映信号、数据检测、传输、变换和显示的过程，实现系统工作过程的操纵、控制及信息传输、变换和显示。“全自动全自动”照相机的主要信息流照相机的主要信息流“全自动全自动”照相机照相机调焦电机控制信号调焦电机控制信号光圈电机控制信号光圈电机控制信
35、号图像信号图像信号光强信号光强信号机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计l2、黑箱法、黑箱法lCNC齿轮测量中心CNC齿轮测量中心齿轮测量中心（黑箱）（黑箱）测量结果测量结果被测工件被测工件驱动能驱动能测量要求测量要求温度温度振动振动灰尘灰尘噪声噪声振动振动无功热无功热CNC齿轮测量中心的黑箱示意图齿轮测量中心的黑箱示意图机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计l2、黑箱法、黑箱法l用黑箱法进行露天矿开采挖掘机的方案设计挖掘机挖掘机煤（矿）煤（矿）驱动能驱动能启动信号启动信号温度温度湿度湿度灰尘灰尘噪声噪声振动振动热量热量煤（装车）煤（装车）挖运能力挖
36、运能力停止信号停止信号机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计l3、总功能分解、总功能分解l黑箱法求解过程就是黑箱白化的过程。l通常情况下，系统都是较为复杂的，很难直接求得满足总功能的系统方案。l功能分解法机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计l3、总功能分解、总功能分解l功能分解的目的是把给定的总功能逐步分解为一组可实现的、低复杂度的子功能，使得子功能可以直接映射到结构或组件上，并由此得到产品的功能结构模型。这是一个由粗到细，由抽象到具体的过程。机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计l3、总功能分解、总功能分解l功能分解的一般方
37、法是将总功能逐级分解为一级子功能、二级子功能等，其末端是基本功能，称为功能元。l功能元足够小能够直接由相应构件实现。l如何判断功能分解的结束，仍然是一个开放性的问题。机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计l3、总功能分解、总功能分解l最小的基本分功能或满足功能要求的最小单位称之为功能元功能元。l机电一体化系统基本功能元：物理功能元物理功能元：变换、合并分离、传导隔阻、储存逻辑功能元逻辑功能元：与、或、非数学功能元数学功能元：加、减、乘、除、乘方、开方、微分、积分机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计l3、总功能分解、总功能分解l通过逐级分解的功能，找
38、出相应的基本功能的实现原理、实现方法、实现机构和实现装置。l功能分解可图解为树状结构。机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计l3、总功能分解、总功能分解l功能分解有利于实现产品的模块化设计，即将系统根据功能分解为若干模块，通过模块的不同组合，可以得到不同品种、不同规格的产品。机电系统综合设计机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计例：点钞机l抽象总功能黑箱法机电系统综合设计机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计例：点钞机l抽象总功能黑箱法点钞机钞票电真钞票（计数）假钞票（报警） 计数、鉴伪计数、鉴伪机电系统综合设计机电系统总体设计
39、技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计例：点钞机l功能分解逐级分解直至找到功能元 最小的功能单位点钞机（计数、鉴伪）计数功能鉴伪功能辅助功能捻抄出抄接抄计数磁 光录码网络报警机电系统综合设计机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计拉伸仪试件电变形后的试件数据（力、变形）例：材料拉伸试验机机电系统综合设计机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计材料拉伸试验机的功能树力变形测量力变形测量试件拉伸试件拉伸力测量力测量变形测量变形测量动作控制动作控制试试件件夹夹持持松松开开夹头移动夹头移动运运动动形形式式转转换换速速度度转转换换信信号号取取得得放放大大显显
