第四章 机电控制系统的总体设计

第四章机电控制系统的总体设计

本章教学要点和要求

1、掌握机电控制系统的设计方法

2、掌握机电控制系统的总体设计内容

3、掌握机电控制系统的总体设计步骤

第一节机电控制系统总体设计的概念

一、总体设计的概念

机电控制工程是一门涉及光、机、电、液等综合技术的一项系统工程。机电控制系统设计是按照机电控制的思想、方法进行的机电控制产品设计，它需要综合应用各项共性关键技术才能完成。

随着大规模集成电路的出现，机电控制产品得到了迅速普及和发展，从家用电器到生产没备，从办公自动化设备到军事装备机与电紧密结合的程度都在迅速增强形成了一个纵深而广阔的市场。市场竞争规律要求产品不仅具有高性能．而且要有低价格这就给产品设计人员提出了越来越高的要求。另一方面，种类繁多、性能各异的集成电路、传感器和新材料等，给机电控制系统设计人员提供了众多的可选方案，使设计工作具有更大的灵活性。如何充分利用这些条件，应用机电控制技术开发出满足市场需求的机电控制产品，是机电控制总体设计的重要任务。

系统的总体设计概念：

机电控制系统的总体设计是应用系统总体技术，从整体目标出发，综合分析产品的功能要求和机电控制系统各组成模块的特性，选择最合理的模块组合方案，实现机电控制系统整体优化。

第二节机电控制工程总体设计的类型和方法

一机电控制工程总体设计的类型

机电控制产品设计一般可分为三种类型，即开发性设计、适应性设计和变异性设计。

开发性设计：是在没有参照产品的情况下进行的设计，仅仅是根据抽象的设计原理和要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品。例：最初的录像机、摄像机、电视机等的设计就属于开发性设计。开发性设计要求设计者具备敏锐的市场洞察力、丰富的想象力和广泛而扎实的基础理论知识。

例：料位器就是开发性设计

适应性设计：在总的方案原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更新，或用微电子技术代替原有的机械结构或成为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品的性能和质量增加某些附加值。例：电子式照相机采用电子快门代替手动调

整，使其小型化、智能化；汽车的电电子式燃油喷射装置代替原来的机械控制燃油喷射装置等就属于适应性设计。适应性设计要求设计者对原有产品及相关的市场需求变化和技术进步有充分的了解和掌握，

变异性设计：是在原有产品的基础上，针对产品原有缺点或新的工作要求从工作原理、功能结构、执行机构类型和尺寸等方面进行一些变异设计出新的产品以适应市场需求，增强市场竞争力。这种设计也可在设计方案和功能结构不变的情况下仅仅改变现有产品的规格尺寸，形成系列产品。变异性设计比较容易，但设计中必须注意采取措施防止因参数变化可能对产品性能产生的影响。

例：印钞打孔机就是将原来的打单孔改为打双孔

二机电控制工程总体的设计方法

机电控制工程的总体设计的方法通常有三种：机电互补法、结合法、组合法。

1、机电互补法

机电互补法也叫取代法，这种设计方法是用适当的电子部件取代某些陈旧、落后产品中的复杂机械部件或功能子系统。这种方法是改造传统机械产品和开发新型产品常用的方法。例如，在某工作机械中，可用可编程控制器或微型计算机取代机械式变速机构、凸轮、离合器等控制机构，取代液压，气动控制系统，取代插销板、拨码盘、步进开关、程序鼓、时间继电器等接触式控制器以弥补机械技术的缺陷。这种设计方法不仅可以简化机械结构，而且可以改善产品的性能和质量。这种方法的缺点是跳不出原系统的框架，不利于开拓思路，尤其在开发全新的产品时更具有局限性。

例：钞纸称重系统就是机电互补法

2、结合法

结合法就是将电子部件和机械部件结合设计新产品。采用此方法设计的产品其功能部件(或子系统)通常是专用的各要素间的匹配已得到充分考虑接口简单。例如，高速磨床主轴与电动机做成一体就是采用结合法设计磨头的例子。目前已生产出电动机与控制器做成一体的产品。设计新产品常用这种方法。

3、组合法

组合法就是将用结合法(或机电互补法)制成的功能模块组合成各种机电控制系统，它是一种拼接积木的设计方法。例如，将工业机器人的回转、伸缩、俯仰、摆动等功能模块系列组合成结构和用途不同的机器人。在机电控制系统设计中采用组合法,不仅可以缩短设计和制造周期，节约工装费用，而且给生产管理和使用带来方便。

