機電一體化總體設計
機電一體化總體設計【1】
【摘 要】機電一體化設計是機床設計環(huán)節是一個(gè)重要內容，總體設計應該從總體機械結構出發(fā)，綜合考慮驅動(dòng)方案和系統的可靠性，選擇最合理的方案，實(shí)現機電一體化產(chǎn)品整體的優(yōu)化設計。
【關(guān)鍵詞】主體機械結構;驅動(dòng)方案;可靠性
1 主體機械結構
主體機械結構方案包括：機械的主要幾何尺寸確定、布局、作業(yè)空間的確定、運動(dòng)自由度數的確定。
機床主體在設計時(shí)候要遵循以下幾點(diǎn)原則：
明確――結構方案應能明確體現各個(gè)方面的設計指標。
首先是所選方案的工作原理要明確，才能使所設計的結構能可靠地實(shí)現所要求的目標;其次，要明確工作條件，如載荷情況和運行速度;還要明確作業(yè)空間參數和使用條件。
簡(jiǎn)單――滿(mǎn)足設計目標要求的條件下，系統結構盡量簡(jiǎn)單。
安全可靠――包括機器的工作安全性和操作安全性?xún)煞矫鎯热�，是總體結構方案設計必須考慮的內容。
例如，在機械行業(yè)中最有名氣的車(chē)床CA6140，它在主體設計時(shí)車(chē)床的床身、床腳、油盤(pán)等采用整體鑄造結構，剛性高，抗震性好，符合高速切削機床的特點(diǎn);車(chē)機床潤滑系統設計合理可靠，車(chē)頭箱、進(jìn)給箱、溜板箱均采用體內飛濺潤滑，并增設線(xiàn)泵、柱塞泵對特殊部位進(jìn)行自動(dòng)強制潤滑。
2 驅動(dòng)方案設計
直線(xiàn)驅動(dòng)元件直接驅動(dòng)：
直線(xiàn)步進(jìn)電機其結構比較復雜，傳感器采用磁電式或直接開(kāi)環(huán)控制，控制特點(diǎn)是使用專(zhuān)用傳感器，開(kāi)環(huán)控制位置精度高，低速振動(dòng)較大，直線(xiàn)步進(jìn)電機適用場(chǎng)合為并聯(lián)機器人，成本較高。
氣壓缸結構簡(jiǎn)單，傳感器是直接型位移傳感器，控制特點(diǎn)是使用氣壓控制閥控制，快速性好，負載能力差，適用場(chǎng)合為包裝機，成本較低。
液壓缸，結構較復雜，傳感器為直接型位移傳感器，控制特點(diǎn)是使用電液伺服閥控制，快速性好，負載能力強，適用場(chǎng)合為并聯(lián)機器人和包裝機，成本較高。
3 控制系統方案設計
機床的控制系統是非常重要的，如果沒(méi)有控制系統，那么機床就是一個(gè)不完整的，說(shuō)嚴重一些就是一個(gè)廢品，那么機床也不可能為人們服務(wù)了。
機床控制系統按原理分為：開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)控制。
開(kāi)環(huán)控制系統也就是沒(méi)有反饋元件。
閉環(huán)控制系統是有反饋元件，反饋元件直接安裝在最終的運動(dòng)部件上。
半閉環(huán)控制系統是檢測元件安裝在機床的中間環(huán)節上。
4 可靠性設計
4.1 可靠度函數與失效概論
可靠度函數是產(chǎn)品在規定的條件下和規定的時(shí)間t內，完成規定功能的概率，以R(t)表示;反之，不能完成規定功能的概率稱(chēng)為失效概率，以F(t)表示。
產(chǎn)品工作到t時(shí)刻時(shí)，單位時(shí)間內失效數與t時(shí)刻尚存的有效產(chǎn)品數R(t)的比稱(chēng)為失效率，以λ(t)表示，反映任意時(shí)刻失效概率的變化情況。
4.2 系統可靠性
可靠性預測，通過(guò)預測，對新產(chǎn)品設計的可靠性做出估計，提供方案修改、調整及優(yōu)選的依據，并可由此對產(chǎn)品的維修費用以至全壽命運行費用做出估計。
包括元件可靠性預測和系統可靠性預測。
(1)元件可靠性預測包括以下兩種方法：
實(shí)驗統計法―通過(guò)模擬實(shí)驗，確定元件在任何規定的使用時(shí)間內的可靠性。
經(jīng)驗法―查可靠性手冊或根據類(lèi)似元件的使用經(jīng)驗積累的可靠性數據，考慮在新產(chǎn)品設計中的使用條件，估計出元件的可靠性水平。
(2)系統的可靠度主要取決于元件的可靠度和元件的組合方式兩個(gè)因素。
最基本的組合方式為串聯(lián)和并聯(lián)，串聯(lián)系統的可靠度R，等于各組成單元可靠度Ri的乘積。
4.3 優(yōu)化指標
