机电一体化系统设计(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：朱林

出版社：石油工业出版社

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机电一体化系统设计试读：

第一版前言

本教材是根据新专业的培养目标，按“拓宽专业”的教学改革要求，以“以机为主，以电为用，机电结合”为原则，在总结多年教学实践和科学研究的基础上编写而成。通过本课程的学习，学生能从机电一体化系统的角度出发，了解一般机电产品设计的规律和特点，扩大机电结构知识，增强机电结合能力，掌握机电产品设计的基本方法和技术，并结合课程设计和实验等实践性教学环节，培养学生具有开发设计性能良好的和有市场竞争力的机电一体化产品的初步技能。

本教材以通用机电一体化产品为背景，系统地论述了机电一体化原理和机电一体化系统设计方法。从机电一体化的关键技术出发，分析和研究了各环节中的主要问题，以此组成了全教材的结构框架，使读者对机电一体化系统设计有一个完整的概念和连贯的认识。

本教材从传统机械系统设计入手，逐步综合机械技术和电子技术，详细地介绍了机电互补设计方法和机电融合设计法，学生在学习中先掌握传统机械系统设计方法，再学会用适当的通用或专用电子部件取代传统机械系统中复杂机械功能部件或功能子系统的方法，最后达到能设计机电一体化新产品的能力。

本书参编人员有：朱林（第1章、第7章），刘亮（第2章、第4章、第6章），武学尧（第3章），王江萍（第5章），赵洪兵（第8章）。全书由朱林教授主编，由西安电子科技大学叶尚辉教授主审。

限于编者水平，加之机电一体化技术还在不断地发展，很多认识尚未统一，许多问题都有待于进一步探讨，因此，本书难免有缺点和不足，恳请读者批评指正。编者1998年12月

再版前言

本书于1999年出版第一版后，经过近十年的使用，许多教师和读者提出了一些较好的意见和建议。根据这些建议及国家高等学校机械类专业的教学要求，我们对相关内容做了适当的删减和补充；以通用机电一体化产品为背景，系统地论述了机电一体化原理和机电一体化系统设计方法；从机电一体化的关键技术出发，分析和研究了各环节中的主要问题，以此组成了全教材的结构框架；增加了机电有机结合分析与设计方法，使读者对机电一体化系统设计有一个更加完整的概念和连贯的认识。

本书这次再版，仍然坚持“以机为主，以电为用，机电结合”的编写原则。从传统机械系统设计入手，逐步综合机械技术和电子技术，详细地介绍了机电互补设计方法和机电融合设计方法。主要内容包括：机电一体化系统的设计原理，总体设计方法，机电一体化传动与执行系统，常用动力元件及驱动控制电路，常用传感与检测装置，机电有机结合分析与设计方法，机电一体化技术应用实例等。

通过本课程的学习，学生能从机电一体化系统的角度出发，了解一般机电产品设计的规律和特点，扩大机电结构知识，增强机电结合能力，掌握机电产品设计的基本方法和技术，并结合课程设计和实验等实践性教学环节，培养学生具有开发设计性能良好的和有市场竞争力的机电一体化产品的初步技能。

全书共分10章，第6章、第7章和第10章由牛秦玉编写；第4章和第8章由赵洪兵编写；第3章、第5章和第9章由张旭辉编写；朱林编写了第1章和第2章，并参与了第9章和第10章中部分内容的编写。全书由朱林主编，牛秦玉为副主编。

鉴于我们的业务水平有限，加之机电一体化技术发展很快，不断有新的理论和方法产生，因此，本书中的错误和不妥之处在所难免，恳请同行专家和读者不吝指教。编者2008年2月第1章　机电一体化系统概述1.1　机电一体化的基本概念

现代科学技术的飞速发展，推动不同学科相互交叉与渗透，并引发了几乎所有工程领域的技术革命与改造。以大规模集成电路和微型计算机为代表的微电子技术高度发展，向传统机械工业领域迅速渗透，出现了由计算机控制的机械仪表和设备，形成了具有柔性功能的自动化生产线、车间或工厂，大大提高了生产率，适应了市场对产品多样化的要求，使传统的机械工业产品面貌焕然一新，使工业生产由“机械电气化”迈入了以“机电一体化”为特征的数字化、自动化、微型化和智能化的时代。“机电一体化”就是在这个过程中逐渐形成的一个新概念，是各相关技术有机结合的一种新形式。1.1.1　机电一体化的定义“机电一体化”（Mechatronics）这个名词最早出现于1971年，由Mechanics（机械学）与Electronics（电子学）组合而成，合起来可译为“机械电子学”，我国流行称为“机电一体化”。

目前，对“机电一体化”有各种各样的定义，而较为人们接受的是美国机械工程师协会（ASME）的定义：“机电一体化是由计算机信息网络协调与控制，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统。”还有日本机械振兴协会经济研究所提出的解释：“机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。”

根据目前机电一体化的发展趋势，可以认为：机电一体化是一种技术，是机械工程技术吸收微电子技术、信息处理技术、控制技术、传感技术等融合而成的一种新技术。而机电一体化产品是利用机电一体化技术设计开发的由机械单元、动力单元、微电子控制单元、传感单元和执行单元等组成的单机或系统。1.1.2　机电一体化的内涵

机电一体化具有“技术”与“产品”两个方面的含义，首先是机电一体化技术，主要包括技术原理和使机电一体化产品（或系统）得以实现、使用和发展的技术，它是机械工程技术吸收微电子技术、信息处理技术、控制技术、传感技术等融合而成的一种新技术。而机电一体化产品是指利用机电一体化技术设计开发的机械系统和微电子系统有机结合，从而赋予新的功能和性能的新一代产品。它既不同于传统的机械产品，也不同于普通的电子产品，其主要特点如下：（1）功能替代型　这类产品的主要特征是在原有机械产品的基础上采用电子装置替代机械控制、机械传动、机械信息处理和机械的主功能，实现产品的多功能和高性能。

1）将原有的机械控制系统和机械传动系统用电子装置替代。例如，数控机床就是用微机控制系统和伺服传动系统替代传统的机械控制系统和机械传动系统，使其在质量、性能、功能、效率和节能等方面与普通机床相比都有很大的提高。此外，还有电子缝纫机、电子控制的防滑制动装置、电子式照相机和全自动洗衣机等都属于功能替代型。