第三节机电控制工程总体设计的内容和步骤

一、机电控制工程总体设计的内容

1、收集需求及资料

（1）收集需求：收集所设计产品的使用要求，包括功能、性能等方面的要求。此外还应，了解产品的极限工作环境、操作者的技术素质、用户的维修能力等方面的情况。使用要求是确定产品技术指标的主要依据。

（2）了解生产单位的设备条件、工艺手段、生产基础等作为研究具体结构方案的重要依据，以保证缩短设计和制造周期、降低生产成本、提高产品质量

（3）收集所设计的系统（设备）的性能指标

功能性指标包括运动参数、动力参数、尺寸参数、品质指标等实现产品功能所必需的技术指标。

经济性指标包括成本指标、工艺性指标、标准化指标、美学指标等关系到产品能否进入市场并成为商品的技术指标。

安全性指标包括操作指标、自身保护指标和人员安全指标等保证产品在使用过程中导致因误操作或偶然故障而引起产品损坏或人身事故方面的技术指标。对于自动化程度较高的机电控制产品．安全性指标尤为重要。

(4) 搜集国内外有关技术资料

搜集国内外有关技术资料，包括现有同类产品资料、相关的理论研究成果和先进技术资料等。通过对这些技术资料的分析比较，了解现有技术发展的水平和趋势。这是确定产品技术构成的主要依据。

2、对象分析

按照第三章的内容进行对象分析

3、功能设计

一个机电控制系统（产品）通常有多项功能，按各个功能的性质、用途和重要程度可以将其分为基本功能和辅助功能，机电控制系统的功能设计就是确定该系统的主要功能和辅助功能，以满足用户的需求。

功能分类

1、基本功能

基本功能是产品具有的、满足某种需求的、不可缺少的效能，体现出产品的用途和使用价值，是与设计和制造产品的主要目的直接相关的功能。一个产品如果失去了基本功能，也就失去了它的使用价值。根据基本功能的定义方式不同，一个产品可以有一个或若干个基本功能。

例：手表的基本功能是“显示时间”．手表如果失去这种基本功能，就不再具有使用价值；剪刀的基本功能是修剪物品；电灯的基本功能是照明；冷暖空调的基本功能有两个：夏天制冷、冬天制热，也可以将空调的这两个基本功能理解为一个基本功能——调节室温；车床的基本功能是车削工件；数控加工中心有多项基本功能，能够进行车削加

工、铣削加工、钻孔、镗削、切制螺纹等，也可以将数控加工中心的这些基本功能理解为一个基本功能．即切削加工。

例：微机配料系统的基本功能是将多种料按一定的配料比例配置

基本功能是产品主要的、不可缺少的要素，也是设计产品的基础。

2、辅助功能

辅助功能与基本功能并存，是产品的次要或附带的功能。它可以使产品的功能更加完善，增加产品的特色，属于锦上添花的功能。一个产品没有辅助功能，并不失去其使用价值。

例：日历表中显示日历的功能；自行车后面的书包架；轿车内的音响与空调；电视机的遥控装置；家具设计考虑搬运、库存、折叠、拆装等方面的功能，都属于产品的辅助功能。恰当地增加产品的辅助功能，产品的成本不会显著提高，但是产品的附加值却有可能大幅增加。

例：微机配料系统中的班产量的统计图，配件过程图就是辅助功能

4、原理设计

原理设计概述

产品原理设计的主要目标是：构思出能够实现产品功能要求、品质好的原理方案。

即确定实现功能的原理。原理方案的拟定从质的方面决定了产品的设计水平，因此，原理设计阶段是实现产品创新，使产品的发生质变的阶段。如何寻求出最适于实现预定功能目标的原理方案，是一项复杂的、没有具体设计规律的工作。原理设计主要针对机电控制系统的主要功能提出原理性构思，通常用相关的原理图表达原理设计的构思内容。

在设计科学研究过程中，人们逐渐认识到，产品机构或结构的设计往往首先由工作原理确定，而构思工作原理的关键是满足产品的功能要求。实现产品功能的原理可能有多种形式．即实现同一种功能往往可以应用不同的原理。例如可能是物理原理．或者是化学原理，或者是生物原理，或者是机械原理，等等。因此，原理设计实质上是概念设计阶段的叉一个创新设计层，对产品的创新设计具有举足轻重的意义。

