第二章机电一体化系统设计
2.1 现代系统设计的特征
2.2 系统设计的评价分析方法
2.3 机电一体化产品设计与工程路线
2.4 机电一体化系统的工程概念和方法
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线第二章 系统设计方法及工程路线第二章第二章 第 四 节
2.4 机电一体化系统的工程概念和方法机电一体化是一门综合技术，是一项多级别、多单元组成的系统工程。系统运行有两个相反的规律：
一是整体效应规律，系统各单元有机地组合成系统后，使系统整体的功能大于各单元的功能的简单和，即,整体大于部分的和,。
另一个是系统内耗规律，由于各单元的差异性，内耗过大，
则可能出现整体小于部分的和的情况。
因此，自觉运用系统工程观念和方法，把握好系统的组成和作用规律，对机电一体化设计的成败具有关键意义。
第二章 第四节
2.4 机电一体化系统的工程概念和方法系统工程的基本思想是，从整体目标出发，将总体功能分解成若干功能单元，找出能完成各个功能的技术方案，再把功能与技术方案合成、组合、分析、评价和优选，进而实现在给定环境条件下的整体优化。
从机电一体化技术的发展水平来看，可分为三类系统，即功能附加型初级系统、功能替代型中级系统和机电融合型高级系统。但从系统工程的角度来看,只有机电融合型的系统才真正符合系统整体优化的要求。
第二章 第四节第二章 第四节第二章 第四节全自动洗衣机开发一、开发目标该洗衣机应具备：①、洗涤过程全自动控制，无需人工干涉；②、操作简单，不需专门培训，适合于家用；③、供电、
尺寸结构、上下水的形式符合居民住宅的供电、供水要求。
二、主要技术规范
①,AC220V 供电，功率不大于 1000W;②,具有自动识别衣量、衣质，自动识别肮脏程度，自动决定水量，自动投人适当的洗涤剂等功能；③、自己控制洗涤过程，洗涤、漂洗、甩干、
上水、下水等过程自动完成；④、自然排水，对供水压力无特殊要求；⑤、故障报警功能；⑥、洗涤过程数字显示。
第二章 第一节
2.1 现代系统设计的特征为满足大幅度地提高机电一体系统设计工作的质量和速度的需要，应在机电一体化系统设计中最大可能地运用现代设计的方法。
①,现代设计的实践活动是由一定的实践原理和实践理论做指导，有意识地按照事（设计活动）物（设计对象）自身的内在规律进行设计，不同于单纯依靠经验的传统设计工作，因此，必然能够获得很高的设计成功率。
第二章 第一节
2.1 现代系统设计的特征
②,现代设计致力于澄清设计任务与设计目标，全面、系统地确定设计过程的起始条件和最终结果。因此，可以使设计过程始终不渝地从实际出发，达到预定的目标，取得优于传统设计的结果。
③,现代设计十分重视设计策略和战略过程的研究，建立一种合理的设计秩序，并且严格按照规范化的设计进程进行工作，求得较高的工作质量和效率。
第二章 第一节
2.1 现代系统设计的特征
④,现代设计极其强调抽象的设计构思，防止过早地进入某一已经定型的实体结构的分析，以便对系统的工作原理和结构关系做本质的、创新的设计构思。
⑤,现代设计经常采用扩展性的设计思维，自始至终地在寻求多种可行的方案和构思，以便从中选择确实能够令人满意的解决方案，改变传统设计中惯用的、封闭式的设计思维和忽视方案搜索的现象，能够达到较高的满意程度。
第二章 第一节
2.1 现代系统设计的特征
⑥,现代设计十分强调评价决策，尽量避免直接决策，排除决策中的主观因素，使得在决策中所选定的设计方案能够达到最佳的价值水平。
⑦,现代设计采用结构优化设计，即采用多种结构形式、
技术参数和技术性能进行各种不同性质的优化设计方法，以求得综合优化的效果。
第二章 第一节
2.1 现代系统设计的特征
⑧,现代设计重视运用电子计算机辅助设计，使设计人员从繁重的设计作业中解脱出来，致力于创造性设计研究工作并提高作业质量。
⑨,现代设计注重系统地进行概念设计，采用特殊形式表达设计结果。
2.2 系统设计的评价分析方法
1、工效实用性
2、系统可靠性
3、运行稳定性
4、操作宜人性
5、人机安全性
6、环境完善性
7、技术经济性
8、结构工艺性
9、造型艺术性
10、成果规范性
2.2.1 评价分析的内容第二章 第二节一般以系统总体的技术指标的形式提出，如产量、容量、质量、精度等。
指系统在预定时间内，在给定工作条件下，能够满意工作的概率。对机械系统来说，在缺乏可靠性数据时，仍沿用以疲劳强度为基础的安全系数来指明无限寿命或有限寿命下的安全程度。
当系统的输入量变化或受干扰作用时，输出量被迫离开原先的稳定值。在过渡到另一个新的稳定状态的时间过程中，输出量是否发生超过规定限度的现象，或发生非收敛性的状态，是系统稳定或不稳定的标志。系统稳定性的主要指标有：过渡过程时间、超调量与振荡次数、上升时间、滞后时间及稳态误差等。
它具有两个作用：一是评价、比较一次投资变为系统或设备时，不同实现方案的经济性；二是评价、
比较保持系统或设备正常运行时，资源利用的合理性和运行费用的经济性。 系统的结构设计应当满足便于制造、施工、加工、
装配、安装、运输、维修等工艺要求。
设计结果遵从国家政治经济法规，符合国家规定的技术规范和法令，贯彻实行标准制度等。
2.2 系统设计的评价分析方法
1、技术经济性分析
（ 1）、收益率法
①、投资收益率； ②、内部收益率
（ 2）、回收期法
（ 3）、年成本法
（ 4）、价值分析法
①、最低成本法；②、统计趋势法；
③、目标利润法；④、产品销售降低额度法
2.2.2 评价分析的方法第二章 第二节
2.2.2 评价分析的方法
