机电一体化第二章机电一体化系统总体设计技术.ppt

第二章 机电一体化系统总体设计技术,第一节 机电一体化系统总体设计概述 第二节 机电系统设计技术参数与技术指标制定方法 第三节 机电一体化系统原理方案设计 第四节 机电一体化系统结构方案设计,下一页,第五节 机电一体化系统总体布局与应用设计 第六节 机电一体化系统总体设计 习题与思考题,上一页,下一页,第一节 机电一体化系统总体设计概述,机电一体化系统设计的第一环节是总体设计，在具体设计之前，对所要设计的机电一体化系统的各方面，根据简单、实用、经济、安全、美观等基本原则，进行综合性设计。其主要设计内容有：主要技术参数及技术指标的制定，机电系统原理方案设计，结构方案设计，总体布局与环境设计，总体方案的评价与决策，可靠性设计，安全性设计等。 在总体设计过程中，应完成以下技术文件与图纸设计资料。 (1) 机电系统组成的结构方块图，工作原理流程图； (2) 机电系统组成单元工作原理图； (3) 机电系统单元装配图，电路单元布线图； (4) 机电系统总装配图； (5) 总体设计技术报告； (6) 总体设计方案论证报告； (7) 总体设计资料汇编； (8) 总体设计评审报告。,上一页,返回,第二节 机电系统设计技术参数与技术指标制定方法,一、 机电系统技术参数与技术指标设计分析 机电一体化系统的主要技术参数是能够基本表征该系统的概貌与特征的。由于机电一体化系统所代表的设备与产品广泛分布在各个领域，所以不同的系统功能的主要技术参数或技术指标的内容有很大不同。 二、 机电系统参数和技术指标制定方法 1 根据设备或产品的用途设计 在设计前进行的市场信息调查中，用户在提出设备或产品的设计要求时，往往只提出使用要求，设计技术人员必须将使用要求转换成设计工作所需要的技术参数和技术指标，这项工作有时很复杂，需要首先进行原理方案设计，进行大量的实验研究，通过实验研究分析整理，再制定机电系统设计技术参数和技术指标。,上一页,下一页,2. 根据机电系统控制量的特性设计 机电系统的控制量是指输入量、输出量所包括是能量流、信息流。这些量本身的性质，特点，尺寸等都可能成为系统技术参数与指标的确定依据。 3. 根据加工条件对系统精度要求设计 机电一体化系统的主要特点是精度高，可靠性好。为了保证系统的精度，在总体设计时，必须以保证输出量的精度作为主要技术指标为依据。 4. 根据系统应用场合要求设计 在机电一体化系统设计中，对于系统本身的技术参数及性能指标考虑的比较多，对于应用条件考虑的较少，直接影响到系统的应用范围。,上一页,返回,第三节 机电一体化系统原理方案设计,一、 机电一体化系统原理方案设计分析 在机电一体化系统总体设计中，所设计的机电系统技术性能和功能不同、使用要求不同、设计方案不同、所选用的单元部件不同、设计的原理方案更不同，所以，原理方案设计没有确定的格式可采用。 二、 机电一体化系统组成功能结构分析 机电一体化系统是由多个功能单元组成的。系统功能就是指输入量与输出量之间的关系，利用功能简图方式表示，有利于设计和分析信号的传输过程。如图2-1。由检测传感器，放大器，控制器部分组成检测控制系统。,上一页,下一页,图2-1 定位检测控制系统,机电一体化系统设计中常用的基本功能单元可分为:物理功能单元、逻辑功能单元、数学功能单元、机械结构功能单元、操作使用单元等组成。 1. 物理信号检测单元 可以实现不同形式的能量之间的变换单元，例如：把物理信号利用不同的传感器转换为电信号，把电能转换为机械能等。在设计中根据具体要求，确定物理功能单元。 2. 控制功能单元 根据机电一体化系统工作状态、工作方法、设计的控制系统，按照事先设计的逻辑关系实现，逻辑关系与操作方式、顺序、安全性、可靠性，抗干扰性有关。,上一页,下一页,3. 计算功能单元 计算功能是由程序实现计算微分、积分、滤波、信号分析、信号处理等功能。可根据设计系统要求选用以上计算功能单元。 4. 机械结构功能单元 机械结构是根据机电一体化系统（或产品）的功能需求设计的，有组合结构，整体结构，立式结构，框架结构，装置主体等功能单元。 5. 操作使用单元 在设计任何类型的机电一体化系统（或产品）中操作使用单元是十分重要的，是根据产品特点，使用特点，外形美观而设计的操作使用单元。