40、示示开开机机停停机机自自动动停停机机信信号号取取得得放放大大显显示示机电系统综合设计机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计榨汁机水果块电果汁（液、渣）热、振动例：榨汁机机电系统综合设计机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计榨汁机的功能树粉碎水果粉碎水果辅助功能辅助功能粉碎水果粉碎水果安全功能安全功能动作控制动作控制自自动动残残渣渣分分离离自自动动输输出出果果汁汁放放水水果果切切水水果果防防外外溅溅开开机机停停机机过过温温保保护护防防刀刀具具飞飞出出机电系统综合设计机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计l3、总功能分解、总功能分解
41、l露天矿开采挖掘机功能分解图机电系统综合设计机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计l4、寻找子功能解、寻找子功能解l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。机电系统综合设计机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计l4、寻找子功能解、寻找子功能解l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；利用创造性思维；利用设计目录。机电系统综合设计机电系统总体设计技术机电系统原理
42、方案设计机电系统原理方案设计4、寻找子功能解、寻找子功能解参考资料、专利、产品多观察、多积累已有相关产品或专利的新颖工作原理，在进行设计时才能左右逢源。（a）切向力 （b）摩擦力 （c）气体力机电系统综合设计机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计4、寻找子功能解、寻找子功能解参考资料、专利、产品多观察、多积累已有相关产品或专利的新颖工作原理，在进行设计时才能左右逢源。（d）负压吸力 （e）重力 （f）静电吸力机电系统综合设计机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计4、寻找子功能解、寻找子功能解利用创造性思维TRIZ理论TRIZ 故事故事1通红的玻璃板通
43、红的玻璃板 在玻璃批量生产线上，对玻璃先进行加热然后再进行加工，在玻璃批量生产线上，对玻璃先进行加热然后再进行加工，加工完成后的玻璃仍处于通红状态，需要将其输送到指定位加工完成后的玻璃仍处于通红状态，需要将其输送到指定位置直至冷却下来。置直至冷却下来。 现在的问题是，因为玻璃还处于高温，呈现柔软的状态，在现在的问题是，因为玻璃还处于高温，呈现柔软的状态，在滚轴传输线的输送过程中会因为重力下垂而造成变形，导致滚轴传输线的输送过程中会因为重力下垂而造成变形，导致玻璃表面凹凸不平，后续需要大量的打磨工作来进行修正。玻璃表面凹凸不平，后续需要大量的打磨工作来进行修正。 年轻的工程师提出将传输线上的滚轴
44、直径做到尽量小，以减年轻的工程师提出将传输线上的滚轴直径做到尽量小，以减少玻璃悬空的面积，提高玻璃的平度。少玻璃悬空的面积，提高玻璃的平度。 “我们可以将滚轴直径像火柴棍一样细，我们可以将滚轴直径像火柴棍一样细，”年轻的工程师说，年轻的工程师说，“组成一个传输线组成一个传输线”。 “那么，每米长度内将有大约那么，每米长度内将有大约500 个滚轴，安装时需要像做个滚轴，安装时需要像做珠宝首饰一样细致。珠宝首饰一样细致。”老工程师说，老工程师说，“想一想这个传输线的想一想这个传输线的造价。造价。” “我认为我们不能再考虑滚轴传输线，我认为我们不能再考虑滚轴传输线，”一位工程师说一位工程师说“最最好