2、可靠性分析
（ 1）、可靠性指标
①、可靠度函数与失效概率
②、失效率
③、寿命第二章 第二节
2.2.2 评价分析的方法第二章 第二节
（ l）、可靠性指标可靠性指标是可靠性量化分析的尺度。
①、可靠度函数与失效概率：可靠度函数是产品在规定的条件下和规定的时间 t 内，完成规定功能的概率，以 R(t）表示；反之，不能完成规定功能的概率称为失效概率，以 F(t）
表 示 。
2.2.2 评价分析的方法
2.2.2 评价分析的方法第二章 第二节
2、可靠性分析
（ 2）、可靠性预测
①、实验统计法
②、经验法
2.2.2 评价分析的方法第二章 第二节
2、可靠性分析
（ 3）、可靠性指标的分配
①、等同分配法
②、按比例分配法
③、按重要性分配
④、最优化分配法
2.2.2 评价分析的方法第二章 第二节
2、可靠性分析
（ 4）、冗余设计
①、在满足产品性能要求的前提下，尽可能简化产品结构，
次要部件和不必要的复杂结构只会增加产品发生故障的概率。
②、提高产品各部件的可靠性。
③、在可靠性低的部件上采用并联储备。
④、采用冷储备，即出现故障时，备用部件自动转入工作。
⑤、修理维护。
⑥、预防性维修。
2.2.2 评价分析的方法第二章 第二节
2、可靠性分析
（ 5）、失效树分析
（ 6）、参数漂移与极值分析
2.2.2 评价分析的方法第二章 第二节
3、柔性、功能扩展及再组合性分析
4、系统匹配性分析
5、操作性分析
6、维修性分析
7、安全性分析
①、机电一体化系统本身的工作安全性。
②、操作人员的安全性。
2.2.2 评价分析的方法第二章 第二节
①,拟定产品（设计）目标，确定初步技术规范；
②、收集资料，市场分析，可行性分析，技术经济性分析；
③、初步设计（总体方案设计） ;
④,初步设计方案的评审、评价（不满意，修改） ;
⑤,确定数学模型（理论分析） ;
⑥,详细设计（样机设计） ;
⑦,详细设计方案评审、评价（不满意，修改） ;
⑧,试制样机；
2.3 机电一体化产品设计与工程路线第二章 第二节
2.3.1 基本设计和工程路线
⑨,样机试验，测试；
⑩、技术评价与审定（不满意，修改） ;
⑾,小批量生产；
⑿,试销；
⒀、正常生产，收集用户意见；
⒁,销售，收集用户意见。
2.3 机电一体化产品设计与工程路线第二章 第二节
2.3.1 基本设计和工程路线第二章 第二节
2.3.2 市场调查与预测市场调查与预测是产品开发成败的、关键性的第一步。所谓市场调查就是运用科学的方法，系统地、全面地收集有关市场需求和经销方面的情况及资料，分析研究产品在供需双方之间进行转移的状况和趋势。
1．定期预测：在数据和信息缺乏时，依靠经验和综合分析能力，对未来的发展状况做出推测和估计，多采用下述调查法。
(l)、走访调研、查资料
(2)、抽样调查
(3)、类比调查
(4)、专家调查第二章 第二节
2.3.2 市场调查与预测
2．定量预测：运用相关系数法，对影响预测结果的各种因素进行相关分析和筛选，根据主要影响因素和预测对象的数量关系建立数学模型，对市场发展情况做出定量预测。
(l)、时间序列回归法
(2)、因果关系回归法
(3)、产品寿命周期法第二章 第二节
2.3.3 构思比较一个好的产品构思，不仅能带来技术上的创新、功能上的突破，还能带来制造过程的简化、使用的方便，以及经济上的高效益。
1、专家调查法：请专家发表意见，选择并集中其中的新思想来创造新方案。
2、头脑风暴法：召集创新方案的会议，鼓励与会人员自由奔放地思考问题，发表意见。
3、检查提问法：通过提出问题，引导人们对设计方案提出新的构思。
第二章 第二节
2.3.3 构思比较
4、检索查表法：详细列出若干值得推敲的问题进行对照检查，以求改进方案。
5、特性列举法：将研究对象按其特性加以表述，并逐一研究其实现方法。
6、缺点列举法：列举已有构思、设计方案或已有产品的各种缺点，以激发人们提出改善方案。
7、希望列举法：通过列举希望改进的意见，提示人们创新方案。
第二章 第二节
2.3.4 方案评价对多种构思和多种方案进行筛选，选择较好的可行方案进行分析组合和概略评价，从中再选几个方案，按照机电一体化水平系统设计评价原则和评价方法，深人地进行综合分析评价，
最后确定实施方案。
第二章 第二节
2.3.5 详细设计对多种构思和多种方案进行筛选，按照机电一体化水平系统设计评价原则和评价方法，深人地进行综合分析评价，最后确定实施方案。
1、系统总体设计
2、业务的分组
3、机械本体及工具设计
4、控制系统设计
5、程序设计
6、后备系统设计
7、完成详细设计书及制造图样
8、产品出厂及使用文件的设计第二章 第二节
2.3.6 系统设计中的质量控制第二章 第二节
1、质量目标管理应在接到设计任务和设计所需信息开始，在构思、规划的同时，确立该设计的质量目标，然后将其分解到设计过程的每一步骤，而且要最大限度地做到定量化。质量目标可在方案评审，以及在各业务阶段的评审中进行考核，发现问题应及时将结果反馈，并逐项改进。
2、实行可行性设计产品要赢得信誉，除在功能上满足要求外，还应做到在产品寿命期间少出故障，出了故障也要便于修理，因此必须借助于可靠性设计的手段。
2.3.6 系统设计中的质量控制第二章 第二节
3,进行设计质量评审
(l)、方案论证阶段主要解决选择最佳方案问题；审查方案的正确性和可靠性，实施方案的可能性和经济性；确定最佳方案；技术指标和技术要求是否先进合理，并满足用户需要；利用的新技术、新工艺、新材料是否有科研基础和技术鉴定结论；
产品研制网络图是否先进、可行。