,上一页,下一页,6. 功能单元原理方案的选择 在设计机电一体化系统中，为了选用最佳的功能单元实施原理方案，可以通过以下几种途径，实现正确合理的选择。 (1) 参考有关资料，专利或新产品。 (2) 利用创造性思维方法开阔思路，探讨新颖性设计。 (3) 根据设计要求，详细分析，借助于其他产品设计功能单元原理方案，合理的转化为新原理方案的应用。 7. 功能单元原理方案设计问题 (1) 在设计机电一体化系统（或产品）中，在满足设计要求的条件下，要考虑附加要求 (2) 在设计中所选择的功能单元，应从全局考虑，综合设计，互相补充。采用配套性方法，使原理方案简化。 (3) 对于体现产品特色的，关键性功能单元，应多采用创造性设计方法。 (4) 对于实现功能单元，应多提出几种原理方案，以便总体设计评价择优采用。,上一页,下一页,三、 机电一体化系统功能结构图的设计方法, 在设计机电一体化系统中，根据所设计的系统按照功能分解：机械单元，检测单元，控制单元，信息处理单元，执行单元等，最后组合起来应能满足总功能的要求。 1基本功能结构类型 以功能单元为基础，组合成功能结构的方式有三种基本类型，如图 2-2所示，分别为串联结构，并联结构，回路结构。 ,上一页,下一页,图2-2 基本功能结构(a)窜连结构；(b)并连结构；(c)回路结构,2. 机电系统功能原理结构图的设计 机电系统功能结构图的设计，首先把所设计的系统按系统功能分解，分析单元功能之间的关系，再设计功能结构图。以压力传感器动态校准系统为例，说明功能结构图的设计方法。压力传感器动态校准系统是一个高精度压力传感器动态标定系统，它由发生器主机、压力源调节系统、标定频率控制系统、标定信号测试系统组成。功能结构图设计如下： (1) 正弦压力发生器主机。 正弦压力发生器主机系统由控制盘、功能盘、压力室组成如图2-3所示。,上一页,下一页,图2-3 正弦压力发生器主要功能结构,(2) 标定频率控制系统。 标定频率控制系统由计算机、控制板、接口电路、电机驱动器、步进电动机组成，如图2-4所示。,上一页,下一页,图2-4 标定频率控制系统,(3) 压力源调节系统。压力源调节系统由高压气瓶、过滤器、减压阀、高压电磁阀组成。如图2-5所示。,上一页,下一页,图2-5 压力源调节系统,图2-6 标定信号测试系统,(4) 标定信号测试系统。 标定信号测试系统由参考传感器、被标传感器、动态电阻应变仪、动态测试分析仪组成。如图2-6所示。,上一页,下一页,(5) 正弦压力标定系统功能结构总图。 压力传感器动态标定系统如图2-7所示,按照这种方式，建立系统功能结构图，无论系统多么复杂，功能结构的设计工作都可以有计划、有步骤、有条不紊地进行。系统规模再大、再复杂的系统、均可以按功能单元分解，设计出单元功能结构图，为系统总体设计提供了详细的功能图。,上一页,下一页,图2-7 压力传感器动态标定系统图,上一页,下一页,四、 机电一体化系统原理方案的选择原则 在机电一体化系统设计中，根据设计要求，对系统功能单元及系统原理方案设计，可实现的原理方案是多解的，每种原理方案不同，技术上实现不同，投入的研制费用不同，性能和功能也不同，必须进行详细分析对比选择最佳方案。选择的原则： (1) 新颖性、先进性、使用性。 (2) 技术可实现性。 (3) 经济性、可靠性好。 (4) 结构合理，外观造型好。 (5) 操作简单，使用方便。,上一页,返回,第四节 机电一体化系统结构方案设计,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单元，可分成两大类：一类是机械类单元，例如：机械传动系统、导向系统、主轴组件、机械主机、机箱体等；另一类是电气系统功能单元，例如: 检测传感器、电压放大器、控制电路、控制电机、计算机硬件系统等。 电路结构设计工作包括两个方面，即电路原理图设计，电路安装图布局设计。由元器件尺寸确定电路结构尺寸，相互之间的布局合理性设计，安装图设计，安装工艺的设计等。结构方案设计的目的不仅是将原理方案结构化，而且要实现结构的优化与创新设计。所以在结构方案设计时，应遵循普遍使用的原则和原理，同时，还应将现代化的设计理论和设计方法引入到设计中，采用现代化的高新技术设计出最佳的机电系统的结构方案。