2）将原有的机械式信息处理机构用电子装置替代。例如石英钟、电子钟表、全电子式电话交换机、电子秤、电子计费器和电子计算器等。

3）将原有机械产品本身的主功能用电子装置替代。例如线切割加工机床、电火花加工机床和激光手术刀代替了原有的机械产品主功能——刀具的切削功能。（2）机电融合型　这类产品的主要特征是应用机电一体化技术开发出的机电有机结合的新一代产品。例如数字式摄像机、磁盘驱动器、激光打印机、CT扫描诊断仪、物体识别系统和数字式照相机等。这些产品单靠机械技术或微电子技术是无法获得的，只有当机电一体化技术发展到一定程度时才有可能实现。

随着科学技术的发展，机电一体化技术已从原来以机为主拓展到机电结合，机电一体化产品的概念不再局限在某一具体产品的范围，已扩大到控制系统和被控制系统相结合的产品制造和过程控制的大系统。例如柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）以及各种工业过程控制系统。此外，对传统的机电设备作智能化改造等工作也属于机电一体化的范畴。

目前，人们已经认识到机电一体化并不是机械技术、微电子技术以及其他新技术的简单组合、拼凑，而是有机地互相结合或融合，是有其客观规律的。因此，机电一体化这一新型学科应该有其技术基础、设计理论和研究方法，应该从系统的角度出发，采用现代设计方法进行产品的设计。1.2　机电一体化系统的构成要素1.2.1　机电一体化系统的构成要素

以数控机床为例（图1-1），机电一体化系统应包括下述几个基本组成要素。图1-1　数控机床的基本组成要素（1）机械单元　机电一体化系统中的机械结构部分，包括机械本体、机械传动机构、机械支承和机械连接等。（2）动力单元　为系统提供能量和动力，使系统正常运转的动力装置。动力单元由动力源和动力机组成，并分为电、液、气三类。（3）传感单元　包括各种传感器及其信号检测电路，用于对系统运行中本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，使之变成控制器可识别的信号。传感信息方式有光、电、流体、机械等。（4）控制单元　处理来自各传感器的信息和外部输入命令，并根据处理结果，发出相应的控制指令，控制整个系统有目的地运行。控制单元一般为计算机、可编程控制器等。（5）执行单元　根据控制指令，通过动力单元和传动机构，驱动执行构件完成各种动作的装置。由于它是实现产品目的功能的直接参与者，其性能的好坏决定着整个产品的性能，因而是机电一体化系统中最重要的组成部分。

以上机电一体化系统的构成要素都具有各自相应独立的功能，即构造功能、驱动功能、控制功能、检测功能和执行功能，工作中它们各司其职，互相补充、互相协调，共同完成所规定的目的功能。组成要素的匹配和协调对机电一体化系统的性能影响很大，这可以用人体的功能结构来说明。人体功能的匹配和协调可以说是一种尽善尽美的体现，如果把人体看作系统，则人体也由上述五大要素组成并具有相应的功能，它与机电一体化系统五大要素及其功能的对应关系如图1-2所示。图1-2　机电一体化系统与人体要素的对应关系（a）人体的五大部分；（b）人体的五大功能；（c）机电一体化产品的五大部分；（d）机电一体化产品的五大功能1.2.2　机电一体化系统构成要素的连接

从广义上说，机电一体化系统本身是人—机电—环境这个更大系统的组成部分。因此，把机电一体化本身构成的系统称为内部系统，而把人和环境构成的系统称为外部系统。内部系统与外部系统之间存在着一定的联系，即相互有作用和影响，如图1-3所示。图1-3　机电一体化系统内部与外部之间的相互联系

机电一体化系统的组成要素之间需要进行物质、能量和信息的传递和交换。因此，各要素之间必须具备一定的联系条件，这个联系条件就可以称为接口。从系统内部看，机电一体化系统是通过许多接口将系统组成要素的输入和输出联系为一体的系统。从这一观点出发，系统的性能取决于接口的性能，各要素之间的接口性能就成为综合系统性能好坏的决定性因素。从某种意义上讲，机电一体化系统设计就是接口设计。

根据接口的输入／输出功能，可将接口分为以下四种，如图1-4所示。图1-4　机电一体化系统内部接口（1）机械接口　由输入／输出部位的形状、尺寸、精度、配合、规格等进行机械连接的接口。例如联轴器、管接头、法兰盘、万能插口、接线柱、插头与插座等。（2）物理接口　受通过接口部位的物质、能量与信息的具体形态和物理条件约束的接口。例如受电压、电流、扭矩、压力和流量等约束的接口，如各种电磁和液压控制阀等。（3）信息接口　受规格、标准、法律、语言、符号等逻辑或软件约束的接口。例如GB、ISO、ASCⅡ码、RS232C、C语言等。（4）环境接口　对周围环境条件（温度、湿度、磁场、火、振动、放射能、水、气、灰尘）有保护作用和隔绝作用的接口，称为环境接口。例如防尘过滤器、防水连接器、防爆开关等。1.3　机电一体化的相关技术

机电一体化是多学科技术领域交叉，用以解决综合性工程问题的技术。因此，要设计出好的机电一体化产品，必须首先掌握以下相关技术。1.3.1　机械技术

机械技术是机电一体化的基础。在机电一体化系统中，它不再是单一地完成系统间的连接，而系统结构、重量、体积、刚性与耐用性对机电一体化系统也有着重要的影响，如导轨、滚珠丝杠、轴承、传动等部件的材料和制造精度对机电一体化系统的性能影响极大。机械技术的着眼点在于如何与机电一体化的技术相适应，利用其他高新技术来更新概念，实现结构、材料和性能的变更，满足减少重量、缩小体积、提高精度、提高刚度和改善性能的要求。因此，在设计时要考虑采用新型复合材料和新结构，在制造时要考虑采用新工艺，要使零件模块化、标准化和规格化，提高装配和维修效率。1.3.2　信息处理技术