(2)、技术设计阶段主要解决设计的合理性、先进性，以及理论计算的正确性。
(3)、样机试制、设计定型阶段主要对产品的水平、技术文件和生产条件等进行评价，可否试生产或正式生产。
2.3.6 系统设计中的质量控制第二章 第二节
4、加强标准化与工艺审查
5、建立设计质量责任制
6、建立质量保证体系其主要工作内容包括：
①、根据用户调查和收集来的质量信息，制定质量目标；
②、根据验证的试验资料，鉴定方案论证的质量；
③、审查产品设计质量；
④、检查产品试制、鉴定质量；
⑤、监督产品试验质量；
⑥、审查新产品定型质量；
⑦、审查设计图样、工艺等技术文件质量；
⑧、组织新产品设计质量的技术经济分析。
2.3.7 制造工程质量管理第二章 第二节
1、元器件的筛选目的在于提高选用元器件的主要参数指标和均匀性。
2、应力筛选包括冲击筛选、振动筛选及离心加速度筛选等方法。
3、老化处理温度老化处理、交变过载老化处理、大电流老化处理等。
4、产品的生产质量检验一、是预先检验；二、是中间检验；三是完工检验。
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线第二章 第五节
2.5.1 工业机器人
（ l）机器人的用途：自动喷漆。
（ 2）主要工作方式：示教再现，采用手把手示教和示教盒示教两种示教方式。
（ 3）主要技术参数：① 存储容量,PTP最大容量为 38000
点,CP最大容量为 128min; ② 最大速度,1.7m/s; ③ 位臵重复精度 ± 2.5mm; ④ 动作时间采样频率,10Hz,40Hz,50Hz ；
⑤ 自由度数,6自由度； ⑥ 承载能力,8kg; ⑦ 作业空间,
垂直面投影 2000mm× 1000mm（ H× B）；水平面投影
1800mm× 90° （ R× θ ）。
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线第二章 第五节
2.5.1 工业机器人
1,拟定机器人产品开发的目标，确定初步的技术规范
（ l）机器人的用途：自动喷漆。
（ 2）主要工作方式：示教再现，采用手把手示教和示教盒示教两种示教方式。
（ 3）主要技术参数：① 存储容量,PTP最大容量为 38000
点,CP最大容量为 128min; ② 最大速度,1.7m/s; ③ 位臵重复精度 ± 2.5mm; ④ 动作时间采样频率,10Hz,40Hz,50Hz ；
⑤ 自由度数,6自由度； ⑥ 承载能力,8kg; ⑦ 作业空间,
垂直面投影 2000mm× 1000mm（ H× B）；水平面投影
1800mm× 90° （ R× θ ）。
（ 4）使用环境要求：喷漆作业，应具有防爆功能。
第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
2、收集资料、市场分析、可行性分析、技术经济性分析其包括对机器人市场的调查、机器人的技术现状，以及喷漆机器人的市场调查，喷漆机器人的技术现状，喷漆机器人的结构形式、自由度的分布、驱动方式、控制方案、防爆设计方法等。主要通过查阅文献资料、走访机器人厂家和用户等手段来获取相关的信息 。
3,总体方案设计（初步设计）
从这一步骤开始，设计工作从抽象阶段逐渐落实到实体的设计、开发阶段。总体方案的好坏直接影响产品开发的质量。
在总体方案设计时，应全面地考虑问题，以系统化设计思想协调、组织总体布局和接口关系。
第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
（ l）总体结构方案
① 自由度分布形式和坐标形式等；
② 结构形式及工作空间的大小；
③ 驱动方式，包括驱动源（电动机、液压缸等）和传动方式（齿轮、齿形带，丝杠螺母等） ;
④ 控制方式，是集中控制还是集散控制，采用什么类型的工业控制计算机等；
⑤ 传感器；
⑥ 手爪、工具的形式，与喷漆系统的连接方法等；
⑦ 环境适应性，驱动部分、电气部分的防爆方法等；
⑧ 应该提出多种结构方案，以便对比、优化、确定出最佳方案。
第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
（ 2）制定研制计划
① 进度时间表；
② 每一步要解决的主要问题，主要步骤的成果形式等；
③ 所需设备和技术人员的情况。
（ 3）开发经费概算
（ 4）开发风险分析第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
4、总体方案（初步设计方案）的评审、评价对多种方案进行筛选和优化组合，确定最佳的总体结构方案。对最优方案进行评价分析，并提供修改意见，按修改意见对总体方案进行修改，最后确定实施方案。这一步骤可以邀请有关专家和用户通过方案评审会的形式进行。总体方案是产品开发的最基本技术资料，它决定产品的最后形式和基本性能，
因此在总体方案评价过程中一定要本着实事求是、严肃认真的原则，尽量提出方案的不足之处，这样可以避免给后期的开发工作留下隐患，保证开发进度和开发质量。
第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
5,理论分析阶段（确定数学模型）
这一步骤的主要内容是按总体方案抽象出系统的数学模型，
进行必要的理论分析计算和计算机仿真，为产品的详细设计提供必要的理论依据。
① 机构的运动学模型及作业空间的分析；
② 机构的力学计算；
③ 驱动元件的选择及动力计算；
④ 动力学模型及仿真分析；
⑤ 传感器的选择及精度分析；