,上一页,下一页,一、 机电一体化系统结构方案设计程序,结构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设计工作。 1. 初步设计分析 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的能量，信号的转换等。 2. 详细设计分析 第一步是进行副功能单元设计，在明确实现主功能需要那些副功能单元的条件下，实现副功能尽量直接选用现有的结构部件 。 3. 结构方案的完善与评价 这一阶段的任务是在前面阶段工作的基础上，进行设计工作的评价，目的是对单元设计的关键技术问题和薄弱环节进行优化设计，并进行设计分析、经济性分析、可实现性分析、检查预计成本等是否达到预期目标。,上一页,下一页,二、 机电系统结构方案设计的基本原则,机电系统结构方案设计应遵循以下基本设计原则： 1. 明确设计要求 在结构方案设计时，所考虑的各个要求均应体现明确性。 2. 简单性设计 这里的“简单”应广义地理解为、简化、简明、简要、简便、减少等多种含义。 3. 安全可靠性设计 (1) 电路与构件的可靠性。即在规定的外载荷下，规定的时间内，电路与构件不发生过度变形与磨损、器件老化、器件失效、外界影响工作不稳定等。 (2) 功能可靠性。即保证在规定的条件下实现总功能。 (3) 工作安全性。是指对操作人员保证工作安全、身心健康。 (4) 环境适应性。即不得造成超标准的环境污染，并能保证机器适应环境工作条件。,上一页,下一页,4. 运动学设计原则 运动学设计原则就是根据物体需要实现的运动方式，工作状态，负载特性，设计选择控制方案，并施加约束条件。按照该原则的设计方法具有以下优点： (1) 每个零件是用最少的接触点来约束的，且接触点的位置不变，这样作用在物体上的力就可以按力学方法预先计算，因此可加以控制，就可避免由于过大的力引起材料变形而影响机构的正常工作性能，并且定位精确可靠。 (2) 工作表面的磨损及尺寸加工精度对约束的影响很小，用大公差也可以达到高精度，所以降低了对加工精度的要求。即使接触面磨损了，稍加调整，就可以补偿磨损造成的位移。 (3) 零件被拆卸后能方便而精确地复位。采用运动学设计原则要求施加点约束，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。,上一页,下一页,5. 基面合一原则 在机械结构方案设计时，要尽量满足基面合一原则，即应使定位基面尽量与使用基面和加工基面合为一体，这样可以减小由于基面不一致所带来的加工误差。 6. 最短传动链原则 在机电一体化结构设计时，可以尽量使驱动系统的自动调速范围要宽，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不同之处。 7. 标准化设计原则 所谓的标准化是指产品部件的系列化，产品部件的通用化和标准化。在机电一体化系统设计中，必须采用标准化、系列化和通用化原则进行设计，可以保证零部件的互换性，实现工艺过程典型化，有效地缩短研制周期，降低成本，并为以后的使用维护带来方便。 8.“老化”处理原则 所谓“老化”是指设计的控制系统，电路系统中的元器件进行使用前的“老化”处理，常用的有高温老化处理，长时间连续工作处理等。,上一页,下一页,9. 结构强度的设计原则 (1) 等强度原则。在设计零部件时，应尽量使同一零部件各处的强度接近相等，以使各处都能充分利用其强度，保证最有效地利用材料和减轻体积和重量，使各处的寿命相等。 (2) 力自平衡原则。在机电系统设计中某些部件在运行中会产生额外的力矩或受力，若能予以力平衡，可抵消其不利影响，使整机正常稳定运行。例如：在设计大力值标准系统中采用力自平衡原理，使整机设计体积更小，质量更轻等。 (3) 力自加强原则。例如：在设计液压密封装置时，对密封件的位置安装应使其工作时在两边液体压力差作用下，越贴越紧，以自动加强密封效果。 (4) 力作用路径最短原则。在力或力矩作用路径中，均要产生应力和变形，缩短力作用路径，一方面可减少材料、简化结构，另一方面使变形环节减少，有利于提高构件强度，提高整机精度。 (5) 力自保护原则。