信息处理技术包括信息的输入、识别、交换、运算、存储和输出技术。信号的分析与处理是否准确、可靠和快速性，直接影响到机电一体化系统的性能，因而也是机电一体化的关键技术。信息处理的硬件主要是计算机，另外还需要有输入／输出设备、可编程控制器和接口等。信息处理的软件主要是人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术、网络技术、通信技术和数据库技术等。1.3.3　自动控制技术

自动控制技术范围很广，包括自动控制理论、控制系统设计、系统仿真、现场调试、可靠运行等从理论到实践的整个过程。运用基本控制理论，对具体的控制装置和控制系统进行设计，其主要内容包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、再现和实时控制等技术。其技术难点是现代控制理论的工程化和实用化，以及优化控制模型的建立和复杂控制系统的模拟仿真等，由于微机的广泛应用，自动控制技术越来越多地与计算机控制技术联系在一起，成为机电一体化中十分重要的关键技术。1.3.4　伺服传动技术

伺服传动技术是实现控制信号到机械动作的控制转换的一种技术。它对机电一体化系统的动态特性、控制质量和功能具有决定性的影响。伺服传动包括伺服驱动器和伺服机械传动装置，由控制系统通过接口与这些传动装置相连接，控制它们的运动，带动工作机械做回转、直线及其他各种复杂的运动。常用的伺服驱动器有电液马达、脉冲油缸、步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。由于变频技术的进步，交流伺服驱动技术取得突破性的进展，为机电一体化系统提供高质量的伺服驱动单元，极大地促进了机电一体化技术的发展。而伺服机械传动装置落后于驱动器的发展，满足不了机电一体化系统的设计需求，深入研究伺服机械传动技术，用伺服机械传动代替传统的机械传动，是机电一体化技术对传统机械系统进行改造更新的必然结果。1.3.5　检测传感技术

检测传感装置是系统的感受器官，它与系统的输入端相连并将检测到的信号输送到信息处理部分。传感与检测是实现自动控制、自动调节的关键环节，其检测精度的高低直接影响机电一体化系统的好坏。现代工程技术要求传感器能快速、精确地获取信息，并能经受各种严酷环境的考验。不少机电一体化装置不能达到满意的效果或无法实现设计的关键原因在于没有合适的传感器。因此，大力开展传感器研究对于机电一体化技术的发展有十分重要的意义。1.3.6　系统总体技术

系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统的观点和方法，将总体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组合成方案组进行分析、评价和优选的综合运用技术。系统总体技术包括的内容很多，例如接口技术、软件开发、微机应用技术、控制系统的成套性和成套设备自动化等。即使各个部分的性能、可靠性都很好，如果整个系统不能很好协调，系统与产品也很难保证正常运行。接口技术是系统总体技术中一个重要的内容，它是实现系统各部分有机连接的保证。系统总体技术是最能体现机电一体化技术特点的技术，其原理和方法还在不断发展和完善。1.4　机电一体化系统设计方法1.4.1　机电一体化系统的设计类型（1）开发性设计　在机电一体化系统开发设计时，没有可参照的产品，仅仅是根据工程应用的技术要求，抽象出设计原理和要求，设计出在性能和质量上能满足目的要求的产品或系统。机电融合型产品的设计属于开发性设计。如数字式摄像机、磁盘驱动器、激光打印机和CT扫描诊断仪等产品的设计。（2）适应性设计　在机电一体化系统总体原理方案基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部改进，采用现代控制伺服单元代替原有的机械结构单元。功能替代型机电一体化产品的设计就属于适应性设计。（3）变异性设计　在机电一体化产品设计方案和功能不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸和外形设计等，使之适应于不同场合的要求。例如便携式计算机系统的设计就属于变异性设计。1.4.2　机电一体化系统现代设计方法（1）机电系统工程与并行工程　机电一体化系统设计是一门综合性的设计技术，是一项多学科、多单元组成的系统工程。系统运行有两个相悖的规律。一是整体效应规律：系统各单元有机地组合成系统后，各单元的功能不仅相互叠加，而且相互辅助、相互促进与提高，使系统整体的功能大于各单元功能的简单之和，即“整体大于部分和”。另一个相反的规律是系统内耗规律：由于各单元的差异性，在组成系统后，若对各单元的相互协调不当或约束不力，就会导致单元间的矛盾和摩擦，出现内耗，内耗过大，则可能出现“整体小于部分和”的情况。因此，在设计机电一体化系统时，应自觉运用系统工程的观念和方法，把握好系统的组成和作用规律，以实现机电一体化系统功能的整体最佳化。

并行工程（CE-Concurrent Engineering）是把产品（系统）的设计、制造及其相关过程作为一个有机整体进行综合（并行）协调的一种工作模式。这种工作模式力图使开发者们从一开始就考虑到产品全寿命周期［从概念形成到产品（系统）报废］内的所有因素。并行工程的目标是提高产品（系统）生命全过程中的质量，降低产品（系统）全寿命周期内的成本，缩短产品（系统）研制开发的周期。将并行工程的理念引入机电一体化系统的设计中，可以在设计系统时把握好整体性和协调性原则，对设计的成功与否具有关键性的作用。（2）仿真设计　仿真设计是将仿真技术应用于设计过程，最终获得比较合理的设计参数。随着建立系统数学模型方法的进一步成熟，仿真设计在机电一体化系统设计中得到了广泛应用。仿真设计的步骤为：

1）建立数学模型。这是机电一体化系统进行仿真设计的关键，要求选取设计变量建立目标函数，确定约束条件。机电一体化系统是按系统工程的方法进行分析和综合的，因而可以借用系统工程中建立的数学模型，另一方面机电一体化系统总信息控制等又利用控制工程论的理论，因而具体数学模型的表达又可以利用控制工程的理论来建立。从这两点出发，机电一体化系统的数学模型比纯机械系统的数学模型更好建立，也更易符合实际。具体系统数学模型建立方法有解析法、直接法和实验法三种。

