第二章
机电系统总体设计
总体设计是机电一体化系统设计的 重要环节 。
整体目标、功能 分析产品性能要求 选择合理的单
元组合方案 实现机电一体化整体优化设计过程，主要
内容包括,
?系统原理方案设计；
?结构方案的设计；
?总体布局与环境设计；
?技术参数与技术指标确定；
?总体方案评价与决策。
总体设计是 纲,给具体设计规定总的基本原理、
原则和方法。
2.1 系统原理方案设计
一、功能分析设计法
一切从系统的功能出发，
将设计任务抽象化
1、为什么要抽象化？
复杂的设计
简单的模式
分析 抽象
? 突出基本的、必要的
要求，摈弃偶然情况
和枝节问题，便于抓
住设计问题核心
? 避免构思方案前形成
的条条框框，放开视
野，寻求更为理想的
设计方案
2、如何把设计问题抽象化？
工程设计中常用的的抽想方法是, 黑箱法,
1,黑箱法的基本原理,
将所要实现给定功能的机电系统看作为一个未知内部功能
结构、功能载体的,黑箱”,通过对输入量和输出量的分析，
逐步掌握输入和输出的基本特征和转换关系，寻求能实现这种
基本特征和转换关系的工作原理和功能载体。
未知 已知 黑色 白化
机电一体化产品
（黑箱）
物料
能量
信息
物料 ′
能量 ′
信息 ′
伴生输出
伴生输入
功能载体求解即,
黑
箱
法
的
表
达
物料,固体、液体、气体等任何物体；
能量,机械能、电能、热能、化学能、光能等；
信息,数据、指示值、测量值、控制信号、波形等。
物料的转换指如何将毛坯、半成品转换成成品；
能量的转换指如何将其它形式的能量转换成机械能或机械能
变成其它形式能量；
信息的传输或转换指将物理量的测量和显示、控制信号的传
递等。
2、黑箱法求解方法
黑箱法求解过程就是黑箱白化的过程，步骤如图所示,
详细表达输入和输出量
建立输入和输出间关系
寻找合适的实例
设定系统的总功能
进行总功能分解
寻找系统的功能解
评价与决策
切削机床、精密测量
设备、轻工机械、包
装机械、运输机械
如,
冲床
（黑箱）
板料
电能
控制信号
成型工件
机械能、摩擦能
工作状态显示
振动、噪声
温度、振动
例 1：冲床的黑箱法表述
二、功能结构分析
1、功能结构示意图和功能元
总功能 分功能 分功能的原理方案
例 2,CNC齿轮测量中心黑箱法表述 (P13图 2.2)
总功能
1 2 3
1.1 1.2 1.3 3.1 3.2
1.2.1 1.2.2 3.1.1 3.1.2
Ⅰ 层
Ⅱ 层
Ⅲ 层
功能结构示意图
最小的基本分功能或满足功能要求的最小单位称之为 功能元。
机电一体化系统基本功能元
? 物理功能元：变换、合并分离、传导隔阻、储存
? 逻辑功能元：与、或、非
? 数学功能元：加、减、乘、除、乘方、开方、微分、积分
2、功能元实施原理方案的选择
各种功能实施的基础：以自然科学原理为基础的技术效
应，例如以物理学为主要技术基础的力学、机械学、电
学、磁学、光学等原理广泛应用于工程技术的各个领域，
即所谓的物理效应。
实施的要点：同一种功能可以用不同的技术效应来实现，
选出最佳的功能元实施原理方案，有以下途径可以参考,
? 参考资料、专利、产品；
? 利用创造性思维；
? 利用设计目录。
三、功能结构图
1、三种基本功能结构类型,
?串联结构 ?
并联结构 ?
