机电一体化系统总体设计-设计过程示例
机电一体化系统设计典型实例
1
优势
提高劳动效率，降低成本，增强品质和可靠性，利于维护和管理，并且有一定的 生态效益。
2
挑战
需要协调多个领域的专业技能和信息，需要对未来市场趋势和新技术有敏锐的洞 察力。
结论和总结
未来趋势
随着城市化进程加速，智慧城市崛起，机电一体 化技术将发挥更加重要的作用。
应用广泛
除了上述提到的几个行业，机电一体化技术还可 以广泛应用于医疗、农业、能源等领域。
利用机器视觉技术和高精度 地图，实现自动驾驶，减少 人为事故，提高交通规划的 效率。
智能设施
借助物联网技术和现代传感 器，交通设施变得更加智能 化，如自动收费、智慧路灯、 快速充电等。
流量管理
交通监测和分析系统可以帮 助城市管理者更好地解决交 通拥堵、路况状况和安全问 题。
机电一体化系统设计的优势和挑战
典型实例1：自动化生产线
质量控制
为了生产一致的高质量产品，生产线上使用了 各种传感器、机器视觉技术，以及即时数据处 理软件。
智能机械
生产线使用了各类高效率的机械装备，如机器 人和自动化部件来执行重复性工作。
实时监控
使用先进仪表和监控系统来跟生产量、质量， 及时发现和解决问题。
典型实例2：智能家居系统
提高质量
优秀的系统设计可以增加 可靠性和一致性，减少错 误率，提高产品质量。
机电一体化系统设计的基本原则
1
综合考虑
根据具体需求和环境条件，综合考虑
高效稳定
2
机械、电气、控制等因素。
设计系统要注重功能稳定性，保证机
电作用的高效协同。
3
安全实用
系统设计要符合安全要求，具有便于 维修、保养和更新升级的特点。
机电一体化系统总体设计与实例分析-智能洗衣机
实例运行效果测试与分析
测试目的
对智能洗衣机的各项功能进行测试，验证其性能和可靠性。
测试方法
按照标准操作程序，对洗衣机的各项功能进行测试，记录数据并进行 分析。
测试结果
经过测试，智能洗衣机在各项功能指标上均表现出色，具有高效、稳 定的性能。
结果分析
通过对测试结果的分析，可以得出智能洗衣机在设计和制造过程中充 分考虑了用户需求和使用场景，具有较高的实用性和可靠性。
网络化
通过物联网、云计算等技术， 实现远程监控、故障诊断和协 同作业。
绿色化
注重环保和节能，推广可再生 能源和资源循环利用。
03 智能洗衣机系统设计
智能洗衣机系统概述
智能洗衣机系统是一种集成了机 械、电子、控制和信息技术的自 动化设备，用于完成洗衣、漂洗、
甩干和烘干等任务。
智能洗衣机系统具有自动化、智 能化、高效节能和环保等特点， 能够满足现代家庭和工业生产的
机电一体化系统总体设计与实例分 析-智能洗衣机
目 录
• 引言 • 机电一体化系统概述 • 智能洗衣机系统设计 • 智能洗衣机实例分析 • 结论与展望
01 引言
主题介绍
智能洗衣机
随着科技的发展，智能家电已经成为人们日常生活的重要组成部分。智能洗衣机作为其中的代表，具有自动化、 智能化、高效节能等特点，为人们提供了更加便捷、舒适的洗衣体验。
需要。
智能洗衣机系统的设计需要综合 考虑机械结构、控制系统、人机
交互和可靠性等方面的因素。
智能洗衣机系统硬件设计
电机
传感器
电机是智能洗衣机系统的核心部件，用于 驱动洗衣机的各种运动部件，如波轮、滚 筒等。
传感器用于检测水位、温度、重量等参数 ，并将数据反馈给控制系统，以 结论与展望
机电一体化系统设计实例
四、进给传动部件的计算和选型
纵、横向进给传动部件的计算和选型主要包括： 确定脉冲当量、计算切削力、选择滚珠丝杠螺母副、 设计减速箱、选择步进电动机等。以下详细介绍纵 向进给机构，横向进给机构与纵向类似，在此从略。
1．脉冲当量的确定 根据设计任务的要求，X方向（横向）的脉冲当 量为δx = 0.005 mm/脉冲，Z方向（纵向）为δz = 0.01 mm/脉冲。
2．切削力的计算 切削力的分析和计算详见第三章。以下是纵向车削力的详 细计算过程。 设工件材料为碳素结构钢，σb＝650 Mpa；选用刀具材料为 硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角kr＝60°，前角γ0 ＝10°，刃倾角λs＝－5°；切削用量为：背吃刀量ap＝3 mm， 进给量f =0.6 mm/r，切削速度vc＝105 m/min。 CF＝ xF＝ 查表3-1，得： yF＝ c 2795， c 1.0， c 0.75， nFc ＝－0.15。 查表3-3，得：主偏角Кr的修正系 kkr F ＝ 0.94；刃倾角、前角 c 和刀尖圆弧半径的修正系数值均为1.0。 由经验公式（3-2），算得主切削力Fc＝2673.4 N。由经验 Fc:F f :F＝ 公式 1：0.35：0.4，算得纵向进给切削力 p N。 F＝ f 935.69 N，背向力 F=1069.36 p