在总体设计的过程中往往要对原理进行实验验证

原理设计包括结构原理（机械结构简图）、检测原理（传感器确定）控制原理（控制框图）三个方面

例：券钞箱开箱机中对箱盖机械手的“夹紧”功能的原理设计

从机械原理分析

实现“夹紧”功能的原理有多种类型：

①机械原理，其夹紧方式有楔块夹紧、偏心盘夹紧、弹簧夹紧、螺旋夹紧，等等；

从动力原理分析

②液压原理；

③气动原理；

④电磁原理。

考虑到现场使用方便选用螺旋夹紧方式。

例：料位仪中检测“位置”的原理分析

声音的三要素：

音调：指声音的高低，由发声体的振动频率决定

响度：指声音的强弱，由发声体的振幅和发声的远近决定

音色：指对声音的感觉特色，不同的发声体发出的音色不同

控制原理

控制原理设计就是要选择传感器、控制微处理器、和执行器。

例：大张离线检测工作台的控制结构图如下：

例：料位仪的控制结构示意图如下：

5、总体精度分配

总体精度分配是将机、电、控、检测各子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

6、总体布局设计

（1）总体布局设计

布局设计是总体设计的重要环节。布局设计的任务是，确定系统各主要部件之间相对应的位置关系以及它们之间所需要的相对运动关系。布局设计是一个带有全局性的问题，它对产品的制造和使用都有很大影响。

a、总体布局设计的基本原则

①功能合理各分功能既易于实现又便于实现总功能，不论在系统的内部还是外观

上都不应采用不利于功能目标的布局方案。

②结构紧凑内部的结构紧凑要保证便于装配维护，外部的结构紧凑是艺术造型的

良好基础

③层次分明总体结构和所有部件的布置应力求层次分明，一目了然。

④比例协调这一原则按艺术造型方法实现。

b、系统总体布局的基本类型

由形状、大小、数量、位置、顺序五个基本方面进行综合，可得出一般布局的类型：

①按主要工作机构的空间几何位置，可分为平面式、空间式等；

②按主要工作机构的相对位置，可分为前置式、中置式、后置式等；

③按主要工作机构的运动轨迹，可分为回转式、直线式、振动式等；

④按主要工作机构的布置方向，可分为水平式、直立式、倾斜式等：

⑤按机架或机壳的形式，可分为整体式、组合式等。

（2）人机系统设计

人机系统设计是总体设计的重要部分之一，它是把人看成系统中的组成要素，以人为主体来详细分析人和机器系统的关系。其目的是提高人机系统的整体效能，使人能够舒适、安全，高效地工作。

a、人机系统设计的基本要求

人机系统设计应与人体的机能特性和人的生理，心理特性相适应。具体有以下要求：

①总体操作布置与人体尺寸相适应；

②显示清晰，易于观察，便于监控；

例：人的视觉运动特性：人眼在水平方向运动比上下方向运动快，且不易疲劳。视

线的习惯从左到右、从上到下移动，按顺时针方向转动。因此在设计人机的视觉界

面是要充分考虑这一因素。网站中的标记（LOGO）往往都在左上角。

③操作方便省力减轻疲劳；

例：为了减少大张离线检测工作台的噪声，讲布局电机由两相改为三相的。

④信息的检测与处理与人的感知特性和反应速度相适应。

例：大张检测工作台的显示速度、网页的打开速度等。

⑤安全性、舒适性好使操作者心情舒畅情绪稳定。

b、人机系统的结合形式

一般人机结合具体形式是有很大差别的但会有信号传递、信息处理、控制和反馈等基本功能。

从工作特性来看，人机系统可分为开环与闭环两种。人操作普通机床加工零件的系统就是一个开环系统，系统的输出对系统的控制作用没有影响。而数控机床加工零件的系统中一般具有反馈回路，系统的输出对系统的控制作用有直接影响。按人在系统中扮演的角色来看，人机系统可分为人机串联结合与并联结合形式。

c、人机系统设计要点

人机系统的设计核心是确定最优的人机功能分配，将人和系统有机地结合起来组成高效的完整系统。

(3) 艺术造型设计

机电产品进人市场后．首先给人的重要直观印象就是其外观造型，先入为主是用户普遍的心理反应。随着科学技术的高速发展，人类文化、生活水平的提高，人们的需求观和价值观也发生了变化，经过艺术造型设计的机电产品已进人人们的工作、生活领域、艺术造型设计已经成为产品设计的一个重要方面。

