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机械工程项目总体方案设计 开始下载

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机械工程项目总体方案设计 简介

  机械工程项目总体方案设计_建筑/土木_工程科技_专业资料。第二章 2.1 概述 总体方案设计 1.机械工程项目包括机电产品、专用设备、 各种加工和装配自动化生产线等的研发, 和所有的项目一样,具有唯一性、一次性、 多目标性、整体性和寿命周期性等特点, 同

  第二章 2.1 概述 总体方案设计 1.机械工程项目包括机电产品、专用设备、 各种加工和装配自动化生产线等的研发, 和所有的项目一样,具有唯一性、一次性、 多目标性、整体性和寿命周期性等特点, 同时要求投资较大, 对成功率的要求较高。 一个成功的项目需要在技术和管理上同时 进行创新,根据机械工程项目的特点, = 对于绝大多数项目而言,创新的性质和基 础或技术的研究是有很大的区别,主要体现在集成创新。有经验的工程师在进行总体设 计的时候,所采用的技术至少有 80~90%以上是成熟技术,也就是说一个总体方案的技 术的可行性至少有 85%的把握才能实施。由于成熟技术很多,对于同一功能,可以采用 多种不同的成熟技术组合实现,因此形成了不同的总体方案;其余的 15%左右是原始创 新技术。在项目的总体设计过程中,15%的技术原始创新构成了项目的核心技术,需花 较大的精力进行探讨和研究,包括理论探讨和试验验证,最后通过工程验证。由于机械 工程项目直接面向用户、社会,研发投入较大,项目的研发成功,将为企业和社会带来 直接的经济效益,大多数情况下,将促进行业的发展;基础理论和技术的研究,投入较 小,以理论研究和试验验证为基础的成果,只有在工程上得到应用后,才能真正体现其 价值。 对于机械工程项目的建设,总体方案的设计,确定了项目的技术和市场走向。本章 内容结合相关老师的工程实践和一些资料的阐述,试图梳理出总体设计流程,并结合流 程和案例,介绍总体设计各阶段的工作内容、要求以及相关知识。为今后从事机械工程 项目设计工作时,知道从哪里入手,如何 开展总体方案设计打下基础。 2 项目的发展周期分为五个阶段, 分别为: 概念阶段、开发阶段、实施阶段、结束阶 段和应用阶段,其资源(人、财、物和时 间)的投入量按照前述由小到大,在实施 阶段达到最大,再由大到小。但一个项目 1 是否能取得成功,关键在于概念阶段所取得的成果,总体方案设计属于机械工程项目过 程中的概念阶段中的一项任务, 概念阶段的目标是对项目进行策划、 可行性分析和决策, 而总体方案设计是项目能否取得成功的关键,不完善和不周密的技术方案,将导致全盘 皆输(胎里疾) ,应该引起所有从事方案设计的人员充分的重视。…… 总体方案的设计,涉及到项目功能的定位、投入资金的大小、开发时间的长短、技 术的先进性等,也包括建设的场地、使用的环境和对环境的影响等因素…… 进行总体方案设计的工作过程,大体如图所示……。 3. 总体方案设计的详细流程是:……,在 进行总体方案中,应该同时设计多种能够 实现功能需求的总体方案,以便进行分析 和评价。同时,通过分析和评价,挖掘各 方案中优势,以便集中这些优势,创造出 更为合理和先进的方案。所以,进行总体 方案设计,不是搞一轮方案,而是搞多轮 以上的方案,并进行优化集合。 4.本章内容 2.2 功能设计 2.2 功能设计——功能的需求与分解 流程及内容: 功能需求分析 功能分解 功能元能力分析 功能元实现方案分析 功能元间连接接口分析 各功能元结构分析 N 关键功能元结构试验 系统传动方案分析 控制系统方案分析 N 造型设计 方案集成 项目实现方案i 辅助系统方案设计(包括床身等) 各功能元实现方案集成 5 明确总体设计要求 按工艺要求或动作分解 明确各功能元设计要求(包括控制) 机构运动学和动力学、控制方案分析 功能元间结构及与控制的协调 功 能 设 计 阶 段 方 案 设 计 阶 段 5. 2 6. 总体方案设计的第一步是进行功能需 求分析。