环型结构
F1 F2 F3
F1 F2
F3
F1 F2
F3
又称顺序结构，反映分功
能时间、空间顺序或因果
关系
又称选择结构，几个分功
能作为手段共同完成一个
目的
又称回路结构，输出反馈
为输入的循环
2、功能结构图的建立
从上层分功能的结构考虑起，逐层向下细化。（例 P16图 2.5-2.7）
四、系统原理方案选择
形态学矩阵 建立在功能分解和功能求解的基础上，得到多种
可行方案，经筛选、评价可以获得最佳方案。
形态学矩阵
的运用步骤,
进行方案构思选择系统原理方案时，用,穷尽法” 将各分功能
的解全部列出，就可写出功能 -功能解的 形态学矩阵, 形态 即相
应的实现各分功能的执行机构和技术手段 。
总功能分解
形态构想和功能求解
方案组成
方案评价和选择 新颖性、先进性实
用性
设计经验、资料积
累、创新能力
专业知识、情报资
料
相容条件、连接条
件等
形态学矩阵列表
1 2 3 4 5
F1 F11 F12 F13
F2 F21 F22 F23 F24 F25
F3 F31 F32 F33 F34
功能载体
分功能
理论上组合出的的方案数为,N=3× 5× 4＝ 60
2.2 系统结构方案设计
结构方案设计是 原理设计方案的结构化,而且实
现结构的优化和创新。主要包括两个方面,
? 机械结构 重点考虑和设计
? 电气结构 主要是选型，考虑安装问题
一、结构方案设计的工作任务、内容及步骤
1、任务,将原理方案结构化，确定机器 (或系统 )各个零
部件的材料、形状、尺寸、加工和装配等；
2、内容,设计零部件形状、数量、相互空间位置，选择
材料,
确定尺寸，进行各种计算校核，按比例绘制结构方案总
图，在
计算时，采用优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计等多种
现代化设计方法。
3、步骤 (如图示 ),设计任务对结构设计的要求
主功能载体初步结构设计
辅助功能载体初步结构设计
检查主辅功能结构影响及配合
详细设计主辅功能载体结构
对设计进一步修改完善
技术、经济评价
结构决策
方案确定
No
Yes
结构设计是从,定性到定量，抽象到具体，粗略到精细 的过程
结构设计满足的目标,保证功能、提高性能、降低成本
结构设计包括三个方面,
质的设计：定性分析构型（形状、位置关系）
量的设计：定量计算尺寸、确定材料
按比例绘制结构图
结构设计归结为三个阶段,
初步设计：主功能载体设计
详细设计：副功能载体设计，主功能载体详细设计
完善、审核设计
二、结构方案设计的基本原则
保证实现预期的功能
总目标 降低制造成本
保障人和环境的安全
保证系统功能可靠的方法,
冗余配置
明确
基本原则 简单
安全可靠
功能载体工作原理明确
功能载体使用工况明确
零件数目尽可能减少
几何形状简单规则
采用标准零件
构件的可靠性
功能可靠性
工作安全性和环境适应性
并联冗余
串联冗余
原理冗余
例如,1、飞机上的备用发动机（双驱动或三驱动）
2、煤矿井下的水泵系统采用两套或三套配置（一套运转、
一套维修、一套备用）
三、结构方案设计原理与原则
1、运动学设计原则
空间物体有六个自由度，自由度 S与约束 q关系是,S = 6-q
应该合理施加约束，满足物体所所需要的运动方式。
要求约束,1、点约束
2、约束点离开远些
3、自由度限制方向应垂直于被约束平面
平面 3
m a x ?q
直线 2
m a x ?q
2、基准面合一原则
3、传动链最短原则
驱动系统 执行机构 实现最短传动链
好处,传动性能稳定性愈好，传动精度愈高
基准
设计基准（图纸上）
工艺基准（制造基准）
定位基准
测量基准
装配基准
结构设计尽量满足：定位基准面与使用或加工基准面统一原
则，可以减小由于基准不一致带来的误差。
电机 变速箱 运动转换 执行机构
运动转换 执行机构 高分辨率控制电机
直线电机 执行机构
直线电机与执行
机构一体化装置
4、“三化”原则
三化
零件标准化
部件通用化
产品系列化
“三化”原则 是国家一项重要的技术经济政策,优点在于：
互换性好；缩短制造周期；维护方便。
如：课程设计或毕业设计时，设计的齿轮、滚珠丝杠、液