3．滚珠丝杠螺母副的计算和选型（纵向） （1）工作载荷Fm的计算 已知移动部件总重量G=1300 N；车 削力Fc=2673.4 N， N。如图3-20所示， Fp=1069.36 N， F =935.69 f 根据 Fz =F ， F =F f的对应关系，可得： F =F ， c y p x Fx=935.69 N。 Fz=2673.4 N， Fy=1069.36 N， 选用矩形－三角形组合滑动导轨，查表3-29，取K= 1.15， = 0.16，代入Fm＝ ( Fz G) , 得工作载荷 KF+ x Fm ≈ 1712 N。
机电一体化系统总体设计
总结
总结机电一体化系统总体设计的重点和关键要点，并强调设计的成功和应用 前景。
机电一体化系统总体设计
机电一体化系统总体设计是将机电设备与系统设计结合起来，从多个维度考 虑，以满足设计需求。本演示将介绍机电一体化系统总体设计的重要性和方 法。
问题陈述
分析市场需求和现有问题，确定设计中需要解决的关键问题。
市况。
机电一体化系统简介
介绍机电一体化系统的定义、特点和应用范围。
总体设计方法
阐述采用的总体设计方法，包括需求分析、方案选择和设计评估。
总体设计过程
详细讲解机电一体化系统总体设计的步骤和流程，包括系统需求分析、系统选型和系统架构设计。
总体设计结果
展示机电一体化系统总体设计的结果，包括系统结构图、关键技术参数和性能指标。
机电一体化系统设计课程设计【范本模板】
机电一体化系统设计课程设计说明书（小幅面平板式二维绘图仪画笔驱动系统）目录目录................................................................................................................... - 2 - 中文摘要................................................................................................................... - 4 -一、课程设计的目的............................................................................................... - 5 -二、设计任务........................................................................................................... - 5 -三、总体方案的确定............................................................................................... - 5 -四、机械传动部件的设计与选型........................................................................... - 6 -1．滚珠丝杆副的选型与计算........................................................................... - 6 - 2．电机的选型与计算....................................................................................... - 8 -3、轴承的选择与验算..................................................................................... - 11 -4．联轴器的选用............................................................................................. - 12 - 5．滚动直线导轨选择,计算和验算................................................................ - 12 - 6．