功能需求分析包括对市场需求分 析和技术需求分析,其中市场需求分析结 果根据市场调研和相关数据分析获得,包 括: 1) 项目加工 (生产) 对象的市场容量分析。 在此项分析中,将对项目功能进行定位的 同时,还需对加工对象的成本构成进行分 析,从而确定项目的研发意义、所需的加工能力、加工成本、项目的年产量等; 2)项目的相关功能技术指标。即市场对项目功能的技术要求,加工对象、项目的研发 成本与项目的技术指标有关, 同样, 项目的市场也与项目的技术指标有关 (技术指标高, 投入打,产品质量和成本高,在一定程度下将影响市场容量) ; 3)市场可以接受的价格。即所研发的项目产品的市场价格,可以通过走访用户或者基 于项目加工对象的成本分析,从提高劳动生产率,降低成本出发,进行核算。通过对市 场可以接受的价格分析可知产品的最高成本,从而可以推算出本项目的研发、制造和销 售成本,作为项目总体设计的约束条件。 通过市场调查,可以获得项目的功能和成本要求! 技术需求分析主要包括: 1)对当前产品存在的技术缺陷进行分析。分析针对当前具有本项目相似功能的产品展 开,提出已有产品或相似产品所存在的技术缺陷,而分析出的技术缺陷,在本项目的实 施过程中,均需要进行完善或突破; 2)明确功能目标。根据市场需求和对现有产品技术缺陷的分析,提出明确的项目目标, 包括功能目标、技术目标、经济目标、研发周期目标等 3)明确约束条件。根据功能目标和市场预测及研发单位所拥有的资源现状,提出项目 完成的约束条件,包括时间限制、精度限制、人员限制、资金限制、质量要求等。 通过前面的分析,项目的前景、功能及相关技术指标、研发的约束条件等有了基本 认识,在此基础上,提出项目设计任务书。任务书的主要内容包括:功能目标、约束条 件、技术经济指标(产量(节拍) 、精度、使用场合、制造成本等) 、已知可以采用的技 术、实施计划等。所有内容中,合适的技术经济指标,是项目总体设计,乃至项目本身 能否成功完成的关键之一,过高的技术经济指标(高于市场需求) ,不仅会增加项目研 发难度和研发时间,提高项目成本,同时也会影响市场销量。 3 …… 技术工作和管理工作的最大区别在于分析和解决问题的方式和方法不同,技术工作 者解决问题的方法是将大问题按照一定的规则分解为小问题,各个击破,而后通过集成 解决大问题;而管理工作者则站在全局的角度,分析所研发过程中出现的各个问题,从 中找出内在的关联逻辑和问题的根本所在,从而着手解决,即采用系统的方法去分析问 题和解决问题。在进行总体设计中,需要设计者从项目全局出发,系统的分析问题,将 问题按逻辑分解并各个击破,再用全局思维方式,将其集成。 (总体设计者的工作方式 是;用管理者的思维和工作模式,从全局出发,发现问题;用技术工作者的思维和工作 模式,解决问题) 。 功能分解,就是将大问题逐级分解成小问题的开始。 总功能可以是多个功能元串联、 并联或串并联而成。 功能的分解根据项目目标不同, 可以按照工艺动作分解(如装配生产线) ,也可以按照加工工艺过程分解(如组合机床、 专用装备、自动化加工生产线. 按照工艺动作进行分解 冷媒罐的加工主要通过多道次冲压成型, 为提高效率,加强劳动保护,需要采用机 械臂进行上下料。 8. 在按照工艺动作要求分解过程中,需要 对每个动作实现时间进行分解,以满足设 计任务书中的节拍要求。 说明工作要求,根据图示进行按工艺动作 进行分解介绍 4 9. 这是根据动作分解设计出的方案 1,其 要点在于:1)由于罐子需要移出,机构需 要旋转,伸缩和夹紧动作,采用气动驱动 的执行系统,动作迅速;2)采用气动滑台 进行大臂的伸缩,夹紧气缸的位置与气动 滑台重叠,结构更为紧凑;3)夹紧动作采 用变向的杠杆原理的力放大结构,气缸行 程长,夹紧力度大,有利于调节最小夹紧 开度;4)采用四抓转动的结构,旋转定位需进行精确控制。 10. 方案 2 采用气缸摆动结构,定位精度 可通 过机械定位的方式控制气缸的转角 实现,结构简单,可靠性高,同时,整机 驱动执行元件均为气动元件,降低了对控 制系统的要求。 11. 