⑥ 控制模型的确定及控制仿真分析。
第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
6,详细设计
（ l）系统总体设计
（ 2）业务的划分
（ 3）机械本体及工具设计
（ 4）控制系统设计
（ 5）程序设计
（ 6）后备系统设计
（ 7）完成设计说明书、使用说明书等产品文件第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
7,详细设计方案评审、评价
8、试制喷漆机器人样机
9、机器人样机的试验、测试
10、技术评价与审定
11、小批量生产
12、试销
13、正常生产
14、销售第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
7,详细设计方案评审、评价
8、试制喷漆机器人样机
9、机器人样机的试验、测试
10、技术评价与审定
11、小批量生产
12、试销
13、正常生产
14、销售第二章 第五节
1、拟定洗衣机产品的设计目标和技术规范一、开发目标该洗衣机应具备：①、洗涤过程全自动控制，无需人工干涉；②、操作简单，不需专门培训，适合于家用；③、供电、
尺寸结构、上下水的形式符合居民住宅的供电、供水要求。
二、主要技术规范
①,AC220V 供电，功率不大于 1000W;②,具有自动识别衣量、衣质，自动识别肮脏程度，自动决定水量，自动投人适当的洗涤剂等功能；③、自己控制洗涤过程，洗涤、漂洗、甩干、
上水、下水等过程自动完成；④、自然排水，对供水压力无特殊要求；⑤、故障报警功能；⑥、洗涤过程数字显示。
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线第二章 第五节
2、可行性分析
① 收集洗衣机市场和用户的有关信息；
② 收集自动洗衣机的技术信息；
③ 可行性分析；
④ 技术可行性、经济性分析。
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
3,初步设计
（ l）结构形式和外观颜色结构形式有立式或卧式、滚筒式或波轮式；命令输入形式有按键式或拨盘式；状态显示有 LED或 LCD；外观颜色等。
（ 2）控制计算机可编程序控制器或单片机。
第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
（ 3）驱动方式直流电动机或交流电动机。
（ 4）进水、排水控制方式
（ 5）检测传感器的数量、类型
（ 6）研制计划
① 时间进度安排；
② 要解决的关键技术；
③ 人员需求情况。
（ 7）经费概算第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
4、总体方案评审
5、确定数学模型
① 驱动系统的数学模型、负载计算、电动机的容量计算；
② 容积及给排水量计算；
③ 功率计算；
④ 控制模型及仿真分析
6、详细设计
（ l）系统总体设计人一机系统、维修对策、产品综合性能、工艺协调等。
（ 2）业务划分划分作业模块，确定接口任务、联调方法、人员分工等。
第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
（ 3）机械系统设计完成全部机械图纸，列出标准件清单。
① 基础框架；
② 外壳；
③ 洗涤及甩干系统；
④ 传动系统；
⑤ 电动机、阀门、传感器、电器等安装需要的结构件；
⑥ 特殊的工具、夹具。
（ 4）控制系统设计全部硬件电器设计及器件选型。
第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
① 电动机、阀门、传感器、单片机（或 PLC）等硬件的选型设计；
② 单片机 (或 PLC)控制系统硬件设计；
③ 电动机（主电动机、洗涤剂投入电动机）、阀门（进水阀、排水阀）驱动电路；
④ 传感器、衣质衣量检测、混浊度检测、水位检测、电源电压检测、温度检测、显示器、键盘的接口电路设计；
⑤ 供电电源及电源控制电路设计。
第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
（ 5）控制软件设计全部控制程序的设计。
① 电动机的驱动及控制模块；
② 检测及信息处理模块；
③ 控制主程序。
（ 6）后备系统设计检修方法、维修对策。
（ 7）完成相关的技术文件完成设计说明书、使用说明书等技术文件，列出全部器件清单。
7、详细设计方案的评审对不符合要求的部分要进行修改和完善，直到满足审核要求后方可进入下一步骤。
第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
8,试制样机
① 样机机械零件的加工、安装、调试；
② 驱动系统的组装；
③ 硬件电路加工；
④ 传感器安装。
9,试验、测试
① 各个单项功能试验，如单片机、命令及显示试验；阀门控制、电动机控制、传感器单项试验；洗涤过程分步调试等；
② 联机调试、试洗涤；
③ 控制性能试验；
④ 试验总结报告。
第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
10、技术评价及评审对样机及其性能进行综合评价，提供改进意见，对不满足要求的部分进行修改，直至样机合格后方可进入下一步骤。
11、小批量生产样机合格后，可进行小批量试生产。
12、试销
13、批量生产收集用户意见，分析试销情况，决定是否批量生产。