机电系统运行时，如偶遇外力或故障，可能会使某些部件受到异常大的力或力矩作用，发生损坏或断裂，若在设计中将异常力作用于这些部件时能及时脱离而得到自保护，则可避免事故或发生意外。例如，加入检测系统可事先报警。,上一页,返回,第五节 机电一体化系统总体布局与应用设计,一、 人 - 机系统设计方法 人 - 机系统设计是机电一体化系统总体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，进行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。 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) 信息的检测与处理与人的感知特性和反应速度相适应； (5) 安全性、可靠性好、舒适性好，使操作者心情舒畅。,上一页,下一页,2 人 - 机系统的结合形式 人-机结合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。 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。 (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。 (2) 控制器设计。利用人本身的功能信号去控制系统工作的装置叫做控制器。根据人体的特性可以设计出手动控制器、脚动控制器、声控器及光电控制等各种控制器。控制器设计的核心是实现最简单、最方便的操作。,上一页,下一页,(3) 监控系统设计。由显示器、控制器和操作者组成的子系统就是监控系统。把显示器与人的获取信息与输出信息的特性结合起来全盘考虑。根据人体功能特点，希望在系统操作上面部位配置显示部分，在系统下方部位或面前方配置控制部分。 二、 机电系统艺术造型设计方法 机电产品进入市场后，首先给人以重要的直觉印象就是其外观造型，以人为主是用户普遍的心理反映。 1. 艺术造型设计的基本要求 (1) 布局清晰。条理清晰的总体布局是良好艺术造型的基础； (2) 结构紧凑。节约空间的紧凑的结构方式有利于小型化，有利于良好的艺术造型； (3) 结构简单。应使可见的，不同功能的部件数减少到最少限度，重要的功能操作部件及显示器布置方式一目了然；,上一页,下一页,(4) 统一与变化。整体艺术造型应显示出统一成型的风格和外观形象，并有节奏鲜明的显示，给人以和谐感，外形美观感； (5) 功能合理。艺术造型应适于功能表现，结构形状和尺寸都应利于功能目标的体现； (6) 体现新材料和新工艺。目的是体现新材料的优异性能和新工艺的精湛水平； (7) 微型化、数字化、智能化合理组合。 2艺术造型设计的三要素 艺术造型设计是运用科学原理和艺术手段，通过一定的技术与工艺实现的。技术与艺术的融合是艺术造型设计的依据。系统功能、物质条件和艺术设计构成了机电系统造型设计的三要素。这些要素之间存在着辩证统一关系，在艺术造型的设计过程中要科学地反映它们之间的 内在联系，通过艺术造型设计充分体现产品的功能美、外形美。,上一页,下一页,3艺术造型设计的基本原理 对一个机电产品艺术造型的具体构思来说，考虑问题是经过由功能到造型，由造型再到功能的反复过程；同时又要经过由总体到局部，由局部返回到总体的反复过程。造型设计还与使用材料、颜色有关。 因此造型设计贯穿了产品设计的全过程，其设计特点是以形象思维为主，突出美观，色调协调，操作方便，显示直观等。图2-8所示为艺术造型设计流程图。,上一页,下一页,图2-8 艺术造型设计流程图,上一页,下一页,4. 艺术造型设计要点 (1) 稳定性。对于静止的或运动缓慢且较重的产品，应该在布置上力求使其重心得到稳固的支撑。并从外观形态到色彩搭配运用都给人以稳定的感觉。 (2) 运动特性。总体结构利用对称原理可使产品具有可运动的特性。例如许多运输设备，无论从上看，从前面看，或从后看都是对称的，给人以稳定感，但从侧面看不对称的前后部分可使形状产生动态感，设计要求具有立体感。左右、上下、有对称感。 (3) 轮廓。产品的外形轮廓给人的印象十分重要，通常采用“优先数系”来分割产品的轮廓，塑造产品协调，成比例的外观给人以和谐的美感。 (4) 简化。产品外形上不同形状和大小的构件愈多，就愈显得繁杂，难于与简单、统一协调的要求相吻合。