按照加工工序进行分解: 锅炉用膜式水冷壁采用扁钢和管子焊接而 成,节距需符合国家标准,由于 1)我国 钢管直径误差为管子直径的±1% (直径 60 毫米的管子误差为± 0.6 毫米) ,误差较 大, 因此焊接前对管子按直径进行分类; 2) 为保证产品的节距精度,相关焊机采用槽 轮对管子进行定位;3)市场所提供的扁钢 宽度和精度满足不了直接进行焊接的需要,因此需要对扁钢按照管子直径分类情况进行 精整。 加工工序为:开卷-精整-矫平-矫直-测长-切断-下线 在工程实践中,最常见的是两种方法的综合运用,按动作分解方法常用于单机单部件的 方案设计,注重动作的实现,按工艺分解方法常用于生产线的布局,重点关注设备间的 连接。如机械臂方案为单机设计;扁钢精整方案为生产线设计。在生产线 体布局,也有单机设计,所以总体方案设计中,两者需要混合运用。 12 2.3 方案设计 13. 功能分解完成后,得到所需功能元, 结合项目总体设计任务书的要求, 通过功 能元能力分析, 明确每一个功能元的工作 内容,工作节拍,执行部件所需的力(扭 矩) 、加工速度等能力参数和加工精度、 各种连接接口(包括功能元之间、机电之 间)参数等,将这些参数归类成功能需求 和约束条件,形成功能元设计任务书,为 提出实现功能方案做好准备。在工程设计过程中,功能元实现方案不一定是总体设计者 提出。 实现方案分析:在完成功能元能力分析的此计划上,针对每一个功能元的功能要求和约 束条件,提出多种解决方案, 包括所采用的机构、对应的运动学动力学分析,控制的 策略等,并画出实现方案草图,估计出制造成本。值得强调的是在进行功能元实现方案 的分析过程中必须注意:1)本企业自己或已掌握资源的加工能力和水平,以降低成本 和掌握项目加工的主动权;2)站在全局的角度(项目总体设计的角度)考虑本功能元 实现机构与其他功能元实现机构、功能元实现机构和总体要求之间的协调性; 3)提出 功能元方案时,尽可能考虑用户的使用条件和技术水平(如液压系统,不少企业会感觉 陌生,由于我国液压件质量不好,容易产生漏油现象,使用场地是否允许;采用高度水 平自动化控制,除用户维护水平以外,使用环境是否允许,是否存在高温高湿,电磁环 境情况如何等) ,4)实现成本。 6 14. 例:大型工字钢弯曲矫正(纵弯和旁 弯) 。大型工字钢具有截面模量大的特点, 一般矫正采用火焰矫正和三支点压力矫直 方法,当截面模量不是很大的时候,采用 三支点矫正,优点是结构简单,操作方便, 一目了然,装备成本较低,缺点是设备功 率大(为克服大的截面模量) ,结构庞大; 对于纵弯和旁弯的矫正, 需要不同的模具, 同时对于较大截面模量的工字钢(譬如宽 700,高 1300) ,只能采用火焰矫正,纯粹依 赖于工人的技术,效率低下,劳动强度和生产成本较高。以上两种方法均是面向于点的 矫正方法,所得产品容易产生竹节状,同时无法连续矫正作业。而采用压延矫正,通过 对材料局部的压延,致使材料表面塑性变形而延展,延长短边,压缩长边,从而实现矫 正功能,其优点是:通过轧制短边钢板,使其延伸的方法,避开了矫正对象截面模量大 的麻烦,可以采用较小的设备同时实现大截面模量型钢的纵弯和旁弯矫正,且可实现连 续作业,生产效率较高;缺点是设备的的复杂性和精度大大提高(需要针对矫正的目的 和变形量,严格控制下压部件的下压量) ,设计计算变得更为复杂,需要构建下压量和 矫正对象的矫正量之间的控制算法和模型,以适应不同的矫正对象(靠人工计算,效率 太低) ,装备技术复杂,设计研发难度较大,加工精度要求较高。 在对这两种方案的选择时,用户企业应考虑生产纲领和控制装备的使用和维护水平,制 造企业应考虑本单位的设计制造能力。 例:弯管。目前一般企业采用常规弯管方式,具有结构简单的优点,但由于靠轮与弯曲 起弧点的位置较远,在进行较厚壁厚管子的小 R 弯曲时,由于管子刚度的影响,容易出 现附加弯曲(弯曲 半径发生变化,不是固定值) ,导致弯头质量下降;如果采用滑槽代 替靠轮进行弯曲,在弯曲过程中,滑槽在摩擦力的驱动下,随着管子向前运动,当滑槽 的刚度大于管子的刚度时,可以获得较高精度的弯头。采用滑槽结构的缺点是机构相对 复杂,模具的加工和更换也相对较为复杂。 以上案例说明在进行功能元方案选择时,要立足研发和用户企业本身技术能力、需求和 条件,结合项目总体要求来考虑。 7 15 16. 接口设计过程:在机电系统中,实现 不同功能的部件间、部件与床身间、机械 与电控之间、 设备与设备之间均存在连接。 