設某個(gè)產(chǎn)品共有m個(gè)可行的方案，每個(gè)方案都選定n個(gè)評價(jià)指標;Kij為第i個(gè)方案中第j項評價(jià)指標值;Kmaxj是第j項指標在各方案中的最大值;Wj是第j項指標的加權值，它反映了這項指標在該產(chǎn)品中相對于其它各項指標的重要程度，且滿(mǎn)足：
Wj=1 0≤Wj≤1(1)
則采i個(gè)方案的綜合評價(jià)指標(即評價(jià)函數)為：
Hi=Wj， i=1，2，...，m(2)
求出各方案的最佳評價(jià)函數值Himax：
Hmax=max{Himax，(i=1，2，...，m)}(3)
通過(guò)(1)，(2)，(3)求出數據，通過(guò)下列方案進(jìn)行對比選出最佳方案。
可行方案1，失效率Ki1/10-6h-1為120，成本Ki2為7千元，模塊化程度Ki3是0.5，評價(jià)函數Himax是-0.46，權重系數Wj為0.5。
可行方案2，失效率Ki1/10-6h-1為170，成本Ki2為4千元，模塊化程度Ki3是0.8，評價(jià)函數Himax是-0.37，權重系數Wj為0.3。
可行方案3，失效率Ki1/10-6h-1為180，成本Ki2為4千元，模塊化程度Ki3是0.7，評價(jià)函數Himax是-0.42，權重系數Wj為0.2。
可行方案4，失效率Ki1/10-6h-1為210，成本Ki2為3千元，模塊化程度Ki3是0.5，評價(jià)函數Himax是-0.50.
機電一體化產(chǎn)品的設計過(guò)程【2】
摘要: 機電一體化是多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域綜合交叉的技術(shù)密集型系統工程,因此在產(chǎn)品設計的過(guò)程中,要特別強調技術(shù)融合,學(xué)科交叉的作用。
闡述機電一體化產(chǎn)品典型設計進(jìn)程,它通常劃分為四個(gè)階段,包括準備階段,理論設計階段,設計實(shí)施階段,設計定型階段。
關(guān)鍵詞: 機電一體化;設計方法;步驟
機電一體化系統設計是多個(gè)學(xué)科的交叉和綜合,涉及的學(xué)科和技術(shù)非常廣泛,其技術(shù)發(fā)展迅速,水平越來(lái)越高。
由于機電一體化產(chǎn)品覆蓋面很廣,在系統的構成上,有著(zhù)不同的層次,但在系統設計方面有著(zhù)相同的規律。
機電一體化系統設計是根據系統論的觀(guān)點(diǎn),運用現代設計的方法構造產(chǎn)品結構、賦予產(chǎn)品性能并進(jìn)行產(chǎn)品設計的過(guò)程。
整個(gè)開(kāi)發(fā)設計過(guò)程按步驟可劃分為四個(gè)階段:
1 設計籌劃階段
1)在籌劃階段中要對設計目標進(jìn)行機理分析,對客戶(hù)的要求進(jìn)行理論性抽象,以確定產(chǎn)品的性能、規格、參數。
在這個(gè)階段,因為用戶(hù)需求往往是面向產(chǎn)品的使用目的,并不全是設計的技術(shù)參數,所以需要對用戶(hù)的需求進(jìn)行抽象,要在分析對象工作原理的基礎上,澄清用戶(hù)需求的目地、原因和具體內容,經(jīng)過(guò)理論分析和邏輯推理,提煉出問(wèn)題的本質(zhì)和解決問(wèn)題的途徑,并用工程語(yǔ)言描述設計要求,最終形成產(chǎn)品的規格和參數。
對于加工機械而言,它包括如下幾個(gè)方面:
�、� 運動(dòng)參數:表征機器工作部件的運動(dòng)軌跡和行程、速度和加速度。
�、� 動(dòng)力參數:表征機器為完成加工動(dòng)作應輸出的力(或力矩)和功率。
�、� 品質(zhì)參數:表征機器工作的運動(dòng)精度、動(dòng)力精度、穩定性、靈敏度和可靠性。
�、� 環(huán)境參數:表征機器工作的環(huán)境,如溫度、濕度、輸入電源。
�、� 結構參數:表征機器空間幾何尺寸、結構、外觀(guān)造型。
�、� 界面參數:表征機器的人機對話(huà)方式和功能。
2)在這個(gè)階段中要根據設計參數的需求,開(kāi)展技術(shù)性分析,制定系統整體設計方案,劃分出構成系統的各功能要素和功能模塊,然后對各類(lèi)方案進(jìn)行可行性研究對比,核定最佳總體設計方案、各個(gè)模塊設計的目標與相關(guān)人員的配備。
系統設計方案文件的內容包括:
�、� 系統的主要功能、技術(shù)指標、原理圖及文字說(shuō)明。
�、� 控制策略及方案。
�、� 各功能模塊的性能要求,模塊實(shí)現的初步方案及輸出輸入邏輯關(guān)系的參數指標。
