1、14270B第2章机电一体化系统总体设计2.1机电一体化系统的设计要点2.2机电一体化系统的设计过程2.3系统评价与系统决策2.4系统调试2.5抗干扰设计 总体设计是机电一体化系统设计的重要环节重要环节。整体目标、功能 分析产品性能要求 选择合理的单元组合方案 实现机电一体化整体优化设计过程，主要内容包括：系统原理方案设计；结构方案的设计；总体布局与环境设计；技术参数与技术指标确定；总体方案评价与决策。总体设计是纲纲，给具体设计规定总的基本原理、原则和方法。2.1机电一体化系统的设计要点机电一体化系统的设计要点一、功能分析设计法 一切从系统的功能出发，将设计任务抽象化1、为什么要抽象化？复杂的
2、设计复杂的设计简单的模式简单的模式分析分析抽象抽象 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 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2、如何把设计问题抽象化？工程设计中常用的的抽想方法是工程设计中常用的的抽想方法是“黑箱法黑箱法”1 1、黑箱法的基本原理：将所要实现给定功能的机电系统看作为一个未知内部功能结构、功能载体的“黑箱”，通过对输入量和输出量的分析，逐步掌握输入和输出的基本特征和转换关系，寻求能实现这种基本特征和转换关系的工作原理和功能载体。未知未知已知已知黑色黑色白化白化机电一体化产品机电一体化产品（黑箱）（黑箱）物料物料能量能量信
3、息信息物料物料能量能量信息信息伴生输出伴生输出伴生输入伴生输入功能载体求解即：功能载体求解即：黑箱法的表达黑箱法的表达物料：物料：固体、液体、气体等任何物体；能量：能量：机械能、电能、热能、化学能、光能等；信息：信息：数据、指示值、测量值、控制信号、波形等。物料的转换指如何将毛坯、半成品转换成成品；能量的转换指如何将其它形式的能量转换成机械能或机械能变成其它形式能量；信息的传输或转换指将物理量的测量和显示、控制信号的传递等。2 2、黑箱法求解方法、黑箱法求解方法黑箱法求解过程就是黑箱白化的过程，步骤如图所示：详细表达输入和输出量详细表达输入和输出量建立输入和输出间关系建立输入和输出间关系寻找合
4、适的实例寻找合适的实例设定系统的总功能设定系统的总功能进行总功能分解进行总功能分解寻找系统的功能解寻找系统的功能解评价与决策评价与决策切削机床、精密测量切削机床、精密测量设备、轻工机械、包设备、轻工机械、包装机械、运输机械装机械、运输机械如如:冲床冲床（黑箱）（黑箱）板料板料电能电能控制信号控制信号成型工件成型工件机械能、摩擦能机械能、摩擦能工作状态显示工作状态显示振动、噪声振动、噪声温度、振动温度、振动例例1 1：冲床的黑箱法表述：冲床的黑箱法表述二、功能结构分析二、功能结构分析1、功能结构示意图和功能元总功能 分功能 分功能的原理方案例例2 2：CNCCNC齿轮测量中心黑箱法表述齿轮测量中
5、心黑箱法表述(P13P13图图2.2)2.2)总功能总功能1 12 23 31.11.11.21.21.31.33.13.13.23.21.2.11.2.11.2.21.2.23.1.13.1.13.1.23.1.2层层层层层层功能结构示意图功能结构示意图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。机电一体化系统基本功能元v 物理功能元：变换、合并分离、传导隔阻、储存v 逻辑功能元：与、或、非v 数学功能元：加、减、乘、除、乘方、开方、微分、积分2、功能元实施原理方案的选择 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
6、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。实施的要点：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。三、功能结构图三、功能结构图1、三种基本功能结构类型：串联结构串联结构并联结构并联结构环型结构环型结构F1F1F2F2F3F3F1F1F2F2F3F3F1F1F2F2F3F3又称顺序结构，反映分功能时间、空间顺序或因果关系 又称选择结构，几个分功能作为手段共同完成一个目的 又称回路结构，输出反馈为输入的循环 2、功能结构图的建立从上层分功能的结构考虑起，逐层向下细化。（例P16图2.5-2.