2）选择合适的仿真算法及程序语言。

3）利用计算机进行仿真设计计算，得出最佳设计方案。

4）对仿真得出的方案进行评价决策。（3）可靠性设计　机电一体化系统的可靠性是指在规定条件和时间内完成规定功能的概率。它用产品的可靠度、失效率、寿命及维修度和有效度来评价。可靠性是评价产品的质量标准之一。系统的可靠性设计贯穿于设计、制造和使用各个阶段，但主要取决于设计阶段。在进行机电一体化系统的开发设计时，主要从三个方面提出其可靠性：

1）机电一体化系统可靠性分析与预测。对构成系统的部件和子系统进行分析，对于影响系统功能的子系统应有预防和提高可靠性的措施，在分析和预测中应充分运用各种行之有效的方法，确保系统设计的可靠性。

2）提高系统薄弱环节的可靠性。系统的故障往往是由于系统的某个薄弱环节造成的，因此，在设计时应根据具体情况采用不同的措施。例如，在设计系统时选择可靠性高的器件及单元部件；采用冗余配置；加强对失效率高的器件的筛选和试验；采用最佳组合设计法等。

3）可靠性管理。机电一体化系统（产品）的特点是技术要求高、材料新和工艺新，因此，可靠性管理工作更为重要。对于大型系统和精密系统应设立管理机构，按照可靠性管理规程进行监管，确保所设计的机电系统的可靠性。（4）反求设计　反求设计思想属于反向推理、逆向思维体系。反求设计是以现代设计理论、方法和技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有的产品（系统）进行剖析、重构和再创造的设计。具体来讲，反求设计就是设计者根据现有的机电一体化系统的外在功能特性，利用现代设计理论和方法，设计能实现外在功能特性要求的内部子系统并构成整个机电一体化系统的设计。第2章　机电一体化系统总体设计

机电一体化系统设计的第一个环节是总体设计，它是在具体设计之前，应用系统总体技术，从整体目标出发，对所要设计的机电一体化系统的各方面，本着简单、实用、经济、安全和美观等基本原则，进行的综合性设计，是实现机电一体化产品整体优化设计的过程。

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，给机电一体化产品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，应用机电一体化技术，开发出满足市场需求的机电一体化产品，是机电一体化系统总体设计的重要任务。2.1　机电一体化系统总体设计的主要内容

总体设计对机电一体化系统的性能、尺寸、外形、质量及生产成本具有重大影响。因此，在总体设计中要充分应用现代设计方法中提供的各种先进设计原理，综合利用机械、电子等关键技术并重视科学实验，力求在原理上新颖正确，在实践上可行，在技术上先进，在经济上合理。一般来讲，机电一体化系统总体设计应包括下述一些主要内容。（1）准备技术资料　准备技术资料一般包括以下几点：

1）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）了解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、操作者的技术素质和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。

3）了解生产单位的设备条件、工艺手段和生产基础等，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。（2）确定性能指标　性能指标是满足使用要求的技术保证，主要应依据使用要求的具体项目来相应地确定，当然也受到制造水平和能力的约束，性能指标主要包括以下几项：

1）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。

2）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。

3）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不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一体化产品，安全性指标尤为重要。（3）拟定系统原理方案　机电一体化系统原理方案拟定是机电一体化系统总体设计的实质性内容，要求充分发挥机电一体化设计的灵活性，根据产品的市场需求及所掌握的资料和技术，拟定出综合性能最好的机电一体化系统原理方案。（4）初定系统主体结构方案　在机电一体化系统原理方案拟定之后，初步选出多种实现各环节功能和性能要求的可行的主体结构方案，并根据有关资料或与同类结构类比，定量地给出各结构方案对特征指标的影响程度或范围，必要时也可通过适当的实验来测定。将各环节结构方案进行适当组合，构成多个可行的系统结构方案，并使得各环节对特征指标的影响的总和不超过规定值。（5）电路结构方案设计　在机电一体化系统设计中，检测系统和控制系统的电路结构方案设计方法可分为两大类：一类是选择式设计，根据系统总体功能及单元性能要求，分别选择传感器、放大器、电源、驱动器、控制器、电机及记录仪等，进行合理的组合，满足总体方案设计要求；另一类是以设计为主，选择单元为辅，设计人员必须根据系统总体功能、检测系统、控制系统性能进行设计，在设计中必须选择稳定性好、可靠性好、精度高的器件。电路结构原理方案设计要合理，并且设计抗干扰、过压保护和过流保护电路。电路结构布局应把强电和弱电单元分开布置，布置走线要短，电路地线布置要正确合理。对于强电场干扰场合，电路结构设计应加入抗干扰元件和外加屏蔽罩，可有效提高系统稳定性和可靠性。（6）总体布局与环境设计　机电一体化系统总体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，特别是对维修、抗干扰、小型化等。（7）机电一体化系统简图设计　在上述工作完成后，应根据系统的工作原理及工作流程画出它们的总体图，组成机、电控制系统有机结合的机电一体化系统简图。在系统简图设计中，执行系统应以机构运动简图或机构运动示意图表示，机械主系统应以结构原理草图表示，电路系统应以电路原理图表示，其他子系统可用方框图表示。（8）总体方案的评价　根据上述系统简图，进行方案论证。论证时，应选定一个或几个评价指标，对多个可行方案进行单项校核或计算，求出各方案的评价指标值并进行比较和评价，从中选出最优者作为拟定的总体方案。（9）总体设计报告　总结上述设计过程的各个方面，写出总体设计报告，为总体装配图和部件装配图的绘制做好准备。总体设计报告要突出设计重点，将所设计系统的特点阐述清楚，同时应列出所采取的措施及注意事项。

总体设计给具体设计规定了总的基本原理、原则和布局，指导具体设计的进行；而具体设计则是在总体设计基础上进行的具体化。具体设计不断地丰富和修改总体设计，两者相辅相成，有机结合。因此，只有把总体设计和系统的观点贯穿于产品开发的过程，才能保证最后的成功。2.2　机电一体化系统原理方案设计

机电一体化系统原理方案设计是整个总体设计的关键，是具有战略性和方向性的设计工作。在机电一体化系统原理方案设计中，常用的方法有功能分析设计法、创造性方法、评价与决策方法、商品化设计思想及方法、变型产品设计中的模块化方法和相似产品系列设计方法等。在此，仅介绍机电一体化系统原理方案设计的功能分析设计法。2.2.1　机电一体化系统原理方案设计步骤