密封和润滑................................................................................................. - 13 -五、机械控制系统原理及电路设计..................................................................... - 13 -1、设计要求..................................................................................................... - 13 -2、方案分析..................................................................................................... - 13 -3、单片机系统与步进电动机驱动器之间的接口方法................................. - 14 -4、步进电动机驱动电源的选用..................................................................... - 15 -六、设计结论......................................................................................................... - 18 -七、个人总结......................................................................................................... - 21 -八、参考文献......................................................................................................... - 22 -中文摘要模块化的小幅面平板式单坐标画笔驱动系统，通常由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠副，以及伺服电动机等部件组成。
机电一体化系统总体方案设计
确保系统的安全性和可靠性，减少操作风险。
所需器件和材料的选择
高性能电机
选择具有高效能和可靠性的电机来驱动系统。
先进的传感器技术
采用先进的传感器技术来实现精确的控制和监测。
高质量的电气元件
选用高质量的电气元件以确保系统的可靠性。
系统软件的设计和开发
1 可编程控制器（PLC）
采用PLC来实现系统的自动化控制和监控。
机电一体化系统总体方案 设计
在现代工程中，机电一体化系统的设计至关重要。本课程将介绍系统的背景 和意义，设计目标和要求，以及所需器件和材料的选择。
系统总体方案介绍
1 完整的一体化方案
设计一个集机械、电子、计算机等多项技术于一体的系统。
2 高效的能源利用
通过最大程度地优化各部分的协调工作，实现能源的高效利用。
2 人机界面（HMI）
设计直观且易于操作的人机界面，使操作员能够轻松地与系统交互。
3 数据存储和分析
实现对系统数据的存储和分析，以帮助优化系统性能。
系统测试和验证方法
1
单元测试
逐个测试系统的各个部件以确保其正常工作。
2
集成测试
将各个部件组合并测试系统的整体试来确认系统满足设计要求。
总结和展望
总结
机电一体化系统的总体方案设计 是一个复杂而关键的过程，需要 综合考虑不同技术的相互配合。
展望
随着技术的不断发展，机电一体 化系统将会变得更加高效、智能 和可靠。
机电系统工程师的角色
机电系统工程师在设计和开发过 程中发挥关键作用，为工程的成 功做出贡献。
CAD机电一体化设计方法与实例解析
CAD机电一体化设计方法与实例解析CAD机电一体化设计是将机械和电气两个领域的设计进行整合，通过使用计算机辅助设计（CAD）软件进行设计和分析，实现机电系统的一体化设计和优化。
这种设计方法可以提高设计效率、降低成本，并且确保设计的准确性和可靠性。
下面将通过一个实例来解析CAD机电一体化设计的过程。
假设我们要设计一个自动化生产线的机电系统。
首先，我们需要对生产线进行初步的机械设计。
使用CAD软件，我们可以绘制出生产线的总体布局图，并根据工艺要求设计各个工作站的结构和尺寸。
在设计过程中，我们可以根据不同的需求进行多次修改和调整，比如改变工作站之间的距离、调整传送带的长度和速度等等。
通过CAD软件的设计分析功能，我们可以评估不同设计方案的优劣，选择最佳的方案。
接下来，我们需要对生产线的电气系统进行设计。
我们可以使用CAD 软件绘制出电气布线图，包括电气设备的位置、电缆的布置、电源和控制系统的连接等等。
在设计过程中，我们还可以使用CAD软件进行电气系统的模拟和仿真，验证电气系统的工作可靠性和稳定性。
在实施CAD机电一体化设计的过程中，机械和电气设计师需要密切合作，共同完成生产线的整体设计。
他们可以通过CAD软件进行实时的协同设计，同时对机械和电气设计进行交互验证和修改。