14、销售批量生产后，制定销售对策，进行销售。
2.1 现代系统设计的特征
2.2 系统设计的评价分析方法
2.3 机电一体化产品设计与工程路线
2.4 机电一体化系统的工程概念和方法
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线第二章 系统设计方法及工程路线第二章第二章 第 四 节
2.4 机电一体化系统的工程概念和方法机电一体化是一门综合技术，是一项多级别、多单元组成的系统工程。系统运行有两个相反的规律：
一是整体效应规律，系统各单元有机地组合成系统后，使系统整体的功能大于各单元的功能的简单和，即,整体大于部分的和,。
另一个是系统内耗规律，由于各单元的差异性，内耗过大，
则可能出现整体小于部分的和的情况。
因此，自觉运用系统工程观念和方法，把握好系统的组成和作用规律，对机电一体化设计的成败具有关键意义。
第二章 第四节
2.4 机电一体化系统的工程概念和方法系统工程的基本思想是，从整体目标出发，将总体功能分解成若干功能单元，找出能完成各个功能的技术方案，再把功能与技术方案合成、组合、分析、评价和优选，进而实现在给定环境条件下的整体优化。
从机电一体化技术的发展水平来看，可分为三类系统，即功能附加型初级系统、功能替代型中级系统和机电融合型高级系统。但从系统工程的角度来看,只有机电融合型的系统才真正符合系统整体优化的要求。
第二章 第四节第二章 第四节第二章 第四节全自动洗衣机开发一、开发目标该洗衣机应具备：①、洗涤过程全自动控制，无需人工干涉；②、操作简单，不需专门培训，适合于家用；③、供电、
尺寸结构、上下水的形式符合居民住宅的供电、供水要求。
二、主要技术规范
①,AC220V 供电，功率不大于 1000W;②,具有自动识别衣量、衣质，自动识别肮脏程度，自动决定水量，自动投人适当的洗涤剂等功能；③、自己控制洗涤过程，洗涤、漂洗、甩干、
上水、下水等过程自动完成；④、自然排水，对供水压力无特殊要求；⑤、故障报警功能；⑥、洗涤过程数字显示。
第二章 第一节
2.1 现代系统设计的特征为满足大幅度地提高机电一体系统设计工作的质量和速度的需要，应在机电一体化系统设计中最大可能地运用现代设计的方法。
①,现代设计的实践活动是由一定的实践原理和实践理论做指导，有意识地按照事（设计活动）物（设计对象）自身的内在规律进行设计，不同于单纯依靠经验的传统设计工作，因此，必然能够获得很高的设计成功率。
第二章 第一节
2.1 现代系统设计的特征
②,现代设计致力于澄清设计任务与设计目标，全面、系统地确定设计过程的起始条件和最终结果。因此，可以使设计过程始终不渝地从实际出发，达到预定的目标，取得优于传统设计的结果。
③,现代设计十分重视设计策略和战略过程的研究，建立一种合理的设计秩序，并且严格按照规范化的设计进程进行工作，求得较高的工作质量和效率。
第二章 第一节
2.1 现代系统设计的特征
④,现代设计极其强调抽象的设计构思，防止过早地进入某一已经定型的实体结构的分析，以便对系统的工作原理和结构关系做本质的、创新的设计构思。
⑤,现代设计经常采用扩展性的设计思维，自始至终地在寻求多种可行的方案和构思，以便从中选择确实能够令人满意的解决方案，改变传统设计中惯用的、封闭式的设计思维和忽视方案搜索的现象，能够达到较高的满意程度。
第二章 第一节
2.1 现代系统设计的特征
⑥,现代设计十分强调评价决策，尽量避免直接决策，排除决策中的主观因素，使得在决策中所选定的设计方案能够达到最佳的价值水平。
⑦,现代设计采用结构优化设计，即采用多种结构形式、
技术参数和技术性能进行各种不同性质的优化设计方法，以求得综合优化的效果。
第二章 第一节
2.1 现代系统设计的特征
⑧,现代设计重视运用电子计算机辅助设计，使设计人员从繁重的设计作业中解脱出来，致力于创造性设计研究工作并提高作业质量。
⑨,现代设计注重系统地进行概念设计，采用特殊形式表达设计结果。
2.2 系统设计的评价分析方法
1、工效实用性
2、系统可靠性
3、运行稳定性
4、操作宜人性
5、人机安全性
6、环境完善性
7、技术经济性
8、结构工艺性
9、造型艺术性
10、成果规范性
2.2.1 评价分析的内容第二章 第二节一般以系统总体的技术指标的形式提出，如产量、容量、质量、精度等。
指系统在预定时间内，在给定工作条件下，能够满意工作的概率。对机械系统来说，在缺乏可靠性数据时，仍沿用以疲劳强度为基础的安全系数来指明无限寿命或有限寿命下的安全程度。
当系统的输入量变化或受干扰作用时，输出量被迫离开原先的稳定值。在过渡到另一个新的稳定状态的时间过程中，输出量是否发生超过规定限度的现象，或发生非收敛性的状态，是系统稳定或不稳定的标志。系统稳定性的主要指标有：过渡过程时间、超调量与振荡次数、上升时间、滞后时间及稳态误差等。
它具有两个作用：一是评价、比较一次投资变为系统或设备时，不同实现方案的经济性；二是评价、
比较保持系统或设备正常运行时，资源利用的合理性和运行费用的经济性。 系统的结构设计应当满足便于制造、施工、加工、
装配、安装、运输、维修等工艺要求。
设计结果遵从国家政治经济法规，符合国家规定的技术规范和法令，贯彻实行标准制度等。
2.2 系统设计的评价分析方法
1、技术经济性分析
（ 1）、收益率法
①、投资收益率； ②、内部收益率
（ 2）、回收期法
（ 3）、年成本法
（ 4）、价值分析法
①、最低成本法；②、统计趋势法；
③、目标利润法；④、产品销售降低额度法
2.2.2 评价分析的方法第二章 第二节
2.2.2 评价分析的方法