压缸尺寸符合标准公称系列；选用材料牌号、规格符合国
家标准等。
5、阿贝原则（提高精度原理）
德国人阿贝 1890年提出对精密量仪有指导意义的原则：若
使量仪测量结果准确，必须 将测量仪的读数线尺安放在被
测尺寸的延长线上 。
原因是这样做避免了一阶误差。
例如：游标卡尺 不符合阿贝原则，精度较低
千分尺（螺旋测微仪） 符合阿贝原则，精度较高
此外还有一些原则,如：合理力流原则、变形协调原则、变形
最小原则、平均效应原则、稳定性原则等。
2.3 机电系统总体设计方案的过程
可行性研究
报告、任务书
原理方案图、结构设
计图、总装图
零、部件工作
图、设计技术文件
工艺文件、样机试
制试验、鉴定文件
信息反馈、修改完善
规划阶段
总体阶段
详细施工阶段
调试生产阶段
销售阶段
用户对产
品的需求
总体设
计关键
绘制生产图纸,
设计说明书,
使用说明书,
明细表
机电系统总体设计
总体设计是机电一体化系统设计的 重要环节 。
整体目标、功能 分析产品性能要求 选择合理的单
元组合方案 实现机电一体化整体优化设计过程，主要
内容包括,
?系统原理方案设计；
?结构方案的设计；
?总体布局与环境设计；
?技术参数与技术指标确定；
?总体方案评价与决策。
总体设计是 纲,给具体设计规定总的基本原理、
原则和方法。
2.1 系统原理方案设计
一、功能分析设计法
一切从系统的功能出发，
将设计任务抽象化
1、为什么要抽象化？
复杂的设计
简单的模式
分析 抽象
? 突出基本的、必要的
要求，摈弃偶然情况
和枝节问题，便于抓
住设计问题核心
? 避免构思方案前形成
的条条框框，放开视
野，寻求更为理想的
设计方案
2、如何把设计问题抽象化？
工程设计中常用的的抽想方法是, 黑箱法,
1,黑箱法的基本原理,
将所要实现给定功能的机电系统看作为一个未知内部功能
结构、功能载体的,黑箱”,通过对输入量和输出量的分析，
逐步掌握输入和输出的基本特征和转换关系，寻求能实现这种
基本特征和转换关系的工作原理和功能载体。
未知 已知 黑色 白化
机电一体化产品
（黑箱）
物料
能量
信息
物料 ′
能量 ′
信息 ′
伴生输出
伴生输入
功能载体求解即,
黑
箱
法
的
表
达
物料,固体、液体、气体等任何物体；
能量,机械能、电能、热能、化学能、光能等；
信息,数据、指示值、测量值、控制信号、波形等。
物料的转换指如何将毛坯、半成品转换成成品；
能量的转换指如何将其它形式的能量转换成机械能或机械能
变成其它形式能量；
信息的传输或转换指将物理量的测量和显示、控制信号的传
递等。
2、黑箱法求解方法
黑箱法求解过程就是黑箱白化的过程，步骤如图所示,
详细表达输入和输出量
建立输入和输出间关系
寻找合适的实例
设定系统的总功能
进行总功能分解
寻找系统的功能解
评价与决策
切削机床、精密测量
设备、轻工机械、包
装机械、运输机械
如,
冲床
（黑箱）
板料
电能
控制信号
成型工件
机械能、摩擦能
工作状态显示
振动、噪声
温度、振动
例 1：冲床的黑箱法表述
二、功能结构分析
1、功能结构示意图和功能元
总功能 分功能 分功能的原理方案
例 2,CNC齿轮测量中心黑箱法表述 (P13图 2.2)
总功能
1 2 3
1.1 1.2 1.3 3.1 3.2
1.2.1 1.2.2 3.1.1 3.1.2
Ⅰ 层
Ⅱ 层
Ⅲ 层
功能结构示意图
最小的基本分功能或满足功能要求的最小单位称之为 功能元。
机电一体化系统基本功能元
? 物理功能元：变换、合并分离、传导隔阻、储存
? 逻辑功能元：与、或、非
? 数学功能元：加、减、乘、除、乘方、开方、微分、积分
2、功能元实施原理方案的选择
各种功能实施的基础：以自然科学原理为基础的技术效
应，例如以物理学为主要技术基础的力学、机械学、电
学、磁学、光学等原理广泛应用于工程技术的各个领域，
即所谓的物理效应。
实施的要点：同一种功能可以用不同的技术效应来实现，
选出最佳的功能元实施原理方案，有以下途径可以参考,
? 参考资料、专利、产品；
? 利用创造性思维；
? 利用设计目录。
三、功能结构图
1、三种基本功能结构类型,
?串联结构 ?
并联结构 ?