因此，把一些构件组合起来，尽量减少外露件的数目。 (5) 色调。色调的效果对人的情绪影响很大。选用合理的色调，根据不同类型的产品，应用不同的场合，运用颜色的搭配组成良好的色彩环境，能使产品的艺术造型特征得以充分的发挥，满足人们心理的审美要求。,上一页,下一页,三、 机电系统总体布局设计方法,机电系统总体布局设计是总体设计的重要环节。 1 总体布局设计的基本原则 (1) 功能合理。各分功能既易于实现又便于实现总功能，不论在系统的内部还是外观上都不应采用不利于功能目标的布局方案。例如：机电系统强电设备与弱电系统分开布局可提高抗干扰能力。 (2) 结构紧凑。内部的结构紧凑要保证便于装配维护，外部的结构紧凑是艺术造型的良好基础。 (3) 层次分明。总体结构和所有部件的布置应力求层次分明，一目了然。 (4) 比例协调。这一原则按艺术造型方法实现。,上一页,下一页,2 机电系统总体布局的基本类型 根据系统的形状、大小、数量、位置、顺序五个基本方面进行综合考虑，可得出布局的类型： (1) 按主要工作机构的空间几何位置，可分为平面式、空间式等； (2) 按主要工作机构的相对位置，可分为前置式、中置式、后置式等； (3) 按主要工作机构的运动轨迹可分为回转式、直线式等； (4) 按主要工作机构的布置方向可分为水平式、直立式、倾斜式等； (5) 按机架或机壳的结构形式，可分为整体式、组合式等。,上一页,下一页,3 总体布局设计实例 正弦压力校准系统总体布局设计。这里以智能式正弦压力校准系统为例，来说明总体布局所要考虑的设计基本问题与解决方法。正弦压力校准系统的总体布局可从几个方面考虑， 一是校准系统中的控制子系统：电机减速器，驱动器，双电机控制器；二是校准系统主机子系统；三是高低压调压控制子系统：高压压力表、低压压力表、减压阀、控制阀等。为了实现以上所论述的总体设计要求和设计原则，艺术造型的设计要求。 应根据该系统的性能、特点及功能，主机部分采用双电机控制，要求控制的稳定性，可靠性很高，主机主轴不能直接由电机带动，采用皮带带动电机，并且两个电机分开带动主机，这就要求电机采用卧式布置有利于双电机控制功能目标的实现。而采用立式布置时，双电机减速器安装固定十分困难，与主机控制不协调，体积增大。所以，在设计中采用卧式布局方法，将步进电机 A ，减速器布置在左侧，步进电机 B 布置在右侧，双电机控制器布置在控制驱动器中间，把电机控制系统布局在总体的下端更加合理，使用方便，如图2-9所示控制子系统布置图,上一页,下一页,图2-9 动态压力标定系统控制子系统布置图,上一页,下一页,正弦压力校准系统主机子系统和高低压调压控制子系统，布局在总体上端，上下端间距以操作使用方便为主，选择整体高度700 mm。 主机和调压系统同样采用卧式布置方式。把主机布置在左侧中心位置与下端电机布局要求一致性，中间布置高压显示表和低压显示表，右侧布置高压减压阀和低压控制阀。 这种布局有利于调压系统的操作调节方便，外形美观，紧凑合理，整体结构体积小，质量轻，放在小车上，现场使用方便，灵活性好。如图2-10所示主机和调压系统图。,上一页,下一页,图2-10 动态压力标定系统主机和调压系统图,上一页,返回,第六节 机电一体化系统总体设计,一、 机电一体化系统总体方案设计 1详尽搜集市场信息对所设计产品的需求 设计任何类型的机电系统，首先要收集所有相关的信息，包括设计需求，设计技术资料，基础条件，技术条件，在该领域中的发展方向等。 (1) 设计对象自身的工作效率。包括年工作效率及小时工作效率。对于动力传动系统还要了解机械效率方面的需求。 (2) 设计对象所具有的主要性能和功能。包括总功能及实现总功能的单元功能的工作特点，特别是操作人员在总功能实现中所介入的程度。 (3) 设计对象与其工作环境的界面。这主要有输入、输出界面、装载工件形式、操作员控制器的界面，辅助装置的界面，温度、湿度、灰尘等情况，以及这些界面中哪些是由设计人员保证的，哪些是由用户提供的。,上一页,下一页,(4) 设计对象对操作者技术水平的需求。要求操作人员达到什么技术等级，并具备哪些专业知识。 (5) 设计对象是否被制造过，假如与设计对象类似的产品已在生产，则应参观生产过程，并收集有关的设计与生产文件。