前面已按照图4-1(机械电子工程专业课程体系图)分别介绍了设计广义执行子系统和检测控制子系统所需要的课程与知识;专业课的任务是把两个子系统集成与融合。因此专业课的内容将按图3-1〔机电一体化系统(产品)创新设计思路图〕所讲的设计步骤去安排。尤其在概念设计阶段,在总体方案的设计论证过程中将突出系统分析与机电融合的思想,突出创新意识,启发学生灵活地运用所掌握的各种知识去构思,去比较、选定方案。在详细设计阶段将突出并行设计的思想,注意对所设计的结果进行仿真优化,这样才真正显示出了机电一体化的优越性。
本模块拟开四门课:第一门“机电一体化系统设计”,第二门“工业机器人”,第三门“物流自动存储分拣系统”,第四门“电子设备结构设计”。设这四门课的想法是:第一门综合性地讲机电一体化系统设计的一般步骤和方法;第二门结合具体的工业机器人讲“单机自动化”的机电一体化产品设计;第三门结合物流自动存储分拣系统讲“系统自动化”的机电一体化系统设计;第四门是哪个系统都离不开的控制箱或控制柜设计。这样专业知识就比较全面了。
下面分别介绍四门课的内容。
1.“机电一体化系统设计”
“机电一体化系统设计”是机械电子工程专业的一门专业课,前面设置的许多课都是为本门课做准备的。本门课的任务是,教给学生如何灵活地、创造性地应用前面所学的知识去设计出一个崭新的、实用的机电一体化产品(系统)。
**在讲课时,对于如何去制订方案最好多讲一些实用的经验,采用照片或录像放给同学们,以便毕业后工作时参考,增强解决实际问题的能力。
本门课的知识要点如下。
(1)机电一体化系统设计简介
①机电一体化系统的涵义:机电一体化、系统、机电一体化系统的涵义(复习本书第2章内容)。
②机电一体化系统的构成:工作对象、广义执行子系统、检测控制子系统、输入、输出(物质流、能量流、信息流)和环境(复习本书第2章内容)。
③设计类型确认:创新开发性设计、适应性设计、变型性设计。
④设计应遵循的基本原则与基本法规如下。
a.基本原则:需求原则(应满足市场需求)、信息原则(充分了解市场信息、技术信息、同行信息)、创新与继承原则、优化与简化原则、广义原则(既考虑技术,也考虑人文)。
b.基本法规:标准化(国标、行标)、国家法律、法规、政策(专利法、知识产权法、合同法、环境保护法等)。
⑤创新设计的设计步骤:产品(系统)策划、概念设计、详细设计、样机试制、改进设计。(可参考本书第3章图3-1)
⑥设计任务:
a.产品策划阶段完成“产品设计任务书”。
b.概念设计阶段完成“最优方案的原理图和初始选型图”,包括:
(a)总体布局(确定动力系统、传动系统、执行系统、操纵系统、测控系统和其他辅助系统之间的相互位置关系)。
(b)机械系统(广义执行子系统)的运动简图、液压流图、气压流图(初步的设想图)。
(c)测控子系统的信息流图(初步的设想图)。
c.详细设计阶段完成“产品设计说明书和全套图纸”,包括:
(a)机械系统的运动简图、运动循环图。
(b)总装图、部件装配图、零件图;液压系统、气压系统、电气系统和测控系统的原理图和安装图。
(c)说明书:主要技术参数〔尺寸参数、材料物理参数(密度、弹性模量、弹性极限等)、运动参数、动力参数、环境参数、控制参数(指标)〕,运动分析、动力分析、工作能力校核和驱动装置选择的计算步骤、结果和必要的说明。
d.样机试制阶段完成“定型产品”,包括:
(a)试制样机,然后做性能测试、功能测试、产品鉴定,通过鉴定后试销。
(b)试销的目的是看市场的反映,一是看市场对产品的需求情况,二是听市场对产品性能的反馈意见,以便改进产品质量,更适合人们的需要。
