机电一体化总体设计

一、性能指标分析
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。

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。
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。
2 系统结构方案设计
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：
机械结构 重点考虑和设计
电气结构 主要是选型，考虑安装问题
结构方案设计的工作任务、内容及步骤
（1）、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：设计零部件形状、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、计算机辅助设计等现代设计方法。
结构方案设计原理与原则
①、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： ⅰ、点约束
ⅱ、约束点离开远些
ⅲ、自由度限制方向应垂直于被约束平面
②、基准面合一原则
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。
③、传动链最短原则
驱动系统实现最短传动
好处：传动性能稳定性愈好，传动精度愈高
④、“三化”原则
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，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）
德国人阿贝1890年提出对精密量仪有指导意义的原则：若使测量仪测量结果准确，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。
此外还有一些原则，如：合力流原则、变形协调原则、变形最小原则、平均效应原则、稳定性原则等。
二、功能及性能指标分配
1、性能指标影响
（1） 性能指标对设计方法的影响
不同的性能指标，对产品总体设计的限定作用也不同。
产品的使用要求包括功能性要求、经济性要求和安全性要求等，产品的性能指标应根据这些要求及生产者的设计和制造能力、市场需求等来确定。
1) 功能性要求　产品的功能性要求是要求产品在预定的寿命期间内有效地实现其预期的全部功能和性能。
2) 经济性要求　产品的经济性要求是指用户对获得具有所需功能和性能的产品所需付出的费用方面的要求。
3) 安全性要求　安全性要求包括对人身安全的要求和对产品安全的要求。人身安全的要求是指在产品运行过程中，不因各种原因（如误操作等）而危及操作者或周围其他人的人身安全。
按设计要求：特征指标、优化指标、寻常指标
（2） 性能指标对产品结构的影响
对于初步方案中具有互补性的环节，还需要进一步确定其具体的实现形式。在完成这些工作后，各环节才才可采用常规方法进行详细设计。
2、功能及性能指标的分配
（1）功能分配 原则：等效性功能
（2）性能指标分配
1）列出影响作用范围
2）变换量纲
3）优化处理
三、总体设计的方法和步骤
机电系统总体设计方案的过程
机电一体化系统（或产品）（以工作机为例）的设计步骤如下：
(1)根据目的功能确定产品规格、性能指标
工作机的目的功能是用来改变物质的形状、状态，位置尺寸或特性，归根到底必须实现一定的运动，并提供必要的动力。
(2)系统功能部件、功能要素的划分
工作机必须具备适当的结构才能满足所需性能。要形成具体结构，要以各组成要素及要素之间的接口为基础来划分功能部件或功能子系统。
(3)接口设计
接口问题是各组成要素间的匹配问题，有机械接口、电子硬件接口和软件接口。
(4)综合评价（或整机评价）
对机电一体化系统（或产品）的综合评价主要是对其实现目的功能的性能、结构进行评价。
(5)可靠性复查
机电一体化系统（或产品）既可能产生电子故障、软件故障，又可能产生机械故障。
(6)试制与调试
样机试制上检验产品设计的制造可行性的重要阶段，并通过样机调试来印证各项性能指标是否符合设计要求。