7、7）四、系统原理方案选择四、系统原理方案选择 形态学矩阵形态学矩阵建立在功能分解和功能求解的基础上，得到多种可行方案，经筛选、评价可以获得最佳方案。形态学矩阵形态学矩阵的运用步骤：的运用步骤：进行方案构思选择系统原理方案时，用“穷尽法穷尽法”将各分功能的解全部列出，就可写出功能-功能解的形态学矩阵形态学矩阵，形态形态即相应的实现各分功能的执行机构和技术手段。总功能分解 形态构想和功能求解方案组成方案评价和选择新颖性、先进性实新颖性、先进性实用性用性设计经验、资料积设计经验、资料积累、创新能力累、创新能力专业知识、情报资专业知识、情报资料料相容条件、连接条相容条件、连接条件等件等形态学矩阵列表形
8、态学矩阵列表 12345F1F11F12F13F2F21F22F23F24F25F3F31F32F33F34功能载体功能载体分功能分功能理论上组合出的的方案数为：理论上组合出的的方案数为：N=3N=35 54 460602.2 2.2 机电一体化系统的设计过程机电一体化系统的设计过程 结构方案设计是原理设计方案的结构化，而且实现结构的优化和创新。主要包括两个方面：v 机械结构 重点考虑和设计v 电气结构 主要是选型，考虑安装问题一、结构方案设计的工作任务、内容及步骤1、任务、任务：将原理方案结构化，确定机器(或系统)各个零部件的材料、形状、尺寸、加工和装配等；2、内容：、内容：设计零部件形状、
9、数量、相互空间位置，选择材料、确定尺寸，进行各种计算校核，按比例绘制结构方案总图，在 计算时，采用优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计等多种现代化设计方法。3、步骤、步骤(如图示如图示)：设计任务对结构设计的要求设计任务对结构设计的要求主功能载体初步结构设计主功能载体初步结构设计辅助功能载体初步结构设计辅助功能载体初步结构设计检查主辅功能结构影响及配合检查主辅功能结构影响及配合详细设计主辅功能载体结构详细设计主辅功能载体结构对设计进一步修改完善对设计进一步修改完善技术、经济评价技术、经济评价结构决策结构决策方案确定方案确定NoNoYesYes结构设计是从：定性到定量，抽象到具体，粗略到精细定性
10、到定量，抽象到具体，粗略到精细的过程结构设计满足的目标：保证功能、提高性能、降低成本保证功能、提高性能、降低成本结构设计包括三个方面：质的设计：定性分析构型（形状、位置关系）量的设计：定量计算尺寸、确定材料 按比例绘制结构图结构设计归结为三个阶段：初步设计：主功能载体设计 详细设计：副功能载体设计，主功能载体详细设计 完善、审核设计二、结构方案设计的基本原则 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
11、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）三、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
12、好，传动精度愈高 基准 设计基准（图纸上）工艺基准（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
13、贝原则（提高精度原理）德国人阿贝1890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。可行性研究报告、任务书原理方案图、结构设计图、总装图零、部件工作图、设计技术文件工艺文件、样机试制试验、鉴定文件信息反馈、修改完善规划阶段总体阶段详细施工阶段调试生产阶段 销售
14、阶段用户对产品的需求总体设计关键绘制生产图纸、设计说明书、使用说明书、明细表14270B2.3系统评价与系统决策1.系统设计的评价分析方法2.技术经济性分析3.技术经济评价法4.模糊评价法5.决策分析方法6.可靠性分析14270B1.系统设计的评价分析方法系统设计的评价分析方法(1)工效实用性一般以系统总体的技术指标的形式提出，如产量、容量、质量、精度等。(2)系统可靠性指系统在预定时间内，在给定工作条件下，能够满意工作的概率。(3)运行稳定性当系统的输入量变化或受干扰作用时，输出量被迫离开原先的稳定值，过渡到另一个新的稳定状态的时间过程中，输出量是否发生超过规定限度的现象，或发生非收敛性的状
15、态。(4)操作宜人性要求能明显改善人的劳动条件，减少操作过程中的体力和脑力消耗，力求使操作者方便舒适。(5)人机安全性为避免意外事故发生，常需配置安全检测、过载保护、安全互锁、限位、故障的声、光报警和紧急制动等装置，实现安全生产和运行。(6)环境适应性对外部环境的各种变化和干扰有良好的适应性。(7)技术经济性产品成本低、物质消耗少、生产周期短、使用经济性高等。14270B1.系统设计的评价分析方法系统设计的评价分析方法(8)结构工艺性良好的工艺性是降低生产成本、缩短生产周期的重要前提。(9)造型艺术性产品的造型和色彩是用户的第一直觉印象，所以设计时应使其外形、色彩的特征符合美学原则，在总体设计