机电一体化系统原理方案设计的功能分析设计法是从系统的功能出发，通过技术过程的分析，确定技术系统的效应，然后寻找解决的途径。这种方法主要是把复杂的设计要求通过功能关系的分析，抽象为简单的模式，以便寻找能满足设计对象主要功能关系的原理方案。其步骤及各阶段应用的主要方法如图2-1所示。图2-1　原理方案的设计步骤及方法2.2.2　机电一体化系统原理方案设计2.2.2.1　确定系统总功能（1）设计问题的抽象化　实践证明，完成同一设计任务往往会有许多差异很大的方案。迄今为止，许多设计人员习惯先画几个总体方案，从中选择一个，以便进行具体的设计。这种做法带有盲目性，无法判断方案是否最佳。这一方面由于设计人员的知识和经验都有一定的局限性；另一方面设计要求明细表可能相当复杂，不利于直接求解。

抽象化的目的是：使设计人员暂时抛弃那些偶然情况和枝节问题，突出基本的、必要的要求，这样就便于抓住问题核心；同时避免了构思方案前形成的框框，可以放开视野，寻求更为理想的设计方案。

通过抽象化，设计人员可不涉及具体解决方案，就能清晰地掌握所设计的产品的基本功能和主要约束条件，从而抓住了设计中的主要矛盾，这样就可以把思维注意力集中到关键问题上来，确定产品的总功能。例如，采煤机可抽象为物料分离和移位设备；设计轴的支承可抽象为相对运动表面间传递力和力矩。（2）黑箱法　工程中常用的抽象方法是黑箱法。对于所设计的机电一体化系统来说，在求解之前，犹如一个看不清其内部结构的“黑箱”。通过“黑箱”可以明确所设计的系统与输入输出量及外界环境的关系，这就便于摆脱具体的东西而按功能进行分析和思考，所以要比过早地确定某种原理方案更有利于启发设计人员寻找新的、更好的方案。图2-2为一般的黑箱示意图。图2-2　黑箱示意图

系统的任何输入和输出都可用物料、能量、信号来概括。物料流、能量流和信号流都有量和质的差异。例如数目、体积、消耗量、功率、允许偏差、质量等级、性能及效率等方面的差异。但在黑箱法研究中，只对上述三种流进行定性的描述，以使问题简化，便于构思原理方案。

图2-3为数控机床黑箱示意图。图中左右两边输入输出都归纳为能量、物料和信号三种形式。图下方为周围环境（灰尘、温度和地基震动）对机床工作性能的干扰，图上方为机床工作时对周围环境的影响，如散发热量、产生振动和噪声。通过输入、输出的转换，得到机床的总功能，即将毛坯加工成所需零件。2.2.2.2　总功能分解

为了打开黑箱，必须确定黑箱能实现工作对象转化的工作原理。不同的工作原理将使机电一体化系统具有不同的技术经济效果。一般情况下，系统都比较复杂，难以直接求得满足总功能的系统方案，我们可按系统分解的方法进行功能分解，建立功能结构图，这样既可显示各功能元、分功能与总功能之间的关系，又可通过各功能元之间的有机组合求系统方案。图2-3　数控机床黑箱示意图

系统的总功能可以分解为子功能（或称一级分功能、二级分功能……），子功能又可再分解为功能元（最小单位）。所以，功能是有层次的，并能逐层分解。（1）功能元　在机电一体化系统设计中常用的基本功能元有物理功能元、逻辑功能元和数学功能元。

1）物理功能元。它反映系统中能量、物料、信号变化的物理基本动作，常用的有转变—复原、放大—缩小、合并—分离、传导—绝缘、存储—提取。

转变—复原功能元，包括各种类型能量之间的转变、运动型式的转变、材料性质的转变、物态的转变及信号种类的转变等。

放大—缩小功能元，是指各种能量、信号向量（力、速度等）或物理量的放大与缩小以及物料性质的缩放（压敏材料电阻随外压力的变化）。

合并—分离功能元，包括能量、物料、信号同质或不同质数量上的结合，除物料之间的合并与分离外，流体与能量结合成压力流体（泵）的功能也属此范围。

传导—绝缘功能元，反映能量、物料、信号的位置变化。传导包括单向传导、变向传导，绝缘（隔阻）包括离合器、开关、阀门等。

存储—提取功能元，是指对各种能量、物料和信号的保存和释放，如飞轮、弹簧、电池、电容器等实现能量的存取；录音带、磁鼓实现信号的存取。

2）数学功能元。它反映数学的基本动作，如加和减、乘和除、乘方和开方、积分和微分。数学功能元主要用于系统的加减机构和除法机构，如差动轮系、机械台式计算机、求积仪等。

3）逻辑功能元。包括“与”、“或”、“非”三元的逻辑动作，主要用于控制功能。（2）功能结构　以功能元为基础，组合成功能结构的方式有三种基本类型，并可用框图来描述，这种图称为功能结构图。

1）串联结构，又称顺序结构，它反映了分功能之间的因果关系123或时间、空间顺序关系，其基本形式如图2-4（a）所示，F、F、F为分功能。

2）并联结构，又称选择结构，几个分功能作为手段共同完成一个目的，或同时完成某些分功能后才能继续执行下一个分功能，则这几个分功能处于并联关系，其一般形式如图2-4（b）所示。

3）环形结构，又称循环结构，输出反馈为输入的循环结构，如图2-4（c）所示。图2-4　功能结构框图（a）串联结构；（b）并联结构；（c）环形结构

以上基本功能结构类似于电路图中的串联、并联和回路。（3）建立功能结构图　实际设计时，建立系统功能结构可以从系统功能分解出发，分析功能关系和逻辑关系。先从上层功能的结构考虑，建立该层功能结构的雏形，再逐层向下细化，最终得到完善的功能结构图。