�、� 方案比較和選擇的初步確定。
�、� 為保證系統性能指標所采取的技術(shù)措施。
�、� 抗干擾及可靠性設計策略。
�、� 外觀(guān)造型方案及機械主體方案。
�、� 經(jīng)費和進(jìn)度計劃的安排。
2 理論設計階段
首先,根據系統的主功能要求和構成系統的功能要素進(jìn)行系統要素進(jìn)行主功能分解,劃分出功能模塊,畫(huà)出機器工作時(shí)序圖和機器傳動(dòng)原理簡(jiǎn)圖;對于有過(guò)程控制要求的系統應建立各要素的數學(xué)模型,確定控制算法;計算出各功能模塊之間接口的輸入、輸出參數,確定接口設計的任務(wù)分配。
應當說(shuō)明的是,系統設計過(guò)程中的接口設計是對接口輸入輸出參數或機械結構參數的設計,而功能模塊設計中的接口設計則是遵照系統設計制定的接口參數進(jìn)行細部設計,實(shí)現接口的技術(shù)物理效應,兩者在設計內容和設計分工上是不同的。
不同類(lèi)型的接口,其設計要求有所不同。
傳感器是機電一體化系統的感覺(jué)器官,它從待測對象那里獲得反映待測對象特征與狀態(tài)的信息,監視監測整個(gè)設備的工作過(guò)程,傳感器接口要求傳感器與被測對象機械量信號源應有直接關(guān)系,保證標度轉換及數學(xué)建�？焖�、準確、可靠,傳感器與機械本體之間聯(lián)接簡(jiǎn)潔、牢固,靈敏度高、動(dòng)態(tài)性能好,抗機械諧波干擾性強,正確反映待測對象的被測參數。
變送接口要滿(mǎn)足傳感器模塊的輸出信號與微機前向通道電氣參數的匹配及遠距離信號傳輸的要求,接口信號的傳輸要精確,可靠性強,抗干擾能力強,噪音容限較低;傳感器的輸出阻抗要與接口的輸入阻抗相配合;接口輸出的電平要與微機的電平一致;為方便微機進(jìn)行信號處理,接口輸入信號和輸出信號之間的關(guān)系須是線(xiàn)性關(guān)系。
驅動(dòng)接口要能滿(mǎn)足接口的輸入端與微機系統的后向通道在電平上保持一致,接口的輸出端與功率驅動(dòng)模塊的輸入端之間電平匹配的同時(shí),阻抗也要匹配。
其次,為防止功率設備的強電回路反竄入微機系統,接口必須采取有效的抵抗干擾措施。
傳動(dòng)接口是一個(gè)機械接口,要求它的聯(lián)接結構緊湊、輕巧,具有較高的傳動(dòng)精度和定位精度,安裝、維修、調整簡(jiǎn)單方便,傳動(dòng)效率高,剛度好,相應快。
其次,以功能模塊為單元,依據以上接口設計參數的要求對信號檢測與轉換、機械傳動(dòng)與工作機構、控制微機、功率驅動(dòng)及執行元件等進(jìn)行各個(gè)功能模塊的選型、組配、設計。
在此階段的設計工作量較大,既包括機械、電氣、電子、控制與計算機軟件等系統的設計,又包括總裝圖、零件圖的具體模塊選型、組配。
一方面不僅要求在機械系統設計時(shí)選擇的機械系統參數要與控制系統的電氣參數相匹配,同時(shí)也要求在進(jìn)行控制系統設計時(shí),要根據機械系統的固有結構參數來(lái)選擇及確定相關(guān)電氣參數,綜合應用微電子技術(shù)與機械技術(shù),讓兩項技術(shù)互相結合、互相協(xié)調、互相補充,把機電一體化的優(yōu)越性充分體現出來(lái)。
為提高工效,應該盡量應用各種cad、PRO/E等輔助工具;整個(gè)設計應盡量采用通用的模塊和接口,以利于整體匹配,利于后期進(jìn)行產(chǎn)品的更新?lián)Q代。
最后,以技術(shù)文件的方式對完整的系統設計采取整體技術(shù)經(jīng)濟指標分析,設計目標考核與系統優(yōu)化,擇優(yōu)選擇出綜合性能指標最優(yōu)的方案。
其中,系統功能分解應綜合運用機械技術(shù)和電子技術(shù)各自的優(yōu)勢,努力使系統構成簡(jiǎn)單化、模塊化。
經(jīng)常用到的設計策略有如下幾種:
�、� 用電子裝置替代機械傳動(dòng),縮減機械傳動(dòng)裝置,簡(jiǎn)化機械結構,減小尺寸,減輕重量,增強系統運動(dòng)精度和控制靈活性。
�、� 在選擇功能模塊時(shí)要選用標準模塊,通用模塊,防止重復設計低水平的功能模塊,采用可靠的高水平模塊,以利于減少設計與開(kāi)發(fā)的周期。
�、� 加強柔性應用功能,改變產(chǎn)品的工作方式,讓硬件的組成軟件化,讓系統的構成智能化。
�、� 設計策略選擇要以微機系統作為整個(gè)設計的核心。
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