机电一体化系统总体方案设计

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1、第2讲机电一体化系统总体方案设计主讲教师：姜淑娟沈阳大学机械工程学院1.1概述1、总体方案设计总体方案设计是系统设计的前期工作，是一种概念性的设计，是从系统设计角度出发，根据设计目标的要求，综合考虑系统各个部分之间的关系，从系统角度进行优化，确定系统的最优设计方案。总体方案的作用决定性、战略性、关键性作用。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

2、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

3、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、

4、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）直线运动机构的驱动①直线驱动元件直接驱动②回转型驱动元件实现的直线运动驱动1.3驱动方案设计1、传动方案设计直线步进电机、阀控油缸、气缸都可以直接驱动负载，产生直线运动。优点：负载与驱动元件直接连接，不需要中间转换机构，负载的运动精度不受中间机构的影响，直接反映驱动元件的精度，执行机构结构简单。缺点：直线驱动元件的种类相对较少，尺寸较大。气缸和油缸的结构比较简单，但需要控制阀、动力源等辅件，占地空间较大，液压源的噪声较大

5、，也有环境污染问题。功率型直线步进电机和直流电机的体积都比较大，价格也比较昂贵。（1）直线运动机构的驱动①直线驱动元件直接驱动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表1常用的直线驱动元件的主要特点及适用场合①直线驱动元件直接驱动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、传动方案设计（1）直线运动机构的驱动特点：是通过一个中间传动机构将电动机的运动传递给负载，通常中间机构可以实现很大的

6、传动比、具有较大的驱动能力和较小的折算惯量、控制性能较好。1.3驱动方案设计（2）转动输出型驱动机构负载是转动形式运动，实现负载的转动运动既可以使用回转驱动元件，也可以使用直线型驱动元件。回转主动元件有电动机、气压或液压马达。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

7、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