a、艺术造型设计的基本要求

①布局清晰：条理清晰的总体布局是良好艺术造型的基础；

②结构紧凑：节约空间的紧凑结构方式有利于良好的艺术造型；

③简单：应使可见的、不同功能的部件数减少到最少限度，重要的功能操作部件

及显示器布置方式一目了然；

④统一与变化：整体艺术造型应显示出统一成型的风格和外观形象，并有节奏鲜

明的变化，给人以和谐感；

⑤功能合理：艺术造型应适于功能表现，结构形状和尺寸都应有利于功能目标的体现；

⑥体现新材料和新工艺：目的是体现新材料的优异性能和新工艺的精湛水平。

例：料位仪控制箱的面板颜色的选择，传感器材料（象牙色）的选择。

b、艺术造型的三要素

艺术造型是运用科学原理和艺术手段，通过一定的技术与工艺实现的。技术与艺术的融合是艺术造型的特点。功能、物质技术条件和艺术内容构成了机电产品艺术造型的三要素。这些要素之间存在着辩证统一关系，在艺术造型的过程中要科学地反映它们之间的内在联系，通过艺术造型充分体现产品的功能美、技术美。

c、艺术造型设计的基本过程

对一个机电产品艺术造型的具体构思来说．考虑问题要经过由功能到造型，由造型到功能的反复过程，同时又要经过由总体到局部。由局部返回到总体的反复过程。因此，造型设计贯穿了产品设计的全过程，其设计特点最是以形象思维为主。

d、艺术造型设计要点

①稳定性：对于静止的或运动缓慢且较重的产品应该在布置上力求使其重心得到稳固

的支撑，并从外观形态到色彩搭配运用都给人以稳定的感觉

②运动特性：总体结构利用非对称原理可以使产品具有可运动的特性。例如许多运输

设备，无论从上看，从前面看，或从后面看都是对称的，给人以稳定感。但从侧面看不对称的前后部分可使形状产生动态感．例如在长方形中利用斜线、圆角或流线

来反映运动特性。例如汽车的造型。

③轮廓：产品的外形轮廓给人的印象十分重要，通常采用“优先数系”来分割产品的

轮廓，塑造产品协调、成比例的外观给人以和谐的美感。

1980年修改的GB 321－64 《优先数和优先数系》

④简化：产品外形上不同形状和大小的构件越多，就越显得繁杂，难于与简单、统一

协调的要求相吻台。因此，可把一协构件综合起来尽量减少外露件的数目。

⑤色调：色调的效果对人的情绪影响很大。选用合理的色调运用颜色的搭配组成良好

的色彩环境，能使产品的艺术造型特征得以充分的发挥，满足人们心理的审美要求。

工业中几种主要颜色的应用：

红色在工业上是安全用色，表示警告、危险、禁止、防火

黄色在工业上代表警告、危险或提醒注意。如工程车的车身颜色

绿色代表清新、柔和、舒适、安全，可避免操作时眼睛的疲劳

灰色代表朴素、安静、大方，许多高科技产品尤其是和金属材料有关的产品都会是灰色黑色代表朴实、坚固、雅致、稳定、高贵，电视、轿车（官车）音响等使用黑色。

白色代表洁净、素雅、卫生、明快等。

例：大张离线检测工作台的颜色是选用：100圆桃红色色、50圆浅绿色、10圆浅灰色，因此台面的颜色要与这三种颜色有明显的区别（反差），故只能是灰、白、黑色，而大面积使用黑色让人感到压抑、沉重、恐怖不可选；灰色又有单调、寂寞、乏味之感；而白色洁净、素雅、卫生、明快最后选用白色，同时也符合日常习惯。

7、编写总体方案

编写总体方案是使用文字、表格、机械结构简图、控制结构示意图等对所研发的机电控制系统进行论证、阐述和说明。

二、机电控制工程总体设计的步骤

机电控制系统总体方案的设计步骤是通用化的，它所对应可能是机械设备、检验仪器、控制系统或各种产品。其设计步骤如下：

1、详尽搜集用户对所研发的机电控制工程（仪器、设备、项目、系统）的需求

设计任何系统首先要收集所有相关的信息，包括设计需求、背景技术资料等。设计人员在这一基础上应做出用户真正需要设计什幺样的产品的判断。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．需要对下列设计需求做详细的调查。

（1）设计对象自身的工作效率。包括年工作效率及小时工作效率。对于动力系统，还要了解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人的程度

（3）设计对象与其工作环境的界面。这主要有输入、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)。

搜集资料：收集资料是指尽可能收集与所要研发的设备、系统、项目有关信息，并建立项目信息库。具体有。

a、已有的与所研发的设备、系统、项目相似或相同的项目的相关资料

b、所有的外构件的企业的地址、价格的信息

c、所有外协件和技术支持人员的信息

d、相关的手册资料

e、相关网站的地址

2、设计对象工作原理

明确了设计对象的需求后．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。

3、主要结构方案的选择

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的原理。

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。

4、系统简图的绘制

选择或设计了系统中各主要功能部件之后，用各种符号代表各子系统中功能部件，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、电有机结合的机电控制系统简图。