接口连接接口的主要功能为能量、运动、 信号的传递与固定定位,其实质是力、速 度和信号的变换器。接口设计过程: 1.接口要素包括功能元之间的力、速度和 信号传递及空间位置之间的相互关系,提 出接口设计需满足的功能要求 2.根据接口要素,确定接口的形式、功能参数和连接接口的结构参数,具体包括力、速 度和信号变换器(联轴器、传感器类型、接插件)类型,连接面结构要素(定位结构要 素、连接结构要素——卸载机构) 3.确定接口的具体参数,包括联轴器、传感器型号选择、连接尺寸范围 接口设计要求:基本要求是满足功能要求,并具较高的可靠性和刚度;1.只有高刚度的 接口,才能保证力、速度和信号的可靠高精度的传递;2. 机械传动均会产生振动,接口 刚度将直接影响整机的固有频率;3. 低刚度的连接,使构件产生附加载荷,这往往是在 设计计算中忽略的部分,一方面无谓的消耗了动力,同时也将促使构件提早破坏。因此 在设计高精度和大功率传递,或传动效率要求较高的装备,尤其要注意接口刚度。 接口设计在由多设备组成的自动化生产线或大型设备中,尤为重要。大型装备和自 动化生产线一般由多专业多人联合开展设计工作,多家企业联合制造,接口设计要求即 为项目的“法律” ,一旦确定,各设计制造单位必须服从,否则后果不堪设想。 8 17. 接口类型-机械接口:有刚性连接和柔 性连接之分, 刚性连接指的是采用联轴器、 齿轮齿条等刚度大的构件进行动力的传动 的连接;柔性连接指的是采用带、链、电、 流体等刚度较小的构件进行动力传动。在 考虑机械接口时,除满足功能要求以外, 还应考虑运输的问题。 接口类型-电气接口:用于电气信号的连接 接口类型-机电接口:主要用于机械信号——电信号的转换,这里尤其要注意在工业场 合,由于有大电机的启动/停止,行车的频繁点动,大量逆变系统的使用,使得供电和电 磁环境非常恶劣,在信号传输过程中,干扰很大,因此在考虑机电接口时,应该同步提 出抗干扰措施,包括采用提供电流信号的传感器,专用地线,选用对环境电磁干扰小的 逆变电源,并在本机内逆变电源输出部分加磁环,增加低通滤波器,采用具有抗干扰的 接口电路,合理规划安装线路,使得强弱电传输线. 接口类型-其他接口: 主要用于物理量 ——电量的转换, 同样在注意传感器的选 型同时,注意抗干扰的问题 19. 说明整机大小,重量,功能和供电和 电磁环境及生产大的产品 9 20. 说明在保证精度、刚度和可加工性和 装配性的基础上, 大构件连接界面的设计, 梁的等长加工,和梁柱的装配方法及界面 刚度、精度的保证。 静连接:刚度、强度和定位 动连接: 说明刚性传动的问题(考虑焊接要求) 21. 说明大电流导电接口设计要领(解决 轴承升温问题) 说明为抗干扰,进行强弱电安装分离 整机设计中,要考虑运尺寸,切分时考虑 现场组装的难以程度和对整机工作精度的 影响 到此为止,经过功能需求分析,提出了项 目的总设计任务书,经过功能分解、功能 元实现方案与能力分析以及连接接口分析, 已经对整机实现方案有了初步的认识, 至此, 可以提出各功能元的设计任务书,内容包括:实现功能,所采用的机构方案,运动学和 动力学参数要求,和其他功能元间的机电关系,连接接口,和控制系统配合的要求等。 22 10 23. 功能元设计任务书已经明确了要实现 功能,所采用的机构方案,运动学和动力 学参数要求, 和其他功能元间的机电关系, 连接接口,和控制系统配合的要求等,接 下来是进行功能元结构设计。结构设计包 括结构参数的确定和强度、刚度的计算, 以及接口界面的结构参数设计,最后形成 功能元设计方案图。在进行功能元结构设 计中, 时常会出现同时考虑两个或多个相邻功能元的功能的实现, 其结构方案更为紧凑、 合理的现象,此时就应该考虑做出将合成上述功能元功能的结构方案(串并联) ,这样 可以使得连接界面减少,结构更为紧凑,部件数量减少,最终降低生产成本。 在功能元结构设计中,要注意: 1. 保证实现任务书提出的功能目标(实现功能是功能 元结构设计最基本的要求, ) ; 2. 具有足够的强度、 刚度、 精度和使用寿命 (一般设计中, 大家对往往强度比较关注,但设备的总体刚度涉及到设备整机的模态参数(固有频率) 以及连接效果、设备精度及使用寿命,因此,在大型、重载或高精度设备和振动设备的 设计中,尤其要注意刚度的设计) ;3. 