第二章 机电票就总体设计 总体设计是机电一体化系统设计的重要节。 整体目标、功能一分析产品性能要求一选择合理的单 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。 总体设计是網,给具体设计规定总的基本原理 原则和方法
第二章 机电系统总体设计 总体设计是机电一体化系统设计的重要环节。 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，给具体设计规定总的基本原理、 原则和方法
2系原理方设计 、功能分析设计法 复杂的设计 切从系统的功能出发, 将设计任务抽象化 分析抽象 1、为什么要抽象化? 简单的模式 突出基本的、必要的 >避免构思方案前形成 要求,摈弃偶然情况 的条条框框,放开视 和枝节问题,便于抓 野,寻求更为理想的 住设计问题核心 设计方案 2、如何把设计问题抽象化?
2.1 系统原理方案设计 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？ 复杂的设计 简单的模式 分析 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 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。 功能载体求解即:未知一已知黑色一白化 伴生输出 箱物料 物料′ 机电一体化产品 法能量 (黑箱) 能量 的 表信息 →信息′ 达 伴生输入
工程设计中常用的的抽想方法是“黑箱法” 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 已知 黑色 白化 机电一体化产品 （黑箱） 物料 能量 信息 物料′ 能量′ 信息′ 伴生输出 伴生输入 功能载体求解即： 黑 箱 法 的 表 达
物料:固体、液体、气体等任何物体; 能量:机械能、电能、热能、化学能、光能等; 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、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
物料：固体、液体、气体等任何物体； 能量：机械能、电能、热能、化学能、光能等； 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、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 建立输入和输出间关系 寻找合适的实例 设定系统的总功能 「进行总功能分解 寻找系统的功能解 评价与决策
详细表达输入和输出量 建立输入和输出间关系 寻找合适的实例 设定系统的总功能 进行总功能分解 寻找系统的功能解 评价与决策 切削机床、精密测量 设备、轻工机械、包 装机械、运输机械 如:
例1:冲床的黑箱法表述 振动、噪声 板料 成型工件 冲床 电能 机械能、摩擦能 (黑箱) 控制信号 工作状态显示 温度、振动 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
冲床 （黑箱） 板料 电能 控制信号 成型工件 机械能、摩擦能 工作状态显示 振动、噪声 温度、振动 例1：冲床的黑箱法表述 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2：CNC齿轮测量中心黑箱法表述 (P13图2.2)
+总功能 I层 2 3 ------- Ⅱ层 (1.1)(1.2(1.3 3.1③.2 Ⅲ层 .2.2 3.1 3.1.2 功能结构示意图
总功能 1 2 3 1.1 1.2 1.3 3.1 3.2 1.2.1 1.2.2 3.1.1 3.1.2 Ⅰ层 Ⅱ层 Ⅲ层 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 ◇物理功能元:变换、合并分离、传导隔阻、储存 逻辑功能元:与、或、非 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
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 ❖ 物理功能元：变换、合并分离、传导隔阻、储存 ❖ 逻辑功能元：与、或、非 ❖ 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 °串联结构 1、三种基本功能结构类型: °并联结构 °环型结构 又称顺序结构,反映分功 F1 F2 F3 能时间、空间顺序或因果 关系 FI F2 又称选择结构,几个分功 F3 能作为手段共同完成一个 目的 F1 F2 F3 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)
三、功能结构图 1、三种基本功能结构类型： •串联结构 •并联结构 •环型结构 F1 F2 F3 F1 F2 F3 F1 F2 F3 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）
四、系统原理方案选择 进行方案构思选择系统原理方案时,用“穷尽法”将各分功 的解全部列出,就可写出功能-功能解的形态学矩阵,形态即相 应的实现各分功能的执行机构和技术手段。 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。 设计经验、资料积 总功能分解 累、创新能力 专业知识、情报资 形态构想和功能求解料 方案组成 相容条件、连接条 件等 方案评价和选择新颖性、先进性实 用性
四、系统原理方案选择 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 的运用步骤： 进行方案构思选择系统原理方案时，用“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 用性 设计经验、资料积 累、创新能力 专业知识、情报资 料 相容条件、连接条 件等