e.改进设计阶段完成“产品的改型”。经过一段时间的销售以后,广泛地听取了经销商、消费者的意见,再考虑新技术,做一次“适应性设计”。
(2)机电一体化系统的总体方案设计
下面按“创新开发性设计”介绍,若为“适应性设计”和“变型性设计”则不需要那么多步骤(请参看第3章)。
①产品策划(依客户需求给出“产品设计任务书”)
由“客户需求”确定产品(系统)的总“功能需求”,给出“产品设计任务书”,即明确所设计的产品(系统)应当对“工作对象”做什么样的“处理”或“变换”。
②概念设计(依“产品设计任务书”给出“总体设计方案”)
a.将产品(系统)的总“功能需求”分解为“功能模块”。这项工作是在系统工程思想的指导下进行的。首先,确定该系统中的“工作对象”和对工作对象做“处理”或“变换”的“工艺流程”(确定了“工作对象”和“物质流”),继而将该“工艺流程”分解为一组“动作”的组合;然后,根据物理原理找出一组合适的“执行机构”去完成那一组“动作”,同时配以合适的驱动装置供给它们能量(确定了“执行机构”与“能量流”);最后,确定“操控者”按“工艺流程”的逻辑去操控“执行机构”的“动作”(确定了“操控者”与“信息流”),完成预定的对“工作对象”的“处理”或“变换”。通过上述工作则将产品“总功能需求”分解为不同的“动作”模块(不同的“执行机构”和与之关联的“传动机构”“驱动装置”)和与该“动作”模块相对应的“操控”模块(不同的“传感检测模块”和“控制模块”)。
b.将各功能模块组成总体方案集,进行优化评价后给出“最优”总体方案。针对“工艺流程”可以有多种“动作”分解方案,而对每一个“动作”方案又可以有多种“执行机构”的方案,从而“操控者”和“信息流”也可以有许多方案,这就可以“组合”成一个“整体方案集”,然后利用系统优化的分析方法,对这个“整体方案集”进行分析、比较、评判,最后可以选一个“最优”的作为最终方案。
c.在上述设计总体方案的过程中,要充分发挥机械、电子和计算机的综合优势,“执行机构”不一定选传统的机械系统,而完全可以采用由计算机(软件编程)控制的简单机构去完成复杂的“动作”,这样可以使机电一体化系统的结构非常简单又轻巧。
(3)机电一体化系统总体方案的实现——详细设计
①广义执行子系统设计
在下面的设计中要充分利用“工程力学”“机械设计”和“机械制造”三个模块的知识。
a.机械执行部件的设计与选择。
b.机械传动部件的设计与选择。
c.驱动装置的选择及其控制线路(电路、油路、气路)的设计。
d.导向、支承部件的设计与选择。
②检测控制子系统设计
在下面的设计中要充分利用“电工电路”“检测控制”和“计算机”三个模块的知识;同时要注意,多用“信号分析与线性系统”和“控制工程”所讲的理论去做系统的定性分析,而用“计算机控制技术”所讲的方法去设计控制器。
a.选择合适的信息采集模块(模块中已包括传感器、前置放大器和A/D转换器)。
b.选择合适的计算机控制技术(方法)。
c.选择合适的微处理器(单片机、DSP、ARM或PLC)。
d.给微处理器做接口设计。
e.组成检测控制子系统并进行调试。
③系统优化
根据已设计好的广义执行子系统和检测控制子系统建立一个机电一体化自动控制系统的物理、数学模型,然后利用计算机仿真软件进行仿真,对两个子系统已确定的参数进行优化修正,最后给出一组“优化”了的参数,作为出图纸的参数。
④给出全部图纸和设计说明书
(4)机电一体化系统(产品)设计实例
**可重点介绍总体方案的制订与比较,多讲些经验,至于具体设计可以给出完整资料让同学们自己去看。
(5)在机电系统中的应用
本门课介绍的是机电一体化系统(产品)设计的一般原则,在“产品策划”“概念设计”“详细设计”三个阶段都要应用,尤其要注意如何进行总体方案构思和平行设计。