45、用新的方法来替代它。好用新的方法来替代它。” “有什么号办法呢？有什么号办法呢？”年轻的工程师说道年轻的工程师说道 突然，突然，TRIZ 先生出现了。先生出现了。 “让我们来研究一下这个问题，让我们来研究一下这个问题，”他说，他说，“从方法从方法上来选择。上来选择。” 随后，一个基于分割原理的解决方案展示了出来：随后，一个基于分割原理的解决方案展示了出来：突破常规思维的限制，将滚轴直径无限缩小，小到头突破常规思维的限制，将滚轴直径无限缩小，小到头发丝、发丝、1/100 毫米、毫米、1/1000 毫米、毫米、1/10000 毫米毫米一一直分割下去，会是什么呢？物质呈现分子、原子状态。直分割下去，
46、会是什么呢？物质呈现分子、原子状态。 解决方案是：用熔化的锡来代替滚轴。传输线是一解决方案是：用熔化的锡来代替滚轴。传输线是一个长长的、盛满熔化锡的槽子。由于锡的熔点低而沸个长长的、盛满熔化锡的槽子。由于锡的熔点低而沸点高，正适合通红的玻璃板的冷却温度区间，熔化锡点高，正适合通红的玻璃板的冷却温度区间，熔化锡在重力作用下，会呈现出一个绝对平面，可以很好地在重力作用下，会呈现出一个绝对平面，可以很好地满足此工序的要求。满足此工序的要求。 而基于这个解决方案，又出现了很多的专利，比如而基于这个解决方案，又出现了很多的专利，比如给锡通电可以与磁铁一起作用，来完成对玻璃的成型给锡通电可以与磁铁一起作用
47、，来完成对玻璃的成型加工。加工。TRIZ 故事故事2巨大的过滤器巨大的过滤器一家工厂获得了一个大订单，产品是一个圆柱形过滤器，一家工厂获得了一个大订单，产品是一个圆柱形过滤器，圆柱的直径圆柱的直径1 米，长度米，长度2 米，轴向均匀分布直径为米，轴向均匀分布直径为0.5 毫毫米的密密麻麻的很多过滤通孔。米的密密麻麻的很多过滤通孔。 工程师们看到图纸后都惊呆了，每个过滤器要加工出工程师们看到图纸后都惊呆了，每个过滤器要加工出成千上万个轴向小孔。成千上万个轴向小孔。 “我们该如何来加工这么多的小孔呢？我们该如何来加工这么多的小孔呢？”总工程师问总工程师问大家，大家，“用钻床来钻吗？用钻床来钻吗？”
48、 “显然，钻这么长的小孔是不可能实现的，也许可以显然，钻这么长的小孔是不可能实现的，也许可以用高温铁针来扎出这些孔，用高温铁针来扎出这些孔，”一位年轻的工程师毫无把一位年轻的工程师毫无把握地说道。握地说道。 所有的工程师都陷入了沉默。所有的工程师都陷入了沉默。 这似乎是一个无法解决的难题。这似乎是一个无法解决的难题。 突然，突然，TRIZ 先生出现了。先生出现了。 “我们既不需要钻床，也不需要铁针，这件事应该这我们既不需要钻床，也不需要铁针，这件事应该这样来考虑样来考虑” 随后，一个基于局部质量原理的解决方案展示了出来：随后，一个基于局部质量原理的解决方案展示了出来： 将过滤器的功能进行分解，
49、其主要构成元素是过滤孔将过滤器的功能进行分解，其主要构成元素是过滤孔和基体，有用功能的元素是过滤孔，即过滤孔是有用的和基体，有用功能的元素是过滤孔，即过滤孔是有用的局部质量。每个过滤孔不就是一条管子吗！局部质量。每个过滤孔不就是一条管子吗！ 拿一些细管，并捆扎起来，就形成了过滤器。这种过拿一些细管，并捆扎起来，就形成了过滤器。这种过滤器的组装制造和拆离都可以非常方便的完成。滤器的组装制造和拆离都可以非常方便的完成。 用细圆棒做原料，然后捆扎起来，而圆棒之间的空隙用细圆棒做原料，然后捆扎起来，而圆棒之间的空隙就形成了过滤孔，也可以实现过滤器的功能。就形成了过滤孔，也可以实现过滤器的功能。机电系统
50、综合设计机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计4、寻找子功能解、寻找子功能解利用设计目录设计目录是一种设计信息库，它通过设计过程中所需的大量信息，有规律地加以分类、排列、储存，便于设计者查找和使用。机电系统综合设计机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计5、原理解组合、原理解组合将各功能元的解合理组合，得到系统的原理解。分功能之间的结构关系串联结构并联结构回路结构1.功能元解的组合机电系统综合设计机电系统总体设计技术机电系统原理方案设计机电系统原理方案设计5、原理解组合、原理解组合分功能之间的结构关系串联结构又称顺序结构，反映分功能时间、空间顺序或因果