根据这些简图，进行方案论证．并做多次修改，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，其他子系统可用方框图表示。

总体设计步骤示意图

第四节机电控制工程总体设计中应注意的问题

机电控制系统(或产品)设计是一项复杂的系统工程，它所包含的设计内容是非常广泛的，需要综合应用各项共性关键技术才能完成。在机电控制系统(或产品)设计时应注意以下的问题。

(1)各种技术方案的等效性、互补性及可比性

机电控制设计突出体现在两个方面：一方面，当产品的某一功能单靠某一种技术无法实现时，必须进行机械与电子及其他多种技术有机结台的体化设计；另一方面，当产品某一功能的实现有多种可行的技术方案时，也必须应用机电控制技术对各种技术方案进行分析和评价，在充分考虑同其他功能单元的连接与匹配的条件下，选择最适合的技术方案。因此，机电控制设计必须充分考虑各种技术方案的等效性、互补性及可比性。

在某些情况下，产品的功能必须通过机电配合才能实现，这时两种技术是相互关联、相互补充的，即具有互补性。

例：钞券包装箱开箱机器手的运动控制，仅靠电子装置或机构都无法实现，只有两者结合起来，并充分考虑机构的动力学特性与控制装置硬件、软件控制性能之间的相互影响和相互补充，才能获得最佳的实现方案。

当多种可行的技术方案同时存在时，说明在实现具体功能上它们具有等效性。如在机床上加工螺纹或齿轮时，工件与刀具之间的内联系可以通过机械方案实现，也可以通过电气方案实现；然而等效并不是等价，孰优孰劣．需要通过评价才能知道。由于不同的技术方案往往具有不同的参量，评价时需要选择具有相同量纲的性能指标(如成本、可靠性、精度等)，或引入新的参量(如时间等)将不同的参量联系起来，以保证各种技术方案之间的可比性。

(2)遵循机电产品的一般性设计原则

机电控制设计同样也要遵循产品的一般性设计原则，即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。这就意味着机电控制设计并不是盲目追求“高、精、尖”，而是在充分分析用户要求的基础上．努力以最新的技术手段、最廉价的材料或元器件、最简单的结构、最优的消耗，向用户提供最满意的产品。

产品功能的多少或强弱，往往与其复杂程度和功能成本直接相关，在进行机电控制设计时应根据实际情况对各功能的利用率进行统计分析，优先满足利用率最高的功能要求，然后再在成本允许的条件下考虑其他功能要求。

产品的操作性能与其功能的多少也有直接关系。一般来讲，功能越多、越齐全操作就越复杂，操作性能就越差，也越容易引起操作者的不满。因此在机电控制产品设计时，应注意通过软件来改善产品的操作性能，使机电控制产品在向多功能方向发展的同时，也向智能化和“傻瓜化”方向发展。

(3)强调技术融合、学科交叉的作用

机电控制的优势，在于它吸收了各相关学科之长并加以综合运用而取得整体优化效果，因此在机电控制系统开发的过程中，要特别强调技术融台、学科交叉的作用。机电控制系统开发是一项多级别、多单元组成的系统工程。把系统的各单元有机结合成系统后，各单元的功能不仅相互叠加而且相互辅助、相互促进、相互提高，使整体的功能大于备单元功能的简单之和，即“整体大于部分之和”。当然如果设计不当，由于各单元的差异性，在组成系统后会导致单元问的矛盾和摩擦，出现内耗，内耗过大，则可能出现整体小于部分之和的

情况，从而失去了控制的优势。因此，在开发的过程中，一方面要求设计机械系统时，应选择与控制系统的电气参数相匹配的机械系统参数，同时也要求设计控制系统时，应根据机械系统的固有结构参数来选择和确定电气参数。综合应用机械技术和微电子技术，使二者密切结合、相互协调、相互补充，充分体现机电控制的优越性。

(4)充分利用现代设计方法

进行机电控制产品设计时，应尽量以计算机为工具进行可靠性设计、优化设计、反求设计、绿色设计等现代化设计方法以提高机电产品设计的效率和质量。

第五节机电控制系统总体设计实例分析

一、印钞废水应急系统总体设计分析

二、券箱自动开箱机总体设计分析