再根据设计对象要求进行创新设计。 (6) 了解用户自身的一些规定、标准、厂标、部标、军标等。一般技术要求，应用条件的要求，对产品表面的要求（防蚀、色彩等），使用场合的要求等。,上一页,下一页,2. 设计对象工作原理的设计 明确了设计对象的需求之后，就可以开始工作原理设计了，这是总体设计的关键。设计质量的优劣取决于设计人员能否很好地对设计系统的总功能进行合理的分解，并能合理地利用现有设计技术和现有的物质条件更好地进行创新设计，勇于开拓新的领域，探索新的工作原理。 总体设计方案最佳化，必须在单元系统设计中采用最佳设计方案，才能使总体设计方案更合理、更先进。 3. 主体结构方案的选择 机电系统机械结构类型很多，选择主要结构方案时，必须保证系统所要求的精度、工作稳定可靠、制造工艺等。若是外形结构，在允许条件下，应符合体积小、质量轻、外形美观、结构合理。若是主机运动单元，应符合运动学设计原则或误差均化原理。,上一页,下一页,4. 摩擦形式的选择 设计机电一体化机械系统时要认真选择运动机构的摩擦形式，如果处理的不好，由于动、静摩擦力差别很大，造成爬行，会影响控制系统工作的稳定性。因此总体方案设计时，必须选取具有适应于工作要求摩擦形式的导轨。 5. 电路结构方案的设计 在机电一体化系统设计中，检测系统设计，控制系统设计，从电路结构方案设计方法可分为两大类：一类是设计选择式，根据系统设计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、记录仪等，进行合理的组合，满足总体方案设计要求。 另一类设计是以设计为主，选择单元为辅，设计人员必须根据系统设计总体功能及检测系统，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。,上一页,下一页,6. 机电系统简图的设计 在机电一体化系统总体设计完成各功能单元后，采用各种符号或方块图形式表示各子系统功能单元。包括控制系统、传动系统、电器系统、传感检测系统、机械执行系统、机械主机系统等。 7. 总体准确度分析与设计 总体准确度是衡量机电系统性能和质量的一个主要的技术指标。由于现代机械电子设备和产品的自动化程度愈来愈高，功能也更先进，因此机、电、光等多学科相互渗透的程度更强，机电系统总的准确度指标是由各子系统共同作用的结果。 8. 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。,上一页,下一页,二、 机电系统可靠性设计,在机电一体化系统（或产品）设计中，它是由多个单元子系统组合体，每个单元子系统的可靠性如何直接影响到系统总体性能的可靠性。因此，可靠性设计是系统设计的重要内容。对于机电系统（或产品）的可靠性设计问题论述如下： 1. 可靠性的基本概念 为了发挥机电一体化系统应有的作用，首先应使它可靠地工作。在设计一个新的机电系统时，要对各种设计方案进行分析比较，要想得到一个最佳方案，不考虑可靠性问题是不可能的。 因此，可靠性设计问题是机电一体化系统设计的一个重要组成部分。所谓可靠性，是指“产品（或系统）在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力”。“完成规定功能”就是能够连续地保持产品（或系统）的工作能力，使各项技术指标符合使用要求。,上一页,下一页,2. 保证机电系统（或产品）可靠性的方法 保证设计产品具有很好的可靠性，是一个综合性问题，不能单纯依靠某一特定的方法。 在保证产品可靠性的方法中，提高产品的设计和制造质量是最根本的方法，它的作用是消除故障于发生之前，或者降低故障率。但从某种意义上来讲，由于故障是一种随机性事件，因而是不可避免的。在这种情况下，冗余技术就成为保证产品可靠性的一种重要方法。 （1）提高产品的设计和制造质量。保证产品的可靠性，要从设计和制造入手。在保证实现各种基本性能指标的同时，还要保证可靠性。 对于军工类的机电产品，采用裕度法，可以加大设计的安全系数，以保证一定的可靠性储备。设计产品的某一输出参数为Y，而Y值是一个随机量，它可能在极限条件下达到极值 Ylim。这种极限条件可能是最恶劣的使用条件（如最大的工作规范、缺乏润滑等）和环境条件（如高温、潮湿等）。