总体设计核心指导内容解析

机电一体化系统总体设计是机电产品设计中的重要环节，它包括系统调查、系统工作原理设计、系统结构方案设计、摩擦形式的选择、系统简图的绘制、总体精度分配以及总体设计报告。

（1）系统调查

系统调查主要是详尽搜集用户对所设计产品的需求。

1）设计任何系统，首先要收集所有相关的信息，包括设计需求和背景技术资料。设计人员在这一基础上应做出用户真正需要设计什么样的产品的判断。这一步是进行总体方案设计的最基本的依据，不可忽视。一般情况下，需要对设计对象自身需求的工作效率，包括年工作效率及小时工作效率作详细地调查。对于动力传统系统，还要了解其机械效率方面的需求。

2）设计对象所具有的主要功能。包括总功能及实现总功能时分功能的动作顺序，特别是操作人员在总功能实现中所介入的程度。

3）设计对象与其工作环境的界面。主要有输入、输出界面、装载工件形式、操作员控制器的界面，辅助装置的界面，温度、湿度、灰尘等情况，以及说明这些界面中哪些是由设计人员保证的，哪些是由用户提供的。

4）设计对象对操作者技术水平的需求。要求操作人员达到什么技术等级，并具备哪些专长。

5）设计对象是否被制造过，假如与设计对象类似的产品已在生产，则应参观生产过程，并寻找有关的设计与生产文件。

6）了解用户自身的一些规定、标准，例如厂标、一般技术要求、对产品表面的要求（防蚀、色彩）等。

（2）系统工作原理的设计

明确了设计对象的需求之后，就可以开始工作原理设计了，这是总体设计的关键。设计质量的优劣取决于设计人员能否有效地对系统的总功能进行合理的抽象和分解，并能合理地运用技术效应进行创新设计，勇于开拓新的领域探索和新的工作原理，使总体设计方案最佳化，从而形成总体方案的初步轮廓。

机电一体化系统工作原理设计主要包括系统抽象化与系统总功能分解两个阶段。

1）系统抽象化

机电一体化系统（或产品）是由若干具有特定功能的机械与微电子要素组成的有机整体，具有满足人们使用要求的功能。根据功能不同，系统利用能量使得机器运转，利用原材料生产产品，合理地利用信息将关于能量、生产方面的各种知识和技术进行融合，进而保证产品的数量和质量。因此，可以将系统抽象化为以下功能：

①变换（加工、处理）功能；

②传递（移动、输送）功能；

③储存（保持、积蓄、记录）功能。

图8-1 系统功能图

系统功能图如图8-1所示。以物料搬运、加工为主，输入物质（原料、毛坯等）、能量（电能、液能、气能等）和信息（操作及控制指令等），经过加工处理，主要输出改变了位置和形态的物质的系统（或产品），称为加工机。例如：各种机床（切削、锻压、铸造、电加工、焊接设备、高频淬火等）、交通运输机械、食品加工机械、起重机械、纺织机械、印刷机械、轻工机械等。

以能量转换为主，输入能量（或物质）和信息，输出不同能量（或物质）的系统（或产品），称为动力机。其中输出机械能的为原动机，例如电动机、水轮机、内燃机等。

以信息处理为主，输入信息和能量，主要输出某种信息（如数据、图像、文字、声音等）的系统（或产品），称为信息机。例如各种仪器、仪表、电子计算机、电报传真机以及各种办公机械等。

在分析机电一体化系统总功能时，根据系统的输入和输出的原材料、能量和信息的差别与关系，将其进行分解，分析系统结构组成及子系统功能，得到系统工作原理方案。图8-2为CNC数控机床功能图。图中左边为输入量，右边为输出量，上边及下边表示系统与外部环境间的相互作用。

2）总体功能分解

为了分析机电一体化系统的子系统功能组成，需要统计实现工作对象转化的工作原理的相关信息。每一种工作对象的转化可以利用不同的工作原理来实现，例如圆柱齿轮切齿，可以采用滚、插、刨、铣等不同的加工方式。同样圆柱齿轮测量可以采用整体误差测量、单项误差测量、展成测量、逐步测量、接触式测量、非接触式测量、机械式测量、电子式测量、对比式测量、直接测量等多种的测量方式。不同的工作方式将使机电一体化系统具有不同的技术及经济效果。因此可从各种可行的工作方式中选择最佳的工作方式。

图8-2 CNC数控机床功能图

一般情况下，机电一体化系统较为复杂，难以直接得到满足总功能的系统方案。因此，可以采用功能分解法，将系统总功能进行分解，建立功能结构图，这样既可显示各功能元、分功能与总功能之间的关系，又可通过各功能元之解的有机组合求系统方案。(www.xing528.com)

将总功能分解成复杂程度较低的子功能，并相应找出各子功能的原理方案，从而简化了实现总功能的原理构思。如果有些子功能还太复杂，则可进一步分解到较低层次的子功能，分解到最后的基本功能单元称为功能元。所以，功能结构图应从总功能开始，以下有一级子功能，二级子功能，其末端是功能元，前级功能是后级功能的目的功能，后级功能是前级功能的手段功能。另外，同一层次的功能单元组合起来，应能满足上一层功能的要求，最后合成的整体功能能满足系统的要求。至于对某个具体的技术系统来说，其总功能需要分解到什么程度，则取决于在哪个层次上能找到相应的物理效应和结构来实现其功能要求。这种功能的分解关系称为结构。