16、时应使各零部件的组合匀称协调，符合一定的比例关系，保持对称和谐，有稳定感、安全感和美感。(10)成果规范性设计结果符合国家规定的技术规范，贯彻实行标准制度等。14270B2.技术经济性分析技术经济性分析(1)收益率法反映技术方案的盈利程度，可分为投资收益率和内部收益率。(2)价值分析法(功能价格比)价值是指产品所具有的功能与所消耗的费用之比。(3)产量和需求分析通过市场调查，可以得到某种产品在一定期限内的销售数据，用数学方法拟合，得到需求函数和产量函数。(4)风险分析包括分析产品销售价格、产量、投资额和经营费用等对总效益的影响，作出产品开发的风险评价。14270B3.技术经济评价法技术经济评价
17、法技术经济评价法是将总目标分为两个子目标，即技术目标和经济目标，求出相应的技术价Wt和经济价We，然后按一定方法进行综合，求出总价值Ws。14270B4.模糊评价法模糊评价法在方案评价中，有一些评价指标如美观、安全性、舒适性等无法进行定量分析，只能用“很好、好、不太好、不好、差”等模糊概念来评价。模糊评价就是利用集合论和模糊数学将模糊信息数值化，再进行定量评价的方法。14270B5.决策分析方法决策分析方法(1)确定型决策是在问题的未来状态已经完全确定情况下的决策。(2)风险型决策是指在对问题的未来状态不能完全肯定但却知道其发生概率的情况下对问题做出的决策。(3)非确定型决策是指问题的未来状态
18、及其发生的概率均不能肯定时所进行的决策。14270B6.可靠性分析可靠性分析(1)可靠性指标(2)可靠性预测通过预测，对产品设计的可靠性进行估计和评价，查明系统中可靠性薄弱环节，提供方案修改、调整及优选的依据。(3)可靠性分配14270B2.4系统调试2.4.1硬件调试2.4.2软件调试2.4.3模拟调试2.4.4现场试运行14270B2.4.1硬件调试硬件调试的任务是验证各接口电路是否按预定的时序和逻辑顺序工作，验证硬件系统是否正常运转、各性能指标是否达到预定的工作要求。14270B2.4.2软件调试软件调试的顺序是子程序、功能模块、主程序。软件调试的基本方法是，首先给软件一个典型输入，然后
19、观测输出是否符合要求，若发现输出结果有错，则设法找出原因并加以修正。子程序可以采用伪主程序、流程图分析、强制程序运行等调试技巧。14270B2.4.3模拟调试模拟调试是指在实验室模拟被控制对象和运行现场，由计算机对模拟对象进行控制，检查控制性能是否符合要求，对计算机的硬件和软件进行全面系统的检查，并进行长时间运行试验和特殊运行条件下的考验。14270B2.4.4现场试运行系统在组装后，应进行全面的试验、检查和考核，进行总体性能测试。检查运动参数、动力参数、尺寸参数、品质指标、可靠性指标、操作指标、自身保护指标和人员安全等指标是否达到要求，如果有问题，有时还需对系统做部分改进。14270B2.5
20、抗干扰设计抗干扰问题直接影响整个系统的可靠性和稳定性，各种干扰是引起机电一体化控制系统和产品出现瞬时故障的主要原因。以下介绍几种常见的干扰源和抑制干扰的措施。14270B2.5.1干扰源1.串模干扰2.共模干扰3.供电干扰4.强电干扰5.接地干扰6.辐射干扰7.数字电路干扰干扰渠道示意图干扰渠道示意图整流电源整流电源接口接口控制器控制器IOIO辐射干扰辐射干扰供电干扰供电干扰接地干扰接地干扰强电干扰强电干扰辐射干扰辐射干扰驱动器驱动器检测器检测器2.5.22.5.2接口电路的抗干扰方法接口电路的抗干扰方法 2 2接口电路的抗干扰措施接口电路的抗干扰措施 在控制器与驱动器之间的接口电路中，少不了
21、由弱电转强在控制器与驱动器之间的接口电路中，少不了由弱电转强电的电感性负载，以及用来通断电感负载的触点，这些都是产电的电感性负载，以及用来通断电感负载的触点，这些都是产生强电干扰的干扰源。生强电干扰的干扰源。对于这种干扰，首先是采取吸收的方式，抑制其产生，然对于这种干扰，首先是采取吸收的方式，抑制其产生，然后采取隔离的方法，阻断其传导。后采取隔离的方法，阻断其传导。(1)(1)强电干扰吸收电路强电干扰吸收电路 在电感负载断开时，会产生过电压，在电感负载断开时，会产生过电压，强电干扰强电干扰阻容抗干扰电路阻容抗干扰电路R RR RR RR RR RM M33R RC CW WC CC C通通断断