下面以自动材料拉伸机的设计为例，说明功能结构图的建立过程。

1）通过分析输入和输出关系，利用黑箱法求总功能，得到自动材料拉伸机的总功能为：测量试件受力与变形，如图2-5（a）所示。

2）利用黑箱法将总功能分解为一级子功能：能量转换为力与位移、力测量、变形测量和试件加载，如图2-5（b）所示。然后考虑到各分功能的实现尚需满足其他要求，如输入能量大小要控制，力和变形测量值要放大，试件加载拉伸要装卡，在调节与测量时均需与标准值进行比较等。因此，将一级子功能再分解为二级子功能，如图2-5（c）所示。2.2.2.3　求解功能元（分功能）

前面讲述的机电一体化系统的总功能、子功能、功能元之间的关系说明了系统的输入和输出以及内部的转换。那么怎样才能实现这些功能呢？这就是分功能或功能元的求解问题。功能元的原理解法是通过物理作用和作用件确定的。现在的任务是，寻找实现各个分功能的物理作用，即求得功能元的原理解，通常有下述几种求解方法。（1）直觉法　直觉法是设计师凭借个人的智慧、经验和创造能力，充分调动自身的灵感思维，来寻求各种分功能的原理解。直觉思维是人对设计问题的一种自我判断，往往是非逻辑的、快速的直接抓住问题的实质，但它又不是神秘或无中生有的，而是设计者长期思考而突然获得解决的一种认识上的飞跃。（2）调查分析法　设计师要了解当前国内外技术发展状况，大量查阅文献资料，包括专业书刊、专利资料、学术报告和研究论文等，掌握多种专业门类的最新研究成果。这是解决设计问题的重要源泉。（3）设计目录法　设计目录是设计工作的一种有效工具，是设计信息的存储器与知识库。它以清晰的表格形式把设计过程中所需的大量解决方案规律地加以分类、排列和储存，便于设计者查找和调用。设计目录不同于传统的设计手册和标准手册，它提供给设计师的不是零件的设计计算方法，而是提供分功能或功能元解，给设计者具体启发，帮助设计者具体构思。图2-6为部分常用物理基本功能元解法目录。图2-5　自动材料拉伸机功能结构图2-6　部分常用物理基本功能元解法目录2.2.2.4　选择系统原理方案（解的组合方法）

选定各功能元的解后，如果把这些功能载体根据功能结构进行合理组合，则可得到实现总功能的各种原理方案。在进行方案构思时利用形态学方法建立形态学矩阵，对开拓思路、探求科学的创新方案是有效的。可将系统的功能元与功能元对应的解，分别列为纵坐标和横坐标，列出形态学矩阵见表2-1。表2-1　系统解的形态学矩阵

表2-1中F表示功能元（或分功能），L表示功能元解（或分功能mmimm解）；F为第m个功能元，L（i=1，2，…，n）表示实现功能元Fm12m的n个解。若将F，F，…，F的所有解一一组合起来，可得系统解12m的原理方案数N=n·n·…·n，所得到的方案数是相当大的。若是复杂的大型设计问题，所得方案数之巨大，甚至无法一一检验。实践证明并没有必要对其逐一检验，关键是处理好以下两个问题：

1）构成原理方案的各功能元解在物理上的相容性鉴别，可以从功能结构中的能量流、物料流、信号流能否不受干扰地连续流过，以及原理方案在几何学和运动学上是否有矛盾来进行直觉判断，从而剔除那些不相容的方案。

2）从技术与经济效益的角度，初步挑选出几个较好的方案进行进一步的比较。

设计人员根据自己的经验，借鉴类似设计和前期构思中形成的初步设想，再抓住以上两点就可以在为数众多的原理方案中确定少数的几个较好方案。2.3　机电一体化系统结构方案设计

结构方案设计又称技术设计，它的任务是将原理方案结构化。机电一体化系统原理方案确定之后，对于系统所确定的各种功能元的解，可分为两大类：一类是机械类的物理效应，例如机械传动系统、导向系统、主轴组件等；另一类是电气类的物理效应，例如控制电机、控制电路、检测传感器、计算机硬件系统等。对于电气类物理效应，市场上大都有现成的成品出售，即使没有成品，设计人员也可应用半成品功能器件组合而成。对于机电一体化系统，在电气结构设计方面需要做的工作越来越少。可是，机械结构方案和总体结构方案却随着机电一体化系统的工作对象不同而千变万化。尽管为了满足机电一体化系统设计，各种机械中典型的标准组件已经商品化，但机械结构设计仍是机电一体化系统总体结构方案设计的重要内容。

结构设计工作包括三个方面：第一方面是“质”的设计，其核心问题有两个：一是“定型”，即确定各元件的形态，把一维或二维的原理方案转化为三维的、有相应工作面的、可制造的形体；二是“方案设计”，即确定构成技术系统的元件数目及其相互间的配置。第二方面是“量”的设计，定量计算尺寸，确定材料。第三方面是按比例绘制结构图。因此，结构设计是涉及材料、工艺、精度、设计计算方法、试验与检测技术、机械制图等许多学科领域的一项复杂、综合性工作。2.3.1　结构方案设计的内容和步骤

结构方案设计阶段的工作特点与原理方案构思有很大的不同。原理方案构思主要靠创造性思维和系统化方法，而结构设计的复杂性和具体性，则要求除了创新思维之外，更多地进行紧密联系实际的综合分析和校核工作。结构设计内容包括：设计零部件形状、数量、相互空间位置、选择材料、确定尺寸、计算校核和绘制结构方案总图。

结构设计是从定性到定量，从抽象到具体，从粗略到精细的设计过程，其步骤如下。（1）初步设计　这一阶段主要是完成主功能载体的初步设计。一般把功能结构中对实现能量、物料或信号的转变有决定性意义的功能称为主功能，把满足主功能的构件称为主功能载体。对于某种主功能，可以由不同的功能载体——构件、器件来完成，首先可以确定几种功能载体，然后再确定它们的主要工作面、形状及主要尺寸，再按比例画出结构草图，最后在几种结构草图中择优确定一个方案作为后继设计基础。（2）详细设计　这个阶段的第一步是进行副功能载体设计。在明确实现主功能需要哪些副功能载体的条件下，实现副功能尽量直接选用现有的结构，例如选用标准件、通用件或从设计手册中查找。第二步是进行主功能载体的详细设计，应遵循本节后面所述的结构设计基本原则和原理。然后，就可以进一步完善、补充结构草图，并对其进行审核、评价。（3）结构方案的完善与审核　这一阶段的任务是在以上两阶段工作的基础上，进行设计工作的审核，目的是对单元设计的关键技术问题及薄弱环节进行优化设计，并进行设计分析、经济性分析与可实现性分析，检查预计成本是否达到预期目标。2.3.2　结构方案设计的基本要求（1）功能和工作原理明确　所选择结构要达到预期的功能，每个分功能有确定的结构来承担，各部分结构之间有合理的联系。要避免冗余结构，尽量减少静不定结构。所选结构的物理作用明确，从而可靠地实现能量流（力流）、物料流和信号流的转换或传导。图2-7　锥面连接

