机电一体化系统设计第2章机电一体化系统设计和分析方法

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1、第2章机电一体化系统设计和分析方法2.1机电一体化系统设计概述2.2性能指标及分配方法2.3机电一体化系统的建模和仿真2.4系统的分析方法2.5知识扩展机电一体化设计是一个自上而下的过程，系统的功能和性能指标在各子系统中的合理分配是机电系统集成的基础；机电一体化系统分析则是自下而上的过程，是以系统动态分析理论为基础对系统的稳定性和动态响应能力等进行验证的过程，形式上有理论分析和仿真分析等；设计和分析的基础条件是系统的理论模型的建立。性能指标产品（模型）性能指标设计分析产品（模型）2.1系统设计概述2.1.1系统设计的描述（什么是设计？）从现代设计

2、方法的观念看，“设计”就是一个信息系统，输入的是需求，输出是设计的结果。从系统工程的观点分析，设计是一个由时间、逻辑和方法组成的三维系统。设计过程中的每一个行为可以反映为此三维空间中的一个点。时间维，描述按时间排列的设计目标流程；逻辑维，是解决问题的逻辑步骤，是在设计的工作流程中的每一个阶段内所要进行的工作内容和遵循的思维程序；方法维，是设计过程的各种思维方法、工作方法和涉及的相关领域知识机电一体化系统设计的类型开发性设计（全新设计）;适应性设计（原理方案不变，仅对功能及结构进行重新设计）;变参数设计（仅改变部分结构尺寸而形成系列产品）机电一体化

3、系统设计原则机电一体化设计要遵循产品的一般设计原则（在保证产品目的功能、性能和使用寿命的前提下，尽量降低成本），以计算机为辅助手段，充分利用现代设计方法，以多功能化，节能化，高效化满足市场要求。注意：产品的功能往往与操作有着直接关系，功能越多，操作越复杂。因此，在机电一体化产品向多功能化发展的同时，通过软件来改善产品的操作性能。使产品向智能化发展。2.1.2设计工作流程一个全新的机电一体化产品的设计和开发过程大体可以分为产品规划、概念设计和详细设计三个阶段。产品规划阶段包括需求分析、市场预测、技术可行性分析，最后确定设计参数及设计制约条件，提出设

4、计要求，作为设计、评价和决策的依据。需求分析：认识需求是一种创造性工作，设计师应深入实际、细致观察、敏锐捕捉市场的需求，并及时完成产品的开发和试制工作市场预测：产品的前期调研工作。调研内容可分为三个方面：面向用户的产品市场调研；面向产品设计的技术调研；面向产品生命周期的社会环境调研。技术可行性分析内容包括：1）关键技术和技术路线；2）可选技术方案；3）主要性能指标及技术规格的可行性；4）主要技术风险；5）成本分析；6）结论及产品建议。技术可行性分析根据产品的成本分析和技术风险分析，对产品的技术规格、性能指标和市场定位等参数提出修改建议，确定产品是

5、否立项。产品立项应给出生产设计要求表，表中所列要求分为特征指标、优化指标和寻常指标，即包括新产品的功能要求、技术规格、性能指标、成本控制目标等。概念设计阶段输入的是产品规划的结果—设计要求表，输出总体方案。机电一体化系统总体方案包括产品外观和结构布置方案、产品部件或子系统划分及设计目标、各部件或子系统的接口设计等三个方面，并给出详细设计任务书、验收规范及进度计划。1）产品外观和结构布置方案；2）产品部件或子系统划分及设计目标；3）各部件或子系统的接口设计；4）制定详细设计任务书、验收规范及进度计划。详细设计根据详细设计任务书，对各零部件进行详细设

6、计，确定各零部件的形状、尺寸、材料等参数，设计控制软件、设计电子、电气系统的电路，选用合适的元件，绘制详细的零件图、装配图等工程图，编写详细的设计技术资料。详细设计还包括制定产品制造工艺和质量检验等内容。详细设计必须按照总体的要求进行，在设计过程中还可能伴随着许多的实验研究和零部件的试制，以确定相关参数。2.2性能指标及分配方法1、使用要求与性能指标从产品的使用要求的角度看，性能指标可划分为功能性指标、经济性指标和安全性指标等三类。功能性指标：定义产品在预定的寿命期间有效地实现预期的全部功能要求，包括功能范围、精度指标、可靠性指标和维修性指标等。

7、经济性指标：反映用户获得所需功能和性能的产品需要付出的费用高低；对于生产者则是完成产品生产制造的成本。对于生产者和用户都希望在获得相同产品的同时成本/费用越低越好。对于用户其成本包括购置和使用费用。安全性指标：需要根据产品特点确定，它既指产品在运行过程中对操作者和周围其他人员的人身安全的危害程度，又指产品本身因其它原因受损坏的可能性。2、优化设计与性能指标从设计的角度划分性能指标，有特征指标、优化指标和寻常指标三类，它们在设计中的限定作用不同。特征指标：决定产品功能和基本性能的指标，是设计中必须满足的指标，构成机电系统优化模型的约束。优化指标：又

8、称为评价指标，用来进行方案比较的指标，其限定作用弱于特征指标，可作为机电系统优化模型的优化目标。寻常指标：作为常规要求的指标，一般不定量