22、U UL LE Et tU UL L=L=L*di/dtdi/dt通通断断t tU UL LE ES SW WU UW W 对于强电干扰，除用对于强电干扰，除用RCRC电路外，还采用二极管和稳压二极电路外，还采用二极管和稳压二极管来吸收过电压。管来吸收过电压。强电干扰吸收电路强电干扰吸收电路VDVDVDVDVDVDW WW WVDVDW WVDVDW WW W (2)(2)驱动接口的隔离驱动接口的隔离 为了防止驱动器接口中的强电干扰及其他干扰信号进入控为了防止驱动器接口中的强电干扰及其他干扰信号进入控制器，通常采用光电隔离。制器，通常采用光电隔离。驱动接口的隔离措施驱动接口的隔离措施12V12
23、VK K3K3K3K3K5.1K5.1K10K10K51pF51pF51pF51pFVLCVLC (3)(3)变送接口的隔离变送接口的隔离 对于由检测器传来的模拟信号，通常采用差动运算放对于由检测器传来的模拟信号，通常采用差动运算放大器来隔离干扰，其原理如图所示。大器来隔离干扰，其原理如图所示。检测器检测器输入信号输入信号差动式运算放大器抗干扰原理差动式运算放大器抗干扰原理输出信号输出信号U UR RU UR R1 1R R2 2R R3 3U UU U干扰干扰模拟信号抗干扰接口电路模拟信号抗干扰接口电路+-检检测测器器010mA010mA05V05V05V05V+6V+6V-5V-5VVDV
24、DC C1 1V V0 0A/DA/DR R8 8R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4R R5 5R R6 6R R7 7330330270270130k130k51k51k130k130k130k130k 1k 1k 10k 10k 10F 10F远距离数字信号抗干扰接口电路远距离数字信号抗干扰接口电路+-检检测测器器VDVDV Vi i+5v+5vVLCVLCTTLTTLCTCCTC或或PIOPIOV V0 0&R R1 1R R2 210k10k270270R R3 33k3kR R4 4 2k 2k近距离抗干扰电路近距离抗干扰电路 对于由近距离的检测器发出的数字或脉冲信号，
25、不必再对于由近距离的检测器发出的数字或脉冲信号，不必再经过放大，可采用图所示抗干扰电路。由经过放大，可采用图所示抗干扰电路。由R1R1和和C1C1组成滤波器，组成滤波器，滤去高频干扰。由于经过滤去高频干扰。由于经过RCRC滤波器后的脉冲信号往往有脉动滤波器后的脉冲信号往往有脉动和抖动，为了改善脉冲前沿，故增加一级斯密特电路来整形。和抖动，为了改善脉冲前沿，故增加一级斯密特电路来整形。&CTCCTC或或PIOPIOR R1 1R R2 2R R3 32k2k1k1kV Vi iV V0 0TTLTTL斯密特电路斯密特电路 3 3接地系统的抗干扰措施接地系统的抗干扰措施 防止从接地系统传来的干扰，
26、主要方法是防止从接地系统传来的干扰，主要方法是切断接地环路切断接地环路，通常采用下述措施：通常采用下述措施：(1)(1)单点接地单点接地 由于接地点远离而形成的环路，可采用图由于接地点远离而形成的环路，可采用图a a所示单点接地所示单点接地的方法来切断。的方法来切断。(2)(2)并联接地并联接地 由于多个设备采用公用地线串联接地而形成的环路，可由于多个设备采用公用地线串联接地而形成的环路，可用如图用如图b b所示并联接地的方法来切断。所示并联接地的方法来切断。抗干扰接地系统抗干扰接地系统 a)a)单点接地系统单点接地系统 b b）并联接地系统并联接地系统 传传感感器器屏蔽层屏蔽层变送变送借口借
27、口整流电源整流电源CRTCRT控制器控制器打印机打印机接口接口(3)(3)光电隔离光电隔离 对于用长线传输的数字信号，可用光耦合器来切断接地对于用长线传输的数字信号，可用光耦合器来切断接地环路。图为控制器与主机分离的控制系统，采用双重光电隔环路。图为控制器与主机分离的控制系统，采用双重光电隔离来切断多点接地环路的例子。图中离来切断多点接地环路的例子。图中1 1、2 2、3 3表示不同的接表示不同的接地点。采取这种措施，不仅能消除公用接地线及其引进的干地点。采取这种措施，不仅能消除公用接地线及其引进的干扰，而且能解决长线驱动和阻抗匹配问题，因此可用普通导扰，而且能解决长线驱动和阻抗匹配问题，因此可用普通导线代替价格昂贵的同轴电缆或扁平电缆进行长线传输。线代替价格昂贵的同轴电缆或扁平电缆进行长线传输。接地线要有足够的截面积，以免电阻过大影响接地电位。接地线要有足够的截面积，以免电阻过大影响接地电位。光电隔离接地系统光电隔离接地系统I/OI/OI/OI/OD/AD/AA/DA/D1 11 12 22 23 33 33 3驱动器驱动器检测器检测器主主机机控控制制器器光信号光信号光信号光信号传输长线传输长线