图2-7（a）是一种功能不明确结构，传递转矩是键还是圆锥面？零件的轴向定位是轴的台阶面还是圆锥面？两者均不明确。图2-7（b）两种功能都是由圆锥面承担，结构明确。

图2-8为受拉焊缝，图2-8（a）为静不定结构，图2-8（b）为合理结构。（2）结构设计简单　在满足总功能前提下，力求整机、部件和零件的结构设计简单。

1）零部件数量少。其实质是缩短加工、组装和生产准备周期，降低生产成本。由于零件和工作面少，磨损也减少，能耗相对降低，保养和维护也较容易。在设计中常采用一个零件担任几种功能的办法，达到减少零件数量的目的。图2-8　受拉焊缝（a）静不定结构；（b）合理结构

2）零件几何形状简单，使毛坯生产与加工工序缩短，制造与测量容易，安装和调整迅速。

3）采用标准零部件。结构设计中，在满足功能的前提下，应该尽量采用现有的标准部件和零件。因为标准零部件的材料性质、性能和可靠性等数据都是成熟可靠的。标准零部件在制造成本上比自行设计加工要低10%左右。

4）操作简单，结构布置合理，信号显示醒目。

5）包装简单，运输方便。（3）安全可靠　安全可靠性的内容包括：

1）零件安全，主要指在规定载荷和规定时间内，零件不发生断裂、过度变形、过度磨损，不丧失稳定性。

2）整机安全，保证整个系统在规定条件下实现总功能。

3）工作安全，保证操作人员的人身安全和身心健康。

4）环境安全，保证系统对周围环境和人不造成危害和污染，同时也要保证机器对环境的适应性。

安全可靠性的保证方法包括：

1）直接安全技术法。指在结构设计中充分满足安全可靠要求，保证在使用中不出现危险。该法主要遵循以下三个原理：

安全存在原理。组成系统的各零件和零件之间的连接在规定载荷和时间内完全处于安全状态。这就必须做到构件中的受力、使用时间和使用环境清楚；选择的计算理论和方法、材料经过验证是可靠的；试验负荷要高于工作负荷；严格限定使用时间和范围。

有限损坏原理。系统在使用中，当出现功能干扰或零件出现断裂时，主要部件或整机不会遭到破坏。这就要求失灵的零件易于查找和更换，或者能被另一零件所代替。如采用安全销、安全阀和易损件等。对于可能松脱的零件加以限位，使其不会因脱落而造成机器事故。

冗余配置原理。为了避免系统发生故障或失效时会造成人身安全或重大设备事故，提高可靠性，常采用重复的备用系统。如飞机发动机设置双驱动、三驱动和副油箱；压力容器中设两个安全阀；机床上为了防止工作台超程，一般要设置三套行程开关，一套用于减速，一套用于停止，而另一套则用于确保安全。

2）间接安全技术法。通过防护系统和保护装置来实现技术系统的安全可靠，其类型是多种多样的，如液压回路中设置安全阀、电路系统中设置熔断器等。

3）指导性安全技术法。在事故出现以前发出报警信号，提醒人们注意，如指示灯，警铃或自动监控装置等。2.3.3　结构方案设计应遵循的基本原理和原则

在结构设计中，设计者要从承载能力、寿命、强度、刚度、稳定性、减少磨损和腐蚀等方面来提高产品性能，获得最优方案。为此，就需要进一步掌握结构设计中的内在规律，遵守结构设计基本原理。这些设计基本原理包括任务分配原理、自补偿原理、力传递原理、变形协调原理、力平衡原理、等强度原理、稳定性原理、降低噪声原理和提高精度原理。由于大多数机电一体化系统的精度要求较高，因此，这里主要讨论提高精度设计时，应遵循的原理和原则。（1）运动学设计原理　一个空间物体具有六个自由度，要使它完全定位，需要用六个适当配置的约束加以限制，这是六点定位原理。相反，要使物体相对于固定坐标运动，则约束应少于六个。因此，运动学设计原理应遵循下列条件：

1）物体相对运动数等于自由度数减去约束数。

2）要求约束条件为点接触，该点应垂直于被限制自由度的方向，并且同时要求在同一平面（或直线）上的约束点距离应尽可能大些。

运动学设计原理一般仅适用于高精度、低承载及运动行程不大的场合。因为运动学设计原理要求施加点约束，但实际中不存在理想“点”，点接触处的压力很大，使材料发生变形，接触处实际是一块小面积。若在设计中将点约束适当地扩大为一个有限小的面积，而运动学设计原理不变，可称为半运动学设计。图2-9（a）是符合运动学设计原理的仅有一个转动自由度的轴系。图2-9（b）是按半运动学设计原理进行改造后的轴系，用多于三个钢球与轴锥面接触，提供三个约束；轴与轴套的接触由点接触变为短线接触，提供两个约束。图2-9　按两种设计原理设计的轴系（2）平均效应原理　采用运动学设计原理进行设计，就可避免产生静不定和相互干涉。但是，用单点定位约束某个自由度时，由于定位点的误差，其定位精度始终低于该定位点的精度。而且，由于单点定位的接触应力较大，产生相应的接触变形，随着时间的推移，磨损增加，其精度会降低。为了克服这一缺点，人们提出了平均效应原理，即采用多点定位，应用平均效应作用，使误差得到均化，从而提高机构的运动精度和定位精度。