2、可靠性分析
（ 1）、可靠性指标
①、可靠度函数与失效概率
②、失效率
③、寿命第二章 第二节
2.2.2 评价分析的方法第二章 第二节
（ l）、可靠性指标可靠性指标是可靠性量化分析的尺度。
①、可靠度函数与失效概率：可靠度函数是产品在规定的条件下和规定的时间 t 内，完成规定功能的概率，以 R(t）表示；反之，不能完成规定功能的概率称为失效概率，以 F(t）
表 示 。
2.2.2 评价分析的方法
2.2.2 评价分析的方法第二章 第二节
2、可靠性分析
（ 2）、可靠性预测
①、实验统计法
②、经验法
2.2.2 评价分析的方法第二章 第二节
2、可靠性分析
（ 3）、可靠性指标的分配
①、等同分配法
②、按比例分配法
③、按重要性分配
④、最优化分配法
2.2.2 评价分析的方法第二章 第二节
2、可靠性分析
（ 4）、冗余设计
①、在满足产品性能要求的前提下，尽可能简化产品结构，
次要部件和不必要的复杂结构只会增加产品发生故障的概率。
②、提高产品各部件的可靠性。
③、在可靠性低的部件上采用并联储备。
④、采用冷储备，即出现故障时，备用部件自动转入工作。
⑤、修理维护。
⑥、预防性维修。
2.2.2 评价分析的方法第二章 第二节
2、可靠性分析
（ 5）、失效树分析
（ 6）、参数漂移与极值分析
2.2.2 评价分析的方法第二章 第二节
3、柔性、功能扩展及再组合性分析
4、系统匹配性分析
5、操作性分析
6、维修性分析
7、安全性分析
①、机电一体化系统本身的工作安全性。
②、操作人员的安全性。
2.2.2 评价分析的方法第二章 第二节
①,拟定产品（设计）目标，确定初步技术规范；
②、收集资料，市场分析，可行性分析，技术经济性分析；
③、初步设计（总体方案设计） ;
④,初步设计方案的评审、评价（不满意，修改） ;
⑤,确定数学模型（理论分析） ;
⑥,详细设计（样机设计） ;
⑦,详细设计方案评审、评价（不满意，修改） ;
⑧,试制样机；
2.3 机电一体化产品设计与工程路线第二章 第二节
2.3.1 基本设计和工程路线
⑨,样机试验，测试；
⑩、技术评价与审定（不满意，修改） ;
⑾,小批量生产；
⑿,试销；
⒀、正常生产，收集用户意见；
⒁,销售，收集用户意见。
2.3 机电一体化产品设计与工程路线第二章 第二节
2.3.1 基本设计和工程路线第二章 第二节
2.3.2 市场调查与预测市场调查与预测是产品开发成败的、关键性的第一步。所谓市场调查就是运用科学的方法，系统地、全面地收集有关市场需求和经销方面的情况及资料，分析研究产品在供需双方之间进行转移的状况和趋势。
1．定期预测：在数据和信息缺乏时，依靠经验和综合分析能力，对未来的发展状况做出推测和估计，多采用下述调查法。
(l)、走访调研、查资料
(2)、抽样调查
(3)、类比调查
(4)、专家调查第二章 第二节
2.3.2 市场调查与预测
2．定量预测：运用相关系数法，对影响预测结果的各种因素进行相关分析和筛选，根据主要影响因素和预测对象的数量关系建立数学模型，对市场发展情况做出定量预测。
(l)、时间序列回归法
(2)、因果关系回归法
(3)、产品寿命周期法第二章 第二节
2.3.3 构思比较一个好的产品构思，不仅能带来技术上的创新、功能上的突破，还能带来制造过程的简化、使用的方便，以及经济上的高效益。
1、专家调查法：请专家发表意见，选择并集中其中的新思想来创造新方案。
2、头脑风暴法：召集创新方案的会议，鼓励与会人员自由奔放地思考问题，发表意见。
3、检查提问法：通过提出问题，引导人们对设计方案提出新的构思。
第二章 第二节
2.3.3 构思比较
4、检索查表法：详细列出若干值得推敲的问题进行对照检查，以求改进方案。
5、特性列举法：将研究对象按其特性加以表述，并逐一研究其实现方法。
6、缺点列举法：列举已有构思、设计方案或已有产品的各种缺点，以激发人们提出改善方案。
7、希望列举法：通过列举希望改进的意见，提示人们创新方案。
第二章 第二节
2.3.4 方案评价对多种构思和多种方案进行筛选，选择较好的可行方案进行分析组合和概略评价，从中再选几个方案，按照机电一体化水平系统设计评价原则和评价方法，深人地进行综合分析评价，
最后确定实施方案。
第二章 第二节
2.3.5 详细设计对多种构思和多种方案进行筛选，按照机电一体化水平系统设计评价原则和评价方法，深人地进行综合分析评价，最后确定实施方案。
1、系统总体设计
2、业务的分组
3、机械本体及工具设计
4、控制系统设计
5、程序设计
6、后备系统设计
7、完成详细设计书及制造图样
8、产品出厂及使用文件的设计第二章 第二节
2.3.6 系统设计中的质量控制第二章 第二节
1、质量目标管理应在接到设计任务和设计所需信息开始，在构思、规划的同时，确立该设计的质量目标，然后将其分解到设计过程的每一步骤，而且要最大限度地做到定量化。质量目标可在方案评审，以及在各业务阶段的评审中进行考核，发现问题应及时将结果反馈，并逐项改进。
2、实行可行性设计产品要赢得信誉，除在功能上满足要求外，还应做到在产品寿命期间少出故障，出了故障也要便于修理，因此必须借助于可靠性设计的手段。
2.3.6 系统设计中的质量控制第二章 第二节
3,进行设计质量评审
(l)、方案论证阶段主要解决选择最佳方案问题；审查方案的正确性和可靠性，实施方案的可能性和经济性；确定最佳方案；技术指标和技术要求是否先进合理，并满足用户需要；利用的新技术、新工艺、新材料是否有科研基础和技术鉴定结论；
产品研制网络图是否先进、可行。