环型结构
F1 F2 F3
F1 F2
F3
F1 F2
F3
又称顺序结构，反映分功
能时间、空间顺序或因果
关系
又称选择结构，几个分功
能作为手段共同完成一个
目的
又称回路结构，输出反馈
为输入的循环
2、功能结构图的建立
从上层分功能的结构考虑起，逐层向下细化。（例 P16图 2.5-2.7）
四、系统原理方案选择
形态学矩阵 建立在功能分解和功能求解的基础上，得到多种
可行方案，经筛选、评价可以获得最佳方案。
形态学矩阵
的运用步骤,
进行方案构思选择系统原理方案时，用,穷尽法” 将各分功能
的解全部列出，就可写出功能 -功能解的 形态学矩阵, 形态 即相
应的实现各分功能的执行机构和技术手段 。
总功能分解
形态构想和功能求解
方案组成
方案评价和选择 新颖性、先进性实
用性
设计经验、资料积
累、创新能力
专业知识、情报资
料
相容条件、连接条
件等
形态学矩阵列表
1 2 3 4 5
F1 F11 F12 F13
F2 F21 F22 F23 F24 F25
F3 F31 F32 F33 F34
功能载体
分功能
理论上组合出的的方案数为,N=3× 5× 4＝ 60
2.2 系统结构方案设计
结构方案设计是 原理设计方案的结构化,而且实
现结构的优化和创新。主要包括两个方面,
? 机械结构 重点考虑和设计
? 电气结构 主要是选型，考虑安装问题
一、结构方案设计的工作任务、内容及步骤
1、任务,将原理方案结构化，确定机器 (或系统 )各个零
部件的材料、形状、尺寸、加工和装配等；
2、内容,设计零部件形状、数量、相互空间位置，选择
材料,
确定尺寸，进行各种计算校核，按比例绘制结构方案总
图，在
计算时，采用优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计等多种
现代化设计方法。
3、步骤 (如图示 ),设计任务对结构设计的要求
主功能载体初步结构设计
辅助功能载体初步结构设计
检查主辅功能结构影响及配合
详细设计主辅功能载体结构
对设计进一步修改完善
技术、经济评价
结构决策
方案确定
No
Yes
结构设计是从,定性到定量，抽象到具体，粗略到精细 的过程
结构设计满足的目标,保证功能、提高性能、降低成本
结构设计包括三个方面,
质的设计：定性分析构型（形状、位置关系）
量的设计：定量计算尺寸、确定材料
按比例绘制结构图
结构设计归结为三个阶段,
初步设计：主功能载体设计
详细设计：副功能载体设计，主功能载体详细设计
完善、审核设计
二、结构方案设计的基本原则
保证实现预期的功能
总目标 降低制造成本
保障人和环境的安全
保证系统功能可靠的方法,
冗余配置
明确
基本原则 简单
安全可靠
功能载体工作原理明确
功能载体使用工况明确
零件数目尽可能减少
几何形状简单规则
采用标准零件
构件的可靠性
功能可靠性
工作安全性和环境适应性
并联冗余
串联冗余
原理冗余
例如,1、飞机上的备用发动机（双驱动或三驱动）
2、煤矿井下的水泵系统采用两套或三套配置（一套运转、
一套维修、一套备用）
三、结构方案设计原理与原则
1、运动学设计原则
空间物体有六个自由度，自由度 S与约束 q关系是,S = 6-q
应该合理施加约束，满足物体所所需要的运动方式。
要求约束,1、点约束
2、约束点离开远些
3、自由度限制方向应垂直于被约束平面
平面 3
m a x ?q
直线 2
m a x ?q
2、基准面合一原则
3、传动链最短原则
驱动系统 执行机构 实现最短传动链
好处,传动性能稳定性愈好，传动精度愈高
基准
设计基准（图纸上）
工艺基准（制造基准）
定位基准
测量基准
装配基准
结构设计尽量满足：定位基准面与使用或加工基准面统一原
则，可以减小由于基准不一致带来的误差。
电机 变速箱 运动转换 执行机构
运动转换 执行机构 高分辨率控制电机
直线电机 执行机构
直线电机与执行
机构一体化装置
4、“三化”原则
三化
零件标准化
部件通用化
产品系列化
“三化”原则 是国家一项重要的技术经济政策,优点在于：
互换性好；缩短制造周期；维护方便。
如：课程设计或毕业设计时，设计的齿轮、滚珠丝杠、液
压缸尺寸符合标准公称系列；选用材料牌号、规格符合国
家标准等。
5、阿贝原则（提高精度原理）
德国人阿贝 1890年提出对精密量仪有指导意义的原则：若
使量仪测量结果准确，必须 将测量仪的读数线尺安放在被
测尺寸的延长线上 。
原因是这样做避免了一阶误差。
例如：游标卡尺 不符合阿贝原则，精度较低
千分尺（螺旋测微仪） 符合阿贝原则，精度较高
此外还有一些原则,如：合理力流原则、变形协调原则、变形
最小原则、平均效应原则、稳定性原则等。
2.3 机电系统总体设计方案的过程
可行性研究
报告、任务书
原理方案图、结构设
计图、总装图
零、部件工作
图、设计技术文件
工艺文件、样机试
制试验、鉴定文件
信息反馈、修改完善
规划阶段
总体阶段
详细施工阶段
调试生产阶段
销售阶段
用户对产
品的需求
总体设
计关键
绘制生产图纸,
设计说明书,
使用说明书,
明细表