如果Y达到Ylim时还没有达到失效时的参数值Ymax，则称为具有可靠性储备，用可靠性储备系数KR表示,可靠性储备系数也可按下式计算：,上一页,下一页,式中Y为Y值不超出极限范围的概率为R时的值。,上一页,下一页,（2） 冗余技术。冗余技术又称储备技术。它是利用系统的并联模型来提高系统可靠性的一种手段。冗余有工作冗余和后备冗余两类。 工作冗余，又称工作储备或掩蔽储备，是一种两个或两个以上单元并行工作的并联模型。 后备冗余，又称非工作储备或待机储备。平时只需一个单元工作，另一个单元是冗余的，用于待机备用。 （3） 诊断技术。从本质上来看，诊断技术是一种检测技术，用来取得有关产品中产生的失效（故障）类型和失效位置信息。它的任务有：一是出现故障时，迅速确定故障的种类和位置，以便及时修复；二是在故障尚未发生时，确定产品中有关元器件距离极限状态的程度，查明产品工作能力下降的原因，以便采取维护措施或进行自动调整，防止发生故障。,上一页,下一页,3. 干扰和抗干扰措施 在机电一体化系统（或产品）中，电场、磁场的干扰是产生源、部件失效或数据传输、处理失误，进而影响其可靠性的最常见和最主要的因素。这是机电一体化系统设计中不可忽视的问题之一。 (1) 干扰源。一般说来，在机电一体化系统中，用专用或通用微型计算机组成的控制器，其硬件经过筛选和老化处理，可靠性非常高，平均无故障工作时间较长，因此，引起控制系统和检测系统单元，计算机系统单元故障（失效）的原因多半不在于其本身。 供电干扰。控制器一般都配备有专用的直流稳压电源，即使如此，从交流供电网传来的干扰信号仍然可能影响电源电压的稳定性，并可能经过整流电源窜入控制系统。,上一页,下一页, 强电干扰。驱动电路中的强电元件如继电器、电磁铁和接触器等感性负载，在断电时会产生过电压和冲击电流。 接地干扰。接地干扰是由于接地不当、形成接地环路产生的。接地环路的两种典型情况：由于接地点远而形成的环路，在不同位置的接地点一般不可能电位相同，因此形成地电位差 15120 V。 当用公用地线串联接地形成的环路，由于各设备负载不平衡、过载或漏电等原因，可能在设备之间形成电位差525 V。无论在哪种情况下形成的地电位差，都会产生一个干扰电流，而干扰低电平信号电路。 辐射干扰。如果在控制系统附近存在磁场、电磁场、静电场或电磁波辐射源，就可能通过空间感应，直接干扰系统中的各设备（控制器、驱动接口、转换接口等）和导线，使其中的电平发生变化，或产生脉冲干扰信号。,上一页,下一页,(2) 抗干扰措施。用来抑制上述各种干扰信号的产生或防止干扰信号危害的抗干扰措施，既有针对各种干扰源的性质和部位而采取的措施，也有从全局出发而采取的提高产品可靠性的措施。 供电系统的抗干扰措施。针对交流供电网络这个干扰所采取的抗干扰措施主要是采用稳压源、滤波器、光电耦合法。采用电子交流稳压供电，可以进一步提高电源电压的稳定性，抗电源高频干扰能力。 接口电路的抗干扰措施。在控制器与执行元件之间的驱动接口电路中，少不了由弱电转强电的电感性负载，以及用来通、断电感负载的接点，这些都是产生强电干扰的干扰源。对于这种干扰，首先是采取吸收的方法，抑制其产生，然后采取隔离的方法，阻断其传导。,上一页,下一页, 系统接地的抗干扰措施。要防止从系统接地传来的干扰，主要的方法是切断接地环路，通常采用以下措施。 单点接地，由于接地点远而形成的环路，可采用单点接地的方法来切断地电位差产生的干扰信号。 接地线采用屏蔽导线。 并联接地，对由多个设备采用公用地线串联接地而形成的环路，可用并联接地的方法来切断地电位差干扰信号。 光电隔离，对于用长线传输的数字信号，可用光电耦合器来切断接地环路。 最佳组合抗干扰措施。在设计机电一体化系统中，对检测系统，计算机控制系统，各个单元部件采用最佳组合法，正负信号接线一致，相互之间阻抗匹配，信号传输线采用屏蔽导线法，可有效抑制仪器之间的干扰信号和外界干扰信号。,上一页,下一页, 设计法抑制噪声干扰。在设计电路中，对于所选择的器件，应进行筛选，选择噪声小的器件，电路布局把强电和弱电电路分开布局，对于集成电路电源端并用0.1F电容法，可提高电路的抗电源波动干扰的能力。在电路设计中输入端采用电容滤波法，可减小高频干扰影 响，达到可靠性的作用。 4. 软件的可靠性技术 (1) 利用软件来提高系统的可靠性。