比如，机械设计师可以根据电气设计师的需求进行相关部件的设计和选择，而电气设计师可以根据机械设计的要求确定电气设备的安装位置和布线方式。
除了设计阶段，CAD机电一体化设计还可以在生产阶段发挥作用。
我们可以使用CAD软件生成机械和电气部件的生产工艺，包括加工工艺和装配工艺。
通过CAD软件的模拟和分析功能，我们可以预测生产过程中可能遇到的问题，并提前采取相应的措施进行优化。
总结来说，CAD机电一体化设计是一种将机械和电气设计整合在一起的设计方法。
通过使用CAD软件，设计师可以实现机械和电气设计的协同工作，提高设计效率、降低成本，并确保设计的准确性和可靠性。
设计过程示例-机电一体化系统总体设计典型例题
1、用功能树法进行露天矿开采挖掘机的功能原理方案设计。
答：首先进行功能原理结构分析：由此推导，得出以下功能原理图：2、一数控系统如图所示，试说明图中的各个部分分别属于机电一体化系统的哪一基本结构要素。
总总总总总总1总总总1总总总n……总总总n……总总总n……总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总总答：按照机电一体化系统的基本结构要素，图示数控机床的各个部分归类如下：（1）控制及信息处理单元： 键盘、计算机、显示（2）测试传感部分： 光电编码器、信号处理（3）能源： 电源（4）驱动部分： 功放、电机（5）执行机构： 联轴器、齿轮减速器、丝杠螺母机构、工作台3、已知某物料搬动机械手的结构与动作过程如图所示，要求机械手的操作方式分为手动方式和自动方式。
机械手有升降、水平移动、手爪夹持等3个自由度，采用电磁阀控制的气缸驱动，PLC控制。
要求写出物料搬动机械手设计和产品开发的详细工程路线。
左移答：系统设计的详细工程路线：1)确定目标及技术规范：机械手的用途：物料搬运。
工作方式：手动、自动方式主要技术参数：3自由度。
使用环境要求：生产线2)可行性分析：收集资料、市场分析、可行性分析、技术经济性分析3)总体方案设计：机械手总体结构方案设计制定研制计划；开发经费概算；开发风险分析。
4)总体方案的评审、评价。
5)理论分析阶段：机构运动学模型、作业空间分析；机构的力学计算；驱动元件的选择、动力计算；传感器选择、精度分析；建立控制模型、仿真分析。
6)详细设计：包括系统总体设计，业务的划分；控制系统设计；程序设计；后备系统设计；设计说明书、使用说明书。
7)详细设计方案评价。
8)试制样机：机械本体、动力驱动系统、供电系统、控制系统、传感器、检测系统。
9)机械手样机的实验测试：调试控制系统、控制性能测试、功能测试、精度、工作空间测试、动态指标测试、作业试验。
10)技术评价与审定：对样机及其性能进行综合评价，提供改进意见，对不满意的部分进行修改，直至样机合格后方可进人下一步骤。
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P-N5 250t座式焊接变位机 德国诺威尔重型机器制造有限公司
HB-60t型焊接变位机 成都焊研威达自动焊接设备有限公司
两自由度变位机 意大利Innse-Berardi公司
加氢反应器的两自由度变位机 法国Framatome公司
b.概念设计
2）工艺可实现性
概念设计
5）避免不良 结构性
概念设计：通 过构思确定设 计任务和用简 图形式表达的 设计问题的一 个求解轮廓。
启 动 、
变 速
仪 表 显
照 明
其 他
换
递 与 分
铲 斗
推 压
移停
示
动止
）（
配
制
动
）
3、功能元组合——相容矩阵法
方案序号
1
2
分功能
A
推压
齿条
钢丝绳
B
铲斗
正铲斗
反铲斗
C
提升
油缸
绳索
D
回转
内齿轮传动 外齿轮传动
E
能量转换
柴油机
F 能量传递与分配 齿轮箱
油泵
G
制动
带式制动 阐瓦制动
H
变速
液压式
齿轮式
I
行走
θ3
K
F0 2 B
x3 GK α
1
y3
D η
G1：滑块的重力
F2 1 θ 2
x2 G2：引导螺丝的重力
GK：各运动部件的重力
C
θ1
F0 1
y2
G1
F1 2
G2 x0
x1
y0 y1
A
液压缸驱动曲柄摇块机构方案
液压缸驱动曲柄摇块机构方案
滑动丝杠驱动曲柄摇块机构方案
滑动丝杠驱动曲柄摇块机构方案
变位器虚拟样机的动力学仿真 变位机的Adams模型
焊接用变位器
➢ 焊接用自动变位器主要用于产品的堆焊，目前在工厂中使用的绝大 多数都是焊接用变位器。焊接变位器结构简单、体积庞大、对精度和 定位刚度的要求较低。目前国内基本可以生产各种吨位和尺寸的焊接 用自动变位器。
159 t座式焊接变位机 唐山开元装备公司
80 t双立柱升降式焊接变位机 无锡阳通机械设备有限公司
2、寻找功能元——黑箱法或功能树法
黑箱法（Block Box）特点