(2)、技术设计阶段主要解决设计的合理性、先进性，以及理论计算的正确性。
(3)、样机试制、设计定型阶段主要对产品的水平、技术文件和生产条件等进行评价，可否试生产或正式生产。
2.3.6 系统设计中的质量控制第二章 第二节
4、加强标准化与工艺审查
5、建立设计质量责任制
6、建立质量保证体系其主要工作内容包括：
①、根据用户调查和收集来的质量信息，制定质量目标；
②、根据验证的试验资料，鉴定方案论证的质量；
③、审查产品设计质量；
④、检查产品试制、鉴定质量；
⑤、监督产品试验质量；
⑥、审查新产品定型质量；
⑦、审查设计图样、工艺等技术文件质量；
⑧、组织新产品设计质量的技术经济分析。
2.3.7 制造工程质量管理第二章 第二节
1、元器件的筛选目的在于提高选用元器件的主要参数指标和均匀性。
2、应力筛选包括冲击筛选、振动筛选及离心加速度筛选等方法。
3、老化处理温度老化处理、交变过载老化处理、大电流老化处理等。
4、产品的生产质量检验一、是预先检验；二、是中间检验；三是完工检验。
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线第二章 第五节
2.5.1 工业机器人
（ l）机器人的用途：自动喷漆。
（ 2）主要工作方式：示教再现，采用手把手示教和示教盒示教两种示教方式。
（ 3）主要技术参数：① 存储容量,PTP最大容量为 38000
点,CP最大容量为 128min; ② 最大速度,1.7m/s; ③ 位臵重复精度 ± 2.5mm; ④ 动作时间采样频率,10Hz,40Hz,50Hz ；
⑤ 自由度数,6自由度； ⑥ 承载能力,8kg; ⑦ 作业空间,
垂直面投影 2000mm× 1000mm（ H× B）；水平面投影
1800mm× 90° （ R× θ ）。
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线第二章 第五节
2.5.1 工业机器人
1,拟定机器人产品开发的目标，确定初步的技术规范
（ l）机器人的用途：自动喷漆。
（ 2）主要工作方式：示教再现，采用手把手示教和示教盒示教两种示教方式。
（ 3）主要技术参数：① 存储容量,PTP最大容量为 38000
点,CP最大容量为 128min; ② 最大速度,1.7m/s; ③ 位臵重复精度 ± 2.5mm; ④ 动作时间采样频率,10Hz,40Hz,50Hz ；
⑤ 自由度数,6自由度； ⑥ 承载能力,8kg; ⑦ 作业空间,
垂直面投影 2000mm× 1000mm（ H× B）；水平面投影
1800mm× 90° （ R× θ ）。
（ 4）使用环境要求：喷漆作业，应具有防爆功能。
第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
2、收集资料、市场分析、可行性分析、技术经济性分析其包括对机器人市场的调查、机器人的技术现状，以及喷漆机器人的市场调查，喷漆机器人的技术现状，喷漆机器人的结构形式、自由度的分布、驱动方式、控制方案、防爆设计方法等。主要通过查阅文献资料、走访机器人厂家和用户等手段来获取相关的信息 。
3,总体方案设计（初步设计）
从这一步骤开始，设计工作从抽象阶段逐渐落实到实体的设计、开发阶段。总体方案的好坏直接影响产品开发的质量。
在总体方案设计时，应全面地考虑问题，以系统化设计思想协调、组织总体布局和接口关系。
第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
（ l）总体结构方案
① 自由度分布形式和坐标形式等；
② 结构形式及工作空间的大小；
③ 驱动方式，包括驱动源（电动机、液压缸等）和传动方式（齿轮、齿形带，丝杠螺母等） ;
④ 控制方式，是集中控制还是集散控制，采用什么类型的工业控制计算机等；
⑤ 传感器；
⑥ 手爪、工具的形式，与喷漆系统的连接方法等；
⑦ 环境适应性，驱动部分、电气部分的防爆方法等；
⑧ 应该提出多种结构方案，以便对比、优化、确定出最佳方案。
第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
（ 2）制定研制计划
① 进度时间表；
② 每一步要解决的主要问题，主要步骤的成果形式等；
③ 所需设备和技术人员的情况。
（ 3）开发经费概算
（ 4）开发风险分析第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
4、总体方案（初步设计方案）的评审、评价对多种方案进行筛选和优化组合，确定最佳的总体结构方案。对最优方案进行评价分析，并提供修改意见，按修改意见对总体方案进行修改，最后确定实施方案。这一步骤可以邀请有关专家和用户通过方案评审会的形式进行。总体方案是产品开发的最基本技术资料，它决定产品的最后形式和基本性能，
因此在总体方案评价过程中一定要本着实事求是、严肃认真的原则，尽量提出方案的不足之处，这样可以避免给后期的开发工作留下隐患，保证开发进度和开发质量。
第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
5,理论分析阶段（确定数学模型）
这一步骤的主要内容是按总体方案抽象出系统的数学模型，
进行必要的理论分析计算和计算机仿真，为产品的详细设计提供必要的理论依据。
① 机构的运动学模型及作业空间的分析；
② 机构的力学计算；
③ 驱动元件的选择及动力计算；
④ 动力学模型及仿真分析；
⑤ 传感器的选择及精度分析；
