第二讲-机电一体化系统总体方案设计课件.ppt

第2讲 机电一体化系统总体方案设计 1.1 概述 1.1 概述 2、总体方案设计的主要内容 总体结构方案设计：包括总体结构方案设计、布局及外观设计等内容。 驱动方案设计：包括传动方案设计、驱动方式设计和驱动元件选择等内容。 控制方案设计：包括计算机控制方案设计、伺服控制方案设计和接口方案设计等内容。 人机工程设计：包括人机接口设计和人机环境设计等内容。 可靠性设计：包括系统可靠性和人机安全性设计及评价等内容。 1.2 总体结构方案设计 1、主体机械结构 主体机械结构方案包括：主要几何尺寸确定、布局、作业空间的确定、运动自由度数的确定和操作环境的确定。 作用：主体结构方案的合理影响系统的基本功能、系统的工作特性、制造工艺性和制造成本。 机构设计应遵循的基本原则： 明确——结构方案应能明确体现各个方面的设计指标。首先是所选方案的工作原理要明确，才能使所设计的结构能可靠地实现所要求的目标；其次，要明确工作条件，如载荷情况和运行速度；还要明确作业空间参数和使用条件。 简单——满足设计目标要求的条件下，系统结构尽量简单。 安全可靠——包括机器的工作安全性和操作安全性两方面内容，是总体结构方案设计必须考虑的内容。 1.2 总体结构方案设计 2、总体布局 总体布局是总体设计的重要环节，布局的设计任务是，确定系统各个主要部件的相对位置关系以及它们所需要的相对运动关系。 总体布局应遵循的基本原则： 功能合理：各个子功能要变于实现，不论是在系统的内部还是外观上都应考虑功能目标的总体布局。 结构紧凑：内部机构的紧凑要便于装配和维修，外部结构的紧凑是艺术造型的良好基础。 层次分明：总体结构的所有部件的布局应层次分明，一目了然。 比例协调：获得美观的外形。 总体布局由装置或者零部件的形状、大小、数量、位置和顺序等5个基本因素决定。总体布局要与主体机械结构、电气控制装置、辅助装置、人机操作接口的设计以及使用环境的要求来一起考虑。 1.3 驱动方案设计 1 、传动方案设计 常用的执行机构按运动形式的不同可以划分为直线输出型和转动输出型两大类。 1.3 驱动方案设计 1 、传动方案设计 1.3 驱动方案设计 1 、传动方案设计 （1）直线运动机构的驱动 1.3 驱动方案设计 ②回转型驱动元件实现的直线运动驱动 回转型驱动元件如直流电动机、步进电机、交流伺服电机经过一定传动装置将其转动变换成直线运动。 常用的驱动方式有电动机丝杠螺母机构、电动机齿轮齿条（齿形带）机构和电动机连杆机构。 1.3 驱动方案设计 2 、驱动方式选择 （1）家用电器，医疗器械 应满足无污染、低噪声、体积小、重量轻的要求。选用电子能源，应采用220伏市电，避免三相动力电；还可以考虑电池供电；传动方式上，考虑噪声低的传动方式，如采用同步齿形带。 （2）食品，医疗生产机电产品 应避免污染，可采用气动或电动驱动，不宜采用液压驱动。 （3）水下设备 考虑高压密封问题，比如采用液压驱动较电驱动易实现密封，使用复合材料轴承代替普通滚动轴承可延长寿命，改善关节性能。 （4）一般工业设备 可采用电、气、液三种驱动方法，根据具体情况进行具体分析。 1.4 控制系统方案设计 1、 伺服驱动方案设计 （1）伺服驱动系统的作用 伺服驱动系统是“机” 和“电”之间的接口，通过它把电信号转换成执行机构的动力输出量。 系统的精度和动态性能指标主要是由伺服驱动系统的性能决定的。 伺服驱动系统的工作可靠性直接影响整个系统的可靠性。 伺服驱动系统的成本对系统的成本影响很大。 伺服驱动系统对系统的噪声、对环境的影响起决定作用。 1.4 控制系统方案设计 1、 伺服驱动方案设计 （2）对伺服驱动系统的要求 好的动、静态指标。 合理的结构，体积小、重量轻。 高效率、低功耗。 高可靠性。 低成本。 环境无害。 1.4 控制系统方案设计 （3）伺服驱动方案 ①按照控制器的实现方法分为：模拟式和数字式。 模拟式伺服控制系统一般只用在双闭环控制系统的内环、精度要求不高的交流或直流伺服系统中。 数字式伺服控制系统比较常用，可用于开环、半闭环和闭环控制系统中。 ②按照控制原理分为：开环、半闭环和闭环控制。 2、 计算机控制系统方案 （1）基于产品类型的控制方案设计 考虑保证实现系统的基本控制功能、性能指标外，还要综合考虑其他一些因素，包括： ①单件小批量还是大批量生产 大批量生产→主要考虑生产效率、生产成本和可维护性→设计专用计算机控制系统→提高计算机资源的利用率，降低生产成本，提高系统的可靠性。 单件小批量产品→通用计算机产品，以便降低成本，缩短生产周期。 ②一般工业产品还是满足特殊要求的产品 对一般的工业产品→成本和生产周期应作为主要指标来考虑。 对军事、航天、水下等殊要求的场合→重要的是可靠性和环境适应性。