数控机床（CNC）是计算机数字控制机床（Computer numerical control）的简称，它是指一种装有程序控制系统的自动化机床。其总功能是利用控制系统逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，使得机床动作并加工零件。该系统总功能可以分解为切削加工子功能、控制子功能、驱动子功能、监控检测子功能及编程子功能。

因此，数控机床功能组成图如图8-3所示，它包括主机、数控装置、驱动装置、辅助装置、编程及其他附属设备。其中主机是数控机床的主体，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件，是用于完成各种切削加工的机械部件；数控装置是数控机床的核心，它包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能；驱动装置是数控机床执行机构的驱动部件，它包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电动机及进给电动机等。它在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工；辅助装置是指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等装置，它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等；编程及其他附属设备用于在机外进行零件的程序编制、存储等。

（3）系统结构方案设计

1）内容和步骤

图8-3 数控机床功能组成图

机电一体化系统原理方案确定之后，可以将系统的子系统分为两个方面。第一方面是机械子系统，例如机械传动系统、导向系统、主轴组件等；第二方面是电气子系统，例如控制电动机、控制电路、检测传感器等。电气子系统可以直接选用市场上的成品，或者利用半成品组合而成。机械结构方案和总体方案根据机电一体化系统的功能的改变，呈现出多样化特征。尽管为了满足机电一体化系统设计，各种机械中典型的标准组件已经商品化，但机械结构设计仍是机电一体化系统总体结构方案设计的重要内容。

系统结构方案设计的核心工作包括两个方面，分别为“质”的设计和“量”的设计。“质”的设计问题有两个，一是“定型”，即确定各元件的形态，把一维或两维的原理方案转化为三维的、有相应工作面的、可制造的形体；二是“方案设计”，即确定构成技术系统的元件数目及其相互间的配置。“量”的设计是定量计算尺寸，确定材料。

由于结构方案设计的复杂性和具体性，除了要求创新性以外，还需要进行与实践相结合的综合分析和校核工作。结构方案设计的步骤主要包括初步设计、详细设计和完善与审核。

初步设计。这一阶段主要是完成主功能载体的初步设计。一般把功能结构中对实现能量、物料或信号的转变有决定性意义的功能称为主功能，把满足主功能的构件称为主功能载体。对于某种主功能，可以有不同的功能载体件——构件、器件来完成。首先可以确定几种功能载体，然后再确定它们的主要工作面、形成及主要尺寸，再按比例画出结构草图；最后在几种结构草图中择优确定一个方案作为后继设计基础。

详细设计。这个阶段的第一步是进行副功能载体设计，在明确实现主功能需要哪些副功能载体的条件下，实现副功能尽量直接选用现有的结构，例如选用标准件、通用件或从设计目录和手册中查找。第二步是进行主功能载体的详细设计，应遵循结构设计基本原则和原理。然后，就可以进一步完善、补充结构草图，并对其进行审核、评价。

结构方案的完善与审核。这一阶段的任务是在前面阶段工作的基础上，对于关键问题及薄弱环节进行优化设计，进行干扰和差错是否存在的分析，并进行经济分析，检查成本是否达到预期目标。

2）基本要求

①机械结构类型很多，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。

②按运动学原则进行结构设计时，不允许有过多的约束。但当约束点有相对运动且载荷较大时，约束处变形大，易磨损，这时可以采用误差均化原理进行结构设计。这时可以允许有过多的约束，例如滚动导轨中的多个滚动体，是利用滚动体的弹性变形使滚动体直径的微小误差相互得到平均，从而保证了导轨的导向精度。

③结构设计简单化，提高系统可靠性。在满足系统总功能的条件下，力求整机、部件和零件的结构设计简单。机械系统一般为串联系统，组成系统的单元数目越少，则系统的可靠度越高。即零部件数量少，不仅可以提高产品可靠度，还可以缩短加工、组装和生产准备周期，降低生产成本。在设计中常采用—个零件担任几种功能的办法，来达到减少零件数量的目的。

（4）摩擦形式的选择

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、静摩擦力差别太大，造成爬行，会影响控制系统工作的稳定性。因此在进行总体方案设计时，必须选取具有适应于工作要求摩擦形式的导轨。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，各有不同的优缺点，设计时可以根据需求，综合考虑各方面因素进行选择。

（5）系统简图的绘制

选择或设计了系统中各主要功能元的解之后，用各种符号代表各子系统中功能元的解，包括控制系统、传动系统、电器系统、传感检测系统、机械执行系统等，根据总体方案的工作原理，画出它们的总体安排，形成机、电、控有机结合的机电一体化系统简图。

根据这些简图，进行方案论证，并作多次修改，确定最佳方案。在总体安排图中，机械执行系统应以机构运动简图或机构运动示意图表示，其它子系统可用方框图表示。

（6）总体精度分配

总体精度分配是将机、电、控、检测各系统的精度进行分配。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、检测子系统可按其数字精度直接分配；对于具有模拟量特征的机、电、检测子系统，则可按技术难易程度进行精度分配。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，与分配的精度进行比较，进行反复修改，使各部分的精度尽可能合理，总体精度分配的目标是以满足总体精度为约束，使各子系统的精度尽可能低，达到取得最佳性能价格比的目标。

（7）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。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事项。

机电一体化总体设计的目的是设计出综合性能最优或较优的总体方案，作为进一步详细设计的纲领和依据。应当指出，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。