结构合理,造型协调(在进行本功能元设计过程 中, 要同时考虑整机中其他功能元的结构参数, 保证各功能元结构参数协调, 只有这样, 才可能使得整机造型协调,在此环节中,可以通过归并相邻功能元结构的方法保持结构 协调性,有时为了结构协调,有意识的加大结构参数也是可行的) ;4. 零件具有良好的 加工性能,部件具有良好的装配性能(零件的结构设计涉及到零件本身的强度,对于轴 类零件是疲劳强度;结构设计和材料选择也将影响零件的加工性能,要结合加工企业及 和其合作企业的加工能力综合考虑,经验的成分较多,需要在实践中摸索,对于初学设 计者而言,采用规范的设计是一个好方法。同时,在进行设计过程中,建议方案图的设 计严格按照比例进行,设计过程中,要考虑装配工艺,保证具有良好的装配性能) 。 关键部件试验:在机械工程项目中,关键部件往往是原始创新部分,也是实现核心功能 的部分,是整台设备设计能否成功的关键,机械设计中,如果方案出错,后天的补救非 常困难,耗时耗钱不说,几乎全盘皆输,因此对关键功能元功能实现所采用的一些机构 方案以及结构参数需进行更为周全的考虑,非常有必要先期进行关键功能实现方案的试 验,有利于及时发现问题,提高项目方案的可行性。 11 24. 下面用一些案例说明: 1.MPM 焊接工艺参数的试验,说明有些关 键工艺参数将直接影响项目的成败,本项 目,如果无法实现仰焊,或者仰焊结果不 符合国家标准,项目的工艺路线将发生变 化,总体设计中将不能平仰焊同步进行, 设备投资增加,加工工序拉长,生产成本 提高。 25. 橘子剥皮机 基本思路:烫橘后,橘内空气使得皮肉分 离,而后将皮划开,借助橘子重力,通过 螺旋辊对橘子的摩擦和挤对橘皮的挤压、 拉扯,而实现剥皮。 橘子剥皮工序: 烫橘—上料—座窝固定—划皮—剥皮 剥皮要求:橘子要完整,橘肉不得有划伤 现象。关键工序是划皮和剥皮,因此要对这两个部件进行试验验证。 26. 试验内容:划皮运动原理;划皮部件 和剥皮部件。 弹簧——解决橘子的大小,保证坐窝橘子 的顶面高于刀的底面。 27. 播放,对橘子剥皮过程进行数值模拟 —仿真(运动原理仿真试验) ;确定滚刀与 转盘的直径及速度比(在划皮区间,一个 橘子划几次皮) ;针对某一直径的橘子,确 定橘窝的形状(窝的直径过大,会导致橘 子座不稳,过小,橘子不易入座;橘窝过 12 浅,划皮过程中会翻出,过深,橘子处于站立状态) ;考虑弹簧力的大小。分析仿真数 据,设计并加工试验部件 28. 播放,划皮部件试验:对仿真结果进 行验证,同时试验顶橘弹簧的的结构,找 出原设计的不足后进行优化设计 现实是采用滚筒式橘子坐窝输送结构不 好,坐不稳,坐窝率低,现在改为链板坐 窝输送。 29. 播放,剥皮部件试验:采用螺旋对辊 对划皮后的橘子进行剥皮,试验目的是确 定对辊直径和间隙;浮动挡橘轮的结构; 以上案例,在现实中均取得成功,其中关 键部件的试验功不可没,通过对关键部件 的试验验证,可以大大提高项目成功的可 行性。 30 31. 传动方案选择的目标是实现预期的运 动和动力传递,对于实现某一功能的装备 而言,动力传动方案与功能元实现方案、 传递的力、速度和功率、整机的布局、动 力传动精度等有关,一般选择传动方案均 在完成功能元实现方案之后,与初步的总 13 体布局同时进行。由于动力传递机构很多,因此方案的选择需要根据具体需求而定。 一般选择原则为:1. 满足功能元(组合)的工艺动作和运动和位置要求; 2. 满足功能 元动力传递和传递精度的要求(1、2 为动力传递的基本要求) ; 3. 简化和缩短传动链, 提高传动效率(传动链的缩短,可以降低成本,更重要的是可以提高传动效率和传动精 度,经常遇见为缩短传动链而修改整体布局的情况) ; 4. 保证机器的安全运转(在大负 荷和重大设备的传动系统中,均设有安全环节,如安全销,摩擦离合器等,以保证超载 时不会损坏设备) ; 5. 考虑可加工性和经济性 (结合企业本身的加工能力和所拥有的可 用资源考虑传动系统中关键零件的可加工性和经济性。