2.《工业机器人》
《工业机器人》是典型的机电一体化系统(单机自动化的代表),是机械电子工程专业的主要研究对象之一,因此,本课程是机械电子工程专业一门很重要的专业课。机器人的设计是机电一体化系统中用数学和力学最多的系统,通过《工业机器人》的教学,同学们会发现,你们现在所学到的知识还远远不够,它会激励你们去学习更高深的数学、力学、控制方面的理论,去学习机械、电子、生物等各学科的新知识和新技术(尤其是伺服技术)。
**建议本课程除介绍工业机器人的基本知识外,更重要的是介绍机器人的设计方案是如何制定的,多给学生讲一些制定方案的经验,这是同学们不会解决实际问题的症结所在,如果学生能够了解并掌握这些经验,将会如虎添翼,很快适应机器人的设计工作。
本课程的知识要点如下。
(1)机器人的基本知识
①机器人学的术语、定义及与其他学科的关系。
②机器人的分类和组成。
③操作机几何学。
④机器人的坐标系统。
⑤机器人运动学:位置运动分析(正解与反解)、速度分析、轨迹控制。
⑥机器人动力学:动力学方程的建立与应用,力控制与柔性机器人。
⑦机器人中的主要技术。
⑧机器人控制器。
⑨机器人伺服系统。
⑩机器人的感觉技术。
(2)机器人的设计
以一个典型的机器人为例按图3-1所讲的设计步骤介绍它的设计过程。重点是概念设计阶段的总体方案的论证和详细设计阶段的系统仿真优化,运动、动力分析和工作能力校核。
①产品策划:如何给出“产品设计任务书”。
②概念设计:如何建立系统模型,并通过系统分析与方案论证给出一个“最优”总体设计方案。
③详细设计:如何给出广义执行子系统和检测控制子系统的各类参数,又如何依据自动控制系统的物理数学模型用计算机仿真的方法最终确定系统的各类参数,体现出并行设计和系统优化的设计特点。同时,要教会学生如何进行运动分析、动力分析、工作能力校核和控制器设计、制作。
(3)在机电系统中的应用
工业机器人是单机自动化产品的代表,本课程的知识主要用于单机自动化产品的“产品策划”“概念设计”和“详细设计各个阶段。
3.“物流自动存储分拣系统”
“物流自动存储分拣系统”是又一类典型的机电一体化系统(系统自动化的代表),也是机械电子工程专业的主要研究对象之一,因此,本课程也是机械电子工程专业的一门很重要的专业课。本课程的任务是,向学生介绍条码或电子标签等的模式识别技术、物品自动分拣与自动存储技术以及物流跟踪查询技术;至于分拣设备、立体库和存取机械手的设计,重点可放在方案制订方面,详细设计与前两门课没有区别,不必再重点讲。
本门课的知识要点如下。
(1)物流自动存储分拣系统的基本知识
①物流自动存储分拣系统的构成。
②条码技术与应用。
③电子标签技术与应用。
④模式识别技术简介。
⑤自动分拣技术简介。
⑥立体库与自动存取机械手简介。
⑦自动导引小车。
⑧传送带(或其他输送设备)简介。
⑨自动存储分拣、测控网组网技术简介。
⑩物流自动查询技术(包括信息网技术简介)。
(2)物流自动存储分拣系统设计
结合一个实例向学生介绍如何将客户需求变为系统的功能需求;又如何将功能需求分解成功能模块;在上述转变过程中要利用系统分析与优化的思想去做,多介绍一些经验。至于具体的技术设计可以不再介绍。
(3)在机电系统中的应用
物流自动存储分拣系统是自动生产线,即分布式自动控制系统的代表,本课程的知识主要用于系统自动化的“产品策划”“概念设计”“详细设计”阶段。
4.“电子设备结构设计”