通过“黑箱”与输入、输出量及周围环境的信息联 系，了解系统(产品)的功能、特性，进一步探索出系统 的机理和结构，逐步使“黑箱”透亮，直至方案拟定。
它摆脱了具体设计对象，而按系统(产品)的功能和 对三大流进行定性描述来进行思考，使问题简化，以利 于启发设计人员构思出更新、更好的功能原理方案来。
➢ 蒸汽发生器水室封头采用整体锻造结构， 其毛坯重量约200吨，成品重量43.5吨，直 径4.3米。 ➢ 加工重型零件最困难的是处理不同工序间 工件的移动和再定位。
➢ 使用传统的定位装置，工序如图所示：
➢ 蒸汽发生器水室封头工件和夹具总质量为几十吨甚至上百 吨，使用天车和简陋的传统装夹定位装置，工件变位和定位 非常困难，精度很难保证。在精加工阶段必须配备高档重载 自动变位机。
使 用 7、操作方便
附加要求
总功能：瓶盖整列，其黑箱模型如下图所示。 总功能分解：总共能与分功能之间的结构系统如下：
目标特征
局部解
目标
标记
1
2
3
4
5
6
A
输 入
重力
机械 力
B
测 向
机械测量
气 压 磁通密度 光 测 气 流
功分 能C拣
元
气流
负压
重力
机械式
翻 D转
重力
气流
导向
7
8
液、气力
E
输 出
重力
机 械力
d. 功能原理方案设计
根据设计任务书提出的参数和要求，提出实现这些要 求的技术方案——原理性的构思,并未涉及到具体结构尺寸 的设计计算。
包括： （1）功能模块的划分； （2）功能模块的求解； （3）功能模块的组合； （4）方案筛选。
1、功能分解
功能
必要功能
基本功能 附加功能
非必要功能
基本功能：必须保证的功能，在设计中不能改变。 附加功能：可随技术条件的或结构形式的改变而取舍或改变。 非必要的功能：设计者主观加上去的，可有可无。
丝杠柔性体切削仿真
丝杠柔性体切削仿真瞬时丝杠应力分布图
翻转70度时最大工作载荷下翻转架应变分布图
变位器在现场使用情景
履带
轮胎
3
油缸 抓斗
液轮
链传动 片式制动 液压-齿轮
迈步式
4
皮带传动 圆锥形传动 轨道-车轮
组合方案数=3×3 × 2 × 3 × 1 × 4 × 4 × 3 × 4=10368
若方案为：（A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1）→ 履带式正铲机 械挖掘机
若方案为：（A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3化系统总体设计
2.3 设计过程示例
a. 市场调研
1. 消费者的潜在需要 2. 用户对现有产品的反映 3. 产品市场寿命周期产生的阶段要求 4. 竞争对手的技术挑战 5. 技术发展的推动 6. 社会的需要
实例：蒸汽发生器水室封头
➢ AP1000的主环路系统由核反应 压力容器，蒸汽发生器、稳压器和 各种管道组成。 ➢ 蒸汽发生器水室封头是蒸汽发生 器的关键部件，是蒸汽发生器与核 反应压力容器等其他部件的接口。
如功能方案的 空间结构关系， 大致的成本、 重量、尺寸以 及可行性等设 想。
实例1：变位机翻转机构的优化创新设计
c. 编制设计任务书
1）产品名称 2）产品用途 3）主要技术规格 4）技术性能指标 5）其它
实例：核岛蒸汽发生器水室封头用高档重载自动变位机
变位机主要技术参数
➢ 工作台有效直径：Φ5000mm。（安装夹钳后直径达6米） ➢ 夹持工件最大直径：Φ4500mm。 ➢ 工作台承载能力：50吨。 ➢ 工件加工时的最大切削力≈3500 Kg。 ➢ 工作平台翻转角度范围：0～70°。 ➢ 工作台水平时最大高度：3000mm左右。 ➢ 机床工作时主轴的最大高度：3500mm。
e、方案设计评估与优化——选择表法
实例： 瓶盖整列装置设计
瓶盖整列装置的功能要求
1、不规则瓶盖整列为口朝上逐个输出 基本要求
功 能
2、整列速度100个/分钟
必达要求
3、整列误差小于1/1000
必答要求
加 工 4、小批生产，中小型厂加工
基本要求
成 5、成本不高于2000元/台 本 6、结构简单
附加要求 附加要求
黑箱
实例：用黑箱法进行露天矿开采挖掘机的方案设计
实例：用功能树法进行露天矿开采挖掘机的方案设计 总功能
分功能1
……
分功能n
功能元1 …… 功能元n
功能元1 …… 功能元n
总功能 （挖煤、运煤）
驱动功能
执行功能 行走功能 控制功能 辅助功能 支承和联接
（
整
台
能能 量量 转传
铲提回 入升转
机 器 的
液、气力
实例：水室封头用重载自动变 位机主翻转机构的方案设计
图1.1 球面并联机构
图1.2 改进型球面并联机构
曲柄滑杆机构方案
曲柄摇块机构方案
以翻转角度工作空间和驱动力性能为指标，以变位机高
度尺寸、机床主轴最大加工高度为约束条件，考虑各种实际
工况，设计出冗余同步驱动2-RPRR并联翻转变位机构。