如大扭矩传递,采用人字齿轮, 一般企业无法加工,是否可以考虑采用两个螺旋角大小相等,方向相反的斜齿轮替代人 字齿轮?结构设计是否允许?) 32. 下面介绍一般常用的传动机构的特点 传动机构的采用,和总体布局有关,应该 在符合总体部件要求的基础上,首先采用 传动效率高的机构方案 33. 采用不同的传动机构,会有不同的传 动效率,传动效率的高低,轻者涉及能源 的消耗;重者涉及机构运动方案的实现, 因此追求高效率的传动,是每个设计者必 须考虑的问题。 传动效率计算通式是……, 通过对螺旋机构传动效率的计算,可以知 道某些传动机构效率极低。一般传动机构 (如齿轮、蜗轮、带、链传动)的传动效 率可以在手册上查到。 这里介绍系统传动效率的计算方法,系统传动效率的计算是根据的传递路线,从各负载 端逐级往功率输入端进行的,并在功率流分叉位置进行叠加。 14 34. 例:这是根据真实设备简化的传动系 统,系统由带、链、齿轮等实现,有 4 个 扭矩、转速不同的负载,计算方法如下: 首先计算负载(由功能元设计任务书确 定) , 而后根据功能元结构设计方案和初步 的总体布局构思传动系统图,而后开始进 行效率计算,通过效率计算,可以获得每 一级传动的动力参数,以便进行传动系统 结构设计;同时可以获得所需的总功率。 这里要指出的是,在机械设计实践中,为简化传动效率的计算,往往忽视传动效率较高 的支撑结构(滚动轴承或理想状态下的滑动轴承) ,但在考虑动力源的时候,必须对未 计入的传动效率考虑;同时,考虑到负荷的不均匀性、驱动元件的使用寿命、计算的准 确性等,一般所选的动力源要求大于正常计算的 20~25%。对于首次设计的专用设备, 更要注意。 35 36. 现代装备控制,一般均采用微型计算 机作为控制核心,控制系统的设计需理论 与实践的结合,需要掌握生产过程的工艺 要求、被测参数的测量方法、被控对象的 动静态特性,还需要有自动控制理论、计 算机技术、传感器和信号处理技术、数字 电路、接口电路等方面的知识。控制系统 包括软件和硬件, 如何针对某一项目要求, 将控制系统划分成易于实现的多个组成部分,软硬件分配得当、结构简单、可靠性高、 易于维护、价格低廉、功能齐全,需要较强的综合运用知识的能力和工程实践经验。同 15 时,功能的实现,可以通过不同的机构实现,而在对这些机构的机械设计要求不同的同 时,很多情况下,其控制要求也不一样,相应的技术复杂程度、目标实现成本也不同, 作为从事机电一体化装备设计的工程技术人员,同时具备机械设计和控制系统设计方面 的知识,是设计出高性能。低成本的装备所必须的(也就是说,从事机械设计的工程技 术人员,应该了解关于控制的知识;而从事控制系统设计的工程技术人员,应该了解机 械设计或者机构方面的知识,这样才有利于项目方案的设计与项目的完成) 。机电装备 中,控制系统的功能是:……. 设计控制系统的基本要求是:…… 37. 控制系统设计者将根据项目负责人核 准的控制系统设计任务书,在和项目设计 小组充分讨论的基础上,进行控制方案的 设计。通过讨论,明确功能和技术要求, 项目总体方案设计者提出控制系统设计任 务书,并在此基础上,进行控制系统方案 设计。 38. 对表格进行说明 控制系统的设计将围绕者控制单元展开, 控制单元的确定,与控制系统的可靠性, 经济性及建设的工程量和费用息息相关。 39. 由于各种控制单元各有所长,对于大 型机械系统或需要具有管理功能,现场控 制环境较为复杂的控制系统,可以考虑集 散控制系统。集散控制系统由 PC+PLC 和 MC 组成硬件系统,系统一般分为 3 层, 有集中控制层、 现场控制层和执行层组成, 其中集中控制层的控制核心为 PC, 其主要 16 功能是基于 PC 运算速度快、程序调用方便等特点,进行总体和各执行模块的控制模型 运算、控制决策和生产线管理、远程监控,可集中显示和操作等,由于 PC 的抗干扰性 较弱,所以一般放置与集中控制室;现场控制层一般以 PLC 作为控制单元,利用 PLC 具备的良好的抗干扰性能和逻辑控制的特点,进行现场的控制,主要功能是通过 PLC 和 PC 进行数据交换,对现场单一或少量的执行模块设备进行开关量的控制(个别情况 下有简单的模拟量控制) ;执行层主要由人机界面和各安装在设备上的执行元件组成, 主要功能是参数的人工输入和运动的实现。