由于系统是由硬件和软件组成的，因而系统的可靠性可分为硬件可靠性和软件可靠性两个方面，通过提高元器件的质量，采用冗余设计，进行预防性维护，增设抗干扰装置等措施，能够提高硬件的可靠性。 (2) 提高软件的可靠性。尽管采用软件功能提高系统可靠性，但值得指出的是，由于种种原因，软件本身也会发生故障。,上一页,下一页,5. 软件可靠性测试 测试的基本方法是给软件一个典型的输入，观测输出是否符合要求，如发现结果有错，应设法将可能产生错误的程序进行修改，经修改后，再次调试，直到消除所有错误为止。 测试按照下述步骤进行： (1) 单元测试，即对每个程序块单独地进行测试，通过对各程序块的测试，找出程序设计中的错误，测试可利用事先准备好的经过某种算法产生的测试码来进行； (2) 局部或系统测试，即对由若干程序块组成的局部程序或系统程序进行测试，以发现各程序块之间连接的正确性； (3) 系统功能测试，测试该软件能实现的功能； (4) 现场安装，综合验收测试。,上一页,下一页,三、 机电系统安全性设计方法,随着机电一体化系统设计技术的发展，各种机电一体化产品，各种自动化生产系统的自动化程度的提高，大型核电生产系统，大型电力系统等，对于安全性设计越来越重要。从工业安全角度，家用电器使用安全角度来看，要减小产生事故和使用产品事故的发生，在设计机电一体化系统中，提高安全性设计水平。 1. 工业机器人的安全措施设计 安全措施之一是故障自动保护法。一是必须具有通过伺服系统对机器人的误动作进行监视的功能。 一有异常动作应自动切断电源；二是必须具有当人误入危险区时，能立即测知并自动停机的故障自动检测系统。具体的安全措施设计大致有：,上一页,下一页,(1) 设置安全开关。具备连接功能，即拔出门上的安全插销时，机器人就自动停止。 (2) 安装警示灯。在自动运转中开启指示灯，提醒操作人员不要进入因等待条件而停止的机器人的工作区。 (3) 安装监视器。采用光电式、静电电容式传感器或安全网等，设置监视人的不安全动作的系统。 (4) 安装防越程装置。即使机器人可以回转270，一般也应限制其使用范围。为防止超越使用范围，必须安装限位开关和机械式止动器。 (5) 安装紧急停止装置。对于微机控制的机电一体化设备，一般采用软件方式进行减速、停止定位，但从控制装置容易发生故障的现状来看，在安全上仍然存在很大问题。,上一页,下一页,因此，紧急停止功能是很重要的。通常对紧急停止装置的要求是： 应能紧急停止； 电路应是独立的，以确保高可靠性； 除控制台以外，在作业位置上也要安装紧急停止按钮； 紧急停止后不能自动恢复工作。 (6) 低速示教。为了确保安全，应设置较低的示教速度，即示教中产生误动作，也不致造成重大事故。随着机器人的构造与功能的进步，机器人的自由度增加了、运动范围扩大了，其应用范围也在不断扩大，人机的安全问题就更加突出。,上一页,下一页,2. 高温暖气锅炉系统的安全措施设计 高温暖气锅炉系统当发生锅炉内压力增大，温度升高时，供水管道出现断裂时，必然会发生爆炸问题。具体采取的安全措施设计有： (1) 锅炉内压力检测控制系统，当压力升高超过允许量程时，自动显示检测压力，并发出报警信号的同时控制锅炉供油系统停止供油，打开安全阀。 (2) 锅炉内水量检测控制系统，自动检测水量大小，当水量减少到设定极限时，自动发出报警信号的同时控制启动锅炉备用供水系统，达到安全供水。 (3) 锅炉内温度检测控制系统，自动显示温度值,当温度升高时，在报警显示的同时控制锅炉供油系统停止供油。确保锅炉的安全，当温度降低到设定温度时，提高控制供油量，确保供暖系统的正常工作，达到了节能安全作用,上一页,下一页,习题与思考题,2-1. 机电系统原理方案的选择原则？ 2-2. 机电系统总体设计的基本原则？ 2-3. 为了提高机电系统的抗干扰能力，总体布局如何设计？ 2-4. 提高机电系统可靠性的设计方法？ 2-5. 举例说明总体设计思路。 2-6. 举例说明艺术造型设计的基本原则。 2-7. 自拟题目写出机电系统可靠性设计论证报告。 2-8. 机电系统设计评审的作用是什么？ 2-9. 机电系统总体安全性设计应具备哪些技术？ 2-10. 机电一体化系统总体结构由哪几部分组成？设计的要求是什么,上一页,返回,