“电子设备结构设计”是机械电子工程专业的一门专业课。任何机电一体化系统都离不开控制箱或控制柜(统称“电子设备结构”);从表面上看,对它们的设计仍属于机械结构设计,只要其外形美观,颜色和谐,能将控制电路所用的电器、电子元器件、微处理器等安装在里面即可;其实不然,实践告诉我们,电子设备结构的设计,其机械设计(强度、刚度、稳定性)已不是主要问题,而对电工、电子元器件、微处理器等的保护(即对环境的防护)变成了主要问题。这是因为电子元器件和微处理器等芯片的工作温度有一定限制,温度过高过低它们都不能正常工作;再者,这些芯片中流过的电信号都是弱电,稍有电磁干扰则会失真;还有在整个控制电路中(无论是强电还是弱电),有许多连接件(如插拔接头、继电器、焊点),在振动环境下,它们很容易松动,影响电路的连通性;另外环境污染(如尘土、盐雾、空气中的氯化硫、氧化磷等)会使电路中的铜、银等暴露的部分锈蚀,造成电路短路或断路,酿成事故。所以本课程的任务是,电子设备结构的散热设计、抗电磁干扰设计,减振防振设计和防腐蚀设计。
本门课的知识要点如下。
(1)基本知识
①散热设计
a.散热设计的依据:温度对电子元器件工作的影响,电子设备热环境的组成要素,热设计的基本原则。
b.散热设计的理论基础:物体自身的导热,物体边界的热交换(对流、辐射、传导)(有限元方法已讲过)。
c.电子设备的散热传热方法:自然散热,强迫通风散热,液体冷却,蒸发冷却。
d.热测试技术和分析软件:热测量技术(在检测课基础上深入讲)、热设计分析软件ICEPAK、FLOTHERM介绍。
②抗电磁干扰设计
a.抗电磁干扰设计的依据:电磁干扰三要素、电磁兼容性设计的基本要求、电磁兼容性标准规范体系。
b.抗电磁干扰技术:电磁屏蔽(电场屏蔽、低频磁场屏蔽、电磁场屏蔽,对屏蔽体屏蔽效能的评价与测试方法)、接地与搭接(地线简介,低阻抗地线的设计和阻隔地环路干扰的措施,搭接简介)、滤波用于瞬态干扰抑制〔滤波器的选择(模拟电子技术课已讲过)、常用瞬态干扰抑制器件介绍〕、电磁兼容性测试技术简介。
③减振防振设计
a.设备周围的机械环境与振动冲击对电子设备产生的危害。
b.减振防振的理论基础:复习理论力学和有限元解法中的振动部分内容(单自由度和多自由度振动)、隔振、隔离冲击的原理、等效阻尼的概念与应用。
c.减振防振技术:减振器设计、隔振系统设计、阻尼减振技术,防止振动与冲击对设备影响的措施和振动与冲击的测试技术(复习检测技术课相关内容,熟悉测试仪器与设备)。
④防腐蚀设计
a.防腐蚀设计的依据:被腐蚀的元器件所产生的不良效应与金属材料的耐腐蚀性(金属包括铁、铜、镍、铅、镁、钛及其合金),各种环境中的腐蚀状况(大气、海洋、土壤、有机气体)。
b.防腐蚀设计的理论基础:金属电化学腐蚀的基本原理(金属腐蚀速度的表示法、电极电位、电位—p H图、腐蚀电池及其工作历程、腐蚀速度与极化作用、析氢腐蚀与吸氧腐蚀、金属的钝化、局部腐蚀)。
c.防腐蚀技术:金属覆盖层保护、控制环境因素、电化学保护。
(2)基本技能
①掌握热设计方法和热测量技术。
②掌握抗电磁干扰的所有技术,能熟练地解决电场、磁场和电磁场的屏蔽问题,能抑制瞬态干扰;会使用电磁兼容检测仪器,能进行电磁兼容性能指标的检测。
③能根据电子设备的具体情况采用合适的方法(减振、隔振,增加阻尼)进行减振、防振设计;并能对电子设备进行振动测量,求其固有频率和振型。
④掌握防腐蚀设计的基本方法,根据电子元器件所处的具体环境和本身的材质特性,采用合适的技术(金属覆盖层、控制环境因素或电化学防护)或防腐蚀的结构设计,做好电子元器件的防腐蚀工作,延长它们的使用寿命。
(3)在机电系统中的应用
主要用于详细设计阶段,对控制箱(柜)内的电子元器件做散热、抗电磁干扰、抗振、防腐等设计,以保证检测控制子系统能正常工作。
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