集散系统解决了对生产系统的集中监视、操 作、管理和可靠的分散控制,继承了基于 PLC 的常规控制和基于计算机的集中控制的 优点,克服了常规控制功能单一,精度低,集中控制可靠性差的缺点,在功能、负荷和 危险性分散的情况下,实现了管理、操作和显示的高度集中,提高了控制的可靠性。 40. 图示为茶叶加工生产线的集散控制系 统图,由两台 PC(1 台主要用于生产线 台主要用于视频系统的控 制) ,7 台 PLC、11 台人机界面和 4 台球机 组成,所有控制单元和装备根据设备本身 和可靠性要求, 分别利用工业以太网、 232、 485、483 总线构建成一个网络进行通讯和 控制,可以实现对生产线的总体近/远程监 控、生产线各模块的分散控制、视频故障报警、参数管理(数据图表的自动生成)存储 /输出等功能。 41,42,43. 例:播放 36, 采用集散控制系统的黄山毛峰生产线. 只有协调好机和电两个方面,才有可 能设计出好的机电装备,所以在总体方案 设计中,机电的结合非常重要。机电结合 的基本原则是: 1. 充分考虑机械与控制 系统在制造和完善过程中,周期和成本间 的关系,根据经验,在一般机电装备的研 发过程中,机械制造周期和费用远大于控 制系统,同时,在进行项目的完善过程中, 机械方案的修改涉及原设备的拆装和零件的加工, 周期长, 费用大, 而控制系统的完善, 大量的还是软件的修改,费用较低,时间较短,因此,合理的机械方案,可以大大缩短 制造周期和降低研发成本; 2. 功能精度要求高的装备,采用先进的控制技术;功能的 控制精度直接和所采用的控制技术相关,采用先进的控制技术,可以获得较高的功能控 制精度,当然,控制系统的硬件费用也较高,但合理的机电方案,可以通过简化机构, 达到合理的综合成本目标; 3. 测量、轨迹轮廓和模拟量控制等应当采用先进的控制技 术;点位和运动轨迹控制,则综合考虑实现的难易程度、使用场合和制造成本等因素, 确定采用机构或控制的方法实现,轮廓控制,具有连续运动位置精度要求,一般采用数 控系统较多,相对于开关量控制而言,模拟量的控制,往往和控制算法结合,因此需要 采用先进的控制技术,而点位和单一的运动轨迹控制,可以通过传感器和机构实现,所 以要根据控制精度和实现成本综合考虑; 4. 机械系统设计方案要为控制方案的实现打 下基础,这个问题在生产线的设计中尤为重要,采用先进的自动控制技术实现对装备的 控制,需要加装大量的传感器和对装备的运动、位置进行调整,所以在机械设计中,需 要考虑传感器的安装位置、运动和位置调整的执行元件和机构等。 45 18 46. 在将功能元功能实现方案集成为总体 方案的过程中,关键是对各功能方案的技 术经济分析,考虑功能实现程度、可靠性、 加工周期和成本,同时要兼顾实现方案的 集成性(如其他功能方案是连续加工,而 本功能方案为不可连续加工,本功能方案 的集成性较差) 。 2.4 方案评价 47. 任何一个方案,只有通过评价,并确 认是可行的,才能实施。评价内容包括技 术评价、经济评价和风险评价。其中技术 评价主要考察方案的技术可行性,并在多 个方案中进行优选;经济评价主要对方案 的实现成本进行分析,一则考虑成本是否 可以接受,二则通过成本的组成,考虑在 方案实施过程中,成本控制点;风险评价 是预测方案实施过程中存在的技术、经济和管理的风险,提出规避措施,保证方案的顺 利实施。这里介绍进行技术和经济评价的最简单的方法。 技术评价方法: 48. 上式中的 pi j 和 gj 可以根据这张表中获 得。 19 49. 前面说的是基于满意度的技术评价方 法,这里再介绍基于计划制造费用的经济 评价方法:由于不可估计的因素存在,为 安全起见,一般要求估算制造费用要小于 理想制造费用的 70% 一个好的方案,既要考虑技术因素,也要 考虑经济因素,技术经济评价兼顾了上述 两者。 注意:1.不同的功能元实现方案,对技术经济评价结果会产生不同的影响。通过评价, 可以优选各功能元实现方案,并将组合成新的,更为优秀的总体设计方案。2.所介绍的 评价方法并没有考虑项目的风险和社会效益。 风险评价的方法有很多,其中在一般工程中比较常用的有平衡点分析法,敏感性分析法 和概率分析法。