⑥ 控制模型的确定及控制仿真分析。
第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
6,详细设计
（ l）系统总体设计
（ 2）业务的划分
（ 3）机械本体及工具设计
（ 4）控制系统设计
（ 5）程序设计
（ 6）后备系统设计
（ 7）完成设计说明书、使用说明书等产品文件第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
7,详细设计方案评审、评价
8、试制喷漆机器人样机
9、机器人样机的试验、测试
10、技术评价与审定
11、小批量生产
12、试销
13、正常生产
14、销售第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
7,详细设计方案评审、评价
8、试制喷漆机器人样机
9、机器人样机的试验、测试
10、技术评价与审定
11、小批量生产
12、试销
13、正常生产
14、销售第二章 第五节
1、拟定洗衣机产品的设计目标和技术规范一、开发目标该洗衣机应具备：①、洗涤过程全自动控制，无需人工干涉；②、操作简单，不需专门培训，适合于家用；③、供电、
尺寸结构、上下水的形式符合居民住宅的供电、供水要求。
二、主要技术规范
①,AC220V 供电，功率不大于 1000W;②,具有自动识别衣量、衣质，自动识别肮脏程度，自动决定水量，自动投人适当的洗涤剂等功能；③、自己控制洗涤过程，洗涤、漂洗、甩干、
上水、下水等过程自动完成；④、自然排水，对供水压力无特殊要求；⑤、故障报警功能；⑥、洗涤过程数字显示。
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线第二章 第五节
2、可行性分析
① 收集洗衣机市场和用户的有关信息；
② 收集自动洗衣机的技术信息；
③ 可行性分析；
④ 技术可行性、经济性分析。
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
3,初步设计
（ l）结构形式和外观颜色结构形式有立式或卧式、滚筒式或波轮式；命令输入形式有按键式或拨盘式；状态显示有 LED或 LCD；外观颜色等。
（ 2）控制计算机可编程序控制器或单片机。
第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
（ 3）驱动方式直流电动机或交流电动机。
（ 4）进水、排水控制方式
（ 5）检测传感器的数量、类型
（ 6）研制计划
① 时间进度安排；
② 要解决的关键技术；
③ 人员需求情况。
（ 7）经费概算第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
4、总体方案评审
5、确定数学模型
① 驱动系统的数学模型、负载计算、电动机的容量计算；
② 容积及给排水量计算；
③ 功率计算；
④ 控制模型及仿真分析
6、详细设计
（ l）系统总体设计人一机系统、维修对策、产品综合性能、工艺协调等。
（ 2）业务划分划分作业模块，确定接口任务、联调方法、人员分工等。
第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
（ 3）机械系统设计完成全部机械图纸，列出标准件清单。
① 基础框架；
② 外壳；
③ 洗涤及甩干系统；
④ 传动系统；
⑤ 电动机、阀门、传感器、电器等安装需要的结构件；
⑥ 特殊的工具、夹具。
（ 4）控制系统设计全部硬件电器设计及器件选型。
第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
① 电动机、阀门、传感器、单片机（或 PLC）等硬件的选型设计；
② 单片机 (或 PLC)控制系统硬件设计；
③ 电动机（主电动机、洗涤剂投入电动机）、阀门（进水阀、排水阀）驱动电路；
④ 传感器、衣质衣量检测、混浊度检测、水位检测、电源电压检测、温度检测、显示器、键盘的接口电路设计；
⑤ 供电电源及电源控制电路设计。
第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
（ 5）控制软件设计全部控制程序的设计。
① 电动机的驱动及控制模块；
② 检测及信息处理模块；
③ 控制主程序。
（ 6）后备系统设计检修方法、维修对策。
（ 7）完成相关的技术文件完成设计说明书、使用说明书等技术文件，列出全部器件清单。
7、详细设计方案的评审对不符合要求的部分要进行修改和完善，直到满足审核要求后方可进入下一步骤。
第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
8,试制样机
① 样机机械零件的加工、安装、调试；
② 驱动系统的组装；
③ 硬件电路加工；
④ 传感器安装。
9,试验、测试
① 各个单项功能试验，如单片机、命令及显示试验；阀门控制、电动机控制、传感器单项试验；洗涤过程分步调试等；
② 联机调试、试洗涤；
③ 控制性能试验；
④ 试验总结报告。
第二章 第五节
2.5 典型机电一体化产品开发的工程路线
10、技术评价及评审对样机及其性能进行综合评价，提供改进意见，对不满足要求的部分进行修改，直至样机合格后方可进入下一步骤。
11、小批量生产样机合格后，可进行小批量试生产。
12、试销
13、批量生产收集用户意见，分析试销情况，决定是否批量生产。
14、销售批量生产后，制定销售对策，进行销售。