在图2-9的半运动学原理设计的轴系中，可采用多个钢球来定位。开始时可能只有少数的钢球起定位作用（视钢球误差而定），由于应力集中及其弹性变形和随后的磨合过程，使参加工作的钢球数逐渐增大，其定位误差将取决于这些钢球误差的均值，从而提高了定位精度。

采用平均效应原理可以使误差均化，即精度均化，但是必须满足以下条件：

1）用以参加平均的中间元件要易于产生弹性变形。

2）用以参加平均的中间元件的制造误差要小于或等于弹性变形误差。

3）在工作时的外力应能使间隙自动得到消除。

在机电一体化系统中，平均效应原理的应用很广，如滚珠丝杠副、导轨副、密珠轴承、光栅尺和感应同步器等都应用此原理。（3）阿贝误差原理　1890年德国人阿贝通过实践总结出了一个原理：若使测量仪给出正确的测量结果，必须将仪器的读数线尺安放在被测尺寸的延长线上。

采用阿贝原理，可以避免一阶误差，只有二阶误差（常可忽略不计），从而得到较高的精度。它既是测量原理，又是精密系统总体设计时的一个重要的指导性原则。

图2-10（a）为千分尺，它的设计符合阿贝原理，读数线尺与被测尺寸彼此在对方延长线上，可以获得正确的测量结果。若由于制造误差或磨损，千分尺螺杆移动时将会产生偏摆角θ，这时，测量的长1度l与实际长度L之间的测量误差Δ为1式中，Δ与θ是二阶误差关系，避免了一阶误差，若θ较小可忽略不计。

图2-10（b）为游标卡尺，它的设计不符合阿贝原理，被测尺寸与主尺上的读数刻度尺不在同一直线上，测量误差较大。由倾角θ产2生的测量误差量Δ为式中　H——被测尺寸与读数刻度尺之间的垂直距离，,mm。2

式中，△与θ之间为一阶误差关系，测量误差较千分尺大。图2-10　阿贝原理设计实例（a）千分尺；（b）游标卡尺（4）基准重合原则　结构方案设计时，要尽量满足基准重合原则，这样可以减小由于基准不一致所带来的误差，常用的基准面有：

1）设计基面。零件工作图上标注尺寸的基准面。

2）工艺基面。加工时的定位基准面。

3）测量基面。测量时的定位基准面。

4）装配基面。装配时以它为基准，确定零件间的相互位置。

以上基准如果统一，就可以避免因基面不同而造成的制造误差、测量误差和装配误差。（5）最短传动链原则　在总体结构设计时，传动链越短，传动误差越小，性能稳定性越好，精度就越高。

图2-11（a）为传统的机械传动直线进给系统，传动链由多级变速箱和运动转换装置组成，传动链较长，传动误差较大；图2-11（b）为数控直线进给系统，传动链中减少了多级变速箱，传动链长度减小，传动误差减少；图2-11（c）直线电动机进给系统，电动机直接驱动执行机构，传动链最短；图2-11（d）为电动机与执行机构合为一体，没有传动链，是最理想的结构。图2-11　传动链最短原则的应用示例

机电一体化系统结构设计时，可以尽量使驱动系统的自动变速范围宽，且运动形式与执行机构形式一致，这样就可以用最短的传动链，实现执行机构的运动要求。这是机电一体化系统设计与一般机械系统设计的主要不同之处。（6）“三化”原则　“三化”是指产品品种的系列化、产品零部件的通用化和标准化。这是一项重要的经济政策，也是产品结构设计的方向。

1）系列化，指同类产品设计的系列化，目的是用最少的规格和形式，最大限度地满足市场的需要。

2）标准化，是对原材料、半成品及成品的统一规定。目前有国际标准、国家标准、部颁标准和企业标准。设计零部件时，应以标准为依据，并尽量加大标准件占零件总量的比例，这样将使产品成本下降、生产周期缩短。

3）通用化，指相同功能的零部件尺寸统一，可以被不同型号的同类产品使用。这样可以减少零部件品种，缩短设计、制造周期。

设计中采用标准化和通用化原则可以保证零部件的互换性，实现工艺过程典型化，产量增大，有效的缩短制造周期，并为以后的维护带来方便。2.4　机电一体化系统总体布局设计

机电一体化系统总体布局设计时要综合考虑人—机关系和艺术造型。2.4.1　人—机系统设计方法

人—机系统设计是机电一体化系统总体布局设计的重要部分之一，它是把人看成系统中的组成因素，设计以人为主体，详细分析人和系统的关系，其中主要是外形美观设计，最佳操作界面设计，安全可靠性设计。目的是提高人—机系统的整体效能，使人能够舒适、安全、可靠及高效地使用机器。2.4.1.1　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）总体操作布局与人体高度尺寸相适应；（2）系统工作操作台显示清晰，易于观察，便于监控；（3）操作方便省力，减轻疲劳；（4）信息的检测及处理与人的感知特性和反应速度相适应；（5）安全性、可靠性与舒适性好，使操作者心情舒畅。2.4.1.2　人—机系统的结合形式

人—机系统结合的具体形式是有很大差别的，但都会有信号传递、信息处理、控制和反馈等基本功能。2.4.1.3　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。设计功能分析就是从人和系统各自的特点出发做出各种比较，例如：检测能力、操作能力、信息处理机能、耐久性、可靠性、效率、适应力等，并充分考虑人体的机能特性，例如：人体尺度、操作方式、疲劳极限、人的感知特性、心理特性与生理特性等。在进行功能分配时，要充分发挥人与系统各自的特性，进行协调的界面设计，显示装置与控制装置的设计。（1）显示器设计　显示器设计的基本要求是，使操作者获取信息的过程迅速，准确而不疲劳。人机系统设计所要解决的不是具体的技术问题，而是从适合人的使用的角度，向设计人员提供必要的参数和要求。显示器主要有两种：一种是听觉显示，例如：蜂鸣器、铃、喇叭与报警器等；另一种是视觉显示，例如：影视屏幕、数字仪表、显示信号灯与标记等。设计信息显示器时，应按信息的种类及人的视觉、听觉等感知器官的特性来选择设计显示器的类型。

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