其中平衡点分析为初步分析,敏感性分析是确定风险来自何方,概率分 析是确定风险有多大,但这些基于财务预算基础上的分析,可以参考有关项目管理的书 籍。 2.5 项目的分解 50. 对于项目的总体方案设计者而言,往 往肩负着一定的项目管理职责,了解项目 管理的知识有利于总体方案的设计。这里 介绍的是项目管理知识中,与总体方案最 为相关的项目的分解技术(WBS) 项目分解的主要目的是为项目的组织实施 提供依据,通过项目分解,可以确定项目 的范围、项目的周期、进度的估算、定员 和定任务、指导预算和计划、了解存在的风险,便于对项目的进度、质量的控制,还可 以知道各功能元之间的相互关系。 项目分解的基本原理是把复杂的系统分解成功能独立的功能元或功能组合单元(统称为 工作单元) ,明确功能元的设计要求和功能元之间的关系,以便在逐一实现功能元功能 后,再通过集成的方法完成整个项目。在项目管理过程中,将据此制定项目计划,确定 资源和资金,估算成本和预测风险。 20 51. 按图说明 工作词典在后面举例说明 工作词典明确了每个工作单元的功能、完 成时间、接口要求等相关信息,在此基础 上,明确项目的实施方法(自制、外包等) 52. 在项目分解完成后,为确定每一工作 单元负责完成的人员,按企业内部管理系 统和项目组织实施的方法(是否外包等) , 根据外包、设计、制造等,构建项目组织 分解,并和项目分解结构构成责任分解矩 阵,明确每个工作单元的负责人。 53. 根据财务做账分类,构建项目的账户 分解结构,内容其中人工包括管理、技术 设计、加工、原材料、外购件、标准件等。 和项目分解结构结合,构建项目的账户矩 阵,预算项目实施所需的各项费用。 54. 根据已经掌握的信息,和企业所具有 的资源,构建风险分解结构,并和项目分 解结构结合,构建项目风险矩阵,预测项 目实施各环节可能出现的风险。 21 55. 按图说明 2.6 案例 56. 举例说明总体方案的设计 锅炉膜式水冷壁用扁钢精整生产线 扁钢的作用, 生产线. 功能分解分析,按图 58.进行功能单元实现方案的初步分析 22 59. 根据功能分解和实现方案初步分析结 果,结合以往的工程经验,对项目进行分 解 60. 对各功能单元的能力参数进行分析 , 61. 对功能元接口分析,包括机械接口和 机电接口等 按图 62. 计算各功能单元的能力参数,结合接 口分析,提出各功能元的技术设计要求, 编制工作辞典 23 63. 开卷 说明结构和防弹板 64. 精整部件 说明轧辊结构和直径不一的原因,设计中 要考虑轧辊的最小直径(咬入角) ,所提供 的向前驱动力(为矫平提供动力) ,轧制量 的调节结构(螺纹的计算等) ,精整轮的结 构(易维修、无倒角(省去除锈环节) ) 计算功能元所需的动力参数和各另件的强 度刚度及可以为后续矫平提供的推力等 65. 矫平部件,说明无动力驱动,间距对 矫平的影响,上 3 下 2 的理由、下压量的 调节结构 计算矫直力和驱动所需的向前推力,各零 件的强度刚度计算 66. 扁钢矫直部件,说明矫直量和轧制量 调整结构和动力传动机构的统一,可以降 低设计制造成本(前提是矫直力和轧制力 的计算) ,说明上 2 下 3 的道理 计算进行矫直的动力参数,矫直力、各零 件的强度和刚度 24 67. 测长机构,说明测长和结构原理 选择光电编码器的型号,并据此计算测长 轮的直径 68. 扁钢液压切断机,说明结构原理,为 什么要从下往上切 69. 强送辊道,说明强送辊结构原理,同 时说明辊道采用模块化设计方法,以便长 度的扩展,零件尽可能统一,降低生产成 本 70. 传动方案的确定,根据前面确定的各 功能元实现方案,和能力要求,确定传动 方案。 对所确定的传动系统(齿轮、链、带传动) 进行计算,满足要求,同时必须计算传动 效率,合理选择电机、齿轮箱等外购件 25 71、72. 在前面工作的基础上,确定总体设计方案(工作单元方案集成) 73.. 构建责任矩阵 按图说明 74. 构建账户矩阵,按图说明 75. 构建风险矩阵,预测风险 26 76、77、78. 项目完成情况 27

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